CN112360432B - 一种缝隙模拟机构、裂缝模拟实验仪及堵漏评价实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缝隙模拟机构、裂缝模拟实验仪及堵漏评价实验装置，其中缝隙模拟机构包括岩体样本、固定板、两块缝板、多组弹簧和密封胶套，当堵漏浆从缝隙模拟机构进液通道进入岩体样本的空心槽后，堵漏浆进入两块缝板顶端的倒尖角，撑开两块缝板围绕固定板向两侧旋转，以动态模拟孔隙开裂过程。本发明公开的缝隙模拟机构、裂缝模拟实验仪及堵漏评价实验装置，模拟裂缝由闭合再到开启的动态变化过程，可用于石油钻井过程中钻遇易漏地层时，钻井液堵漏剂堵漏效果及评价封堵层承压能力，以及用于研究不同堵漏材料搭配下及不同加量下的承压能力。整体上，即实现模拟随钻堵漏过程中泥页岩裂缝可变的堵漏过程，又实现了实时监测和评价堵漏效果的。

Description

一种缝隙模拟机构、裂缝模拟实验仪及堵漏评价实验装置

技术领域

本发明涉及石油工程技术领域，具体涉及一种缝隙模拟机构、裂缝模拟实验仪及堵漏评价实验装置。

背景技术

在石油工程领域中，井漏问题一直是一个世界级的难题，困扰国内外石油勘探、开发，至今未能完全解决。多数钻井过程都有不同程度的漏失，严重的井漏会导致井内压力下降，影响正常钻井、引起井壁失稳、诱发地层流体涌入井筒内部并造成井喷。现场经验表明，堵漏的成功率还不到30％。

目前，已有大量的研究人员针对不同类型的漏失问题进行研究，并提出了各种材料的堵漏剂以及评价了这些堵漏剂的堵漏效果。但是，在现有技术中的评价堵漏剂材料的装置和方法仅能对裂缝尺寸固定的裂缝进行定性评价分析，而真实钻井过程中大部分裂缝开始是闭合的，在钻井液压差的作用下裂缝才逐渐张开，然后钻井液中堵漏材料才能进入裂缝中，并对裂缝架桥封堵。此外，现有裂缝堵漏评价装置无法实时监测堵漏速度和判断堵漏位置，因此无法用于评价堵漏材料的性能、堵漏效果、堵漏剂材料之间的级配关系及封堵层层压能力，而且不能够实时监测和评价堵漏速度、堵漏效果和堵漏位置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种缝隙模拟机构、裂缝模拟实验仪及堵漏评价实验装置，用以解决现有裂缝堵漏评价装置不能实现动态模拟泥页岩裂缝形态变化的问题。

本发明提供一种缝隙模拟机构，包括岩体样本、固定板、两块缝板、多组弹簧和密封胶套，所述岩体样本内部设置有空心槽，空心槽上方连通有缝隙模拟机构进液通道；所述固定板固定于所述空心槽的内壁及底部；两块缝板关于所述空心槽的中心线对称设置，两块所述缝板的底部均枢接于所述空心槽底部的固定板上，且两块缝板的顶端触及所述空心槽的顶面，当两块缝板闭合时，两块缝板的顶端正好拼接成倒尖角；在所述缝板外表面铺设有密封胶套，所述密封胶套从缝板底部自下而上一直延伸至缝板顶端与空心槽的顶面的接触点，以实现缝板与岩体样本间的全部密封；所述缝板与所述空心槽侧壁的固定板之间间隔设置有若干组弹簧，每组弹簧包括位于同一高度位置的两个弹簧，每个所述弹簧的两端分别固定于密封胶套和固定板上；当堵漏浆从缝隙模拟机构进液通道进入岩体样本的空心槽后，堵漏浆进入两块缝板顶端的倒尖角，撑开两块缝板，以动态模拟孔隙开裂过程。

优选地，其中一块所述缝板上间隔设置有多个测压点，每个所述测压点上设置有一个压力传感器，所述压力传感器通过有线延伸至外部并设置有压力传感器接头。

本发明还公开了一种裂缝模拟实验仪，用于装设上述的缝隙模拟机构，包括筒体、上封盖、下封盖、上堵头、下堵头、压头和胶套，所述上封盖和所述下封盖分别设置于所述筒体的顶端和底端，所述上堵头和所述下堵头于所述筒体内部且分别紧贴所述上封盖和所述下封盖，所述上堵头、所述下堵头及所述筒体共同围成一个置容腔体，所述置容腔体内的几何尺寸恰好能容纳所述岩体样本；所述上封盖的两侧分别设置有进液口和出液口，所述进液口与所述置容腔体之间设置有进液通道槽，所述进液通道槽从外至内依次穿过靠近进液口一侧的上封盖和上堵头；所述出液口与所述置容腔体之间设置有出液通道槽，所述出液通道槽从内至外依次穿过靠近出液口一侧的上堵头和上封盖；所述上堵头的进液通道槽与出液通道槽之间设置有交汇槽，所述交汇槽与所述置容腔体相连通；

优选地，所述进液通道槽与所述出液通道槽的中心线位于同一直线上，且所述进液通道槽与所述出液通道槽的连线与所述交汇槽呈十字交叉式连通。

优选地，所述下封盖的底部设置有渗液口，所述渗液口与所述置容腔体之间设置有渗液通道，所述渗液通道从内至外依次贯穿所述下堵头和所述下封盖的中部。

优选地，所述筒体的内壁以及所述筒体与上堵头、下堵头的连接处设置有胶套，所述胶套将所述筒体分为两个封闭空间，分别为所述胶套与所述筒体组成的环形空间以及所述胶套与上堵头、下堵头围成的空间。

优选地，所述筒体的侧壁上开设有进气口，所述进气口与所述胶套与所述筒体组成的环形空间相连通。

优选地，所述上封盖上螺纹连接设置有压头。

本发明还公开了一种堵漏评价实验装置，包括上述的裂缝模拟实验仪，还包括储液罐、回收池、液压泵、手压泵、称液电子天平、入口压力表、出口压力表和背压阀，所述储液罐的出液口与所述液压泵的进液口通过管道相连通，所述液压泵的出液口与所述裂缝模拟实验仪的进液口通过输进管道相连通；所述输进管道上设置有入口压力表；所述裂缝模拟实验仪的出液口通过输出管道连接至回收池的正上方，所述输出管道的出液端设置有背压阀；所述输出管道上设置有出口压力表；所述称液电子天平上设置有称液容器，所述称液电子天平的称液容器设置于所述渗液口的正下方。

优选地，该堵漏评价实验装置还包括手压泵，所述手压泵与所述筒体的侧壁上开设有进气口相连通。

本发明的有益效果是：

本发明公开的一种缝隙模拟机构、裂缝模拟实验仪及堵漏评价实验装置，当堵漏浆从缝隙模拟机构进液通道进入岩体样本的空心槽后，堵漏浆进入两块缝板顶端的倒尖角，撑开两块缝板围绕固定板向两侧旋转，以动态模拟孔隙开裂过程。本发明公开的一种缝隙模拟机构、裂缝模拟实验仪及堵漏评价实验装置，模拟裂缝由闭合再到开启的动态变化过程，可用于石油钻井过程中钻遇易漏地层时，钻井液堵漏剂堵漏效果及评价封堵层承压能力，以及用于研究不同堵漏材料搭配下及不同加量下的承压能力。整体上，即实现模拟随钻堵漏过程中泥页岩裂缝可变的堵漏过程，又实现了监测和评价堵漏效果的。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的缝隙模拟机构的纵向剖视图；

图2为本发明实施例1提供的缝隙模拟机构空心槽内部的纵向剖视图；

图3为本发明实施例2提供的缝隙模拟机构设置于裂缝模拟实验仪内的剖视图；

图4为本发明实施例2提供的裂缝模拟实验仪的俯视图；

图5为本发明实施例2提供的裂缝模拟实验仪的正视图；

图6为图5中的A-A剖视图；

图7为本发明实施例2提供的裂缝模拟实验仪的侧面视图；

图8为图7中的B-B剖视图；

图9为本发明实施例3提供的堵漏评价实验装置的结构示意图；

图10为本发明实施例3提供的裂缝模拟实验仪安装于固定装置的示意图。

具体实施方式

实施例1

实施例1提供一种缝隙模拟机构，下面对其结构进行详细描述。

参考图1，该缝隙模拟机构能实现动态模拟泥页岩裂缝形态变化，包括岩体样本11、固定板12、两块缝板13、多组弹簧14和密封胶套15。

其中，岩体样本11为泥页岩样本，内部设置有空心槽16，空心槽16上方连通有缝隙模拟机构进液通道17；

固定板12固定于空心槽16的侧壁及底部；

两块缝板13关于空心槽16的中心线对称设置，两块缝板13的底部均枢接于空心槽16底部的固定板12上，且两块缝板13的顶端触及空心槽16的顶面，当两块缝板13闭合时，两块缝板13的顶端正好拼接成倒尖角18；

在缝板13外表面铺设有密封胶套15，密封胶套15从缝板13底部自下而上一直延伸至缝板13顶端与空心槽16的顶面的接触点，以实现缝板13与岩体样本11间的全部密封；

在缝板13与空心槽16侧壁的固定板12之间间隔设置有若干组弹簧14，每组弹簧14包括位于同一高度位置的两个弹簧14，每个弹簧14的两端分别固定于密封胶套15和固定板12上，通过调节弹簧14的弹性系数可以模拟孔隙开裂的难易程度。

当堵漏浆从缝隙模拟机构进液通道17进入岩体样本11的空心槽16后，堵漏浆进入两块缝板13顶端的倒尖角18，撑开两块缝板13，以动态模拟孔隙开裂过程。

作为一种具体地实施方式，若干组弹簧14关于空心槽16的中心线对称布置。

参考图2，为了能够实时判断堵塞位置和堵塞速度，其中一块缝板13上间隔设置有多个测压点，每个测压点上设置有一个压力传感器19，压力传感器19通过有线延伸至外部并设置有压力传感器接头。

优选地，测压点的个数为4至6个测压点。

实施例2

实施例2提供一种裂缝模拟实验仪，该裂缝模拟实验仪内安装有实施例1的缝隙模拟机构，下面对其结构进行详细描述。

参考图3至图8，该裂缝模拟实验仪1包括筒体21、上封盖22、下封盖23、上堵头24、下堵头25、压头26、胶套27和密封圈28。

上封盖22和下封盖23分别设置于筒体21的顶端和底端，上堵头24和下堵头25于筒体21内部且分别紧贴上封盖22和下封盖23，上堵头24、下堵头25及筒体21共同围成一个置容腔体20，置容腔体20内的几何尺寸恰好能容纳岩体样本11，缝隙模拟机构装设于置容腔体20内；

上封盖22的两侧分别设置有进液口31和出液口32，

进液口31与置容腔体20之间设置有进液通道槽33，进液通道槽33从外至内依次穿过靠近进液口31一侧的上封盖22和上堵头24；

出液口32与置容腔体20之间设置有出液通道槽34，出液通道槽34从内至外依次穿过靠近出液口32一侧的上堵头24和上封盖22；

上堵头24的进液通道槽33与出液通道槽34之间设置有交汇槽35，交汇槽35与置容腔体20相连通。

进一步地，下封盖23的底部设置有渗液口36，渗液口36与置容腔体20之间设置有渗液通道37，渗液通道37从内至外依次贯穿下堵头25和下封盖23的中部。

进一步地，进液通道槽33与出液通道槽34的中心线位于同一直线上，且进液通道槽33与出液通道槽34的连线与交汇槽35呈十字交叉式连通。

为了保证置容腔体20的密封性能，筒体21上部与上封盖22之间设置有密封圈28。

为了进一步提高置容腔体20的密封性能，筒体21的内壁以及筒体21与上堵头24、下堵头25的连接处设置有胶套27，胶套27将筒体21分为两个封闭空间，分别为胶套27与筒体21组成的环形空间以及胶套27与上堵头24、下堵头25围成的空间。其中，上堵头24和下堵头25均为橡胶材质堵头。

进一步地，筒体21的侧壁上开设有进气口38，进气口38与胶套27与筒体21组成的环形空间相连通。进气口38可与手压泵6相连通，由手压泵6向胶套27与筒体21组成的环形空间内提供压力。由于胶套27的可变形性，手压泵6输进的压力可顺利的传递岩体样本11，实现对岩体样本11施加径向压力。

进一步地，上封盖22上螺纹连接设置有压头26。具体地，上封盖22设置有凹槽，该凹槽的内壁设有内螺纹，压头26设置有外螺纹，压头26在上封盖22的凹槽旋紧过程中，压头26通过作用于上堵头将力施加于岩体样本11，实现岩体样本11轴向应力的改变。

进一步地，筒体21上设置有与用于穿设压力传感器19的压力传感器接头的穿孔，连接压力传感器19与压力传感器接头的线穿设有橡胶塞，该橡胶塞密封性设置于该穿孔。

实施例3

实施例3提供一种堵漏评价实验装置，包括实施例2的裂缝模拟实验仪，下面对其结构进行详细描述。

参考图9和图10，该实验装置还包括储液罐3、回收池4、液压泵5、手压泵6、称液电子天平7、入口压力表8、出口压力表9和背压阀10。

储液罐3的出液口与液压泵5的进液口通过管道相连通，液压泵5的出液口与裂缝模拟实验仪1的进液口31通过输进管道310相连通；

输进管道310上设置有入口压力表8；

裂缝模拟实验仪1的出液口32通过输出管道320连接至回收池4的正上方，输出管道320的出液端设置有背压阀10；

输出管道320上设置有出口压力表9。

称液电子天平7上设置有称液容器，称液电子天平7的称液容器设置于渗液口36的正下方，称液电子天平7用于收集并称重从渗液口36的渗出的液体。

手压泵6与筒体21的侧壁上开设有进气口38相连通，手压泵6向胶套27与筒体21组成的环形空间内提供压力，手压泵6输进的压力可顺利的传递岩体样本11，实现对岩体样本11施加径向压力。

该实验装置还包括裂缝模拟实验仪固定装置2，裂缝模拟实验仪固定装置2包括底座40、支撑杆41、钢套环43和旋紧螺钮42，其中，支撑杆41固定于底座40上，裂缝模拟实验仪1的外部形状为圆柱体，钢套环43包括圆环部和杆部，钢套环43的圆环部套设于裂缝模拟实验仪1的外部，旋紧螺钮42包括固定连接的螺杆部和旋钮部，旋紧螺钮42的螺杆部的外壁设有外螺纹，支撑杆41的顶端内部设有铰接环，支撑杆41的顶部侧壁设置内螺纹孔，钢套环43的杆部铰接于支撑杆41，旋紧螺钮42的螺杆部设置于支撑杆41顶部侧壁的螺纹孔内且与钢套环43的杆部固定连接，拧紧旋紧螺钮42，可以实现裂缝模拟实验仪1角度的调节和固定。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种裂缝模拟实验仪，其特征在于，包括缝隙模拟机构，所述缝隙模拟机构包括岩体样本(11)、固定板(12)、两块缝板(13)、多组弹簧(14)和密封胶套(15)，

所述岩体样本(11)内部设置有空心槽(16)，空心槽(16)上方连通有缝隙模拟机构进液通道(17)，所述固定板(12)固定于所述空心槽(16)的内壁及底部；

两块缝板(13)关于所述空心槽(16)的中心线对称设置，两块所述缝板(13)的底部均枢接于所述空心槽(16)底部的固定板(12)上，且两块缝板(13)的顶端触及所述空心槽(16)的顶面，当两块缝板(13)闭合时，两块缝板(13)的顶端正好拼接成倒尖角(18)；

在所述缝板(13)外表面铺设有密封胶套(15)，所述密封胶套(15)从缝板(13)底部自下而上一直延伸至缝板(13)顶端与空心槽(16)的顶面的接触点，以实现缝板(13)与岩体样本(11)间的全部密封；

所述缝板(13)与所述空心槽(16)侧壁的固定板(12)之间间隔设置有若干组弹簧(14)，每组弹簧(14)包括位于同一高度位置的两个弹簧(14)，每个所述弹簧(14)的两端分别固定于密封胶套(15)和固定板(12)上；

当堵漏浆从缝隙模拟机构进液通道(17)进入岩体样本(11)的空心槽(16)后，堵漏浆进入两块缝板(13)顶端的倒尖角(18)，撑开两块缝板(13)，以动态模拟孔隙开裂过程；

所述裂缝模拟实验仪还包括筒体(21)、上封盖(22)、下封盖(23)、上堵头(24)、下堵头(25)、压头(26)和胶套(27)，

所述上封盖(22)和所述下封盖(23)分别设置于所述筒体(21)的顶端和底端，所述上堵头(24)和所述下堵头(25)于所述筒体(21)内部且分别紧贴所述上封盖(22)和所述下封盖(23)，所述上堵头(24)、所述下堵头(25)及所述筒体(21)共同围成一个置容腔体(20)，所述置容腔体(20)内的几何尺寸恰好能容纳所述岩体样本(11)；

所述上封盖(22)的两侧分别设置有进液口(31)和出液口(32)，所述进液口(31)与所述置容腔体(20)之间设置有进液通道槽(33)，所述进液通道槽(33)从外至内依次穿过靠近进液口(31)一侧的上封盖(22)和上堵头(24)；所述出液口(32)与所述置容腔体(20)之间设置有出液通道槽(34)，所述出液通道槽(34)从内至外依次穿过靠近出液口(32)一侧的上堵头(24)和上封盖(22)；所述上堵头(24)的进液通道槽(33)与出液通道槽(34)之间设置有交汇槽(35)，所述交汇槽(35)与所述置容腔体(20)相连通；

所述压头(26)设置于所述上封盖(22)上且与所述上封盖(22)通过螺纹连接；

所述胶套(27)设置于所述筒体(21)的内壁以及所述筒体(21)与上堵头(24)、下堵头(25)的连接处，所述胶套(27)将所述筒体(21)分为两个封闭空间，分别为所述胶套(27)与所述筒体(21)组成的环形空间以及所述胶套(27)与上堵头(24)、下堵头(25)围成的空间；

所述筒体(21)的侧壁上开设有进气口(38)，所述进气口(38)与所述胶套(27)与所述筒体(21)组成的环形空间相连通。

2.如权利要求1所述的裂缝模拟实验仪，其特征在于，

其中一块所述缝板(13)上间隔设置有多个测压点，每个所述测压点上设置有一个压力传感器(19)，所述压力传感器(19)通过有线延伸至外部并设置有压力传感器接头。

3.如权利要求2所述的裂缝模拟实验仪，其特征在于，

所述进液通道槽(33)与所述出液通道槽(34)的中心线位于同一直线上，且所述进液通道槽(33)与所述出液通道槽(34)的连线与所述交汇槽(35)呈十字交叉式连通。

4.如权利要求3所述的裂缝模拟实验仪，其特征在于，

所述下封盖(23)的底部设置有渗液口(36)，所述渗液口(36)与所述置容腔体(20)之间设置有渗液通道(37)，所述渗液通道(37)从内至外依次贯穿所述下堵头(25)和所述下封盖(23)的中部。

5.一种堵漏评价实验装置，其特征在于，包括如权利要求4所述的裂缝模拟实验仪(1)、储液罐(3)、回收池(4)、液压泵(5)、手压泵(6)、称液电子天平(7)、入口压力表(8)、出口压力表(9)和背压阀(10)，

所述储液罐(3)的出液口与所述液压泵(5)的进液口通过管道相连通，所述液压泵(5)的出液口与所述裂缝模拟实验仪(1)的进液口(31)通过输进管道(310)相连通；

所述输进管道(310)上设置有入口压力表(8)；

所述裂缝模拟实验仪(1)的出液口(32)通过输出管道(320)连接至回收池(4)的正上方，所述输出管道(320)的出液端设置有背压阀(10)；

所述输出管道(320)上设置有出口压力表(9)；

所述称液电子天平(7)上设置有称液容器，所述称液电子天平(7)的称液容器设置于所述渗液口(36)的正下方；

所述手压泵(6)与所述筒体(21)的侧壁上的进气口(38)相连通。

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