CN112903957B - 泥页岩应力-损伤-钻井液相互作用实验装置及测试方法 - Google Patents

泥页岩应力-损伤-钻井液相互作用实验装置及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种泥页岩应力‑损伤‑钻井液相互作用实验装置及测试方法，属于石油钻井领域。实验装置包括：与岩样接触并且带有凹槽的上压头通过螺丝与可拆卸式顶盖连接，可拆卸式顶盖上端设有轴压加载压头；钻井液循环系统与可拆卸式顶盖和上压头相连；电子加热系统、径向位移传感器和声发射传感器与信号处理单元相连。上压头凹槽可使钻井液在与岩样充分接触的情况下循环，钻井液循环系统和电子加热系统能够模拟井下温度条件，通过位移信号和声发射信号可测得实验过程汇总泥页岩的变形效果和裂缝发展情况，从而可以获得泥页岩在应力‑损伤‑钻井液相互作用下力学性质的演化规律，具有原理简单、便于操作、测量精度高、测试范围广的特点。

Description

泥页岩应力-损伤-钻井液相互作用实验装置及测试方法
技术领域
本发明属于石油钻井工程领域，具体涉及用于泥页岩应力-损伤-钻井液相互作用实验装置及测试方法。
背景技术
泥页岩比表面大，孔隙小，结构复杂，易吸水膨胀，这些特点导致泥页岩及其不稳定。泥页岩井壁在钻开前，由于受到地质构造运动、地质勘探、钻井扰动力等因素影响，泥页岩会出现裂缝。在钻井过程中，由于钻井液正压差的作用，水相通过裂缝进入泥页岩内部，产生水化效应，从而使泥页岩裂缝继续扩展，强度降低，最终导致泥页岩脱落。在外部载荷和钻井液的作用下，泥页岩的宏观力学性质被岩石初始损伤缺陷的不规则演化行所决定，所以应力、泥页岩损伤和钻井液存在一定的相互作用关系，这种相互作用关系对泥页岩的岩石力学性质会有一定的影响；同时在钻井过程中，井壁失稳导致的井下事故会给钻井造成巨大的困难和损失，而大部分的井壁失稳问题都发生在泥页岩地层。因此，本发明提出一种用于泥页岩应力-损伤-钻井液相互作用实验装置及测试方法，描述泥页岩在应力、损伤、钻井液相互作用下力学性质的变化，从而为提出保持泥页岩地层井壁稳定的工程技术对策提供指导。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种泥页岩应力-损伤-钻井液相互作用实验装置及测试方法，可以测得泥页岩在不同应力状态、损伤程度、钻井液体系相互作用下力学性质的变化，从而更加全面地获得应力、损伤、钻井液相互作用对泥页岩岩石力学性质的影响。
泥页岩应力-损伤-钻井液相互作用实验装置，所述实验装置包括：压力室、与岩样接触并且带有凹槽的上压头、通过固定螺丝与上压头连接的可拆卸式顶盖、可拆卸式顶盖上端设置的轴压加载压头、钻井液循环系统、电子加热系统、径向位移传感器、声发射传感器和信号处理单元，所述岩样设置在压力室内，所述钻井液循环系统与上压头的凹槽连通，所述凹槽设置在于岩样接触的上压头底部，所述钻井液循环系统设有钻井液加热单元，所述径向位移传感器和声发射传感器均匀分布在岩心周围且通过数据传输线与所述信号处理单元连接，所述信号处理单元用于将泥页岩应力-损伤-钻井液相互作用过程中采集岩样径向位移信号和声发射信号转化为数据进行分析，所述电子加热系统设置在压力室外侧用于对岩样进行加热并温控。
进一步地，所述上压头与可拆卸式顶盖之间设置有钻井液汇集腔，所述钻井液汇集空腔与所述凹槽连通，所述钻井液循环系统包括钻井液内部循环系统和钻井液外部循环系统，所述钻井液汇集空腔分别与所述钻井液外部循环系统和钻井液内部循环系统连通。
进一步地，所述钻井液内部循环系统包括钻井液流出孔道、插入式内部钻井液流出管道和钻井液流入孔道，所述钻井液流入孔道设置在上压头上，所述钻井液汇集空腔与所述钻井液流入孔道连通，所述凹槽分别所述钻井液流出孔道和钻井液流入孔道相通，所述钻井液流出孔道存在于可拆卸式顶盖和上压头中并通过插入式内部钻井液流出管道相连，所述插入式内部钻井液流出管道两端均装有密封圈。
进一步地，所述钻井液外部循环系统包括钻井液外部流入管道、外部流出管道、钻井液循环泵和钻井液加热单元，钻井液经钻井液循环泵和钻井液外部流入管道进入钻井液汇集空腔，流出钻井液依次经过钻井液流出孔道和钻井液外部流出管道与钻井液循环泵连接，所述钻井液加热单元为第一温度控制单元。
进一步地，所述的径向位移传感器数量为4个、并且沿轴向均匀紧贴在岩心周围，所述的声发射传感器紧贴在岩心两端、并且与径向位移传感器保持一定的距离。
进一步地，所述岩样表面包裹隔油套，所述径向位移传感器和声发射传感器固定在隔油套外侧。
进一步地，所述的电子加热系统包括电子加热单元和第二温度控制单元，电子加热单元包裹在压力室外侧，并且由第二温度控制单元实现温度控制。
进一步地，所述的可拆卸式顶盖下部装有密封圈。
进一步地，所述径向位移传感器与声发射传感器分别通过径向位移传感器数据传输线和声发射数据传输线与计算机连接。
一种用于泥页岩应力-损伤-钻井液相互作用测试方法，所述测试方法包括以下步骤：
步骤1：通过三轴力学实验确定岩样的峰值强度；
步骤2：将岩样峰值强度的某一值确定为所述测试方法的加载应力；
步骤3：用隔油套将岩样包裹，然后将径向位移传感器和声发射传感器固定在隔油套外侧，最后将整体放入压力室内；
步骤4：对压力室进行充油，加载围压和轴压至设定值；
步骤5：将钻井液循环系统的第一温度控制单元和电子加热单元设置到目标温度，使得所述目标温度和井下环境一致；
步骤6：打开钻井液循环泵，开始循环钻井液，径向位移传感器和声发射传感器同时开始对实验数据进行全程记录；
步骤7：到达目标实验时间后，通过实验记录数据分析岩样是否发生破坏，若已破坏，则实验结束，进行实验后续工作：停止径向位移传感器和声发射传感器的数据收集，停止钻井液循环，撤掉加载应力，随后将岩心取出，最后进行实验数据分析，进入步骤9；到达目标实验时间后，若岩样未发生破坏，进入步骤8；
步骤8：增加加载应力，直到岩样发生破坏，岩样发生破坏后，停止实验，实验结束，进行实验后续工作：停止径向位移传感器和声发射传感器的数据收集，停止钻井液循环，撤掉加载应力，随后将岩心取出，最后进行实验数据分析；
步骤9：根据获得的实验数据进行分析，确定泥页岩应力、损伤、钻井液相互作用规律。
有益效果：本发明提出了可以测定泥页岩应力-损伤-钻井液相互作用的装置和方法，通过钻井液循环系统的温度控制单元和电子加热单元，实现对钻井液温度和地层温度的控制，模拟泥页岩所处的真实地层环境；通过上压头凹槽可模拟井下钻井液流动情况，更好地还原泥页岩在井下和钻井液的接触情况；通过径向位移传感器和声发射传感器，记录岩样的变形信息和裂缝发展情况，并通过计算机进行数据处理，可以测得泥页岩在不同应力状态、损伤程度、钻井液体系相互作用下力学性质的变化，从而更加全面地获得应力、损伤、钻井液相互作用对泥页岩岩石力学性质的影响。可以对泥页岩应力-损伤-钻井液相互作用的效果进行更好表征，具有原理简单、便于操作、测量精度高、测试范围广的特点。
附图说明
图1为本发明所述的泥页岩应力-损伤-钻井液相互作用的实验装置整体结构示意图；
图2为本发明中所述的上压头下表面示意图；
图3为本发明所述的可拆卸式顶盖纵向剖面图。
其中，1、轴压加载压头；2、固定螺丝；3、可拆卸式顶盖；4、钻井液流入孔道；5、上压头；6、岩样；7、径向位移传感器；8、底座；9、声发射传感器；10、径向位移传感器数据传输线；11、钻井液外部流入管道；12、钻井液循环泵；13、计算机；14、声发射数据传输线；15、钻井液外部流出管道；16、钻井液外部流入管道阀门；17、钻井液汇集空腔；18、钻井液流出孔道；19、插入式内部钻井液流出管道；20、上压头凹槽；21、压力室；22、隔油套；23、电子加热单元；24、第二温度控制单元；25、第一温度控制单元。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
图1是本发明所提供的泥页岩应力-损伤-钻井液相互作用的实验装置整体结构示意图。如图所示，上压头5通过固定螺丝2和可拆卸式顶盖3连接起来，二者之间留有钻井液汇集空腔，其目的在于钻井液在此汇集之后再通过钻井液内部流入孔道流入上压头凹槽。所述可拆卸式顶盖3上端设有轴压加载压头1；钻井液循环系统由钻井液外部流入管道11、钻井液外部流出管道15和钻井液加热单元25组成；电子加热系统由电子加热单元23和第二温度温度控制单元24组成，径向位移传感器7均匀分布在岩心周围，声发射传感器9安装在岩心上下两端，并且这两种传感器分别通过径向位移传感器数据传输线10和声发射数据传输线14与计算机13连接。电子加热单元包裹在压力室外侧，并且由温度控制单元实现温度控制，其目的在于模拟井下地层温度。
在上压头5和可拆卸式顶盖3中间有钻井液汇集空腔17，此空腔通过钻井液内部流入孔道与上压头5相通，通过钻井液外部流入管道11与钻井液循环泵12相通。所述的可拆卸式顶盖下部装有密封圈，保证装置密封性良好，顶盖内部留有孔道，用于钻井液流动，并且底部衔接插入式内部钻井液流出管道。所述的钻井液汇集空腔只与上压头的钻井液内部流入孔道和钻井液循环系统相通，其目的在于只用于钻井液流出。所述的钻井液循环系统与所述的钻井液汇集空腔和所述的上压头内部钻井液流出孔道相连，其目的在于钻井液从钻井液循环泵流入钻井液汇集空腔后，经上压头的钻井液内部流入孔道进入上压头凹槽中，最后再通过所述的插入式内部钻井液流出管道和钻井液流出孔道流入钻井液循环泵，实现钻井液循环。所述的钻井液循环系统，带有第一温度控制单元，其目的在于模拟真实钻井作业时的钻井液温度和钻井液循环情况；另外，用于循环的钻井液可以是任何类型。
图2是本发明中所述的上压头下表面示意图，与图1对应，包括固定螺丝2、钻井液流出孔道18和插入式钻井液流出管道19。值得说明的是，钻井液流出孔道18存在于可拆卸式顶盖3和上压头5中，并通过插入式钻井液流出管道19相连。所述的插入式内部钻井液流出管道的一端插入可拆卸式顶盖，另一端插入上压头，其目的在于保证钻井流入和流出过程互不影响；并且其两端均装有密封圈，保证钻井液流过时不会发生泄露。
图3是本发明本发明所述的可拆卸式顶盖纵向剖面图，与图1对应，包括钻井液流入孔道4、钻井液流出孔道18和上压头凹槽20。钻井液从钻井液流入孔道4流入，沿上压头凹槽20流动，最终汇集于钻井液流出孔道18，并经钻井液流出孔道18流出。所述上压头凹槽与钻井液内部流入和流出孔道相连，其目的在于使钻井液可在凹槽内进行流动，并与岩样充分接触。
进一步，上压头5中的钻井液流出孔道通过钻井液外部流出管道15与钻井液循环泵。由此，钻井液通过第一温度控制单元25升温后通过钻井液外部流入管道流入钻井液汇集空腔17中后，经钻井液流入孔道4流入上压头凹槽20，钻井液沿上压头凹槽20流入钻井液流出孔道18中，最后经钻井液外部流出管道15流入钻井液循环泵12中，完成钻井液循环。
优选地，径向位移传感器7的数量为4个，并且径向位移传感器7应沿轴向均匀安装在岩心周围，其目的在于监测距钻井液不同位置处的岩心变形情况，这样可以更加详细全面地收集岩样的变形发展信息。优选地，钻井液循环系统中添加的钻井液类型可根据实验要求进行更换。
本发明还提供了一种泥页岩应力-损伤-钻井液相互作用测试方法，步骤包括：
步骤1：通过三轴力学实验确定岩样的峰值强度；
步骤2：将岩样峰值强度的某一值确定为所述泥页岩应力-损伤-钻井液相互作用测试方法的加载应力；
步骤3：用隔油套22将岩样包裹，然后将径向位移传感器和声发射传感器固定在隔油套外侧，最后将整体放入压力室内；
步骤4：然后对压力室进行充油，加载围压和轴压至设定值；
步骤5：将钻井液循环系统的温度控制单元和电子加热单元设置到目标温度，使得所述温度和井下环境一致；
步骤6：打开钻井液循环泵，开始循环钻井液，位移传感器和声发射传感器同时开始记录，实验数据进行全程记录；
步骤7：到达目标实验时间后，通过实验记录数据分析岩样是否发生破坏，若已破坏，则实验结束，进行实验后续工作：停止径向位移和声发射数据收集，停止钻井液循环，撤掉加载应力，随后将岩心取出，最后进行实验数据分析；
步骤8：到达目标实验时间后，若岩样未发生破坏，则通过增加加载应力，直到岩样发生破坏，岩样发生破坏后，停止实验，进行步骤7的实验后续工作；
步骤9：根据上述步骤获得的实验数据进行分析，确定泥页岩应力、损伤、钻井液相互作用规律。
本发明提出了可以测定泥页岩应力-损伤-钻井液相互作用的装置和方法，通过钻井液循环系统的温度控制单元和电子加热单元，实现对钻井液温度和地层温度的控制，模拟泥页岩所处的真实地层环境；通过上压头凹槽20可模拟井下钻井液流动情况，更好地还原泥页岩在井下和钻井液的接触情况；通过径向位移传感器7和声发射传感器9，记录岩样的变形信息和裂缝发展情况，并通过计算机进行数据处理，可以对泥页岩应力-损伤-钻井液相互作用的效果进行更好表征。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.泥页岩应力-损伤-钻井液相互作用实验装置，其特征在于，所述实验装置包括压力室、与岩样接触并且带有凹槽的上压头、通过固定螺丝与上压头连接的可拆卸式顶盖、可拆卸式顶盖上端设置的轴压加载压头、钻井液循环系统、电子加热系统、径向位移传感器、声发射传感器和信号处理单元，所述岩样设置在压力室内，所述钻井液循环系统与上压头的凹槽连通，所述凹槽设置在与岩样接触的上压头底部，所述钻井液循环系统设有钻井液加热单元，所述径向位移传感器和声发射传感器均匀分布在岩心周围且通过数据传输线与所述信号处理单元连接，所述信号处理单元用于将泥页岩应力-损伤-钻井液相互作用过程中采集岩样径向位移信号和声发射信号转化为数据进行分析，所述电子加热系统设置在压力室外侧用于对岩样进行加热并温控；
所述上压头与可拆卸式顶盖之间设置有钻井液汇集空腔，所述钻井液汇集空腔与所述凹槽连通，所述钻井液循环系统包括钻井液内部循环系统和钻井液外部循环系统，所述钻井液汇集空腔分别与所述钻井液外部循环系统和钻井液内部循环系统连通；
所述钻井液内部循环系统包括钻井液流出孔道、插入式内部钻井液流出管道和钻井液流入孔道，所述钻井液流入孔道设置在上压头上，所述钻井液汇集空腔与所述钻井液流入孔道连通，所述凹槽分别所述钻井液流出孔道和钻井液流入孔道相通，所述钻井液流出孔道存在于可拆卸式顶盖和上压头中并通过插入式内部钻井液流出管道相连，所述插入式内部钻井液流出管道两端均装有密封圈；
所述钻井液外部循环系统包括钻井液外部流入管道、外部流出管道、钻井液循环泵和钻井液加热单元，钻井液经钻井液循环泵和钻井液外部流入管道进入钻井液汇集空腔，流出钻井液依次经过钻井液流出孔道和钻井液外部流出管道与钻井液循环泵连接，所述钻井液加热单元为第一温度控制单元。
2.根据权利要求1所述的泥页岩应力-损伤-钻井液相互作用实验装置，其特征在于，所述的径向位移传感器数量为4个、并且沿轴向均匀紧贴在岩心周围，所述的声发射传感器紧贴在岩心两端、并且与径向位移传感器保持一定的距离。
3.根据权利要求2所述的泥页岩应力-损伤-钻井液相互作用实验装置，其特征在于，所述岩样表面包裹隔油套，所述径向位移传感器和声发射传感器固定在隔油套外侧。
4.根据权利要求1所述的泥页岩应力-损伤-钻井液相互作用实验装置，其特征在于，所述的电子加热系统包括电子加热单元和第二温度控制单元，电子加热单元包裹在压力室外侧，并且由第二温度控制单元实现温度控制。
5.根据权利要求1-4之一所述的泥页岩应力-损伤-钻井液相互作用实验装置，其特征在于，所述的可拆卸式顶盖下部装有密封圈。
6.根据权利要求1-4之一所述的泥页岩应力-损伤-钻井液相互作用实验装置，其特征在于，所述径向位移传感器与声发射传感器分别通过径向位移传感器数据传输线和声发射数据传输线与计算机连接。
7.采用权利要求1-4之一所述的泥页岩应力-损伤-钻井液相互作用实验装置的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括以下步骤：
步骤1：通过三轴力学实验确定岩样的峰值强度；
步骤2：将岩样峰值强度的某一值确定为所述测试方法的加载应力；
步骤3：用隔油套将岩样包裹，然后将径向位移传感器和声发射传感器固定在隔油套外侧，最后将整体放入压力室内；
步骤4：对压力室进行充油，加载围压和轴压至设定值；
步骤5：将钻井液循环系统的第一温度控制单元和电子加热单元设置到目标温度，使得所述目标温度和井下环境一致；
步骤6：打开钻井液循环泵，开始循环钻井液，径向位移传感器和声发射传感器同时开始对实验数据进行全程记录；
步骤7：到达目标实验时间后，通过实验记录数据分析岩样是否发生破坏，若已破坏，则实验结束，进行实验后续工作：停止径向位移传感器和声发射传感器的数据收集，停止钻井液循环，撤掉加载应力，随后将岩心取出，最后进行实验数据分析，进入步骤9；到达目标实验时间后，若岩样未发生破坏，进入步骤8；
步骤8：增加加载应力，直到岩样发生破坏，岩样发生破坏后，停止实验，实验结束，进行实验后续工作：停止径向位移传感器和声发射传感器的数据收集，停止钻井液循环，撤掉加载应力，随后将岩心取出，最后进行实验数据分析；
步骤9：根据获得的实验数据进行分析，确定泥页岩应力、损伤、钻井液相互作用规律。
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