CN113008686A - 一种硬脆性泥页岩裂缝开启模拟装置 - Google Patents

一种硬脆性泥页岩裂缝开启模拟装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硬脆性泥页岩裂缝开启模拟装置，包括岩心柱试样装载容器、岩心柱试样周向加压装置和岩心柱试样上方施压装置。本发明提供的一种硬脆性泥页岩裂缝开启模拟装置，在对岩心柱施加侧向围压的作用下，模拟流体压裂硬脆性泥页岩的过程，使岩心柱内部裂缝开启，可用以测量钻井过程中硬脆性泥岩内裂缝开启的速度，为研究不同压力和不同流体作用下的硬脆性泥页岩裂缝开启速度和规律提供指导，对于确定钻井过程井漏速度和选择堵漏材料粒径以及实现钻井过程中高效堵漏具有重要意义。

Description

一种硬脆性泥页岩裂缝开启模拟装置
技术领域
本发明涉及油气钻探领域，具体涉及一种硬脆性泥页岩裂缝开启模拟装置。
背景技术
在油气钻井工程中，井壁不稳定(又称井壁失稳、井塌)是经常遇到的井下复杂情况。随着油气钻探领域不断拓展，钻遇地层日趋复杂，井壁稳定性问题更加突出。值得注意的是，由于泥页岩地层中黏土矿物的水化作用，使泥页岩地层井壁稳定性问题更加复杂，并且更为常见。油气井钻遇地层中约75％为泥页岩地层，约90％井壁不稳定复杂情况发生在泥页岩地层，特别是复杂深层硬脆性泥页岩地层。硬脆性泥页岩地层在应力和流体作用下剥落、掉块导致扩径，或因钻井液密度过高压裂地层导致泥页岩地层内部裂缝开启、钻井液严重井漏等。
针对软泥岩膨胀的模拟，已有大量方法和检测仪器设备，例如常温泥页岩膨胀量测定仪和高温高压泥页岩膨胀量测定仪等仪器设备，但关于硬脆性泥页岩裂缝开启与闭合模拟方法的报道较少。现有的方法是直接将岩心浸泡在烧杯中观察裂缝扩展过程，但这种方法没有考虑地层围压、流体和压裂作业等影响，所得的裂缝开启速度是不合理的，总而言之，现有的用于模拟硬脆性泥页岩裂缝开启的装置，无法有效研究不同压力和不同流体作用下的硬脆性泥页岩裂缝开启速度和规律，进而导致钻井过程井漏速度难以确定和选择堵漏材料粒径缺乏有效指导。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硬脆性泥页岩裂缝开启模拟装置，用以解决现有用于模拟硬脆性泥页岩裂缝开启的装置无法有效研究不同压力和不同流体作用下的硬脆性泥页岩裂缝开启速度和规律的问题。
本发明提供一种硬脆性泥页岩裂缝开启模拟装置，包括岩心柱试样装载容器、岩心柱试样周向加压装置和岩心柱试样上方施压装置，所述岩心柱试样装载容器包括筒体、上盖和底座，所述上盖和所述底座分别设置于所述筒体的顶端和底端；所述筒体为两端开口的透明套筒，所述筒体内的中上部设置有一圈凸台，所述凸台将所述筒体内部空间分为上空腔和下空腔；所述岩心柱试样周向加压装置包括岩心柱套、若干个弹簧列、若干个压帽列，所述岩心柱套为中空圆柱体，所述岩心柱套的顶端设置有环形凸缘；所述岩心柱套的下端为透明的，若干个所述弹簧列周向设置于所述岩心柱套和所述下空腔对应的筒体的筒壁之间，若干个所述压帽列分别设置于若干个所述弹簧列上；当所述岩心柱套的下端周向包裹岩心柱试样并装载于筒体的下空腔时，所述岩心柱套的环形凸缘抵触于所述筒体的凸台；所述岩心柱试样上方施压装置包括活塞加压装置和/或气阀加压装置，设置于所述筒体的上空腔及上盖上，用于从岩心柱试样的上方对岩心柱试样施加压力作用。
优选地，所述岩心柱套包括左套部和右套部，所述左套部和所述右套部对接形成所述岩心柱套；所述弹簧列和所述压帽列的个数均为两个，每个所述弹簧列包括若干个复位弹簧，两个所述弹簧列分别设置于左套部与筒体之间的间隙以及右套部与筒体之间的间隙；每个所述压帽列包括若干个压帽，两个压帽列分别设置于两个所述弹簧列上，且位于同侧的复位弹簧与压帽一一对应。
优选地，所述左套部和所述右套部均设置有若干个弹簧孔眼，所述下空腔对应的筒体的筒壁两侧分别设置有若干个压帽孔，同一侧的若干个弹簧孔眼与若干个压帽孔一一对应且对应的弹簧孔眼与压帽孔相互连通；所述弹簧列的每个复位弹簧分别设置于弹簧孔眼和压帽孔之间，且所述压帽列的若干个压帽分别设置于同侧的若干个压帽孔上，复位弹簧的两端分别抵触弹簧孔眼和压帽；当压帽在压帽孔内旋紧过程中，两侧弹簧列的复位弹簧受压，同时向左套部和右套部施压，左套部和右套部紧密贴于岩心柱试样，将岩心柱试样包裹得更为严实。
优选地，所述上盖设置有压力表，所述压力表与所述下空腔连通。
优选地，所述底座与所述筒体的底端通过螺纹连接。
优选地，所述环形凸缘内设置有环形凹槽，所述环形凹槽内嵌设有第一密封圈。
优选地，所述岩心柱试样上方施压装置包括活塞加压装置，所述活塞加压装置包括旋转杆和活塞，所述活塞设置于所述上空腔内，且所述活塞侧壁与所述筒体的筒壁抵触，所述旋转杆穿设于所述上盖的中部与所述活塞固定连接；所述活塞侧壁设置有第二密封圈。
优选地，所述旋转杆与所述活塞之间通过螺纹连接，所述旋转杆与所述上盖之间通过螺纹连接。
优选地，所述岩心柱试样上方施压装置包括气阀加压装置，所述气阀加压装置包括气阀和压力源，所述气阀设置于所述上盖，所述气阀的两端分别与筒体的上空腔和所述压力源相连通。
优选地，所述岩心柱试样上方施压装置包括活塞加压装置、气阀加压装置和堵头，所述活塞加压装置包括旋转杆和活塞，所述活塞设置于所述上空腔内，且所述活塞侧壁与所述筒体的筒壁抵触，所述旋转杆穿设于所述上盖的中部与所述活塞固定连接；所述气阀加压装置包括气阀和压力源，所述气阀设置于所述上盖，所述气阀的两端分别与筒体的上空腔和所述压力源相连通；在选用气阀加压装置时，需要将旋转杆取出，并用堵头封堵上盖的中部用于穿设旋转杆的穿孔。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明公开了一种硬脆性泥页岩裂缝开启模拟装置，包括岩心柱试样装载容器、岩心柱试样周向加压装置和岩心柱试样上方施压装置，岩心柱套的下端周向包裹岩心柱试样并装载于岩心柱试样装载容器内，岩心柱试样周向加压装置对岩心柱试样施加侧向围压，岩心柱试样上方施压装置从岩心柱试样的上方对岩心柱试样施加压力作用，测试流体在压力作用下，向岩心柱试样的内部渗透，以实现模拟岩心柱内部裂缝逐渐开启的过程。本发明提供的一种硬脆性泥页岩裂缝开启模拟装置，在对岩心柱施加侧向围压的作用下，模拟流体压裂硬脆性泥页岩的过程，使岩心柱内部裂缝开启，可用以测量钻井过程中硬脆性泥岩内裂缝开启的速度，为研究不同压力和不同流体作用下的硬脆性泥页岩裂缝开启速度和规律提供指导，对于确定钻井过程井漏速度和选择堵漏材料粒径以及实现钻井过程中高效堵漏具有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的硬脆性泥页岩裂缝开启模拟装置的外部结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的硬脆性泥页岩裂缝开启模拟装置中应用活塞加压装置时的内部剖视图；
图3为本发明实施例1提供的硬脆性泥页岩裂缝开启模拟装置中应用气阀加压装置时的内部剖视图；
图4为本发明实施例1提供的筒体的剖面图；
图5为本发明实施例1提供的岩心柱套的外部结构示意图；
图6为本发明实施例1提供装有岩心柱试样的岩心柱套的剖视图；
图7为本发明实施例1提供的活塞的剖面图；
图8为本发明实施例1提供的由岩心块处理得到的岩心柱试样的的剖视图；
图9为本发明实施例2提供的只能应用气阀加压装置时的硬脆性泥页岩裂缝开启模拟装置的外部结构示意图；
图10为本发明实施例2提供的只能应用气阀加压装置时的硬脆性泥页岩裂缝开启模拟装置内部剖视图；
图11为本发明实施例3提供的只能应用活塞加压装置时的硬脆性泥页岩裂缝开启模拟装置的外部结构示意图；
图12为本发明实施例3提供的只能应用活塞加压装置时的硬脆性泥页岩裂缝开启模拟装置内部剖视图。
具体实施方式
实施例1
实施例1提供一种硬脆性泥页岩裂缝开启模拟装置，下面对其结构进行详细描述。
参考图1至图3，该硬脆性泥页岩裂缝开启模拟装置包括岩心柱试样装载容器、岩心柱试样周向加压装置和岩心柱试样上方施压装置。
其中，该岩心柱试样为圆柱体，其来源于硬脆性泥页岩，在试验之前，需要对硬脆性泥页岩进行试样处理，如果硬脆性泥页岩样本的体积足够大，那么一种优选地方式是，对该硬脆性泥页岩进行钻芯取样，获得圆柱体的岩心柱作为岩心柱试样6。如果硬脆性泥页岩样本非常小，只能获取岩心块100，那么实验前需要对该岩心块100进行浇筑形成包含有该岩心块100的圆柱体的岩心柱试样6，且该尺寸大小与钻芯取样获得的岩心柱试样6相同，如图8所示。
参考图4，岩心柱试样装载容器包括筒体1、上盖2和底座3，上盖2和底座3分别设置于筒体1的顶端和底端。
其中，筒体1为两端开口的透明套筒，由耐高压的透明管加工，筒体1内的中上部设置有一圈凸台10，凸台10对应的筒体1内部空间为中空腔12，中空腔12将筒体1内部空间分为位于上部的上空腔11和位于下部的下空腔13。
为了实时观测筒体1内部的压力，上盖2设置有压力表21，压力表21与下空腔13连通。
参考图5和图6，岩心柱试样周向加压装置包括岩心柱套41、若干个弹簧列42、若干个压帽列43和第一密封圈44，
岩心柱套41为中空圆柱体，岩心柱套41的顶端设置有环形凸缘；
岩心柱套41的下端为透明的，若干个弹簧列42周向设置于岩心柱套41和下空腔13对应的筒体1的筒壁之间，若干个压帽列43分别设置于若干个弹簧列42上。
当岩心柱套41的下端周向包裹岩心柱试样6装载于筒体1的下空腔13时，岩心柱套41的环形凸缘抵触于筒体1的凸台10。
具体地，岩心柱套41包括左套部411和右套部412，左套部411和右套部412采用耐高压透明材料加工，左套部411和右套部412对接形成岩心柱套41。
作为一种具体的实施方式，左套部411和右套部412的上端均设置有半环形凸缘410，左套部411和右套部412的下端均为半圆柱套，当左套部411和右套部412对接形成岩心柱套41时，左套部411的半环形凸缘410和右套部412的半环形凸缘410形成位于岩心柱套41的上端的完整的环形凸缘，左套部411的下端半圆柱套和右套部412的下端的半圆柱套形成位于岩心柱套41的下端的完整的圆柱形套。
相应地，弹簧列42和压帽列43的个数均为两个，每个弹簧列42包括若干个复位弹簧，两个弹簧列42分别设置于左套部411与筒体1之间的间隙以及右套部412与筒体1之间的间隙，且每个弹簧列42的复位弹簧均匀间隔设置。
每个压帽列43包括若干个压帽，两个压帽列43分别设置于两个弹簧列42上，且位于同侧的复位弹簧与压帽一一对应。
具体地，左套部411和右套部412均设置有若干个弹簧孔眼420，下空腔13对应的筒体1的筒壁两侧分别设置有若干个压帽孔130，同一侧的若干个弹簧孔眼420与若干个压帽孔130一一对应且对应的弹簧孔眼420与压帽孔130相互连通。
弹簧列42的每个复位弹簧分别设置于弹簧孔眼420和压帽孔130之间，且压帽列43的若干个压帽分别设置于同侧的若干个压帽孔130上，复位弹簧的两端分别抵触弹簧孔眼420和压帽。
需要说明的是，为了增强岩心柱套41包裹岩心柱试样6的严实程度，左套部411和右套部412和岩心柱试样6之间涂有透明硅胶，透明硅胶凝固后，具有较强的形变能力。
为了增强筒体1的凸台10与岩心柱套41的环形凸缘之间的气密性，岩心柱套41上端的环形凸缘内设置有环形凹槽，环形凹槽内嵌设有第一密封圈44。
为了实现从岩心柱试样6下方对岩心柱试样6施压，底座3与筒体1的底端通过螺纹连接。当旋转底座3时，可对岩心柱套41和岩心柱试样6施加力的作用，实现岩心柱套41紧密贴合于筒体1的凸台11下表面，有助于提高岩心柱试样6周围和上方的密封性。
在岩心柱试样6上方的中空腔12的全部和上空腔11的下部装有测试流体，具体地，该测试流体为水和钻井液。
继续参考图1至图3，岩心柱试样上方施压装置设置于筒体1的上空腔11及上盖2上，在该实施例中，包括活塞加压装置、气阀加压装置和堵头55。
活塞加压装置包括旋转杆51和活塞52。
活塞52设置于上空腔11内，且活塞52侧壁与筒体1的筒壁抵触，旋转杆51穿设于上盖2的中部与活塞52固定连接。
其中，活塞52位于测试流体上方。
为了方便旋转杆51与活塞52的拆卸，旋转杆51与活塞52之间通过螺纹连接，旋转杆51与上盖2之间通过螺纹连接。当拧动旋转杆51向内推动过程中，旋转杆51推动活塞52向下移动，进而对测试流体产生驱动压力。
参考图7，为了增强活塞52与筒体1的筒壁之间的气密性，活塞52侧壁设置有第二密封圈520。优选地，第二密封圈520为O型密封圈。
为了操控旋转杆51的方便，旋转杆51的顶端配设有旋转柄50。
气阀加压装置包括气阀53和压力源54，
气阀53设置于上盖2，压力源54设置于硬脆性泥页岩裂缝开启模拟装置的外部，气阀53的两端分别与筒体1的上空腔11和压力源54相连通。当打开气阀53，通过压力源54向筒体1的上空腔11注入气体时，气体推动活塞52向下移动，进而对测试流体产生驱动压力。
在选用活塞加压装置之前，需要先将气阀53处理至关闭状态，如图2所示。在选用气阀加压装置时，需要将旋转杆51取出，并用堵头55封堵上盖2的中部用于穿设旋转杆51的穿孔，如图3所示。
当岩心柱套41的下端周向包裹岩心柱试样6并装载于筒体1的下空腔13时，岩心柱套41的环形凸缘抵触于筒体1的凸台10；
压帽在压帽孔130内旋紧过程中，两侧弹簧列42的复位弹簧受压，同时向左套部411和右套部412施压，左套部411和右套部412紧密贴于岩心柱试样6，将岩心柱试样6包裹得更为严实；
岩心柱试样上方施压装置从岩心柱试样6的上方对岩心柱试样6施加压力作用，测试流体在压力作用下，向岩心柱试样6的内部渗透，以实现模拟岩心柱内部裂缝逐渐开启的过程。
实施例2
在实施例1的基础上，实施例2对岩心柱试样上方施压装置进行了不同的设计。
参考图9和图10，岩心柱试样上方施压装置只包括活塞加压装置，而不包括气阀加压装置。
活塞加压装置包括旋转杆51和活塞52。
活塞52设置于上空腔11内，且活塞52侧壁与筒体1的筒壁抵触，
旋转杆51穿设于上盖2的中部与活塞52固定连接。
在该实施例中，只能通过拧动旋转杆51向内推动过程中，旋转杆51推动活塞52向下移动，进而对测试流体产生驱动压力。
实施例3
在实施例1的基础上，实施例3对岩心柱试样上方施压装置进行了不同的设计。
参考图11和图12，岩心柱试样上方施压装置只包括气阀加压装置，而不包括活塞加压装置。
气阀加压装置包括气阀53和压力源54，气阀53设置于上盖2，气阀53的两端分别与筒体1的上空腔11和压力源54相连通。
在该实施例中，只能通过压力源54向筒体1的上空腔11注入气体时，气体推动活塞52向下移动，进而对测试流体产生驱动压力。
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 (10)

1.一种硬脆性泥页岩裂缝开启模拟装置，其特征在于，包括岩心柱试样装载容器、岩心柱试样周向加压装置和岩心柱试样上方施压装置，
所述岩心柱试样装载容器包括筒体(1)、上盖(2)和底座(3)，所述上盖(2)和所述底座(3)分别设置于所述筒体(1)的顶端和底端；
所述筒体(1)为两端开口的透明套筒，所述筒体(1)内的中上部设置有一圈凸台(10)，所述凸台(10)将所述筒体(1)内部空间分为上空腔(11)和下空腔(13)；
所述岩心柱试样周向加压装置包括岩心柱套(41)、若干个弹簧列(42)、若干个压帽列(43)，
所述岩心柱套(41)为中空圆柱体，所述岩心柱套(41)的顶端设置有环形凸缘；
所述岩心柱套(41)的下端为透明的，若干个所述弹簧列(42)周向设置于所述岩心柱套(41)和所述下空腔(13)对应的筒体(1)的筒壁之间，若干个所述压帽列(43)分别设置于若干个所述弹簧列(42)上；
当所述岩心柱套(41)的下端周向包裹岩心柱试样(6)并装载于筒体(1)的下空腔(13)时，所述岩心柱套(41)的环形凸缘抵触于所述筒体(1)的凸台(10)；
所述岩心柱试样上方施压装置包括活塞加压装置和/或气阀加压装置，设置于所述筒体(1)的上空腔(11)及上盖(2)上，用于从岩心柱试样(6)的上方对岩心柱试样(6)施加压力作用。
2.如权利要求1所述的硬脆性泥页岩裂缝开启模拟装置，其特征在于，
所述岩心柱套(41)包括左套部(411)和右套部(412)，所述左套部(411)和所述右套部(412)对接形成所述岩心柱套(41)；
所述弹簧列(42)和所述压帽列(43)的个数均为两个，
每个所述弹簧列(42)包括若干个复位弹簧，两个所述弹簧列(42)分别设置于左套部(411)与筒体(1)之间的间隙以及右套部(412)与筒体(1)之间的间隙；
每个所述压帽列(43)包括若干个压帽，两个压帽列(43)分别设置于两个所述弹簧列(42)上，且位于同侧的复位弹簧与压帽一一对应。
3.如权利要求2所述的硬脆性泥页岩裂缝开启模拟装置，其特征在于，
所述左套部(411)和所述右套部(412)均设置有若干个弹簧孔眼(420)，所述下空腔(13)对应的筒体(1)的筒壁两侧分别设置有若干个压帽孔(130)，同一侧的若干个弹簧孔眼(420)与若干个压帽孔(130)一一对应且对应的弹簧孔眼(420)与压帽孔(130)相互连通；
所述弹簧列(42)的每个复位弹簧分别设置于弹簧孔眼(420)和压帽孔(130)之间，且所述压帽列(43)的若干个压帽分别设置于同侧的若干个压帽孔(130)上，复位弹簧的两端分别抵触弹簧孔眼(420)和压帽；
当压帽在压帽孔(130)内旋紧过程中，两侧弹簧列(42)的复位弹簧受压，同时向左套部(411)和右套部(412)施压，左套部(411)和右套部(412)紧密贴于岩心柱试样(6)，将岩心柱试样(6)包裹得更为严实。
4.如权利要求1所述的硬脆性泥页岩裂缝开启模拟装置，其特征在于，
所述上盖(2)设置有压力表(21)，所述压力表(21)与所述下空腔(13)连通。
5.如权利要求1所述的硬脆性泥页岩裂缝开启模拟装置，其特征在于，
所述底座(3)与所述筒体(1)的底端通过螺纹连接。
6.如权利要求1所述的硬脆性泥页岩裂缝开启模拟装置，其特征在于，
所述环形凸缘内设置有环形凹槽，所述环形凹槽内嵌设有第一密封圈(44)。
7.如权利要求1所述的硬脆性泥页岩裂缝开启模拟装置，其特征在于，
所述岩心柱试样上方施压装置包括活塞加压装置，
所述活塞加压装置包括旋转杆(51)和活塞(52)，
所述活塞(52)设置于所述上空腔(11)内，且所述活塞(52)侧壁与所述筒体(1)的筒壁抵触，所述旋转杆(51)穿设于所述上盖(2)的中部与所述活塞(52)固定连接；
所述活塞(52)侧壁设置有第二密封圈(520)。
8.如权利要求7所述的硬脆性泥页岩裂缝开启模拟装置，其特征在于，
所述旋转杆(51)与所述活塞(52)之间通过螺纹连接，所述旋转杆(51)与所述上盖(2)之间通过螺纹连接。
9.如权利要求1所述的硬脆性泥页岩裂缝开启模拟装置，其特征在于，
所述岩心柱试样上方施压装置包括气阀加压装置，
所述气阀加压装置包括气阀(53)和压力源(54)，
所述气阀(53)设置于所述上盖(2)，所述气阀(53)的两端分别与筒体(1)的上空腔(11)和所述压力源(54)相连通。
10.如权利要求1所述的硬脆性泥页岩裂缝开启模拟装置，其特征在于，
所述岩心柱试样上方施压装置包括活塞加压装置、气阀加压装置和堵头(55)，
所述活塞加压装置包括旋转杆(51)和活塞(52)，所述活塞(52)设置于所述上空腔(11)内，且所述活塞(52)侧壁与所述筒体(1)的筒壁抵触，所述旋转杆(51)穿设于所述上盖(2)的中部与所述活塞(52)固定连接；
所述气阀加压装置包括气阀(53)和压力源(54)，所述气阀(53)设置于所述上盖(2)，所述气阀(53)的两端分别与筒体(1)的上空腔(11)和所述压力源(54)相连通；
在选用气阀加压装置时，需要将旋转杆(51)取出，并用堵头(55)封堵上盖(2)的中部用于穿设旋转杆(51)的穿孔。
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