CN113533655A - 用于模拟地层呼吸效应的装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油钻井工程技术领域，公开了一种用于模拟地层呼吸效应的装置及控制方法。装置包括：实验舱，设置有均互相相邻的第一端口、第二端口和第三端口，第一端口处设置有第一注液孔、第一出液孔和第一液压活塞，第二端口处设置有第二注液孔和第二液压活塞，第三端口处设置有第三出液孔和第三液压活塞，第一液压活塞、第二液压活塞和第三液压活塞用于分别向岩心施加方向相互正交的压力；岩心，设置于所述实验舱内部，设置有用于模拟井筒的孔洞，孔洞贯穿岩心且与第一注液孔及第一出液孔的位置相对应；第一泵，用于将钻井液从第一注液孔注入实验舱；第二泵，用于将地层流体从第二注液孔注入实验舱。装置可以用于更准确地模拟地层呼吸效应。

Description

用于模拟地层呼吸效应的装置及控制方法

技术领域

本发明涉及石油钻井工程技术领域，具体地涉及一种用于模拟地层呼吸效应的装置及控制方法。

背景技术

随着高温高压井和深水井数量的不断增加，油气钻井行业也变得越来越具有挑战性。外在环境条件上的复杂性会影响钻井作业，影响安全高效地钻进。如何在窄安全密度窗口下顺利钻进，是目前所关注的重点问题之一。

在钻井过程中，钻井液的密度需要控制在地层的“孔隙压力/坍塌压力”与“破裂压力/漏失压力”之间。当钻井遇到天然裂缝地层时，如何防止和控制钻井液的漏失是一项非常严峻的挑战。当钻井液循环时，井筒中可能会出现微量而持续不间断的损失的现象，而停止循环时，井口出现流体返排，这种现象通常被称作井筒或地层的“呼吸效应”。

当对呼吸效应的机理认知不清时，会引发后续多方面的问题。比如地层呼吸现象很容易会被误诊为地层流体侵入的井涌现象，如果呼吸效应事件被误认为是井涌，通常的处理方法是增加钻井液(泥浆)密度以确保足够的过平衡。这意味着一旦停止循环(此时井筒压力降低)，就会发生更严重的呼吸效应事件，因为更多的流体将流回井筒，可能会导致更严重的事故，例如漏失和井眼坍塌。通过对地层呼吸效应的模拟来提升对呼吸效应的机理的认知，减少油气钻井行业中的安全问题。现有技术中对地层呼吸效应的模拟的准确性较低。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明实施例提供了用于模拟地层呼吸效应的装置及控制方法。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种用于模拟地层呼吸效应的装置，装置包括：

实验舱，设置有均互相相邻的第一端口、第二端口和第三端口，第一端口处设置有第一注液孔、第一出液孔和第一液压活塞，第二端口处设置有第二注液孔和第二液压活塞，第三端口处设置有第三出液孔和第三液压活塞，第一液压活塞、第二液压活塞和第三液压活塞用于分别向岩心施加方向相互正交的压力；

岩心，设置于实验舱内部，设置有用于模拟井筒的孔洞，孔洞贯穿岩心且与第一注液孔及第一出液孔的位置相对应；

第一泵，用于将钻井液从第一注液孔注入实验舱；

第二泵，用于将地层流体从第二注液孔注入实验舱。

在本发明实施例中，第三出液孔连接的管道设置有第一背压阀和第一流量计量器，第一注液孔连接的管道设置有第二背压阀和第二流量计量器，第一出液孔连接的管道设置有第三背压阀和第三流量计量器，第一出液孔与流体收集桶连接，第三出液孔与渗流计量桶连接；

第一液压活塞、第二液压活塞和第三液压活塞与实验舱的施压面均分别设置有压力计量器和密封垫，压力计量器用于检测岩心的压力，密封垫用于防止流体在岩心与实验舱之间发生渗透蹿流。

本发明第二方面提供一种用于地层呼吸效应的模拟装置的控制方法，模拟装置为上述的装置，控制方法包括：

确认地层的类型；

确认模拟阶段；

根据地层的类型和模拟阶段来控制第一泵、第二泵、第一背压阀、第二背压阀、第三背压阀和第二注液孔的阀门。

在本发明实施例中，控制方法还包括：

确认模拟阶段为实验舱内地层环境的模拟；

打开第二注液孔的阀门、第二泵和第三背压阀，且关闭第一背压阀和第二背压阀；

在地层流体经过第三背压阀流入流体收集桶的情况下，关闭第二注液孔的阀门，以使得岩心被地层流体浸泡；

将第三背压阀的背压调整至地层孔隙压力值，并打开第一液压活塞、第二液压活塞和第三液压活塞以向岩心施加压力，以使得岩心被负压浸泡达到预设饱和状态；

在预设时间后，打开第二注液孔的阀门以补充实验舱内的地层流体；

在地层流体经过第三背压阀流入流体收集桶的情况下，关闭第二注液孔的阀门。

在本发明实施例中，控制方法还包括：

确认地层的类型为裂缝性地层，其中，裂缝贯穿岩心且经过孔洞；

确认模拟阶段为不存在漏失时的钻井液进入裂缝阶段；

关闭第一背压阀；

将第二背压阀和第三背压阀的背压调整至钻井液循环压力值；

打开第二背压阀和第一泵以使得钻井液从第一注液孔注入实验舱；

在钻井液经过第三背压阀且触动第三流量计量器的情况下，关闭第二背压阀和第一泵；

根据第二流量计量器得到第一检测时间以及对应的钻井液的流量和体积。

在本发明实施例中，控制方法还包括：

确认模拟阶段为不存在漏失时的钻井液返排阶段；

将第三背压阀的背压由钻井液循环压力值调整至地层孔隙压力值；

在钻井液经过第三背压阀流入流体收集桶且流入完成的情况下，根据第三流量计量器得到第二检测时间以及对应的钻井液的流量和体积；

记录三个压力计量器的压力数据。

在本发明实施例中，控制方法还包括：

确认地层的类型为裂缝性地层；

确认模拟阶段为存在漏失时的钻井液进入裂缝阶段；

将第二背压阀和第三背压阀的背压调整至钻井液循环压力值；

打开第一背压阀，并将第一背压阀的背压调整至裂缝扩展压力值，裂缝扩展压力大于地层孔隙压力值且小于钻井液循环压力值；

将渗流计量桶的液压活塞的压力调整至地层渗流压力值；

打开第二背压阀和第一泵以使得钻井液从第一注液孔注入所述实验舱；

在实验舱内的流体压力大于裂缝扩展压力，且钻井液经过第三出液孔流入渗流计量桶的情况下，根据第一流量计量器得到第三检测时间以及对应的钻井液的流量和体积；

在钻井液经过第三背压阀且触动第三流量计量器的情况下，关闭第二背压阀和第一泵；

根据第二流量计量器得到第四检测时间以及对应的钻井液的流量和体积。

在本发明实施例中，控制方法还包括：

确认模拟阶段为存在漏失时的钻井液返排阶段；

将第三背压阀的背压由钻井液循环压力值调整至地层孔隙压力值，并关闭第一背压阀；

在钻井液经过第三背压阀流入流体收集桶且流入完成的情况下，根据第三流量计量器得到第五检测时间以及对应的钻井液的流量和体积；

记录三个压力计量器的压力数据。

在本发明实施例中，控制方法还包括：

确定地层的类型为渗透性地层；

确认模拟阶段为钻井液渗流进入地层阶段；

将第二背压阀和第三背压阀的背压调整至钻井液循坏压力值；

打开第一背压阀并将第一背压阀的背压调整为第一数值；

将渗流计量桶的液压活塞的压力值调整为地层渗流压力值，地层渗流压力值大于地层孔隙压力值且小于钻井液循坏压力值；

打开第二背压阀和第一泵以将钻井液从第一注液孔注入实验舱；

在实验舱内的流体压力大于地层渗透压力，且钻井液经过第三出液孔流入渗流计量桶的情况下，根据第一流量计量器得到第六检测时间以及对应的钻井液的流量和体积；

在钻井液经过第三背压阀且触动第三流量计量器的情况下，关闭第二背压阀和第一泵；

根据第二流量计量器得到第七检测时间以及对应的钻井液的流量和体积。

在本发明实施例中，控制方法还包括：

确认模拟阶段为钻井液返排阶段；

将第三背压阀的背压由钻井液循坏压力值调整至地层孔隙压力值；

在钻井液经过第三背压阀流入流体收集桶且流入完成的情况下，根据第三流量计量器得到第八检测时间以及对应的钻井液的流量和体积；

记录三个压力计量器的压力数据。

本发明第三方面提供一种处理器，被配置成执行上述的用于地层呼吸效应的模拟装置的控制方法。

本发明第四方面提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行上述的用于地层呼吸效应的模拟装置的控制方法。

本发明第五方面提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，计算机程序在被处理器执行时实现上述的用于地层呼吸效应的模拟装置的控制方法。

本发明实施例提供的用于模拟地层呼吸效应的装置可以实现对岩心施加三向应力，更为真实地模拟复杂的地下岩层环境。通过对模拟装置中第一注液孔、第二注液孔、第三出液孔、第一泵和第二泵的控制，以及针对井周裂缝张开和闭合机理导致的呼吸效应，来实现模拟两种情况：有限裂缝不存在由于裂缝扩展导致的钻井液漏失，以及存在由于裂缝扩展导致的钻井液漏失。同时也可以实现模拟由于地层渗透性造成的呼吸效应。模拟装置可以用来模拟裂缝性地层的呼吸效应和渗透性地层的呼吸效应，提升了对地层呼吸效应的模拟的准确性和全面性。用于模拟地层呼吸效应的装置能够实现对不同机制造成的呼吸效应的模拟，摸清不同地层条件在不同的作业工况下由不同机理引发的地层呼吸效应的特征，为钻井作业提供理论指导。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1示意性示出了根据本发明实施例的用于模拟地层呼吸效应的装置图之一；

图2示意性示出了根据本发明实施例的裂缝性地层的岩心的示意图；

图3示意性示出了根据本发明实施例的渗透性地层的岩心的示意图；

图4示意性示出了根据本发明实施例的密封套的示意图；

图5示意性示出了根据本发明实施例的用于模拟地层呼吸效应的装置图之二；

图6示意性示出了根据本发明实施例的用于模拟地层呼吸效应的装置图之三；

图7示意性示出了根据本发明实施例的用于模拟地层呼吸效应的装置图之四；

图8示意性示出了根据本发明实施例的用于模拟地层呼吸效应的装置图之五；

图9示意性示出了根据本发明实施例的密封活塞盖的示意图；

图10示意性示出了根据本发明实施例的用于模拟地层呼吸效应的装置图之六；

图11示意性示出了根据本发明实施例的用于地层呼吸效应的模拟装置的控制方法的流程图。

附图标记说明

10实验舱 11第一端口

12第二端口 13第三端口

14第一注液孔 15第一出液孔

16第一液压活塞 17第二注液孔

18第二液压活塞 19第三出液孔

20第三液压活塞 21岩心

22孔洞 23第一泵

24第二泵 25第一背压阀

26第一流量计量器 27第二背压阀

28第二流量计量器 29第三背压阀

30第三流量计量器 31流体收集桶

32渗流计量桶 33密封垫

34裂缝 35密封套

36排液孔 37高压气瓶

38排液收集桶 39第一注油孔

40第三注油孔 41第二注油孔

42滑动密封盖 43液压缸套

44密封活塞盖 45密封圈槽

46密封端盖

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

需要说明，若本申请实施方式中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本申请实施方式中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

图1示意性示出了根据本发明实施例的用于模拟地层呼吸效应的装置图。可参见图1，本发明实施例提供了一种用于模拟地层呼吸效应的装置，包括：

实验舱10，设置有均互相相邻的第一端口11、第二端口12和第三端口13，第一端口11处设置有第一注液孔14、第一出液孔15和第一液压活塞16，第二端口12处设置有第二注液孔17和第二液压活塞18，第三端口13处设置有第三出液孔19和第三液压活塞20，第一液压活塞16、第二液压活塞18和第三液压活塞20用于分别向岩心施加方向相互正交的压力；

岩心21，设置于实验舱10内部，设置有用于模拟井筒的孔洞22，孔洞22贯穿岩心21且与第一注液孔14及第一出液孔15的位置相对应；

第一泵23，用于将钻井液从第一注液孔14注入实验舱10；

第二泵24，用于将地层流体从第二注液孔17注入实验舱10。

图2示意性示出了根据本发明实施例的裂缝性地层的岩心的示意图，图3示意性示出了根据本发明实施例的渗透性地层的岩心的示意图。岩心21设置于实验舱10内部，如图2所示，在模拟裂缝性地层的呼吸效应时，岩心内设置裂缝34，裂缝34贯穿岩心21且经过孔洞22。在模拟渗透性地层的呼吸效应时，岩心21是没有裂缝的，参见图3。

本发明实施例提供的用于模拟地层呼吸效应的装置可以实现对岩心21施加三向应力，更为真实地模拟复杂的地下岩层环境。通过对模拟装置中第一注液孔14、第二注液孔17、第三出液孔19、第一泵23和第二泵24的控制，以及针对井周裂缝张开和闭合机理导致的呼吸效应，来实现模拟两种情况：有限裂缝不存在由于裂缝扩展导致的钻井液漏失，以及存在由于裂缝扩展导致的钻井液漏失。同时也可以实现模拟由于地层渗透性造成的呼吸效应。模拟装置可以用来模拟裂缝性地层的呼吸效应和渗透性地层的呼吸效应，提升了对地层呼吸效应的模拟的准确性和全面性。用于模拟地层呼吸效应的装置能够实现对不同机制造成的呼吸效应的模拟，摸清不同地层条件在不同的作业工况下由不同机理引发的地层呼吸效应的特征，为钻井作业提供理论指导。

在一实施例中，第三出液孔19连接的管道设置有第一背压阀25和第一流量计量器26，第一注液孔14连接的管道设置有第二背压阀27和第二流量计量器28，第一出液孔15连接的管道设置有第三背压阀29和第三流量计量器30，第一出液孔15与流体收集桶31连接，第三出液孔19与渗流计量桶32连接；

第一液压活塞16、第二液压活塞18和第三液压活塞20与实验舱10的施压面均分别设置有压力计量器和密封垫33，压力计量器用于检测岩心的压力，密封垫32用于防止流体在岩心21与实验舱10之间发生渗透蹿流。

下面以一个具体实施例来对本发明实施例的用于模拟地层呼吸效应的装置进行具体详细地说明。

图5示意性示出了根据本发明实施例的用于模拟地层呼吸效应的装置图之二；图6示意性示出了根据本发明实施例的用于模拟地层呼吸效应的装置图之三；图7示意性示出了根据本发明实施例的用于模拟地层呼吸效应的装置图之四；图8示意性示出了根据本发明实施例的用于模拟地层呼吸效应的装置图之五；图10示意性示出了根据本发明实施例的用于模拟地层呼吸效应的装置图之六。用于模拟地层呼吸效应的装置示意图可参见图1、图5、图6、图7、图8和图10。其中图6、图7和图8为三个不同的方向上的模拟装置的侧面视图。图1和图10为模拟装置的主视图。

用于模拟地层呼吸效应的装置包括驱替单元，驱替单元由两个双柱塞泵组成，分别为地层流体泵(即第二泵24)和钻井液泵(即第一泵23)。两个泵相互独立，可泵入不同种类的流体。第二泵24通过第二注液孔17将地层流体注入实验舱10。第一泵23从第一注液孔14将钻井液注入实验舱10，用于模拟钻井泥浆的循环。在回压单元的配合下，通过第二泵24可注入地层流体在实验舱10内模拟出真实的地层环境，通过第一泵23可注入钻井液来施加钻井液循环压力。

用于模拟地层呼吸效应的装置可简称为模拟装置，实验舱10又称为真三轴加持实验舱，真三轴加持实验舱的外形呈三向体型，参见图1。模拟装置还包括密封套35，密封套35为实验舱10的外壳，密封套35由透明的高强度塑料或高强度玻璃制成，密封套35的外部包裹有金属保护层，使实验舱10内部的实验变化可以被观测到且不会被损毁。图4示意性示出了根据本发明实施例的密封套的示意图，可参见图4。

实验舱10设置有三个端口(即第一端口11、第二端口12和第三端口13)。每个端口均装有液压活塞，液压活塞的压力由模拟装置的回压单元供应。其中第二端口12和第三端口13的液压缸与外壳均由螺栓进行固定，第一端口11处的液压缸与液压活塞16可以卸下，以便向密封套35的中空实验舱10内放置实验岩心21。实验舱10的中间区域为中空状态，用于放置实验岩心21，以构建人工仿真地层。三个端口的液压活塞可以同时对实验岩心21施加不同的压力，且方向相互正交，这样既避免了六端口施压的复杂性，简化了设备，又实现了对地层中三向应力的真实模拟。

岩心21的尺寸与实验舱10的中空区域一致，岩心21的中心部位钻有通孔(孔洞22)，孔洞22用于模拟地层中的井筒。岩心21可根据实验需求提前预制出不同的裂缝形态，实现对地层裂缝的复杂状况的模拟。实验舱10内部与三个液压活塞的施压面均装有压力计量器，压力计量器可用于实时监测实验岩心21及裂缝34的压力。实验舱10内部与三个液压活塞的施压面均装有密封垫33，密封垫33的材质可选用高强度橡胶或四氟乙烯，以保证流体不会在岩心21与实验舱10的接触面之间发生渗透蹿流现象，提高实验精度。

实验舱10的第三端口13处液压阀设置有第三出液孔19，该通道为流体漏失或渗流通道，第三出液孔19与渗流计量桶32连接，连接线路上装有第一流量计量器26和第一背压阀25。电子流量计量器可用于实时监控通过的流体流速和体积，第一背压阀25的背压可调整，可助于实现对裂缝扩展压力的模拟。渗流计量桶32也是由透明的高强度塑料或高强度玻璃制成，工作人员可对渗流计量桶32的内部变化进行观察。渗流计量桶32的一侧与实验舱10的第三出液孔19连接，另一侧装有液压活塞，图5示意性示出了根据本发明实施例的用于模拟地层呼吸效应的装置图之二，可参见图5。根据不同的情况，渗流计量桶32可以在模拟裂缝性或渗透性等地层中，由不同机制引发的呼吸效应造成的钻井液在地层中的漏失或渗透时应用。

第二端口12处液压缸座底端设置有第二注液孔17，第二泵24将地层流体从第二注液孔17注入实验舱10内。第一端口11处液压缸设置有第一注液孔14和第一出液孔15，第一注液孔14的通道由第二背压阀27控制，第一出液孔15的通道由第三背压阀29控制。第二背压阀27外接第二流量计量器28，第一注液孔14与驱替单元中的第一泵23连接，第一泵23将钻井液从第一注液孔14注入实验舱10。第三背压阀29外接第三流量计量器30，第三流量计量器30可以用于计量排出地层中多余的流体以及地层呼吸效应返吐阶段时的流体。实验舱10中央区域的下方设有排液口36，排液口36的位置与第一注液孔14以及第一出液孔15的位置上下一致。排液口36用于在实验后排出实验舱10内的流体，方便清理实验设备。

模拟装置包括回压单元，回压单元包括对于地层流体的回压控制器和对于泥浆流体的回压控制器。回压单元可以在实验时提供下游背压，用以模拟较高的地层压力状况。回压单元由气体减压阀、回压阀、压力表和管路流程等组成。在使用回压时，先用高压氮气瓶供气，提供一个初始压力，并通过读取精密压力表或者通过查看压力传感器采集的数值来设定回压，精密压力表安放于面板。当需要微调节时，可以通过液压泵泵送增压或者放空阀放空减压来进行调节。

模拟装置包括控制及数据采集系统，控制及数据采集系统由中控计算机和计量监测表组成。系统可以动态绘制压力曲线和流量曲线等，并可实时监测实验舱10内的压力变化。采集的数据以数据库形式记录保存，程序根据输入的基本参数和实验采集内容进行记录，并可根据要求自动生成实验报表。为安全起见，设备配备完善的安全防护系统，安全防护系统由防护的硬件配合软件共同组成。当防护系统监测到传感器数值发生异常变化时，会立刻发出警报，并提示处理方式。若数据超过警戒数值时，计算机会自动切断压力源和温度源，确保人员和设备安全。

裂缝性地层呼吸效应的实验岩心的制造包括以下三个步骤：

(1)按实验需求选择合适的岩石种类，按真三轴夹持实验舱的尺寸对岩石进行切削，将岩石打磨成六面体。

(2)打磨好后的岩心21需在顶面确定与实验舱10的第一注液孔14以及第一出液孔15相对应的位置，然后在该位置进行垂向钻孔，并将岩心21打通，制造用于模拟井筒的孔洞22。

(3)按实验需求对岩心21制造裂缝34，制造的裂缝面需要在横向或纵向上贯穿整个岩心21并经过孔洞22。图2示意性示出了根据本发明实施例的裂缝性地层的岩心的示意图，可参见图2。

渗透性地层呼吸效应的实验岩心的制造与裂缝性地层呼吸效应的实验岩心的制造是相似的，不同的是，渗透性地层呼吸效应的实验岩心不需要制造裂缝，因此没有上述步骤(3)。

实验岩心21的装填包括以下两个步骤：

(1)将实验舱10的第一端口11打开，将制备好的实验岩心21放入实验舱10内，确保岩心21与实验舱10内壁完全接触后，将第一端口11盖好，封闭实验舱10。

(2)待实验舱10封闭完成后，调整三向液压活塞(第一液压活塞16、第二液压活塞18和第三液压活塞20)同时将实验岩心21夹紧，但此时不进行加压，仅确保岩心21的六面与密封垫33完全接触压紧即可。

图9示意性示出了根据本发明实施例的密封活塞盖的示意图。如图9所述，密封活塞盖44中包括密封圈槽45。用于模拟地层呼吸效应的装置还包括：第一注油孔39、第二注油孔41、第三注油孔40、液压缸套43、密封端盖46、排液收集桶38和高压气瓶37。

图11示意性示出了根据本发明实施例的用于地层呼吸效应的模拟装置的控制方法的流程图。可参见图11，本发明实施例提供了一种用于地层呼吸效应的模拟装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤101，确认地层的类型；

步骤102，确认模拟阶段；

步骤103，根据地层的类型和模拟阶段来控制第一泵23、第二泵24、第一背压阀25、第二背压阀27、第三背压阀29和第二注液孔17的阀门。

地层的类型包括裂缝性地层和渗透性地层。在裂缝性地层的呼吸效应中分为不存在漏失时的呼吸效应和存在漏失时的呼吸效应，其中，在不存在漏失时的呼吸效应中，模拟阶段有：钻井液进入裂缝阶段、正常循环阶段和钻井液返排阶段，在存在漏失时的呼吸效应中，模拟阶段有：钻井液进入裂缝阶段、漏失循环阶段和钻井液返排阶段。在渗透性地层的呼吸效应中，模拟阶段有：钻井液渗流进入地层阶段、循环阶段和钻井液返排阶段。通过控制第一泵23、第二泵24、第一背压阀25、第二背压阀27、第三背压阀29和第二注液孔17的阀门来模拟不同地层不同阶段时的呼吸效应。

在一实施例中，控制方法还包括：

确认模拟阶段为实验舱内地层环境的模拟；

打开第二注液孔17的阀门、第二泵24和第三背压阀29，且关闭第一背压阀25和第二背压阀27；

在地层流体经过第三背压阀29流入流体收集桶31的情况下，关闭第二注液孔17的阀门，以使得岩心21被地层流体浸泡；

将第三背压阀29的背压调整至地层孔隙压力值，并打开第一液压活塞16、第二液压活塞18和第三液压活塞20以向岩心21施加压力，以使得岩心21被负压浸泡达到预设饱和状态；

在预设时间后，打开第二注液孔17的阀门以补充实验舱10内的地层流体；

在地层流体经过第三背压阀29流入流体收集桶31的情况下，关闭第二注液孔17的阀门。

该实施例用于实现对实验舱内地层环境的模拟。打开第二注液孔17的阀门，关闭第一背压阀25和第二背压阀27，打开第三背压阀29，第三背压阀29此时无需添加背压，打开驱替单元的第二泵24，向实验舱10内泵入地层流体，直至地层流体通过第三背压阀29排出时停止泵入。这时，使得岩心21完全被地层流体浸泡。

将第三背压阀29的背压调整至预定的地层孔隙压力值，打开第一液压活塞16、第二液压活塞18和第三液压活塞20，来夹紧岩心21至预定的三向压力。在此状态下，使岩心21被负压浸泡达到预定饱和状态。

打开第二注液孔17的阀门，再一次向实验舱10中泵入地层流体，用以补充实验舱10内进入到岩心21中的地层流体，直至有地层流体从第三背压阀19流出时停止注入地层流体，关闭第二注液孔17的阀门。完成实验舱10内对预定地层环境的模拟。

在一实施例中，控制方法还包括：

确认地层的类型为裂缝性地层，其中，裂缝34贯穿岩心21且经过孔洞11；

确认模拟阶段为不存在漏失时的钻井液进入裂缝阶段；

关闭第一背压阀25；

将第二背压阀27和第三背压阀29的背压均调整至钻井液循环压力值；

打开第二背压阀27和第一泵23以使得钻井液从第一注液孔14注入实验舱10；

在钻井液经过第三背压阀29且触动第三流量计量器30的情况下，关闭第二背压阀27和第一泵23；

根据第二流量计量器28得到第一检测时间以及对应的钻井液的流量和体积。

该实施例用于模拟裂缝性地层呼吸效应中，不存在漏失时的呼吸效应中的钻井液进入裂缝阶段。关闭第一背压阀25，将第二背压阀27和第三背压阀29的背压调整至预定的钻井液循环压力值，打开第二背压阀27、第二流量计量器28、第三流量计量器30和驱替单元中的第一泵23，通过第一注液孔14向实验舱10内注入钻井液。待液体通过第三背压阀29流出后触动第三流量计量器30即停止泵入液体。此时由第二流量计量器28得到钻井液进入裂缝阶段的流量Q1、体积V1以及第一检测时间T1。本阶段模拟情况为：井筒压力上升，裂缝34张开，钻井液进入裂缝34。

之后可以模拟裂缝性地层呼吸效应中，不存在漏失时的呼吸效应中的正常循坏阶段。保持上述步骤设定不变，关闭第二背压阀27和第一泵23，保持至设定时间即可。本阶段模拟情况为：井筒压力不变，钻井液在井筒中正常循环。

在一实施例中，控制方法还包括：

确认模拟阶段为不存在漏失时的钻井液返排阶段；

将第三背压阀29的背压由钻井液循环压力值调整至地层孔隙压力值；

在钻井液经过第三背压阀29流入流体收集桶31且流入完成的情况下，根据第三流量计量器30得到第二检测时间以及对应的钻井液的流量和体积；

记录三个压力计量器的压力数据。

该实施例用于模拟裂缝性地层呼吸效应中，不存在漏失时的呼吸效应中的钻井液返排阶段，在上述正常循坏阶段的步骤后，将第三背压阀29的背压由钻井液循环压力值调整至地层孔隙压力值(第三背压阀29的压力值变小)。此时之前注入裂缝34的钻井液经由第三背压阀29和第三流量计量器30反向流出，实现钻井液的返排。待液体返排停止后，并得到钻井液返排阶段的流量Q2、体积V2以及第二检测时间T2。之后，结合实验舱10内各压力计量器在各阶段记录的数据，即可得到各阶段三向压力、流量和流体体积的变化情况。本阶段模拟情况为：井筒压力下降，裂缝34闭合，钻井液从裂缝34中返流回井筒。

在一实施例中，控制方法还包括：

确认地层的类型为裂缝性地层；

确认模拟阶段为存在漏失时的钻井液进入裂缝阶段；

将第二背压阀27和第三背压阀29的背压均调整至钻井液循环压力值；

打开第一背压阀25，并将第一背压阀25的背压调整至裂缝扩展压力值，裂缝扩展压力大于地层孔隙压力值且小于钻井液循环压力值；

将渗流计量桶32的液压活塞的压力调整至地层渗流压力值；

打开第二背压阀27和第一泵23以使得钻井液从第一注液孔14注入所述实验舱10；

在实验舱10内的流体压力大于裂缝扩展压力，且钻井液经过第三出液孔19流入渗流计量桶32的情况下，根据第一流量计量器26得到第三检测时间以及对应的钻井液的流量和体积；

在钻井液经过第三背压阀29且触动第三流量计量器30的情况下，关闭第二背压阀27和第一泵23；

根据第二流量计量器28得到第四检测时间以及对应的钻井液的流量和体积。

配合渗透计量桶32可实现模拟由于钻井液循环压力过大致使裂缝34扩展，使钻井液发生漏失的裂缝性地层呼吸效应。该实施例用于模拟裂缝性地层呼吸效应中，存在漏失时的呼吸效应中的钻井液进入裂缝阶段。将第二背压阀27和第三背压阀29的背压均调整至预定的钻井液循环压力值，打开第一背压阀25和第一流量计量器26，将第一背压阀25的背压调整至预定的裂缝扩展压力值，裂缝扩展压力值大于地层孔隙压力值且小于钻井液循环压力值。调整渗流计量桶32的液压活塞的压力为预定的地层渗流压力(该压力为裂缝扩展后钻井液在地层中的渗流压力)。之后，打开第二背压阀27、第二流量计量器28、第三流量计量器302以及驱替单元中的第一泵23，通过第一注液孔14向实验舱10内注入钻井液。当实验舱10内液体压力大于裂缝扩展压力时，钻井液便经由第三出液孔19流入渗流计量桶32内。获得钻井液漏失时的流量Q3、体积V3以及第三检测时间T3。保持第一泵23的泵入，待液体经过第三背压阀29流出后触动第三流量计量器30即停止液体的泵入。此时由第二流量计量器28得到钻井液进入裂缝阶段的流量Q4、体积V4以及第四检测时间T4。本阶段模拟情况为：井筒压力上升，裂缝34张开且发生扩展，钻井液进入裂缝34并发生了一部分不可逆的漏失。

之后可以模拟裂缝性地层呼吸效应中，存在漏失时的呼吸效应中的漏失循环阶段。调整第一泵23的泵入流量与漏失流量相同，使钻井液仅从第一出液孔15流出，保持该状态至预定时间，由第一流量计量器26得到钻井液漏失时的流量、体积以及检测时间。本阶段模拟情况为：井筒压力不变，裂缝34不再扩展，钻井液正常循环不再漏失。

在一实施例中，控制方法还包括：

确认模拟阶段为存在漏失时的钻井液返排阶段；

将第三背压阀29的背压由钻井液循环压力值调整至地层孔隙压力值，并关闭第一背压阀25；

在钻井液经过第三背压阀29流入流体收集桶31且流入完成的情况下，根据第三流量计量器30得到第五检测时间以及对应的钻井液的流量和体积；

记录三个压力计量器的压力数据。

该实施例用于模拟裂缝性地层呼吸效应中，存在漏失时的呼吸效应中的钻井液返排阶段。保持上述步骤设定不变，关闭第二背压阀27和第一泵23，将第三背压阀29的背压由钻井液循环压力值调整至地层孔隙压力值(第三背压阀29的背压变小)，关闭第一背压阀25。此时之前注入裂缝34的钻井液经由第三背压阀29和第三流量计量器30反向流出，实现钻井液的返排。待液体返排停止后，得到钻井液返排阶段的流量Q5、体积V5以及第五检测时间T5。之后，结合实验舱10内各压力计量器在各阶段记录的数据，即可得到存在漏失时的呼吸效应各阶段三向压力、流量和流体体积的变化情况。本阶段模拟情况为：井筒压力下降，裂缝34闭合，部分钻井液从裂缝34中返流回井筒。

在一实施例中，控制方法还包括：

确定地层的类型为渗透性地层；

确认模拟阶段为钻井液渗流进入地层阶段；

将第二背压阀27和第三背压阀29的背压均调整至钻井液循坏压力值；

打开第一背压阀25并将第一背压阀25的背压调整为第一数值；

将渗流计量桶32的液压活塞的压力值调整为地层渗流压力值，地层渗流压力值大于地层孔隙压力值且小于钻井液循坏压力值；

打开第二背压阀27和第一泵23以将钻井液从第一注液孔14注入实验舱10；

在实验舱10内的流体压力大于地层渗透压力，且钻井液经过第三出液孔19流入渗流计量桶32的情况下，根据第一流量计量器26得到第六检测时间以及对应的钻井液的流量和体积；

在钻井液经过第三背压阀29且触动第三流量计量器30的情况下，关闭第二背压阀27和第一泵23；

根据第二流量计量器28得到第七检测时间以及对应的钻井液的流量和体积。

该实施例用于模拟渗透性地层呼吸效应中的钻井液渗流进入地层阶段。将第二背压阀27和第三背压阀29的背压均调整至预定的钻井液循环压力值，打开第一背压阀25和第一流量计量器26，将第一背压阀25的背压调整为第一数值(第一数值可以为0)，调整渗流计量桶32的液压活塞的压力至地层渗流压力，地层渗流压力大于地层孔隙压力且小于钻井液循环压力。打开第二背压阀27、第二流量计量器28和第三流量计量器30以及驱替单元中的第一泵23，通过第一注液孔14向实验舱10内注入钻井液。当实验舱10内液体压力大于地层渗流压力时，钻井液由第三出液孔19流出并进入渗流计量桶32内，获得钻井液渗流时的流量Q6、体积V6以及第六检测时间T6。保持第一泵23的泵入，待液体从第三背压阀29流出后触动第三流量计量器30即停止流体的泵入。此时第二流量计量器28得到钻井液进入地层阶段的流量Q7、体积V7以及第七检测时间T7。本阶段模拟情况为：井筒压力上升，钻井液渗透进入井周地层。

之后可以模拟渗透性地层呼吸效应中的循环阶段。保持上述步骤设定不变，关闭第二背压阀27和第一泵23，保持至设定时间即可。本阶段模拟情况为：井筒压力不变，钻井液在井筒中正常循环。

在一实施例中，控制方法还包括：

确认模拟阶段为钻井液返排阶段；

将第三背压阀29的背压由钻井液循坏压力值调整至地层孔隙压力值；

在钻井液经过第三背压阀29流入流体收集桶31且流入完成的情况下，根据第三流量计量器30得到第八检测时间以及对应的钻井液的流量和体积；

记录三个压力计量器的压力数据。

该实施例用于模拟渗透性地层呼吸效应中的钻井液返排阶段，关闭第二背压阀27和第一泵23，将第三背压阀29的背压由钻井液循环压力值调整至地层孔隙压力值(第三背压阀29的背压变小)。此时，之前渗流进入地层的钻井液经由第三背压阀29和第三流量计量器30反向流出，实现钻井液的返排。待液体返排停止后，得到钻井液返排阶段的流量Q8、体积V8以及第八检测时间T8。之后，结合实验舱10内各压力计量器在各阶段记录的数据，即可得到各阶段三向压力、流量和流体体积的变化情况。本阶段模拟情况为：井筒压力下降，渗透进入地层的钻井液返向渗透流回井筒。

在裂缝性地层的呼吸效应中分为不存在漏失时的呼吸效应和存在漏失时的呼吸效应，其中，在不存在漏失时的呼吸效应中，模拟阶段有：钻井液进入裂缝阶段、正常循环阶段和钻井液返排阶段，在存在漏失时的呼吸效应中，模拟阶段有：钻井液进入裂缝阶段、漏失循环阶段和钻井液返排阶段。在渗透性地层的呼吸效应中，模拟阶段有：钻井液渗流进入地层阶段、循环阶段和钻井液返排阶段。再加上实验舱内地层环境的模拟，至此，已完成总共十种不同状况的模拟。

随着高温高压井和深水井数量的不断增加，油气钻井行业也变得越来越具有挑战性。外在环境条件上的复杂性会影响钻井作业，影响安全高效地钻进。如何在窄安全密度窗口下顺利钻进，是目前所关注的重点问题之一。

在钻井过程中，钻井液的密度需要控制在地层的“孔隙压力/坍塌压力”与“破裂压力/漏失压力”之间。当钻井遇到天然裂缝地层时，如何防止和控制钻井液的漏失是一项非常严峻的挑战。当钻井液循环时，井筒中可能会出现微量而持续不间断的损失的现象，而停止循环时，井口出现流体返排，这种现象通常被称作井筒或地层的“呼吸效应”。

造成呼吸效应现象的机理主要包括以下三个方面：

第一种是钻遇高渗透性地层时，钻井液受井筒压力波动影响向井周地层的渗透或渗出；第二种机理是在高温高压井中，钻井液受地层热效应引发的体积膨胀，但是由这种机理引发的呼吸效应所用时间较长，与钻完井作业现场遇到的停止循环后立即出现流体返排的情况并不十分相符。除了以上两种机理外，由井筒内压力波动造成的裸眼井段井周裂缝的张开与闭合也是造成呼吸效应的主要机理之一。这种机理的原理是钻井循环过程中，井筒内的压力大于井周裂缝的重张压力，促使钻井液在循环过程中不断流入地层裂缝；循环停止时井筒内压力快速下降并小于启动压力，造成裂缝闭合，迫使先前进入裂缝的流体重新流回井筒。如果这种情况在发生在微裂缝发育的地层的井段或在管柱提升的抽汲阶段，井口极有可能在短暂的时间内监测到大量的流体涌出。

无法将上述现象与钻井液的漏失以及地层流体的侵入相互分辨清楚，是呼吸效应会导致的主要问题之一。这种由于认知不清造成的判定错误会引发后续多方面的问题。比如，在这种情况下，地层呼吸现象很容易会被误诊为地层流体侵入的井涌现象，并可能会导致多种恶性钻井事故的发生：一旦地层的呼吸效应被误诊为为井涌事件，一些不必要的井控措施的将会被采取。例如通过增加钻井液(泥浆)的密度进行压井作业，这种做法会使井筒压力上升，打破井筒原有平衡状态，促使更多的裂缝重新张开并回吞入更多的流体；并且在停止循环时返排出更多的流体，造成更加严重的地层呼吸效应。更为严重的是提高泥浆密度的做法可能会造成井筒压力大于地层裂缝扩展压力，促使水力裂缝的扩展与联通，破坏井筒完整性，出现井筒的整体性漏失，引发钻井事故，增长非作业时间，大大降低整个钻进的效率。

因此，清晰地了解不同机理引发的呼吸效应的动态响应特征以及不同因素对呼吸效应的影响是解决上述问题必要的前提条件。

本发明实施例提供的用于模拟地层呼吸效应的装置可以实现对岩心21施加三向应力，更为真实地模拟复杂的地下岩层环境。通过对模拟装置中第一注液孔14、第二注液孔17、第三出液孔19、第一泵23和第二泵24的控制，以及针对井周裂缝张开和闭合机理导致的呼吸效应，来实现模拟两种情况：有限裂缝不存在由于裂缝扩展导致的钻井液漏失，以及存在由于裂缝扩展导致的钻井液漏失。同时也可以实现模拟由于地层渗透性造成的呼吸效应。模拟装置可以用来模拟裂缝性地层的呼吸效应和渗透性地层的呼吸效应，提升了对地层呼吸效应的模拟的准确性和全面性。用于模拟地层呼吸效应的装置能够实现对不同机制造成的呼吸效应的模拟，摸清不同地层条件在不同的作业工况下由不同机理引发的地层呼吸效应的特征，为钻井作业提供理论指导。

本发明实施例提供了一种处理器，该处理器被配置成执行上述实施例中的任意一项用于地层呼吸效应的模拟装置的控制方法。

具体地，处理器可以被配置成：

确认地层的类型；

确认模拟阶段；

根据地层的类型和模拟阶段来控制第一泵23、第二泵24、第一背压阀25、第二背压阀27、第三背压阀29和第二注液孔17的阀门。

在本发明实施例中，处理器还被配置成：

确认模拟阶段为实验舱内地层环境的模拟；

打开第二注液孔17的阀门、第二泵24和第三背压阀29，且关闭第一背压阀25和第二背压阀27；

在地层流体经过第三背压阀29流入流体收集桶31的情况下，关闭第二注液孔17的阀门，以使得岩心21被地层流体浸泡；

将第三背压阀29的背压调整至地层孔隙压力值，并打开第一液压活塞16、第二液压活塞18和第三液压活塞20以向岩心21施加压力，以使得岩心21被负压浸泡达到预设饱和状态；

在预设时间后，打开第二注液孔17的阀门以补充实验舱10内的地层流体；

在地层流体经过第三背压阀29流入流体收集桶31的情况下，关闭第二注液孔17的阀门。

在本发明实施例中，处理器还被配置成：

确认地层的类型为裂缝性地层，其中，裂缝34贯穿岩心21且经过孔洞11；

确认模拟阶段为不存在漏失时的钻井液进入裂缝阶段；

关闭第一背压阀25；

将第二背压阀27和第三背压阀29的背压均调整至钻井液循环压力值；

打开第二背压阀27和第一泵23以使得钻井液从第一注液孔14注入实验舱10；

在钻井液经过第三背压阀29且触动第三流量计量器30的情况下，关闭第二背压阀27和第一泵23；

根据第二流量计量器28得到第一检测时间以及对应的钻井液的流量和体积。

在本发明实施例中，处理器还被配置成：

确认模拟阶段为不存在漏失时的钻井液返排阶段；

将第三背压阀29的背压由钻井液循环压力值调整至地层孔隙压力值；

在钻井液经过第三背压阀29流入流体收集桶31且流入完成的情况下，根据第三流量计量器30得到第二检测时间以及对应的钻井液的流量和体积；

记录三个压力计量器的压力数据。

在本发明实施例中，处理器还被配置成：

确认地层的类型为裂缝性地层；

确认模拟阶段为存在漏失时的钻井液进入裂缝阶段；

将第二背压阀27和第三背压阀29的背压均调整至钻井液循环压力值；

打开第一背压阀25，并将第一背压阀25的背压调整至裂缝扩展压力值，裂缝扩展压力大于地层孔隙压力值且小于钻井液循环压力值；

将渗流计量桶32的液压活塞的压力调整至地层渗流压力值；

打开第二背压阀27和第一泵23以使得钻井液从第一注液孔14注入所述实验舱10；

在实验舱10内的流体压力大于裂缝扩展压力，且钻井液经过第三出液孔19流入渗流计量桶32的情况下，根据第一流量计量器26得到第三检测时间以及对应的钻井液的流量和体积；

在钻井液经过第三背压阀29且触动第三流量计量器30的情况下，关闭第二背压阀27和第一泵23；

根据第二流量计量器28得到第四检测时间以及对应的钻井液的流量和体积。

在本发明实施例中，处理器还被配置成：

确认模拟阶段为存在漏失时的钻井液返排阶段；

将第三背压阀29的背压由钻井液循环压力值调整至地层孔隙压力值，并关闭第一背压阀25；

在钻井液经过第三背压阀29流入流体收集桶31且流入完成的情况下，根据第三流量计量器30得到第五检测时间以及对应的钻井液的流量和体积；

记录三个压力计量器的压力数据。

在本发明实施例中，处理器还被配置成：

确定地层的类型为渗透性地层；

确认模拟阶段为钻井液渗流进入地层阶段；

将第二背压阀27和第三背压阀29的背压均调整至钻井液循坏压力值；

打开第一背压阀25并将第一背压阀25的背压调整为第一数值；

将渗流计量桶32的液压活塞的压力值调整为地层渗流压力值，地层渗流压力值大于地层孔隙压力值且小于钻井液循坏压力值；

打开第二背压阀27和第一泵23以将钻井液从第一注液孔14注入实验舱10；

在实验舱10内的流体压力大于地层渗透压力，且钻井液经过第三出液孔19流入渗流计量桶32的情况下，根据第一流量计量器26得到第六检测时间以及对应的钻井液的流量和体积；

在钻井液经过第三背压阀29且触动第三流量计量器30的情况下，关闭第二背压阀27和第一泵23；

根据第二流量计量器28得到第七检测时间以及对应的钻井液的流量和体积。

在本发明实施例中，处理器还被配置成：

确认模拟阶段为钻井液返排阶段；

将第三背压阀29的背压由钻井液循坏压力值调整至地层孔隙压力值；

在钻井液经过第三背压阀29流入流体收集桶31且流入完成的情况下，根据第三流量计量器30得到第八检测时间以及对应的钻井液的流量和体积；

记录三个压力计量器的压力数据。

本发明实施例提供了一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质存储有指令，该指令被机器执行时实现上述用于地层呼吸效应的模拟装置的控制方法。

本发明实施例提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序在被处理器执行时实现上述用于地层呼吸效应的模拟装置的控制方法。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种用于模拟地层呼吸效应的装置，其特征在于，包括：

实验舱，设置有均互相相邻的第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口处设置有第一注液孔、第一出液孔和第一液压活塞，所述第二端口处设置有第二注液孔和第二液压活塞，所述第三端口处设置有第三出液孔和第三液压活塞，所述第一液压活塞、所述第二液压活塞和所述第三液压活塞用于分别向岩心施加方向相互正交的压力；

岩心，设置于所述实验舱内部，设置有用于模拟井筒的孔洞，所述孔洞贯穿所述岩心且与所述第一注液孔及所述第一出液孔的位置相对应；

第一泵，用于将钻井液从所述第一注液孔注入所述实验舱；

第二泵，用于将地层流体从所述第二注液孔注入所述实验舱。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第三出液孔连接的管道设置有第一背压阀和第一流量计量器，所述第一注液孔连接的管道设置有第二背压阀和第二流量计量器，所述第一出液孔连接的管道设置有第三背压阀和第三流量计量器，所述第一出液孔与流体收集桶连接，所述第三出液孔与渗流计量桶连接；

所述第一液压活塞、所述第二液压活塞和所述第三液压活塞与所述实验舱的施压面均分别设置有压力计量器和密封垫，所述压力计量器用于检测所述岩心的压力，所述密封垫用于防止流体在所述岩心与所述实验舱之间发生渗透蹿流。

3.一种用于地层呼吸效应的模拟装置的控制方法，其特征在于，所述模拟装置为根据权利要求1至2中任一项所述的装置，所述控制方法包括：

确认所述地层的类型；

确认模拟阶段；

根据所述地层的类型和所述模拟阶段来控制所述第一泵、所述第二泵、第一背压阀、第二背压阀、第三背压阀和所述第二注液孔的阀门。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，还包括：

确认所述模拟阶段为实验舱内地层环境的模拟；

打开所述第二注液孔的阀门、所述第二泵和所述第三背压阀，且关闭所述第一背压阀和所述第二背压阀；

在所述地层流体经过所述第三背压阀流入流体收集桶的情况下，关闭所述第二注液孔的阀门，以使得所述岩心被所述地层流体浸泡；

将所述第三背压阀的背压调整至地层孔隙压力值，并打开所述第一液压活塞、所述第二液压活塞和所述第三液压活塞以向岩心施加压力，以使得所述岩心被负压浸泡达到预设饱和状态；

在预设时间后，打开所述第二注液孔的阀门以补充所述实验舱内的地层流体；

在所述地层流体经过所述第三背压阀流入所述流体收集桶的情况下，关闭所述第二注液孔的阀门。

5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，还包括：

确认所述地层的类型为裂缝性地层，其中，所述裂缝贯穿所述岩心且经过孔洞；

确认所述模拟阶段为不存在漏失时的钻井液进入裂缝阶段；

关闭所述第一背压阀；

将所述第二背压阀和所述第三背压阀的背压均调整至钻井液循环压力值；

打开所述第二背压阀和所述第一泵以使得钻井液从所述第一注液孔注入所述实验舱；

在所述钻井液经过所述第三背压阀且触动第三流量计量器的情况下，关闭所述第二背压阀和所述第一泵；

根据所述第二流量计量器得到第一检测时间以及对应的所述钻井液的流量和体积。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，还包括：

确认所述模拟阶段为不存在漏失时的钻井液返排阶段；

将所述第三背压阀的背压由钻井液循环压力值调整至地层孔隙压力值；

在所述钻井液经过所述第三背压阀流入流体收集桶且流入完成的情况下，根据所述第三流量计量器得到第二检测时间以及对应的所述钻井液的流量和体积；

记录三个压力计量器的压力数据。

7.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，还包括：

确认所述地层的类型为裂缝性地层；

确认所述模拟阶段为存在漏失时的钻井液进入裂缝阶段；

将所述第二背压阀和所述第三背压阀的背压均调整至钻井液循环压力值；

打开所述第一背压阀，并将所述第一背压阀的背压调整至裂缝扩展压力值，所述裂缝扩展压力大于地层孔隙压力值且小于钻井液循环压力值；

将渗流计量桶的液压活塞的压力调整至地层渗流压力值；

打开所述第二背压阀和所述第一泵以使得钻井液从所述第一注液孔注入所述实验舱；

在所述实验舱内的流体压力大于所述裂缝扩展压力，且所述钻井液经过所述第三出液孔流入渗流计量桶的情况下，根据所述第一流量计量器得到第三检测时间以及对应的所述钻井液的流量和体积；

在所述钻井液经过所述第三背压阀且触动第三流量计量器的情况下，关闭所述第二背压阀和所述第一泵；

根据所述第二流量计量器得到第四检测时间以及对应的所述钻井液的流量和体积。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，还包括：

确认所述模拟阶段为存在漏失时的钻井液返排阶段；

将所述第三背压阀的背压由钻井液循环压力值调整至地层孔隙压力值，并关闭所述第一背压阀；

在所述钻井液经过所述第三背压阀流入流体收集桶且流入完成的情况下，根据所述第三流量计量器得到第五检测时间以及对应的所述钻井液的流量和体积；

记录三个压力计量器的压力数据。

9.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，还包括：

确定所述地层的类型为渗透性地层；

确认所述模拟阶段为钻井液渗流进入地层阶段；

将所述第二背压阀和所述第三背压阀的背压均调整至钻井液循坏压力值；

打开所述第一背压阀并将所述第一背压阀的背压调整为第一数值；

将渗流计量桶的液压活塞的压力值调整为地层渗流压力值，所述地层渗流压力值大于地层孔隙压力值且小于所述钻井液循坏压力值；

打开所述第二背压阀和所述第一泵以将钻井液从所述第一注液孔注入所述实验舱；

在所述实验舱内的流体压力大于所述地层渗透压力，且所述钻井液经过所述第三出液孔流入渗流计量桶的情况下，根据所述第一流量计量器得到第六检测时间以及对应的所述钻井液的流量和体积；

在所述钻井液经过所述第三背压阀且触动第三流量计量器的情况下，关闭所述第二背压阀和所述第一泵；

根据所述第二流量计量器得到第七检测时间以及对应的所述钻井液的流量和体积。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，还包括：

确认所述模拟阶段为钻井液返排阶段；

将所述第三背压阀的背压由所述钻井液循坏压力值调整至所述地层孔隙压力值；

在所述钻井液经过所述第三背压阀流入流体收集桶且流入完成的情况下，根据所述第三流量计量器得到第八检测时间以及对应的所述钻井液的流量和体积；

记录三个压力计量器的压力数据。

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