CN114718550A - 一种用于评价井壁损伤的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于评价井壁损伤的实验装置，属于石油开采技术领域。本发明装置包括计算机控制系统、上加压头、下加压头和岩心样品，岩心样品设置于上加压头与下加压头之间，上加压头用于模拟上覆地层压力，岩心样品内设置有模拟井筒，模拟井筒内设置有微电阻率扫描成像仪，岩心样品的各侧面均设置有水平地应力控制装置，岩心样品的顶面、底面、左侧面和右侧面上均设置有声发射检测装置，上加压头、声发射检测装置、微电阻率扫描成像测井仪、水平地应力控制装置均与计算机控制系统相连接。本发明还公开了一种用于评价井壁损伤的方法，室内还原了人工裂缝产生过程，通过对裂缝的发育情况及扩展方位进行监测，为井壁损伤的动态评价提供了依据。
Description
技术领域
本发明涉及石油开采技术领域，具体涉及一种用于评价井壁损伤的实验装置及方法。
背景技术
目前，井壁失稳每年约给石油天然气工业造成数亿美元的损失，特别是在自然环境恶劣、钻遇地层日趋复杂的情况下，钻井过程中井壁失稳问题的发生更加频繁。由于地层井壁坍塌、缩径、漏失、卡钻等问题不仅影响钻井速度，还严重影响油气井后期作业，所以因井壁失稳所引发的钻井事故不仅造成了巨大的经济损失，还严重影响了勘探开发速度，制约了油气资源开发战略的发展。
现阶段，对于井壁失稳的研究，鲜有针对井壁失稳前井壁的损伤进行研究，井壁损伤主要是钻井过程中井壁受上覆岩层压力、水平地应力和井筒液柱压力产生裂缝且裂缝以不同方位扩展的现象，裂缝不断扩展发育最终将会导致井壁失稳，造成巨大的经济损失。专利CN105804738A公开了一种泥页岩井壁稳定及完整性可视化评价装置，但是该装置仅能对单一地层进行井壁稳定评价且评价时效性不足。专利CN104563927A公开了种适用于欠平衡钻井的井壁稳定方法及实验装置，但该装置适用条件苛刻且考虑的影响因素不充分。专利CN103758513A公开了一种模拟全尺寸井壁稳定的评价方法，但是该评价方法并未考虑利用裂缝扩展对井壁损伤进行评价。
因此，亟需一种用于评价井壁损伤的实验装置及方法，利用裂缝的发育情况及其扩展方位对井壁损伤进行评价。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供了一种用于评价井壁损伤的实验装置及方法，利用实验装置在室内还原了井筒中人工裂缝的产生过程，通过对裂缝的发育情况及扩展方位进行监测，为井壁损伤的动态评价提供了依据。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于评价井壁损伤的实验装置，包括计算机控制系统、上加压头、下加压头和岩心样品；
所述上加压头内设置有压力腔和上循环管道，压力腔顶部通过第一管道与液压油罐相连接，第一管道上设置有液压泵，液压泵与压力腔之间的第一管道上设置有加压阀，压力腔底部通过第二管道与液压泵的进液端相连接，第二管道上设置有泄压阀；
所述下加压头固定于底座上，下加压头内设置有下循环管道，下循环管道的出液端通过钻井液循环管道与上循环管道的进液端相连接；所述钻井液循环管道的进液端设置有第一流量计，出液端设置有第二流量计，钻井液循环管道上设置有钻井液循环泵，钻井液循环泵通过第三管道与泥浆储罐相连接；
所述岩心样品设置于上加压头与下加压头之间，岩心样品呈正方体结构，岩心样品内部中空形成贯穿岩心样品的模拟井筒，模拟井筒内设置有微电阻率扫描成像测井仪，岩心样品的顶面与上加压头的底面相紧贴，岩心样品的底面与下加压头的底面相紧贴，上加压头和下加压头的底面积均大于模拟井筒的截面积，上循环管道、模拟井筒、下循环管道依次连通，岩心样品的各侧面均设置有水平地应力控制装置，水平地应力控制装置通过支架固定在底座上，岩心样品的顶面、底面、左侧面和右侧面上均设置有声发射检测装置；
所述上加压头、声发射检测装置、微电阻率扫描成像测井仪、水平地应力控制装置均与计算机控制系统相连接。
优选地，所述水平地应力控制装置为液压千斤顶。
优选地，所述声发射检测装置包括多个呈阵列排布的声发射传感器。
优选地，所述钻井液循环管道上设置有第一循环阀和第二循环阀，第一循环阀设置于第一流量计与钻井液循环泵之间，第二循环阀设置于第二流量计与钻井液循环泵之间。
优选地，所述微电阻率扫描成像测井仪包括极板和翼板，极板和翼板上均设置有多个电极。
一种用于评价井壁损伤的方法，采用如上所述的用于评价井壁损伤的实验装置，具体包括如下步骤：
步骤1，根据现场地质资料制作岩心样品以及配置水基钻井液，并将水基钻井液储存于泥浆储罐中；
步骤2，将微电阻率扫描成像测井仪置于岩心样品内的模拟井筒中，使得微电阻率扫描成像测井仪贴井壁测量，再将声发射检测装置分别安装于岩心样品的顶面、底面、左侧面和右侧面上，将微电阻率扫描成像测井仪和各声发射检测装置与计算机控制系统相连接；
步骤3，将岩心样品置于上加压头和下加压头之间，上加压头底面与岩心样品顶面相紧贴，下加压头底面与岩心样品底面相紧贴，使得上循环管道、模拟井筒、下循环管道依次连通，并在岩心样品的各侧面安装水平地应力控制装置，将上加压头和各水平地应力控制装置与计算机控制系统相连接；
步骤4，开启液压泵、加压阀和泄压阀，将液压油罐内的液压油充入上加压头的压力腔内，用于挤压岩心样品模拟上覆岩层压力，再开启水平地应力控制装置，利用水平地应力控制装置对岩心样品的各侧面进行挤压模拟水平地应力，同时将上加压头施加的压力值和各水平地应力控制装置施加的压力值传输至计算机控制系统中；
步骤5，开启钻井液循环泵、第一循环阀和第二循环阀，将泥浆储罐内的水基泥浆充入钻井液循环管道中，水基泥浆经上加压头内的上循环管道流入模拟井筒后，经下加压头内的下循环管道流回至钻井液循环管道中；
步骤6，待钻井液循环管道中的水基泥浆稳定流动后，根据第一流量计和第二流量计的示数，计算模拟井筒两端的流量差ΔQ，并根据模拟井筒两端的流量差分析岩心样品中裂缝的发育情况；
步骤7，开启微电阻率扫描成像测井仪，利用微电阻率扫描成像测井仪获取模拟井筒内壁不同位置处的岩石电阻率，获取模拟井筒的井壁电阻率图像，得到模拟井筒中裂缝的影像，并传输至计算机控制系统中；
步骤8，开启声发射检测装置，利用声发射监测装置获取岩心样品中裂缝的扩展方位，并传输至计算机控制系统中；
步骤9，计算机控制系统根据岩心样品中裂缝的扩展方位以及模拟井筒中裂缝的影像，动态监测岩心样品内模拟井筒的井壁损伤情况。
优选地，所述步骤6中，模拟井筒两端的流量差计算公式为：
ΔQ＝Q1-Q2 (1)
式中，Q1为第一流量计的示数，q2为第二流量计的示数。
本发明所带来的有益技术效果：
本发明通过模拟岩心在地层中所受的上覆岩层压力和水平地应力，还原了地层的真实情况，结合配套的钻井液循环管道和钻井液循环泵，真实还原了井壁被钻井液冲刷的情况同时为岩心样品提供了钻井液液柱压力，在实验室内实现了对井下真实情况的模拟。
本发明利用微电阻率扫描成像测井仪贴井壁测量，获取模拟井筒的井壁电阻率图像，得到模拟井筒中裂缝的影像，再利用声发射监测装置获取岩心样品中裂缝的扩展方位，综合模拟井筒两端的流量差，动态监测模拟井筒的井壁损伤情况，为井壁损伤的准确评价提供了依据。
附图说明
图1为本发明一种用于评价井壁损伤的实验装置的结构示意图。
图2为本发明岩心样品的示意图。
图3为微电阻率扫描成像测井仪极板的示意图。
图中，1、液压泵，2、加压阀，3、泄压阀，4、压力腔，5、液压油罐，6、泥浆储罐，7、钻井液循环泵，8、第一循环阀，9、第二循环阀，10、第一流量计，11、第二流量计，12、上加压头，13、下加压头，14、底座，15、支架，16、水平地应力控制装置，17、声发射检测装置，18、微电阻率扫描成像测井仪，19、计算机控制系统，20、岩心样品，21、电极，22、极板，23、翼板。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明一种用于评价井壁损伤的实验装置，如图1所示，包括计算机控制系统19、上加压头12、下加压头13和岩心样品20。
上加压头12从岩心样品20顶部进行挤压，用于模拟岩心样品所受到的上覆地层压力，上加压头12内设置有压力腔4和上循环管道，压力腔4顶部通过第一管道与液压油罐5相连接，第一管道上设置有液压泵1，液压泵1与压力腔4之间的第一管道上设置有加压阀2，压力腔4底部通过第二管道与液压泵1的进液端相连接，第二管道上设置有泄压阀3。
下加压头13固定于底座14上，下加压头13内设置有下循环管道，下循环管道的出液端通过钻井液循环管道与上循环管道的进液端相连接。钻井液循环管道的进液端设置有第一流量计10，出液端设置有第二流量计11，钻井液循环管道上设置有钻井液循环泵7，钻井液循环泵7通过第三管道与泥浆储罐6相连接，钻井液循环泵7用于将储存于泥浆储罐6中的钻井液注入钻井液循环管道中，并驱动钻井液在钻井液循环管道中循环流动。本实施例中，钻井液循环管道上还设置有第一循环阀8和第二循环阀9，第一循环阀8设置于第一流量计10与钻井液循环泵7之间，第二循环阀9设置于第二流量计11与钻井液循环泵7之间，用于及时切断钻井液循环管道中钻井液的循环。
岩心样品20设置于上加压头12与下加压头13之间，用于模拟井下真实地层，如图2所示，岩心样品呈正方体结构，岩心样品20内部中空形成贯穿岩心样品的模拟井筒，模拟井筒内设置有微电阻率扫描成像测井仪18，本实施例中微电阻率扫描成像测井仪18设置有4块极板22，各极板22分别位于模拟井筒的四个方位贴井壁测量，各极板22下方均设置有可绕极板旋转的翼板23，极板22和翼板23上均设置有24个呈两排且交错分布的电极21，如图3所示。岩心样品20的顶面与上加压头12的底面相紧贴，岩心样品20的底面与下加压头13的底面相紧贴，上加压头12和下加压头13的底面积均大于模拟井筒的截面积，能够对模拟井筒的两端进行封堵，且模拟井筒两端封堵后上循环管道、模拟井筒、下循环管道依次连通，岩心样品20的各侧面均设置有水平地应力控制装置16，水平地应力控制装置16通过支架15固定在底座14上，本实施例中水平地应力控制装置16采用带有油缸的液压千斤顶，用于从岩心样品的各侧面对其进行挤压，模拟岩心样品所受到的水平地应力。岩心样品20的顶面、底面、左侧面和右侧面上均设置有声发射检测装置17，本实施例中声发射检测装置17包括4个呈阵列排布的声发射传感器，用于测量岩心样品中裂缝的扩展方向。
上加压头12、声发射检测装置17、微电阻率扫描成像测井仪18、水平地应力控制装置16均与计算机控制系统19相连接，计算机控制系统用于获取岩心样品中裂缝的扩展方位以及裂缝影像，动态监测岩心样品内模拟井筒的井壁损伤情况。
实施例1
本实施例采用上述用于评价井壁损伤的实验装置，对本发明提出的一种用于评价井壁损伤的方法进行说明，具体包括如下步骤：
步骤1，获取现场地质资料，根据现场地质资料制作岩心样品20以及配置水基钻井液，并将水基钻井液储存于泥浆储罐6中。
步骤2，将微电阻率扫描成像测井仪18置于岩心样品20内的模拟井筒中，使得微电阻率扫描成像测井仪18贴井壁测量，再将声发射检测装置17分别安装于岩心样品20的顶面、底面、左侧面和右侧面上，将微电阻率扫描成像测井仪18和各声发射检测装置17与计算机控制系统19相连接。
步骤3，将岩心样品20置于上加压头12和下加压头13之间，上加压头12底面与岩心样品20顶面相紧贴，下加压头13底面与岩心样品20底面相紧贴，使得上循环管道、模拟井筒、下循环管道依次连通，并在岩心样品20的各侧面安装水平地应力控制装置16，将上加压头12和各水平地应力控制装置16与计算机控制系统19相连接。
步骤4，开启液压泵1、加压阀2和泄压阀3，将液压油罐5内的液压油充入上加压头12的压力腔4内，用于挤压岩心样品模拟上覆岩层压力，再开启水平地应力控制装置16，利用水平地应力控制装置16对岩心样品20的各侧面进行挤压模拟水平地应力，同时将上加压头12施加的压力值和各水平地应力控制装置16施加的压力值传输至计算机控制系统19中。
步骤5，开启钻井液循环泵7、第一循环阀8和第二循环阀9，将泥浆储罐6内的水基泥浆充入钻井液循环管道中，水基泥浆经上加压头12内的上循环管道流入模拟井筒后，经下加压头内的下循环管道流回至钻井液循环管道中。
步骤6，待钻井液循环管道中的水基泥浆稳定流动后，根据第一流量计10和第二流量计11的示数，计算模拟井筒两端的流量差ΔQ，如式(1)所示：
ΔQ＝Q1-Q2 (1)
式中，Q1为第一流量计的示数，Q2为第二流量计的示数。
根据模拟井筒两端的流量差，分析岩心样品中裂缝的发育情况，得到模拟井筒两端的流量差ΔQ越大，裂缝发育程度越高。
步骤7，开启微电阻率扫描成像测井仪18，利用微电阻率扫描成像测井仪18获取岩心样品20的微电阻率成像图，获取模拟井筒的裂缝影像，并将裂缝影像传输至计算机控制系统19中。
步骤8，开启声发射检测装置17，利用声发射监测装置17获取岩心样品20中裂缝的扩展方位，并传输至计算机控制系统19中。
步骤9，计算机控制系统19根据岩心样品中裂缝的扩展方位以及裂缝影像，动态监测岩心样品内模拟井筒的井壁损伤情况。
本发明利用室内实验装置模拟还原了井筒中人工裂缝的产生，通过对裂缝的发育情况及扩展方位进行监测，为井壁损伤的动态评价提供了依据。
在本发明描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
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)
1.一种用于评价井壁损伤的实验装置，其特征在于，包括计算机控制系统、上加压头、下加压头和岩心样品；
所述上加压头内设置有压力腔和上循环管道，压力腔顶部通过第一管道与液压油罐相连接，第一管道上设置有液压泵，液压泵与压力腔之间的第一管道上设置有加压阀，压力腔底部通过第二管道与液压泵的进液端相连接，第二管道上设置有泄压阀；
所述下加压头固定于底座上，下加压头内设置有下循环管道，下循环管道的出液端通过钻井液循环管道与上循环管道的进液端相连接；所述钻井液循环管道的进液端设置有第一流量计，出液端设置有第二流量计，钻井液循环管道上设置有钻井液循环泵，钻井液循环泵通过第三管道与泥浆储罐相连接；
所述岩心样品设置于上加压头与下加压头之间，岩心样品呈正方体结构，岩心样品内部中空形成贯穿岩心样品的模拟井筒，模拟井筒内设置有微电阻率扫描成像测井仪，岩心样品的顶面与上加压头的底面相紧贴，岩心样品的底面与下加压头的底面相紧贴，上加压头和下加压头的底面积均大于模拟井筒的截面积，上循环管道、模拟井筒、下循环管道依次连通，岩心样品的各侧面均设置有水平地应力控制装置，水平地应力控制装置通过支架固定在底座上，岩心样品的顶面、底面、左侧面和右侧面上均设置有声发射检测装置；
所述上加压头、声发射检测装置、微电阻率扫描成像测井仪、水平地应力控制装置均与计算机控制系统相连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于评价井壁损伤的实验装置，其特征在于，所述水平地应力控制装置为液压千斤顶。
3.根据权利要求1所述的一种用于评价井壁损伤的实验装置，其特征在于，所述声发射检测装置包括多个呈阵列排布的声发射传感器。
4.根据权利要求1所述的一种用于评价井壁损伤的实验装置，其特征在于，所述钻井液循环管道上设置有第一循环阀和第二循环阀，第一循环阀设置于第一流量计与钻井液循环泵之间，第二循环阀设置于第二流量计与钻井液循环泵之间。
5.根据权利要求1所述的一种用于评价井壁损伤的实验装置，其特征在于，所述微电阻率扫描成像测井仪包括极板和翼板，极板和翼板上均设置有多个电极。
6.一种用于评价井壁损伤的方法，其特征在于，采用权利要求1～5中任一所述的用于评价井壁损伤的实验装置，具体包括如下步骤：
步骤1，根据现场地质资料制作岩心样品以及配置水基钻井液，并将水基钻井液储存于泥浆储罐中；
步骤2，将微电阻率扫描成像测井仪置于岩心样品内的模拟井筒中，使得微电阻率扫描成像测井仪贴井壁测量，再将声发射检测装置分别安装于岩心样品的顶面、底面、左侧面和右侧面上，将微电阻率扫描成像测井仪和各声发射检测装置与计算机控制系统相连接；
步骤3，将岩心样品置于上加压头和下加压头之间，上加压头底面与岩心样品顶面相紧贴，下加压头底面与岩心样品底面相紧贴，使得上循环管道、模拟井筒、下循环管道依次连通，并在岩心样品的各侧面安装水平地应力控制装置，将上加压头和各水平地应力控制装置与计算机控制系统相连接；
步骤4，开启液压泵、加压阀和泄压阀，将液压油罐内的液压油充入上加压头的压力腔内，用于挤压岩心样品模拟上覆岩层压力，再开启水平地应力控制装置，利用水平地应力控制装置对岩心样品的各侧面进行挤压模拟水平地应力，同时将上加压头施加的压力值和各水平地应力控制装置施加的压力值传输至计算机控制系统中；
步骤5，开启钻井液循环泵、第一循环阀和第二循环阀，将泥浆储罐内的水基泥浆充入钻井液循环管道中，水基泥浆经上加压头内的上循环管道流入模拟井筒后，经下加压头内的下循环管道流回至钻井液循环管道中；
步骤6，待钻井液循环管道中的水基泥浆稳定流动后，根据第一流量计和第二流量计的示数，计算模拟井筒两端的流量差ΔQ，并根据模拟井筒两端的流量差分析岩心样品中裂缝的发育情况；
步骤7，开启微电阻率扫描成像测井仪，利用微电阻率扫描成像测井仪获取岩心样品的微电阻率成像图，获取模拟井筒的裂缝影像，并将裂缝影像传输至计算机控制系统中；
步骤8，开启声发射检测装置，利用声发射监测装置获取岩心样品中裂缝的扩展方位，并传输至计算机控制系统中；
步骤9，计算机控制系统根据岩心样品中裂缝的扩展方位以及裂缝影像，动态监测岩心样品内模拟井筒的井壁损伤情况。
7.根据权利要求6所述的一种用于评价井壁损伤的方法，其特征在于，所述步骤6中，模拟井筒两端的流量差计算公式为：
ΔQ＝Q1-Q2 (1)
式中，Q1为第一流量计的示数，Q2为第二流量计的示数。
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2022
- 2022-04-07 CN CN202210361496.XA patent/CN114718550A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117740547A (zh) * | 2024-02-19 | 2024-03-22 | 中国石油大学(华东) | 深部各向异性地层与井筒流体相互作用的评价装置及方法 |
| CN117740547B (zh) * | 2024-02-19 | 2024-04-26 | 中国石油大学(华东) | 深部各向异性地层与井筒流体相互作用的评价装置及方法 |
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