CN114856552B - 模拟深层页岩储层井眼原位水化损伤的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟深层页岩储层井眼原位水化损伤的试验装置及方法，其试验装置包括用于存放页岩试样并对其进行高温高压加载的真三轴应力室、对页岩试样进行地层原位状态下水化模拟实验的原位水化组件、用于采集水化模拟实验前后页岩试样内图像数据的采集装置。本发明统筹了深层页岩储层高地温高应力的原位状态下井壁因自吸和强制渗吸而引起的水化损伤，能够在实验室完成对原位状态下水化损伤引起的应力集中特征与应变场分布特征的模拟研究，能为我国深层页岩气开采涉及的井壁稳定性研究提供技术支持和科学指导。

Description

模拟深层页岩储层井眼原位水化损伤的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及页岩气开采相关技术领域，尤其涉及一种模拟深层页岩储层井眼原位水化损伤的试验装置及方法。

背景技术

页岩气作为新型清洁能源，在全球传统能源枯竭加剧和对清洁能源的需求不断扩大的时代背景下，正逐渐引发全球的高度关注。页岩气也被寄予极有可能在全球一次能源消费结构中占据主要地位的厚望。

水平井和水力压裂是页岩气开采储层改造的相对成熟手段，即通过在页岩储层内布置水平井，并向水平井内泵入高压水，以达到高压水通过射孔后直接压裂岩石的目的。但是，页岩储层井壁失稳问题却直接影响着页岩气的高效开发，是目前的重大技术难题之一。

页岩地层井壁失稳的主要原因是页岩水化损伤造成的，由于页岩的强水化特征，钻井液与井壁岩石接触，极易形成造成强水化损伤，导致井壁稳定性降低，从而出现井壁垮塌失稳的工程灾害。

在硬脆性页岩储层钻水平井并使井壁失稳的问题更加突出，容易导致卡钻、埋钻等井下复杂的工程事故，严重时甚至可能导致当前井眼报废，造成巨大的经济损失。

考虑到页岩气储层井壁水化损伤不仅仅是物理力学行为，还有伴有化学作用，是一个典型的多场耦合作用的问题。特别是对于深层页岩气储层，高温高应力的原位环境使得水化损伤变得更加复杂。

因此，了解其水化过程对于分别开展各作用机理的直接影响研究具有重要意义，尤其是针对深层页岩储层。然而，目前仍没有成熟可靠的试验设备可以开展原味高温高应力状态下页岩水平井因自吸和强制渗吸而发生的水化损伤。

为填补这一技术空白，更好地为我国深层页岩气开采提供技术支持，保障能源安全，一种能够模拟原位状态下深层页岩储层井眼水化损伤的试验设备具有重大的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种既能够真实地模拟深层页岩储层的高温高应力环境，又能够统筹研究页岩储层中井壁的自吸和强制渗吸造成的水化损伤以及其在三轴应力状态下分布特征的试验装置及方法。

本发明提供的这种模拟深层页岩储层井眼原位水化损伤的试验装置，包括用于存放页岩试样并对其进行高温高压加载的真三轴应力室、对页岩试样进行地层原位状态下水化模拟实验的原位水化组件、用于采集水化模拟实验前后页岩试样内图像数据的采集装置，

所述真三轴应力室由底板、侧板及顶板合围而成，在两相平行布置的侧板上对称布置有连通真三轴应力室内外两侧的试验孔；

所述页岩试样紧密布置在底板、侧板及顶板之间，在页岩试样内水平开有连通两试验孔内端口的模拟井眼；

所述原位水化组件包括架设在真三轴应力室外的框架，在试验孔上方的框架上安装有从上至下依次连通布置的钻井液箱、双向水泵、控制阀、流量计和流量观察管，所述流量观察管的底部通过贯穿试验孔的耐高温高压软管与模拟井眼内部连通布置，所述耐高温高压软管与试验孔密封连接，所述钻井液箱内的钻井液经耐高温高压软管输出对真三轴应力室内的页岩试样进行地层原位状态下的水化模拟实验；

所述图像采集装置包括伸缩杆，在伸缩杆前端安装有可绕其轴线360°取景的高清摄像头，所述伸缩杆水平安装在模拟井眼一端的侧板上，所述高清摄像头由伸缩杆驱动伸入模拟井眼中采集水化模拟实验前后模拟井眼内部的图像数据。

所述耐高温高压软管通过密封圈与试验孔外端口密封连接。

所述页岩试样由取自页岩气产区域的完整页岩岩块通过线切割加工而成，所述页岩试样为500×500×500mm的立方体试样。

所述模拟井眼是由便携式电钻钻出，直径为25～35mm。

在所述流量计下端并联有两个等高布置的流量观察管，两流量观察管的底部与置于各试验孔内的两耐高温高压软管一对一连接。

所述流量计的误差小于0.1％；所述双向水泵的最大出水压力40MPa，最大进水压力10Mpa；所述耐高温高压软管的承压能力为55Mpa；所述流量观察管的容量为100～500ml。

所述伸缩杆的最大长度为550mm，所述高清摄像头的帧率可达125fps每秒，且伸缩杆和高清摄像头均为远程无线控制模式。

一种用于上述试验装置的试验方法，包括以下步骤：

S1、选择页岩气开采目标区域的页岩岩芯，采用线切割方式加工成尺寸为500×500×500mm立方体的页岩试样；

S2、使用便携式钻机在页岩试样上钻出连通两试验孔的、直径为25-35mm的模拟井眼；

S3、将带有模拟井眼的页岩试样放置于通风良好的恒温试验室中，直至页岩试样达到完全干燥；

S4、将页岩试样取出置于真三轴应力室内；

S5、将原位水化组件组装好；

S6、启动真三轴应力室的温度控制器和三向应力加载控制器，按照实际工程井眼原位状态开展页岩试样的温度与应力的加载，当达到预定的温度与应力状态后，保持各加载数值不变；

S7、启动图像采集装置，对模拟井眼全程全断面的图像进行采集，采集完成后自动复位；

S8、启动原位水化组件，对处于地层原位状态的模拟井眼进行自吸或强制渗吸的水化模拟实验，

所述自吸水化模拟实验的具体步骤如下：

SA1、打开原位水化组件中的控制阀，钻井液箱内的钻井液在高度差的作用下自发地浸入处于地层原位状态的模拟井眼；

SA2、观察流量观察管，当流量观察管内液面的高度达到其容量刻度线的上线时，关闭控制阀；继续观察流量观察管，当其内部液面高度连续2分钟保持不变时，记录下此时的容量值V1；继续观察流量观察管，直至其内部液面高度连续24小时保持不变后，记录下此时的容量值V2；

SA3：正向开启双向水泵，将钻井液由模拟井眼吸回钻井液箱，待流量观察管内没有钻井液后，关闭控制阀和双向水泵，等待下次实验；

所述强制渗吸水化模拟实验的具体步骤如下：

SB1、打开原位水化组件中的控制阀和流量计，并反向开启双向水泵，使钻井液箱内的钻井液在高度差及泵压的双作用力下地强制渗入处于地层原位状态的模拟井眼；

SB2、观察流量计，当流量计上数值形成稳定压差后开启页岩强制渗吸水化记录，记录下此时的数值V3；继续观察流量计，直至数值连续24小时保持不变后，记录下此时的数值V4；

SB3：正向开启双向水泵，将钻井液由模拟井眼吸回钻井液箱，待流量观察管内没有钻井液后，关闭控制阀、双向水泵和流量计，等待下次实验；

S9、启动图像采集装置，对模拟井眼全程全断面图像采集，采集完成后自动复位；

S10、整理S7及S9中所采集的图像数据，利用数字散斑技术分析实验前后模拟井眼断面的应力集中情况与应变分布情况。

步骤S4中将页岩试样置于真三轴应力室内的具体过程如下：

S41、将页岩试样置于底板上，并使模拟井眼对准两试验孔布置；

S42、将侧板水平移动至紧贴页岩试样四周布置；

S43、将顶板下移至紧贴页岩试样顶面布置。

步骤S5中原位水化组件的组装过程如下：

S51、将框架固定在底板上；

S52、将钻井液箱、双向水泵、流量计和流量观察管由上至下的安装在顶板上方的框架上，其中，流量观察管有两个并与两试验孔一对一布置；

S53、将双向水泵一端与钻井液箱底部出口连接、一端通过控制阀及管路与流量计进口连接；将流量计的出口通过管路与两流量观察管的上口连接，将流量观察管下口与耐高温高压软管连接，将耐高温高压软管下端密封插入试验孔中与模拟井眼相连通布置。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明统筹了深层页岩储层高地温高应力的原位状态下井壁因自吸和强制渗吸而引起的水化损伤，能够在实验室完成对原位状态下水化损伤引起的应力集中特征与应变场分布特征的模拟研究，能为我国深层页岩气开采涉及的井壁稳定性研究提供技术支持和科学指导。

2、本发明可以根据不同页岩储层和钻进工艺特点，开展原位状态下水化损伤在应力调整下诱导井壁失稳破坏的特征研究，在页岩气开采工程领域中有良好的应用前景和广泛的工程实际意义。

附图说明

图1为本发明中试验装置的结构示意图。

图中示出的标记及所对应的构件名称为：

1、页岩试样；11、模拟井眼；

2、真三轴应力室；21、底板；22、侧板；23、顶板；221、试验孔；

3、原位水化组件；31、框架；32、钻井液箱；33、双向水泵；34、控制阀；35、流量计；36、流量观察管；37、耐高温高压软管；38、密封圈；

4、采集装置；41、伸缩杆；42、高清摄像头。

具体实施方式

从图1可以看出，本发明这种模拟深层页岩储层井眼原位水化损伤的试验装置，包括用于存放页岩试样1并对其进行高温高压加载的真三轴应力室2、用于对真三轴应力室2内页岩试样1进行地层原位状态下水化模拟实验的原位水化组件3、用于采集水化模拟实验前后页岩试样1内图像数据的采集装置4，

页岩试样1由取自页岩气产区域的完整页岩岩块通过线切割加工而成，加工成的页岩试样1为500×500×500mm的立方体试样，在页岩试样1上贯穿的开有一水平布置的模拟井眼11；

真三轴应力室2由底板21、四块侧板22及顶板23合围而成，页岩试样1紧密布置在底板21、侧板22及顶板23之间，在两相平行布置的侧板22上对称开有两连通真三轴应力室2内外两侧的试验孔221，两试验孔221的内端口分别与模拟井眼11的一端口连通布置，两试验孔221的外端口布置在侧板22顶部；

原位水化组件3包括框架31、钻井液箱32、双向水泵33、控制阀34、流量计35和流量观察管36，框架31架设在侧板22及顶板23外侧的底板21上，流量计35安装在顶部上方的框架31上，双向水泵33安装在流量计35上方的框架31上，控制阀34通过管道连接在流量计35上端口与双向水泵33下端口之间，钻井液箱32安装在双向水泵33上方的框架31上，在钻井液箱32底部设有与双向水泵33上端口连接的出口，流量观察管36有两个并与两试验孔221一对一布置，两流量观察管36均由透明材料制成并均带有容量刻度线，两流量观察管36通过管道夹可拆卸的安装在各试验孔221与流量计35之间的框架31上，且两流量观察管36在框架31上等高布置；两流量观察管36的上端通过管道与流量计35的侧端口连接，在各流量观察管36的下端均连接有一耐高温高压软管37，各耐高温高压软管37的下端贯穿对应的试验孔221与模拟井眼11内部连通布置，且耐高温高压软管37与试验孔221间密封连接，流量观察管36、耐高温高压软管37与模拟井眼11共同构成连通器；打开控制阀34，钻井液箱32内的钻井液经耐高温高压软管37输出对真三轴应力室2内的页岩试样1进行地层原位状态下的水化模拟实验；

图像采集装置4包括水平安装在模拟井眼11一端侧板22上的伸缩杆41，在伸缩杆41前端安装有可绕其轴线360°周角取景的高清摄像头42，高清摄像头42由伸缩杆41驱动匀速伸入模拟井眼11中采集水化模拟实验前后模拟井眼内部的图像数据。

从图1可以看出，在耐高温高压软管37与试验孔221外端口间设有用于密封连接的密封圈38。

在本发明中，模拟井眼11是由便携式电钻钻出，直径为25～35mm。

在本发明中，双向水泵33的最大出水压力40MPa，最大进水压力10Mpa；流量计35的误差小于0.1％；流量观察管36的容量为100～500ml；耐高温高压软管37的承压能力为55Mpa，长度为30cm。

在本发明中，伸缩杆41的最大长度为550mm，高清摄像头42的帧率可达125fps每秒，且伸缩杆411和高清摄像头42均为远程无线控制模式；高清摄像头42可采用现有360度全景摄像头的结构实现其360°周角取景的功能，也可采用公开号CN215411095U中描述的结构实现其360°周角取景的功能。

本发明这种一种用于上述试验装置的试验方法，包括以下步骤：

S1、选择页岩气开采目标区域的页岩岩芯，采用线切割方式加工成尺寸为500×500×500mm立方体的页岩试样1；

S2、使用便携式钻机在页岩试样1上钻出连通两试验孔221的、直径为25-35mm的模拟井眼11；

S3、将带有模拟井眼11的页岩试样1放置于通风良好的恒温试验室中，直至页岩试样1达到完全干燥；

S4、将干燥后的页岩试样1取出置于真三轴应力室2内；

S5、将原位水化组件3组装好；

S6、启动真三轴应力室的温度控制器和三向应力加载控制器，按照实际工程井眼原位状态开展页岩试样的温度与应力的加载，当达到预定的温度与应力状态后，保持各加载数值不变；

S7、启动图像采集装置4，对模拟井眼全程全断面的图像进行采集，采集完成后自动复位；

S8、启动原位水化组件，对处于地层原位状态的模拟井眼进行自吸或强制渗吸的水化模拟实验，其中，

自吸水化模拟实验的具体步骤如下：

SA1、打开原位水化组件中的控制阀34，钻井液箱32内的钻井液在高度差的作用下自发地浸入处于地层原位状态的模拟井眼11；

SA2、观察流量观察管36，当流量观察管内液面的高度达到其容量刻度线的上线时，关闭控制阀；继续观察流量观察管，当其内部液面高度连续2分钟保持不变时，记录下此时的容量值V1；继续观察流量观察管，直至其内部液面高度连续24小时保持不变后，记录下此时的容量值V2；

SA3：正向开启双向水泵33，将钻井液由模拟井眼吸回钻井液箱，待流量观察管内没有钻井液后，关闭控制阀和双向水泵，等待下次实验；

强制渗吸水化模拟实验的具体步骤如下：

SB1、打开原位水化组件中的控制阀34和流量计35，并反向开启双向水泵33，使钻井液箱32内的钻井液在高度差及泵压的双作用力下地强制渗入处于地层原位状态的模拟井眼11；

SB2、观察流量计，当流量计上数值形成稳定压差后开启页岩强制渗吸水化记录，记录下此时的数值V3；继续观察流量计，直至数值连续24小时保持不变后，记录下此时的数值V4；

SB3：正向开启双向水泵，将钻井液由模拟井眼吸回钻井液箱，待流量观察管内没有钻井液后，关闭控制阀、双向水泵和流量计，等待下次实验；

S9、启动图像采集装置4，对模拟井眼全程全断面图像采集，采集完成后自动复位；

S10、整理S7及S9中所采集的图像数据，利用数字图像对水化前后的成像照片进行处理，利用数字散斑技术分析实验前后模拟井眼断面的应力集中情况与应变分布情况，获得其井壁在原位状态下的自吸水化损伤状态，主要包括层理面附近的应变状态等重要力学参数。

步骤S4中将页岩试样1置于真三轴应力室2内的具体过程如下：

S41、将页岩试样1置于底板21上，并使模拟井眼11对准两试验孔221布置；

S42、由水平驱动机构推动各侧板22，使其水平移动至紧贴页岩试样1四周布置；

S43、由竖直驱动机构推动顶板23，使其下移至紧贴页岩试样1顶面布置。

步骤S5中原位水化组件3的组装过程如下：

S51、将框架31固定在底板21上；

S52、将钻井液箱32、双向水泵33、流量计35和流量观察管36由上至下的安装在顶板23上方的框架31上，其中，流量观察管36有两个并与两试验孔221一对一布置；

S53、将双向水泵33一端与钻井液箱32底部出口连接、一端通过控制阀34及管路与流量计35进口连接；将流量计35的出口通过管路与两流量观察管36的上口连接，将流量观察管36下口与耐高温高压软管37连接，将耐高温高压软管下端密封插入试验孔中与模拟井眼相连通布置。

本发明还可根据所模拟井眼水化的实际工程背景，如自吸和强制渗吸造成的水化损伤在钻进诱导应力调整的作用下的演化特征及其对井壁失稳破坏的影响研究，也可在S8后开展应力路径设置等加以实现，灵活运用该系统。

本发明能够做到原位状态下对页岩自吸与强制渗吸特征的研究，更能深入揭示其水化损伤在应力调整过程中演化并诱导井壁失稳破坏的特征，这对我国深层页岩气开采的井壁稳定性研究意义重大。

Claims (9)

1.一种模拟深层页岩储层井眼原位水化损伤的试验方法，其特征在于：包括模拟深层页岩储层井眼原位水化损伤的试验装置，该试验装置包括用于存放页岩试样（1）并对其进行高温高压加载的真三轴应力室（2）、对页岩试样进行地层原位状态下水化模拟实验的原位水化组件（3）、用于采集水化模拟实验前后页岩试样内图像数据的图像采集装置（4），

所述真三轴应力室由底板（21）、侧板（22）及顶板（23）合围而成，在两相平行布置的侧板上对称布置有连通真三轴应力室内外两侧的试验孔（221）；

所述页岩试样紧密布置在底板、侧板及顶板之间，在页岩试样内水平开有连通两试验孔内端口的模拟井眼（11）；

所述原位水化组件包括架设在真三轴应力室外的框架（31），在试验孔上方的框架上安装有从上至下依次连通布置的钻井液箱（32）、双向水泵（33）、控制阀（34）、流量计（35）和流量观察管（36），所述流量观察管的底部通过贯穿试验孔的耐高温高压软管（37）与模拟井眼内部连通布置，所述耐高温高压软管与试验孔密封连接，所述钻井液箱内的钻井液经耐高温高压软管输出对真三轴应力室内的页岩试样进行地层原位状态下的水化模拟实验；

所述图像采集装置包括伸缩杆（41），在伸缩杆前端安装有可绕其轴线360°取景的高清摄像头（42），所述伸缩杆水平安装在模拟井眼一端的侧板上，所述高清摄像头由伸缩杆驱动伸入模拟井眼中采集水化模拟实验前后模拟井眼内部的图像数据；

所述试验方法包括如下步骤：

S1、选择页岩气开采目标区域的页岩岩芯，采用线切割方式加工成尺寸为500×500×500mm立方体的页岩试样（1）；

S2、使用便携式钻机在页岩试样上钻出连通两试验孔（221）的、直径为25-35mm的模拟井眼（11）；

S3、将带有模拟井眼的页岩试样放置于通风良好的恒温试验室中，直至页岩试样达到完全干燥；

S4、将页岩试样取出置于真三轴应力室（2）内；

S5、将原位水化组件（3）组装好；

S6、启动真三轴应力室的温度控制器和三向应力加载控制器，按照实际工程井眼原位状态开展页岩试样的温度与应力的加载，当达到预定的温度与应力状态后，保持各加载数值不变；

S7、启动图像采集装置（4），对模拟井眼全程全断面的图像进行采集，采集完成后自动复位；

S8、启动原位水化组件，对处于地层原位状态的模拟井眼进行自吸或强制渗吸的水化模拟实验，

所述自吸水化模拟实验的具体步骤如下：

SA1、打开原位水化组件中的控制阀（34），钻井液箱（32）内的钻井液在高度差的作用下自发地浸入处于地层原位状态的模拟井眼；

SA2、观察流量观察管（36），当流量观察管内液面的高度达到其容量刻度线的上线时，关闭控制阀；继续观察流量观察管，当其内部液面高度连续2分钟保持不变时，记录下此时的容量值V1；继续观察流量观察管，直至其内部液面高度连续24小时保持不变后，记录下此时的容量值V2；

SA3：正向开启双向水泵（33），将钻井液由模拟井眼吸回钻井液箱，待流量观察管内没有钻井液后，关闭控制阀和双向水泵，等待下次实验；

所述强制渗吸水化模拟实验的具体步骤如下：

SB1、打开原位水化组件中的控制阀（34）和流量计（35），并反向开启双向水泵（33），使钻井液箱（32）内的钻井液在高度差及泵压的双作用力下地强制渗入处于地层原位状态的模拟井眼；

SB2、观察流量计，当流量计上数值形成稳定压差后开启页岩强制渗吸水化记录，记录下此时的数值V3；继续观察流量计，直至数值连续24小时保持不变后，记录下此时的数值V4；

SB3：正向开启双向水泵，将钻井液由模拟井眼吸回钻井液箱，待流量观察管内没有钻井液后，关闭控制阀、双向水泵和流量计，等待下次实验；

S9、启动图像采集装置（4），对模拟井眼全程全断面图像采集，采集完成后自动复位；

S10、整理S7及S9中所采集的图像数据，利用数字散斑技术分析实验前后模拟井眼断面的应力集中情况与应变分布情况。

2.根据权利要求1所述的模拟深层页岩储层井眼原位水化损伤的试验方法，其特征在于：所述耐高温高压软管通过密封圈（38）与试验孔外端口密封连接。

3.根据权利要求1所述的模拟深层页岩储层井眼原位水化损伤的试验方法，其特征在于：所述页岩试样由取自页岩气产区域的完整页岩岩块通过线切割加工而成，所述页岩试样为500×500×500mm的立方体试样。

4.根据权利要求1所述的模拟深层页岩储层井眼原位水化损伤的试验方法，其特征在于：所述模拟井眼是由便携式电钻钻出，直径为25～35mm。

5.根据权利要求1所述的模拟深层页岩储层井眼原位水化损伤的试验方法，其特征在于：在所述流量计下端并联有两个等高布置的流量观察管，两流量观察管的底部与置于各试验孔内的两耐高温高压软管一对一连接。

6.根据权利要求1所述的模拟深层页岩储层井眼原位水化损伤的试验方法，其特征在于：所述流量计的误差小于0.1%；所述双向水泵的最大出水压力40MPa，最大进水压力10Mpa；所述耐高温高压软管的承压能力为55Mpa；所述流量观察管的容量为100～500ml。

7.根据权利要求1所述的模拟深层页岩储层井眼原位水化损伤的试验方法，其特征在于：所述伸缩杆的最大长度为550mm，所述高清摄像头的帧率可达125fps每秒，且伸缩杆和高清摄像头均为远程无线控制模式。

8.根据权利要求1所述的模拟深层页岩储层井眼原位水化损伤的试验方法，其特征在于，步骤S4中将页岩试样置于真三轴应力室内的具体过程如下：

S41、将页岩试样置于底板（21）上，并使模拟井眼对准两试验孔布置；

S42、将侧板（22）水平移动至紧贴页岩试样四周布置；

S43、将顶板（23）下移至紧贴页岩试样顶面布置。

9.根据权利要求8所述的模拟深层页岩储层井眼原位水化损伤的试验方法，其特征在于，步骤S5中原位水化组件的组装过程如下：

S51、将框架（31）固定在底板（21）上；

S52、将钻井液箱（32）、双向水泵（33）、流量计（35）和流量观察管（36）由上至下的安装在顶板上方的框架上，其中，流量观察管有两个并与两试验孔一对一布置；

S53、将双向水泵一端与钻井液箱底部出口连接、一端通过控制阀（34）及管路与流量计进口连接；将流量计的出口通过管路与两流量观察管的上口连接，将流量观察管下口与耐高温高压软管（37）连接，将耐高温高压软管下端密封插入试验孔中与模拟井眼相连通布置。