CN202735216U - 一种钻井液半透膜评价设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种钻井液半透膜评价设备，克服目前钻井液半透膜评价设备准确性较低的不足，该设备包括四通阀、上游活塞容器、岩心夹持器以及下游活塞容器，上游活塞容器的两端分别与四通阀和岩心夹持器的上游工作室相连通，下游活塞容器的两端分别与四通阀和岩心夹持器的下游工作室相连通，四通阀与岩心夹持器的胶筒相连；上游活塞容器与岩心夹持器的上游工作室之间的管路上设置有第一压力传感器；岩心夹持器的下游工作室和下游活塞容器之间设置有第二阀门，第二阀门上或者岩心夹持器的下游工作室与第二阀门之间的管路上设置有第二压力传感器。本实用新型的实施例解决了泥页岩膜效率的评价问题。

Description

一种钻井液半透膜评价设备

技术领域

本实用新型涉及一种钻井液半透膜评价设备。

背景技术

井壁失稳一直是困扰油气井工程的难题之一，而90％以上的井壁失稳发生在泥页岩井段。泥页岩井壁失稳特性研究是井壁失稳研究的重点。泥页岩压力传递造成井壁失稳的作用机理及其主要控制因素是目前油气勘探开发领域迫切研究的基础课题之一。

泥页岩是以粘土矿物为主的固结程度较高的沉积岩，是泥岩和页岩的总称。泥页岩的渗透率一般在10^-6～10^-12微米²(μm²)之间。由于泥页岩粘土自身的特性决定了泥页岩本身就有半透膜效应，只是膜效率有限。当半透膜和活度差(钻井液活度＜地层流体活度)同时存在时会形成一个指向井眼方向的渗透压，从而减缓压力传递速度，最终实现延长泥页岩井壁稳定周期的效果。如钻井液能够增加泥页岩半透膜效率可进一步井壁延长坍塌周期。

钻井液半透膜的评价，目的是通过孔隙压力的变化规律验证在水力压差或化学势差作用下，无裂缝泥页岩介质中水以及溶液各组分的运移规律及孔隙压力的变化规律，评价钻井液是否能够形成半透膜，如存在还可进一步确定其膜效率。

现有的评价钻井液半透膜方法主要有两种，一是利用化学势原理，根据模拟岩心两端溶液化学势差而导致的电阻率变化来表征泥页岩半透膜的膜效率高低，电阻率变化越小，表明溶质移动速率越慢，膜效率越高。这种方法的缺点在于整个评价设备没有压力传递功能，不能真实反映半透膜的完善程度。二是在初始水力压差为零的条件下，将岩心上端和下端分别通入活度不同的两种流体，若泥页岩存在一定的膜效率，将使岩样上下两端形成一定化学势差，流体将发生相应的流动，并引起上下两端的压力变化，通过压力传感器和差压传感器实时检测岩样下端封闭流体的动态压力变化，计算出泥页岩的膜效率。这种评价方法的缺点在于上下游溶液储集端容积一样大，特别是下游端容积不够小，对压力变化不敏感，实验的准确性不高。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服目前钻井液半透膜评价设备准确性较低的不足。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种钻井液半透膜评价设备，包括四通阀(3)、上游活塞容器(4)、岩心夹持器(7)以及下游活塞容器(11)，其中：

所述上游活塞容器(4)的两端分别与所述四通阀(3)和所述岩心夹持器(7)的上游工作室相连通，所述下游活塞容器(11)的两端分别与所述四通阀(3)和所述岩心夹持器(7)的下游工作室相连通，所述四通阀(3)与所述岩心夹持器(7)的胶筒相连；

所述上游活塞容器(4)与所述岩心夹持器(7)的上游工作室之间的管路上设置有第一压力传感器(6)；

所述岩心夹持器(7)的下游工作室和所述下游活塞容器(11)之间设置有第二阀门(8)，所述第二阀门(8)上或者所述岩心夹持器(7)的下游工作室与所述第二阀门(8)之间的管路上设置有第二压力传感器(13)。

优选地，所述上游活塞容器(4)与所述岩心夹持器(7)之间的管路上设置有第一阀门(5)。

优选地，在所述第一压力传感器(6)与所述岩心夹持器(7)之间的管路上开有第一旁路，所述第一旁路上设置有第五阀门(12)。

优选地，在所述第二阀门(8)和所述下游活塞容器(11)之间设置有第四阀门(10)，在所述第二阀门(8)和所述第四阀门(10)之间的管路上开有第三旁路和第四旁路，所述第三旁路上设置有第三阀门(9)，所述第四旁路与中间容器(16)相连通。

优选地，该设备包括：

与所述中间容器(16)相连通的真空泵(15)。

优选地，所述第四旁路上设置有第六阀门(14)。

优选地，该设备包括：

与四通阀(3)相连通的高压气瓶(1)。

优选地，在所述高压气瓶(1)与所述四通阀(3)的管路上设置有压力表(2)。

优选地，所述第二压力传感器(13)包括微型压力传感器。

与现有技术相比，本实用新型的实施例提供了一种钻井液半透膜评价设备，解决了钻井液通过泥页岩岩心的压力传递评价问题。本实用新型的实施例解决了泥页岩膜效率的评价问题。本实用新型的实施例能够验证在水力压差或化学势差作用下，无裂缝泥页岩介质中水以及溶液各组分的运移规律及孔隙压力的变化规律。本实用新型的实施例能够模拟现场井下温度、压力条件下，评价钻井液及处理剂阻缓泥页岩压力传递作用效果，为科研和生产提供科学依据。

附图说明

图1为本实用新型实施例的钻井液半透膜评价设备的构造示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

岩样中流体迁移(滤失)速率取决于井内液柱压力与孔隙压力的差值ΔP、钻井液性能、井壁岩石的渗透率以及钻井液/岩石两者之间的物化/力学作用。由于泥页岩渗透率低，水力传导速率小，孔隙压力的变化不能迅速传递出去，因此，近井壁地带随着流体的迁移，ΔP会趋近于零(正向/负向都有可能)。

在岩石渗透率一定的情况下，压力传递由ΔP和钻井液性能决定。钻井液半透膜评价设备可以用来分析井内液柱压力与孔隙压力的差值ΔP、钻井液性能、钻井液/岩石的物化作用以及泥页岩渗透率对流体迁移的影响。

如图1所示，本实用新型实施例的钻井液半透膜评价设备主要包括四通阀3、上游活塞容器4、岩心夹持器7以及下游活塞容器11等。

本实用新型中，岩心夹持器7包括上游工作室、下游工作室、物模以及多孔板等，物模采用胶筒包覆，可以在其周围施加围压。上游工作室中设计有多孔板，多孔板上连接有调节杆，在使用不同长度岩心时，可以通过调节杆来调节多孔板的位置以压紧岩心。

上游活塞容器4的两端分别与四通阀3和岩心夹持器7的上游工作室相连通，下游活塞容器11的两端分别与四通阀3和岩心夹持器7的下游工作室相连通，四通阀3与岩心夹持器7的胶筒相连，用以给物模施加围压。

在上游活塞容器4与岩心夹持器7之间的管路上设置有第一阀门5和第一压力传感器6。在第一压力传感器6与岩心夹持器7之间的管路上还开有第一旁路，第一旁路上设置有第五阀门12。

在岩心夹持器7和下游活塞容器11之间设置有第二阀门8和第四阀门10。在第二阀门8和第四阀门10之间的管路上开有第三旁路和第四旁路，其中第三旁路上设置有第三阀门9，第四旁路与中间容器16相连通，第四旁路上还设置有第六阀门14。

高压气瓶1与四通阀3相连通。在高压气瓶1与四通阀3的管路上设置有压力表2。

真空泵15与中间容器16相连通。

在第二阀门8上或者岩心夹持器7与第二阀门8之间的管路上设置有第二压力传感器13。本实用新型的实施例中，第二压力传感器13为微型压力传感器。第一压力传感器6可以进行上流压力测量，第二压力传感器13可以进行下游压力测量。下游压力测量采用微型压力传感器来进行，可以有效减小下游系统的容积。

本实用新型的实施例中，上游活塞容器4和下游活塞容器11可以用来储存和输送工作介质，另外还有缓冲压力波动的作用。

本实用新型的实施例中，两个活塞容器各自带有隔离活塞，可以将驱替流体和工作介质隔离开来。隔离活塞使用O型圈和Y型圈进行双重密封，有效保证整个仪器的密封性。

本实用新型的实施例在应用时，先在岩心夹持器7中放入岩心(比如泥页岩岩心)，然后仅打开第二阀门8和第六阀门14，用真空泵15通过中间容器16将岩心夹持器7进行抽真空。抽真空完成后打开四通阀3的第一个通道，用高压气瓶1给岩心夹持器7施加一定的环压，压力稳定后关闭该通道。打开四通阀3的第二通道，通过高压氮气瓶1加压，使上游活塞容器4产生一个设定压力，在压力稳定后关闭该通道。打开四通阀3的第三通道，使下游活塞容器11产生一个低于上游活塞容器4的压力，压力稳定后关闭该通道。

通过这两个不同的压力在岩心夹持器7的上下游工作室中建立一定的压差，保持上游工作室压力不变，将下游工作室封闭，通过第二压力传感器13，检测岩心夹持器7的下游工作室压力随时间的变化情况。

本实用新型的实施例在应用过程中，可以将整个设备放置烘箱中进行加温加压试验。

本实用新型的实施例中，预先给岩心夹持器的上游和下游施加一个压力差，通过测定岩心夹持器上游工作室与下游工作室的压力变化，来获得岩心的压力传递特性，从而验证其半透膜特性。

本实用新型的实施例可以模拟井下的高温、高压条件下，压力通过岩心的传递随时间的变化情况。本实用新型的实施例可以评价钻井液及处理剂阻缓压力传递的作用效果，测量数据方便精确。

本实用新型实施例的钻井液半透膜评价设备，能够很好地反应泥页岩下游端的压力变化，可以很直观地反应半透膜效果，从而可以有效地评价钻井液及处理剂阻缓泥页岩压力传递作用效果，并且可以通过计算得到准确的半透膜效率。

本实用新型在实际应用中，先通过如下所示的表达式(1)计算半透膜的理论渗透压，然后利用本实用新型的实施例测得半透膜的实际渗透压，然后利用如下所示的表达式(2)计算半透膜的膜效率。

$\mathrm{\Δ\π}=\frac{\mathrm{RT}}{V_W}\ln \left(\frac{{{\mathrm{\α}}_w}^1}{{{\mathrm{\α}}_w}^2}\right)$ 式(1)

其中，Δπ为理论渗透压，单位为兆帕(MPa)；

R为气体常数；

T为绝对温度，单位为K；

V_W为水的摩尔体积；

α_w ¹为下游工作室溶液的活度；

α_w ²为上游工作室溶液的活度。

$\mathrm{\σ}=\frac{\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\Δ\π}}$ 式(2)

其中，σ为半透膜膜效率；

ΔP为实际渗透压，单位为MPa。

虽然本实用新型所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用以限定本实用新型。任何本实用新型所属领域内的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种钻井液半透膜评价设备，其特征在于，包括四通阀(3)、上游活塞容器(4)、岩心夹持器(7)以及下游活塞容器(11)，其中：

所述上游活塞容器(4)的两端分别与所述四通阀(3)和所述岩心夹持器(7)的上游工作室相连通，所述下游活塞容器(11)的两端分别与所述四通阀(3)和所述岩心夹持器(7)的下游工作室相连通，所述四通阀(3)与所述岩心夹持器(7)的胶筒相连；

所述上游活塞容器(4)与所述岩心夹持器(7)的上游工作室之间的管路上设置有第一压力传感器(6)；

所述岩心夹持器(7)的下游工作室和所述下游活塞容器(11)之间设置有第二阀门(8)，所述第二阀门(8)上或者所述岩心夹持器(7)的下游工作室与所述第二阀门(8)之间的管路上设置有第二压力传感器(13)。

2.根据权利要求1所述的钻井液半透膜评价设备，其特征在于，

所述上游活塞容器(4)与所述岩心夹持器(7)之间的管路上设置有第一阀门(5)。

3.根据权利要求1所述的钻井液半透膜评价设备，其特征在于，

在所述第一压力传感器(6)与所述岩心夹持器(7)之间的管路上开有第一旁路，所述第一旁路上设置有第五阀门(12)。

4.根据权利要求1所述的钻井液半透膜评价设备，其特征在于，

在所述第二阀门(8)和所述下游活塞容器(11)之间设置有第四阀门(10)，在所述第二阀门(8)和所述第四阀门(10)之间的管路上开有第三旁路和第四旁路，所述第三旁路上设置有第三阀门(9)，所述第四旁路与中间容器(16)相连通。

5.根据权利要求4所述的钻井液半透膜评价设备，其特征在于，该设备包括：

与所述中间容器(16)相连通的真空泵(15)。

6.根据权利要求4所述的钻井液半透膜评价设备，其特征在于，

所述第四旁路上设置有第六阀门(14)。

7.根据权利要求1所述的钻井液半透膜评价设备，其特征在于，该设备包括：

与四通阀(3)相连通的高压气瓶(1)。

8.根据权利要求7所述的钻井液半透膜评价设备，其特征在于，

在所述高压气瓶(1)与所述四通阀(3)的管路上设置有压力表(2)。

9.根据权利要求1所述的钻井液半透膜评价设备，其特征在于，

所述第二压力传感器(13)包括微型压力传感器。

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