CN204511430U - 一种高温高压井壁强化钻井液模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

一种高温高压井壁强化钻井液模拟实验装置，包括裂缝漏失釜体系统、钻井液输送系统和工控机；该装置能够模拟不同地层条件下(如温度、压力、渗透率等)，可变或固定宽度裂缝的漏失与封堵过程，监测钻井液漏失速率、封堵带承压能力、裂缝宽度变化量等关键参数，实现钻井液强化井壁作用评价实验，克服了常规钻井液堵漏实验装置无法模拟渗透性地层、裂缝宽度不可变等方面不足。

Description

一种高温高压井壁强化钻井液模拟实验装置

技术领域：

本实用新型涉及一种高温高压井壁强化钻井液模拟实验装置，属于钻井液防漏堵漏的模拟实验装置的技术领域。

背景技术：

随着油气资源勘探开发程度不断提高，常规油气资源越来越少，钻探开发范围已逐步走向深层超深层、海洋深水、非常规储层等复杂地层，钻井液漏失问题日益突出，常常出现持续性井漏、漏溢同层、井壁坍塌，甚至井眼报废等问题，造成重大的经济损失。研究表明，导致上述问题的本质原因在于地层承压能力低，即钻井液安全密度窗口窄，但由于问题的复杂性，钻井液漏失问题仍是困扰国内外石油钻探开发的重大工程技术难题，至今未能完全解决。

现阶段，井壁强化钻井液技术是提高地层承压能力以阻止钻井液漏失的重要手段之一，具有广泛的现场应用前景。该技术的核心是在有效封堵裂缝的基础上，通过支撑裂缝以改变近井壁岩石应力状态，增加近井壁周向应力，从而提高地层承压能力。针对不同类型的潜在漏失地层，通过室内井壁强化钻井液模拟评价实验，开展钻井液漏失机理和预防措施研究，研选新型钻井液防漏堵漏材料，最终形成理论指导下的井壁强化钻井液技术，最大限度地解决压力衰竭油气藏、破碎或弱胶结地层、裂缝发育地层、非常规储层以及海洋深水油气藏的钻探过程中的钻井液漏失问题，以提高油气钻探开发的综合效益，推动油气田勘探开发进程。

目前，常规钻井液堵漏实验装置仅能模拟固定裂缝宽度条件下钻井液漏失，无法满足井壁强化钻井液作用机理模拟实验研究需求，而且模拟裂缝介质多采用不锈钢等非渗透性材料，忽视了裂缝面滤失作用对裂缝封堵效果的影响。另外，常规实验装置普遍存在操作繁杂、实验误差大、重复性差和功能单一等缺点，严重限制了井壁强化钻井液技术的发展。因此，建立适合于井壁强化钻井液技术研究的实验方法和模拟实验装置，对于推动井壁强化钻井液技术发展具有十分重要的意义。

实用新型内容：

针对现有技术的不足，本实用新型的目的是提供了一种高温高压井壁强化钻井液模拟实验装置，该装置能够模拟不同地层条件下(如温度、压力、渗透率等)，可变或固定宽度裂缝的漏失与封堵过程，监测钻井液漏失速率、封堵带承压能力、裂缝宽度变化量等关键参数，实现钻井液强化井壁作用评价实验，克服了常规钻井液堵漏实验装置无法模拟渗透性地层、裂缝宽度不可变等方面不足。

本实用新型的技术方案如下：

一种高温高压井壁强化钻井液模拟实验装置，包括裂缝漏失釜体系统、钻井液输送系统和工控机；

所述裂缝漏失釜体系统包括裂缝漏失釜体、加压装置、岩心模拟装置、中心管和加热带；加热带和岩心模拟装置设置在裂缝漏失釜体上；岩心模拟装置上设置有裂缝面滤液出口和裂缝尖端滤液出口；所述加压装置与岩心模拟装置连接；所述中心管贯穿设置在岩心模拟装置上；

加热带可充分模拟复杂地层的温度环境；在实验过程中可预先将测试钻井液加热至模拟地层温度。

所述钻井液输送系统包括高精度柱塞泵、恒流恒压泵、试压流体储存容器、测试钻井液储存容器、裂缝尖端滤液收集容器、裂缝面滤液收集容器和输送管线；裂缝面滤液出口通过输送管线与裂缝面滤液收集容器连接；裂缝尖端滤液出口通过输送管线与裂缝尖端滤液收集容器连接；高精度柱塞泵同时连接在试压流体储存容器和测试钻井液储存容器上；裂缝尖端滤液收集容器上、裂缝面滤液收集容器上分别连接有恒流恒压泵；

所述工控机与压力传感器、位移传感器、温度传感器、恒流恒压泵和高精度柱塞泵连接。工控机通过数据采集与处理软件自动采集钻井液注入压力、裂缝闭合压力、裂缝宽度变化量、实验温度等参数，并以实时曲线或动画演示等方式直观输出，同时还可以直接控制恒流恒压泵、高精度柱塞泵的工作参数，操作简便，自动化程度高。

根据本实用新型优选的，所述裂缝漏失釜体包括釜体顶盖、釜体底盖和釜体套筒，釜体顶盖和釜体底盖分别固定设置在釜体套筒的顶端和底端；所述岩心模拟模块包括岩心夹持器和裂缝滤失介质；所述裂缝滤失介质包括大小相应的上滤失介质片和下滤失介质片，上滤失介质片和下滤失介质片上分别贯穿设置有中心孔；所述中心管包括上中心管和下中心管；岩心夹持器包括上夹持盘和下夹持盘，上夹持盘固定设置在釜体顶盖上，下夹持盘可滑动的设置在釜体套筒的内侧壁上，上夹持盘和下夹持盘所在的平面与釜体套筒的内侧壁垂直，上夹持盘和下夹持盘的内侧面分别设置有凹槽，上夹持盘的外侧面、下夹持盘的外侧面均设置有裂缝面滤液出口和中心孔；上滤失介质片和下滤失介质片分别嵌入设置在上夹持盘的凹槽和下夹持盘的凹槽内；上中心管的一端贯穿设置在上滤失介质片和上夹持盘的中心孔内，另一端通过输送管线分别与试压流体储存容器和测试钻井液储存容器连接；下中心管的一端贯穿设置在下滤失介质片和下夹持盘的中心孔内，另一端连接有球形节流阀；釜体套筒的侧壁上，上滤失介质片所在平面和下滤失介质片所在平面之间设置有裂缝尖端滤液出口；

所述加压装置包括加压活塞和加压液体入口；所述加压活塞可滑动的设置在釜体套筒的内侧壁上，加压活塞、釜体底盖和釜体套筒形成加压液腔；釜体套筒的侧壁上，加压活塞的下侧，设置有加压液体入口；下夹持盘与加压活塞连接；加压液体入口连接有恒流恒压泵；。

所述裂缝滤失介质用模拟不同渗透率地层的裂缝面；恒流恒压泵驱替液压油进入加压液腔，驱动加压活塞施加恒定模拟裂缝闭合压力，模拟实现可变宽度裂缝漏失与封堵过程；

实验过程中，利用高精度柱塞泵驱替测试钻井液储存容器，在恒定流量条件下，将测试钻井液注入裂缝漏失釜体中，开展井壁强化钻井液评价实验；高精度恒流恒压泵用于精确控制模拟地层孔隙压力、模拟裂缝闭合压力，以充分模拟实际地层的温度压力环境；裂缝漏失釡体的测试钻井液出口段安装球形节流阀，调节其开度即可模拟随钻防漏或静止堵漏等工艺；利用恒流恒压泵在裂缝面与裂缝尖端施加模拟地层孔隙压力，实时收集、计量裂缝面、裂缝尖端等位置的钻井液滤失量；待裂缝封堵带形成后，通过提高模拟地层孔隙压力，模拟进行裂缝封堵带反向承压能力评价实验。

根据本实用新型优选的，所述上中心管通过高压阀门与输送管线连接，所述加热带连接有温度控制仪。通过开关高压阀门能够实现循环排出管线中的空气、泄压等功能；温度控制仪保证加热带的最高实验温度达到150℃，并控制控温精度±1℃。

根据本实用新型优选的，所述上滤失介质片内侧所在的平面与上中心管端部所在的平面处在同一平面；滤失介质片内侧所在的平面与下中心管端部所在的平面处在同一平面。

根据本实用新型优选的，所述上滤失介质片和下滤失介质片与中心孔经过密封处理；所述上滤失介质片和下滤失介质片是陶瓷材质或不锈钢材质。陶瓷材质或不锈钢材质用以模拟不同渗透率地层的裂缝面。

根据本实用新型优选的，所述上滤失介质片和上夹持盘之间、下滤失介质片和下夹持盘之间设置有流体通道。流体通道用以收集裂缝尖端与裂缝面滤液。

根据本实用新型优选的，所述输送管线上设置有压力传感器；所述裂缝漏失釜体的底部设置有位移传感器。压力传感器用于实时监测钻井液注入压力、模拟裂缝闭合压力、模拟地层孔隙压力等参数；位移传感器能够实时监测裂缝宽度的变化量。

根据本实用新型优选的，所述裂缝漏失釜体、试压流体储存容器、测试钻井液储存容器、裂缝尖端滤液收集容器和裂缝面滤液收集容器上分别设置有温度传感器。所述温度传感器用于实时监测裂缝漏失釜体及储存容器内的温度。

根据本实用新型优选的，所述釜体顶盖、釜体底盖与釜体套筒之间；加压活塞与釜体套筒之间，通过O型密封圈实现压力密封。

一种利用上述实验装置进行高温高压井壁强化钻井液模拟实验的方法，包括步骤如下：

a、实验装置测试：

安装裂缝漏失釡体，连接输送管线；打开高压阀门，利用高精度柱塞泵驱替试压流体，循环排出管线中的空气；关闭高压阀门，测试并确认整个实验装置的压力密封性能后，关闭高精度柱塞泵；

b、开启实验装置：

打开数据采集与处理软件，校准压力传感器、位移传感器、温度传感器；利用恒流恒压泵施加模拟地层孔隙压力、模拟裂缝闭合压力，开启温度控制仪与加热带，开始加热。

c、进行模拟实验；

待达到实验温度后，利用高精度柱塞泵驱替测试钻井液进入裂缝漏失釜体，开始模拟实验；工控机实时采集钻井液注入压力、裂缝闭合压力、裂缝宽度变化量、实验温度等参数；关闭高精度柱塞泵、恒流恒压泵，打开高压阀门；泄压后，清洗循环管线、储液罐，实验结束；

d、实验结果评价；

待实验结束后，基于评价实验结果，进一步优化井壁强化钻井液性能，如堵漏材料类型、粒径分布、力学性能等，重新开展上述评价实验，最终达到最优井壁强化效果。

根据本实用新型优选的，所述的步骤c中，还包括有操作如下：工控机利用数据采集与处理软件自动采集钻井液注入压力、滤液体积、裂缝宽度变化量。

数据采集与处理软件(SDMCL型)是以WINDOWS为操作系统平台，以DELPHI为软件开发工具编制而成，该软件能够自动、实时采集钻井液注入压力、裂缝闭合压力、裂缝宽度变化量、实验温度等参数，并以实时曲线或动画演示等方式直观输出，同时还可以直接控制恒流恒压泵、高精度柱塞泵的工作参数，界面简洁，操作简便，自动化程度高。

本实用新型的优势在于：

1、本实用新型所述高温高压井壁强化钻井液模拟实验装置，能够模拟不同地层条件下(如温度、压力、渗透率等)，可变或固定宽度裂缝的漏失与封堵过程，模拟实现钻井液封堵裂缝、井壁强化机理、以及随钻防漏与静止堵漏工艺等特性研究，为井壁强化钻井液技术研究提供了一种实验方法和研究手段；

2、本实用新型所述高温高压井壁强化钻井液模拟实验装置造价低廉、操作简单、实验误小、功能齐全，可以模拟多种实验，对于推动井壁强化钻井液技术发展具有十分重要的意义。

附图说明：

图1为本实用新型所述高温高压井壁强化钻井液模拟实验装置的结构示意图；

图2为本实用新型所述裂缝漏失釡体的结构示意图；

图3为本实用新型实验装置的实验流程图；

图中：1.裂缝漏失釜体；2.试压流体储存容器；3.测试钻井液储存容器；4.裂缝尖端滤液收集容器；5.裂缝面滤液收集容器；6.工控机；7-a～7-d.压力传感器；8.球形节流阀；9.高精度柱塞泵；10-a～10-c.恒流恒压泵；11.输送管线；12.高压阀门；13.温度控制仪；14.釜体顶盖；15.釜体底盖；16.釜体套筒；17.岩心夹持器；18.裂缝滤失介质；19.加压活塞；20.加热带；21.加压液腔；22.位移传感器；23.温度传感器；24.测试钻井液入口；25.测试钻井液出口；26.裂缝面滤液出口；27.裂缝尖端滤液出口；28.加压液体入口；29、上中心管；30、下中心管。

具体实施方式：

下面结合实施例和说明书附图对本实用新型做详细的说明，但不限于此。

实施例1、

如图1-2所示。

一种高温高压井壁强化钻井液模拟实验装置，包括裂缝漏失釜体系统、钻井液输送系统和工控机6；

所述裂缝漏失釜体系统包括裂缝漏失釜体1、加压装置、岩心模拟装置、中心管和加热带20；加热带20和岩心模拟装置设置在裂缝漏失釜体上；岩心模拟装置上设置有裂缝面滤液出口26和裂缝尖端滤液出口27；所述加压装置与岩心模拟装置连接；所述中心管贯穿设置在岩心模拟装置上；

加热带20可充分模拟复杂地层的温度环境；在实验过程中可预先将测试钻井液加热至模拟地层温度。

所述钻井液输送系统包括高精度柱塞泵9、恒流恒压泵10、试压流体储存容器2、测试钻井液储存容器3、裂缝尖端滤液收集容器4、裂缝面滤液收集容器5和输送管线11；裂缝面滤液出口26通过输送管线11与裂缝面滤液收集容器5连接；裂缝尖端滤液出口27通过输送管线11与裂缝尖端滤液收集容器4连接；高精度柱塞泵9同时连接在试压流体储存容器2和测试钻井液储存容器3上；裂缝尖端滤液收集容器上4、裂缝面滤液收集容器上5分别连接有恒流恒压泵；

所述工控机与压力传感器、位移传感器、温度传感器、恒流恒压泵和高精度柱塞泵连接。工控机通过数据采集与处理软件自动采集钻井液注入压力、裂缝闭合压力、裂缝宽度变化量、实验温度等参数，并以实时曲线或动画演示等方式直观输出，同时还可以直接控制恒流恒压泵、高精度柱塞泵的工作参数，操作简便，自动化程度高。

所述裂缝漏失釜体1包括釜体顶盖、釜体底盖和釜体套筒，釜体顶盖和釜体底盖分别固定设置在釜体套筒的顶端和底端；所述岩心模拟模块包括岩心夹持器17和裂缝滤失介质18；所述裂缝滤失介质18包括大小相应的上滤失介质片和下滤失介质片，上滤失介质片和下滤失介质片上分别贯穿设置有中心孔；所述中心管包括上中心管29和下中心管30；岩心夹持器17包括上夹持盘和下夹持盘，上夹持盘固定设置在釜体顶盖上，下夹持盘可滑动的设置在釜体套筒的内侧壁上，上夹持盘和下夹持盘所在的平面与釜体套筒的内侧壁垂直，上夹持盘和下夹持盘的内侧面分别设置有凹槽，上夹持盘的外侧面、下夹持盘的外侧面均设置有裂缝面滤液出口26和中心孔；上滤失介质片和下滤失介质片分别嵌入设置在上夹持盘的凹槽和下夹持盘的凹槽内；上中心管29的一端贯穿设置在上滤失介质片和上夹持盘的中心孔内，另一端通过输送管线11分别与试压流体储存容器2和测试钻井液储存容器3连接；下中心管30的一端贯穿设置在下滤失介质片和下夹持盘的中心孔内，另一端连接有球形节流阀8；釜体套筒的侧壁上，上滤失介质片所在平面和下滤失介质片所在平面之间设置有裂缝尖端滤液出口27；

所述加压装置包括加压活塞19和加压液体入口28；所述加压活塞可滑动的设置在釜体套筒的内侧壁上，加压活塞、釜体底盖和釜体套筒形成加压液腔21；釜体套筒的侧壁上，加压活塞的下侧，设置有加压液体入口；下夹持盘与加压活塞连接；加压液体入口28连接有恒流恒压泵10-a。

所述裂缝滤失介质用模拟不同渗透率地层的裂缝面；恒流恒压泵10驱替液压油进入加压液腔21，驱动加压活塞19施加恒定模拟裂缝闭合压力，模拟实现可变宽度裂缝漏失与封堵过程；

实验过程中，利用高精度柱塞泵10驱替测试钻井液储存容器，在恒定流量条件下，将测试钻井液注入裂缝漏失釜体中，开展井壁强化钻井液评价实验；高精度恒流恒压泵10用于精确控制模拟地层孔隙压力、模拟裂缝闭合压力，以充分模拟实际地层的温度压力环境；裂缝漏失釡体的测试钻井液出口段安装球形节流阀8，调节其开度即可模拟随钻防漏或静止堵漏等工艺；利用恒流恒压泵10在裂缝面与裂缝尖端施加模拟地层孔隙压力，实时收集、计量裂缝面、裂缝尖端等位置的钻井液滤失量；待裂缝封堵带形成后，通过提高模拟地层孔隙压力，模拟进行裂缝封堵带反向承压能力评价实验。

实施例2、

一种如实施例1所述的高温高压井壁强化钻井液模拟实验装置，其区别在于：所述上中心管29通过高压阀门12与输送管线11连接，所述加热带20连接有温度控制仪。通过开关高压阀门12能够实现循环排出管线11中的空气、泄压等功能；温度控制仪保证加热带20的最高实验温度达到150℃，并控制控温精度±1℃。

实施例3、

一种如实施例1所述的高温高压井壁强化钻井液模拟实验装置，其区别在于：所述上滤失介质片内侧所在的平面与上中心管29端部所在的平面处在同一平面；滤失介质片内侧所在的平面与下中心管30端部所在的平面处在同一平面；所述上滤失介质片和下滤失介质片与中心孔经过密封处理；所述上滤失介质片和下滤失介质片是陶瓷材质或不锈钢材质。陶瓷材质或不锈钢材质用以模拟不同渗透率地层的裂缝面。

实施例4、

一种如实施例1所述的高温高压井壁强化钻井液模拟实验装置，其区别在于：所述上滤失介质片和上夹持盘之间、下滤失介质片和下夹持盘之间设置有流体通道。流体通道用以收集裂缝尖端与裂缝面滤液。

实施例5、

一种如实施例1所述的高温高压井壁强化钻井液模拟实验装置，其区别在于：所述输送管线上设置有压力传感器；所述裂缝漏失釜体的底部设置有位移传感器。压力传感器用于实时监测钻井液注入压力、模拟裂缝闭合压力、模拟地层孔隙压力等参数；位移传感器能够实时监测裂缝宽度的变化量。

实施例6、

一种如实施例1所述的高温高压井壁强化钻井液模拟实验装置，其区别在于：所述裂缝漏失釜体1、试压流体储存容器2、测试钻井液储存容器3、裂缝尖端滤液收集容器4和裂缝面滤液收集容器5上分别设置有温度传感器23；所述釜体顶盖、釜体底盖与釜体套筒之间；加压活塞19与釜体套筒之间，通过O型密封圈实现压力密封。所述温度传感器23用于实时监测裂缝漏失釜体1及储存容器内的温度。

Claims (9)

1.一种高温高压井壁强化钻井液模拟实验装置，其特征在于：包括裂缝漏失釜体系统、钻井液输送系统和工控机；

所述裂缝漏失釜体系统包括裂缝漏失釜体、加压装置、岩心模拟装置、中心管和加热带；加热带和岩心模拟装置设置在裂缝漏失釜体上；岩心模拟装置上设置有裂缝面滤液出口和裂缝尖端滤液出口；所述加压装置与岩心模拟装置连接；所述中心管贯穿设置在岩心模拟装置上；

所述钻井液输送系统包括高精度柱塞泵、恒流恒压泵、试压流体储存容器、测试钻井液储存容器、裂缝尖端滤液收集容器、裂缝面滤液收集容器和输送管线；裂缝面滤液出口通过输送管线与裂缝面滤液收集容器连接；裂缝尖端滤液出口通过输送管线与裂缝尖端滤液收集容器连接；高精度柱塞泵同时连接在试压流体储存容器和测试钻井液储存容器上；裂缝尖端滤液收集容器上、裂缝面滤液收集容器上分别连接有恒流恒压泵；

所述工控机与压力传感器、位移传感器、温度传感器、恒流恒压泵和高精度柱塞泵连接。

2.一种如权利要求1所述的高温高压井壁强化钻井液模拟实验装置，其特征在于：裂缝漏失釜体包括釜体顶盖、釜体底盖和釜体套筒，釜体顶盖和釜体底盖分别固定设置在釜体套筒的顶端和底端；所述岩心模拟模块包括岩心夹持器和裂缝滤失介质；所述裂缝滤失介质包括大小相应的上滤失介质片和下滤失介质片，上滤失介质片和下滤失介质片上分别贯穿设置有中心孔；所述中心管包括上中心管和下中心管；岩心夹持器包括上夹持盘和下夹持盘，上夹持盘固定设置在釜体顶盖上，下夹持盘可滑动的设置在釜体套筒的内侧壁上，上夹持盘和下夹持盘所在的平面与釜体套筒的内侧壁垂直，上夹持盘和下夹持盘的内侧面分别设置有凹槽，上夹持盘的外侧面、下夹持盘的外侧面均设置有裂缝面滤液出口和中心孔；上滤失介质片和下滤失介质片分别嵌入设置在上夹持盘的凹槽和下夹持盘的凹槽内；上中心管的一端贯穿设置在上滤失介质片和上夹持盘的中心孔内，另一端通过输送管线分别与试压流体储存容器和测试钻井液储存容器连接；下中心管的一端贯穿设置在下滤失介质片和下夹持盘的中心孔内，另一端连接有球形节流阀；釜体套筒的侧壁上，上滤失介质片所在平面和下滤失介质片所在平面之间设置有裂缝尖端滤液出口；

所述加压装置包括加压活塞和加压液体入口；所述加压活塞可滑动的设置在釜体套筒的内侧壁上，加压活塞、釜体底盖和釜体套筒形成加压液腔；釜体套筒的侧壁上，加压活塞的下侧，设置有加压液体入口；下夹持盘与加压活塞连接；加压液体入口连接有恒流恒压泵。

3.一种如权利要求2所述的高温高压井壁强化钻井液模拟实验装置，其特征在于：所述 上中心管通过高压阀门与输送管线连接，所述加热带连接有温度控制仪。

4.一种如权利要求2所述的高温高压井壁强化钻井液模拟实验装置，其特征在于：所述上滤失介质片内侧所在的平面与上中心管端部所在的平面处在同一平面；滤失介质片内侧所在的平面与下中心管端部所在的平面处在同一平面。

5.一种如权利要求2所述的高温高压井壁强化钻井液模拟实验装置，其特征在于：所述上滤失介质片和下滤失介质片与中心孔经过密封处理。

6.一种如权利要求1所述的高温高压井壁强化钻井液模拟实验装置，其特征在于：所述输送管线上设置有压力传感器；所述裂缝漏失釜体的底部设置有位移传感器。

7.一种如权利要求2所述的高温高压井壁强化钻井液模拟实验装置，其特征在于：所述裂缝漏失釜体、试压流体储存容器、测试钻井液储存容器、裂缝尖端滤液收集容器和裂缝面滤液收集容器上分别设置有温度传感器。

8.一种如权利要求2所述的高温高压井壁强化钻井液模拟实验装置，其特征在于：所述釜体顶盖、釜体底盖与釜体套筒之间；加压活塞与釜体套筒之间，通过O型密封圈实现压力密封。

9.一种如权利要求2所述的高温高压井壁强化钻井液模拟实验装置，其特征在于：所述上滤失介质片和上夹持盘之间、下滤失介质片和下夹持盘之间设置有流体通道。