CN207863949U - 一种钻井液化学渗透压差测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于石油钻井技术领域，为模拟测定钻井液和泥页岩中地层水的渗透压差而设计，具体公开了一种钻井液化学渗透压差测试装置，包括岩心夹持器和置于岩心夹持器中的泥岩岩心筒，泥岩岩心筒内放置有泥岩岩心，泥岩岩心将岩心夹持器的空腔分隔为第一腔室和第二腔室；第一腔室连接有钻井液罐和真空泵，第二腔室连接于真空泵和地层水罐；第一腔室设置有第一压力检测装置，第二腔室设置有第二压力检测装置。本实用新型提供的钻井液化学渗透压差测试装置，能有效模拟测定钻井液与地层间隙流体的化学渗透压差，为提高钻井液抑制性和井壁稳定能力提供可靠的数据支持。

Description

一种钻井液化学渗透压差测试装置

技术领域

本实用新型涉及石油钻井技术领域，尤其涉及一种钻井液化学渗透压差测试装置。

背景技术

在石油钻井过程中，井壁失稳是一直困扰石油工业界的一个大问题，井壁不稳定严重影响着钻井的速度、质量及成本，同时，会导致钻井液侵入到石油储层中，对储层造成污染，给油气田开采带来不利影响。

影响井壁稳定性的因素很多，如地层岩性、构造应力、地层温度、钻井液浸泡和渗透等。钻井液与地层空隙流体之间的渗透压差即化学势差是钻井液进出泥页岩地层的动力之一，由于钻井液一般与泥页岩地层的空隙流体之间的无机盐离子、阴离子、水化阳离子及水化阴离子等的浓度存在差别，因此钻井液与空隙流体之间存在化学势差，水和各组分会在化学势差的作用下扩散迁移：当钻井液中水和各组分的化学势高于孔隙流体中的化学势时，水和各组分在化学势的作用下进入地层，引发泥页岩地层水化膨胀，从而不利于井壁稳定；反之，当钻井液中水和各组分的化学势低于孔隙流体中的化学势时，地层流体将向井筒扩散迁移，从而有利于井壁稳定。

为防止井壁的坍塌，20世纪70年代初，国外首先提出了油包水乳化钻井液的井壁稳定机理—活度平衡，即亲水的、渗透率极低的泥页岩与油基钻井液之间形成了半透膜，可以通过适当增加水相中无机盐的浓度，使钻井液和地层水的活度保持平衡，增大钻井液的反向渗透压差，从而达到阻止油基钻井液中的水向地层运移，防止泥页岩水化坍塌。因此监测钻井液与泥页岩之间所产生的化学渗透压差，可有效的判断井筒与地层间水和其中组分扩散和迁移规律，从而为科学的选择有利于井壁稳定的、防止坍塌的钻井液体系和处理剂提供有效的检测和评价方法。

现有技术公开了一种测高渗透岩石液体渗透率的测试装置和测试方法，其包括岩样夹持加载系统、气体控制加载系统、注液和排液系统及数据采集系统，并通过向饱和岩心中注入作为渗透介质的液体，模拟加载空隙压力和渗透压差，以得到岩石在一定的压力下的渗透率。

上述测试装置仅能对岩石在液体作用下的渗透率进行模拟测量，无法准确测量钻井液和地层流体共同作用下钻井液与泥页岩之间所产生的渗透压差，也无法进行水和其它组分在钻井液和地层流体间的扩散迁移模拟；由于采用单一流体进行模拟测试，试验数据无法直接应用到对钻井液的选择判定；且上述测试装置结构复杂，操作麻烦。

实用新型内容

本实用新型提供了一种钻井液化学渗透压差测试装置，用于模拟测定钻井液对泥页岩的化学渗透压差，为提高钻井液抑制性和井壁稳定性提供可靠的数据支撑。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种钻井液化学渗透压差测试装置，包括岩心夹持器和置于所述岩心夹持器中的泥岩岩心筒，所述泥岩岩心筒内放置有泥岩岩心，其特征在于，所述泥岩岩心将所述岩心夹持器的空腔分隔为第一腔室和第二腔室；

所述第一腔室连接有钻井液罐和真空泵，所述第二腔室连接于所述真空泵和地层水罐；

所述第一腔室设置有第一压力检测装置，所述第二腔室设置有第二压力检测装置。

优选地，所述第一腔室连接所述地层水罐。

优选地，所述钻井液罐连接有第一惰性气体罐,所述地层水罐连接有第二惰性气体罐。

优选地，所述第一惰性气体罐和所述第二惰性气体罐中的惰性气体为氮气。

优选地，所述真空泵与所述第一腔室的连接管路上设置有第一阀门和/或所述真空泵与所述第二腔室的连接管路上设置有第二阀门。

优选地，所述第一压力检测装置及所述第二压力检测装置均为压力传感器。

优选地，所述岩心夹持器呈水平设置，所述第一腔室和所述第二腔室分别位于泥岩岩心的左右两侧。

优选地，所述泥岩岩心筒由聚四氟乙烯制成。

优选地，所述岩心夹持器的外表面设置有保温层。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型提供的钻井液化学渗透压差测试装置，通过采用抽真空使泥岩岩心注满地层水，模拟地层间隙流体；通过向泥岩岩心两侧的密闭空腔内分别注入钻井液和地层水，模拟泥页岩井壁两侧的流体分布，从而有效测定钻井液与地层间隙流体的化学渗透压差，为提供钻井液抑制性和井壁稳定能力提供可靠的数据支持，为科学的选择有利于井壁稳定的、防止坍塌的钻井液体系和处理剂提供有效的检测和评价方法；该测试装置操控和拆卸简便，测试方法原理简单易行，有利于推广应用。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的钻井液化学渗透压差测试装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的钻井液化学渗透压差测试方法的流程图；

图中标记如下：

1-岩心夹持器；101-第一腔室；102-第二腔室；2-泥岩岩心筒；3-钻井液罐；4-地层水罐；5-真空泵；6-第一惰性气体罐；7-第二惰性气体罐；8-第一阀门；9-第二阀门；10-第三阀门；11-第四阀门；12-第五阀门；13-第一出液阀；14-第二出液阀；15-第一压力检测装置；16-第二压力检测装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

图1为本实用新型实施例提供的钻井液化学渗透压差测试装置的结构示意图，其用于模拟测试钻井液与泥页岩或其他渗透性岩层接触后，由于化学势差所产生的渗透压差，模拟钻井液与地层流体之间的介质扩散和迁移。如图1所示，本实施例提供的测试装置主要包括用于夹持泥岩岩心的岩心夹持器1、用于向岩心夹持器1一端空腔提供钻井液的钻井液罐3、用于向岩心夹持器1另一端提供地层水的地层水罐4、用于对泥岩岩心抽真空饱和的真空泵5及用于检测岩心夹持器1中钻井液和地层水压力的压力检测装置。通过向泥岩岩心两端分别注入钻井液和地层水，并采用抽真空使泥岩岩心中注满地层水，可以通过压力检测装置的压力变化测定钻井液和泥岩岩心之间的渗透压差。若更换岩心夹持器1中的泥岩岩心为其他渗透物质和/或替换注入岩心夹持器1中的流体介质，本实用新型实施例提供的测试装置还可以用于测试其他渗透物质或流体介质下的渗透压差。

具体地，如图1所示，本实施例提供的钻井液化学渗透压差测试装置包括水平设置的岩心夹持器1，岩心夹持器1整体为具有空腔的圆柱形结构，空腔的中部设置有用于盛放泥岩岩心的泥岩岩心筒2。泥岩岩心筒2的外壁与岩心夹持器1的内壁密封贴合，以防止泥岩岩心两端的液体通过泥岩岩心筒2外壁与岩心夹持器1内壁的空隙流动和扩散，影响渗透压差的测试结果。泥岩岩心筒2两端开口，用于向泥岩岩心筒2内填充放置泥岩岩心，并允许泥岩岩心两端的液体通过泥岩岩心进行流动交换。

由于钻井液和地层水内包含多样的化学组分，因此泥岩岩心筒2和岩心夹持器1应由耐腐蚀材料制成，以防止钻井液或地层水中的化学组分对泥岩岩心筒2产生腐蚀，导致测量结果不准确或装置损坏。同时，由于需要向岩心夹持器1中注入钻井液或地层水，因此，岩心夹持器1因具有一定的强度、刚度和耐压能力。在本实施例中，岩心夹持器1的材料为不锈钢，泥岩岩心筒2的材料为聚四氟乙烯塑料，岩心夹持器1和泥岩岩心筒2也可以选择其他材质制成。

当泥岩岩心置于岩心夹持器1中时，泥岩岩心将岩心夹持器1的空腔分隔为第一腔室101和第二腔室102，第一腔室101通过第一管路连接有钻井液罐3，用于向第一腔室101注入钻井液；第二腔室102通过第二管路连接有地层水罐4，用于向第二腔室102内注入地层水。通过向泥岩岩心两侧分别注入钻井液和地层水，可以模拟石油钻井或开采过程中，泥页岩井筒两侧的流体环境。

为模拟测试钻井液与泥岩岩心中的地层水的渗透压，需要使泥岩岩心中注满地层水，因此，在向第一腔室101内部注入钻井液前，需要向第二腔室102内注入地层水，使地层水渗透泥岩岩心中；为加速泥岩岩心的地层水饱和，地层水罐4通过第三管路连接于第一腔室101，使地层水可以同时注入第一腔室101和第二腔室102，让泥岩岩心两侧均有地层水，从而可以加速泥岩岩心的饱和速度。由于泥岩岩心中的空隙较小，地层水通过空隙渗透入泥岩岩心所达到自然饱和的状态所需的时间较长，因此，可以采用真空泵5对泥岩岩心抽真空加速饱和。

真空泵5分别通过第四管路和第五管路连接于第一腔室101和第二腔室102，用于对处于岩心夹持装置的泥岩岩心抽真空，使泥岩岩心内充满地层水。为控制真空泵5的对第一腔室101和/或第二腔室102的抽真空及抽真空速率，第一管路上设置有第一阀门8，第二管路上设置有第二阀门9。在实际运用中，可以仅开启第一阀门8通过第一腔室101抽真空，或同时开启第一阀门8和第二阀门9同时对第一腔室101和第二腔室102抽真空。

为控制钻井液罐3对第一腔室101注入的钻井液流量和压力，第一管路上设置有第三阀门10；为控制地层水罐4对第一腔室101和/或第二腔室102注入地层水的流量和压力，第二管路上设置有第四阀门11，第三管路上设置有第五阀门12。通过开启第三阀门10，可以使钻井液罐3中的钻井液注入第一腔室101中；通过开启第四阀门11，可以使地层水罐4中的地层水注入第二腔室102中；或同时开启第四阀门11和第五阀门12，使地层水注入同时第一腔室101和第二腔室102中。

钻井液向第一腔室101注入钻井液和地层水向第一腔室101和/或第二腔室102注入地层水的方式可以有多样，如可以采用泵将钻井液或地层水泵入第一腔室101或第二腔室102，也可采用其他的方式。在本申请实施例中，由于注入的地层水和钻井液的流量较小，可以采用向钻井液罐3或地层水罐4中通入惰性气体，使钻进液罐或地层水罐4中压力增大，从而将钻井液或地层水压入第一腔室101和/或第二腔室102中。因此，钻井液罐3连接有第一惰性气体罐6，地层水罐4连接有第二惰性气体罐7，第一惰性气体和/或第二惰性气体可以为氮气、稀有气体等不与钻井液和地层水起反应的气体，本实施例从经经济成本和气体易得性考虑，第一气体罐6和第二气体罐7中的气体均选择为氮气。

为使注入第一腔室101的地层水或钻井液及注入第二腔室102的地层水排出，岩心夹持器1于第一腔室101处设有第一出液阀13，于第二腔室102处设置有第二出液阀14。为对第一腔室101和第二腔室102内的钻井液或地层水的流体压力进行测量，从而计算钻井液与泥岩岩心中地层水的渗透压差，第一腔室101处设置于第一压力检测装置15，第二腔室102处设置有第二压力检测装置16，在本实施例中，第一压力检测装置15和第二压力检测装置16均为压力传感器。

为模拟钻井液和地层水渗透的温度环境，岩心夹持器1外表面套设有保温层。或可以通过向第一腔室101或第二腔室102内注入一定温度的钻井液或地层水，从而模拟不同温度下钻井液和地层水之间的渗透压差，此时，可以通过在钻井液罐3处和/或地层水罐4处设置加热装置对流入岩心夹持器1的钻井液和/或地层水进行加热。

如图2所示，本实用新型实施例还提供了一种应用于上述钻井液化学渗透压测试装置的钻井液化学渗透压测试方法，包括如下步骤:

步骤1:将泥岩岩心装入泥岩岩心筒2，将泥岩岩心筒2放入岩心夹持器1中固定密封，并关闭所有阀门；

步骤2：打开第四阀门11和第五阀门12，向第一腔室101和第二腔室102注入地层水；

通过向地层水罐4通入氮气，使地层水罐4中的地层水压入第一腔室101和第二腔室102。也可采用其他方式将地层水罐4中的地层水注入第一腔室101和第二腔室102，如采用泵等。

步骤3：关闭第四阀门11和第五阀门12，打开第一阀门8和第二阀门9，真空泵5对第一腔室101和第二腔室102抽真空，使泥岩岩心饱和后关闭第一阀门8和第二阀门9；

采用真空泵5使泥岩岩心中注满地层水，本实施例中，抽真空饱和时间为二十四小时，以保证泥岩岩心的饱和度尽可能贴近实际状况。

步骤4：打开第一出液阀13，将第一腔室101中的地层水排出；

步骤5：关闭第一出液阀13，打开第三阀门10，向第一腔室101内注入钻井液，使第一腔室101和第二腔室102内压力等值；

通过向钻井液罐3通入氮气，使钻井液罐3中的钻井液压入第一腔室101，并使第一压力传感器和第二压力传感器的压力值相等。也可采用其他方式将钻井液罐3中钻井液注入第一腔室101。

步骤6：第一压力检测装置15和第二压力检测装置16实时监测第一腔室101和第二腔室102的压力变化。

实时监测泥岩岩心两端的流体的动态压力变化，其中第二腔室102内的测量压力值和初始压力值的差值，即为钻井液与泥岩岩心接触后，由于化学势差所产生的渗透压差。

本实用新型提供的钻井液化学渗透压差测试装置，通过采用抽真空使泥岩岩心注满地层水，模拟地层间隙流体；通过向泥岩岩心两侧的密闭空腔内分别注入钻井液和地层水，模拟泥页岩井壁两侧的流体分布，从而有效测定钻井液与地层间隙流体的化学渗透压差，为提供钻井液抑制性和井壁稳定能力提供可靠的数据支持，为科学的选择有利于井壁稳定的、防止坍塌的钻井液体系和处理剂提供有效的检测和评价方法；该测试装置操控和拆卸简便，测试方法原理简单易行，有利于推广应用。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种钻井液化学渗透压差测试装置，包括岩心夹持器(1)和置于所述岩心夹持器(1)中的泥岩岩心筒(2)，所述泥岩岩心筒(2)内放置有泥岩岩心，其特征在于，所述泥岩岩心将所述岩心夹持器(1)的空腔分隔为第一腔室(101)和第二腔室(102)；

所述第一腔室(101)连接有钻井液罐(3)和真空泵(5)，所述第二腔室(102)连接有所述真空泵(5)和地层水罐(4)；

所述第一腔室(101)设置有第一压力检测装置(15)，所述第二腔室(102)设置有第二压力检测装置(16)。

2.根据权利要求1所述的钻井液化学渗透压差测试装置，其特征在于，所述第一腔室(101)连接所述地层水罐(4)。

3.根据权利要求1所述的钻井液化学渗透压差测试装置，其特征在于，所述钻井液罐(3)连接有第一惰性气体罐(6),所述地层水罐(4)连接有第二惰性气体罐(7)。

4.根据权利要求3所述的钻井液化学渗透压差测试装置，其特征在于，所述第一惰性气体罐(6)和所述第二惰性气体罐(7)中的惰性气体为氮气。

5.根据权利要求1所述的钻井液化学渗透压差测试装置，其特征在于，所述真空泵(5)与所述第一腔室(101)的连接管路上设置有第一阀门(8)和/或所述真空泵(5)与所述第二腔室(102)的连接管路上设置有第二阀门(9)。

6.根据权利要求1所述的钻井液化学渗透压差测试装置，其特征在于，所述第一压力检测装置(15)及所述第二压力检测装置(16)均为压力传感器。

7.根据权利要求1所述的钻井液化学渗透压差测试装置，其特征在于，所述岩心夹持器(1)呈水平设置，所述第一腔室(101)和所述第二腔室(102)分别位于所述泥岩岩心的左右两侧。

8.根据权利要求1所述的钻井液化学渗透压差测试装置，其特征在于，所述泥岩岩心筒(2)由聚四氟乙烯制成。

9.根据权利要求1所述的钻井液化学渗透压差测试装置，其特征在于，所述岩心夹持器(1)的外表面设置有保温层。