钻井液在裂缝性地层微量吞吐的模拟装置及模拟方法与流程

1.本发明涉及钻井液钻井技术领域，更具体地，涉及钻井液在裂缝性地层微量吞吐的模拟装置及模拟方法。


背景技术：

2.当前，在窄窗口进行钻井作业时，钻井液当量循环密度(ecd)容易超过地层破裂压力，此时钻井液会发生漏失，而当停泵后，ecd减小，漏失到地层的流体又回吐至井筒内，这一过程被称为呼吸效应。地层呼吸效应与井涌的误判可能会带来一系列问题：如果呼吸效应被误判为井涌，通常的处理方法是增加钻井液密度，这代表井底压力会进一步超过地层破裂压力而导致更严重的漏失。
3.现有技术中，针对地层呼吸效应的实验研究主要是通过取芯的方式来对岩心的裂缝等特征进行研究，缺少对呼吸效应发生过程中钻井液漏失量的定量描述和对裂缝开合的动态表征，实验结果对实际钻遇天然裂缝地层时发生呼吸效应的工况参考意义有限。因此，有必要提供一种新的装置和方法，能够对天然裂缝地层呼吸效应进行模拟，而且能够实现呼吸效应的定量描述和动态表征。
4.中国专利申请，公开号为cn107869345a公开了一种模拟井筒呼吸效应的试验装置及试验方法，该技术方案同样存在着缺乏对呼吸效应发生过程中钻井液漏失量的定量描述和对裂缝开合的动态表征。


技术实现要素：

5.本发明为克服上述现有技术中，缺乏对呼吸效应发生过程中钻井液漏失量的定量描述和对裂缝开合的动态表征，无法对天然裂缝地层呼吸效应进行准确模拟的问题，提供一种钻井液在裂缝性地层微量吞吐的模拟装置。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种钻井液在裂缝性地层微量吞吐的模拟装置，包括开设有裂缝的岩心以及用于夹持岩心并对岩心进行加压的主体系统，所述主体系统上设置有用于对岩心轴向加压的轴压加载腔体以及用于对岩心周向加压的围压加载腔体，还包括用于向岩心的裂缝注入模拟井筒流体的注液系统、用于模拟岩心地层围压的轴压注液控制系统、用于模拟裂缝地层开启压力的围压注液控制系统、用于控制回吐阶段压力的回压控制系统以及用于对呼吸效应流体回吐阶段进行定量分析的高压可视计量系统，所述注液系统通过管道与所述裂缝相连通，所述轴压注液控制系统通过管道与所述轴压加载腔体相连通，所述围压注液控制系统通过管道与所述围压加载腔体相连通，所述回压控制系统连接在注液系统与裂缝之间的管道上，所述高压可视计量系统与所述回压控制系统相连通。
7.在本技术方案中，通过轴压注液控制系统模拟地层围压，通过围压注液控制系统模拟岩心中裂缝的开启压力，轴压注液控制系统与围压注液控制系统的设置，模拟出真实地层压力环境。通过高压可视计量装置能够对呼吸效应进行定量分析，通过围压作用与岩
心可模拟实际工况中地层裂缝动态开闭的特征；通过高压可视装置能够模拟呼吸效应回吐过程中井筒高压的实际工况；模拟结果更接近于实际地层条件和钻井工况，加强对呼吸效应的认识，进而为钻探深部复杂地层或深水等环境下的天然裂缝地层提供技术支撑，提高钻进效率，节约钻井成本，减小钻井风险。
8.优选地，所述主体系统包括外套筒、刚性密封套、轴压承载端以及轴压加载端，所述岩心安装在所述外套筒中，所述刚性密封套包覆在所述岩心外周上并位于所述外套筒中，所述轴压承载端上设置有贯穿孔，所述贯穿孔与所述岩心中的裂缝相连通，所述轴压承载端以及轴压加载端设于所述外套筒中并分别位于所述刚性密封套的两侧，所述轴压承载端、刚性密封套以及轴压加载端上安装有胶套，所述胶套与所述外套筒之间构成所述的围压加载腔体，所述轴压加载端与所述外套筒之间构成所述的轴压加载腔体。
9.优选地，所述轴压加载端包括与所述刚性密封套相连的第一连接件以及滑套，所述滑套与所述外套筒滑动连接，所述第一连接件与所述滑套相连，所述滑套上设置有凸圈，所述外套筒上设置有凸台，所述凸圈、滑套以及所述凸台之间构成所述的轴压加载腔体。
10.优选地，所述注液系统包括第一储液罐、第一液泵、第一管道以及用于监测第一管道中液体压力的第一压力传感器，所述第一管道的一端与所述第一储液罐相连，另一端与所述贯穿孔相连；所述第一液泵以及第一压力传感器安装在第一管道上。
11.优选地，所述轴压注液控制系统包括第二储液罐、第二液泵、第二管道以及用于监测第二管道中液体压力的第二压力传感器，所述第二管道的一端与所述第二储液罐相连，另一端与所述轴压加载腔体相连；所述第二液泵以及第二压力传感器安装在第二管道上。
12.优选地，所述围压注液控制系统包括第三储液罐、第三液泵、第三管道以及用于监测第三管道中液体压力的第三压力传感器，所述第三管道的一端与所述第三储液罐相连，另一端与所述围压加载腔体相连；所述第三液泵以及第三压力传感器安装在第三管道上。
13.优选地，所述回压控制系统包括回压泵、回压阀、第一阀门以及第四管道，所述回压泵、回压阀以及第一阀门通过第四管道相连通，所述第一阀门靠近所述岩心侧，所述第四管道的一端与所述注液系统相连通，所述回压阀的第一端口与所述第一阀门相连，回压阀的第二端口与所述回压泵相连，所述回压阀的第三端口与所述高压可视计量系统相连通。
14.优选地，所述高压可视计量系统包括高压可视计量装置以及用于拍摄高压可视计量装置上数据的摄像装置，所述高压可视计量装置与所述回压阀的第三端口相连通。
15.本发明另一方面提供一种钻井液在裂缝性地层微量吞吐的模拟方法，包括以下步骤：
16.s1：基于模拟天然裂缝地层参数，将回压控制系统的初始压力与模拟天然裂缝地层附近井筒压力相匹配；
17.s2：开启轴压注液控制系统和围压注液控制系统向主体系统进行注压，使围压和天然裂缝地层开启压力相匹配，轴压和天然裂缝地层围压相匹配；
18.s3：启动注液系统，将压力设置为模拟井筒压力，向岩心的裂缝注液，在显示注液系统的流量不发生变化后，调高注液系统的注液压力，使流道压力超过模拟天然裂缝地层开启压力，利用注液系统中泵的计量系统对流量变化进行计量；
19.s4：关闭注液系统，打开回压控制系统的通路，利用高压可视计量系统对流量变化进行计量。
20.优选地，重复步骤s1至s5，增大回压控制系统的初始压力或改变轴压注液控制系统的轴压或改变注液系统的流体压力。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本装置在还原真实地层条件和实际工况的条件下对裂缝地层呼吸效应进行实验研究和定量分析，为在深部复杂地层和深水等条件下钻遇天然裂缝地层提供技术参考，加强对呼吸效应的认识，减少因对呼吸效应的误判而造成的井涌等井下复杂状况的发生，节约钻井成本，提高钻进效率，降低钻井风险。
附图说明
22.图1是本发明模拟装置的结构示意图；
23.图2是本发明模拟装置中主体系统的结构示意图；
24.图3是本发明模拟装置中高压可视计量系统的结构原理示意图；
25.图4是本发明模拟方法的流程图；
26.图5是天然裂缝地层呼吸效应发生过程中裂缝动态变化示意图。
27.附图中：1、岩心；2、主体系统；3、轴压加载腔体；4、围压加载腔体；5、注液系统；6、轴压注液控制系统；7、围压注液控制系统；8、回压控制系统；9、高压可视计量系统；11、裂缝；21、外套筒；22、刚性密封套；23、轴压承载端；24、轴压加载端；25、胶套；241、第一连接件；242、滑套；243、凸圈；244、凸台；51、第一储液罐；52、第一液泵；53、第一管道；54、第一压力传感器；55、第一电磁阀；61、第二储液罐；62、第二液泵；63、第二管道；64、第二压力传感器；65、第二电磁阀；71、第三储液罐；72、第三液泵；73、第三管道；74、第三压力传感器；75、第三电磁阀；81、回压泵；82、回压阀；83、第一阀门；84、第四管道；85、第二阀门；86、压力表；91、高压可视计量装置；92、摄像装置；93、流量计；94、光源。
具体实施方式
28.附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
29.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
30.下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：
31.实施例1
32.如图1至图3所示，一种钻井液在裂缝性地层微量吞吐的模拟装置，包括开设有裂缝11的岩心1以及用于夹持岩心1并对岩心1进行加压的主体系统2，主体系统2上设置有用于对岩心1轴向加压的轴压加载腔体3以及用于对岩心1周向加压的围压加载腔体4，还包括用于向岩心1的裂缝11注入模拟井筒流体的注液系统5、用于模拟岩心1地层围压的轴压注
液控制系统6、用于模拟裂缝11地层开启压力的围压注液控制系统7、用于控制回吐阶段压力的回压控制系统8以及用于对呼吸效应流体回吐阶段进行定量分析的高压可视计量系统9，注液系统5通过管道与裂缝11相连通，轴压注液控制系统6通过管道与轴压加载腔体3相连通，围压注液控制系统7通过管道与围压加载腔体4相连通，回压控制系统8连接在注液系统5与裂缝11之间的管道上，高压可视计量系统9与回压控制系统8相连通。在本实施例中，通过轴压注液控制系统6模拟地层围压，通过围压注液控制系统7模拟岩心1中裂缝11的开启压力，轴压注液控制系统6与围压注液控制系统7的设置，模拟出真实地层压力环境。通过高压可视计量装置能够对呼吸效应进行定量分析，通过围压作用与岩心1可模拟实际工况中地层裂缝11动态开闭的特征；通过高压可视装置能够模拟呼吸效应回吐过程中井筒高压的实际工况；模拟结果更接近于实际地层条件和钻井工况，加强对呼吸效应的认识，进而为钻探深部复杂地层或深水等环境下的天然裂缝地层提供技术支撑，提高钻进效率，节约钻井成本，减小钻井风险。
33.需要说明的是，在本实施例中，岩心1上的裂缝11采用人造裂缝11，可以自主设置裂缝11开启压力，降低了对实验设备的要求，降低了实验难度，增强了实验安全。此外，还需要说明的是，岩心1内部的人造裂缝11，裂缝11从岩心1的一个顶部端面沿岩心1轴向向内延伸，但不贯穿整个岩心1；裂缝11沿岩心1中轴线向径向扩展，不贯穿侧端面。轴压注液控制系统6、围压注液控制系统7、注液系统5以及回压控制系统8均是通过液体进行压力的传递。
34.其中，主体系统2包括外套筒21、刚性密封套22、轴压承载端23以及轴压加载端24，岩心1安装在外套筒21中，刚性密封套22包覆在岩心1外周上并位于外套筒21中，轴压承载端23上设置有贯穿孔，贯穿孔与岩心1中的裂缝11相连通，轴压承载端23以及轴压加载端24设于外套筒21中并分别位于刚性密封套22的两侧，轴压承载端23、刚性密封套22以及轴压加载端24上安装有胶套25，胶套25与外套筒21之间构成的围压加载腔体4，轴压加载端24与外套筒21之间构成的轴压加载腔体3。在本实施例中，轴压承载端23、刚性密封套22以及轴压承载端23上共同安装有胶套25，该胶套25与外套筒21之间构成围压加载腔体4，围压加载腔体4与围压注液控制系统7通过管道相连通，围压注液控制系统7通过围压加载腔体4能够用来模拟岩心1的裂缝11开启压力。轴压承载端23与外套筒21之间构成的轴压加载腔体3，轴压加载腔体3与轴压注液控制系统6通过管道相连通，轴压注液控制系统6通过轴压加载腔体3能够用来模拟岩心1地层的围压。需要说明的是，刚性密封套22能够对岩心1进行完整的包裹，仅仅在与裂缝11接触的端面中心留有预制孔，该预制孔连轴压承载端23上的贯穿孔与岩心1上的裂缝11。刚性密封套22的两个顶部端面分别与轴压承载端23、轴压加载端24相接触，刚性密封套22的侧面设置有胶套25。此外，还需要说明的是，刚性密封套22可以为水泥密封套，也可以是钢套。贯穿孔尺寸与刚性密封套22上的预制孔尺寸一致，并且与注液系统5中的流道尺寸相适应，使得注液流道经贯穿空、预制孔与裂缝11相连。轴压注液控制系统6与轴压加载腔体3相连的管道通过外套筒21上的安装孔与轴压加载腔体3相连通。围压注液控制系统7与围压加载腔体4相连的管道通过外套筒21上的另一安装孔与围压加载腔体4相连通。
35.另外，轴压加载端24包括与刚性密封套22相连的第一连接件241以及滑套242，第一连接件241与滑套242相连，滑套242与外套筒21滑动连接，滑套242上设置有凸圈243，外套筒21上设置有凸台244，凸圈243、滑套242以及凸台244之间构成的轴压加载腔体3。在本
实施例中，由于凸圈243、滑套242以及凸台244之间构成了环形的轴压加载腔体3，该轴压加载腔体3的体积更小，需要的液体也相应地减小，从而可以减小轴压注液控制系统6中液泵的体积。
36.其中，注液系统5包括第一储液罐51、第一液泵52、第一管道53以及用于监测第一管道53中液体压力的第一压力传感器54，第一管道53的一端与第一储液罐51相连，另一端与贯穿孔相连；第一液泵52以及第一压力传感器54安装在第一管道53上。在本实施例中，注液系统5主要用来提供流压，向岩心1裂缝11注入模拟井筒液体。第一液泵52采用恒压恒速泵，通过对应的控制器能够对模拟井筒液体的输出压力进行精确控制，还能够实时获取流量等参数。第一储液罐51主要用于提供模拟井筒液体，第一液泵52的一端和第一储液罐51相连通，第一液泵52的另一端可以与第一电磁阀55的一端相连通，第一电磁阀55的另一端与岩心1的裂缝11相连通，各构件之间通过第一管道53相连通。需要说明的是，第一储液罐51可以为透明结构，该透明结构上设置有刻度，通过刻度可以得知输送至岩心1的裂缝11处的液体体积。此外，第一压力传感器54用于对第一管道53中的压力进行监测。
37.另外，轴压注液控制系统6包括第二储液罐61、第二液泵62、第二管道63以及用于监测第二管道63中液体压力的第二压力传感器64，第二管道63的一端与第二储液罐61相连，另一端与轴压加载腔体3相连；第二液泵62以及第二压力传感器64安装在第二管道63上。在本实施例中，第二储液罐61用于提供模拟轴压流体，第二液泵62的一端和第二储液罐61相连通，第二液泵62的另一端可以与第二电磁阀65的一端相连通，第二电磁阀65的另一端与轴压加载腔体3相连通，各构件之间通过第二管道63相连通。第二压力传感器64用于对第二管道63中的压力进行监测，即对岩心1的模拟轴压进行监测。需要说明的是，第二液泵62可以为手动泵。
38.其中，围压注液控制系统7包括第三储液罐71、第三液泵72、第三管道73以及用于监测第三管道73中液体压力的第三压力传感器74，第三管道73的一端与第三储液罐71相连，另一端与围压加载腔体4相连；第三液泵72以及第三压力传感器74安装在第三管道73上。在本实施例中，第三储液罐71用于提供模拟围压流体，第三液泵72的一端和第三储液罐71相连通，第三液泵72的另一端可以与第三电磁阀75的一端相连通，第三电磁阀75的另一端与围压加载腔体4相连通，各构件之间通过第三管道73相连通。第三压力传感器74用于对第三管道73中的压力进行监测，即对岩心1的模拟围压进行监测。需要说明的是，第三液泵72可以为手动泵。
39.另外，回压控制系统8包括回压泵81、回压阀82、第一阀门83以及第四管道84，回压泵81、回压阀82以及第一阀门83通过第四管道84相连通，第一阀门83靠近岩心1侧，第四管道84的一端与注液系统5相连通，回压阀82的第一端口与第一阀门83相连，回压阀82的第二端口与回压泵81相连，回压阀82的第三端口与高压可视计量系统9相连通。在本实施例中，第四管道84上还设置有压力表，通过压力表的设置可以直观地查看第四管道84中压力的大小。回压泵81可以为手动泵，用于向回压阀82进行供压。回压阀82主要用来模拟呼吸效应流体回吐阶段的井筒压力值。需要说明的是，回压泵81与回压阀82之间设置有第二阀门85，第一阀门83连接在回压阀82与第一管道53相连的第四管道84上。需要说明的是，在第二阀门85与回压阀82之间的第四管道84上还设置有压力表86。
40.其中，高压可视计量系统9包括高压可视计量装置91以及用于拍摄高压可视计量
装置91上数据的摄像装置92，高压可视计量装置91与回压阀82的第三端口相连通。高压可视计量装置91包括高压釜以及在高压高压釜的侧壁设置的可视玻璃，通过该可视玻璃可以看到流量计93，摄像装置92通过可视玻璃对流量计93进行摄像，可观测得到流体总量，进一步对图像进行分析处理还可以得到流体回吐速率等参数。需要说明的是，为了使得拍摄效果更好，流量计93侧还可以设置光源94，光源94与流量计93的距离d1应尽可能小，流量计93与摄像装置92之间的距离d2可以调整。
41.实施例2
42.如图4所示，一种钻井液在裂缝性地层微量吞吐的模拟装置的模拟方法，包括以下步骤：
43.s1：基于模拟天然裂缝地层参数，将回压控制系统8的初始压力与模拟天然裂缝地层附近井筒压力相匹配；
44.s2：开启轴压注液控制系统6和围压注液控制系统7向主体系统2进行注压，使围压和天然裂缝地层开启压力相匹配，轴压和天然裂缝地层围压相匹配；
45.s3：启动注液系统5，将压力设置为模拟井筒压力，向岩心1的裂缝11注液，在显示注液系统5的流量不发生变化后，调高注液系统5的注液压力，使流道压力超过模拟天然裂缝地层开启压力，利用注液系统5中泵的计量系统对流量变化进行计量；
46.s4：关闭注液系统5，打开回压控制系统8的通路，利用高压可视计量系统9对流量变化进行计量。
47.需要说明的是，在步骤3中，调节注液系统5的液压超过模拟天然裂缝地层开启压力，岩心1中的裂缝11会在流道液压与围压注液控制系统7提供的围压的正压差作用下被撑开，即缝宽变大，相应的流道内的模拟地层流体会向裂缝11内漏失，此模拟过程即对应天然裂缝地层发生呼吸效应时，在井底压力与天然裂缝地层开启压力的正压差作用下，天然裂缝动态开启的阶段，即呼吸效应中钻井液漏失阶段。在步骤4中，由于回压控制系统8的初始压力和初始模拟井筒压力相匹配，其压力值低于此阶段裂缝11内流压，在压差作用下，裂缝11内流体回流至回压控制系统8通路，进入高压可视计量装置91内，原被撑开的裂缝11再次闭合，此模拟过程对应天然裂缝地层在呼吸效应发生过程中动态开闭的闭合过程，是呼吸效应发生过程中的钻井液回吐阶段；以上四个步骤即为一次完整的呼吸效应模拟过程。具体地，呼吸效应发生过程中裂缝11的动态变化可结合参阅图5。
48.其中，为研究不同参数对呼吸效应的影响规律，可改变参数重复上述操作步骤s1至s5，得到多组实验结果形成对照，包括进一步增大模拟井筒压力，增大裂缝11开启过程模拟井筒压力和天然裂缝开启压力之间的压差，以研究压差对呼吸效应的影响；改变轴压以研究地层围压对天然裂缝地层呼吸效应的影响规律；改变模拟井筒流体以研究钻井液流变性对呼吸效应的影响等。
49.实施例3
50.a、开始实验前，先按照图1所示连接关系对各部分进行安装，安装完成后对管路密封性进行检查，确保管路密封性良好，所有阀门均处于关闭状态。
51.b、对各部件进行调试，经测试各部件功能正常后，根据要模拟的井筒情况，将回压控制系统8的初始压力与模拟井筒压力相匹配；
52.c、调整好初始压力后，通过轴压注液控制系统6的轴压泵(即第二液泵62)和围压
泵(第三液泵72)向主体系统2内注压，轴压与模拟地层围压相匹配，围压则与模拟天然裂缝地层开启压力相匹配；
53.d、围压和轴压设置完成后，启动注液系统5中的恒压恒速泵(即第一液泵52)向岩心1的裂缝11注液，初始流压设置为模拟井筒压力，在流量无明显变化后，提高恒压恒速泵的流压，使流压超过主体系统2中的围压，在正压差作用下，注入流道内的流体流入裂缝11中，通过恒压恒速泵的计量系统对流体流入体积和速率进行计量，直至示数无明显变化，此阶段为天然裂缝地层呼吸效应钻井液漏失阶段模拟；
54.e、关闭恒压恒速泵，打开回压控制系统8上的第一阀门83，使回压控制系统8流道连通，在裂缝11内流压和回压之间压差作用下，漏失进入裂缝11的流体回流至高压可视计量系统9中的高压可视计量装置91内，通过摄像装置92对回流流体的流入体积和速率进行计量，直至高压可视计量装置91内流量计示数无明显变化，此阶段为天然裂缝地层呼吸效应的钻井液回吐阶段模拟。
55.以上步骤a、b、c、d、e即为一次完整的天然裂缝地层呼吸效应模拟模拟，通过记录示数变化可得到呼吸效应的关键参数如漏失/回吐速率和累计漏失量等随时间的变化规律。
56.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。