一种地层岩样的制备方法、岩样及其模拟钻进观测方法与流程

1.本发明属于油气开采技术领域，具体地，涉及各向异性地层岩样的制备方法、岩样及其模拟钻进观测方法。


背景技术：

2.世界范围内的油气资源绝大部分分布在沉积岩中，沉积岩在形成过程中由于不同地质时期的沉积环境或沉积作用变化，会沿着沉积方向产生层状构造，即层理。具备层理被看作是沉积岩的一个重要特征。在油气钻井过程中，层理性沉积岩非常普遍，而含有层理弱面的岩石具有应力和强度的各向异性，对钻井过程中的井壁稳定有着重要的影响，这主要是因为在井筒应力集中以及钻井液物性的影响下，不同地层段的井壁力学行为可能有较大差别。为了观察和研究这种影响，室内模拟是经济有效的方法之一。
3.目前，对于常规各向同性的均质地层的力学性质的室内研究往往采用原地钻取岩样或人工压制岩样来进行。而对于各向异性岩样，由于层理弱面的存在，原地钻取方式难以保证在卸压以及运输转移过程中岩样的完整性和力学性质不被破坏和影响。对于岩样的人工制备方式，如何获取导致应力各向异性的层理弱面将是一个难点，这制约了对层理性地层钻井过程中的井壁稳定这一重要问题的研究，而目前还没有针对室内制备各向异性地层岩样和观测钻井过程中井壁稳定状态的有效方法。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的第一个目的是提供一种各向异性地层岩样的制备方法，采用室内制备各向异性地层岩样，避免了原地钻取岩样在卸压及运输转移过程中的完整性被破坏或者力学性质的变化，同时节约研究成本。本发明的第二个目的提供了一种各向异性地层岩样。本发明的第三个目的提供了一种各向异性地层岩样的模拟钻进观测方法。
5.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
6.本发明的一方面提供了一种各向异性地层岩样的制备方法，包括步骤：
7.1)将一块岩石层体放入岩样制备模具中；
8.2)称取质量为m的覆膜砂并将其均匀地倒入岩样制备模具中形成覆盖在所述岩石层体上的覆膜砂层；
9.3)在所述覆膜砂层上放置另一块岩石层体；
10.4)向所述制备模具中放入活塞式顶盖，对岩样制备模具的活塞式顶盖施压；
11.5)将压实后的岩样及模具放入高温烤箱进行层间烧结，然后取出模具并等待模具冷却，打开活塞式顶盖；
12.重复步骤2)至5)若干次，且每一次相比上次的烧结的温度和烧结的时间均减小，最终得到不同层间胶结强度的各向异性地层岩样。
13.进一步地，每一块所述岩石层体的尺寸大小相同。
14.进一步地，所述覆膜砂含有固定熔点的单一种类的酚醛树脂壳，不同的烧结温度
和烧结时间的条件下，所述覆膜砂的熔化程度不同，对应冷却后对相邻两个岩石层体的胶结强度也不同。
15.进一步地，所述活塞式顶盖的尺寸与所述岩样制备模具的内壁尺寸相匹配，所述活塞式顶盖沿所述岩样制备模具的内壁上下滑动。
16.进一步地，所述岩样制备模具还包括温度调节按钮，所述温度调节按钮可用于调节所述岩样压制模具内的烧结温度，每次烧结的温度均高于所述覆膜砂的熔点。
17.进一步地，所述岩石层体在所述岩样制备模具内可以呈任意倾斜角度堆叠，以模拟不同的地层倾角。
18.本发明的另一方面提供一种各向异性地层岩样，采用所述的各向异性地层岩样的制备方法制备获得。
19.进一步地，每一层所述覆膜砂形成一个层理弱面，多个所述层理弱面与相邻两侧的岩石层体之间的胶结强度由底层至顶层逐渐减小。
20.本发明的又要方面提供一种所述的各向异性地层岩样的模拟钻进观测方法，包括步骤：
21.使用岩石取心机对所述各向异性地层岩样进行取心并形成模拟井筒；
22.将取心得到的岩样放入真三轴实验机施加模拟地应力；
23.在模拟井筒中循环模拟钻井液；
24.将内窥镜伸入模拟井筒中，对井壁力学行为进行观察。
25.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
26.采用室内制备各向异性地层岩样的方法，避免了原地钻取岩样在卸压及运输转移过程中的完整性被破坏或者力学性质的变化，同时节约研究成本。
27.用烧结及冷却后的覆膜砂对各个岩石层体进行胶结，巧妙地模拟真实地层中导致应力各向异性的层理弱面。
28.试样制备的主要原料覆膜砂来源广泛，价格低廉；制备使用的装置均为岩石力学基础实验装置；制备过程简单易操作。
29.利用制备的各向异性地层岩样和岩石取心机实现了模拟地层和井筒的获取；在真三轴试验机内实现了模拟地应力的施加、模拟钻井液的循环；采用内窥镜对钻井过程中井壁的力学行为进行可视化观察，能够更加准确高效地对井壁稳定问题进行研究。
附图说明
30.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
31.在附图中：
32.图1(a)是本发明提供的各向异性地层岩样的制备方法的第(2)步的状态图；图1(b)是各向异性地层岩样的制备方法的第(3)步的状态图；图1(c) 是各向异性地层岩样的制备方法的第(4)步的状态图；
33.图2是各向异性地层岩样的制备方法第1至第4次烧结后得到的各向异性岩样示意图；
34.图3是对各向异性岩样进行钻井取心的状态图；
35.图4是对筒壁的力学行为进行观测的状态图；
36.附图中各标记表示如下：
37.1-岩石层体、2-覆膜砂、3-岩样制备模具、4-真三轴试验机、3-1-模具内腔、 3-2-活塞式顶盖、5-恒温烤箱、6-各向异性地层岩样、7-岩石取心机、8-水基模拟钻井液、9-内窥镜、10-模拟井壁、11-模拟井筒，
具体实施方式
38.下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
39.本发明的实施例提供了一种各向异性地层岩样的制备方法、各向异性地层岩样以及各向异性地层岩样的模拟钻进观测方法，采用室内制备各向异性地层岩样的方法，避免了原地钻取岩样在卸压及运输转移过程中的完整性被破坏或者力学性质的变化，同时节约研究成本。制备获得的各向异性地层岩样用烧结及冷却后的覆膜砂对各个岩石层体进行胶结，巧妙地模拟真实地层中导致应力各向异性的层理弱面。利用制备的各向异性地层岩样和岩石取心机实现了模拟地层和井筒的获取；在真三轴试验机内实现了模拟地应力的施加、模拟钻井液的循环；采用内窥镜对钻井过程中井壁的力学行为进行可视化观察，能够更加准确高效地对井壁稳定问题进行研究。
40.实施例1
41.如图1和图2所示，为各向异性地层的岩样制备方法的原料、装置及步骤示意图(以第1次烧结为例)和第1至第4次烧结后的各向异性岩样示意图。其中，制备岩样的原料和装置包括：五个岩石层体1、酚醛树脂覆膜砂2、岩样制备模具3，真三轴试验机4、高温烤箱5。制备方法大体为：在不同烧结温度和时间下，利用不同熔化程度的覆膜砂2在冷却后对各岩层间的胶结强度差异，获得不同层间连接强度的层理地层岩样。
42.进一步地，所述五块岩石层体1为原地钻取或人工制备获得，每个岩石层体具有一致的形状和尺寸，且分别模拟对应着不同岩性的实际地层。
43.进一步地，所述酚醛树脂覆膜砂2含单一种类的酚醛树脂壳且具有固定熔点tr＝200℃，在不同烧结温度t1～t4和烧结时间t1～t4下覆膜砂树脂壳的熔化程度不同，对应冷却后对相邻两个岩石层体的胶结强度也不同。
44.进一步地，所述岩样制备模具3含有活塞式顶盖3-2，其尺寸与模具内腔3-1 尺寸相同，且可沿着模具内腔3-1移动。
45.进一步地，所述恒温烤箱5具备可调节的不同温度档位，且这些档位中的若干个所对应的温度值均大于酚醛树脂覆膜砂2的树脂壳熔点tr＝200℃，即有t1》t2》t3》t4…
》tr＝200℃。
46.进一步地，所述五个岩石层体1在所述岩样制备模具3内可以呈任意倾斜角度堆叠，以模拟不同的地层倾角。本实施例中的岩石层体1的倾斜角度为0
°
。
47.进一步地，所述岩样制备方法的具体步骤为，
48.(1)先将一块岩石层体1放入岩样制备模具3后：
49.(2)如图1(a)所示，称取固定质量ms＝20g的覆膜砂2并将其均匀地倒入岩样制备模具3中，在覆膜砂层2上放置另一块岩石层体1，然后放入活塞式顶盖3-2；
50.(3)如图1(b)所示，采用真三轴试验机4的轴压系统对岩样制备模具的活塞式顶盖3-2以一定的压制力f＝3kn加压固定时间tf＝10min；
51.(4)如图1(c)所示，将压实后的岩样(包括1、2)及模具3放入高温烤箱5进行一定烧结温度ti(t1≥ti≥t4)和时间ti(t1≥ti≥t4)的层间烧结，然后取出模具并等待岩样(包括1、2)和模具3冷却，并打开活塞式顶盖3-2；
52.(5)重复步骤(2)～(3)，过程中逐步减小烧结温度ti(由t1逐步减小至 t4)和时间ti(由t1逐步减小至t4)，最终获得图2所示不同层间胶结强度的、含有四个层理弱面的各向异性地层岩样6。
53.进一步地，所述第m层覆膜砂2在第n次烧结及冷却后对相邻两块岩石层体1的胶结强度的表达式如下：
[0054][0055]
其中，αi为烧结强度的温度敏感系数，βi为烧结强度的时间敏感系数。
[0056]
根据上式，图2中经过4次烧结后制备完成的各向异性地层岩样6的四个层理弱面对相邻岩层的胶结强度有以下关系：
[0057][0058]
实施例2
[0059]
如图3所示，为利用制备的岩样进行模拟钻井过程中井壁力学行为观测过程示意图。本发明的实施2提供了一种实施例1中制备获得的各向异性岩样的模拟钻井的观测方法，其中，所用原料和装置包括：岩石取心机7、水基模拟钻井液8、真三轴试验机4、内窥镜9。
[0060]
进一步地，所述水基模拟钻井液8透光性较好，以满足后续使用内窥镜9 观察的需要。所述内窥镜9放置在钻井液8环境中对模拟井壁10进行观察。所述真三轴实验机上集成了模拟钻井液循环系统4-1和内窥镜观测系统4-2。
[0061]
进一步地，所述观测方法的具体步骤为：
[0062]
(1)如图3所示，使用岩石取心机7对制备好的各向异性地层岩样6进行取心并形成模拟井筒11；
[0063]
(2)如图4所示，将取心后的岩样放入真三轴实验机3，利用轴压系统和围压系统施加模拟垂向地应力σv及水平地应力σh，并在模拟井筒11中循环模拟钻井液8；
[0064]
(3)如图4所示，将内窥镜9伸入模拟井筒11中，对钻井过程中模拟井壁10的力学行为进行观察。
[0065]
本发明针对可供力学研究的层理性地层岩样获取的困难，使用来源广泛、价格低廉的覆膜砂原料和基本的岩石力学实验装置，通过室内制备方法获得各向异性岩样。制备过程简单易操作，且可重复性强。在制备的岩样上钻取孔眼充当模拟井筒，在真三轴试验机上同时实现模拟实际钻井过程中的地应力施加和钻井液循环，并利用内窥镜对模拟井壁的力学行为进行观察，从而实现对井壁稳定这一油气钻井过程中的重要问题的实时可视化研
究。
[0066]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。