[发明专利]地层条件下泥岩、钻井液相互作用模拟实验装置及方法

摘要

本发明涉及一种地层条件下泥岩、钻井液相互作用模拟实验装置及方法，其技术方案包括高温高压釜、钻井液系统、围压系统、计算机系统、加温系统、温控箱、传感器系统，计算机系统分别与钻井液系统、围压系统、高温高压釜和传感器系统相连；高温高压釜上装有围压放空阀和钻井液放空阀；围压系统的另一端与高温高压釜相连；钻井液系统的另一端与高温高压釜相连；加温系统包裹在高温高压釜的外侧；温控箱分别与高温高压釜内外相连。本发明解决了在地层高温高压条件下泥岩、钻井液相互作用的模拟实验装置及岩石力学参数的测试问题，用于获得在地层高温高压环境中钻井液对泥岩力学性能的影响，为现场钻井提供实验数据，指导油气、地热资源的钻探。

主权项

1.一种地层条件下泥岩、钻井液相互作用模拟实验装置，其特征是：包括高温高压釜（1）、钻井液系统（2）、围压系统（3）、计算机系统（4）、加温系统（5）、第一放空阀（7）、第二放空阀（12）、温控箱（17）和变形传感器（23），所述钻井液系统（2）的一端通过第一数据传输线（9）与计算机系统（4）相连，并由计算机系统（4）控制；钻井液系统（2）的另一端通过第一高压管线（10）穿过加温系统（5）与高温高压釜（1）底端相连，用于给高温高压釜（1）中的岩心施加钻井液压力；围压系统（3）的一端通过第二数据传输线（13）与计算机系统（4）相连，并由计算机系统（4）控制；围压系统（3）的另一端通过第二高压管线（14）穿过加温系统（5）与高温高压釜（1）相连，用于给高温高压釜（1）中的岩心施加围压；第一放空阀（7）安装在第三高压管线（8）上，并通过第三高压管线（8）穿过加温系统（5）与高温高压釜（1）相连，用以实现对高温高压釜（1）中围压流体的放空；第二放空阀（12）安装在第四高压管线（11）上，并通过第四高压管线（11）穿过加温系统（5）与高温高压釜（1）相连，用以实现高温高压釜（1）中钻井液的流出；加温系统（5）包裹在高温高压釜（1）的外侧，利用电磁波加热原理，对高温高压釜（1）内的流体和岩心进行加热；第三数据传输线（15）的一端与计算机系统（4）相连，第三数据传输线（15）的另一端穿过加温系统（5）与高温高压釜（1）相连，用于实现计算机系统（4）对高温高压釜（1）内岩心轴向变形的监测；第四数据传输线（6）的一端与计算机系统（4）相连，第四数据传输线（6）的另一端穿过加温系统（5）与高温高压釜（1）相连，用于实现计算机系统（4）对高温高压釜（1）内岩心径向变形的监测；第五数据传输线（16）的一端与温控箱（17）相连，第五数据传输线（16）的另一端上装有温度传感器，穿过加温系统（5）与高温高压釜（1）内侧相连，用于温控箱（17）对高温高压釜（1）内岩心温度的监测；第六数据传输线（18）的一端与温控箱（17）相连，第六数据传输线（18）的另一端上装有温度传感器，穿过加温系统（5）与高温高压釜（1）外侧相连，用于温控箱（17）对高温高压釜（1）外侧温度的监测；第七数据传输线（19）的一端与温控箱（17）相连，另一端与计算机系统（4）相连接，用于实现高压釜温度的自动记录和控制；所述高温高压釜（1）包括岩心（20）、下压头（21）、上压头（22）、传感器系统（23），岩心（20）被夹在上压头（22）和下压头（21）之间，岩心（20）通过铜套（25）、第一小石墨环（26）、第二小石墨环（28）和钢管（29）进行密封，高温高压釜（1）采用柔性的大石墨环（24）进行密封，变形传感器（23）位于岩心外侧，用于实现对岩心变形的监测；所述下压头（21）的中间设有圆形通道，用以将钻井液传递出岩心，实现流体的流动；下压头（21）的上部端面剖面上带有凹槽，便于钻井液在岩心入口端面的流动；所述上压头（22）的中间设有圆形通道，并从上压头（22）的侧壁引出，形成L形通道结构，用以将钻井液从上压头外壁传递到岩心中，实现流体的流动；上压头（22）的下部端面剖面上带有凹槽，便于钻井液在岩心出口端面的流动；所述钢管（29）为厚壁刚性材料制成，管壁四周开有一些小孔，确保围压可以作用在铜套（25）上，传递围压给岩心（20），同时使变形传感器（23）可以通过小孔穿过钢管（29）与铜套（25）相连，实现岩心变形的监测；使用方法，其特征是包括以下实验步骤：（1）准备岩心（20），且岩心两端面平行；（2）将待实验岩心（20）装在铜套（25）中，然后将岩心（20）和铜套（25）放入钢管（29）内，上压头（22）的上部和下压头（21）的下部分别装好第一小石墨环（26）、第二小石墨环（28），之后装好上压帽（27）及下压帽（30）；（3）利用上压帽（27）、下压帽（30）将带有第一小石墨环（26）、第二小石墨环（28）的上压头（22）、下压头（21）压入铜套（25）内，使岩心（20）在铜套（25）及钢管（29）的中央位置，将上压帽（27）及下压帽（30）同时向第一小石墨环（26）、第二小石墨环（28）挤压，使第一小石墨环（26）、第二小石墨环（28）变形，变形后的小石墨环将铜套（25）紧密的压持在钢管（29）上；（4）将岩心外侧装好变形传感器系统（23）后，置于高温高压釜（1）内；（5）打开围压系统（3），使高温高压釜（1）中充满耐高温硅油；（6）将第二放空阀（12）打开，与真空泵连接，抽真空；（7）利用计算机系统（4）控制围压系统（3）给高温高压釜（1）内施加围压，当围压达到设定值时，利用伺服控制系统保持围压恒定；再用计算机系统（4）控制钻井液系统（2）给高温高压釜（1）内岩心（20）施加钻井液压力，当钻井液压力达到设定值时，并利用伺服控制系统维持钻井液压力不变；（8）打开温控箱（17），并设置目标温度，对高温高压釜（1）内流体进行加热，直至温度达到设定值，加热过程中保持各压力不变；加温完成后保证在整个实验过程中温度、各压力保持不变；（9）利用计算机系统（4）记录岩心的轴向和径向变形随岩心与钻井液接触时间的变化规律；（10）待岩心与钻井液的相互作用时间达到设定值后，增大岩心的轴向应力，直至岩心（20）发生破坏，测得与钻井液发生反应后岩心的力学参数，从而得出浸泡钻井液对于岩心的力学参数的影响；（11）降低高温高压釜温度，降温到100℃以下，再开始同时卸载钻井液压力、围压，卸压后打开第一放空阀（7），第二放空阀（12），拆卸高温高压釜（1），取出变形传感器（23）及实验岩心（20），实验完成。