模拟钻井条件下岩芯与钻井液相互作用的装置及方法.pdf

本发明提供了一种模拟钻井条件下岩芯与钻井液相互作用的装置及方法。其中，装置包括：活塞容器，包括液压室和岩芯室；平流泵，与液压室连接，用于向岩芯室加载工作压力；驱替循环泵，与岩芯室连接，用于将钻井液泵入岩芯室并形成循环流动。与现有技术相比，本发明提供的测量装置原理可靠，结构简单，可操作性强。该装置实现了高温、高压、钻井液动态下与岩芯接触作用的环境行为特征模拟，为岩芯强度特征变化和钻井液抑制性评价提供了可靠的基础，从而指导现场钻井液方案的合理设计。

1.  一种模拟钻井条件下岩芯与钻井液相互作用的装置，其特征在于，包括：
活塞容器（1），包括液压室和岩芯室；
平流泵（2），与所述液压室连接，用于向所述岩芯室加载工作压力；
驱替循环泵（3），与所述岩芯室连接，用于将钻井液泵入所述岩芯室并 形成循环流动。

2.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
加热装置（4），用于所述岩芯室加热。

3.  根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述活塞容器（1）置于所述加 热装置内。

4.  根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述加热装置（4）是恒温箱。

5.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
支架（5），安装在所述岩芯室内，用于放置待浸泡岩芯（6）。

6.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述活塞容器（1）为透明或不 透明材料制成的。

7.  一种模拟钻井条件下岩芯与钻井液相互作用的方法，其特征在于，包括
提供权利要求1至6中任一项所述的装置；
将待浸泡岩芯（6）置于所述岩芯室内；
通过所述平流泵（2）和所述液压室向所述岩芯室加载工作压力；
通过所述驱替循环泵（3）向所述岩芯室泵入钻井液；
在预定的温度和压力下，再次启动所述驱替循环泵（3），以使所述钻井 液在所述岩芯室内单向流动，以开始钻进条件下的岩芯与钻井液的接触过程 模拟；
对与所述钻井液接触作用之后的所述岩芯进行力学测试以得到钻井液对 岩芯强度的影响规律。

8.  根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在通过所述驱替循环泵（3）向 所述岩芯室泵入钻井液之后还包括：
对所述岩芯室加热，以使所述钻井液达到预定的温度。

模拟钻井条件下岩芯与钻井液相互作用的装置及方法
技术领域
本发明涉及石油工业钻井领域，特别涉及一种模拟钻井条件下岩芯与钻井液 相互作用的装置及方法。
背景技术
在石油钻井过程中，钻井液滤液会通过水力压差、化学势差、浓度差、毛管 力等作用进入岩芯内部，导致岩芯与钻井液之间发生水和离子的运移及交换， 这种环境行为特征会引起易坍塌岩芯本体强度和力学特征的变化，并且这种环 境行为特征在循环流动钻井液作用下动态变化。钻井液作用下岩芯强度和力学 特征变化规律是钻井中井壁稳定性分析及钻井液性能评价的重要指标，是贯穿 整个钻完井过程的重要环节，直接影响钻井速度、完井方式及储层改造工作。 因此，通过室内评价岩芯与钻井液之间相互作用对于现场钻井方案及工艺设计 具有重大意义。
目前业内主要通过将岩芯置于盛满钻井液的烧杯中静止浸泡数小时后开展力 学实验进行岩芯强度特征分析和钻井液抑制性评价。也有学者研制出能实现温 度，压力加载的岩芯浸泡装置（200620137228.6），但均存在以下不足：
1、加载压力最高为5MPa，不能模拟井下数千米地层的真实地层压力。
2、岩芯是静止浸泡在钻井液中，不能模拟钻井条件下岩芯与动态循环钻井液 接触的复杂工况。
发明内容
本发明提供一种结构简单、成本低、可模拟钻井条件下岩芯与动态循环钻井 液接触的复杂工况的模拟钻井条件下岩芯与钻井液相互作用的装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种模拟钻井条件下岩芯与钻井液相互 作用的装置，包括：活塞容器，包括液压室和岩芯室；平流泵，与液压室连接， 用于向岩芯室加载工作压力；驱替循环泵，与岩芯室连接，用于将钻井液泵入 岩芯室并形成循环流动。
进一步地，装置还包括：加热装置，用于岩芯室加热。
进一步地，活塞容器置于加热装置内。
进一步地，加热装置是恒温箱。
进一步地，装置还包括：支架，安装在岩芯室内，用于放置待浸泡岩芯。
进一步地，活塞容器为透明或不透明材料制成的。
本发明还提供了一种模拟钻井条件下岩芯与钻井液相互作用的方法，包括提 供上述的装置；将待浸泡岩芯置于岩芯室内；通过平流泵和液压室向岩芯室加 载工作压力；通过驱替循环泵向岩芯室泵入钻井液；在预定的温度和压力下， 再次启动驱替循环泵，以使钻井液在岩芯室内单向流动，以开始钻进条件下的 岩芯与钻井液的接触过程模拟；对与钻井液接触作用之后的岩芯进行力学测试 以得到钻井液对岩芯强度的影响规律。
进一步地，在通过驱替循环泵向岩芯室泵入钻井液之后还包括：对岩芯室加 热，以使钻井液达到预定的温度。
与现有技术相比，本发明提供的测量装置原理可靠，结构简单，可操作性强。 该装置实现了高温、高压、钻井液动态下与岩芯接触作用的环境行为特征模拟， 为岩芯强度特征变化和钻井液抑制性评价提供了可靠的基础，从而指导现场钻 井液方案的合理设计。
附图说明
图1是本发明中的装置的结构示意图。
图中附图标记：1、活塞容器；2、平流泵；3、驱替循环泵；4、加热装置； 5、支架；6、待浸泡岩芯；7、第一储液罐；8、第二储液罐；9、第一阀门；10、 第二阀门；11、第三阀门；12、调压管线。
具体实施方式
作为本发明的第一方面，提供了一种模拟钻井条件下岩芯与钻井液相互作用 的装置，包括：活塞容器1，包括液压室和岩芯室；平流泵2，与液压室连接， 用于向岩芯室加载工作压力；驱替循环泵3，与岩芯室连接，用于将钻井液泵入 岩芯室并形成循环流动。优选地，装置还包括：支架5，安装在岩芯室内，用于 放置待浸泡岩芯6。
其中，活塞容器1被其内的活塞隔开分为两部分，一部分为液压室，与平流 泵2连接，通过平流泵2注入流体实现压力加载和调节；另一部分为盛放待浸 泡岩芯（岩芯）和钻井液的岩芯室。岩芯室内有一个支架用于固定待浸泡岩芯， 使岩芯位于岩芯室的中间位置，以便使待浸泡岩芯的各端面均能与流体接触。
岩芯室与驱替循环泵3的两端连接，通过驱替循环泵3的作用，实现岩芯室 内流体的单向流动。
与现有技术相比，本发明提供的测量装置原理可靠，结构简单，可操作性强。 该装置实现了高温、高压、钻井液动态下与岩芯接触作用的环境行为特征模拟， 为岩芯强度特征变化和钻井液抑制性评价提供了可靠的基础，从而指导现场钻 井液方案的合理设计。
优选地，活塞容器1为透明或不透明材料制成的。例如，本装置配备了两种 材质的活塞容器1，一种为钢制的，承压能力强，另一种为钢化玻璃材料，后者 承压能力相对较弱，但可以实现动态可视化观测，根据实验需求进行选取，同 时整个装置所配备的储液罐及活塞容器均可以根据需要进行调整以满足标准岩 样或者全尺寸岩样的测试要求。
优选地，装置还包括：加热装置4，用于岩芯室加热。优选地，加热装置4 是恒温箱。优选地，活塞容器1置于加热装置内。这样，整个活塞容器1均置 于恒温箱中，以此来调节所需实验温度，通过调压管线12连接其内部的活塞容 器和外部的泵与储液罐；装置中的泵与温控箱均自带数显的压力表与温度表， 以便实时监测整个实验环境。
下面，对本发明中的装置的操作过程进行示例性说明。
请参考图1，由于本发明是组合式装置，因此首先需要通过调压管线12将装 置的各主体部件（如第一储液罐7、第二储液罐8、活塞容器1、平流泵2及驱 替循环泵3等）连接起来，以通过第一、第二和第三阀门的控制实现压力及钻 井液的加载与释放。
当装置连接完毕后，将实验用的一寸标准岩样（即待浸泡岩芯6）置于活塞 容器1内的支架5上固定，以便岩芯的表面能最大程度且均匀的与钻井液接触。
然后，关闭第一阀门9、第二阀门10，打开第三阀门11，通过平流泵2将第 一储液罐7（也可称为清水储液罐）中的溶液，泵入活塞容器1内进行工作压力 加载，加载至60MPa，保持2分钟，观察平流泵2上面的压力计数器是否发生 改变，若压力小幅度减小，则微调至目标压力即可，若压降较大，可能是管线 连接密闭性不好，需要重新连接。
在工作压力加载完毕后，关闭第三阀门11，打开第一阀门9，通过驱替循环 泵3将第二储液罐8盛放的钻井液缓慢打入活塞容器1中的岩芯室，使钻井液 完全充满容器。
关闭第一阀门9，调节恒温箱温度至90℃，让钻井液预热三个小时左右。
打开第一阀门9和第二阀门10，通过驱替循环泵3的驱动使岩芯室内的钻井 液单向流动，循环泵的排量在0～12ml/min，可适当调节，通常工作时间为12～24 小时以满足行业需求，以此模拟地下三千米左右钻井液与井周围岩接触情况； 在岩芯与钻井液接触实验一次完毕后，更换钻井液体系及岩芯进行重复性实验， 最后利用浸泡过的岩芯进行力学实验，开展井壁稳定分析及钻井液抑制性评价。
作为本发明的第二方面，提供了一种模拟钻井条件下岩芯与钻井液相互作用 的方法，包括提供上述的装置；将待浸泡岩芯6置于岩芯室内；通过平流泵2 和液压室向岩芯室加载工作压力；通过驱替循环泵3向岩芯室泵入钻井液；在 预定的温度和压力下，再次启动驱替循环泵3，以使钻井液在岩芯室内单向流动， 以开始钻进条件下的岩芯与钻井液的接触过程模拟；对与钻井液接触作用之后 的岩芯进行力学测试以得到钻井液对岩芯强度的影响规律。
优选地，在通过驱替循环泵3向岩芯室泵入钻井液之后还包括：对岩芯室加 热，以使钻井液达到预定的温度。
下面，以某一测试为例，对本发明中的测量方法钻井条件下岩芯与钻井液接 触相互作用的测量方法进行示例性说明：
（1）将各部件连接起来。平流泵2的两端与第一储液罐、活塞容器1的液压 室相连，驱替循环泵3的两端与第二储液罐8和活塞容器1的岩芯室相连，由 于实验过程涉及高温高压作业，因此优选的，还需要进行密闭性检测。
（2）将待浸泡岩芯6置入活塞容器1的岩芯室，通过平流泵2将清水泵入活 塞容器1的液压室，加载工作压力，然后通过驱替循环泵3将钻井液泵入活塞 容器1的岩芯室，通过恒温箱预热工作环境。
（3）在温度和压力达到预设实验目标后，再次启动驱替循环泵3，使钻井液 在岩芯室内单向流动，开始钻井条件下的岩芯与钻井液的接触过程模拟。
（4）将与钻井液接触作用之后的岩芯取之，开展岩芯力学测试可得到钻井液 对岩芯强度的影响规律。
（5）在岩芯与钻井液一次接触完毕后，可更换钻井液体系，重复（2）（3） （4）步骤。
（6）利用上述步骤获得的数据开展钻井液性能评价与岩芯强度特征变化规律 研究。