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1、10申请公布号43申请公布日21申请号201410505237522申请日20140928E21B49/0020060171申请人中国石油大学（华东）地址266555山东省青岛市经济技术开发区长江西路66号72发明人范宜仁吴飞李虎葛新民邓少贵谭宝海74专利代理机构济南舜源专利事务所有限公司37205代理人邵朋程54发明名称模拟泥饼形成过程的实验装置57摘要本发明公开了一种模拟泥饼形成过程的实验装置，其包括模拟井筒与侵入室，所述模拟井筒分别连接加料仓与加压泵，在模拟井筒的井轴位置安装搅拌轴，搅拌轴与搅拌电机传动连接，在搅拌轴上设置有叶轮，所述模拟井筒上开设有窗口，所述侵入室内装有地层模块，侵入室。
2、密封连接在模拟井筒的窗口处，在侵入室的出口端设置有滤失流量测量装置。本发明实现了不同泥浆类型、不同泥浆压力、不同水动力条件下的泥浆滤失实验，为研究泥饼的形成规律及评价泥浆的滤失性和造壁性创造了有利条件，对优化泥浆性能、保护储层产能具有重要意义。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书4页附图5页10申请公布号CN104500048A43申请公布日20150408CN104500048A1/1页21一种模拟泥饼形成过程的实验装置，其特征在于包括模拟井筒与侵入室，所述模拟井筒分别连接加料仓与加压泵，在模拟井筒的井轴位置安装搅拌轴，搅拌轴与搅拌电机传动连接，。
3、在搅拌轴上设置有叶轮，所述模拟井筒上开设有窗口，所述侵入室内装有地层模块，侵入室密封连接在模拟井筒的窗口处，在侵入室的出口端设置有滤失流量测量装置，所述滤失流量测量装置包括带刻度玻璃管，所述带刻度玻璃管的开口端接滤液输送管出口端流出的滤液，滤液输送管的进口端连接侵入室出口端，所述带刻度玻璃管的底端连接放空管，在放空管上设置有放空阀，所述带刻度玻璃管的一侧设置有摄像头，摄像头通过视频记录终端连接显示器。2根据权利要求1所述的一种模拟泥饼形成过程的实验装置，其特征在于所述窗口共开设8个，分别布置在模拟井筒的两侧，每侧4个；所述侵入室也配备8个。3根据权利要求1或2所述的一种模拟泥饼形成过程的实验装。
4、置，其特征在于所述侵入室呈扇形结构，侵入室包括壳体与封板，壳体前后两端及顶面开口，内部形成容纳地层模块的腔室，封板安装在壳体顶面；所述地层模块也呈扇形结构，地层模块与侵入室的大小相适配。4根据权利要求3所述的一种模拟泥饼形成过程的实验装置，其特征在于所述的侵入室配备用于密封地层模块四个侧面的密封胶皮套，所述密封胶皮套呈前后两端开口的扇形结构。5根据权利要求1所述的一种模拟泥饼形成过程的实验装置，其特征在于还包括用以将侵入室推靠至模拟井筒的窗口上的千斤顶，以及用于将千斤顶压力维持在所需压力范围内的液压控制装置。6根据权利要求1所述的一种模拟泥饼形成过程的实验装置，其特征在于还包括地层模块饱和装置。
5、，所述地层模块饱和装置包括岩心室、柱塞加压泵、加料室、溶液室与真空泵，所述加料室通过加料管与溶液室相连，在加料管上设置有加料阀，所述溶液室通过管路连接岩心室，在管路上设置有柱塞加压泵与数控压力表，所述岩心室与溶液室分别通过管路连接真空泵，在岩心室与真空泵之间的连接管路上设置有真空压力表。7根据权利要求1所述的一种模拟泥饼形成过程的实验装置，其特征在于还包括钻井泥浆配制装置，所述钻井泥浆配制装置包括泥浆池，在泥浆池内设置有搅拌轴，搅拌轴与搅拌电机连接，在搅拌轴上设置有叶轮，所述泥浆池还连接一外循环管路，在外循环管路上设置有剪切泵。权利要求书CN104500048A1/4页3模拟泥饼形成过程的实验。
6、装置技术领域0001本发明涉及石油勘探开发领域，属于储层岩石物理实验技术范畴，具体的说是涉及一种模拟钻井泥饼形成过程的实验平台。背景技术0002过平衡钻井施工时会在井壁形成泥饼，延缓泥浆滤液侵入地层，防止孔壁坍塌，因此钻井泥饼的形成规律是钻井工程的重要研究内容。0003目前，国内外已有的泥饼形成过程模拟装置主要有模拟井尺度泥浆侵入模拟装置；岩心尺度泥浆侵入模拟装置；钻井液动、静滤失仪。0004模拟井尺度泥浆侵入模拟装置的优点井眼水动力环境、泥饼形成条件与实际钻井过程接近，实验结果对现场改善钻井液性能、优化钻井施工条件等以减小储层泥浆侵入伤害有指导意义。缺点造价高、利用率低、难以推广。0005岩。
7、心尺度泥浆侵入模拟装置的优点仪器结构相对简单，便于控制温度、压力等条件；所需的岩心体积小，可使用钻井取心作为侵入介质。缺点实验中滤液的渗流形态是水平线性流，而井下实际情况是平面径向流，模拟程度不够逼真；实验岩心尺寸小，与实际钻井条件差距较大。0006钻井液动、静滤失仪的优点仪器结构简单，便于控制温度、压力条件。缺点所用的渗透介质一般是岩心或滤纸，与井下实际条件相差太大。发明内容0007鉴于目前泥饼形成模拟装置造价高、利用率低、模拟程度不够逼真等问题，本发明设计一种实验对象尺寸适中、功能齐全、能够逼真模拟复杂钻井条件下泥饼形成过程的实验装置，对研究泥饼形成规律、优化泥浆性能、保护储层产能具有重要。
8、意义。0008本发明所采用的技术解决方案是0009一种模拟泥饼形成过程的实验装置，包括模拟井筒与侵入室，所述模拟井筒分别连接加料仓与加压泵，在模拟井筒的井轴位置安装搅拌轴，搅拌轴与搅拌电机传动连接，在搅拌轴上设置有叶轮，所述模拟井筒上开设有窗口，所述侵入室内装有地层模块，侵入室密封连接在模拟井筒的窗口处，在侵入室的出口端设置有滤失流量测量装置，所述滤失流量测量装置包括带刻度玻璃管，所述带刻度玻璃管的开口端接滤液输送管出口端流出的滤液，滤液输送管的进口端连接侵入室出口端，所述带刻度玻璃管的底端连接放空管，在放空管上设置有放空阀，所述带刻度玻璃管的一侧设置有摄像头，摄像头通过视频记录终端连接显示器。
9、。0010优选的，所述窗口共开设8个，分别布置在模拟井筒的两侧，每侧4个；所述侵入室也配备8个。0011优选的，所述侵入室呈扇形结构，侵入室包括壳体与封板，壳体前后两端及顶面开口，内部形成容纳地层模块的腔室，封板安装在壳体顶面；所述地层模块也呈扇形结构，地说明书CN104500048A2/4页4层模块与侵入室的大小相适配。0012优选的，所述的侵入室配备用于密封地层模块四个侧面的密封胶皮套，所述密封胶皮套呈前后两端开口的扇形结构。0013优选的，上述模拟泥饼形成过程的实验装置还包括用以将侵入室推靠至模拟井筒的窗口上的千斤顶，以及用于将千斤顶压力维持在所需压力范围内的液压控制装置。0014优选的。
10、，上述模拟泥饼形成过程的实验装置还包括地层模块饱和装置，所述地层模块饱和装置包括岩心室、柱塞加压泵、加料室、溶液室与真空泵，所述加料室通过加料管与溶液室相连，在加料管上设置有加料阀，所述溶液室通过管路连接岩心室，在管路上设置有柱塞加压泵与数控压力表，所述岩心室与溶液室分别通过管路连接真空泵，在岩心室与真空泵之间的连接管路上设置有真空压力表。0015优选的，上述模拟泥饼形成过程的实验装置还包括钻井泥浆配制装置，所述钻井泥浆配制装置包括泥浆池，在泥浆池内设置有搅拌轴，搅拌轴与搅拌电机连接，在搅拌轴上设置有叶轮，所述泥浆池还连接一外循环管路，在外循环管路上设置有剪切泵。0016本发明的有益技术效果是。
11、0017本发明设计的模拟泥饼形成过程的实验装置具备模块化、模拟程度逼真、利用率高等特点，通过变化侵入时间可得到不同阶段的泥饼样品；实现了不同泥浆体系、不同泥浆压力、不同水动力条件下的泥浆滤失实验，为研究泥饼的形成规律及评价泥浆的滤失性和造壁性创造了有利条件，对优化泥浆性能、保护储层产能具有重要意义。附图说明0018附图1是模拟泥饼形成过程的实验装置结构示意图。0019附图2是地层模块形状示意图。0020附图3是千斤顶液压控制装置结构示意图；图3A是液压回路图，图3B是控制电路图。0021附图4是侵入室及密封胶皮套示意图；图4A是侵入室的俯视图，图4B是侵入室的侧视图，图4C是密封胶皮套的示意图。
12、。0022附图5是滤失流量测量装置结构示意图。0023附图6是地层模块饱和装置结构示意图。0024附图7是钻井泥浆配制装置结构示意图。具体实施方式0025有关本发明的详细说明、技术细节及具体操作过程，结合附图详述如下。0026如图1所示，一种模拟泥饼形成过程的实验装置，包括模拟井筒与侵入室4。模拟井筒1的承压5MPA，选用直径260MM、厚度12MM的不锈钢管制作而成。所述模拟井筒1分别连接加料仓101与泥浆加压泵102，泥浆加压泵102选用耐腐蚀的不锈钢柱塞泵，承压10MPA。在模拟井筒1的井轴位置安装搅拌轴103，搅拌轴103与模拟井筒1两端的搅拌电机104传动连接，在搅拌轴103上设置有。
13、叶轮105。搅拌电机104配备减速器，能够调节搅拌转速，模拟钻井泥浆循环时对井壁的冲刷作用，搅拌转速控制在20380R/MIN。模拟井筒配备搅拌轴、叶轮和搅拌电机，能够逼真模拟钻井条件下的泥浆静滤失和动滤失，使形成说明书CN104500048A3/4页5泥饼的水动力条件接近井下环境。所述模拟井筒1上开设有窗口106，所述窗口106共开设8个，分别布置在模拟井筒101的两侧，每侧4个。所述侵入室4选用厚度32MM的不锈钢板制作。侵入室4内装有地层模块2，侵入室密封连接在模拟井筒的窗口106处，侵入室4也设置8个，模拟井筒的每一窗口106处均连接一侵入室，在每个侵入室的出口端均设置有滤失流量测量装。
14、置。如图5所示，所述滤失流量测量装置包括带刻度玻璃管501，所述带刻度玻璃管501的开口端接滤液输送管502出口端流出的滤液，滤液输送管502的进口端连接侵入室出口端。所述带刻度玻璃管501的底端连接放空管503，在放空管503上设置有放空阀504。所述带刻度玻璃管501的一侧设置有摄像头505，摄像头505通过视频记录终端506连接显示器507。滤失流量测量装置可实时显示并记录每个侵入室泥浆滤液的滤失量及滤失速度的变化。由于泥饼的作用，导致泥浆滤液的滤失速度由快变慢，流量变化范围大，采用视频方式记录出口流量的变化，实验结束后通过视频回放确定不同时刻的滤失速度。0027作为对本发明的进一步改进。
15、，所述地层模块2与侵入室4均呈扇形结构。地层模块2的形状如图2所示，可确保泥浆滤液在其中的渗流状态与实际钻井条件相同，并且提高了使用率。该地层模块作为渗透介质，能够模拟的最大静水压力差为5MPA。侵入室4的大小与地层模块2相适配，如图4A、4B所示，侵入室4包括壳体401与封板402，壳体401前后两端及顶面开口，截面呈U形，内部形成容纳地层模块的腔室403，封板402安装在壳体401的顶面。地层模块2从壳体顶面开口处放入腔室403中，然后用封板402将壳体401顶面封堵，在壳体401与封板402上的对应位置处设置有螺栓孔404，封板402与壳体401通过螺栓固定连接。0028更进一步的，所述。
16、的侵入室4还配备一密封胶皮套405，用于密封地层模块2的四个侧面。如图4C所示，所述密封胶皮套405呈前后两端开口的扇形结构。地层模块2在装入侵入室4之前，需先套上密封胶皮套405。0029进一步的，为确保实验过程中井壁窗口的密封性，上述模拟泥饼形成过程的实验装置还包括千斤顶3及液压控制装置3013。千斤顶3用以将侵入室推靠至模拟井筒的窗口上，液压控制装置3013用于将千斤顶压力维持在所需压力范围内，达到泥浆侵入实验过程中井壁窗口的有效密封要求。液压控制装置的液压回路与控制电路如图3所示。图3中301数控压力表，302换向阀，303溢流阀，304油泵，305油泵电机，306数控压力表低位触点开。
17、关，307数控压力表高位触点开关，308换向开关，309手动停止加压开关，3010加压开关，3011继电器，3012继电器触点开关。千斤顶液压控制装置能够实现千斤顶压力的手动和自动控制功能，而且可通过数控压力表301实现自动保压功能，数控压力表量程060MPA，千斤顶、连接管路、换向阀、溢流阀承压70MPA，油泵承压50MPA，加压介质选用68抗磨液压油。0030进一步的，上述模拟泥饼形成过程的实验装置还包括地层模块饱和装置。为充分饱和地层模块，所述地层模块饱和装置使用抽真空加压饱和方式。如图6所示，所述地层模块饱和装置包括岩心室601、柱塞加压泵602、加料室603、溶液室604与真空泵60。
18、5。所述加料室603通过加料管606与溶液室604相连，在加料管606上设置有加料阀607，所述溶液室604通过管路连接岩心室601，在管路上设置有柱塞加压泵602与数控压力表608，所述岩心室601与溶液室604分别通过管路连接真空泵605，在岩心室601与真空泵605之间说明书CN104500048A4/4页6的连接管路上设置有真空压力表609。在连接管路上设置有阀门6010。上述加料室603与溶液室604可根据需要分别设置两个或更多个。上述岩心室容积130L，承压25MPA，溶液室总容积120L，柱塞加压泵承压30MPA，一次性最多饱和四块地层模块。0031更进一步的，上述模拟泥饼形成过。
19、程的实验装置还包括钻井泥浆配制装置。由于泥浆配方中有高分子聚合物，一般的搅拌装置很难将其溶解开，故采用图7所示的泥浆配制装置使用剪切泵充分剪切泥浆，使聚合物充分分解水化，剪切泵流量18M3/H，排出压力10MPA。如图7所示，所述钻井泥浆配制装置包括泥浆池701，在泥浆池701内设置有搅拌轴702，搅拌轴702与搅拌电机703连接，在搅拌轴702上设置有叶轮704。所述泥浆池701还连接一外循环管路705，在外循环管路705上设置有剪切泵706。0032进一步的，为了使侵入室4在模拟井筒1的窗口处更容易实现固定，可将模拟井筒1放置在固定支架上，同时可在固定支架上对应模拟井筒两侧的窗口处设置有固。
20、定口，以便于侵入室嵌入，实现限位固定。0033进一步的，为了更好的固定地层模块2，可在封板402一侧设置有两端开口的地层模块固定室，地层模块固定室与封板为一体式设计，地层模块套上密封胶皮套后放入固定室中，然后将封板402与壳体401固定连接，此时固定室恰好放置于壳体腔室403中。0034更进一步的，在模拟井筒1上安装一个压力传感器和一个温度传感器，用于监测实验过程中井眼泥浆的温度、压力变化。0035上述模拟泥饼形成过程的实验装置的具体实施方式如下0036A实验准备工作0037根据实验要求，选择地表露头的岩石制作地层模块，按照图2的尺寸精细加工后备用。使用图6的地层模块饱和装置给地层模块饱和地层。
21、水，步骤地层模块烘干，按照地层水浓度配制饱和溶液并装入溶液室，烘干后的地层模块装入岩心室，对岩心室和溶液室抽真空至01MPA，将溶液室的溶液放入岩心室，使用柱塞加压泵给岩心室加压25MPA，直至岩心室压力不再减小后停止加压。确定实验使用的泥浆类型及配方后，使用图7所示泥浆配制装置配制泥浆。0038B实验操作步骤00391、取出8块饱和后的地层模块，套上密封胶皮套后分别装入侵入室壳体内，盖上封板，用螺栓拧紧；00402、用航吊将装好的侵入室吊装到模拟井筒窗口上，千斤顶加压30MPA将侵入室推靠至井壁窗口上；00413、模拟井筒内充注地层模块饱和溶液，并用泥浆加压泵加压测试井壁窗口的密封性，若密封。
22、性不合格重新吊装侵入室；00424、模拟井筒内充注泥浆，开启搅拌电机，并用泥浆加压泵加到实验设计压力，启动侵入室出口端的滤失流量测量装置；00435、在泥浆侵入过程中的不同时刻，暂停实验并取出一个侵入室，共暂停7次，得到8个不同形成阶段的泥饼样品，实验测量这些泥饼样品的孔隙度、渗透率、厚度等参数。0044上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。0045需要说明的是，在本说明书的教导下，本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或明显变型方式，均应在本发明的保护范围之内。说明书CN104500048A1/5页7图1图2说明书附图CN104500048A2/5页8图3A图3B说明书附图CN104500048A3/5页9图4A图4B图4C说明书附图CN104500048A4/5页10图5图6说明书附图CN104500048A5/5页11图7说明书附图CN104500048A。