一种深部地层井壁稳定性评价的实验装置及方法与流程

本发明涉及深部地层气井壁稳定工程，特别一种深部地层井壁稳定性评价的实验装置及方法。

背景技术：

1、井壁稳定性问题一直是石油行业重点关注的问题，每年因为井壁失稳问题造成的损失高达数亿元。起初，人们认为井壁稳定问题只是单纯的力学问题，之后通过人们的不断研究发现井壁稳定问题是多因素综合的结果。井壁稳定性问题与地层岩性、构造应力、孔隙结构、钻井液类型、井眼轨迹等多方面因素有关。其中经常发生井壁稳定的地层有泥页岩、疏松砂岩、裂缝性碳酸盐岩以及煤岩地层等。泥页岩地层发生井壁失稳主要归结于泥页岩的水化作用；疏松砂岩地层井壁失稳问题主要集中在我国的塔里木盆地、四川盆地、松辽盆地、渤海湾盆地等地区。主要是由于疏松砂岩一般具有胶结强度弱、渗透率较高、孔隙度较大，孔隙压力变化容易引起砂岩基质发生变化，属于应力敏感性地层，因此在钻井过程中容易引起井壁坍塌、井眼缩径等井壁失稳问题的发生。碳酸盐岩具有丰富的节理和微裂隙等弱结构面，裂隙发育、存在弱结构面这是碳酸盐岩在钻完井过程中容易发生井壁失稳的主要原因。煤岩地层井壁失稳问题主要集中在鄂尔多斯盆地、吐哈盆地、塔里木盆地等地层。煤岩具有双重孔隙结构，包含割理(内生裂隙)和裂缝(外生裂隙)，煤岩裂隙发育丰富，造成煤岩各向异性突出、强度较低以及钻井液极易进入岩石，发生水化作用，这就是岩石在钻完井过程中容易发生井壁失稳的主要因素。

2、随着我国不断深入深部地层的油气资源的勘探开发，在钻遇深部地层时，特别是在深部煤层钻完井过程中井壁失稳问题逐渐突出。例如，在深部煤层钻井完井过程中，由于煤岩具有双重孔隙结构，煤岩内部含有大量的微裂隙、微孔洞等原生损伤结构，煤岩割理、裂隙发育，钻井液易进入岩石，引起粘土矿物水化、部分填充物溶解、润滑弱结构面，导致煤岩强度下降发生井壁失稳。基于以上原因导致深部煤层在钻完井过程中常常遇见井壁失稳的问题，一旦井壁失稳引起钻井液进入到储层中，污染储层，对后期的油气开发带来严重的影响；井壁失稳严重还可能引起井壁坍塌，导致卡钻、磨损井下工具等复杂工况的发生，极大地滞后了钻完井周期，加大煤层勘探开发的成本。

3、国内外研究人员针对浅部地层的井壁失稳问题进行了大量的理论分析和基于数值模拟的分析方法，并均处于成熟阶段。但由于深部地层处于高温、高压环境等复杂环境中，与浅部地层特性有较大的区别；浅部地层的一些理论基础及分析方法不适用于深部地层的井壁稳定性评价，导致不能对深部地层井壁稳定情况进行客观且合理的评价。由于深部地层处于高地应力、高流体压力、高地层温度的“三高”环境，导致深层岩性与浅层岩性存在显著的差异性，主要表现在岩石的硬度、弹性模量度等方面。就煤岩来说，地应力随着埋藏深度的增加煤岩内部裂隙闭合，煤岩的硬度增加，弹性模量提升；但随着地应力持续增加，煤岩发生破坏，煤岩的硬度下降，弹性模量呈变小趋势。并且随着埋深增加，温度和流体压力对煤岩的弹性模量、硬度等力学特性的影响显著。正是因为深层岩性与浅层岩性差异性的存在，导致利用浅层岩性的基础理论和分析方法无法对深层岩性进行合理的评价。

4、中国实用新型cn216841626u提供了一种高温高压井壁稳定测试装置，能够模拟井壁轴压、围压及钻井液压力，来对井壁实际工况进行全面模拟，对井壁稳定性进行预测；中国发明专利申请cn115653567a提供了一种井壁稳定效果评价实验装置和方法，通过模拟不同的地层孔隙，结合了三轴力学实验和水力压裂两种方式来对井壁稳定性进行评价；中国发明专利cn103758513b提供了一种模拟全尺寸井壁稳定评价方法，能够模拟井下高温高压环境且可以改变循环介质，动态评价不同钻井方式下的井壁稳定情况。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种深部地层井壁稳定性评价的实验装置及方法，以提供满足符合深部地层环境的实验条件，使模拟实验的结果贴合实际情况。

2、第一方面，本技术实施例提供一种深部地层井壁稳定性评价的实验装置，包括：岩样密封容器、ct扫描系统、纳米压痕系统、控制系统以及与所述岩样密封容器连接的围压系统、轴压系统、孔隙压力系统、加热系统和钻井液循环系统；

3、所述岩样密封容器由顶板、底板和多块侧板围合形成，用于容纳空心的岩样，所述顶板设有测试孔；

4、所述围压系统，用于对所述岩样施加围压；

5、所述轴压系统，用于对所述岩样施加轴压；

6、所述孔隙压力系统，用于对所述岩样施加孔隙压力；

7、所述加热系统，用于对所述岩样进行加热；

8、所述钻井液循环系统，用于向所述岩样密封容器内输送钻井液；

9、所述ct扫描系统包括ct扫描仪和ct接收器，所述ct扫描仪和所述ct接收器分别设于所述岩样密封容器外相对的两侧，用于对所述岩样进行ct扫描成像；

10、所述纳米压痕系统包括下压装置、第一压力传感器、位移检测器、纳米压头；

11、所述下压装置设于所述纳米压头上方并与之连接，所述纳米压头穿过所述测试孔与所述岩样抵接；

12、所述下压装置用于驱动所述纳米压头对所述岩样施加下压力；

13、所述第一压力传感器与所述下压装置连接，用于检测所述下压力的压力值；

14、所述位移检测器与所述下压装置连接，用于检测所述纳米压头压入所述岩样的下压深度；

15、所述控制系统与所述第一压力传感器和所述位移检测器连接，用于根据所述压力值和所述下压深度确定所述岩样的力学参数。

16、本技术实施例的一个或一些可选的实施方式中，还包括井径测量仪；

17、所述井径测量仪可拆卸设于所述岩样密封容器内，并与所述岩样的内壁抵接，用于检测所述岩样的内径的变化情况。

18、本技术实施例的一个或一些可选的实施方式中，还包括相机；

19、所述相机设于所述井径测量仪上方，并与所述顶板连接。

20、本技术实施例的一个或一些可选的实施方式中，所述轴压系统包括轴压液压泵、轴压泵压力表、第一压力调节阀、轴压泄压阀、轴压压力表和第一活塞；

21、所述轴压液压泵的输出管线依次连接所述轴压泵压力表、所述第一压力调节阀、第一泄压管线和第一活塞，其中，所述第一活塞与所述顶板抵接；

22、所述第一泄压管线上安装有轴压压力表和轴压泄压阀。

23、本技术实施例的一个或一些可选的实施方式中，所述侧板包括相对设置的第一侧板和第二侧板；

24、所述围压系统包括围压液压泵、围压泵压力表、第二压力调节阀、围压泄压阀、围压压力表和多个第二活塞；

25、所述围压液压泵的输出管线依次连接所述围压泵压力表、所述第二压力调节阀、第二泄压管线和多个所述第二活塞，其中，所述第二活塞对称设于所述第一侧板和所述第二侧板上；

26、所述第二泄压管线上安装有围压压力表和围压泄压阀。

27、本技术实施例的一个或一些可选的实施方式中，还包括孔隙压力系统；

28、所述孔隙压力系统包括第一多孔承压板、第二多孔承压板、水箱、压力泵、压力表、孔隙压力进口管、孔隙压力出口管和压力调节阀；

29、所述第一多孔承压板和所述第二多孔承压板相对设置于所述岩样密封容器内，并均与所述岩样抵接；

30、所述孔隙压力出口管穿设于所述第一侧板和第一多孔承压板之间，并通过出口管线与所述水箱连通；

31、所述孔隙压力进口管穿设于所述第二侧板和第二多孔承压板之间，并通过进口管线与所述水箱连通，其中，所述进口管线上设有所述压力泵、所述压力表和所述压力调节阀。

32、本技术实施例的一个或一些可选的实施方式中，所述加热系统包括第一加热板、第二加热板和加热装置；

33、所述第一加热板设于所述第一多孔承压板和所述第一侧板之间；

34、所述第二加热板设于所述第二多孔承压板和所述第二侧板之间；

35、所述加热装置设于所述岩样密封容器的外侧，并分别与所述第一加热板和第二加热板电性连接。

36、本技术实施例的一个或一些可选的实施方式中，所述加热系统还包括第一保温层和第二保温层；

37、所述第一保温层设于所述第一加热板和所述第一侧板之间；

38、所述第二保温层设于所述第二加热板和所述第二侧板之间。

39、本技术实施例的一个或一些可选的实施方式中，所述加热系统还包括温度传感器；

40、所述温度传感器的测试端抵接所述岩样。

41、本技术实施例的一个或一些可选的实施方式中，还包括千分表；

42、每个所述千分表固定于所述第一侧板或第二侧板的外侧壁上。

43、本技术实施例的一个或一些可选的实施方式中，所述顶板和所述底板上分别设有钻井液循环入口和钻井液循环出口；

44、所述钻井液循环系统包括容纳钻井液的钻井液罐、循环泵、钻井液压力表和钻井液调节阀；

45、所述钻井液循环入口通过钻井液进口管线与所述钻井液罐连通，其中，所述钻井液进口管线上设有所述循环泵、所述钻井液调节阀、所述钻井液压力表；

46、所述钻井液循环出口通过钻井液出口管线与所述钻井液罐连通。

47、本技术实施例的一个或一些可选的实施方式中，所述钻井液循环系统还包括钻井液罐加热器；

48、所述钻井液罐加热器套设于所述钻井液罐的外侧。

49、第二方面，本技术实施例提供一种深部地层井壁稳定性评价的方法，应用第一方面中所述的深部地层井壁稳定性评价的实验装置，包括以下步骤：

50、将制备好的空心岩样放置于岩样密封容器内；

51、用围压系统给所述岩样施加围压；

52、用轴压系统给所述岩样施加轴压；

53、用孔隙压力系统给所述岩样施加孔隙压力；

54、用加热系统对所述岩样进行加热；

55、用钻井液循环系统向所述岩样密封容器内输送钻井液；

56、用ct扫描仪和ct接收器对所述岩样进行ct扫描成像；

57、用下压装置驱动纳米压头对所述岩样施加下压力；

58、控制系统接收第一压力传感器检测下压力的压力值和位移检测器检测所述纳米压头压入所述岩样的下压深度，根据所述压力值和所述下压深度确定所述岩样的力学参数。

59、本技术实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

60、本技术实施例提供一种深部地层井壁稳定性评价的实验装置及方法，该实验装置通过设置围压系统、轴压系统、孔隙压力系统和加热系统，可分别为岩样提供符合深度地层环境的围压、轴压、孔隙压力和温度的模拟实验条件，实现模拟深部地层的高温高压环境，以还原井下真实环境，使模拟实验的结果贴近实际工况，准确性高。并且，该实验装置通过设置ct扫描系统对岩样进行ct扫描成像，能够观察到模拟实验过程中岩样内部孔隙及裂隙的变化情况，以填补现有技术中深部环境下岩石内部裂隙和孔隙的变化的研究，从而更加全面地对井壁稳定性进行评价。该实验装置通过设置纳米压痕系统对岩样施加下压力，可测得下压力的压力值和下压深度，并结合控制系统可获得岩样的力学参数(如硬度、杨氏模量和弹性模量)，由于深部地层的岩石的岩性与浅部地层的岩石的岩性存在显著的差异性，导致浅部地层的岩石的岩性的基础理论无法适用于深部地层的岩石中，而本实验装置通过获取的力学参数可弥补上述缺憾，并实现对井壁稳定性的综合性评价，同时，也为深部地层的井壁稳定性数值模拟提供基础参数。

61、本技术实施例提供一种深部地层井壁稳定性评价的实验装置及方法，该实验装置通过设置钻井液循环系统，可以向岩样密封容器内输送钻井液，以实现模拟钻井过程中钻井液运输过程，使模拟实验的结果更加贴合实际工况的结果。

62、本技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本技术的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

63、下面通过附图和实施例，对本技术的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种深部地层井壁稳定性评价的实验装置，其特征在于，包括：岩样密封容器、ct扫描系统、纳米压痕系统、控制系统以及与所述岩样密封容器连接的围压系统、轴压系统、孔隙压力系统、加热系统和钻井液循环系统；

2.如权利要求1所述的深部地层井壁稳定性评价的实验装置，其特征在于，还包括井径测量仪；

3.如权利要求2所述的深部地层井壁稳定性评价的实验装置，其特征在于，还包括相机；

4.如权利要求1所述的深部地层井壁稳定性评价的实验装置，其特征在于，所述轴压系统包括轴压液压泵、轴压泵压力表、第一压力调节阀、轴压泄压阀、轴压压力表和第一活塞；

5.如权利要求1所述的深部地层井壁稳定性评价的实验装置，其特征在于，所述侧板包括相对设置的第一侧板和第二侧板；

6.如权利要求5所述的深部地层井壁稳定性评价的实验装置，其特征在于，还包括孔隙压力系统；

7.如权利要求6所述的深部地层井壁稳定性评价的实验装置，其特征在于，所述加热系统包括第一加热板、第二加热板和加热装置；

8.如权利要求7所述的深部地层井壁稳定性评价的实验装置，其特征在于，所述加热系统还包括第一保温层和第二保温层；

9.如权利要求8所述的深部地层井壁稳定性评价的实验装置，其特征在于，所述加热系统还包括温度传感器；

10.如权利要求9所述的深部地层井壁稳定性评价的实验装置，其特征在于，还包括千分表；

11.如权利要求1所述的深部地层井壁稳定性评价的实验装置，其特征在于，所述顶板和所述底板上分别设有钻井液循环入口和钻井液循环出口；

12.如权利要求11所述的深部地层井壁稳定性评价的实验装置，其特征在于，所述钻井液循环系统还包括钻井液罐加热器；

13.一种深部地层井壁稳定性评价的方法，应用权利要求1-12任一项所述的深部地层井壁稳定性评价的实验装置，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种深部地层井壁稳定性评价的实验装置及方法，该实验装置包括：岩样密封容器、CT扫描系统、纳米压痕系统、控制系统以及与所述岩样密封容器连接的围压系统、轴压系统、孔隙压力系统、加热系统和钻井液循环系统；CT扫描系统用于对岩样进行CT扫描成像；纳米压痕系统包括下压装置、第一压力传感器、位移检测器、纳米压头；控制系统与第一压力传感器和位移检测器连接，用于确定岩样的力学参数。该实验装置可模拟深度地层的高温高压环境，使模拟实验的结果贴近实际工况，准确性高；通过CT扫描系统可观察到岩样内部孔隙及裂隙的变化情况，通过纳米压痕系统和控制系统测得岩样的力学参数，更加全面地对井壁稳定性进行评价。

技术研发人员：丁吉平,杨雄,乔磊,袁光杰,林盛杰,刘奕杉,何爱国,王开龙,车阳,王辰龙,郑李,蓝海峰
受保护的技术使用者：中国石油天然气集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23