CN103411750B - 高温高压全直径岩心裂缝堵漏仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高温高压全直径岩心裂缝堵漏仪，主要由工作液循环***2、全直径岩心夹持器***6、封堵位置测量***7、裂缝形变测试***8等组成，所述工作液循环***2形状呈T字形，T形的下端位于全直径岩心夹持器***6的岩心夹持器内部，直径与岩心夹持器胶套内径相同，与实验岩样端面接触，所述封堵位置测量***7、裂缝形变测试***8位于全直径岩心夹持器***6内部，用于测定封堵层形成位置和裂缝形变量。本发明可精确测量漏失量、漏失速率、封堵位置和深度、封堵承压能力、反向承压能力等漏失控制参数，有效评价堵漏工作液体系对裂缝性漏失通道的封堵效果，为堵漏材料的优选和堵漏配方优化提供依据。

Description

高温高压全直径岩心裂缝堵漏仪

技术领域

本发明涉及用于石油与天然气行业室内高温高压工作液漏失控制评价的岩心裂缝堵漏仪，属于石油与天然气勘探开发过程中，针对井下复杂地层漏失行为控制和油气层保护方面的实验设备。

技术背景

随着全球油气勘探开发目标进一步面向深部、复杂层系以及开发中后期区块，在裂缝性地层、压力衰竭地层及弱胶结地层进行钻井、完井、修井等施工作业中，由于地层岩石强度低、裂缝发育程度高、工作液封堵能力差，易引起地层破裂、天然裂缝及诱导裂缝进一步延伸，表现为地层承压能力低，工作液大量漏失，并伴随其它井下复杂情况产生，严重制约着油气资源的开发进程和经济效益。

油气勘探开发过程中裂缝为主要的渗流通道，同时也是主要的漏失通道，漏失及封堵过程中裂缝漏失通道的动态变化直接影响着漏失的规模强度及漏失控制的效果。漏失过程中天然裂缝及诱导裂缝的扩展使漏失逐渐加剧甚至导致工作液无法正常循环；堵漏过程中，裂缝尺寸的动态变化严重影响堵漏效果及封堵承压能力，同时裂缝宽度的动态变化要求堵漏材料对漏失通道的扩展有一定的适应能力，因此对堵漏材料的选择提出了更高的要求。加强漏失及封堵过程中裂缝动态变化的模拟，实时监测封堵位置，能够更加真实地反映漏失动态过程，有效评价堵漏材料及体系的封堵效果。

目前，石油行业室内堵漏评价装置多采用小岩心柱或平板型裂缝来模拟裂缝漏失通道，与实际裂缝漏失通道相比尺寸较小，且不能真实反映裂缝尺寸的动态变化行为，严重影响了漏失动态模拟和堵漏材料的准备评价，导致室内评价结果和现场堵漏效果的不一致性。因此，研制适用于高温高压条件下的全直径岩心裂缝堵漏仪，模拟漏失及封堵过程中的裂缝动态变化行为，准确测量漏失速率、封堵位置和深度以及封堵承压能力，提高封堵效果评价的准确性，对漏失的有效控制具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供高温高压全直径岩心裂缝堵漏仪，可模拟不同漏失通道特征和原地层温度、压力条件,具有测量参数多、自动化程度高、裂缝模块类型齐全且可调节性高等特点，可精确测量漏失与封堵过程中，裂缝漏失通道动态变化情况、封堵位置和封堵承压能力，并可观测封堵层结构。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

高温高压全直径岩心裂缝堵漏仪主要包括：工作液循环***、全直径岩心夹持器***、裂缝形变测试***、封堵位置测量***、压力和温度控制***、起升***、数据采集***。

工作液循环***由搅拌电机支柱、搅拌轴、工作液入口、工作液釜体、搅拌叶片组成。搅拌电动机置于搅拌电机支柱上并带动搅拌器对工作液进行搅拌。该支柱焊接于工作液循环釜体顶盖上。工作液循环***形状呈“T”字形，T形的下端位于岩心夹持器内部，直径与岩心夹持器胶套内径相同，与实验岩样端面接触。

所述全直径岩心夹持器***包括工作液上循环通道、全直径岩心、夹持器胶套、围压液室、轴向支柱、轴压入口、工作液下循环通道、排液手阀、排液口。全直径岩心室长300mm，最大直径105mm。全直径岩心夹持器能够绕夹持器旋转轴进行180度旋转，并在任意角度保持固定模拟不同斜度井筒。电动围压泵将围压液压入围压室，压缩夹持器胶套对岩心加围压。轴压通过轴压入口推动轴向支柱对岩心施加轴压。回压泵在工作液出口施加0-10MPa范围的回压。实验过程中，工作液通过上循环通道进入全直径岩心，进行裂缝漏失通道封堵模拟。打开排液手阀，工作液通过下循环通道流出排液口。

所述裂缝形变测试***位于岩心夹持器内部，主要由扎紧绳、形变测量块、3组形变电位器、螺钉、电位器固定块、形变金属块组成。形变电位器通过螺钉固定于电位器固定块上。工作过程中，固定在胶套径向上的两个刚性半圆形变测量块，将随同同侧的岩心沿其径向产生位移，通过右侧不动的旋转铰链点，左侧的张开距离将被放大，通过形变电位器的自动伸缩改变其电阻值，最后通过数据接口将数据采集到软件中换算成位移量，从而得到漏失及封堵过程中裂缝宽度的变化量。

所述的封堵位置测量***包括16位测量电极、电极引线、电阻模块、电桥仪和电阻率采集器。封堵过程中随着工作液不断失水，封堵材料在裂缝中架桥滞留形成封堵层。基于电阻率测井原理，沿裂缝长度方向固相浓度变化导致电阻值随之发生变化，从而通过测量电阻率变化来监测封堵层形成位置。

所述压力和温度控制***包括加热与控温器、快速降温器、氮气瓶、电动围压泵和回压泵。加热与控温可对岩心夹持器进行加热，最高温度150℃，快速降温器用于实验结束后对仪器进行快速降温。氮气瓶用于施加流压，最大流压为20MPa。电动围压泵用于给全直径岩心施加围压，最高围压90MPa，回压泵在工作液出口处施加回压，最高回压10MPa。

起升***包括起升支柱、起升电动机、转轴、钢丝绳和挂钩。起升***固定于支柱上，通过起升电动机带动转轴转动，需要时将挂钩连接到搅拌电机上，对电机进行起升。

所述数据采集***由电子天平、压力/温度显示与调节器和计算机组成，可以实时监测相关实验参数。计算机还通过数据线接收形变电位器和电阻率采集器的数据并通过软件将其转换为裂缝变形量和封堵位置。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）工作液循环***形状呈“T”字形，T形的下端位于岩心夹持器内部，直径与岩心夹持器胶套内径相同，与实验岩样端面接触，在没有围压条件下可以在起升***辅助下整体取出，更换常规柱塞，进行反向承压能力及返排恢复率实验评价；该柱塞增加了循环工作液体积，在裂缝比较宽时，使漏失保持较长时间，可以观察漏失动态过程；

（2）弥补了先前堵漏装置中模拟漏失通道尺度较小、相似性低等不足。该全直径岩心模块长300mm，直径105mm，可采用人工造缝岩样、天然裂缝岩样或利用水泥等材料制作岩样，并通过对裂缝面形态及渗透性进行不同程度调整，通过调整岩心夹持器倾角模拟不同斜度井筒，更为真实地模拟不同裂缝漏失通道尺寸及性质；

（3）配备裂缝形变测量***，可通过测定3组形变电位器电阻值变化，并通过数据接口将数据采集到软件中进而换算成位移量，精确测量漏失和封堵过程中裂缝漏失通道形变量；

（4）配备封堵位置测量***，封堵过程中随着工作液不断失水，封堵材料在裂缝中架桥滞留形成封堵层。基于电阻率测井原理，沿裂缝长度方向固相浓度变化导致电阻值随之发生变化，从而通过测量电阻率变化来监测封堵层形成位置；

（5）由计算机、压力传感器、电子天平等组成的数据采集***，具有记录数据快速、准确、自动化程度高的特点。可精确采集和监测累计漏失量、封堵时间、裂缝形变量、封堵位置以及裂缝封堵后的承压能力，并在实验结束后观测封堵层结构，为封堵材料的选择和堵漏体系优化提供科学依据；

（6）起升***通过电动机举升工作液注入和循环***，有效增加了实验的易操作性，提高了实验效率。

综上所述，本发明采用全直径岩心夹持器，能够观察封堵层结构并更为真实地模拟工作液漏失和封堵过程中裂缝漏失通道的动态变化行为，精确测量漏失量、漏失速率、封堵位置和深度、封堵承压能力、反向承压能力等漏失控制参数，从而有效评价堵漏工作液体系对裂缝性漏失通道的封堵效果，为堵漏材料的优选和堵漏配方优化提供依据。

附图说明

图1为本发明高温高压全直径岩心裂缝堵漏仪的结构示意图

图2为工作液循环***示意图

图3为全直径岩心夹持器***示意图

图4为裂缝形变测试***示意图

图5为封堵位置测量***示意图

图中：1搅拌电机，2工作液循环***，3转动角度调节手柄，4夹持器转动控制器，5夹持器转动轴，6全直径岩心夹持器***，7封堵位置测量***，8裂缝形变测试***，9温度控制器，10仪器支架，11出口管，12质量测定容器，13电子天平，14仪器底座，15回压泵，16电动围压泵，17仪表面板，18电机变频调速器，19开关，20指示灯，21压力/温度显示及调节器，22起升***支柱，23起升电动机，24起升转轴，25钢丝绳，26起升挂钩，27搅拌电机支柱，28搅拌轴，29工作液入口，30工作液釜体，31搅拌叶片，32工作液上循环通道，33岩心夹持器，34夹持器胶套，35围压液室，36轴向支柱，37轴压入口，38工作液下循环通道，39排液手阀，40排液口，41扎紧绳，42形变测量块，43形变电位器，44螺钉，45形变电位器固定块，46形变金属块，47十六位测量电极，48电极引线、49电阻模块、50电桥仪、51电阻率采集器。

具体实施方式

下面根据附图进一步说明本发明。

参看图1，高温高压全直径岩心裂缝堵漏仪，主要由工作液循环***2、全直径岩心夹持器***6、封堵位置测量***7、裂缝形变测试***8、仪表面板17、起升***组成，所述工作液循环***2形状呈T字形，T形的下端位于全直径岩心夹持器***6的岩心夹持器内部，直径与岩心夹持器胶套内径相同，与实验岩样端面接触，所述封堵位置测量***7、裂缝形变测试***8位于全直径岩心夹持器***6内部，用于测定封堵层形成位置和裂缝形变量，所述全直径岩心夹持器***6由仪器支架10支撑于仪器底座14上，所述仪表面板17、起升***均位于仪器底座14上。

所述仪表面板17包括电机变频调速器18、开关19、指示灯20和压力/温度显示及调节器21，所述电机变频调速器18控制起升***的起升电动机23，压力/温度显示及调节器21控制并调节岩心夹持器内部的压力和温度。

所述起升***通过起升***支柱22支撑起升电动机23，起升电动机23通过起升转轴24连接钢丝绳25和起升挂钩26，起升挂钩26与搅拌电机1连接，起升电动机23带动起升转轴24转动，对工作液循环***进行升降。

参看图2，工作液循环***2包括搅拌电机1、搅拌电机支柱27、搅拌轴28、带有工作液入口29的工作液釜体30和搅拌叶片31，搅拌电机1置于搅拌电机支柱27上并通过搅拌轴28连接并带动搅拌叶片31转动，对工作液釜体30内的工作液进行搅拌，以保持堵漏材料悬浮和模拟井下流态，4组搅拌叶片呈45度焊接于搅拌轴上。

参看图1、图3，全直径岩心夹持器***6包括工作液上循环通道32、工作液下循环通道38、岩心夹持器33，所述岩心夹持器33带有温度控制器9，其内有全直径岩心，其外有夹持器胶套34。

所述岩心夹持器33既有围压液室35连接电动围压泵16，还有轴向支柱36和轴压入口37，岩心夹持器33下方有排液手阀39连接排液口40，所述排液口40既连接回压泵15，又通过出口管11连接质量测定容器12和电子天平13。

所述岩心夹持器33连接夹持器转动控制器4和转动角度调节手柄3，能够绕夹持器旋转轴5进行180度旋转,并在任意角度保持固定。

实验过程中，工作液通过上循环通道32进入全直径岩心，对裂缝进行封堵，打开排液手阀39，工作液通过下循环通道38流出排液口40。所述岩心夹持器胶套上安装有3组形变电位器43，用于测定裂缝变形量。

参看图4，裂缝形变测试***8包括扎紧绳41、形变测量块42、形变电位器43、形变电位器固定块45、形变金属块46，两个刚性半圆的形变测量块42通过扎紧绳41固定在夹持器胶套34径向上，形变电位器43通过螺钉44固定于形变电位器固定块45上，形变电位器固定块45通过形变金属块46固定在夹持器胶套34外壁，所述形变测量块42连接形变电位器43。

参看图5，封堵位置测量***7包括十六位测量电极47、电极引线48、电阻模块49、电桥仪50和电阻率采集器51，所述十六位测量电极47在裂缝内部沿裂缝长度方向分布。电阻模块49用于切换16位测量电极47，电阻率采集器51将电阻率数据输入电脑进行采集与解释。

所述电子天平13、压力/温度显示及调节器21、形变电位器43、电阻率采集器51都和计算机相连，实时监测相关实验参数。电子天平13可实时测量堵漏过程中的工作液漏失量和漏失速率，压力/温度显示及调节器21用于实时监测实验过程中温度、围压、轴压及裂缝内压力变化情况；计算机通过数据线接收形变电位器43和电阻率采集器51的数据并通过软件将其转换为裂缝变形量和封堵位置。

Claims (2)

1.高温高压全直径岩心裂缝堵漏仪，主要由工作液循环***(2)、全直径岩心夹持器***(6)、封堵位置测量***(7)、裂缝形变测试***(8)、仪表面板(17)、起升***组成，所述工作液循环***(2)形状呈T字形，T形的下端位于全直径岩心夹持器***(6)的岩心夹持器内部，直径与岩心夹持器胶套内径相同，所述封堵位置测量***(7)、裂缝形变测试***(8)位于全直径岩心夹持器***(6)内部，所述全直径岩心夹持器***(6)由仪器支架(10)支撑于仪器底座(14)上，所述仪表面板(17)、起升***均位于仪器底座(14)上，其特征在于，所述工作液循环***(2)包括搅拌电机(1)、搅拌电机支柱(27)、搅拌轴(28)、带有工作液入口(29)的工作液釜体(30)和搅拌叶片(31)，搅拌电机(1)置于搅拌电机支柱(27)上并通过搅拌轴(28)连接并带动搅拌叶片(31)转动，对工作液釜体(30)内的工作液进行搅拌；所述全直径岩心夹持器***(6)包括工作液上循环通道(32)、工作液下循环通道(38)、岩心夹持器(33)，所述岩心夹持器(33)带有温度控制器(9)，岩心夹持器内有全直径岩心，岩心夹持器外有夹持器胶套(34)，所述岩心夹持器(33)既有围压液室(35)连接电动围压泵(16)，还有轴向支柱(36)和轴压入口(37)，所述岩心夹持器(33)下方有排液手阀(39)连接排液口(40)，所述排液口(40)既连接回压泵(15)，又通过出口管(11)连接质量测定容器(12)和电子天平(13)；所述裂缝形变测试***(8)包括扎紧绳(41)、形变测量块(42)、形变电位器(43)、形变电位器固定块(45)、形变金属块(46)，两个刚性半圆的形变测量块(42)通过扎紧绳(41)固定在夹持器胶套(34)径向上，形变电位器(43)通过螺钉(44)固定于形变电位器固定块(45)上，形变电位器固定块(45)通过形变金属块(46)固定在夹持器胶套(34)外壁，所述形变测量块(42)连接形变电位器(43)；所述封堵位置测量***(7)包括十六位测量电极(47)、电极引线(48)、电阻模块(49)、电桥仪(50)和电阻率采集器(51)，所述十六位测量电极(47)在裂缝内部沿裂缝长度方向分布；所述仪表面板(17)包括电机变频调速器(18)、开关(19)、指示灯(20)和压力/温度显示及调节器(21)，所述电机变频调速器(18)控制起升***的起升电动机(23)，压力/温度显示及调节器(21)控制并调节岩心夹持器内部的压力和温度；所述起升***通过起升***支柱(22)支撑起升电动机(23)，起升电动机(23)通过起升转轴(24)连接钢丝绳(25)和起升挂钩(26)，起升挂钩(26)与搅拌电机(1)连接；所述电子天平(13)、压力/温度显示及调节器(21)、形变电位器(43)、电阻率采集器(51)都和计算机相连。

2.如权利要求1所述的全直径岩心裂缝堵漏仪，其特征在于，所述岩心夹持器(33)连接夹持器转动控制器(4)和转动角度调节手柄(3)，能够绕夹持器旋转轴(5)进行180度旋转,并在任意角度保持固定。