CN106370789B - 一种钻井过程煤储层污染程度测试用模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻井过程煤储层污染程度测试用模拟装置，包括煤样罐组件、煤层模拟组件、钻井液注入组件、注气组件和控制组件；在使用的时候，依次包括（1）煤样处理与放置；（2）煤样罐连接；（3）管线连接；（4）加载轴向应力和围压；（5）原始渗透率测试；（6）储层污染模拟测试；（7）钻井液回收；（8）污染后渗透率测试；（9）装置整理。本发明所述的模拟装置，能比较真实的模拟应力条件下钻井液的污染程度，并对污染前、后渗透率进行测试，为钻井过程中储层污染定量表征提供借鉴，同时该装置能模拟出水平井和垂直井两种钻井方式下、垂直层理和平行层理下钻井过程污染程度，测试灵活性强。

Description

一种钻井过程煤储层污染程度测试用模拟装置及方法

技术领域

本发明属于钻井用煤储层污染程度测试技术领域，特别是一种钻井过程煤储层污染程度测试用模拟装置及方法。

背景技术

我国有着丰富的地下煤层气资源量，如果想要把储藏在地下的煤层气资源开发出来，需要在地面进行钻井。

钻井时，为了防止钻头过热和携带岩屑，需要钻井液。钻井液性能不同，导致钻井过程对煤储层污染程度不同。同时，煤储层污染程度还受钻压、转速、地应力、煤体结构等的影响。煤储层污染严重的井，一方面，可能因后期压裂过高，而导致压裂失败；另一方面，影响后期煤层气井的排水降压产气，甚至导致整个工程失败。

为了控制钻井液对煤储层的污染，我国煤层气工作者在实验室进行钻井液性能吸附、阻力等性能测试，以减少其对煤储层的伤害性。通过在煤层段减少转速、钻压、钻井液密度等方法来减少钻井过程对煤储层的伤害。但不同煤储层属性、不同地应力条件、不同井型下对煤储层污染的深度是多少，污染程度如何，污染后的渗透率是多少，对于这些问题目前尚不能给出明确的答案。现场钻进参数的设定更多基于施工人员的经验，煤储层属性、地质条件等的多样性决定了仅靠现场经验进行钻井可能给煤储层带来严重的污染。

因此迫切需要研制一种装置，能模拟不同钻井液、不同煤储层属性、不同地质条件、不同井型，在钻井过程中对煤储层的污染程度，以便为钻井参数优化、优质钻井液配方研制提供依据。

发明内容

本发明旨在提供一种可以有效测试钻井液对煤储层污染程度的钻井过程煤储层污染程度测试用模拟装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：一种钻井过程煤储层污染程度测试用模拟装置，包括煤样罐组件、煤层模拟组件、钻井液注入组件、注气组件和控制组件；

煤样罐组件包括固定箱体、和至少两个煤样罐，煤样罐滑动设于固定箱体内部，各个煤样罐沿固定箱体的高度方向依次分布；

煤样罐呈顶端和底端均开口的筒状，煤样罐的顶端上设有上密封套筒，煤样罐的底端上设有下密封套筒；

上密封套筒和下密封套筒上均贯穿设置有通孔，每个下密封套筒的通孔中均设置有出气电子压力计和出气电子流量计；

相邻煤样罐之间的上密封套筒和下密封套筒之间通过弹性环形垫圈连接，弹性环形垫圈内设有与通孔连通的腔体；

固定箱体的内底面上设有底座，位于最下方的煤样罐设于底座上；底座内设有气液腔，气液腔与位于最下方的煤样罐通过下密封套筒上的通孔连通；

煤层模拟组件包括轴向加压组件和围压加载组件；

轴向加压组件包括轴向加压机、压力传感器和竖直设置的轴压加压杆，轴压加压杆的末端固连有加压垫圈，加压垫圈与位于最上方的煤样罐上的上密封套筒贴合；压力传感器设置于上密封套筒的下表面上；

围压加载组件包括油压缸、油罐和油泵，每个煤样罐中设置两个油压缸；

油压缸上设有压力表和与油压缸内部连通的进油口，压力表检测油压缸内部的油压；油压缸中滑动设有加压活塞，加压活塞的末端设有围压加压杆，围压加压杆的横截面呈弧形；

同一个煤样罐中的两个围压加压杆相对设置；

油罐连接油泵的入口，油泵的出口通过油路管道连接油压缸的进油口；

钻井液注入组件包括钻井液箱、振动电机和振荡室，振荡室中设置有振动杆，振动杆与振动电机传动连接；

在钻井液箱的出口通过第一连接管道连接有液体增压泵；

液体增压泵的出口通过第二连接管道连接振荡室，第二连接管道上设有钻井液电子压力计和钻井液电子流量计；

振荡室的出液口通过钻井液管道连接上密封套筒上的通孔，钻井液管道上设有钻井液电子压力计、钻井液电子流量计和电子阀门；

注气组件包括气罐和连接于气罐上的高压气泵，高压气泵的出气口通过气路管道连接上密封套筒上的通孔，气路管道上设有电子压力计和电子流量计；

控制组件包括处理单元，压力传感器、钻井液电子压力计、钻井液电子流量计、电子压力计、电子流量计、出气电子压力计和出气电子流量计的信号输出端均连接处理单元的信号输入端；处理单元的信号输出端上连接有电子阀门驱动电路，电子阀门驱动电路控制电子阀门的工作。

还包括与煤样罐数量相等的取样组件，取样组件包括取样管和设于取样管上的取样阀门，取样管一端与煤样罐连通，另一端上连接有量筒。

相邻煤样罐之间设置有滑动组件，滑动组件包括配合设置的滑动杆和滑动槽，滑动杆设于位于上方的煤样罐的外侧壁上，滑动槽设于位于下方的煤样罐的外侧壁上。

固定箱体内壁上设有燕尾槽，煤样罐的外侧壁上配合燕尾槽设置有卡板，卡板滑动设置于燕尾槽中。

煤样罐上设有竖直设置的连接孔，连接孔中穿设有固定销。

油泵上连接有分流器，分流器的各个出油口分别与油压缸上的进油口连接，分流器的各个出油口上均设置有油路电磁阀，控制组件中配合油路电磁阀设有电磁阀驱动电路，电磁阀驱动电路连接处理单元的信号输出端，电磁阀驱动电路控制油路电磁阀的工作。

还包括气体回收罐和液体回收罐，气体回收罐和液体回收罐均与位于最下方的下密封套筒上的通孔连接；气体回收罐和液体回收罐通过带有阀门的管线与通孔连接。

一种利用上述模拟装置实施的钻井过程煤储层污染程度测试用模拟方法，依次包括如下步骤：

（1）煤样处理与放置；

首先，选取与煤样罐形状相匹配的煤样；

然后，在煤样上钻孔，所钻孔的直径与下密封套筒上的通孔的直径相等；所钻孔的长度为煤样长度的1/6~1/4；

最后，将煤样放置于煤样罐中，保证将煤样上所钻孔的一端朝上放置，将上密封套筒和下密封套筒分别连接于煤样罐的顶端和底端；

（2）煤样罐连接；

首先，将各个煤样罐通过滑动组件和固定销连接；然后，将连接好的煤样罐放置于固定箱体中，并将各个煤样罐上的卡板配合设置于燕尾槽中；

（3）管线连接；

将油泵与油压缸连接；

将气罐与高压气泵连接，将高压气泵的出气口连接上密封套筒上的通孔；

气体回收罐和液体回收罐均与位于最下方的下密封套筒上的通孔连接；

取样管一端连接煤样罐，另一端和量筒连接；

压力传感器、钻井液电子压力计、钻井液电子流量计、电子压力计、电子流量计、出气电子压力计和出气电子流量计的信号输出端均与处理单元的信号输入端连接；油路电磁阀驱动电路和电子阀门驱动电路均连接处理单元的信号输出端；

（4）加载轴向应力和围压；

首先，打开油罐和油泵，对煤样施加围压，通过油压缸上的压力表读取压力数据；

然后，打开轴向加压机，轴向加压机带动轴向加压杆向下移动，对煤样施加轴向应力，压力传感器采集煤样受到的轴向应力的大小，并将采集到的轴向应力传输到处理单元；

（5）原始渗透率测试；

首先，关闭钻井液注入组件上的电子阀门，将钻井液注入组件与煤样罐隔离；

然后，将气罐和高压气泵打开，向煤样罐中注入气体，电子压力计采集注气压力，电子流量计采集注气量，同时每个下密封套筒的通孔中的出气电子压力计和出气电子流量计分别采集出气口的气体压力和气体流量；电子压力计、电子流量计、各个出气电子压力计和各个出气电子流量计均将采集到的数值传输到处理单元，处理单元根据注气压力和各个出气电子压力计的值，以及电子流量计和各个出气电子流量计的值计算各个煤样罐中煤样的渗透量；

（6）储层污染模拟测试

首先，关闭高压气泵，打开与气体回收罐相连接的管路上的阀门进行放气，气体回收罐对放出的气体进行回收，放气结束后关闭与气体回收罐相连接的管线上的阀门；

然后，打开液体增压泵和振动电机，使得钻井液进入到位于煤样罐中的煤样进行渗透；钻井液管道上的钻井液电子压力计和钻井液电子流量计时刻采集进入到煤样罐中的钻井液的压力和流量的变化，钻井液电子压力计和钻井液电子流量计将采集到的数值传输到处理单元；

最后，关闭高压气泵，打开取样阀门，对各个煤样罐渗透出的钻井液进行取样；

（7）钻井液回收，打开液体回收罐相连的管线上的阀门，各个煤样罐中剩余的钻井液均进入到与之相连的液体回收罐中实现回收；

（8）污染后渗透率测试；

重复步骤5）即可，根据污染后的渗透率和原始渗透率进行比较得出钻井液对煤样的污染程度；

（9）装置整理

测试结束，打开与气体回收罐相连的管线上的阀门，煤样罐中的气体进入到气体回收罐；

依次卸载掉轴向加压组件和围压加载组件，从固定箱体中取出煤样罐，回收煤样。

在煤样上所钻孔的长度为煤样长度的1/5。

在钻井液进入到煤样罐中对煤样进行渗透的过程中，液体增压泵和振动电机的运行参数均保持恒定不变。

通过以上技术方案，本发明的有益效果为：1、该装置通过设置煤层模拟组件能比较真实的模拟应力条件下钻井液污染深度，并对污染前、后渗透率进行测试，为钻井过程中储层污染定量表征提供借鉴；设置的煤样罐使得装置可以模拟出水平井和垂直井两种钻井方式下、垂直层理和平行层理下钻井过程污染程度，测试灵活性强。2、设置的取样组件方便了对钻井液进行取样分析。3、设置的滑动组件和燕尾槽方便了煤样罐在固定箱体中的连接。4、设置的气体回收罐和液体回收罐方便了气体和钻井液的回收。5、本模拟方法可以最大限度的模拟实际煤储层，提高测试结果的准确性，同时，使用起来比较灵活，可以对垂直井或水平井的煤样进行测试，通过本方法可以得出钻井液对煤储层的污染程度，从而对钻井过程中不同井型、不同钻井液的钻井深度提高参考，提高煤矿开采过程中的效率和安全性。6、在钻井液进入到煤样罐中对煤样进行渗透的过程中，液体增压泵和振动电机的运行参数均保持恒定不变，从而保证了测试结果的准确性。

附图说明

图1为本发明所述模拟装置结构示意图；

图2为围压加载组件结构示意图；

图3为上密封套筒和下密封套筒结构示意图；

图4为控制组件原理框图；

图5为本发明所述模拟方法流程图。

具体实施方式

一种钻井过程煤储层污染程度测试用模拟装置及方法，如图1、图2和图3所示，包括煤样罐组件、煤层模拟组件、钻井液注入组件、注气组件、取样组件和控制组件。

煤样罐组件包括固定箱体27，在固定箱体27的内壁上设置有燕尾槽272，燕尾槽272沿固定箱体27的高度方向设置，燕尾槽272的结构为成熟的现有技术。

在固定箱体27中设有至少两个煤样罐25，本实施例中煤样罐25的数量为3个。固定箱体的内底面上设有底座30，位于最下方的煤样罐25设于底座30上。底座30内设有气液腔，气液腔与位于最下方的煤样罐相连通，从而最下方的煤样罐中从煤样中渗出的气体或液体可以进入到气液腔中。其中气液腔和最下方的煤样罐的连通方式为：通过最下方煤样罐的下端的下密封套筒上的通孔连通。

各个煤样罐25沿固定箱体27的高度方向依次分布，本实施例中煤样罐25的数量为3个。其中，煤样罐25均滑动设于固定箱体27内部，为了对煤样罐25的滑动进行限定，在煤样罐25的外侧壁上配合燕尾槽设置有卡板277，卡板277滑动设置于燕尾槽272中，设置的燕尾槽272使得煤样罐25在竖直方向上可以滑动，但是在水平方向上不能左右移动，保证了煤样罐25工作过程中的稳定性。

为实现煤样罐间的连接，在煤样罐上设有竖直设置的连接孔，连接孔中穿设有固定销276，通过固定销276将各个煤样罐连接在一起，同时煤样罐可以相对于固定销276滑动。

为了进一步保证煤样罐25滑动过程中的稳定性，相邻煤样罐25之间设置有滑动组件，滑动组件包括配合设置的滑动杆28和滑动槽29，滑动杆28设于位于上方的煤样罐的外侧壁上，滑动槽29设于位于下方的煤样罐25的外侧壁上。其中，滑动杆28滑动设置于滑动槽29中，从而进一步对煤样罐的滑动进行了限定。

本实施例中，煤样罐的结构为：煤样罐25呈顶端和底端均开口的筒状；煤样罐25的顶端上设有上密封套筒153，煤样罐的底端上设有下密封套筒151，通过上密封套筒153和下密封套筒151实现了煤样罐25的密封。

上密封套筒153和下密封套筒151上均贯穿设置有通孔154，每个下密封套筒的通孔中均设置有出气电子压力计和出气电子流量计，出气电子压力计和出气电子流量计均没有在图中显示，通过出气电子压力计和出气电子流量计可以将流经下密封套筒的液体或气体的参数进行采集。

相邻的两个煤样罐25之间的上密封套筒153和下密封套筒151之间通过弹性环形垫圈152连接，在弹性环形垫圈152内设有与通孔154连通的腔体，通过腔体和通孔154液体或气体可以在相邻的两个煤样罐25之间流动。

为了配合弹性环形垫圈152的移动，在上密封套筒和下密封套筒的通孔之间连接有软管156，通过软管156可以配合轴向应力的加载。

煤层模拟组件包括轴向加压组件和围压加载组件，其主要提供煤样在轴向和周向上的应力，模拟煤样在储层中真实的应力状态。

轴向加压组件包括轴向加压机13、压力传感器159和竖直设置的轴压加压杆；轴压加压杆的末端固连有加压垫圈14，加压垫圈14与位于最上方的煤样罐上的上密封套筒153贴合；压力传感器159设置于上密封套筒153的下表面上，从而通过压力传感器可以直观的采集到在加载轴向应力的时候，煤样受到的压力的大小。

其中轴向加压机13为成熟的现有技术，在实施的时候可以选择活塞，活塞的活塞杆与轴压加压杆连接，从而通过活塞带动轴压加压杆移动，实现给煤样施加轴压的目的。

围压加载组件包括设有进油口和压力表的油压缸273，进油口与油压缸内部连通，从而使得油体可以进入到油压缸中；压力表可以对油压缸内的油压进行测定。

其中，每个煤样罐中设置两个油压缸，各个油压缸273中均滑动设有加压活塞274，加压活塞274的末端设有围压加压杆275，同一个煤样罐中的两个围压加压杆275相对设置；同时，围压加压杆275的横截面呈弧形，从而可以更好的与煤样相接触，保证周向应力加载的更加均匀，对环境的模拟更加真实。

在油压缸273的进油口上连接有油罐22和油泵21，油罐22连接油泵21的入口，油泵21的出口通过油路管道连接油压缸273的进油口，通过油泵使得液压油从油罐进入到油压缸中。

为了对每个煤样罐中的煤样同时施加周向应力，在油泵21的出口上连接有分流器24，分流器的进油口连接油泵21的出口，分流器24的各个出油口分别与油压缸上的进油口连接；分流器24的出油口至少与煤样罐的数量相等。

分流器24的各个出油口上均设置有油路电磁阀23，油路电磁阀23可以控制液压油是否流入油压缸273中。选用油路电磁阀23，其为电磁阀，便于控制。

钻井液注入组件包括钻井液箱2、振动电机6和振荡室7，振荡室中设置有振动杆，振动杆没有在图中标示。振动杆与振动电机6传动连接，从而通过振动杆带动振荡室中钻井液的振动，进而模拟出钻井过程中钻井液真实的携渣与返排状态，防止煤粉沉淀。

在钻井液箱2的出口通过第一连接管道连接有液体增压泵3，其中，第一连接管道上设有控制阀门4，通过控制阀门4可以控制连接管道的开启或关闭，进而实现钻井液的控制。

液体增压泵3的出口通过第二连接管道振荡室7，通过液体增压泵3使得钻井液箱中的钻井液可以进入到振荡室7中。其中第二连接管道上设有钻井液电子压力计5和钻井液电子流量计，钻井液电子流量计没有在图中显示。通过钻井液电子压力计、钻井液电子流量计可以直观的得出进入到煤样罐中的钻井液的流量和压力。

振荡室7的出液口通过钻井液管道连接上密封套筒上的通孔，从而使得钻井液可以进入到煤样罐中。在钻井液管道上设有电子阀门8，电子阀门8可以控制钻井液管道的开启或关闭。

注气组件包括气罐1和连接于气罐上的高压气泵10，为了方便控制，在气罐1和高压气泵10之间设有气路阀门11，通过气路阀门11控制进入到高压气泵10中的气体量。高压气泵10的出气口通过气路管道连接上密封套筒上的通孔，气路管道上设有电子压力计12和电子流量计9，通过电子压力计和电路流量计控制通过气路管道上的气体参数。

取样组件包括取样管26和设于取样管26上的取样阀门，取样管一端与煤样罐连通；取样管另一端上连接有量筒16。取样组件的数量与煤样罐的数量相等，每个煤样罐上均设置一个取样组件。在使用的时候，对钻井液取样时，打开取样阀门，钻井液从取样管26进入到量筒16中，从而便于日后对钻井液成分的分析。

控制组件包括处理单元，出气电子压力计、出气电子流量计、压力传感器、电子压力计和电子流量计的信号输出端连接处理单元的信号输入端；处理单元的信号输出端上连接有电子阀门驱动电路和油路电磁阀驱动电路，电子阀门驱动电路控制电子阀门的工作；油路电磁阀驱动电路控制油路电磁阀的工作。电子阀门和油路电磁阀均为电磁阀，电子阀门驱动电路和油路电磁阀驱动电路为成熟的现有技术。处理单元可以选用单片机或计算机，通过处理单元可以对输入的信号进行分析。

出气电子压力计、出气电子流量计、压力传感器、电子压力计和电子流量计将采集到得信息传输到处理单元，处理单元根据现有技术得出进入到煤样罐中的气体或液体的参数。

处理单元输出信号到电子阀门驱动电路和油路电磁阀驱动电路，控制电子阀门和油路电磁阀的工作。

为了实现钻井液和气体的回收，本装置中还包括气体回收罐18和液体回收罐19，气体回收罐18和液体回收罐19均与位于最下方的煤样罐25上的下密封套筒151上的通孔连接。在连接的时候，气体回收罐18和液体回收罐19通过带有阀门的管线与通孔连接，其中阀门和管线均没有在图中标示。使用的时候，打开阀门后钻井液或气体可以通过管线进入到液体回收罐或气体回收罐，一方面保证了气体或者钻井液的回收使用，另一方面，避免了气体和钻井液的随意排放造成的污染问题，使用方便。

本实用新型所述的模拟装置，能比较真实的模拟应力条件下钻井液的污染程度，并对污染前、后渗透率进行测试，为钻井过程中储层污染定量表征提供借鉴，同时该装置能模拟出水平井和垂直井两种钻井方式下、垂直层理和平行层理下钻井过程污染程度，测试灵活性强。

一种利用上述装置实施的钻井过程煤储层污染程度测试用模拟方法，如图5所示，依次包括如下步骤：

（1）煤样处理与放置；

首先，选取与煤样罐形状相匹配的煤样，其中煤样的长度大于煤样罐的长度，从而使得煤样的上端和下端分别位于上密封套筒和下密封套筒中，进而实现对轴向应力的测试。

然后，在煤样上钻孔，所钻孔的直径与下密封套筒上的通孔的直径相等；所钻孔的长度为煤样长度的1/6~1/4，优选为1/5。不同钻井方向的煤样可以模拟不同的渗透方向，平行层里钻取的煤样可以模拟垂直井或者水平井在平行方向的渗透，垂直层钻取的煤样可以模拟水平井钻井时在垂直层方向的渗透，使用起来比较灵活。

最后，将煤样放置于煤样罐中，保证煤样上所钻孔的一端朝上放置，将上密封套筒和下密封套筒分别设置于煤样罐的顶端和底端。

通过在煤样上钻孔，可以模拟煤层的钻取过程，提高测试结果的真实性。

（2）煤样罐连接；

首先，将各个煤样罐通过滑动组件和固定销连接；然后，将连接好的煤样罐放置于固定箱体中，并将各个煤样罐上的卡板配合设置于燕尾槽中，连接后煤样罐可以在固定箱体中沿竖直方向移动，但是在水平方向上煤样罐在固定箱体中无法移动，从而方便了轴向应力的加载。

（3）管线连接；

将油泵与油压缸连接；

将气罐与高压气泵连接，将高压气泵的出气口连接上密封套筒上的通孔；

气体回收罐和液体回收罐均与位于最下方的煤样罐上的下密封套筒上的通孔连接；

取样管一端连接煤样罐，另一端和量筒连接；

出气电子压力计、出气电子流量计、压力传感器、电子压力计和电子流量计的信号输出端均与处理单元的信号输入端连接；电子阀门驱动电路和油路电磁阀驱动电路均连接处理单元的信号输出端。

（4）加载轴向应力和围压；

首先，打开油罐和油泵，对煤样施加围压，通过油压缸上的压力表读取压力数据，根据该压力数据判断围压的大小；

然后，打开轴向加压机，轴向加压机带动轴向加压杆向下移动，对煤样施加轴向应力，压力传感器采集轴向应力的大小，并将采集到的轴向应力传输到处理单元。

（5）原始渗透率测试

首先，处理单元输出信号到电子阀门驱动电路，从而关闭关闭钻井液注入组件上的电子阀门，将钻井液注入组件与煤样罐隔离。

然后，将气罐和高压气泵打开，向煤样罐中注入气体，电子压力计采集注气压力，电子流量计采集注气量，同时每个下密封套筒的通孔中的出气电子压力计和出气电子流量计分别采集从煤样罐中出来的的气体压力和气体流量；电子压力计、电子流量计、各个出气电子压力计和各个出气电子流量计均将采集到的数值传输到处理单元，处理单元根据注气压力和各个出气电子压力计的值，以及电子流量计和各个出气电子流量计的值计算各个煤样罐中煤样的渗透量，根据注气压力和注气流量得出煤样的渗透率为成熟的现有技术。

（6）储层污染模拟测试

首先，关闭高压气泵，打开与气体回收罐相连接的管路上的阀门进行放气，气体回收罐对放出的气体进行回收，放气结束后关闭与气体回收罐相连接的管路上的阀门；

然后，打开液体增压泵和振动电机，使得钻井液进入到煤样罐中的煤样进行渗透；钻井液管道上的钻井液电子压力计和钻井液电子流量计时刻采集钻井液的压力和流量的变化；同时每个下密封套筒的通孔中的出气电子压力计和出气电子流量计分别采集从煤样罐中出来的的钻井液的压力和流量的变化；钻井液电子压力计、钻井液电子流量计、出气电子压力计和出气电子流量计均将采集到的数值传输到处理单元，处理单元得出出钻井液在煤样中的渗透速度和渗透量。根据进入到煤样罐中的钻井液的压力、流量以及从煤样罐中出来的钻井液的压力和流量得出煤样的渗透速度和渗透量为成熟的现有技术。

在钻井液进入到煤样罐中对煤样进行渗透的过程中，液体增压泵和振动电机的运行参数均保持恒定不变，从而保证从液体增压泵和振荡室出来的钻井液的压力不变，进而进一步提高测试结果的准确性，避免从液体增压泵中出来的钻井液的压力变化影响测试结果。

最后，关闭液体增压泵，打开取样阀门，对各个煤样罐渗透出的钻井液进行取样；

（7）钻井液回收，打开液体回收罐相连的管线上的阀门，煤样罐中剩余的钻井液进入到液体回收罐中进行回收。

（8）污染后渗透率测试

重复步骤5）即可，根据污染后的渗透率和原始渗透率进行比较就可以得出钻井液对煤样的污染程度，可以通过原始渗透率和污染后渗透率之差与原始渗透率相除得出污染程度，污染程度的得出为成熟的现有技术。

（9）装置整理

测试结束，打开与气体回收罐相连的管线上的阀门，煤样罐中的气体进入到气体回收罐；依次卸载掉轴向加压组件和围压加载组件，从固定箱体中取出煤样罐，回收煤样。

本发明公开的钻井过程煤储层污染程度测试用模拟方法，可以最大限度的模拟实际煤储层，提高测试结果的准确性；同时，使用起来比较灵活，可以对垂直井或水平井的煤样进行测试，通过本方法可以得出钻井液对煤储层的污染程度，从而对钻井过程中不同井型、不同钻井液的钻井深度提高参考，提高煤矿开采过程中的效率和安全性。

Claims (10)

1.一种钻井过程煤储层污染程度测试用模拟装置，其特征在于：包括煤样罐组件、煤层模拟组件、钻井液注入组件、注气组件和控制组件；

煤样罐组件包括固定箱体、和至少两个煤样罐，煤样罐滑动设于固定箱体内部，各个煤样罐沿固定箱体的高度方向依次分布；

煤样罐呈顶端和底端均开口的筒状，煤样罐的顶端上设有上密封套筒，煤样罐的底端上设有下密封套筒；

上密封套筒和下密封套筒上均贯穿设置有通孔，每个下密封套筒的通孔中均设置有出气电子压力计和出气电子流量计；

相邻煤样罐之间的上密封套筒和下密封套筒之间通过弹性环形垫圈连接，弹性环形垫圈内设有与通孔连通的腔体；

固定箱体的内底面上设有底座，位于最下方的煤样罐设于底座上；底座内设有气液腔，气液腔与位于最下方的煤样罐通过下密封套筒上的通孔连通；

煤层模拟组件包括轴向加压组件和围压加载组件；

轴向加压组件包括轴向加压机、压力传感器和竖直设置的轴压加压杆，轴压加压杆的末端固连有加压垫圈，加压垫圈与位于最上方的煤样罐上的上密封套筒贴合；压力传感器设置于上密封套筒的下表面上；

围压加载组件包括油压缸、油罐和油泵，每个煤样罐中设置两个油压缸；

油压缸上设有压力表和与油压缸内部连通的进油口，压力表检测油压缸内部的油压；油压缸中滑动设有加压活塞，加压活塞的末端设有围压加压杆，围压加压杆的横截面呈弧形；

同一个煤样罐中的两个围压加压杆相对设置；

油罐连接油泵的入口，油泵的出口通过油路管道连接油压缸的进油口；

钻井液注入组件包括钻井液箱、振动电机和振荡室，振荡室中设置有振动杆，振动杆与振动电机传动连接；

在钻井液箱的出口通过第一连接管道连接有液体增压泵；

液体增压泵的出口通过第二连接管道连接振荡室，第二连接管道上设有钻井液电子压力计和钻井液电子流量计；

振荡室的出液口通过钻井液管道连接上密封套筒上的通孔，钻井液管道上设有电子阀门；

注气组件包括气罐和连接于气罐上的高压气泵，高压气泵的出气口通过气路管道连接上密封套筒上的通孔，气路管道上设有电子压力计和电子流量计；

控制组件包括处理单元，压力传感器、钻井液电子压力计、钻井液电子流量计、电子压力计、电子流量计、出气电子压力计和出气电子流量计的信号输出端均连接处理单元的信号输入端；处理单元的信号输出端上连接有电子阀门驱动电路，电子阀门驱动电路控制电子阀门的工作。

2.如权利要求1所述的钻井过程煤储层污染程度测试用模拟装置，其特征在于：还包括与煤样罐数量相等的取样组件，取样组件包括取样管和设于取样管上的取样阀门，取样管一端与煤样罐连通，另一端上连接有量筒。

3.如权利要求2所述的钻井过程煤储层污染程度测试用模拟装置，其特征在于：相邻煤样罐之间设置有滑动组件，滑动组件包括配合设置的滑动杆和滑动槽，滑动杆设于位于上方的煤样罐的外侧壁上，滑动槽设于位于下方的煤样罐的外侧壁上。

4.如权利要求3所述的钻井过程煤储层污染程度测试用模拟装置，其特征在于：固定箱体内壁上设有燕尾槽，煤样罐的外侧壁上配合燕尾槽设置有卡板，卡板滑动设置于燕尾槽中。

5.如权利要求4所述的钻井过程煤储层污染程度测试用模拟装置，其特征在于：煤样罐上设有竖直设置的连接孔，连接孔中穿设有固定销。

6.如权利要求5所述的钻井过程煤储层污染程度测试用模拟装置，其特征在于：油泵上连接有分流器，分流器的各个出油口分别与油压缸上的进油口连接，分流器的各个出油口上均设置有油路电磁阀，控制组件中配合油路电磁阀设有电磁阀驱动电路，电磁阀驱动电路连接处理单元的信号输出端，电磁阀驱动电路控制油路电磁阀的工作。

7.如权利要求6所述的钻井过程煤储层污染程度测试用模拟装置，其特征在于：还包括气体回收罐和液体回收罐，气体回收罐和液体回收罐均与位于最下方的下密封套筒上的通孔连接；气体回收罐和液体回收罐通过带有阀门的管线与通孔连接。

8.一种利用权利要求7所述的模拟装置实施的钻井过程煤储层污染程度测试用模拟方法，其特征在于：依次包括如下步骤：

（1）煤样处理与放置；

首先，选取与煤样罐形状相匹配的煤样；

然后，在煤样上钻孔，所钻孔的直径与下密封套筒上的通孔的直径相等；所钻孔的长度为煤样长度的1/6~1/4；

最后，将煤样放置于煤样罐中，保证将煤样上所钻孔的一端朝上放置，将上密封套筒和下密封套筒分别连接于煤样罐的顶端和底端；

（2）煤样罐连接；

首先，将各个煤样罐通过滑动组件和固定销连接；然后，将连接好的煤样罐放置于固定箱体中，并将各个煤样罐上的卡板配合设置于燕尾槽中；

（3）管线连接；

将油泵与油压缸连接；

将气罐与高压气泵连接，将高压气泵的出气口连接上密封套筒上的通孔；

气体回收罐和液体回收罐均与位于最下方的下密封套筒上的通孔连接；

取样管一端连接煤样罐，另一端和量筒连接；

压力传感器、钻井液电子压力计、钻井液电子流量计、电子压力计、电子流量计、出气电子压力计和出气电子流量计的信号输出端均与处理单元的信号输入端连接；油路电磁阀驱动电路和电子阀门驱动电路均连接处理单元的信号输出端；

（4）加载轴向应力和围压；

首先，打开油罐和油泵，对煤样施加围压，通过油压缸上的压力表读取压力数据；

然后，打开轴向加压机，轴向加压机带动轴向加压杆向下移动，对煤样施加轴向应力，压力传感器采集煤样受到的轴向应力的大小，并将采集到的轴向应力传输到处理单元；

（5）原始渗透率测试；

首先，关闭钻井液注入组件上的电子阀门，将钻井液注入组件与煤样罐隔离；

然后，将气罐和高压气泵打开，向煤样罐中注入气体，电子压力计采集注气压力，电子流量计采集注气量，同时每个下密封套筒的通孔中的出气电子压力计和出气电子流量计分别采集出气口的气体压力和气体流量；电子压力计、电子流量计、各个出气电子压力计和各个出气电子流量计均将采集到的数值传输到处理单元，处理单元根据注气压力和各个出气电子压力计的值，以及电子流量计和各个出气电子流量计的值计算各个煤样罐中煤样的渗透量；

（6）储层污染模拟测试

首先，关闭高压气泵，打开与气体回收罐相连接的管路上的阀门进行放气，气体回收罐对放出的气体进行回收，放气结束后关闭与气体回收罐相连接的管线上的阀门；

然后，打开液体增压泵和振动电机，使得钻井液进入到位于煤样罐中的煤样进行渗透；钻井液管道上的钻井液电子压力计和钻井液电子流量计时刻采集进入到煤样罐中的钻井液的压力和流量的变化，钻井液电子压力计和钻井液电子流量计将采集到的数值传输到处理单元；

最后，关闭高压气泵，打开取样阀门，对各个煤样罐渗透出的钻井液进行取样；

（7）钻井液回收，打开液体回收罐相连的管线上的阀门，各个煤样罐中剩余的钻井液均进入到与之相连的液体回收罐中实现回收；

（8）污染后渗透率测试；

重复步骤5）即可，根据污染后的渗透率和原始渗透率进行比较得出钻井液对煤样的污染程度；

（9）装置整理

测试结束，打开与气体回收罐相连的管线上的阀门，煤样罐中的气体进入到气体回收罐；

依次卸载掉轴向加压组件和围压加载组件，从固定箱体中取出煤样罐，回收煤样。

9.如权利要求8所述的钻井过程煤储层污染程度测试用模拟方法，其特征在于：在煤样上所钻孔的长度为煤样长度的1/5。

10.如权利要求9所述的钻井过程煤储层污染程度测试用模拟方法，其特征在于：在钻井液进入到煤样罐中对煤样进行渗透的过程中，液体增压泵和振动电机的运行参数均保持恒定不变。