CN109254027A - 一种基于低场核磁共振的泥饼封堵评价装置及评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于低场核磁共振的泥饼封堵评价装置及方法，装置包括钻井液盛装压滤***、加热加压***和测量***；钻井液盛装压滤***包括钻井液压滤釜、地层岩心填充装置，还包括钻井液滤液盛装装置及密封钻井液压滤釜釜体的密封装置；加热加压***包括为加热装置及氮气瓶。测量***为核磁共振成像***，包括主磁体、射频中心和信号接收器、射频脉冲释放单元、线圈，以及信号处理器。评价方法包括：填充岩心充填单元和钻井液；加热加压；设置实验参数，启动核磁共振成像***；持续测量，得到核磁信号数据及核磁共振数据图；根据低磁场核磁共振的信号量评价泥饼封堵性；低磁场核磁共振的驰豫时间评价亲疏水性；根据三维数据图，评价封堵性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于低场核磁共振的泥饼封堵评价装置及评价方法，属于泥饼封堵性能测试技术领域。
背景技术
钻井时，在井底压差的作用下，钻井液会迅速失水在井壁上形成具有一定厚度的泥层，工程上将其称为泥饼。泥饼可防止后续钻井液的水份进入地层，抑制井壁水化，起到稳定井壁稳定性的重要作用。换句话说，性能优良的泥饼能极大提高工程安全性，极大降低钻井经济损失。因而，工程上设计的泥饼在井底能否形成致密且封堵性良好的泥饼至关重要。而近年来，在石油与天然气钻采的过程中，因井壁失稳所导致的工程问题不计其数。因此，对泥饼封堵性能的评价，对于顺利完成钻井，避免井壁失稳具有重要的指导意义。
基于泥饼的形成原理，本发明结合低场核磁共振技术设计了一款低场核磁共振的泥饼封堵评价装置及评价方法。不仅可以模拟钻井液在高温高压条件下泥饼的形成过程，同时还可通过低场核磁检测***分析反应釜体内钻井液水份含量变化及流动变化，可直观生动地观察泥饼对钻井液的封堵作用。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明提供一种基于低场核磁共振的泥饼封堵评价装置及评价方法，不仅可以模拟钻井液在高温高压条件下泥饼的形成过程，同时还可通过低场核磁检测***分析反应釜体内钻井液水份含量变化及流动变化，可直观生动地观察泥饼对钻井液的封堵作用。
本发明为了实现上述技术目的，采用如下的技术方案。
一种基于低场核磁共振的泥饼封堵评价装置，包括钻井液盛装压滤***、加热加压***和测量***；
钻井液盛装压滤***包括盛放测试钻井液的钻井液压滤釜，钻井液压滤釜内的一侧设置有填充测试岩心的地层岩心填充装置，还包括设置在地层岩心填充装置外侧的钻井液滤液盛装装置，还包括密封钻井液压滤釜釜体的密封装置；
还包括加热加压***，包括为钻井液压滤釜加热的加热装置，以及为钻井液压滤釜釜体提供压力的氮气瓶，氮气瓶和钻井液压滤釜釜体连通；
测量***为核磁共振成像***，包括：主磁体，设置在钻井液压滤釜釜体外，射频中心和信号接收器，设置在钻井液压滤釜釜体内的射频脉冲释放单元，设置在钻井液压滤釜釜体外的线圈，以及信号处理器，用于接收处理由磁共振所产生的电子信号，还包括控制***，用以控制加热装置的加热、射频中心与信号接收器的脉冲序列选择，射频频率的选择和实验参数的设置、信号处理器采集的的电子信号的处理，生成图像。
进一步的，一种基于低场核磁共振的泥饼封堵评价装置，测量***还可以包括渗透流量测试***，渗透流量测试***包括设置在钻井液滤液盛装装置的流量表，用于读取单位时间内滤液通过测试岩心的体积。
进一步的，一种基于低场核磁共振的泥饼封堵评价装置，基于基于的泥饼封堵评价装置还包括设置在钻井液压滤釜釜体与主磁体之间的隔热橡胶。
一种利用基于低场核磁共振的泥饼封堵评价装置的泥饼封堵评价的方法，包括以下步骤：
步骤1，将实验需要的采样岩心放入岩心充填单元，在钻井液压滤釜釜体中装入评价用钻井液，扭紧钻井液压滤釜釜体的密封单元。
步骤2，对钻井液压滤釜进行加热加压，模拟实际情况；
步骤3，设置核磁共振实验参数，启动核磁共振成像***，记录实验数据；
打开核磁共振成像***，设置核磁实验参数；
步骤4，核磁共振成像***持续测量，得到核磁信号数据及核磁共振数据图；
步骤5，根据低磁场核磁共振的信号量评价泥饼封堵性；根据低磁场核磁共振的驰豫时间评价泥饼的亲疏水性；根据核磁信号生成的三维数据图，评价钻井液泥饼的封堵性。
进一步的，一种利用基于低场核磁共振的泥饼封堵评价装置的泥饼封堵评价的方法，步骤5中，低场核磁Fid信号量信号量越大，代表釜体内的残余水含量越大，说明生成的泥饼封堵性能好，反之，则泥饼封堵性能差。
一种利用基于低场核磁共振的泥饼封堵评价装置的泥饼封堵评价的方法，步骤5中，弛豫越大泥饼的疏水性强；反之，弛豫越小，泥饼的亲水性强。
一种利用基于低场核磁共振的泥饼封堵评价装置的泥饼封堵评价的方法，步骤5中，核磁图像三维数据，空间内亮度越高泥饼封堵性差，亮度越低泥饼封堵性越强。
一种利用基于低场核磁共振的泥饼封堵评价装置的泥饼封堵评价的方法，还包括步骤6，根据流量表读数判断泥饼封堵性，流量表读数越小，泥饼封堵性强；反之，泥饼封堵性差。
本发明采用上述技术方案，取得如下的技术效果。
本发明基于泥饼的形成原理，结合低场核磁共振技术设计了一款评价泥饼的低场核磁共振装置。可以模拟钻井液在高温高压条件下泥饼的形成过程，同时还可通过低场核磁检测***分析反应釜体内钻井液水份含量变化及流动变化，可直观生动地观察泥饼对钻井液的封堵作用。
该装置和方法可模拟地层条件，提供高温高压的实验环境，可分析地层条件下泥饼的形成过程。
附图说明
图1是本发明的基于低场核磁共振的泥饼封堵评价装置的结构示意图；
图2为本发明的实验例的残余钻井液中水份的T2分布图谱；
图3为本发明的实验例的得到Fid信号幅值与纯水质量的线性换算关系图；
图4是本发明的实验例的高性能钻井液实验的泥饼表面横截面的低场核磁共振成像图(LF-MRI)。
图5是本发明的实验例的不稳定钻井液实验的泥饼表面横截面的低场核磁共振成像图(LF-MRI)。
附图标记列示如下：1为操作人员，2为控制***，3为信号释放与接收中心，4为射频中心与信号接收器，5为信号处理器，6为氮气瓶，7密封单元，8为射频脉冲释放单元，9为线圈，10为钻井液压滤釜，11为加热单元，12为隔热橡胶，13为地层岩心填充单元，14为钻井液滤液盛装单元，15为流量表，16为电源，17为主磁体。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式，对本发明的技术方案进行进一步的描述，使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施。
本发明的基于低场核磁共振的泥饼封堵评价装置，可用以模拟地层条件，提供高温高压的实验环境，可分析地层条件下泥饼的形成过程。
参见图1，本发明的基于低场核磁共振的泥饼封堵评价装置，包括钻井液盛装压滤***，具体的，包括钻井液压滤釜10，釜体用以盛放测试钻井液；钻井液压滤釜10内还包括地层岩心填充装置13，用以填充测试岩心；进一步的，还包括设置在地层岩心填充装置13外侧的钻井液滤液盛装装置14，用以收集透过岩心填充装置13的测试岩心的钻井液；还包括密封装置7，用以实现钻井液压滤釜10釜体的密封，防止釜体内气体或者钻井液泄漏，压力回落。
具体的，钻井液压滤釜10为卧式釜，由于井下钻井液的渗流方向为横向，卧式釜可以更好的模拟钻井液的滤失过程。优选的，钻井液压滤釜10采用高温高压钢体锻造，耐温400℃，耐压20MPa。
另外，钻井液压滤釜10配备了岩心填充装置13，可以有效模拟钻井液与岩层的相互作用。岩心填充装置13与钻井液压滤釜10的一端紧密相连，其上端开启有可开关的槽口，以放置实验岩心，实验岩心按照压滤釜体内径大小进行切割，通过可开关的槽口加入岩心填充装置13。岩心填充装置13的设置，可以模拟研究钻井液与岩层相互作用，判断泥饼能否阻挡钻井液进入地层。
进一步的，本发明的基于低场核磁共振的泥饼封堵评价装置，还包括加热加压***，用以为钻井液压滤釜10加热加压，具体的，包括用以为钻井液压滤釜10加热的加热装置11，以及为钻井液压滤釜10釜体提供压力的氮气瓶6。
加热装置11可以将钻井液压滤釜10及其内的钻井液加热至30～300℃，优选为电加热装置。
氮气瓶6和钻井液压滤釜10连通，并为钻井液压力釜10供气。优选的，可以通过向钻井液压滤釜10充氮气，为其提供1～10MPa的压力。
本发明的基于低场核磁共振的泥饼封堵评价装置，还包括用以测量泥饼封堵性能的测量***。在一种实施方式中，测量***为核磁共振成像***，用以使钻井液压滤釜10内的钻井液产生核磁共振，并对核磁信号进行数据处理，生成数据图。具体的，核磁共振成像***包括：
主磁体17，设置在钻井液压滤釜10釜体外，可以选择永磁体作为主磁体，使得钻井液压滤釜10内的钻井液处于磁场中。
射频中心和信号接收器4，一方面，射频中心可提供电子射频脉冲，具体的，提供的磁场强度为0.3～0.5T；另一方面，信号接收器其也可接收核磁共振所产生的电子信号。具体的，通过射频中心和信号接收器4，可以根据需要选择脉冲序列(如CPMG序列，HASTE序列，EPI序列)和射频频率，选择采样参数。采样参数包括：重复等待时间Tw：通过控制重复等待时间，可以降低信号干扰，缩小实验误差；采样点数TD：采样点数越大，信号越准确，误差越小，实验结果更接近真实值；累计采样次数NS：通过增大采样次数，可以进一步降低实验误差。
射频脉冲释放单元8，优选的，为脉冲释放线圈，设置在钻井液压滤釜10釜体内，用以释放射频中心与信号接收器4提供的射频脉冲，使得处于磁场中的钻井液产生核磁共振。
线圈9，设置在钻井液压滤釜10釜体外，使原子的核磁共振转化为宏观的电子信号。其原理为磁场中的钻井液的可磁化原子在射频脉冲的激发下产生磁共振，宏观磁化矢量发生变化，切割线圈，产生一定频率的电子信号。
信号处理器5用以处理信号。
本发明的低场核磁共振的泥饼封堵评价装置，还包括控制***，用以控制加热装置11的加热、射频中心与信号接收器4的脉冲序列选择，射频频率的选择和实验参数的设置、信号处理器5采集的的电子信号的处理，生成图像。
在另一种实施方式中，测量组件还可以包括渗透流量测试***，用以测试渗透至滤液盛装装置14的钻井液的流量。具体的，包括设置在钻井液滤液盛装装置14的流量表15，用于读取单位时间内滤液通过岩心的体积，以计算钻井液的渗流速度。
作为一种优选的方案，本发明的基于低场核磁共振的泥饼封堵评价装置还包括隔热橡胶12，设置在钻井液压滤釜10釜体与主磁体17之间，主要起到隔热效果，防止损害两端的磁体。隔热橡胶为具有隔热功能但对核磁信号无影响的橡胶，具体的，为丙烯类耐高温无低场核磁信号橡胶。
本发明还提供一种利用上述基于低场核磁共振的泥饼封堵评价装置进行泥饼封堵评价的方法，包括以下步骤：
步骤1，将实验需要的采样岩心放入岩心充填单元13，在钻井液压滤釜10釜体中装入评价用钻井液，扭紧钻井液压滤釜10釜体的密封单元7。
此步骤中，采样岩心的尺寸应根据岩心充填单元13的有效容积进行取样，并将其填充岩心单元中。
装入钻井液时，钻井液不应充填满钻井液压滤釜10釜体，应当留有为釜体体积的5～10％的空余空间，利于釜体憋压。
扭紧钻井液压滤釜10釜体的密封单元7，以免釜体内的钻井液或者气体流出。
步骤2，对钻井液压滤釜10进行加热加压，模拟实际情况。
此步骤中，通过加热单元11对钻井液进行加热，使其达到指定实验温度。本发明中，实验温度范围为30～250℃。
待压滤釜体达到指定实验温度后，打开氮气瓶，往釜体内注入氮气，使釜内压力始终保持为实验指定压力。本发明中，实验压力范围为2～4MPa。
步骤3，设置核磁共振实验参数，启动核磁共振成像***，记录实验数据。
打开核磁共振成像***，设置核磁实验参数，包括射频频率(RF)、重复等待时间(TW)、采样点数(TD)、采样间隔时间(TE)，启动核磁共振成像***。
具体的，在射频中心与信号接收器4中，设置射频频率设置20～22MHz，采样间隔时间不小于下限为1ms，重复等待时间1000～10000ms。
在此过程中，通过射频脉冲释放单元8释放特定频率的电子脉冲，处于磁场中的钻井液产生核磁共振，同时通过线圈9接收钻井液磁共振所引发的电子信号，通过信号处理器5，采集核磁信号并进行数据处理。
步骤4，核磁共振成像***持续测量，得到核磁信号数据及核磁共振数据图。
步骤5，根据低磁场核磁共振的信号量评价泥饼封堵性；
钻井液水分残余量是基于低场核磁***测得的Fid(free induction decay)信号量，低场核磁Fid信号量大小与钻井液中水分含量正相关，信号量越大，代表釜体内的残余水含量越大，说明生成的泥饼封堵性能好。反之，则泥饼封堵性能差。
还可通过定标的方法，确定样品中的水分，从而计算出压滤后钻井液中残余水量。
根据低磁场核磁共振的驰豫时间评价泥饼的亲疏水性；
低场核磁共振不仅可反应判断泥饼的封堵性，还可通过弛豫时间进一步判断泥饼的亲疏水性。所谓弛豫时间即水中被激发到高能态的磁共振的氢质子释放能量恢复到磁共振前的低能态所需的时间。而这一时间(弛豫时间)由质子所处的环境有关，体现质子所受束缚性即运动性。根据弛豫时间大小判断泥饼的亲疏水性，弛豫越大，表面水分子越自由，受泥饼束缚作用小，表明泥饼的疏水性强；反之，弛豫越小，表明泥饼的亲水性强。
根据核磁信号生成的三维数据图，评价钻井液水份的空间分布；
核磁共振成像基于Fid信号，由上海纽迈电子公司提供的LF-NMR成像软件得到核磁共振图像。
根据图像评价封堵性，空间内亮度越高代表残余水量越大，泥饼封堵性差，亮度越低代表残余水量越小，泥饼封堵性越强。
进一步的，根据流量表读数判断泥饼封堵性；
具体为，流量表读数越小，表明单位时间内通过泥饼的液体量越小，说明泥饼封堵性强；反之，泥饼封堵性差。
实验例：
根据具体实施例中的基于低场核磁共振的泥饼封堵评价装置及评价方法，进行如下的实验：
采用采自四川省宜宾市龙马溪组泥页岩作为测试岩心，将其切割成相应大小，将其置入放入岩心充填单元13。
选择高性能钻井液和不稳定钻井液进行实验，其中，高性能钻井液组成为：膨润土3％，氯化钠2％，聚乙烯亚胺0.2～0.5％，己二胺0.5～1.0％，聚阴离子纤维素0.2～0.5％。不稳定钻井液组成为：膨润土3％，氯化钠2％，聚阴离子纤维素0.2～0.5％。
选择实验温度150℃，实验压力3.5MPa，射频频率21.5MHz，重复等待时间2000ms，采样点数3600428，采样间隔时间1.0002ms，按照具体实施方式中的方法进行实验，得到如下的实验结果。
附图2为实验得到的残余钻井液中水分水驰豫T2分布。T2谱图中每一个T2峰代表一种状态的水份，根据弛豫时间大小，进一步判断水份状态。由图2可知，残余钻井液中主要含有两种状态水份，弛豫时间位于0.001～1ms的水份为靠近泥饼附近的水，由于受泥饼束缚作用，弛豫时间较小。弛豫时间位于10～1000ms的水份为釜体内自由流动水份，几乎不受泥饼影响。
根据T2峰面积大小，判断束缚水与自由水含量，判断残余水总量。
根据T2峰弛豫分布，判断泥饼亲疏水性，束缚水T2峰的T2分布越小，表明泥饼对水份的束缚性越强，即泥饼亲水性越强；相反地，T2峰T2分布值越大，表明泥饼对水份束缚性越弱，即泥饼疏水性越强。
通过积分T2峰面积，得到每种水份的Fid信号幅值。通过纯水定标，得到Fid信号幅值与纯水质量的线性换算关系，见附图3。根据T2图谱不同水峰的信号幅值，换算出不同状态水份的质量。
附图4为高性能钻井液实验的泥饼表面横截面的低场核磁共振成像图(LF-MRI)。
附图5为不稳定钻井液实验的泥饼表面横截面的低场核磁共振成像图(LF-MRI)。
从附图4的LF-MRI成像看出其亮度偏低，但水份也主要分布在泥饼外圈，形成的泥饼为疏水性泥饼。
从附图5的LF-MRI成像看出其亮度偏高，很明显含水量大，水分主要集中分布在泥饼外圈，形成的泥饼为亲水性泥饼。
两种不同类型钻井液研究结果如下表1所示，通过核磁共振实验数据，评价得到高性能钻井液所成泥饼表现出疏水性，封堵性较强，不稳定钻井液所成泥饼表现出亲水性，封堵性较弱。
下表为根据核磁共振实验结果评价得到的泥饼性能表。
表1泥饼性能评价
水分类型通过下述方法判断：实验弛豫时间位于0.001～1ms的水份为束缚水，弛豫时间位于10～1000ms的水份为自由水。
本发明提供的技术方案，不受上述实施例的限制，凡是利用本发明的结构和方式，经过变换和代换所形成的技术方案，都在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于低场核磁共振的泥饼封堵评价装置，其特征在于：包括钻井液盛装压滤***、加热加压***和测量***；
钻井液盛装压滤***包括盛放测试钻井液的钻井液压滤釜(10)，钻井液压滤釜(10)内的一侧设置有填充测试岩心的地层岩心填充装置(13)，还包括设置在地层岩心填充装置(13)外侧的钻井液滤液盛装装置(14)，还包括密封钻井液压滤釜(10)釜体的密封装置(7)；
还包括加热加压***，包括为钻井液压滤釜(10)加热的加热装置(11)，以及为钻井液压滤釜(10)釜体提供压力的氮气瓶(6)，氮气瓶(6)和钻井液压滤釜(10)釜体连通；
测量***为核磁共振成像***，包括：主磁体(17)，设置在钻井液压滤釜(10)釜体外，射频中心和信号接收器(4)，设置在钻井液压滤釜(10)釜体内的射频脉冲释放单元(8)，设置在钻井液压滤釜(10)釜体外的线圈(9)，以及信号处理器(5)，用于接收处理由磁共振所产生的电子信号，还包括控制***，用以控制加热装置(11)的加热、射频中心与信号接收器(4)的脉冲序列选择，射频频率的选择和实验参数的设置、信号处理器(5)采集的电子信号的处理，生成图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于低场核磁共振的泥饼封堵评价装置，其特征在于：测量***还可以包括渗透流量测试***，渗透流量测试***包括设置在钻井液滤液盛装装置(14)的流量表(15)，用于读取单位时间内滤液通过测试岩心的体积。
3.根据权利要求1所述的一种基于低场核磁共振的泥饼封堵评价装置，其特征在于：基于基于的泥饼封堵评价装置还包括设置在钻井液压滤釜(10)釜体与主磁体(17)之间的隔热橡胶(12)。
4.一种利用权利要求1至3所述的基于低场核磁共振的泥饼封堵评价装置的泥饼封堵评价的方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤1，将实验需要的采样岩心放入岩心充填单元(13)，在钻井液压滤釜(10)釜体中装入评价用钻井液，扭紧钻井液压滤釜(10)釜体的密封单元(7)；
步骤2，对钻井液压滤釜(10)进行加热加压，模拟实际情况；
步骤3，设置核磁共振实验参数，启动核磁共振成像***，记录实验数据；
打开核磁共振成像***，设置核磁实验参数；
步骤4，核磁共振成像***持续测量，得到核磁信号数据及核磁共振数据图；
步骤5，根据低磁场核磁共振的信号量评价泥饼封堵性；根据低磁场核磁共振的驰豫时间评价泥饼的亲疏水性；根据核磁信号生成的三维数据图，评价钻井液泥饼的封堵性。
5.根据权利要求4所述的基于低场核磁共振的的泥饼封堵评价装置的泥饼封堵评价的方法，其特征在于：步骤5中，低场核磁Fid信号量信号量越大，代表釜体内的残余水含量越大，说明生成的泥饼封堵性能好，反之，则泥饼封堵性能差。
6.根据权利要求4所述的基于的泥饼封堵评价装置的泥饼封堵评价的方法，其特征在于：步骤5中，弛豫越大泥饼的疏水性强；反之，弛豫越小，泥饼的亲水性强。
7.根据权利要求4所述的基于的泥饼封堵评价装置的泥饼封堵评价的方法，其特征在于：步骤5中，核磁图像三维数据，空间内亮度越高泥饼封堵性差，亮度越低泥饼封堵性越强。
8.根据权利要求4所述的基于的泥饼封堵评价装置的泥饼封堵评价的方法，其特征在于：还包括步骤6，根据流量表读数判断泥饼封堵性，流量表读数越小，泥饼封堵性强；反之，泥饼封堵性差。
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