一种钻井液封堵性能评价装置及其用于微裂缝岩心的模拟方法

摘要

本发明涉及一种钻井液封堵性能评价用微裂缝岩心的模拟方法。主要解决了现有模拟手段针对微米级开度存在一定局限影响钻井液对微米级裂缝封堵性能评价的问题。其特征在于：每个泥浆杯下杯盖上置有岩心套，岩心套下端放置量筒；泥浆杯置于高温高压失水仪套筒内；所述下杯盖为塑料盖，中心刻有长方形裂缝。钻井液封堵性能评价用微裂缝岩心的模拟方法包括：（1）设计加工岩心套；（2）插入并固定金属箔片；（3）浇筑和养护胶凝材料；（4）测试人造岩心微裂缝开度。该钻井液封堵性能评价装置及方法，为微裂缝封堵评价实验，尤其是20µm内微裂缝实验提供了岩心模块，弥补了使用缝板模拟裂缝表面光滑和采用现有技术孔隙介质换算裂缝开度的不足。

说明书

技术领域

本发明涉及油田钻井技术领域，特别涉及一种钻井液封堵性能评价装置及其用于微裂缝岩心的模拟方法。

背景技术

自20世纪60年代，人们开始运用实验室手段来模拟地层的漏失情况，模拟手段主要是使用开度不同的光滑缝板、不同粒径尺寸的粒子、高精度激光刻蚀的钢化玻璃板/低渗人造岩芯和切片金属岩芯，不同目数的砂盘或瓷片等。上述模拟方法针对微米级开度，尤其是0～20μm的裂缝存在一定的局限，影响了钻井液对微米级裂缝封堵性能的评价。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服背景技术中存在的现有模拟手段针对微米级开度、尤其是0～20μm的裂缝存在一定的局限影响钻井液对微米级裂缝封堵性能的评价的问题，而提供一种钻井液封堵性能评价装置，该钻井液封堵性能评价装置，为微裂缝封堵评价实验，尤其是20μm内微裂缝实验提供了岩心模块，弥补了使用缝板模拟裂缝表面光滑和采用砂床/钢珠/砂盘等孔隙介质换算裂缝开度的不足。本发明还提供一种钻井液封堵性能评价用微裂缝岩心的模拟方法。

本发明解决其问题可通过如下技术方案来达到：一种钻井液封堵性能评价装置，包括两个泥浆杯，每个泥浆杯装有下杯盖、上杯盖，所述下杯盖、上杯盖分别连接阀杆；泥浆杯上杯盖通过阀杆连接阀门，阀门通过高压管线与气源相连，并由销子进行固定，从顶部给泥浆杯提供高压气源压力；每个泥浆杯下杯盖上置有岩心套，岩心套下端放置量筒；泥浆杯底部与岩心套固定；泥浆杯置于高温高压失水仪套筒内。

所述下杯盖为塑料盖，在塑料盖中心刻有长方形缝；岩心套为中空不锈钢套筒，每个岩心套开有若干个8mm深小孔；泥浆杯和岩心套间采用密封胶圈密封；所述泥浆杯内装有钻井液；岩心套内装有微裂缝岩心。

本发明还提供一种钻井液封堵性能评价用微裂缝岩心的模拟方法，包括以下步骤：

(1)准备所需内径及长度岩心套：

准备两个长度不同的岩心套，每个岩心套开有4个8mm深小孔，两个岩心套置于高温高压失水仪内泥浆杯底部，固定岩心套；

(2)将准备好的岩心套插入并固定金属箔片：

在塑料盖中心，刻出长方形缝；将铝箔裁剪成宽度2.5cm，长度分别为7cm和12cm的长方形；将不同厚度和/或厚度组合的铝箔插入到塑料盖的缝中，折叠铝箔底部并固定在塑料盖外侧，放置在表面皿中；将岩心套放入塑料盖内；保持铝箔呈直立状态；

(3)浇筑和养护胶凝材料：

将硅酸盐水泥与水混合，充分搅拌后浇筑在岩心套中，放入恒温恒湿条件下养护；利用水泥的碱性和铝箔遇碱易腐蚀的性质，在水泥固化的同时完成微裂缝的制作。

(4)测试人造岩心微裂缝开度：

使用封堵评价装置，将350mL清水倒入泥浆杯中，放入步骤(3)制作的带有微裂缝岩心的岩心套，使用密封圈密封，固定好后，倒置在高温高压失水仪套筒上，联接好气源，调节为1MPa压差，开通气源，记录清水完全流出所需的时间；实验结束，将水泥套从泥浆杯中取出，测量人造岩心的裂缝行程和宽度，使用数学模型计算裂缝的有效开度。

所述步骤(1)微裂缝封堵评价装置工作温度室温～260℃，工作压力0～10MPa；所述步骤(1)两个长度不同的岩心套内径为4cm，长度分别为5cm、10cm；在塑料盖中心刻出的长方形缝长度为3cm，宽度为0.1cm。

所述步骤(3)岩心套中浇筑的胶凝材料水灰比0.44的硅酸盐水泥，插入的微米级金属箔片为铝箔片，40℃养护8h后，25℃继续养护至72h。

所述步骤(4)计算裂缝的有效开度使用数学模型为：

其中：h：裂缝有效开度，μm；Q：缝内流体单位时间的流量，mL/s；μ：流体的粘度，mPa·s；L：裂缝行程，mm；ω：裂缝宽度mm；ε：裂缝粗糙度校正系数，无量纲；△P：流体流动方向的压力梯度，MPa。

本发明与上述背景技术相比较可具有如下有益效果：该钻井液封堵性能评价用微裂缝岩心的模拟方法，制作的微裂缝岩心缝面具有一定的粗糙度，裂缝开度最小3.33μm，具有5～10cm的行程，且制作方法简单，重复率高，为微裂缝封堵评价实验，尤其是20μm内微裂缝实验提供了岩心模块，弥补了使用缝板模拟裂缝表面光滑和采用砂床/钢珠/砂盘等孔隙介质换算裂缝开度的不足。使用本发明模拟方法制作了微裂缝，参照实施例1，h为人造微裂缝的缝宽，相同序号组制作的人造微裂缝数值接近，有效开度重复率较高，可以模拟出0～20μm的微裂缝。

附图说明

附图1为本发明微裂缝封堵评价装置结构示意图；

附图2为本发明铝箔片在强碱性溶液中腐蚀前后对比图；

附图3为本发明人造微裂缝缝面形态。

具体实施方式：

下面结合附图将对本发明作进一步说明：

如附图1所示，一种微裂缝封堵评价装置，包括泥浆杯4，泥浆杯装有下杯盖、上杯盖，所述下杯盖、上杯盖分别连接阀杆；泥浆杯4上杯盖通过阀杆连接阀门2，阀门2通过高压管线与气源1相连，并由销子进行固定，从顶部给泥浆杯提供高压气源压力；泥浆杯4下杯盖上置有岩心套7，岩心套7下端放置量筒9；所述泥浆杯4内装有钻井液5；岩心套7内装有微裂缝岩心6；泥浆杯4底部通过内六角顶丝8固定岩心套7；泥浆杯4置于高温高压失水仪套筒3内；泥浆杯和岩心套间采用密封胶圈密封；装置工作温度室温～260℃，工作压力0～10MPa；所述下杯盖为一个内径为6cm的塑料盖，在塑料盖中心刻出长度为3cm，宽度为0.1cm的长方形缝；铝箔裁剪成宽度2.5cm，长度分别为7cm和12cm的长方形；将不同厚度和/或厚度组合的铝箔插入到塑料盖的缝中，折叠铝箔底部并固定在塑料盖外侧，放置在表面皿中；将岩心套7放入塑料盖内，保持铝箔呈直立状态。

该钻井液封堵性能评价用微裂缝岩心的模拟方法，包括以下步骤：(1)准备所需内径及长度岩心套；

(2)将准备好的岩心套插入并固定金属箔片；

(3)浇筑和养护胶凝材料；

(4)测试人造岩心微裂缝开度。

实施例1

如图1所示，该钻井液封堵性能评价用微裂缝岩心的模拟方法，包括以下步骤：

1.准备所需内径及长度岩心套：

根据高温高压失水仪的温度压力控制原理，设计加工内径4cm，长度分别为5cm和10cm岩心套和可以承压的泥浆杯，利用高温高压失水仪的内六角螺丝固定岩心套，采用胶圈密封泥浆杯和岩心套。装置工作温度室温～260℃，工作压力0～10MPa，评价装置示意图如附图1所示。

2.插入并固定金属箔片：

在一个内径为6cm的塑料盖中心，刻出长度为3cm，宽度为0.1cm的长方形缝；铝箔裁剪成宽度2.5cm，长度分别为7cm和12cm的长方形；将不同厚度和/或厚度组合的铝箔插入到塑料盖的缝中，折叠铝箔底部并固定在塑料盖外侧，放置在表面皿中；将岩心套放入塑料盖内；用镊子沿岩心套上端夹住铝箔上部，保持铝箔呈直立状态。

3.浇筑和养护胶凝材料：

将硅酸盐水泥与水按水灰比0.44混合，充分搅拌后浇筑在岩心套中，放入40℃恒温恒湿条件下养护8h后，放置于25℃环境中继续养护至72h。利用水泥的碱性和铝箔遇碱易腐蚀的性质，在水泥固化的同时完成微裂缝的制作。铝箔片在强碱性溶液中腐蚀前后对比图见附图2，可以看到强碱性溶液中的铝箔由最初完整的一片被完全腐蚀。

4.测试人造岩心微裂缝开度：

使用附图1所示的封堵评价装置，检察并更换老化的密封件，拧紧与泥浆杯联接的阀杆，将350mL清水倒入泥浆杯中，放入带有微裂缝岩心的岩心套，使用密封圈密封，并用内六角顶丝固定，倒置在高温高压失水仪套筒上，联接好气源，调节为1MPa压差，开通气源，使用秒表记录清水完全流出所需的时间。实验结束，关闭气源和阀杆，放掉管线中的气体，拆卸泥浆杯，将水泥套从泥浆杯中取出，测量人造岩心的裂缝行程和宽度，使用数学模型计算裂缝的有效开度。

其中：h：裂缝有效开度，μm；Q：缝内流体单位时间的流量，mL/s；μ：流体的粘度，mPa·s；L：裂缝行程，mm；ω：裂缝宽度mm；ε：裂缝粗糙度校正系数，无量纲；△P：流体流动方向的压力梯度，MPa。

室内模拟制作了0～20μm微裂缝，微裂缝有效开度实验数据见表1。

表1

由表1可以看出，由于水泥的固化时间大于铝箔的腐蚀时间，铝箔腐蚀过程中，水泥会继续流动并占据一定的铝箔的空间，因此，模拟的岩心裂缝开度小于所用铝箔的厚度。使用本发明模拟方法制作的微裂缝，相同序号，即采用相同铝箔组合制作出的裂缝h值接近，表明有效开度重复率较高，可以模拟出0～20μm的微裂缝，为后续封堵剂的优选提供实验模拟条件。

分别使用土浆及水基钻井液作为介质，通过本发明方法制作的人造微裂缝进行封堵实验，使用土浆作为介质进行的封堵实验，实验后微裂缝表面没有颜色变化，而使用水基钻井液作为介质的封堵实验，实验后微裂缝表面呈现黑色，说明人造微裂缝是具有行程的连通有效的裂缝，实验效果见图3。