專利名稱：高溫高壓全直徑巖心泥漿污染評價的測定裝置及方法
技術領域：
本發明涉及室內高溫高壓條件下泥漿濾失動態監測及傷害評價的大型實驗設備及評價方法，屬于石油與天然氣勘探開發領域。
背景技術：
在油氣勘探開發過程中，鉆井工程始終面臨著儲層傷害這一問題。如何能夠實時、有效監測鉆井液泥漿在地層中的漏失情況，深入、客觀評價鉆井液對儲層滲透率的傷害程度是一個普遍面臨的技術課題。在鉆井過程中，泥漿中的固相與液相進入儲層內部，引發儲層中有效孔隙的堵塞以及各種敏感性傷害，降低儲層滲透率，破壞儲層的孔隙結構，從而降低采收率，阻礙油氣資源的開發利用，進而影響勘探開發的經濟效益。儲層損害程度與泥漿侵入量有直接關系，主要受儲層特征(如儲層壓力、溫度、滲透率、孔隙度和毛管壓力等)、鉆井完井液性能(如鉆井完井液密度、失水造壁性、固相含量及級配、濾液粘度及其與儲層流體配伍性等)、鉆井施工參數(如鉆井壓差、環空返速和浸泡時間等)的影響。因此，真實全面地模擬現場鉆井條件下的泥漿污染動態對于研究儲層傷害機理，評價儲層傷害程度，優選鉆井液和各項鉆井參數，優化鉆井方案有著至關重要的作用。目前泥漿污染評價借鑒石油行業標準SY/T6540-2002“鉆井液完井液損害油層室內評價方法”，該裝置及方法僅適用于油藏在常溫常壓下的泥漿污染評價，實驗巖心尺寸小、流體量少，實驗測試精度及代表性受到限制，不能完全模擬高溫高壓條件下氣藏鉆井過程中泥漿傷害情況。因此，研究一套能夠全面模擬真實氣藏條件下鉆井液污染全過程的實驗設備對于儲層保護具 有非常重要的意義。
發明內容
本發明的目的在于提供高溫高壓全直徑巖心泥漿污染評價的測定裝置，該裝置可以模擬氣藏在真實鉆井條件下受到鉆井液泥漿污染的全過程，實時監測記錄濾失過程中的濾失速率、濾失量等各項動態參數，以及進行儲層傷害評價等。本發明的另一目的在于提供利用該裝置對高溫高壓條件下全直徑巖心泥漿污染進行評價的方法，該方法原理可靠，簡單實用，能夠全面模擬并評價真實氣藏條件下的鉆井液污染機理。為達到以上技術目的，本發明提供以下技術方案。高溫高壓全直徑巖心泥漿污染評價的測定裝置主要由泥漿循環系統，全直徑巖心夾持系統，壓力、溫度控制系統和數據采集計量系統四個部分組成。所述泥漿循環系統包括泥漿中間容器、低壓循環氣缸、高壓循環泥漿缸、自動控制裝置，在低壓循環氣缸和高壓循環泥漿缸之間有支撐架。低壓循環氣缸被活塞分為兩個腔室A和B，支撐架中有金屬環，高壓循環泥漿缸被活塞分為兩個腔室C和D，氣缸活塞、金屬環和泥漿缸活塞通過活塞桿相連。
低壓循環氣缸為整個泥漿循環系統提供循環動力。泥漿循環開始前，將工業氮氣瓶出口端接上減壓閥，調節出口壓力至IMPa以下，連接到低壓循環氣缸，為循環系統提供低壓氣源。低壓循環氣缸被活塞分為兩個腔室A和B，開啟氮氣氣源后，氣腔A閥門閉合為減壓閥設定壓力，氣腔B閥門打開接通大氣壓，壓差推動低壓循環氣缸的活塞開始運動，并帶動高壓循環泥漿缸的活塞一起運動。自動控制裝置包括換向電磁閥、行程開關、節流閥等，將自動控制裝置接通電源，當活塞桿上的金屬環擠壓到支撐架兩端的行程開關，換向電磁閥與控制系統電路接通，氣腔A閥門打開排除氮氣并接通大氣壓，氣腔B閥門閉合開始進氣，形成反向壓差推動整個活塞反向運動，直至接觸并擠壓另一端的行程開關，完成一次循環。此外，控制管線上的節流閥可以通過改變低壓循環氣缸內活塞的往復運動速度達到調節泥漿循環流速的作用。高壓循環泥漿缸最高可承壓70MPa，可容納泥漿體積達到1L，均超越了現有的泥漿污染實驗設備。泥漿通過泥漿中間容器泵入循環泥漿缸內并由中間容器提供補償泥漿和循環壓力，缸體內的活塞同樣將其分為兩個腔室C和D，循環前C與D腔都充滿泥漿，之后泥漿缸活塞在低壓循環氣缸活塞的帶動下開始作上下往復運動，帶動腔室內的泥漿往復循環運動。泥漿中間容器連接高精泵與高壓循環泥漿缸。實驗前，通過泵將中間容器內的泥漿泵入高壓泥漿缸中；實驗過程中，中間容器提供補償泥漿、維持泥漿循環壓力。所述全直徑巖心夾持系統包括全直徑巖心夾持器、高溫高壓密封系統、高壓泥漿循環腔、復合橡膠筒、全直徑巖心夾持探頭等。比之常規巖心，全直徑巖心能夠更好地表征油(氣)層的非均質性，可提高存在裂縫、溶洞及非均質儲層有關參數的測量精度。復合橡膠筒比常規巖心橡膠筒能承受更高的溫度與壓力。全直徑探頭與巖心緊密貼合，濾失產生的氣相與液相通過探頭內的出口管線流入計量裝置中。高溫高壓密封系統保證整個實驗進程中各個壓力系統的穩定，夾持器兩端的密封蓋除了起到密封作用以外，還有其他一些重要作用，當泥漿從高壓管線內高速進入泥漿循環腔時，密封蓋末端的不銹鋼擋板將泥漿對巖心端面的垂直沖擊力轉變為剪切力，使泥漿在巖心端面的循環運動更加充分。出口密封蓋在固定出口管線的同時， 其上的兩處加壓孔可分別為巖心提供軸向壓力和圍壓。所述壓力、溫度控制系統主要由高精泵、大型恒溫烘箱和回壓系統組成。高精泵是進口大排量活塞泵，總排量達1000ml，最高恒定泵速可達20ml/min，恒壓范圍0_70MPa，具有壓力控制迅速精確等特征，一方面用來給泥漿中間容器提供循環壓力，另一方面給全直徑巖心提供軸向壓力、圍壓和內壓。大型恒溫烘箱的控溫范圍0-200°C，控溫精度0.1°C，能夠快速準確地達到實驗條件，更加真實的模擬油氣藏的各種參數條件。回壓系統主要由回壓中間容器和回壓閥組成。回壓閥屬于單向控制閥，當回壓閥進口端壓力低于實驗設定回壓時，回壓閥閥針和閥片處于閉合狀態，系統內壓穩定密閉，當回壓閥進口端壓力高于實驗設定回壓時，閥針被頂開，閥片打開，巖心內部流體進入外部管線，待壓力降至低于設定回壓，閥針閥片重新閉合。實驗中，巖心出口管線與回壓閥相連，保證開始泥漿循環前全直徑巖心中孔隙壓力處于穩定的狀態，由于本實驗為模擬氣藏真實條件，在實驗準備階段需要對巖心進行兩步飽和，第一步按照實驗要求飽和定量束縛水，第二步將巖心完全飽和高純氮(N2含量高于99%)，增加回壓系統可以更加準確方便的實現氣體飽和這一步驟。所述數據采集計量系統包括高精泵壓力記錄，高溫高壓恒溫烘箱壓力溫度記錄和出口計量裝置，精確記錄入口處的泥漿循環壓力、巖心出口壓力、圍壓、軸向壓力、回壓和出口累計排出氣液量。考慮到巖心中有氣液兩相共存，出口端需要同時計量濾失的氣量與液量，故采用兩支刻度管，出口端與第一支刻度管相連，用于計量液相濾失體積，并與第二支刻度管連通；第二支刻度管采用排水法收集并計量氣相濾失體積。本發明可使用氮氣測量飽和束縛水后滲透率，泥漿返排前滲透率以及返排后滲透率，以此計算巖心受泥漿污染后滲透率傷害率和滲透率恢復比。測試時，氮氣接減壓閥與巖心夾持器入口端連接，出口端接錐形瓶再接氣量計，避免氣流中可能攜帶少量高礦化度地層水或者泥漿濾液進入并污染氣量計。本發明與現有技術相比，具有以下有益效果:(I)填補了國內常規鉆井液濾失儀無法對大尺寸、全直徑巖心進行濾失實驗評價的空白； ( 2 )改變了常規鉆井液濾失儀通過循環電機控制器和磁力轉子來模擬井下泥漿循環的方式，而采用一套獨特的體外循環模式，即以低壓氣源為動力帶動高壓泥漿循環，從根源上消除了常規循環裝置易堵塞易損壞，使用壽命短的問題，循環效果更好更穩定；(3)實驗采用全直徑巖心，與常規巖心相比，能夠更好地表征油(氣)層的非均質性，提高存在裂縫、溶洞及非均質儲層有關參數的測量精度；(4)可以真實模擬氣藏開發過程中鉆井完井液性能、儲層特征以及鉆井施工參數對鉆井液污染的影響，不僅可以計算累計濾失量和濾失速率，還可以測量巖心所受損害程度和深度以及返排后的滲透率恢復比。
圖1是本發明測定裝置的結構示意圖。
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圖2是泥漿循環裝置的結構示意圖。圖中:1_注入泵一 ；2_注入泵二 ；3_圍壓泵；4_泥漿中間容器；5_氮氣中間容器；6-地層水中間容器；7_圍壓中間容器；8_回壓中間容器；9_泥漿循環裝置；10_全直徑巖心夾持器；11-回壓閥；12-液相刻度管；13_燒杯；14-氣相刻度管；15、16-巖心夾持器入口閥門；17_軸壓孔；18_圍壓孔；19_循環泥漿缸入口閥門；20、21-雙開閥門；22—高溫高壓恒溫烘箱；23_工業氮氣源；24_減壓閥；25_節流閥；26_電磁換向閥；27_行程開關；28_金屬環；29_氣缸活塞；30_泥漿缸活塞；31_支撐架；32_低壓循環氣缸；33_高壓循環泥漿缸；34_石;L.、夾持探頭；35_注入孔。
具體實施例方式下面結合附圖進一步說明本發明。參看圖1。高溫高壓全直徑巖心泥漿污染評價的測定裝置，主要由注入泵一 1、注入泵二 2、圍壓泵3、泥漿中間容器4、泥漿循環裝置9、全直徑巖心夾持器10、氮氣中間容器
5、地層水中間容器6、圍壓中間容器7、回壓中間容器8、刻度管組成，所述全直徑巖心夾持器、氮氣中間容器、地層水中間容器位于高溫高壓恒溫烘箱22內，所述全直徑巖心夾持器內有全直徑巖心，出口端有巖心夾持探頭34，注入孔35和兩個加壓孔，兩個加壓孔分別是軸壓孔17、圍壓孔18。
所述注入泵一 I通過氮氣中間容器5、地層水中間容器6與全直徑巖心夾持器出口端注入孔35相連；所述注入泵二 2通過泥漿中間容器4連接泥漿循環裝置9，該注入泵將泥漿中間容器中儲存的泥漿泵入泥漿循環裝置中，泥漿循環裝置9通過高壓液壓管線與全直徑巖心夾持器10入口端相連；所述圍壓泵3通過圍壓中間容器7連接全直徑巖心夾持器出口端的軸壓孔17和圍壓孔18，為全直徑巖心實驗提供軸向壓力和圍壓；所述全直徑巖心夾持器出口端的巖心夾持探頭34連接回壓閥11，所述回壓閥既連接回壓中間容器8，又與液相刻度管12相連，用于計量出口濾失液量，所述液相刻度管12通過燒杯13與氣相刻度管14相連，用于計量出口濾失氣量。所述全直徑巖心夾持器10與氮氣中間容器5、地層水中間容器6之間，與圍壓中間容器7之間分別連有雙開閥門21、20。參看圖2。所述泥漿循環裝置包括低壓循環氣缸32、高壓循環泥漿缸33、自動控制裝置，低壓循環氣缸32和高壓循環泥漿缸33之間有支撐架31。低壓循環氣缸32被氣缸活塞29分為兩個腔室A和B，支撐架31中有金屬環28，高壓循環泥漿缸33被泥漿缸活塞30分為兩個腔室C和D，氣缸活塞29、金屬環28和泥漿缸活塞30通過活塞桿相連。所述自動控制裝置包括工業氮氣源23、減壓閥24、節流閥25、電磁換向閥26和行程開關27。所述低壓循環氣缸內的兩個腔室A和B連接電磁換向閥26，電磁換向閥又順序連接節流閥25、減壓閥24和工業氮氣瓶23。所述行程開關27位于支撐架31兩端。
所述高壓循環泥漿缸入口閥門19連接泥漿中間容器4，泥漿缸出口連接全直徑巖心夾持器入口閥門15、16，所述高壓循環泥漿缸內的兩個腔室C和D都充滿泥漿。泥漿循環開始前，調節工業氮氣瓶出口壓力至IMPa以下，開啟氮氣氣源后，氣腔A閥門閉合為減壓閥設定壓力，氣腔B閥門打開接通大氣壓，壓差推動低壓循環氣缸的活塞開始運動，活塞桿帶動金屬環和高壓循環泥漿缸的活塞一起運動。當金屬環擠壓到行程開關，換向電磁閥控制氣腔A閥門打開排除氮氣并接通大氣壓，氣腔B閥門閉合開始進氣，形成反向壓差推動低壓循環氣缸的活塞反向運動，直至金屬環接觸并擠壓另一端的行程開關，完成一次循環。節流閥通過改變低壓循環氣缸內活塞的往復運動速度達到調節泥漿循環流速的作用。泥漿缸活塞在低壓循環氣缸活塞的帶動下作上下往復運動，帶動腔室內的泥漿往復循環運動。利用上述裝置對高溫高壓全直徑巖心泥漿污染進行評價的方法，依次包括以下步驟:1、試壓:利用圍壓泵和圍壓中間容器通過全直徑巖心夾持器出口端的兩個加壓孔為巖心提供圍壓與軸向壓力。在每次拆裝全直徑巖心夾持器及更換巖心之后，都需要對整個系統進行試壓。試壓時需要注意:①軸向壓力與圍壓使用氮氣加壓，先通過軸壓加壓孔加軸向壓力，再通過圍壓加壓孔加圍壓，且軸向壓力略高于圍壓；②圍壓與內壓同步建立，實驗中使用Φ101硬質膠皮桶，圍壓比內壓要高出600-1000psi。達到需要的壓力后停止進泵，觀察各項壓力是否能夠穩定。
2、用真空泵對巖心進行抽空:使巖心孔隙處于負壓狀態，在一定程度上避免巖心孔隙中的氣液固三相雜質干擾，提高下一步的飽和效率及實驗精度。將雙開閥門中接氮氣瓶管線的閥門關閉，將雙開閥門另一端接上真空機進行抽空。由于實驗中全直徑巖心孔隙體積大，抽空時間應保證4小時以上，抽空過程中將恒溫箱打開并設定實驗溫度。3、對巖心定量飽和束縛水，用氮氣測滲透率。通過注入泵一和地層水中間容器用地層水飽和巖心，飽和時需要注意控制初始泵壓與末泵壓相等，才能精確計量飽和地層水體積。飽和束縛水之后，入口端接上氮氣瓶及減壓閥并適當調節氣量大小，待出口端出氣穩定之后，使用氣量計測量氣體流量，根據氣測滲透率公式計算飽和束縛水后巖心滲透率I。4、用氮氣將巖心完全飽和，建壓，回壓設定某一壓力值，巖心內飽和氮氣，打開回壓閥至出口開始有氣體溢出，關閉回壓閥。5、通過泥漿中間容器向泥漿循環裝置內泵入1.6L左右泥漿，然后將壓力升至實驗設定的泥漿循環壓力。6、開始泥漿循環，打開巖心夾持器，出口端記錄濾失水量及氣量，其中氣量由滴定管測量，滴定管倒置于燒杯中，倒置后凹液面與50.0Oml刻線平行，水量由試管讀取，均記錄累計值。由于泥漿在巖心端面循環會產生濾餅導致濾失量逐漸減小，實驗中采用由密到疏的記錄方式。1-1Omin每分鐘記錄一次，10_30min每3分鐘記錄一次,30min后每5min記錄一次，出口同時記錄氣量和液量。7、記錄完畢后，使用氮氣測泥漿返排前巖心滲透率K2，計算滲透率損傷比:
權利要求
1.高溫高壓全直徑巖心泥漿污染評價的測定裝置，主要由注入泵一(I)、注入泵二(2)、圍壓泵(3)、泥漿中間容器(4)、泥漿循環裝置(9)、全直徑巖心夾持器(10)、氮氣中間容器(5)、地層水中間容器(6)、圍壓中間容器(7)、回壓中間容器(8)、刻度管組成，所述全直徑巖心夾持器、氮氣中間容器、地層水中間容器位于高溫高壓恒溫烘箱(22)內，所述全直徑巖心夾持器內有全直徑巖心，出口端有巖心夾持探頭(34)，注入孔(35)和兩個加壓孔，兩個加壓孔分別是軸壓孔(17)、圍壓孔(18)，其特征在于，所述注入泵一(I)通過氮氣中間容器(5)、地層水中間容器(6)與全直徑巖心夾持器出口端注入孔(35)相連；所述注入泵二(2)通過泥漿中間容器(4)連接泥漿循環裝置(9)，泥漿循環裝置(9)通過高壓液壓管線與全直徑巖心夾持器(10)入口端相連；所述圍壓泵(3)通過圍壓中間容器(7)連接全直徑巖心夾持器出口端的軸壓孔(17)和圍壓孔(18);所述全直徑巖心夾持器出口端的巖心夾持探頭(34)連接回壓閥(11)，所述回壓閥既連接回壓中間容器(8)，又與液相刻度管(12)、氣相刻度管(14)相連；所述泥漿循環裝置包括低壓循環氣缸(32)、高壓循環泥漿缸(33)、自動控制裝置，低壓循環氣缸和高壓循環泥漿缸之間有支撐架(31)，低壓循環氣缸(32)被氣缸活塞(29)分為兩個腔室A和B，支撐架(31)中有金屬環(28)，高壓循環泥漿缸(33)被泥漿缸活塞(30 )分為兩個腔室C和D，氣缸活塞(29)、金屬環(28)和泥漿缸活塞(30)通過活塞桿相連，所述自動控制裝置包括工業氮氣源(23)、減壓閥(24)、節流閥(25)、電磁換向閥(26)和行程開關(27)，所述低壓循環氣缸內的兩個腔室A和B連接電磁換向閥(26)，電磁換向閥又順序連接節流閥(25)、減 壓閥(24)和工業氮氣瓶(23)，所述行程開關(27)位于支撐架兩端。
2.利用權利要求1所述的裝置對高溫高壓全直徑巖心泥漿污染進行評價的方法，依次包括以下步驟: (1)利用圍壓泵和圍壓中間容器通過全直徑巖心夾持器出口端的兩個加壓孔為巖心提供圍壓與軸向壓力； (2)用真空泵對巖心進行抽空，使巖心孔隙處于負壓狀態； (3)通過注入泵一和地層水中間容器用地層水飽和巖心，計算飽和束縛水后巖心滲透率K1 ； (4)用氮氣將巖心完全飽和，建壓，回壓設定某一壓力值，巖心內飽和氮氣，打開回壓閥至出口開始有氣體溢出，關閉回壓閥； (5)通過泥漿中間容器向泥漿循環裝置內泵入泥漿，然后將壓力升至實驗設定的泥漿循環壓力； (6)開始泥漿循環，打開巖心夾持器，出口端記錄濾失水量及氣量； (7)記錄完畢后，使用氮氣測泥漿返排前巖心滲透率K2，計算滲透率損傷比: K2 其中，DS I表示無損傷，I <D< 2表示可能損傷，2 <D< 5表示有損傷，D >5表示嚴重損害，然后使用氮氣返排泥漿，從巖心夾持器出口端注入氮氣，入口端返排到無泥漿為止，測返排后巖心滲透率K3,計算滲透率恢復率Rs:
全文摘要
本發明涉及高溫高壓全直徑巖心泥漿污染評價的測定裝置及方法，該裝置主要由注入泵、圍壓泵、泥漿中間容器、泥漿循環裝置、全直徑巖心夾持器、氮氣中間容器、地層水中間容器、圍壓中間容器、回壓中間容器、刻度管組成；全直徑巖心夾持器、氮氣中間容器、地層水中間容器位于高溫高壓恒溫烘箱內；泥漿循環裝置包括低壓循環氣缸、高壓循環泥漿缸、自動控制裝置，低壓循環氣缸和高壓循環泥漿缸之間有支撐架。本發明采用獨特的體外循環模式，以低壓氣源為動力帶動高壓泥漿循環，消除了常規循環裝置易堵塞損壞、使用壽命短的問題，填補了常規鉆井液濾失儀無法對大尺寸、全直徑巖心進行濾失實驗評價的空白，能夠全面模擬并評價真實氣藏條件下的鉆井液污染機理。
文檔編號E21B49/00GK103233725SQ20131013209
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月17日 優先權日2013年4月17日
發明者汪周華, 張偉, 郭平, 杜建芬, 陳一建, 邱奕龍, 劉成均, 董超, 周琳淞, 袁玉鳳, 符馨月 申請人:西南石油大學