阅读说明：本技术 一种可用于诱导裂缝堵漏模拟评价的实验装置 (Experimental device for can be used to induced crack leaking stoppage simulation evaluation ) 是由 刘振东 李公让 张敬辉 周守菊 李卉 陈健 明玉广 孙浩玉 于 2018-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种可用于诱导裂缝堵漏模拟评价的实验装置,包括高压气源、补液池、补液罐、堵漏液罐、堵漏模拟腔、泥浆泵、循环池、计量筒、阀门及管路；其中堵漏模拟腔包括外筒和裂缝模块,所述裂缝模块包括筒体、管路接头、弹舌挡板、弹簧和弹舌片、出口管路和针形螺栓,筒体顶部的管路接头与外筒上部设有的螺纹开口构成密封连接配合。本发明的特点是可模拟钻井液循环对形成的堵层进行冲刷,从而评价出堵漏完成后在后续打钻过程中堵层持续的封堵能力；还可以评价堵漏材料的反向承压能力；同时,裂缝模块裂缝大小可以根据压力大小发生变化,模拟出地层的诱导裂缝变化,进而用于评价堵漏材料对诱导裂缝的堵漏效果。(The invention provides an experimental device for induced crack leakage stoppage simulation evaluation, which comprises a high-pressure air source, a liquid supplementing pool, a liquid supplementing tank, a leakage stoppage liquid tank, a leakage stoppage simulation cavity, a slurry pump, a circulating pool, a metering cylinder, a valve and a pipeline, wherein the high-pressure air source is connected with the liquid supplementing pool; the leakage stoppage simulation cavity comprises an outer barrel and a crack module, the crack module comprises a barrel body, a pipeline connector, a spring tongue baffle, a spring and spring tongue piece, an outlet pipeline and a needle bolt, and the pipeline connector at the top of the barrel body is in sealing connection and matching with a threaded opening formed in the upper portion of the outer barrel. The method has the characteristics that the circulation of the drilling fluid can be simulated to scour the formed plugging layer, so that the continuous plugging capability of the plugging layer in the subsequent drilling process after plugging is finished is evaluated; the reverse pressure bearing capacity of the plugging material can be evaluated; meanwhile, the size of the crack module can be changed according to the size of the pressure, so that the induced crack change of the stratum can be simulated, and the method is further used for evaluating the plugging effect of the plugging material on the induced crack.)

一种可用于诱导裂缝堵漏模拟评价的实验装置

技术领域

本发明涉及一种石油钻井用测试仪器领域，具体是一种可用于诱导裂缝堵漏模拟评价的实验装置。

背景技术

防漏堵漏室内评价方法是评价钻井液及防漏堵漏材料效果的重要实验手段。而该方法主要通过堵漏模拟评价仪器来实现的。多年来，国内大专院校及油田研究机构也一直致力于堵漏模拟评价仪器的研究工作，相继开发出了多套具有较好评价效果的仪器、装置。如王中华在《复杂漏失地层堵漏技术现状及发展方向》（中外能源，2014）一文提到的DL型堵漏试验仪器和可以模拟漏失地层和堵漏过程的新型堵漏仪。其中，DL-1使用砂床填充，DL-2使用人造岩心。DL-1和DL-2堵漏仪器可较为真实地模拟井下漏失情况，可以直接观测堵漏效果。通过模拟评价得到的山弹性、刚性和纤维类材料合理搭配，以及粒径合理分布的复合堵漏材料，可以实现孔隙性、裂缝型漏失的快速有效封堵。又如吕开河在博士论文《钻井工程中井漏预防与堵漏技术研究与应用》中提到的高温高压(HTHP)堵漏模拟实验装置。HTHP堵漏模拟实验装置可以模拟防漏堵漏剂及钻井液的动态和静态堵漏效果，可以评价封堵后岩心或裂缝的承压能力（工作压力0～40MPa，工作温度室温～180℃，剪切速率0～1000s-1，漏失介质为人造岩心、天然岩心或裂缝模拟块），实验结果平行性好，实验结果对实践具有指导意义。再如1993 年的行业标准 SY/T5840-93《钻井用桥接堵漏材料室内试验方法》是参照API标准制定的，本标准规定了钻井用桥接堵漏材料所配制的堵漏浆液堵塞不同漏失通道的试验方法，该标准中的试验装置压力范围为0~7MPa。这些评价仪器在不同的范围内体现了较好的模拟评价效果，但在针对某种类型的漏失评价时，还存在一些问题，有改进的空间。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种可用于诱导裂缝堵漏模拟评价的实验装置，用于模拟堵漏材料通过架桥作用在地层裂缝形成封堵层的过程，进而根据压力、漏失量等指标评价出堵漏材料的封堵效果。

为了达到目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种固定裂缝的钻井液堵漏模拟评价装置，包括高压气源、补液池、补液罐、堵漏液罐、堵漏模拟腔、泥浆泵、循环池、计量筒、阀门及管路；所述堵漏模拟腔包括外筒和裂缝模块，外筒为封闭的中空筒体，外筒上部设有螺纹开口，外筒底部连接有反向承压液进口阀门和堵漏液出口阀门；所述裂缝模块包括筒体，筒体顶部设有管路接头，筒体内壁沿轴向对称设置两组弹舌挡板，两组弹舌挡板相对端形成裂缝，每组弹舌挡板之间设置弹簧和弹舌片，弹舌片与弹舌挡板构成径向插接配合，在筒体底部设置出口管路和针形螺栓，筒体顶部的管路接头与外筒上部设有的螺纹开口构成密封连接配合；其中，高压气源、补液池、补液罐、堵漏液罐、裂缝模块、堵漏模拟腔和计量桶通过管路及阀门连接后构成正向承压能力测试系统；高压气源、补液池、补液罐、反向承压液进口阀门、堵漏模拟腔和计量桶通过管路及阀门连接后构成反向承压能测试系统；泥浆泵、堵漏模拟腔、裂缝模块和循环池通过管路和阀门连接后构成闭环堵层冲刷系统。

上述方案进一步包括：

裂缝模块的筒体底部引出管上连接有针形螺栓，筒体顶部管路接头外部设有密封件，筒体中部的裂缝为对应的两处平行裂缝。

所述堵漏液罐、堵漏模拟腔和循环池外部设置有加热套和控温装置。

在补液罐和堵漏液罐之间的管路上设置有安全阀，所述补液罐和堵漏液罐为活塞式压力罐，所述补液池和补液罐的液体包括水、钻井液、乙二醇或丙三醇的一种。

裂缝模块的筒体底部引出管下端连接有阀门，该阀门之后分两个支路分别设有阀门，通过三个阀门的关合，使堵漏液和钻井液分别进入计量筒和循环罐；堵漏液罐的输出管路上通过阀门分为两个支路，一支路通过阀门与泥浆泵相连，二支路通过阀门与裂缝模块相连，并在二支路上设置有泄压阀。

本发明的模拟评价实验装置，其中：

清水罐的作用是利用清水作为介质向下游管路施加压力，罐中内置活塞，初始状态下活塞位于罐顶部，活塞下部装满清水，顶端通过管路和阀门连接水池和压力气源，高压力气源推动由水池进入管路中的清水压动清水罐的活塞向下运动，将清水罐中的清水压向下游管路。

堵漏液罐内置活塞，活塞下装有堵漏液，开始时，活塞位于罐体顶部位置，然后在上游管路压力作用下，活塞下移，推动堵漏液进入下游堵漏模拟腔中，堵漏液罐罐体外包有加热套和温度控制装置，可对堵漏液进行加温，模拟地层温度。

堵漏模拟腔包括外筒和裂缝模块，外筒为中空筒体，上部中间位置有螺纹开口，下部连接有管路。裂缝模块可通过外筒上部开口旋转进入外筒中，并通过螺纹密封，并加有保护盖；裂缝模块与外筒螺纹接触的管路接头呈下小上大的构造，故裂缝模块管路接头只有部分进入外筒，这样做的目的是为了增加密封性，同时便于上部管路和裂缝模块的密封；裂缝模块下部直接与管路相连，并在外筒底部穿过，利用管路上的螺栓与外筒进行密封。堵漏模拟腔外包有加热套和温度控制装置，可对堵漏液进行加温，模拟地层温度。

裂缝模块包括管路接头、筒体、弹舌片、弹簧、弹舌挡板、出口管路、针形螺栓。管路接头呈上大下小的圆锥体，带有螺纹，可用于和堵漏模拟腔外筒密封，管路接头顶部中间位置有开口，可连接管路，并成为堵漏液进行裂缝模块的通道；筒体中空，配置有弹舌片、弹簧、弹舌挡板；弹舌挡板为筒体壁的一部分，其内部中空，设置有弹簧和弹舌片；弹舌挡板为对应的一对，中间形成裂缝，弹舌片可在弹簧压力下，在弹舌挡板内活动，弹舌挡板中的两组弹舌片在初始状态下形成微细裂缝，在一定压力下，弹舌片会向弹簧一端施压，从而进入弹舌挡板中一部分，使得弹舌片形成的裂缝宽度变大，最大宽度为两组弹舌挡板所形成的缝宽，此过程是为模拟地层中的诱导裂缝，在外力作用下扩张的过程，从而更真实的模拟诱导裂缝的堵漏过程；出口管路可在实施反向承压测试时，为堵漏液的出口，针形螺栓的作用是保证出口管路与堵漏模拟腔外筒密封。

泥浆泵作用是将循环池中的钻井液泵入管路，并进入堵漏模拟腔的裂缝模块，通过后再进入循环池，形成钻井液的循环，并可利用泵入流量控制钻井液循环的速度，对裂缝模块已经形成的堵漏层进行冲刷，考察冲刷后的堵漏层封堵效果，从而模拟堵漏层形成后，钻井液对堵漏层的影响，避免重复漏失的发生。循环池外包有加热套和温度控制装置，可对堵漏液进行加温，模拟地层流体温度。

本装置还包括泄压阀，可保证操作安全。

本装置可通过堵漏层形成时可达到的最高压力和漏失量来评价堵漏液的堵漏效果，同时，还可利用外筒下部连接的管路，对外筒内部空间进行加压，从而对在裂缝模块裂缝处形成的堵漏层进行反向承压测试，考察堵漏层的封堵能力。

本发明的优点在于，可模拟钻井液循环对形成的堵层进行冲刷，从而评价出堵漏完成后在后续打钻过程中堵层持续的封堵能力；还可以评价堵漏材料的反向承压能力；同时，裂缝模块裂缝大小可以根据压力大小发生变化，从而模拟出地层的诱导裂缝变化，进而用于评价堵漏材料对诱导裂缝的堵漏效果。本发明设计简单，操作方便。

附图说明

图1为一种可用于诱导裂缝堵漏模拟评价的实验装置结构示意图。

图2为裂缝模块示意图。

具体实施方式

结合图1、图2对本发明结构及使用方法进行说明。

参照附图1，一种可用于诱导裂缝堵漏模拟评价的实验装置包括高压气源1、水池2、清水罐5、堵漏液罐7、堵漏模拟腔14、泥浆泵10、循环池11、计量筒19、阀门及管路；其中，高压气源1通过阀门3与水池2相连，通过阀门4与清水罐5相连，水池通过阀门3、阀门4与清水罐5相连；清水罐5通过阀门6与堵漏液罐7相连，通过阀门17与堵漏模拟腔14相连，清水罐5和阀门6间设置有安全阀21，在管路压力达到一定压力时泄压；堵漏液罐7通过阀门8、阀门9与泥浆泵10相连，通过阀门13与堵漏模拟腔14相连，阀门8与阀门13间设置有泄压阀12；堵漏模拟腔14下部设置有堵漏液出口阀门20，可使堵漏液进入计量桶19，堵漏模拟腔14下部还设置有反向承压液进口阀门17，与清水罐5相连，堵漏模拟腔14内部设置有裂缝模块15，裂缝模块15顶部与阀门13的管路直接相连，裂缝模块15下部连接有阀门16，阀门16连有阀门18和阀门22，可通过三个阀门的关合，使堵漏液和钻井液分别进入计量筒19和循环罐11；堵漏液罐7、堵漏模拟腔14、循环池11外包加热套和控温装置，对堵漏液和钻井液加热，用于模拟地层温度。

参照图2，诱导裂缝漏失模块包括管路接头151、筒体152、弹舌片153、弹簧154、弹舌挡板155、出口管路156、针形螺栓157。其中，管路接头151呈上大下小的圆锥体，带有螺纹，顶部中间位置有开口；筒体152中空，设置有弹舌片153、弹簧154、弹舌挡板155；弹舌挡板155为筒体壁的一部分，其内部中空，设置有弹簧154和弹舌片153；弹舌挡板155为对应的一对，中间形成裂缝，弹舌片153可在弹簧154压力下，在弹舌挡板155内活动，弹舌挡板155中的两组弹舌片153在初始状态下形成裂缝，装置加压时，弹舌片153会向弹簧154一端施压，从而进入弹舌挡板155中一部分，使得弹舌片153形成的裂缝宽度变大，最大宽度为两组弹舌挡板155所形成的缝宽。筒体152下部连接有出口管路156和针形螺栓157。

使用时，堵漏液从管路接头151顶部开口进入筒体152空腔，然后对弹舌片153施加压力，弹舌片153可在弹簧154压力下，在弹舌挡板155内活动，弹舌挡板155中的两组弹舌片153在初始状态下形成裂缝，装置加压时，弹舌片153会向弹簧154一端施压，从而进入弹舌挡板155中一部分，使得弹舌片153形成的裂缝宽度变大，最大宽度为两组弹舌挡板155所形成的缝宽。

模拟评价实验装置使用时可进行四种测试，正向承压能力测试，反向承压测试、堵层冲刷后的正向承压测试和堵层冲刷后的反向承压测试。

正向承压能力测试使用时，首先打开阀门3、阀门4、阀门6、阀门8、阀门13、阀门20（使用前所有阀门处于关闭状态），水池2中的清水进入管路，然后利用高压气源对管路的清水加压，推动清水罐5中的活塞下移，使清水罐5得清水受压，再推动堵漏液罐7活塞下移，推动漏液罐7中的堵漏液下移，通过阀门8、阀门13进入堵漏模拟腔14的裂缝模块15中，并通过裂缝模块15中的裂缝，在此过程中，堵漏材料在裂缝处形成堵漏层，部分通过裂缝的堵漏液会进入堵漏模拟腔14的空腔，再经过阀门20所处的管路进入计量桶19，从而计量漏失液体积，此时，可记录处高压气源所施加的压力，即为所承受压力。测试完成后，可关闭高压气源1及阀门3，通过泄压阀12泄压后对装置进行拆卸清洗。高压气源1、水池2、阀门3、阀门4、清水罐5、阀门6、堵漏液罐7、阀门8、阀门13、堵漏模拟腔14、阀门16、阀门20间所含管路及阀门3、4、6、8、13、16、20构成正向承压能力测试阀门及管路。同时，高压气源1、水池2、阀门3、阀门4、清水罐5、阀门6、堵漏液罐7、阀门8、阀门13、堵漏模拟腔14、阀门16、阀门20以及各部件间所含管路和计量桶19构成正向承压能力测试系统。

反向承压测试使用时，可在正压承压完成的基础上泄掉管路压力，然后关闭各阀门，再打开阀门3、阀门4、阀门17、阀门16、阀门18，利用高压气源1对管路施压（同正压承压测试），推动清水罐5中的清水（即反向承压液）进入堵漏模拟腔14的空腔，并对裂缝模块15的裂缝处堵漏层施压，堵漏层不被压力击穿的最高压力，即为反向承压；堵漏层被击穿后，清水会通过裂缝模块15的内部空间及阀门16、阀门18进入计量桶19，并进行计量；完成后，可开阀门20对管路泄压后拆卸。高压气源1、水池2、阀门3、阀门4、清水罐5、阀门17、堵漏模拟腔14、阀门16、阀门18、阀门22间所含管路及阀门3、4、17、16、18、22构成反向承压能测试阀门及管路。同时，高压气源1、水池2、阀门3、阀门4、清水罐5、阀门17、堵漏模拟腔14、阀门16、阀门18、阀门22以及各部件间所含管路、计量桶19构成反向承压能测试系统。

堵层冲刷后的正向承压测试使用时，可在正压承压完成的基础上泄掉管路压力，然后关闭各阀门，再开阀门9、阀门13、阀门16、阀门22，通过泥浆泵将循环池中的钻井液打入到管路中，并流经在裂缝模块15 裂缝处的堵漏层，对其进行冲刷，然后在回到循环池中。完成此操作后，再关闭各阀门，然后再按正向承压能力测试步骤测试正向承压能力。

堵层冲刷后的正向承压测试使用时，可在正压承压完成的基础上泄掉管路压力，然后关闭各阀门，再开阀门9、阀门13、阀门16、阀门22，通过泥浆泵将循环池中的钻井液打入到管路中，并流经在裂缝模块15 裂缝处的堵漏层，对其进行冲刷，然后在回到循环池中。完成此操作后，再关闭各阀门，然后再按反向承压能力测试步骤测试反向承压能力。泥浆泵10、阀门9、阀门13、堵漏模拟腔14、阀门16、阀门18、阀门22间管路及阀门9、阀门13、堵漏模拟腔14、阀门16、阀门18、阀门22构成堵层冲刷阀门及管路。泥浆泵10、阀门9、阀门13、堵漏模拟腔14、阀门16、阀门18、阀门22以及各部件间所含管路、循环池11构成堵层冲刷系统。