具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本文所使用的术语“垂直”、“水平”、“上”、“下”、“左”、“右”及类似的术语，仅是基于给出的实施例所作的说明，不对本发明的其他实施方式作出限制。

在不另作定义的前提下，本文使用的科学和技术术语与本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

在未作说明的情况下，本文所有的阀门、液体泵等均默认关闭状态。

地层“呼吸效应”指的是地层作业窗口窄，即地层孔隙压力与破裂压力窗口窄而导致的可调节ECD(循环当量钻井液密度)窗口小，当ECD超过地层破裂压力梯度时会引起漏失，漏失后ECD减小又会引起漏失的流体回吐的现象。

呼吸效应在深水钻井领域尤为突出，深水钻井由于上覆海水层相比于陆地钻井的上覆岩层压力偏低，导致地层破裂压力偏小，作业窗口更窄，相对更容易发生呼吸效应。

呼吸效应的主要形成机制主要可分为三部分：井筒变形引起的呼吸效应，钻井液热膨胀引起的呼吸效应和天然裂缝地层动态开闭引起的呼吸效应；其中，有限体积天然裂缝的动态开闭是引起深水钻井呼吸效应的主要机制。

本发明提供了一种天然裂缝地层呼吸效应的模拟方法和装置，能够模拟井筒压力、地层围压和天然裂缝开启压力，通过调节压力的大小并通过流量计对呼吸现象进行表征，可以对天然裂缝地层的呼吸效应进行定量模拟，通过加载块和围压的联合作用还可以模拟实现实际工况条件下裂缝的动态开闭特征，使模拟结果更接近于实际钻井工况，从而为钻井尤其是深水钻井提供技术支撑，为深水钻井钻遇天然裂缝地层提供参考，提高钻进效率，有效减小深水天然裂缝地层钻井的风险。

下面结合具体实施例对本发明提供的天然裂缝地层呼吸效应的模拟装置进行详细说明。

实施例一：

如图1和图2，本实施例提供了一种天然裂缝地层呼吸效应的模拟装置，包括试件和供液系统，所述试件内设置有人造裂缝，所述人造裂缝从所述试件的第一端面开始向所述试件内部延伸，但不贯穿所述试件，所述供液系统用于向所述人造裂缝中提供液体；所述试件设置于真三轴试验机上，由真三轴试验机提供压力。

所述试件包括岩心和密封套11，所述岩心设置于所述密封套11内；所述岩心为立方体，该立方体内部有人造裂缝，人造裂缝从岩心的一个端面开始向岩心内部延伸，但不贯穿岩心。

在岩心外部设置有水泥密封套11，用来密封岩心端面，水泥密封套11对岩心进行完整的包裹，仅在与岩心裂缝接触的端面中心上留有预制孔。

试件外为真三轴刚性伺服试验机，用来向试件施压模拟地层环境，三个应力方向均为刚性加载，且加载块分别与模拟地层的端面紧密接触，具体地，在σ₁方向加压模拟天然裂缝开启压力，在σ₂方向加压模拟地层围压，在σ₃方向加压模拟地层孔隙压力。

真三轴刚性伺服试验机的σ₂方向的加载块上设置有贯通孔，孔径尺寸和水泥密封套11的预制孔尺寸一致，该尺寸与主管路的尺寸相适应，使得主管路的一端经过贯通孔与预制孔和人造裂缝岩心12的裂缝直接接触。

在主管路的两端,连接有第一储液罐8和第二储液罐1，分别用来提供模拟钻井液和回收模拟钻井液。

在进液支路上设置有液压泵6来提供液压，模拟井筒内流体流动。

在主管路上设置有高精度流量计9和压力表4，分别用来计量流量变化和主管路压力变化。

实施例二：

如图3所示，本申请提供了一种天然裂缝地层呼吸效应的模拟方法，该方法主要包括以下步骤：

步骤一、基于模拟天然裂缝地层参数，将调压阀5和背压阀2初始压力与模拟地层附近井筒压力相匹配；

步骤二、启动真三轴试验机对试件进行加压，在σ₁方向上施加载荷，和天然裂缝开启压力相匹配，在σ₂方向上施加载荷，与模拟地层围压相匹配，在σ₃方向上施加载荷，与模拟地层孔隙压力相匹配；

步骤三、开启液压泵6注液直到压力表4示数无明显变化，调节调压阀5，逐步增大主管路内液压，直到模拟井筒压力超过模拟地层天然裂缝开启压力，此时停止调压，对流量计9的示数变化进行实时记录，直至流量计9的示数无明显变化；

步骤四、关闭液压泵6，打开出液支路，记录流量计9示数的实时变化，直至流量计9的示数无明显变化。

需要说明的是：所述步骤三中调节液压超过模拟地层天然裂缝开启压力，人造裂缝岩心12中的人造裂缝会在压差的作用下被撑开，即人造裂缝的宽度会增大，相应的主管路内的模拟地层流体会向裂缝内漏失，此模拟过程即对应天然裂缝地层动态开闭过程的开启过程，也是呼吸效应发生过程中的钻井液漏失阶段；步骤四中由于背压阀2与初始井筒压力相匹配，出液支路的压力值低于天然裂缝开启压力，在压差的作用下，原被撑开的裂缝会闭合，漏失的模拟地层流体会回吐至液体主管路内，此模拟过程即对应天然裂缝地层动态开闭过程中的闭合过程，是呼吸效应发生过程中的钻井液回吐阶段；以上四个步骤即为一次完整的呼吸效应模拟过程。

具体的，呼吸效应发生过程中裂缝的动态变化可结合参阅图4。

在呼吸效应的模拟过程中，通过记录流量计9示数的实时变化可以得到呼吸效应的关键参数随时间的变化曲线：漏失/回吐速率，累积漏失量。

进一步地，为研究不同参数对呼吸效应的影响规律应改变参数重复上述操作步骤，得到多组实验结果，包括：进一步增大模拟井筒压力，增大裂缝开启过程模拟井筒压力与天然裂缝开启压力的压差，以研究压差对裂缝开度、钻井液漏失和回吐的影响；改变σ₁方向上的载荷以研究不同裂缝开启压力对呼吸效应的影响；改变σ₂方向和σ₃方向上的载荷研究不同孔隙压力和地层围压对呼吸效应的影响；选用不同材质的岩心以研究不同岩石类型对呼吸效应的影响；改变模拟井筒流体的性质研究钻井液性质对呼吸效应的影响等。

以下以一个具体的实验场景详细介绍本申请提供的天然裂缝地层呼吸效应的模拟装置和模拟方法。

在开始试验时，根据图1所示的连接关系对各部分进行安装。

对各部件进行调试，经测试各部分部件功能正常后，根据要模拟的井筒及天然裂缝地层情况，将调压阀5与背压阀2的初始压力与井筒压力相匹配。

在调整好初始压力后，启动真三轴试验机开始对试件进行加载，人造裂缝岩心12外包有水泥密封套11，水泥密封套11和试件的裂缝开口相接触的端面中心留有预制孔；真三轴试验机在σ₁方向上施加载荷，和天然裂缝开启压力相匹配，在σ₂方向上施加载荷，和地层围压相匹配，在σ₃方向上施加载荷，与地层孔隙压力相匹配。

打开第一阀门7，开启液压泵6，第一储液罐8中的模拟井筒流体经主管路通过真三轴试验机σ₁方向上加载块中心的贯通孔与水泥密封套11上的预制孔注入人造裂缝岩心12的人造裂缝中。

在压力表4的显示结果稳定后，调节调压阀5，逐步增大主管路内的压力，直至主管路内压力超过天然裂缝地层开启压力，记录高精度流量计9的示数变化，直至其示数无明显变化，此阶段为呼吸效应的漏失阶段模拟。

关闭液压泵6，打开第二阀门3，钻井液在压差的作用下会回吐至出液支路，记录高精度流量计9的示数变化直至其示数无明显变化，此阶段为呼吸效应的回吐阶段模拟。

通过记录的示数变化可得到呼吸效应的关键参数如钻井液漏失/回吐速率和钻井液累积漏失量等随时间的变化规律，以上即为一次完整的天然裂缝地层呼吸效应过程模拟。

后续为研究不同参数对呼吸效应的影响规律应改变参数重复上述操作步骤，得到多组实验结果，包括：进一步增大模拟井筒压力，增大裂缝开启过程模拟井筒压力与天然裂缝开启压力的压差，以研究压差对裂缝开度、钻井液漏失和回吐的影响；改变σ₁方向上的载荷以研究不同裂缝开启压力对呼吸效应的影响；改变σ₂方向和σ₃方向上的载荷研究不同孔隙压力和地层围压对呼吸效应的影响；选用不同材质的岩心以研究不同岩石类型对呼吸效应的影响；改变模拟井筒流体的性质研究钻井液性质对呼吸效应的影响等。

采用该天然裂缝地层呼吸效应模拟装置并结合提供的模拟方法对天然裂缝地层呼吸效应进行模拟，能够考虑地层围压、井筒压力、裂缝开启压力等的作用，对天然裂缝地层呼吸效应的过程进行模拟并定量表征，并能够实现对天然裂缝地层动态开闭的模拟，使模拟结果更为接近实际工况，更能为深水钻井钻遇天然裂缝地层提供技术参考，减少井涌井漏等井下复杂状况的产生，有效提高钻进效率，节约钻井成本，降低了钻井风险。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。