一种胶结堵漏剂性能评价装置的设计方法

1.本发明属于钻井施工技术领域，尤其涉及一种胶结堵漏剂性能评价装置的设计方法。


背景技术：

2.钻井施工中，钻遇破碎、裂隙型、硬脆性以及页岩为主的水化不稳定地层，经常出现井壁掉块、坍塌等现象，出现严重的井漏事故，尤其是恶性漏失，易引发一系列的钻井工程事故，影响人员安全，延长施工的时间，提高了钻探成本。为解决破碎地层漏失难题，大量工作人员研发了多种堵漏剂配方，国内外在处理井漏事故时经常使用的堵漏手段主要是物理桥接堵漏、水泥浆堵漏、化学聚合物堵漏以及复合堵漏技术。
3.由于胶结堵漏剂不仅不受孔喉尺寸以及漏失速度的影响，而且可以在漏失井下形成高强度胶结，达到处理井漏的目的，国内外许多研究机构为有效评价胶结堵漏剂性能，而研制出了多种实验装置，常用的有可视砂床、api滤失仪、高温高压静态失水仪和泥浆堵漏仪等，但是现有的胶结堵漏剂性能测试装置方式较为单一，研究数量较少，无法实现在动态条件下直观地观测到破碎岩石的胶结情况。
4.因此，针对以上现状，迫切需要开发一种胶结堵漏剂性能评价装置的设计方法，以克服当前实际应用中的不足。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明实施例的目的在于提供一种胶结堵漏剂性能评价装置的设计方法，以解决上述背景技术中的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种胶结堵漏剂性能评价装置的设计方法，包括如下步骤：步骤一、查阅相关文献并了解性能评价装置如何实现对胶结堵漏剂的性能测试，学习装置绘图软件；步骤二、运用相应的理论知识，设计出装置的整体结构，并且根据装置的基本参数选用装置的零部件；步骤三、模拟井下封堵情况和胶结堵漏剂的滤失量，计算钻井的水力学参数，确定合理的胶结堵漏剂泵量，并采用先进技术手段进一步对设计的装置进行优化；步骤四、对优化后的装置进行胶结堵漏剂流动仿真模拟，确定装置的薄弱位置并对装置进行完善。
7.作为本发明进一步的技术方案，在步骤一中，通过对滤失仪、可视砂床和高温高压静态失水仪的整体结构及工作原理进行分析，了解性能评价装置如何实现对胶结堵漏剂的性能测试。
8.作为本发明进一步的技术方案，在步骤一中，装置绘图软件是一种基于inventor的三维建模软件。
9.作为本发明进一步的技术方案，在步骤二中，装置的整体结构包括中心管、孔隙管和井壁管，所述孔隙管设置有六组，六组所述孔隙管分布设置在井壁管的侧壁上，通过法兰盘螺栓连接在井壁管的侧壁上，所述孔隙管是由孔隙盘和透明管螺栓连接而成，所述孔隙管的末端设置有压力表接头，所述压力表接头与压力表相连，所述中心管安装在井壁管上，所述井壁管安装在底座上，且所述中心管与井壁管同心设置，所述中心管的一侧安装有中心管端盖，所述中心管端盖和井壁管上均设置有进水管接口，且所述进水管接口上均设置有流量计。
10.作为本发明进一步的技术方案，所述中心管是一种304不锈钢管，且所述中心管与井壁进水管接口处设置有与井壁管直径相同的台阶，且所述中心管的底部分布设置有八组水口。
11.作为本发明进一步的技术方案，所述井壁管是一种304不锈钢管，所述井壁管的侧壁上设置有多组用于与孔隙管相连接的焊接法兰盘。
12.作为本发明进一步的技术方案，在步骤四中，对装置的整体结构和液压系统进行设计，将实际情况下的钻井参数模拟在装置上，通过胶结堵漏剂正循环和反循环的流动，观察井壁孔隙上堵漏的过程，通过装置反映的数据，可以计算得出孔隙的滤失量和滤失率参数，完成液体流动的仿真分析。
13.作为本发明进一步的技术方案，所述液压系统包括泥浆泵、胶结堵漏剂存储器、换向阀、调速阀、单向阀和溢流阀，所述泥浆泵的输入端与胶结堵漏剂存储器相连通，所述换向阀用于改变胶结堵漏剂流动回路的方向，所述调速阀用于控制装置内胶结堵漏剂的流量，所述溢流阀用于控制装置液压回路中的压力保持稳定。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：胶结堵漏剂性能评价装置可以模拟不同大小和形状的孔隙，观察不同配方胶结堵漏剂在运移过程中从孔隙滤失的情况，以及对胶结堵漏剂在缝隙表面封堵能力进行评价；封堵固结完成后可取出固结实验样品，进行力学测试评价胶结堵漏剂对岩石的固结能力，孔隙管由透明材料制成，可以用摄像机全程观察岩石的固结过程。
15.针对装置整体结构和液压操纵回路进行设计，将实际情况下的钻井参数模拟在实验室装置上，通过胶结堵漏剂正循环或反循环流动，观察井壁孔隙上堵漏的过程，通过实验装置反映回的数据可以计算得出孔隙的滤失量和滤失率等参数，完成液体流动的仿真分析，最终结果指导实际的生产，优选出最优配方胶结堵漏剂，减少钻井事故的发生；在正循环钻进过程中，胶结堵漏剂从中心管流入，从环空处流出，胶结堵漏剂在流动过程中进入孔隙管内，孔隙管装有破碎岩石，如页岩、泥岩、煤岩等；一段时间之后在胶结堵漏剂作用下，一方面胶结堵漏剂在孔隙处进行封堵，另一方面胶结堵漏剂进入破碎岩石中发生胶结，试验结束后装置整体可拆卸，将胶结岩石取出进行进一步力学实验，观察胶结堵漏剂的胶结能力。
16.为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。
附图说明
17.图1为本发明实施例提供的胶结堵漏剂性能评价装置的设计方法的流程图。
18.图2为本发明实施例提供的胶结堵漏剂性能评价装置的结构示意图。
19.图3为本发明实施例提供的胶结堵漏剂性能评价装置的结构分解图。
20.图4为图3中孔隙管的结构分解图。
21.图5为图3中孔隙管结构剖视的示意图。
22.图6为图4中孔隙盘的结构分解图。
23.图7为本发明实施例提供的胶结堵漏剂性能评价装置中液压系统的系统图。
24.附图标记：1－中心管侧盖，2－中心管，3－孔隙管，4－孔隙管端盖，5－压力表接头，6－井壁管，7－底座，8－孔隙盘，9－进水管接口，10－透明管，11－水口，12－接头。
具体实施方式
25.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
26.以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
27.如图1所示，作为本发明一个实施例提供的一种胶结堵漏剂性能评价装置的设计方法，包括如下步骤：步骤一、查阅相关文献并了解性能评价装置如何实现对胶结堵漏剂的性能测试，学习装置绘图软件；步骤二、运用相应的理论知识，设计出装置的整体结构，并且根据装置的基本参数选用装置的零部件；步骤三、模拟井下封堵情况和胶结堵漏剂的滤失量，计算钻井的水力学参数，确定合理的胶结堵漏剂泵量，并采用先进技术手段进一步对设计的装置进行优化；步骤四、对优化后的装置进行胶结堵漏剂流动仿真模拟，确定装置的薄弱位置并对装置进行完善。
28.在本实施例中，设计的胶结堵漏剂性能评价装置可以模拟不同大小和形状的孔隙，观察不同配方胶结堵漏剂在运移过程中从孔隙滤失的情况，以及对胶结堵漏剂在缝隙表面封堵能力进行评价，优选出最优配方胶结堵漏剂，减少钻井事故的发生。
29.作为本发明的一种优选实施例，在步骤一中，通过对滤失仪、可视砂床和高温高压静态失水仪的整体结构及工作原理进行分析，了解性能评价装置如何实现对胶结堵漏剂的性能测试。
30.作为本发明的一种优选实施例，在步骤一中，装置绘图软件是一种基于inventor的三维建模软件。
31.在本实施例中，破碎地层指受构造应力而原本破碎的地层以及井眼形成后在上覆压力作用下产生破碎的地层，例如碳酸盐岩、硬脆性页岩、深部白云岩和煤层等，破碎地层存在许多微型裂缝地质构造复杂，裂缝的存在使地层在受到外力作用时破碎成大小不一的碎屑，在钻进过程中经常发生井壁垮塌、井漏、卡钻等事故，因此选择合适的钻井工艺显得尤为重要。
32.总结大量钻探工程实例发现，钻探工程的施工地层有75%都是泥页岩地层，且泥页岩地层引起井壁失稳的概率超过90%，其他容易引起井壁失稳的地层有裂隙发育的白云岩、
岩石破碎的灰岩地层和煤层等，因此所模拟的破碎地层主要选择泥页岩和煤层。
33.破碎地层胶结堵漏剂评价装置的设计源于在钻探中需要解决的实际现实问题，其整体结构参数直接关乎评价胶结堵漏剂的性能是否准确，是否符合真实工况等。本设计的技术参数如下：（1）本装置模拟钻铤以下部位，钻头与岩心管连接部分，钻头为孕镶金刚石钻头，环空直径取决于选用钻头的尺寸，本装置采用直径为250mm、60目孕镶金刚石钻头；（2）考虑实际工况的转化以及实验设备的便携性，装置整体压力设定为0.7-1mpa，因此井壁管6和中心管2的壁厚采用4mm以上；（3）模拟钻头符合实际钻头情况，设置6-8个水口11，水口11尺寸依据钻头规范选择；（4）模拟钻具中心管要考虑对中，与井壁管6同心，在井壁管6底部设置10mm深的环形槽，模拟真实岩心状态，环形槽内部边缘距离中心管2mm；（5）模拟孔隙要尽量反应破碎地层真实工况，选用80目标准筛网，由于实验的可观察性，孔隙直径采用70mm，为方便更换筛网，采用夹片式筛网固定板，在凹面处设备环形密封圈防止漏水；（6）保证装置的易拆装且不会发生粘连，模拟孔隙管3采用法兰连接与井壁管6相连，法兰盘焊接到井壁管6上，且使用6根m8螺杆贯通透明管两端板，提高孔隙管3的抗拉强度和抗剪能力，在端侧使用螺母固定；（7）水泵的选用要根据钻井水力学计算进行确定；（8）模拟孔隙管3应实现不同深度、同一深度对照试验，在竖直方向选用间距不应互相造成影响，同一深度设计两个管，相邻两管夹角为120
°
。
34.如图2和3所示，作为本发明的一种优选实施例，在步骤二中，装置的整体结构包括中心管2、孔隙管3和井壁管6，所述孔隙管3设置有六组，六组所述孔隙管3分布设置在井壁管6的侧壁上，通过法兰盘螺栓连接在井壁管6的侧壁上，所述孔隙管3是由孔隙盘8和透明管10螺栓连接而成，所述孔隙管3的末端设置有压力表接头5，所述压力表接头5与压力表相连，所述中心管2安装在井壁管6上，所述井壁管6安装在底座7上，且所述中心管2与井壁管6同心设置，所述中心管2的一侧安装有中心管端盖1，所述中心管端盖1和井壁管6上均设置有进水管接口9，且所述进水管接口9上均设置有流量计。
35.如图2和3所示，作为本发明的一种优选实施例，所述中心管2是一种304不锈钢管，且所述中心管2与井壁管6接头处设置有与井壁管6直径相同的台阶，且所述中心管2的底部分布设置有八组水口11。
36.如图2至6所示，作为本发明的一种优选实施例，所述井壁管6是一种304不锈钢管，所述井壁管6的侧壁上设置有多组用于与孔隙管3相连接的接头12。
37.在本实施例中，在井壁管6外侧三个方向各设置三个孔隙管3，可以实现在同一高度的孔隙管3中放入不同的岩石或者在不同高度的孔隙管3中放入同种岩石进行多组对照试验；考虑室内实验的需求，为保证孔隙管3的固定以及试验结束后顺利取下孔隙管3，并且装置方便加工，采用法兰制的螺栓固定机构，同时在孔隙处设置一个凸起便于定位，针对孔隙管3与装置主体结构的连接也设置凸台方便定位；
为了便于填装岩石，采用内线螺钉保证孔隙管3与井壁管6紧密贴合；在孔隙管3末端连接压力表，密封盖上设置密封圈实现与孔隙管3的过盈配合，保证胶结堵漏剂在流动过程中无法产生外溢，确保实验结果的准确性以及实验的安全性，孔隙盘8可以根据实际需要选用不同目数，将岩屑或沙子等装入孔隙管3；模拟井壁管6和模拟孔隙管3的外形、内部均为圆柱体，在两管一端，连接通水口和端盖，中间大孔接中心管2模拟钻杆；插接中心管2时，考虑到装置进行实验时的稳定性，在井壁管6底部设置凹槽，卡住中心管2保证中心管2与井壁管6为同心圆，而且中心管2应布置径向密封圈，并在盖子的两端分别加以密封，防止在压力作用下胶结堵漏剂在水口11边流出影响实验结果；中心管2与井壁管6的一端接有通水口，通过液压控制的方法，实现胶结堵漏剂正循环与反循环流动的改变，在每个通水口处接有流量计，观察胶结堵漏剂流入和流出的流量，计算整体滤失量；每个模拟孔隙管上同样接有流量计，可以计算每个孔隙的滤失量。
38.在一个优选的实施例中，中心管2与井壁管6通过螺栓、垫片和螺母进行固定，在中心管2与井壁管6之间加入环形径向密封圈，防止液体从径向流出，在两管体连接处设置台阶，在台阶上布置两条轴向密封圈，一方面便于装配，另一方面起到密封和同心作用；考虑到中心管2与井壁管6的对中性，在井壁管6下端设置卡槽保证中心管2与井壁管6同心，在中心管2下端设置水口11模拟真实工况；装置上端的中心管端盖1与上述中心管2和井壁管6的连接方式相同，在盖和中心管5连接处设置台阶加径向密封圈防止水溢出；中心管端盖1上的中心孔直径为40mm，内部加工螺纹，插接上一端开口直径为40mm，另一端开口直径为24mm的标准进水管接口9；在井壁管6外侧上端开口连接的进水管接口9以及装置底部开口连接的进水管接口9的尺寸、连接方式和中心管端盖1的进水管接口9相同；孔隙管3通过法兰盘与井壁管6进行连接，孔隙管3与法兰盘的连接采用内嵌式下沉十字螺钉进行固定，孔隙管侧盖4的固定方式与中心管端盖1相同，通过螺栓进行连接。在孔隙管侧盖4中间设置直径为16mm的孔，内部加工螺纹，选用一端直径为16mm，另一端直径为12mm的标准进水管接口9进行连接。
39.孔隙管3通过法兰盘与井壁管6螺栓连接，其中孔隙盘8由两瓣互相嵌合板夹持，在凹板处设有环形密封圈，孔隙管3两端分别设有孔隙盘8与孔隙管端盖，由六根m8螺杆进行固定，在螺杆两端装有螺母，在井壁管法兰盘上布有6个m16大孔与6个m8小孔，大孔方便安装时孔隙板螺母进入，小孔为孔隙管与法兰盘连接孔。
40.进行实验时，取下孔隙管侧盖4，在孔隙管3内装入模拟破碎地层的岩样后通过定位装置安装密封盖，再将螺杆上螺母拧好，将孔隙管3和中心管2一侧的进水管接口9与溢流阀和压力表连接，实现压力的输出，同时在进水口接压力表；开始实验前用清水进行压力校正，保证孔隙管3内压力与井筒内压力一致，校正完成后通入胶结堵漏剂；将上端进水管接口9与进水管连接，胶结堵漏剂流入装置中，上端的进水管与出水管连接三位四通换向阀，操控胶结堵漏剂的循环流动方式，换向阀调节胶结堵漏剂正循环流动时，胶结堵漏剂从中心管流入，从底部的水口处流出，从中心管与井壁管的环空上返，
在上返过程中，一部分胶结堵漏剂从模拟孔隙管3的孔隙处进入到透明管10中，剩下的胶结堵漏剂返回到胶结堵漏剂储存器中，完成一次循环；换向阀调节胶结堵漏剂反循环流动时，胶结堵漏剂从中心管2与井壁管6的环空流入，一部分胶结堵漏剂从模拟孔隙管3的孔隙处进入到透明管10中，另一部分胶结堵漏剂从底部的水口11处流出，从中心管2上返，流入胶结堵漏剂储存器中，完成一次循环；装置刚启动时，通过连接的压力表可以看到整体环空内部的压力与孔隙管3内的压力相同，在胶结堵漏剂流经孔隙过程中，由于胶结堵漏剂一方面固结岩样，另一方面在孔隙处形成泥皮，最后导致孔隙管3内压力小于井壁管6环空压力；观察压力表上的压力，当孔隙管3压力开始小于环空压力时，说明孔隙开始进行封堵，当压力差值保持一定时，说明封堵结束；在进行实验的过程中可以通过透明管10观察胶结堵漏剂流入管中实时的固结情况，也可以在孔隙管3外侧安装摄像机实时记录胶结堵漏剂的固结情况，实验结束后，通过装置下端的开口排空装置内部残留的胶结堵漏剂以及对装置进行清洗，同时可以取下孔隙管3，测量孔隙网上的泥皮厚度以及滤失量。
41.如图7所示，作为本发明的一种优选实施例，在步骤四中，对装置的整体结构和液压系统进行设计，将实际情况下的钻井参数模拟在装置上，通过胶结堵漏剂正循环和反循环的流动，观察井壁孔隙上堵漏的过程，通过装置反映的数据，可以计算得出孔隙的滤失量和滤失率参数，完成液体流动的仿真分析。
42.如图7所示，作为本发明的一种优选实施例，所述液压系统包括泥浆泵、胶结堵漏剂存储器、换向阀、调速阀、单向阀和溢流阀，通过泥浆泵驱动胶结堵漏剂从装置上端流入模拟井筒，利用四位三通换向阀变换胶结堵漏剂流动的回路方向，其中换向阀中位采用保压回路，实现胶结堵漏剂的正反循环流动；胶结堵漏剂流入模拟地层且在井筒内部完成一次循环后，经减压阀返回到胶结堵漏剂储存器中，液压系统构建的过程中，溢流阀与调速阀的安装对装置的正常运行至关重要，通过溢流阀的调整可以使装置整体液压回路的压力保持稳定，而调速阀可以控制装置内胶结堵漏剂的流量。
43.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。