本發(fā)明屬于井壁穩(wěn)定劑性質(zhì)測試裝置領(lǐng)域，具體涉及一種用于砂床封堵膠結(jié)測定儀的高溫高壓釜、裝備有該高溫高壓釜的砂床封堵膠結(jié)測定儀及利用該砂床封堵膠結(jié)測定儀測定井壁穩(wěn)定劑封堵膠結(jié)能力的方法，用于測試和評價井壁穩(wěn)定劑對破碎地層封堵及膠結(jié)能力。

背景技術(shù)：

地層失穩(wěn)是鉆井工程中十分常見的現(xiàn)象，引起井壁失穩(wěn)的原因比較復(fù)雜，形式也多種多樣，但處理難度比較大、容易造成井下復(fù)雜情況或事故的則以弱水敏性的硬脆性泥頁巖、侵入性火成巖(玄武巖)為比較嚴(yán)重。據(jù)不完全統(tǒng)計，全球鉆井行業(yè)因井壁失穩(wěn)導(dǎo)致的井下復(fù)雜情況或事故造成的經(jīng)濟損失每年高達數(shù)十億美元之巨，對此，世界上各大石油公司的科研部門每年均要投入大量的人力、物力進行這方面的研究，目前，這方面的研究工作取得了較大進展，同時也累積了一些成功經(jīng)驗，但由于各種因素綜合作用導(dǎo)致地層失穩(wěn)具有很高的隨機性，在現(xiàn)代技術(shù)手段下仍然無法避免鉆井工程中發(fā)生較大規(guī)模的井壁失穩(wěn)現(xiàn)象。

針對水與泥頁巖相互作用機理的研究結(jié)果表明，濾液(水)的浸入會使泥頁巖中含水量增加，密度下降，并使泥頁巖表面產(chǎn)生微裂縫(沿井眼周圍)，從而泥頁巖的強度降低。盡管在鉆井液中加入KCl之類的無機鹽能夠有效抑制泥頁巖膨脹，進而抑制微裂縫的發(fā)展，但當(dāng)鉆進過程中鉆井液密度偏低不足以平衡地層壓力時，井眼周圍仍會有大量的微裂縫產(chǎn)生。這表明濾液侵入泥頁巖和應(yīng)力平衡的喪失是井眼不穩(wěn)定問題的根本原因。因此有效提高井壁穩(wěn)定性的手段除了設(shè)法控制和消除泥頁巖的孔隙壓力穿透效應(yīng)外，還必須對已形成的裂縫進 行封堵和膠結(jié)，以便使液柱壓力能夠有效平衡地層應(yīng)力。

實驗結(jié)果表明，加入具有封堵功能的材料能夠有效降低泥頁巖的滲透性，顯著降低由于孔隙壓力穿透作用造成的井壁附近泥頁巖孔隙壓力的增加，這相當(dāng)于采用提高鉆井液密度的手段提高井壁穩(wěn)定性。此外很多具有封堵功能的材料同時也具有一定的地層微裂縫膠結(jié)作用，在封堵材料通過表面涂敷效應(yīng)阻止微裂隙進一步擴展的同時，膠結(jié)效應(yīng)則對已形成微裂隙進行修補與彌合，降低或消除因微裂隙擴張造成的泥頁巖坍塌壓力增高的現(xiàn)象?，F(xiàn)場經(jīng)驗表明，通過強化鉆井液的封堵膠結(jié)能力是提高井壁穩(wěn)定性的一個非常重要的手段，一般是采用瀝青類材料來實現(xiàn)這一目標(biāo)。瀝青具有在高溫情況下變軟直至成為流體的功能，通過對瀝青質(zhì)材料進行改性處理，可以使其具有不同的軟化點，亦即可以根據(jù)不同的地層溫度有針對性的選用瀝青類封堵材料，目的是使瀝青材料形成的封堵層具有一定的抗破壞能力，以便能夠?qū)ζ扑樾缘貙訉嵤┯行У姆舛拢瑥亩_到井壁穩(wěn)定效果。

但現(xiàn)場情況表明，地層封堵膠結(jié)材料的使用效果以及相應(yīng)的井壁穩(wěn)定技術(shù)手段的實施情況缺乏科學(xué)而客觀的評價方法，包括對井壁穩(wěn)定材料進行評價的室內(nèi)實驗手段，這直接導(dǎo)致了現(xiàn)場施工的盲目性和相關(guān)材料研究方面缺乏明確的實驗指導(dǎo)。造成這種情況的原因除地層存在變化狀態(tài)的可預(yù)測性較低的客觀因素以外，室內(nèi)缺乏相應(yīng)的實驗手段和實驗方法對封堵防塌劑進行符合實際的測定與評價是導(dǎo)致封堵防塌材料使用效果無法客觀鑒定和相關(guān)新材料研發(fā)缺乏實驗手段指導(dǎo)的主要原因。從這一點看，研制開發(fā)封堵防塌材料模擬評價裝置和提出相應(yīng)的實驗評價方法對施工現(xiàn)場制定合理的井壁穩(wěn)定技術(shù)方案和合理使用井壁穩(wěn)定劑具有重大的技術(shù)指導(dǎo)意義。

關(guān)于封堵防塌劑對破碎地層封堵與膠結(jié)能力的評價目前尚未見到專用的實驗裝置，也沒有成型的實驗方法，為了考查封堵防塌劑尤其是瀝青類材料對泥餅質(zhì)量的改善情況，一些科研人員借助于API濾失量測定儀對鉆井液配伍瀝青質(zhì)材料以后形成的泥餅進行清水滲透性變化的實驗評價，這種方法與工程實際比 較接近，但缺點也顯而易見，即該方法無法模擬井下實際情況，無法就封堵防塌劑對泥餅的改善效果進行評價，特別是無法在較高溫度和壓力下對封堵層的封堵效果進行模擬評價，更無法在模擬地層條件下對封堵防塌劑的膠結(jié)效果進行實驗評價。從現(xiàn)場實際需要和研究探索方面的情況看，井壁防塌在重視材料封堵效果的同時，其膠結(jié)能力越來越受到重視，就新型封堵防塌材料研發(fā)方面的信息看，材料的物理或化學(xué)膠結(jié)能力已經(jīng)成為不可或缺的考查指標(biāo)之一，這是因為在對付破碎性地層的工程實踐中，具有良好膠結(jié)功能的材料能夠有效提高地層的坍塌壓力，進而延長地層的失穩(wěn)周期。從上述實際需要看，相應(yīng)的實驗評價儀器的缺乏和實驗方法與工程實際的脫節(jié)已經(jīng)成為制約封堵防塌劑功能進一步改善和提高的主要障礙，急需在這方面有所突破。

專利CN201020685460.X(瀝青封堵模擬試驗裝置)，該裝置采用電加熱方式對實驗樣品進行升溫，采用氣體壓力源對實驗樣品進行加壓，用以模擬鉆井工程中遇到高溫高壓地層的情況。為了考查瀝青混合物對漏失層的封堵效果，設(shè)計中采用了不同開有寬度狹縫的圓盤模擬井壁漏層，于設(shè)計的溫度和壓力下對封堵層進行實驗評價，最終根據(jù)漏失情況(漏液量、漏失速度等)考查封堵層的對不同裂縫的封堵效果以及封堵層可以承受的溫度、壓力等參數(shù)，并能確定完成封堵過程所需要的時間。但該裝置無法直接用于進行封堵防塌劑使用效果的評價，原因是①配伍封堵防塌劑后形成的封堵層其主要功能是通過涂覆作用降低地層的滲透性，進而降低液柱的壓力穿透效應(yīng)，而主要不是用于評價封堵層的堵漏能力；②無法用其評價封堵防塌材料對破碎地層的膠結(jié)與穩(wěn)定能力。即便是作為漏失層封堵效果評價儀使用，專利CN201020685460.X也存在機械性模擬漏失層的方法與實際情況存在較大差別的缺點。除此之外，國內(nèi)尚沒有與本發(fā)明相似的儀器和實驗方法。

由上述分析可以看出，地層失穩(wěn)與井壁穩(wěn)定是一個非常復(fù)雜的技術(shù)問題，由于影響因素眾多，并且各種因素之間又存在著復(fù)雜的制約關(guān)系，因此在關(guān)于井壁穩(wěn)定材料和相關(guān)的技術(shù)評價上，一直難以開發(fā)出成型且為技術(shù)界所公認的 實驗方法和評價手段，已有的實驗手段無法客觀而明確的對井壁穩(wěn)定材料尤其是瀝青質(zhì)材料的地層穩(wěn)定效果進行量化評價。因此必須以瀝青質(zhì)材料的特點為依據(jù)，研制開發(fā)適合于封堵膠結(jié)型井壁穩(wěn)定劑效果評價的專用儀器，為井壁穩(wěn)定現(xiàn)場操作和新材料的研究奠定實驗基礎(chǔ)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的難題，提供一種用于砂床封堵膠結(jié)測定儀的高溫高壓釜、裝備有該高溫高壓釜的砂床封堵膠結(jié)測定儀及利用該砂床封堵膠結(jié)測定儀測定井壁穩(wěn)定劑封堵膠結(jié)能力的方法，能夠在模擬地層條件(壓力、溫度)下，對瀝青質(zhì)材料參與泥餅的形成過程及最終的作用結(jié)果進行評價，并定性或定量的評價瀝青質(zhì)材料對破碎地層的膠結(jié)能力。

本發(fā)明提供一種用于砂床封堵膠結(jié)測定儀的高溫高壓釜，該高溫高壓釜包括釜體22、分別安裝在釜體22上部和下部的頂蓋28和底蓋37、安裝在底蓋37之上與釜體22內(nèi)側(cè)壁密封裝配的內(nèi)砂床杯23，所述頂蓋28上設(shè)置有通孔，用于通入氣體管線、壓力傳感器管線32和測試液體管線，所述底蓋37上設(shè)置有貫通該底蓋37的濾液排出管33，所述內(nèi)砂床杯23為頂部開口、底部設(shè)置有濾網(wǎng)24的杯體，所述內(nèi)砂床杯23還設(shè)置有內(nèi)砂床杯拉出桿34。

優(yōu)選地，所述濾網(wǎng)上設(shè)置有組合砂床25，所述組合砂床25的厚度為70-80mm。

所述內(nèi)砂床杯23優(yōu)選通過密封圈31與釜體22內(nèi)側(cè)壁密封裝配，所述密封圈31優(yōu)選為“O型”密封圈。所述“O型”密封圈的安放位置是靠近底蓋37內(nèi)凸起部位的平面上(該平面上同時加工有供緊固螺絲穿過的通孔)車出一個設(shè)計尺寸的環(huán)形槽，“O型”密封圈放到槽中形成密封帶。由于實際的加工操作中，要考慮車床與機件之間配合的方便性和儀器使用時拆裝的方便性，“O型”密封圈的安放位置也可以靈活調(diào)整，例如將底蓋37內(nèi)凸起部分加高，在凸起部分的圓柱體外緣車出環(huán)形槽，“O型”密封圈置于槽中形成密封帶；還可以在底 蓋37凸起與高溫高壓釜13相配合處的內(nèi)腔部分適當(dāng)位置車出環(huán)形槽安放“O型”密封圈。可根據(jù)儀器使用和加工方便程度，只要達到增強與釜體22之間的密封能力，防止實驗時液體在壓力作用下從機件的配合處外泄即可。

優(yōu)選地，通過測試液體管線的通孔為設(shè)置于頂蓋28的中心通孔，液體通過液流注入器通入高溫高壓釜內(nèi)，所述液流注入器包括穿過所述中心通孔的通入管27和設(shè)置在通入管27底部的液流緩沖板36。優(yōu)選地，所述通入管27與頂蓋28通過密封件30實現(xiàn)密封，所述密封件30也是“O型”密封圈，但直徑較小，可直接裝在通入管27余頂蓋28接觸部位的管外緣部位。

所述液流緩沖板36的作用是均勻分散測試液體，可以為任意形狀，優(yōu)選為傘狀。

所述內(nèi)砂床杯23的大小可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)，通常地，高度為75-90mm，杯壁厚度為1.2-1.5mm，有效容積為157-181ml。

所述釜體22的大小也可以根據(jù)需要條件，優(yōu)選地，所述釜體22為筒狀，高度為390-410mm，內(nèi)徑為52-60mm。

優(yōu)選地，所述釜體22的側(cè)壁或頂蓋28開有通孔，用于插入溫度傳感器17。例如，在釜體22的壁上開深度約70mm的小孔，實驗時將溫度探針(金屬桿溫度計)插到小孔里面。

本發(fā)明還提供一種砂床封堵膠結(jié)測定儀，所述砂床封堵膠結(jié)測定儀包括溫度調(diào)控系統(tǒng)、壓力調(diào)控系統(tǒng)、樣品測試系統(tǒng)總成、高溫高壓釜升降系統(tǒng)和支撐與固定系統(tǒng)；其中，

所述溫度調(diào)控系統(tǒng)包括：套裝在高溫高壓釜13外部的電加熱套38、安裝在電加熱套38上的溫度控制面板及管線3、插入高溫高壓釜13的溫度傳感器17、分別通過數(shù)據(jù)線與溫度傳感器17和溫度控制面板及管線3連接的控制與數(shù)據(jù)采集單元8，所述高溫高壓釜13為上述的高溫高壓釜；

所述壓力調(diào)控系統(tǒng)包括：通過高壓氮氣管線15與頂蓋28的通孔連通的氣瓶1，所述高壓氮氣管線15上依次設(shè)置有氣源閥門4、高壓氣源調(diào)節(jié)閥7和高 壓氣源截止閥11，所述氣瓶1還通過回壓管線16與所述高溫高壓釜13底部的濾液排出管33連通，所述回壓管線16上依次設(shè)置有氣源閥門4、回壓壓力調(diào)節(jié)閥6、回壓控制閥12；所述壓力調(diào)控系統(tǒng)還包括與頂蓋28的通孔連通的壓力傳感器18，以及通過數(shù)據(jù)線與壓力傳感器18連接的控制與數(shù)據(jù)采集單元8；

所述樣品測試系統(tǒng)總成為上述的高溫高壓釜；

所述高溫高壓釜升降系統(tǒng)包括低速變頻電機46、用于控制所述低速變頻電機46轉(zhuǎn)速的變頻調(diào)速器45、與所述低速變頻電機46連接的滑輪系統(tǒng)41，所述滑輪系統(tǒng)41通過升降繩索40與高溫高壓釜13連接，以控制高溫高壓釜13的升降；

所述支撐與固定系統(tǒng)包括支架44和底座42，所述滑輪系統(tǒng)41設(shè)置在支架44的頂部。

優(yōu)選地，所述壓力調(diào)控系統(tǒng)還包括通過高壓空氣管線14與頂蓋28的通孔連通的空壓機2、所述高壓空氣管線14上依次設(shè)置有壓縮空氣總閥5、增壓泵9、增壓閥門10，所述壓縮空氣總閥5通過管線與高壓氮氣管線15連通。

優(yōu)選地，所述砂床封堵膠結(jié)測定儀還包括放空閥21，所述放空閥21通過單獨的管線與高壓空氣管線14連通，連通位置位于增壓閥門10與高溫高壓釜13的頂蓋28之間。

此外，本發(fā)明還提供一種井壁穩(wěn)定劑封堵膠結(jié)能力的測定方法，該測定方法通過上述的砂床封堵膠結(jié)測定儀進行，該方法包括以下步驟：

(a)調(diào)節(jié)溫度調(diào)控系統(tǒng)預(yù)熱電加熱套38；

(b)在濾網(wǎng)24上裝填破碎地層模擬材料，將安裝好的內(nèi)砂床杯23放置于所述高溫高壓釜13中；

(c)密封高溫高壓釜(13)并利用滑輪系統(tǒng)41將高溫高壓釜13放置于電加熱套38中；

(d)連接所述砂床封堵膠結(jié)測定儀的所有管線；

(e)通過測試液體管線向所述高溫高壓釜13通入測試用工作液39；

(f)利用溫度調(diào)控系統(tǒng)和壓力調(diào)控系統(tǒng)使所述高溫高壓釜13達到設(shè)定的溫度和壓力；

(g)測量從濾液排出管33中流出的液體量。

所述破碎地層模擬材料可以根據(jù)需要選擇選擇與實際地層性質(zhì)最為接近的材料，優(yōu)選地，可以為碎石或河砂。

本發(fā)明的方法特別適用于瀝青質(zhì)材料的井壁穩(wěn)定劑。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明提出的實驗裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、計量準(zhǔn)確，本發(fā)明的方法可以根據(jù)需要或人工模擬實際情況的客觀環(huán)境(如溫度、壓力、破碎性)，采用相應(yīng)粒徑的河砂或碎石靈活組合受試地層，這種模擬方法比較接近地層破碎時的真實情況，并且各種化學(xué)劑與地層的作用結(jié)果也更具代表性，便于采用實驗手段對其作用效果進行評價。此外，本發(fā)明的裝置能夠在各種溫度(室溫-180℃)、壓差(0-5MPa)條件下測定配伍瀝青質(zhì)材料或其它井壁穩(wěn)定材料對模擬地層的封堵和膠結(jié)效果，也可以結(jié)合現(xiàn)場實際或科研工作需要進行T-P組合設(shè)計，使實驗結(jié)果與科研和生產(chǎn)實際能夠更加有效的結(jié)合。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明裝置中的高溫高壓釜的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明裝置中的高溫高壓釜升降系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記說明

1、氣瓶 2、空壓機 3、溫度控制面板及管線

4、氣源閥門 5、壓縮空氣總閥 6、回壓壓力調(diào)節(jié)閥

7、高壓氣源調(diào)節(jié)閥 8、控制與數(shù)據(jù)采集單元 9、增壓泵

10、增壓閥門 11、高壓氣源截止閥 12、回壓控制閥

13、高溫高壓釜 14、高壓空氣管線 15、高壓氮氣管線

16、回壓管線 17、溫度傳感器 18、壓力傳感器

19、回壓/排液閥 20、計量容器 21、放空閥

22、釜體 23、內(nèi)砂床杯 24、濾網(wǎng)

25、組合砂床 26、濾餅 27、通入管

28、頂蓋 29、緊固螺絲 30、密封件

31、密封圈 32、壓力傳感器管線 33、濾液排出管

34、內(nèi)砂床杯拉出桿 36、液流緩沖板 37、底蓋

38、電加熱套 39、測試用工作液 40、升降繩索

41、滑輪系統(tǒng) 42、底座 43、支撐桿

44、支架 45、變頻調(diào)速器 46、低速變頻電機

具體實施方式

下面結(jié)合附圖1-3對本發(fā)明作進一步詳細描述：

(A)實驗與評價裝置

如圖1所示，本發(fā)明的裝置主要包括以下五部分：①溫度調(diào)控系統(tǒng)；②壓力調(diào)控系統(tǒng)；③樣品測試系統(tǒng)總成；④高溫高壓釜升降系統(tǒng)；⑤支撐與固定系統(tǒng)。

①溫度調(diào)控系統(tǒng)：包括電加熱套38、溫度傳感器17、溫度控制面板及管線3、控制與數(shù)據(jù)采集單元8。

具體地，置于電加熱套38中的高溫高壓釜13(也稱HTHP釜體或樣品測試釜總成)由支撐桿43固定于支架44上，電加熱套38的底部開有導(dǎo)流槽，一方面防止實驗時滲出流體，繼而在高溫下碳化將釜體與加熱套粘死，影響實驗結(jié)束后的拆裝；另一方面也可以在滲出流體較多時能及時導(dǎo)至下部的計量容器20內(nèi)。

電加熱套38用于放置高溫高壓釜13內(nèi)，其尺寸可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)。本發(fā) 明的實施例中，電加熱套38的總高度為450±5mm，外徑為200mm(或180×180mm正方形狀)，內(nèi)徑為84-86mm。溫度計量采用數(shù)字顯示方式，由溫度傳感器17、溫度控制面板及管線3和控制與數(shù)據(jù)采集單元8組成。其中，溫度控制面板的主要功能是根據(jù)實驗需要設(shè)置和調(diào)節(jié)工作溫度，溫度控制面板和電加熱套作成為一體，但和加熱套之間要有良好的熱絕緣，這種結(jié)構(gòu)可以保證裝置布局緊湊。控制與數(shù)據(jù)采集單元8的作用包括：當(dāng)工作溫度超過設(shè)置高限時電路斷開，以確保安全；工作溫度低于設(shè)置低限時電路接通，繼續(xù)加熱直至達到設(shè)計溫度值。此外，優(yōu)選在溫控面板里設(shè)置溫度超限報警裝置，例如，當(dāng)溫度達到190℃時，報警并自動切斷加熱電源。

②壓力調(diào)控系統(tǒng)：采用自動控制方式控制工作壓力，主要由氣瓶1(可裝載壓縮氮氣)、空壓機2、氣源閥門4、壓縮空氣總閥5、高壓氣源調(diào)節(jié)閥7、高壓氣源截止閥11、增壓泵9、增壓閥門10、高壓空氣管線14、高壓氮氣管線15、回壓控制閥12、回壓壓力調(diào)節(jié)閥6、回壓管線16、壓力傳感器18、控制與數(shù)據(jù)采集單元8組成，該系統(tǒng)可以按照設(shè)計要求或?qū)嶒炑芯啃枰?-10MPa范圍調(diào)節(jié)壓差。

其中，高壓空氣管線14只提供壓縮空氣；高壓氮氣管線15提供氣體的成分取決于氣瓶1中裝載的氣體種類，如果裝載空氣，就提供高壓空氣，如果裝載氮氣，就提供高壓氮氣。實驗時，除了由高壓空氣管線14或高壓氮氣管線15提供正向壓力以外，同時還要利用回壓管線16通過釜體底部的回壓/排液閥19向釜體內(nèi)部提供一個反向壓力，這個壓力的數(shù)值一般為1MPa，主要作用是防止以水為主要成分的濾液在高溫下直接以氣體的方式散逸，導(dǎo)致無法收集和計量排出液的數(shù)量，加壓以后可以將水的汽化熱降低至常態(tài)，過熱蒸汽變?yōu)橐后w便于收集。

③樣品測試系統(tǒng)總成：指高溫高壓釜13，具體包括釜體22、內(nèi)砂杯床23、濾網(wǎng)24、通入管27、頂蓋28、緊固螺絲29、密封件30、密封圈31、內(nèi)砂床杯拉出桿34、密封圈35、液流緩沖板36、底蓋37。所述濾網(wǎng)24的孔徑可以根據(jù) 實驗需要變換，用于通過流體；濾網(wǎng)24的外緣尺寸優(yōu)選與杯子的內(nèi)徑相同，根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式，所述濾網(wǎng)24的有效過濾面積為1440-1460mm²，根據(jù)濾液產(chǎn)生量計算HTHP濾失量時的校正系數(shù)為3.16。實驗時可以根據(jù)需要選用不同孔徑的篩網(wǎng)和是否加裝HTHP濾紙。杯壁的外側(cè)裝有兩個耐油耐高溫的密封圈31，實驗時可以防止工作液不經(jīng)過砂床直接排出；所述液流緩沖板36的作用是當(dāng)液流由通入管27注入時，在液流緩沖板36的作用下，可以均勻的向四周散開，不至于對砂床表面因直接沖刷造成破壞，影響實驗效果，因此，所述液流緩沖板36優(yōu)選為傘狀。內(nèi)砂床杯拉出桿34的作用是用于內(nèi)杯的放置和取出，可以為“V”型提手。液體從底部濾液排出管33排出后，在組合砂床25上形成濾餅26。

釜體22兩端各分布有6個緊固螺絲孔，用于旋入專用內(nèi)六方緊固螺絲29，將頂蓋28、底蓋37與釜體22固定并密封。根據(jù)實驗需要，參照表1所列粒徑組合方式于內(nèi)砂床杯23中完成砂床組合。裝好一端的端蓋(頂蓋28、底蓋37)并固定，形成高溫高壓釜13，利用升降系統(tǒng)將高溫高壓釜13送入電加熱套38中。將盛放砂床的內(nèi)砂床杯23利用內(nèi)砂床杯拉出桿34送入高溫高壓釜體13中并安放平穩(wěn)。通過通入管27向高溫高壓釜體13中小心注入特定數(shù)量的待評價流體，裝上頂蓋28并固定，完成樣品測試系統(tǒng)的組裝。

④高溫高壓釜升降系統(tǒng)：該系統(tǒng)包括低速變頻電機46、變頻調(diào)速器45、滑輪系統(tǒng)41和升降繩索40，所述低速變頻電機為500W的直流大扭矩低速伺服馬達。伺服馬達采用變頻調(diào)速器45控制轉(zhuǎn)速，可以實現(xiàn)0-100rpm的無級變速，使用時通過控制馬達轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)高溫高壓釜體13的升降。

⑤支撐與固定系統(tǒng)：包括支架44和底座42，滑輪系統(tǒng)41安裝于支架44頂部，支架44優(yōu)選采用雙桿式，以確保電加熱套38固定穩(wěn)定。底座42可采用厚度20mm鑄鋼制作；根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式，電加熱套38底部與底座42之間的高度應(yīng)不小于25cm，便于拆裝氣源管線和放置量筒類計量器具。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明裝置的改進還包括：①按照專利實驗操做要求加 大了釜體的長度和直徑，增加了工作腔的有效容積，并對尺寸變化以后的釜體進行了強度校核；②根據(jù)內(nèi)杯底部結(jié)構(gòu)對釜體兩端及端蓋進行了改進，使之能夠與內(nèi)杯底部形成一體化的配合，提高了實驗的成功率；③加裝了動力升降系統(tǒng)，實現(xiàn)了一機單人操作，并提高了實驗工作的安全性；④增加了數(shù)據(jù)接口，使溫度和壓力既可人工控制，也可以借助電腦自動控制。

(B)操作方法

以下描述本發(fā)明的優(yōu)選操作方法：

(1)接通電源，根據(jù)設(shè)計要求設(shè)置好最高溫度限，使電加熱套38進入預(yù)溫狀態(tài)。

(2)按照設(shè)計或研究工作要求向內(nèi)砂床杯23加裝合適粒徑(砂粒粒徑組合與模擬地層裂縫的關(guān)系，如表1所示)的河砂或碎石模擬破碎地層并輕輕壓平，厚度為7-8cm(約400-410g)；于內(nèi)砂床杯23的上下兩端凹槽處裝好上下密封圈；裝上內(nèi)砂床杯拉出桿34將盛放砂床的內(nèi)砂床杯23安放到位。

表1

(3)將高溫高壓釜13一端的端蓋裝好密封，裝上回壓/排液閥19并使該閥處于關(guān)閉狀態(tài)，此端作為底部送入電加熱套38內(nèi)，將盛放砂床的內(nèi)砂床杯23利用內(nèi)砂床杯拉出桿34送入高溫高壓釜13中并安放平穩(wěn)。向高溫高壓釜13中注入特定數(shù)量(約450ml)的待評價流體，裝上頂蓋28并固定，完成樣品測試系統(tǒng)的組裝。

(4)緊固高溫高壓釜13的頂蓋；掛上提升掛鉤，啟動低速變頻電機46將高溫高壓釜13裝入電熱加溫套38中，將溫度傳感器17插入釜壁上的插孔中。

(5)連接好氣源管線：高壓空氣管線14、高壓氮氣管線15、回壓管線16，保持高溫高壓釜13底部的回壓/排液閥19處于關(guān)閉狀態(tài)。如果采用高壓氮氣瓶加壓，使高壓氣源截止閥11處于開啟狀態(tài)，關(guān)閉增壓閥門10；如果采用壓縮空氣系統(tǒng)，則使增壓閥門10處于開啟狀態(tài)，關(guān)閉高壓氣源截止閥11。正向加壓1MPa，待釜體22溫度上升至設(shè)計值以后開始計時，這一過程為封堵層形成的過程，操作時間設(shè)定為30min。這一期間注意對比觀察溫度控制面板顯示與釜體22溫度傳感器17(桿式溫度計)所顯示的溫度值，根據(jù)二者的變化情況隨時調(diào)整加熱溫度，以便最終使釜體22與電加熱套38的溫度趨于一致。

(6)封堵層形成過程結(jié)束以后，將正向壓力加至設(shè)計值(該數(shù)值是正向壓力與反向壓力之差)，同時自回壓/排液閥19加反向回壓1MPa，并開始計時。操作時的工作壓力如高于5MPa，則啟用由空壓機2和增壓泵9組成的增壓系統(tǒng)代替氣瓶氣源。計時期間每隔5min左右，或者是回壓/排液閥19的壓力升至0.5Mpa以上時，開啟一次回壓/排液閥19，以便及時排出濾出液，用計量容器20收集并計量排出液體積。這一過程持續(xù)30min結(jié)束。

(7)實驗結(jié)束以后，按照下列程序操作儀器：①旋緊高溫高壓釜13頂蓋28上的桿閥同時關(guān)閉加熱電源；②停止加壓并關(guān)閉氣源閥門4或壓縮空氣總閥5，打開回壓/排液閥19排盡積存濾出液和回壓管線中的殘留壓力氣體；③緩慢開啟氣源閥門4、增壓閥門10或高壓氣源截止閥11上的旁通閥(旁通閥和高壓氣源截止閥是做成一體的，進氣時走旁通閥，氣壓達到設(shè)計值以后關(guān)閉截止閥，這樣可以防止壓力管線的某個連接部位密封性不好時導(dǎo)致儀器HTHP釜體工作腔中的壓力發(fā)生泄漏)，排空加壓管線中的殘留壓力氣體，之后旋緊底蓋37上的回壓/排液閥，防止操作中不斷有余液滲出；④高溫高壓釜13與升降系統(tǒng)連接，開動低速變頻電機46使高溫高壓釜13自電加熱套38中提出，置于支架44上冷卻至室溫，之后保持釜體22正向垂立(與實驗時的方向一致，亦即砂床在下方)，小心旋開頂蓋28的桿閥，泄掉釜體中的余壓；⑤確信釜體中的殘留壓力氣體排盡以后，卸掉頂蓋28，將剩余的測試液體小心倒出。

(8)如需定性測定砂床的封堵效果，則根據(jù)研究工作需要自通入管27小心通入清水(測試封堵層對清水的封堵能力)，或者裝好頂蓋28與底蓋37，參照步驟(5)通入壓縮空氣(測試封堵層的氣密性)對砂床的封堵效果進行實驗評價。實驗結(jié)束以后參照(7)的步驟拆卸高溫高壓釜13，將內(nèi)砂床杯23拿出，表面沖洗干凈后備用。

下面，利用本發(fā)明的裝置完成以下工作：

①不同種類的井壁穩(wěn)定劑對砂床裂縫封堵能力評價；②溫度和壓力變化對井壁穩(wěn)定劑封堵能力影響評價；③井壁穩(wěn)定劑配伍效果評價；④井壁穩(wěn)定劑對不同粒徑砂床封堵能力評價。

此處所說的“井壁穩(wěn)定劑”一般是指以瀝青類材料為主或含有一定數(shù)量瀝青質(zhì)材料并具有膠結(jié)作用的鉆井液助劑，具有膠結(jié)粘合作用的非瀝青質(zhì)材料也適合于采用本專利裝置進行評價，如人工合成的聚合物類材料。

其中，裝置的安裝步驟如上所述，并且，電加熱套38的總高度為450±5mm，外徑為200mm，內(nèi)徑為84-86mm。升溫高限為180±2.5℃。高溫高壓釜的釜體總長為400±2mm，外徑為83±0.5mm，上下密封端蓋處內(nèi)徑為62±0.02mm，工作腔內(nèi)徑為58.5+0.3mm，有效容積為850ml。支架總高為180cm，底座采用厚度20mm鑄鋼制作，規(guī)格為30×70cm；加熱套底部與底座之間的高度不小于25cm。

實施例1

該實施例為不同種類的井壁穩(wěn)定劑對砂床裂縫封堵能力評價。

選取3種瀝青質(zhì)的井壁穩(wěn)定劑，分別是表面改性瀝青粉1型SMFF-1(軟化點85-110℃)、表面改性瀝青粉2型SMFF-2(軟化點120-150℃)和陽離子改性瀝青粉YKH(軟化點130-160℃)與聚磺鉆井液體系配伍形成聚磺防塌體系。采用分離粒徑20/40目河砂作為砂床(裂縫當(dāng)量寬度0.15mm)，對聚磺防塌體系的裂縫封堵能力進行評價。砂床縫隙當(dāng)量值參考表1確定。

按照表2所列配伍方案配制聚磺防塌體系，配制好的待評價鉆井液體系于室 溫下靜置24h，以便使體系中配伍的各種添加劑充分水化溶解。使用50目濾網(wǎng)作為過濾層，并加裝實驗用HTHP濾紙，壓差3.5MPa。

表2

實驗結(jié)果表明，SMFF-1和SMFF-2兩種井壁穩(wěn)定劑的裂縫封堵能力要明顯優(yōu)于YKH，如果在其合適的軟化點溫度范圍內(nèi)，SMFF-1和SMFF-2具有較為顯著的封堵能力。例如在100℃時，添加有SMFF-1的漿體其濾失量可以由26.2ml降低至19ml，隨著溫度的升高，瀝青質(zhì)材料的封堵能力變差，表現(xiàn)為濾液數(shù)量增多；在150℃時，添加有SMFF-2的漿體其濾失量可以由48ml降低至18.4ml，表明在該溫度下SMFF-2具有最佳的封堵能力。

實施例2

該實施例為溫度和壓力變化對井壁穩(wěn)定劑封堵能力影響評價。

評價實驗用漿體組成：聚磺體系+30g/l SMFF-2，其他條件同實施例1。

表3

實驗結(jié)果表明，溫度和壓力對井壁穩(wěn)定劑的裂縫封堵能力均有影響，其中壓力的影響更大一些。以135℃下的實驗數(shù)據(jù)為例，該溫度是SMFF-2的最佳作用 溫度，在這一溫度下，砂床的滲濾效應(yīng)可以降至最低。從實驗結(jié)果看，隨著壓力的增大，濾液的透過率也隨之增大，在助劑的最佳作用溫度范圍內(nèi)，壓力的影響相對較低，否則，影響程度會明顯增大。

實施例3

該實施例為井壁穩(wěn)定劑配伍效果評價。井壁穩(wěn)定劑在聚磺體系中的配伍方式及配伍量見表4，實驗時加裝HTHP濾紙，其他條件同實施例1。

表4

實驗結(jié)果表明，井壁穩(wěn)定劑在聚磺體系中的配伍總量達到30g/l以上時，對裂隙封堵能力的提高變得非常有限，達到40g/l以上時，封堵能力基本不再提高；此外，實驗結(jié)果也表明，當(dāng)體系中SMFF-1含量固定為10g/l時，SMFF-2的添加量保持在15-20g/l為較好。如果繼續(xù)配伍其它種類的井壁穩(wěn)定劑時，其最佳配伍方式的實驗評價方法相同。

實施例4

該實施例為井壁穩(wěn)定劑對不同粒徑砂床封堵能力評價。

評價實驗用漿體組成：聚磺體系+50g/l SMFF-2。該組實驗中不加裝HTHP濾紙，壓差為3.5Mpa，其他條件同實施例1。

表5

實驗結(jié)果表明，SMFF-2對0.04mm以細的裂隙具有較好的封堵效果，但隨著裂隙的增大，封堵效果變差。一般而言，當(dāng)裂隙當(dāng)量寬度小于0.04mm(40-60目砂床)時，在SMFF-2的最佳作用溫度范圍內(nèi)，封堵效果趨于變好；裂隙當(dāng)量寬度大于0.04mm時，隨著溫度的升高，封堵效果急劇變差。SMFF-2對于當(dāng)量寬度大于0.1mm(30目以粗砂床)的裂隙基本不具有封堵效果。

實施例5

該實施例為經(jīng)瀝青防塌劑作用以后砂床密封性評價。

實驗配方：聚磺體系+SMFF-2，SMFF-2配伍量見表6，實驗溫度130℃。該組實驗加裝HTHP實驗用濾紙，實驗壓差為3.5MPa。

表6

從實驗結(jié)果可以看出，SMFF-2對砂床縫隙具有較好的填封作用，砂床經(jīng)添加有SMFF-2的鉆井液作用以后，更換清水作為透過介質(zhì)，隨著SMFF-2加量的增大，透過率(濾失量)明顯降低，例如不添加SMFF-2時的濾失量為35.5ml，當(dāng)SMFF-2增加到50g/l時，濾失量也隨之降低至21.4ml。

實施例6

該實施例為不同種類瀝青防塌劑配伍以后砂床密封性評價。

實驗配方：聚磺體系+SMFF-1+SMFF-2，SMFF-2配伍量見表7，實驗溫度130℃。該組實驗加裝HTHP實驗用濾紙，實驗壓差為3.5MPa。

表7

從表7的實驗結(jié)果看，在130℃的實驗溫度下，SMFF-1對40/60目砂床基本不具有封堵效果，這是因為該溫度下SMFF-1絕大部分已經(jīng)完全融化，但配伍SMFF-2以后，情況有明顯改善。例如當(dāng)SMFF-2配伍量達到40g/l以后，砂床的密封效果達到了最佳狀態(tài)，繼續(xù)增大SMFF-2加量，其HTHP濾失量基本上已不再降低。這表明，在SMFF-1含量為20g/l的時候，作為提高裂隙封堵能力之用，SMFF-2的有效含量宜保持在30-40g/l。

實施例7

該實施例為瀝青質(zhì)防塌封堵劑對較大裂縫封堵能力評價。

實驗配方：聚磺體系+20g/l SMFF-1+30g/l SMFF-2+剛性粒子封堵材料，剛性封堵材料配伍量見表G，實驗溫度130℃。該組實驗不加裝HTHP實驗用濾紙，目的是使一定數(shù)量的剛性粒子能夠順利進入到砂床縫隙中形成一次封堵，以便 為二次封堵創(chuàng)造條件，實驗壓差為3.5MPa。

表8

注：①—實驗開始的5min內(nèi)漏失量大于120ml；②—實驗10min時漏失量大于90ml；③—實驗15min時漏失量達到80ml；^④—完成全部實驗過程所收集的液體的數(shù)量(實驗進行了30min)。

由實驗結(jié)果可以看出，聚磺體系配伍瀝青質(zhì)防塌封堵材料形成防塌體系以后，如果不配伍相應(yīng)尺寸的剛性粒子，對砂床的封堵能力非常有限，即便是縫隙較小的20/60目砂床，其封堵效率也很低，甚至無法形成封堵；配伍剛性封堵材料以后情況會有較大改善，并且隨著剛性封堵材料配伍數(shù)量的增大，封堵效率也有顯著提高。例如對于20/50目砂床，當(dāng)剛性封堵材料配伍量達到15g/l以后，其漏失速度即可降低至能夠完成全部的實驗過程。進一步采用更細的50/100目砂床對聚磺體系(不添加瀝青封堵防塌材料)封堵能力進行評價，發(fā)現(xiàn)剛性封堵材料對裂隙的有效封堵起著決定性作用，在不配伍瀝青封堵防塌材料的情況下，當(dāng)體系中剛性封堵材料配伍量達到10g/l時，即具有比較好的封堵效果。該組評價實驗結(jié)果揭示了以下規(guī)律：①瀝青質(zhì)材料對于封堵較小的裂隙(砂床封堵實驗中60目以細砂床具有的裂隙)效果較好，并且形成封堵以后對裂隙具有彌合和粘接效應(yīng)；②封堵較大裂隙(砂床封堵實驗中40目以粗砂床具有的裂隙)時，工作流體中必須配伍一定數(shù)量的剛性粒子材料才能完成封堵過程；③環(huán)境溫度低于瀝青質(zhì)材料的軟化點溫度時，瀝青材料具有部分替代剛性粒子封堵材料的功效。

通過上述實施例可以看出，本發(fā)明裝置的優(yōu)點在于：

(1)可以根據(jù)現(xiàn)場或科研工作需要設(shè)置封堵防塌劑的實驗和評價參數(shù)，由于封堵防塌劑的種類、特點、技術(shù)性能等各不相同，實驗時無法在固定的技術(shù)條件下對其性能進行評價，但實際使用時又必須要明確防塌劑在何種情況下才能夠發(fā)揮出最優(yōu)的封堵和涂覆效果，以及材料的失效方式和失效參數(shù)極限。本發(fā)明裝置充分考慮到了這些技術(shù)需要，實驗時可以按照實際需要對溫度(T)、壓力(P)二參數(shù)進行靈活組配，從而得到明確的T、P變化規(guī)律和T-P綜合變化趨勢線，對合理而有效的使用材料提供科學(xué)指導(dǎo)。

(2)直接采用砂?；蛩槭M破碎地層，考慮到實際施工中地層的客觀存在方式比較復(fù)雜，為了使實驗結(jié)論能夠最大限度的與實際情況相結(jié)合，可以按照封堵防塌劑的技術(shù)特點組合砂床，以便能夠得到盡可能接近實際情況的實驗評價結(jié)論。例如可以采用1-100目(或者是更大范圍)任意粒徑的砂粒組合砂床構(gòu)成模擬地層，便于更好的達到實驗?zāi)康摹?/p>

此外，本發(fā)明裝置在結(jié)構(gòu)上具有如下特點：

①組裝緊湊，安全性好，占地面積小(不超過2m²)，操作靈活，具有模擬實際地層狀態(tài)的功能；

②溫度可在室溫-180℃范圍任意調(diào)節(jié)；

③可以根據(jù)需要任意調(diào)節(jié)組成砂床的碎石粒徑組合，滿足科研實驗要求與防塌鉆井液配方的優(yōu)化與評價；

④自動化程度較高，可以有效降低實驗工作的強度，提高了操作過程的安全性；

⑤利用本發(fā)明裝置可以得到封堵防塌劑對于模擬地層(砂床)表面涂覆效應(yīng)的強弱、防塌劑對破碎地層膠結(jié)能力、防塌劑發(fā)揮作用的最佳條件(溫度、壓力及其組合)等參數(shù)。

本發(fā)明為一種用于測定和評價石油鉆井(或地質(zhì)鉆探)以及相關(guān)行業(yè)用防塌劑對易破碎地層以及裂隙發(fā)育地層穩(wěn)定效果和防塌劑與鉆井工作液配伍效果的裝置，可以模擬地層實際情況定性或定量測定和評價防塌劑對裂縫性地層的 膠結(jié)封堵能力，并可以直觀的觀察防塌劑對于破碎性地層的膠結(jié)和封堵過程。為了定量評價防塌劑對破碎性地層的再膠結(jié)能力，采用沖擊法測定經(jīng)配伍防塌劑的鉆井液作用以后砂床的抗破碎能力，測定結(jié)果可以直接數(shù)量化，能夠定量評估防塌劑對破碎性地層的膠結(jié)穩(wěn)定能力。此外，該裝置也可以用于對經(jīng)過防塌劑作用以后的模擬破碎地層進行封堵能力的實驗評價。利用該裝置得到的實驗評價數(shù)據(jù)可以為鉆井液防塌劑的優(yōu)選、配伍方案優(yōu)化、防塌劑技術(shù)性能的改進等提供明確的指導(dǎo)，對于改善和提高鉆井過程中的井壁穩(wěn)定能力具有重要的參考價值。本發(fā)明裝置可根據(jù)科研或生產(chǎn)需要對防塌劑性能、配伍效果、作用能力等參數(shù)進行客觀而帶量的測試評價，有助于改善和提高鉆井過程中的井壁穩(wěn)定能力，降低井下事故率。整套裝置結(jié)構(gòu)簡單、實用性強、安裝操作方便。

上述技術(shù)方案只是本發(fā)明的一種實施方式，對于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員而言，在本發(fā)明公開了應(yīng)用方法和原理的基礎(chǔ)上，很容易做出各種類型的改進或變形，而不僅限于本發(fā)明上述具體實施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是優(yōu)選的，而并不具有限制性的意義。