專利名稱：真三軸鉆井堵漏模擬評價裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型是關于一種鉆井堵漏模擬實驗系統(tǒng)，尤其涉及一種真三軸鉆井堵漏模 擬評價裝置。
背景技術：
鉆井及完井作業(yè)過程中發(fā)生井漏給石油工程界帶來極大的挑戰(zhàn)，一旦發(fā)生漏失勢 必造成井塌、井噴和卡鉆等復雜事故，井漏已成為制約提高鉆井速度的技術瓶頸之一。尤其 是鉆預應力敏感性地層時，由于孔隙類型的不同以及裂縫形態(tài)復雜多樣，導致地層壓力體 系變化異常，使得漏失問題更加突出。深井鉆井過程中，同一裸眼井段往往穿越多套壓力層系，井漏以及因井漏導致的 井下復雜情況相當嚴重，因此，深部裂縫型和孔隙型地層的堵漏作業(yè)是一個十分復雜的物 理過程。目前國內(nèi)外針對裂縫型和孔隙型地層漏失所采用的堵漏評價裝置，主要是采用不 同寬度的剛性割封板和不同大小的鋼球來模擬裂縫型和孔隙型漏失通道，這種裝置不能有 效模擬地層內(nèi)部裂縫和孔隙的真實形態(tài)；既使采用人造巖心模擬裂縫型和孔隙型地層，但 是堵漏裝置也只能對圓柱形人造巖心加載圍壓進行測試，不能對巖心加載三個方向的主應 力，無法模擬地層內(nèi)巖心的真實受力狀態(tài)。由于現(xiàn)有實驗條件與實際地層性質差別較大，導致實驗結果與現(xiàn)場應用結果存在 較大差距，無法對實際地層情況進行更加真實有效的評價。本發(fā)明人針對裂縫型和孔隙型 地層的漏失特征，研制出室內(nèi)真三軸模擬堵漏實驗裝置，利用相似理論方法有效的模擬了 真實環(huán)境下地層的堵漏試驗，為裂縫型和孔隙型地層的堵漏機理和現(xiàn)場應用研究提供了理 論依據(jù)。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種真三軸鉆井堵漏模擬評價裝置，該裝置可以有效 的模擬裂縫型和孔隙型地層特征，對人造巖心加載三個方向的主應力，真實模擬漏層處巖 石的受力狀態(tài)和井下的堵漏過程，以對復雜裂縫型和孔隙型漏失地層堵漏工藝的研究以及 堵漏劑性能的評價提供理論依據(jù)。本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的，一種真三軸鉆井堵漏模擬評價裝置，該堵漏模 擬評價裝置由伺服增壓系統(tǒng)、液壓穩(wěn)壓源、聲發(fā)射儀、堵漏液分離器和真三軸漏層模擬結構 構成；所述真三軸漏層模擬結構包括有人造巖心，該人造巖心固定設置在一架體內(nèi)，液壓穩(wěn) 壓源向人造巖心外側的空間三個方向施加壓力；所述人造巖心外側面至少設有一個向聲發(fā) 射儀發(fā)出信號的聲發(fā)射探頭；所述人造巖心由頂面向下設有一裸眼井筒，由該井筒內(nèi)壁面 向巖心內(nèi)部設有模擬裂縫和模擬孔隙；該井筒上端的井口部設有密封結構，該密封結構上 設有通孔，該通孔與堵漏液分離器的堵漏液出口連通，伺服增壓系統(tǒng)連接于堵漏液分離器 并控制堵漏液注入裸眼井筒。在本實用新型的一較佳實施方式中，所述人造巖心為正方體形狀，其底面和周圍四個側面各設有一扁千斤壓力板；該扁千斤壓力板是由能前后相對移動的內(nèi)外兩個板體構 成，兩個板體之間形成密封腔體，所述外板體固定于架體，內(nèi)板體抵靠于人造巖心的相應側 面，由液壓穩(wěn)壓源向扁千斤壓力板的密封腔體內(nèi)注入壓力油液，使內(nèi)板體相對外板體移動 并將壓力傳遞到人造巖心的相應側面。在本實用新型的一較佳實施方式中，所述液壓穩(wěn)壓源設有三個液壓穩(wěn)壓泵，每個 液壓穩(wěn)壓泵連接到一個空間方向上的扁千斤壓力板。在本實用新型的一較佳實施方式中，所述人造巖心由水泥和砂子混合澆鑄而成， 其外形尺寸為300mmX 300mmX 300mm ；裸眼井筒直徑為20mm，裸眼井筒深度為250mm。在本實用新型的一較佳實施方式中，所述模擬裂縫由在裸眼井筒周圍預先埋好不 同厚度的紙片被澆鑄后形成。在本實用新型的一較佳實施方式中，所述模擬孔隙由在裸眼井筒周圍預先埋好不 同粒徑的砂粒被澆鑄后形成。在本實用新型的一較佳實施方式中，所述聲發(fā)射探頭設有四個，分別設置在人造 巖心兩個相鄰側面的對角線的兩端。在本實用新型的一較佳實施方式中，所述密封結構由一剛性井筒和設置在該剛性 井筒中的密封堵頭構成；所述剛性井筒一體成型于所述裸眼井筒上端的井口部，該剛性井 筒的內(nèi)徑與裸眼井筒的直徑相同。在本實用新型的一較佳實施方式中，所述剛性井筒的外側設有能與人造巖心緊密 連接的多個環(huán)形槽；所述密封結構上的通孔設置在所述堵頭上。本實用新型提供的真三軸鉆井堵漏模擬評價裝置，主要應用于不同產(chǎn)狀、不同特 征的復雜裂縫性地層堵漏模擬實驗，既可以模擬地層真實的應力狀態(tài)(上覆巖層壓力、水 平最大地應力和水平最小地應力)，還可以在井筒周圍模擬不同產(chǎn)狀、不同特征的裂縫性漏 層和不同孔隙類型的孔隙型漏層的堵漏模擬實驗研究。該評價裝置的研制為將力學和化學 相結合進行漏失機理研究提供了新的思路，同時也為復雜裂縫型和孔隙型漏失地層堵漏工 藝的研究以及堵漏劑性能的評價提供了一種有效的實驗評價方法。

以下附圖僅旨在于對本實用新型做示意性說明和解釋，并不限定本實用新型的范 圍。其中，圖1 為本實用新型真三軸鉆井堵漏模擬評價裝置的結構示意圖。圖2 為本實用新型中人造巖心的結構示意圖。圖3 為本實用新型中聲發(fā)射探頭的一種設置方式。圖4 為本實用新型中聲發(fā)射探頭的另一種設置方式。
具體實施方式
為了對本實用新型的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照附圖說明 本實用新型的具體實施方式
。如圖1、圖2所示，本實用新型提出一種真三軸鉆井堵漏模擬評價裝置，該堵漏模 擬評價裝置100由伺服增壓系統(tǒng)1、堵漏液分離器2、真三軸漏層模擬結構3、液壓穩(wěn)壓源4和聲發(fā)射儀5構成；所述真三軸漏層模擬結構3包括有人造巖心31，該人造巖心31固定設 置在一架體(實驗架)32內(nèi)，液壓穩(wěn)壓源4向人造巖心31外側的空間三個方向施加壓力，以 模擬出人造巖心31受到的水平兩個方向和垂直方向的真三軸應力狀態(tài)；所述人造巖心31 外側面至少設有一個向聲發(fā)射儀5發(fā)出信號的聲發(fā)射探頭51，以監(jiān)測人造巖心31內(nèi)部的破 裂信號；所述人造巖心31由頂面向下設有一裸眼井筒311，由該井筒311內(nèi)壁面向人造巖 心內(nèi)部設有模擬裂縫312和模擬孔隙313 ；該井筒311上端的井口部設有密封結構314，該 密封結構314上設有通孔3143，該通孔與堵漏液分離器2的堵漏液出口連通，伺服增壓系統(tǒng) 1連接于堵漏液分離器2并控制堵漏液注入裸眼井筒311。由上所述，當人造巖心31被固定安裝在實驗架32后，首先啟動液壓穩(wěn)壓源4，由液 壓穩(wěn)壓源4向人造巖心31外側的空間三個方向分別施加恒定壓力，然后設定伺服增壓系統(tǒng) 1中伺服增壓泵的排量，并驅使堵漏液分離器2中的堵漏液逐漸向裸眼井筒311內(nèi)注入，隨 著裸眼井筒311內(nèi)壓力的逐漸升高，堵漏液會對漏層(模擬裂縫312和模擬孔隙313)形成 封堵，當壓力超過封堵強度時人造巖心31會產(chǎn)生新的破裂；在開始向裸眼井筒311內(nèi)注入 堵漏液的同時，啟動聲發(fā)射儀5監(jiān)測人造巖心31破裂時發(fā)出的聲發(fā)射信號，并結合泵注壓 力曲線可以有效評價堵漏材料的封堵效果。在本實施方式中，如圖1、圖2所示，所述人造巖心31為正方體形狀，其底面和周圍 四個側面各設有一扁千斤壓力板41(圖1中只表示出左、右側面和底面上的扁千斤壓力板， 前、后側面的扁千斤壓力板沒有示出)；該扁千斤壓力板41是由能前后相對移動的內(nèi)、外兩 個板體構成的，兩個板體之間形成密封腔體(圖中未示出)，所述外板體固定于架體32，內(nèi) 板體抵靠于人造巖心31的相應側面，由液壓穩(wěn)壓源4向扁千斤壓力板的密封腔體內(nèi)注入壓 力油液，使內(nèi)板體相對外板體移動并將壓力傳遞到人造巖心31的相應側面。由于扁千斤壓 力板為現(xiàn)有結構，故對其具體結構在此不再贅述。進一步，在本實施方式中，所述液壓穩(wěn)壓源4設有三個液壓穩(wěn)壓泵，每個液壓穩(wěn)壓 泵連接到其中一個空間方向上的扁千斤壓力板41。在本實施方式中，人造巖心31的前、后 兩側面的扁千斤壓力板41為一對，該對扁千斤壓力板41與第一個液壓穩(wěn)壓泵連接；人造巖 心31的左、右兩側面的扁千斤壓力板41為另一對，該另一對扁千斤壓力板41與第二個液 壓穩(wěn)壓泵連接；人造巖心31的底面的扁千斤壓力板41單獨構成一對(人造巖心31的頂面 設有一固定壓板，應與底面的扁千斤壓力板41構成一對施壓結構)，該單獨的扁千斤壓力 板41與第三個液壓穩(wěn)壓泵連接；所述三對扁千斤壓力板對人造巖心31施加水平兩向和一 個垂向共三個空間垂直方向的主應力。在本實施方式中，所述密封結構314由一剛性井筒3141和設置在該剛性井筒3141 中的密封堵頭3142構成；所述剛性井筒3141—體成型于所述裸眼井筒311上端的井口部， 該剛性井筒3141的內(nèi)徑與裸眼井筒311的直徑相同。為了使剛性井筒3141與人造巖心31 上端的井口部連接更加緊密，并防止堵漏液從剛性井筒3141外側流出，在本實施方式中， 所述剛性井筒3141的外側設有能與人造巖心31緊密連接的多個環(huán)形槽31411 ；所述密封 結構上的通孔3143設置在所述堵頭3142上。在本實施方式中，由于采用剛性的扁千斤壓力板41向人造巖心31的側面及底面 施加壓力，所以對人造巖心31各側面的平行度要求較高，其不平行度一般不大于0. Olmm0 因此，本實施方式中加工了專用模具制作混凝土人造巖心試樣，所述人造巖心31是在水泥
5中加入石英砂澆鑄而成，加砂比例為1 1，水泥牌號為425建筑水泥。所述人造巖心31其 外形尺寸為300mmX 300mmX 300mm ；裸眼井筒311直徑為20_，裸眼井筒311深度為250mm。 所述模擬裂縫312由在裸眼井筒311周圍預先埋好不同厚度的紙片澆鑄后形成；所述模擬 孔隙313由在裸眼井筒311周圍預先埋好不同粒徑的砂粒澆鑄后形成。在澆鑄人造巖心31的同時，將外徑為20mm、長為400mm的塑料管外表面涂上黃油 后插入到剛性井筒3141中并一起預置在人造巖心31中，塑料管下端離人造巖心31底部距 離50mm，由此成型出模擬裸眼井筒311。剛性井筒3141的內(nèi)徑也為20mm、長度為100mm，其 外表面加工有多個環(huán)形槽。所述模擬裂縫312是在澆灌水泥過程中，在距離試樣底部120mm處利用不同厚度 打印紙模擬預置裂縫，放在塑料管兩側，然后待水泥試樣稍稍凝固成型后，從剛性井筒3141 內(nèi)抽出塑料管，待水泥完全凝固后會在剛性井筒3141下端形成一段含有模擬裂縫的裸眼 井段。模擬孔隙313是在距離試樣底部120mm處的塑料管周圍澆灌水泥時，預埋不同粒徑的 砂粒模擬孔隙型地層，然后待水泥試樣稍稍凝固成型后，從剛性井筒3141內(nèi)抽出塑料管， 最終會在裸眼井段周圍形成不同類型孔隙型地層。所述模擬裂縫312和模擬孔隙313也可 以在人造巖心31成型時同時加工完成。該剛性井筒中密封堵頭3142上的通孔3143通過一高壓管線與堵漏液分離器2連 接，使堵漏液分離器里的堵漏液壓入到裸眼井筒311內(nèi)進行堵漏模擬試驗。堵漏液分離器 2用于儲存堵漏液，其工作壓力為60MPa，容積為3000ml，堵漏液分離器2是活塞式結構，可 以把堵漏液與液壓油隔離。在本實施方式中，所述的伺服增壓系統(tǒng)1包括有伺服增壓泵和控制該伺服增壓泵 壓力的計算機監(jiān)控裝置，可以監(jiān)測和記錄堵漏液壓力、排量等參數(shù)數(shù)據(jù)。在本實用新型中，所述的聲發(fā)射探頭51可以設置在人造巖心31任意側面上。在 本實用新型的一較佳實施方式中，所述聲發(fā)射探頭51設有四個，分別設置在人造巖心31兩 個相鄰側面的對角線的兩端。如圖3所示，人造巖心31相鄰兩個側面A和B的兩條對角線 的兩端各設置一個聲發(fā)射探頭51 ； S卩從人造巖心31側面A和側面B的正方向來看，所述 四個聲發(fā)射探頭51分別設置在側面A和側面B左下角和右上角，當然，也可以分別設置在 側面A和側面B左上角和右下角(如圖4所示)。由這四個聲發(fā)射探頭51就可以有效監(jiān)測 人造巖心31內(nèi)部任意位置的破裂信號，還能夠增加對破裂信號監(jiān)測的靈敏度。在本實施方式中，可以在所述人造巖心31上設置聲發(fā)射探頭的側面與扁千斤壓 力板之間放置聲發(fā)射探頭托盤(圖中未示出)，以方便所述聲發(fā)射探頭的安裝。本實用新型提供的真三軸鉆井堵漏模擬評價裝置，主要應用于不同產(chǎn)狀、不同特 征的復雜裂縫性地層堵漏模擬實驗，既可以模擬地層真實的應力狀態(tài)(上覆巖層壓力、水 平最大地應力和水平最小地應力)，還可以在井筒周圍模擬不同產(chǎn)狀、不同特征的裂縫性漏 層和不同孔隙類型的孔隙型漏層的堵漏模擬實驗研究。該評價裝置的研制為將力學和化學 相結合進行漏失機理研究提供了新的思路，同時也為復雜裂縫型和孔隙型漏失地層堵漏工 藝的研究以及堵漏劑性能的評價提供了一種有效的實驗評價方法。由上所述，本實用新型的真三軸鉆井堵漏模擬評價裝置具有如下優(yōu)點1.在進行堵漏模擬時更為接近地層的真實受力狀態(tài)，為裂縫型地層和孔隙型地層 的堵漏力學機理研究提供了有效的保證。[0037]2.利用聲發(fā)射儀通過探頭可以監(jiān)測到人造巖心的破裂信號，由此，可利用聲發(fā)射 儀監(jiān)測不同堵漏材料的堵漏效果。3.試驗后打開人造巖心能夠觀察到堵漏劑在漏層內(nèi)的分布形態(tài)以及堵漏漿的濾 失情況。4.本實用新型還可以進一步利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄堵漏液壓力、排量等參數(shù)，監(jiān) 控堵漏效果；解決了傳統(tǒng)的剛性堵漏儀無法從力學角度分析，以及僅能加載圍壓的堵漏模 擬裝置無法更有效模擬真實地層的受力情況等問題，將力學和化學相結合對漏失性地層進 行堵漏評價。以上所述僅為本實用新型示意性的具體實施方式
，并非用以限定本實用新型的范 圍。任何本領域的技術人員，在不脫離本實用新型的構思和原則的前提下所作出的等同變 化與修改，均應屬于本實用新型保護的范圍。
權利要求一種真三軸鉆井堵漏模擬評價裝置，其特征在于該堵漏模擬評價裝置由伺服增壓系統(tǒng)、液壓穩(wěn)壓源、聲發(fā)射儀、堵漏液分離器和真三軸漏層模擬結構構成；所述真三軸漏層模擬結構包括有人造巖心，該人造巖心固定設置在一架體內(nèi)，液壓穩(wěn)壓源向人造巖心外側的空間三個方向施加壓力；所述人造巖心外側面至少設有一個向聲發(fā)射儀發(fā)出信號的聲發(fā)射探頭；所述人造巖心由頂面向下設有一裸眼井筒，由該井筒內(nèi)壁面向巖心內(nèi)部設有模擬裂縫和模擬孔隙；該井筒上端的井口部設有密封結構，該密封結構上設有通孔，該通孔與堵漏液分離器的堵漏液出口連通，伺服增壓系統(tǒng)連接于堵漏液分離器并控制堵漏液注入裸眼井筒。
2.如權利要求1所述的真三軸鉆井堵漏模擬評價裝置，其特征在于所述人造巖心為 正方體形狀，其底面和周圍四個側面各設有一扁千斤壓力板；該扁千斤壓力板是由能前后 相對移動的內(nèi)外兩個板體構成，兩個板體之間形成密封腔體，所述外板體固定于架體，內(nèi)板 體抵靠于人造巖心的相應側面，由液壓穩(wěn)壓源向扁千斤壓力板的密封腔體內(nèi)注入壓力油 液，使內(nèi)板體相對外板體移動并將壓力傳遞到人造巖心的相應側面。
3.如權利要求2所述的真三軸鉆井堵漏模擬評價裝置，其特征在于所述液壓穩(wěn)壓源 設有三個液壓穩(wěn)壓泵，每個液壓穩(wěn)壓泵連接到一個空間方向上的扁千斤壓力板。
4.如權利要求2所述的真三軸鉆井堵漏模擬評價裝置，其特征在于所述人造巖心由 水泥和砂子混合澆鑄而成，其外形尺寸為300mmX300mmX300mm ；裸眼井筒直徑為20mm，裸 眼井筒深度為250mm。
5.如權利要求1所述的真三軸鉆井堵漏模擬評價裝置，其特征在于所述聲發(fā)射探頭 設有四個，分別設置在人造巖心兩個相鄰側面的對角線的兩端。
6.如權利要求1所述的真三軸鉆井堵漏模擬評價裝置，其特征在于所述密封結構由 一剛性井筒和設置在該剛性井筒中的密封堵頭構成；所述剛性井筒一體成型于所述裸眼井 筒上端的井口部，該剛性井筒的內(nèi)徑與裸眼井筒的直徑相同。
7.如權利要求6所述的真三軸鉆井堵漏模擬評價裝置，其特征在于所述剛性井筒的 外側設有能與人造巖心緊密連接的多個環(huán)形槽；所述密封結構上的通孔設置在所述堵頭 上。
專利摘要本實用新型為一種真三軸鉆井堵漏模擬評價裝置，該裝置由伺服增壓系統(tǒng)、液壓穩(wěn)壓源、聲發(fā)射儀、堵漏液分離器和真三軸漏層模擬結構構成；真三軸漏層模擬結構包括有人造巖心，人造巖心固定設置在一架體內(nèi)，液壓穩(wěn)壓源向人造巖心外側的空間三個方向施加壓力；人造巖心外側面至少設有一個向聲發(fā)射儀發(fā)出信號的聲發(fā)射探頭；人造巖心由頂面向下設有一裸眼井筒，由井筒內(nèi)壁面向巖心內(nèi)部設有模擬裂縫和模擬孔隙；井筒上端的井口部設有密封結構，密封結構上設有通孔，通孔與堵漏液分離器的堵漏液出口連通，伺服增壓系統(tǒng)連接于堵漏液分離器并控制堵漏液注入裸眼井筒。本實用新型模擬地層的真實受力狀態(tài)，為裂縫型地層和孔隙型地層的堵漏力學機理研究提供了有效保證。
文檔編號E21B49/00GK201627577SQ20102010497
公開日2010年11月10日 申請日期2010年1月27日 優(yōu)先權日2010年1月27日
發(fā)明者侯冰, 金衍, 陳勉 申請人:中國石油大學(北京)