钻柱扰动下泥页岩井壁流固化耦合损伤模拟装置与方法

技术领域

本发明涉及石油与天然气勘探开发技术领域，特别涉及一种钻柱扰动下泥页岩井壁流固化耦合损伤模拟装置与方法。

背景技术

中国“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”，为生态文明建设、绿色可持续发展指明了方向，天然气与可再生能源协同发展是目前最优选择。页岩气以开采寿命长和生产周期长的特点在清洁能源中倍受青睐，尤其是随着涪陵地区页岩气开采的突破，表明我国页岩气的勘探开发事业具有广阔的前景。

但页岩气勘探开发中遇到钻进效果差的世界性技术难题。页岩气储层埋深大，深部泥页岩地层层理发育，井眼垮塌十分严重，导致井下事故频发，甚至井眼报废，据统计90%的井壁失稳问题发生在泥页岩地层。并且我国海相页岩气区，受多期构造活动影响，深部泥页岩储层条件复杂，具有应力高、温度高、各向异性明显的特点，并且钻进过程中水化作用、钻柱扰动等综合作用加剧了泥页岩损伤，严重制约了页岩气勘探开发进程。

泥页岩损伤影响因素非常复杂，主要归结为理化因素、力学因素和工程因素等三个方面，目前在理化因素、力学因素及其耦合作用方面已经取得了大量成果，对工程实践具有较好的指导作用；但工程因素对泥页岩损伤影响机理复杂，在此方面研究进展缓慢。不少现场工程师和研究人员，通过采用随钻测量等方法获得井径曲线，分析了钻柱碰击与井壁失稳的关系，认为钻柱碰击会对井壁失稳产生重要影响，甚至是起主要作用。但目前在此方面尚没有进行更深入的理论分析和计算，缺少钻柱碰击井壁失稳过程及井壁岩石损伤机制系统分析，无法揭示井壁岩石受钻柱碰击时损伤规律。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种钻柱扰动下泥页岩井壁流固化耦合损伤模拟装置与方法，开展钻柱扰动冲击动力载荷作用下深部泥页岩流固化多场耦合损伤演化规律及关键影响因素，从工程角度制定抑制泥页岩井壁失稳的可行性方案，并进一步发展和丰富目前泥页岩井壁稳定技术，为深部泥页岩井壁失稳工程领域防治提供理论依据和技术支撑，对我国页岩气藏成功钻探和开发具有重要意义。

本发明提到的一种钻柱扰动下泥页岩井壁流固化耦合损伤模拟装置，包括钻柱扰动模拟系统、三向应力加载系统、孔隙压力饱和系统、钻井液循环系统和数据采集及控制系统，其中，所述钻柱扰动模拟系统包括大尺寸试样、压力室、井口密封装置、钻柱、钻柱径向旋转动力系统、钻柱轴向移动动力系统、钻柱扰动系统控制器，在压力室内安装高压流体饱和腔体，高压流体饱和腔体内安装大尺寸试样，在大尺寸试样的外侧安装声发射系统，所述压力室外壁安设X方向液压筒、Y方向液压筒、Z方向液压筒和井口密封装置，钻柱穿过井口密封装置，钻柱的外端安设齿轮，所述的X方向液压筒、Y方向液压筒、Z方向液压筒连接到三向应力加载系统；

所述钻柱径向旋转动力系统包括大功率的电动机、减速箱和齿轮，电动机的输出端连接减速箱，减速箱的输出端将动力通过齿轮传递给钻柱，使钻柱实现径向旋转，带动钻柱另一端的钻头旋转，对大尺寸试样内安设的泥页岩岩心进行钻进；

所述钻柱轴向移动动力系统由液压泵、压力控制器、压力传感器和压力转换器依次连接组成，通过液压泵提供高压液体，压力控制器调整液压压力，通过压力转换器将液压压力转换为钻柱的轴向压力，轴向力大小通过压力传感器反馈到数据采集及伺服控制装置；

所述孔隙压力饱和系统包括孔隙压力饱和系统控制器、地层流体容器、第一恒流恒压泵、第一高压中间转换容器、第二压力传感器，地层流体容器通过管线连接第一恒流恒压泵，第一恒流恒压泵的输出端通过第一高压中间转换容器连通到压力室内的高压流体饱和腔体，第一恒流恒压泵电连接孔隙压力饱和系统控制器，并在高压流体饱和腔体外的管线上安装第二压力传感器；

所述的钻井液循环系统包括钻井液循环系统控制器、钻井液容器、第二恒流恒压泵、第二高压中间转换容器、钻井液压力传感器、钻井液流量传感器，所述钻井液容器通过第二恒流恒压泵、第二高压中间转换容器和高压管线连接到压力转换器的输出端，模拟钻井过程中由第二恒流恒压泵将钻井液容器的钻井液加压，通过高压管线、钻柱送入大尺寸试样的泥页岩岩心，然后通过节流阀流出到压力室外侧的钻井液流出容器。

优选的，上述的三向应力加载系统包括三向地应力施加系统控制器、电机及油泵、Z方向加压控制器、X方向加压控制器、Y方向加压控制器、Z方向压力传感器、X方向压力传感器、Y方向压力传感器，所述的电机及油泵的一端连接三向地应力施加系统控制器，另一端并联Z方向加压控制器、X方向加压控制器和Y方向加压控制器，所述Z方向加压控制器通过管线连接到Z方向液压筒，所述的X方向加压控制器通过管线连接到X方向液压筒，所述Y方向加压控制器通过管线连接到Y方向液压筒。

优选的，上述的大尺寸试样为立方体结构，在大尺寸试样的中部钻取井眼，外部井眼扩径并安装井口密封装置的外口环。

优选的，上述的井口密封装置包括外口环、内口环、承载板，其中外口环用环氧树脂胶与井眼粘结实现密封，内口环焊接到承载板的中心下方，外口环和内口环依靠螺纹连接；所述承载板呈圆柱形，包括高压钻井液密封盒、钻井液出口及声发射信号线出口，通过高压钻井液密封盒实现与钻柱的动密封。

优选的，上述的高压流体饱和腔体采用金属钢板组成，金属钢板与压力室的一侧的内壁焊接为一体，第一恒流恒压泵将地层流体容器内的高压流体加压，通过第一高压中间转换容器的转换，将高压流体不断送入到高压流体饱和腔体内，直至达到地层压力，在此状态下将大尺寸试样饱和高压流体两天。

优选的，上述的声发射系统包括隔板、声发射探头、声发射信号线、声发射信号接收器，四个隔板分置于大尺寸试样的四个侧面，隔板按照对角线原则布置凹孔，凹孔内装有声发射探头，两组凹孔之间布置有凹槽，凹槽内置有声发射信号线。

优选的，上述的钻柱的材质选用中空钢制材料，端部与钻头相连接，钻头内部中空，允许钻井液流通。

本发明提到的钻柱扰动下泥页岩井壁流固化耦合损伤模拟装置的使用方法，包括以下过程：

步骤1，收集钻柱扰动下物理模拟实验参数，制备300mmx300mmx300mm实验用的大尺寸试样，大尺寸试样采用水泥包被的泥页岩岩心，使大尺寸试样的各个面垂直度和平行度达到0.5%；

步骤2，钻取深度为200mm、直径为30mm的井眼，上部井眼扩径为45mm、深度为25mm，选用油液作为冷却液，以保证井壁的完好性；

步骤3，大尺寸试样准备完成后，在外侧安装声发射系统，将隔板和大尺寸试样一起安装于压力室内，连接好钻柱扰动模拟系统、钻井液循环系统、孔隙压力饱和系统、数据信息采集和控制系统，检测装置运行完好性；

步骤4，通过孔隙压力饱和系统对大尺寸试样施加饱和地层孔隙压力，启动第一恒流恒压泵，以恒压模式向高压流体饱和腔体和井眼中充入一定压力的高压流体，使大尺寸试样饱和高压流体两天；

步骤5，通过三向应力加载系统向压力室中的大尺寸试样加载三向地应力，通过三向地应力施加系统控制器，启动电机及油泵，然后经Z方向加压控制器、X方向加压控制器和Y方向加压控制器来分别调节施加压力大小，三向地应力加载交替均匀进行，以保证大尺寸试样的受力均匀；

步骤6，根据现场情况配置不同性能的钻井液，通过钻井液循环系统以设定排量循环钻井液，通过声发射系统采集声发射信号，记录钻井液循环时间，评估钻井液流量对泥页岩岩心的井壁损伤影响；

步骤7，调节钻井液循环系统流出节流阀，调控井眼内压力达到合适压力，采集钻井液压力、流量信息，评估钻井液压力对泥页岩岩心井壁损伤影响；

步骤8，在循环钻井液基础上，通过钻柱扰动系统调整钻柱转速、钻压，钻柱撞击井壁岩石及钻井液冲刷井壁岩石，会造成井壁岩石损伤，通过声发射信号接收器接收信号，判断井壁岩石损伤的位置、发生的时间，研究井壁坍塌规律、坍塌周期及影响因素；

步骤9，通过数据信息采集及控制系统实时调整实验数据，并采集及控制的数据包括三向地应力、孔隙压力、钻井液压力、钻柱转速、钻柱钻压及声发射数据；

步骤10，当声发射信号基本不变后，停止实验；

步骤11，实验完成后，取下大尺寸试样，观察大尺寸试样中的井壁岩石形态、钻柱状态及流出钻井液情况，对井壁岩石损伤形态扫描测量，沿井眼从上到下依次测量10个井周的不同位置处井径，绘制井周剖面图，建立井壁数据体剖面，分析钻柱扰动下泥页岩井壁流固化损伤规律。

与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：

本发明通过相似性准则制备与泥页岩岩石力学性质相似的大尺寸试样，利用三向地应力系统和孔隙压力饱和系统模拟地层真实应力环境，通过钻井液循环系统和钻柱扰动模拟系统，模拟真实泥页岩钻井施工工艺流程，进而获得不同地质条件、不同钻井液参数及不同钻柱扰动下泥页岩流固化耦合损伤规律，获得钻柱扰动下泥页岩坍塌周期，有利于从工程角度制定抑制泥页岩井壁失稳的可行性方案，发展和丰富目前泥页岩井壁稳定技术，为泥页岩井壁失稳工程领域防治提供理论依据和技术支撑，对我国页岩气藏成功钻探和开发具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是大尺寸试样、井口密封装置和声发射系统的结构示意图；

图3是孔隙压力饱和系统的结构示意图；

图4是10个井周剖面数据对比示意图；

上图中：数据采集及伺服控制装置1、钻柱扰动系统控制器2、钻柱轴向移动动力系统3、液压泵4、压力控制器5、压力传感器6、压力转换器7、钻柱8、大尺寸试样9、压力室10、压力腔室11、高压流体饱和腔体12、X方向液压筒13、Y方向液压筒14、Z方向液压筒15、井口密封装置16、钻柱径向旋转动力系统17、电动机18、减速箱19、齿轮20、声发射系统21、三向地应力施加系统控制器23、电机及油泵24、Z方向加压控制器25、X方向加压控制器26、Y方向加压控制器27、Z方向压力传感器28、X方向压力传感器29、Y方向压力传感器30、孔隙压力饱和系统控制器31、地层流体容器32、第一恒流恒压泵33、第一高压中间转换容器34、第二压力传感器35、钻井液循环系统控制器36、钻井液容器37、第二恒流恒压泵38、第二高压中间转换容器39、钻井液压力传感器40、钻井液流量传感器41、高压管线42、节流阀43、钻井液流出容器44、泥页岩岩心45、井眼46、外口环47、内口环48、承载板49、高压钻井液密封盒50、钻井液出口51、声发射信号线出口52、隔板53、声发射探头54、声发射信号线55、柱塞56、推板57。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提到的一种钻柱扰动下泥页岩井壁流固化耦合损伤模拟装置，包括钻柱扰动模拟系统、三向应力加载系统、孔隙压力饱和系统、钻井液循环系统和数据采集及控制系统，其中，所述钻柱扰动模拟系统包括大尺寸试样9、压力室10、井口密封装置16、钻柱8、钻柱径向旋转动力系统17、钻柱轴向移动动力系统3、钻柱扰动系统控制器2，在压力室10内安装高压流体饱和腔体12，高压流体饱和腔体12内安装大尺寸试样9，在大尺寸试样9的外侧安装声发射系统21，所述压力室10外壁安设X方向液压筒13、Y方向液压筒14、Z方向液压筒15和井口密封装置16，钻柱8穿过井口密封装置16，钻柱8的外端安设齿轮20，所述的X方向液压筒13、Y方向液压筒14、Z方向液压筒15连接到三向应力加载系统；

所述钻柱径向旋转动力系统17包括大功率的电动机18、减速箱19和齿轮20，电动机18的输出端连接减速箱19，减速箱19的输出端将动力通过齿轮20传递给钻柱8，使钻柱8实现径向旋转，带动钻柱8另一端的钻头旋转，对大尺寸试样9内安设的泥页岩岩心45进行钻进；

所述钻柱轴向移动动力系统3由液压泵4、压力控制器5、压力传感器6和压力转换器7依次连接组成，通过液压泵4提供高压液体，压力控制器5调整液压压力，通过压力转换器7将液压压力转换为钻柱8的轴向压力，轴向力大小通过压力传感器6反馈到数据采集及伺服控制装置1；

所述孔隙压力饱和系统包括孔隙压力饱和系统控制器31、地层流体容器32、第一恒流恒压泵33、第一高压中间转换容器34、第二压力传感器35，地层流体容器32通过管线连接第一恒流恒压泵33，第一恒流恒压泵33的输出端通过第一高压中间转换容器34连通到压力室10内的高压流体饱和腔体12，第一恒流恒压泵33电连接孔隙压力饱和系统控制器31，并在高压流体饱和腔体12外的管线上安装第二压力传感器35；

所述的钻井液循环系统包括钻井液循环系统控制器36、钻井液容器37、第二恒流恒压泵38、第二高压中间转换容器39、钻井液压力传感器40、钻井液流量传感器41，所述钻井液容器37通过第二恒流恒压泵38、第二高压中间转换容器39和高压管线42连接到压力转换器7的输出端，模拟钻井过程中由第二恒流恒压泵38将钻井液容器37的钻井液加压，通过高压管线42、钻柱8送入大尺寸试样9的泥页岩岩心45，然后通过节流阀43流出到压力室10外侧的钻井液流出容器44。

优选的，上述的三向应力加载系统包括三向地应力施加系统控制器23、电机及油泵24、Z方向加压控制器25、X方向加压控制器26、Y方向加压控制器27、Z方向压力传感器28、X方向压力传感器29、Y方向压力传感器30，所述的电机及油泵24的一端连接三向地应力施加系统控制器23，另一端并联Z方向加压控制器25、X方向加压控制器26和Y方向加压控制器27，所述Z方向加压控制器25通过管线连接到Z方向液压筒15，所述的X方向加压控制器26通过管线连接到X方向液压筒13，所述Y方向加压控制器27通过管线连接到Y方向液压筒14，并且，X方向液压筒13、Y方向液压筒14、Z方向液压筒15内含有柱塞56。

优选的，上述的大尺寸试样9为立方体结构，在大尺寸试样9的中部钻取井眼46，外部井眼扩径并安装井口密封装置16的外口环47。

优选的，上述的井口密封装置16包括外口环47、内口环48、承载板49，其中外口环47用环氧树脂胶与井眼46粘结实现密封，内口环48焊接到承载板49的中心下方，外口环47和内口环48依靠螺纹连接；所述承载板49呈圆柱形，包括高压钻井液密封盒50、钻井液出口51及声发射信号线出口52，通过高压钻井液密封盒50实现与钻柱8的动密封。

优选的，上述的高压流体饱和腔体12采用金属钢板组成，金属钢板与压力室10的一侧的内壁焊接为一体，并且，将推板57包含在内，允许柱塞56密封通过，第一恒流恒压泵33将地层流体容器32内的高压流体加压，通过第一高压中间转换容器34的转换，将高压流体不断送入到高压流体饱和腔体12内，直至达到地层压力，在此状态下将大尺寸试样9饱和高压流体两天。

优选的，上述的声发射系统21包括隔板53、声发射探头54、声发射信号线55、声发射信号接收器，四个隔板53分置于大尺寸试样9的四个侧面，隔板53按照对角线原则布置凹孔，凹孔内装有声发射探头54，两组凹孔之间布置有凹槽，凹槽内置有声发射信号线55。

优选的，上述的钻柱8的材质选用中空钢制材料，端部与钻头相连接，钻头内部中空，允许钻井液流通。

本发明提到的钻柱扰动下泥页岩井壁流固化耦合损伤模拟装置的使用方法，包括以下过程：

步骤1，收集钻柱扰动下物理模拟实验参数，制备300mmx300mmx300mm实验用的大尺寸试样9，大尺寸试样9采用水泥包被的泥页岩岩心45，使大尺寸试样9的各个面垂直度和平行度达到0.5%；

步骤2，钻取深度为200mm、直径为30mm的井眼46，上部井眼扩径为45mm、深度为25mm，选用油液作为冷却液，以保证井壁的完好性；

步骤3，大尺寸试样9准备完成后，在外侧安装声发射系统21，将隔板53和大尺寸试样9一起安装于压力室10内，连接好钻柱扰动模拟系统、钻井液循环系统、孔隙压力饱和系统、数据信息采集和控制系统，检测装置运行完好性；

步骤4，通过孔隙压力饱和系统对大尺寸试样9施加饱和地层孔隙压力，启动第一恒流恒压泵33，以恒压模式向高压流体饱和腔体12和井眼46中充入一定压力的高压流体，使大尺寸试样9饱和高压流体两天；

步骤5，通过三向应力加载系统向压力室10中的大尺寸试样9加载三向地应力，通过三向地应力施加系统控制器23，启动电机及油泵24，然后经Z方向加压控制器25、X方向加压控制器26和Y方向加压控制器27来分别调节施加压力大小，三向地应力加载交替均匀进行，以保证大尺寸试样9的受力均匀；

步骤6，根据现场情况配置不同性能的钻井液，通过钻井液循环系统以设定排量循环钻井液，通过声发射系统21采集声发射信号，记录钻井液循环时间，评估钻井液流量对泥页岩岩心45的井壁损伤影响；

步骤7，调节钻井液循环系统流出节流阀43，调控井眼46内压力达到合适压力，采集钻井液压力、流量信息，评估钻井液压力对泥页岩岩心45井壁损伤影响；

步骤8，在循环钻井液基础上，通过钻柱扰动系统调整钻柱8转速、钻压，钻柱8撞击井壁岩石及钻井液冲刷井壁岩石，会造成井壁岩石损伤，通过声发射信号接收器接收信号，判断井壁岩石损伤的位置、发生的时间，研究井壁坍塌规律、坍塌周期及影响因素；

步骤9，通过数据信息采集及控制系统实时调整实验数据，并采集及控制的数据包括三向地应力、孔隙压力、钻井液压力、钻柱转速、钻柱钻压及声发射数据；

步骤10，当声发射信号基本不变后，停止实验；

步骤11，实验完成后，取下大尺寸试样9，观察大尺寸试样9中的井壁岩石形态、钻柱状态及流出钻井液情况，对井壁岩石损伤形态扫描测量，沿井眼46从上到下依次测量10个井周的不同位置处井径，绘制井周剖面图，建立井壁数据体剖面，分析钻柱扰动下泥页岩井壁流固化损伤规律。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的相应简单修改或等同变换，尽属于本发明要求保护的范围。