本發(fā)明屬于石油勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中關(guān)于井壁穩(wěn)定性技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種含裂縫泥頁(yè)巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)裝置及方法。

背景技術(shù)：

泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定一直是困擾石油勘探開(kāi)發(fā)的一大難點(diǎn)。目前隨著我國(guó)頁(yè)巖氣資源勘探開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略步伐的加快，研究人員更加關(guān)注泥頁(yè)巖基本物理力學(xué)特性珠研究。因?yàn)轫?yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中遇到的泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定問(wèn)題和裂縫性泥頁(yè)巖漏失問(wèn)題都與泥頁(yè)巖在賦存的地質(zhì)環(huán)境、地層流體分布情況、地應(yīng)力及工程因素條件下泥頁(yè)巖所表現(xiàn)出的物理力學(xué)性能有著密不可分的關(guān)系。目前室內(nèi)針對(duì)泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性展開(kāi)的實(shí)驗(yàn)主要分為兩大類：一是直接實(shí)驗(yàn)法，即測(cè)定鉆井液對(duì)井壁直接作用的程度，如分散性、膨脹性、水化應(yīng)力、膜效率等；二是間接實(shí)驗(yàn)法，即測(cè)定影響井壁失穩(wěn)的各種因素，如巖石礦物組份分析、掃描電鏡結(jié)構(gòu)分析、陽(yáng)離子交換量、比表面積等。這些針對(duì)泥頁(yè)巖的物理力學(xué)特性研究成果并不鮮見(jiàn)，但是針對(duì)含裂縫的硬脆性泥頁(yè)巖的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究還不多。工程上普遍認(rèn)為含裂縫泥頁(yè)巖穩(wěn)定性受鉆井液液柱壓力作用下的裂縫孔隙壓力傳遞、水化變形的影響十分顯著，造成裂縫地層的力學(xué)強(qiáng)度減弱及漏失，因此含裂縫的硬脆性泥頁(yè)巖的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究是該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。由于傳統(tǒng)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法不適用于含裂縫泥頁(yè)巖的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，因而專門(mén)針對(duì)于含裂縫的泥頁(yè)巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的方法，目前國(guó)內(nèi)研究的相對(duì)較少。

目前，國(guó)內(nèi)用于室內(nèi)評(píng)價(jià)井壁穩(wěn)定性的試驗(yàn)方法主要有以下幾種：

分散性(回收率)實(shí)驗(yàn)：包括以下兩種：(1)頁(yè)巖滾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)是按照SY/T5613-2000《泥頁(yè)巖理化性能實(shí)驗(yàn)方法》中制訂的實(shí)驗(yàn)方法，采用滾動(dòng)加熱爐和高溫罐完成實(shí)驗(yàn)。該方法主要用于評(píng)價(jià)泥頁(yè)巖的分散性，鉆井液對(duì)地層分散能力的抑制程度。(2)是CST(毛細(xì)管吸入時(shí)間)實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)可測(cè)定液體通過(guò)特性濾紙上標(biāo)定距離所需的時(shí)間，用于評(píng)價(jià)泥頁(yè)巖在水中的分散情況。

膨脹性實(shí)驗(yàn)：包括常溫常壓膨脹性實(shí)驗(yàn)和高溫高壓膨脹性實(shí)驗(yàn)兩種。其實(shí)驗(yàn)原理是，先測(cè)定一定質(zhì)量干泥頁(yè)巖的體積/高度，再測(cè)泥頁(yè)巖與試液接觸一定時(shí)間后的體積/高度，其膨脹體積占原樣體積/高度的百分?jǐn)?shù)稱為該泥頁(yè)巖的膨脹率，兩者均可用于優(yōu)化鉆井液體系的性能。

分散及膨脹性實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)驗(yàn)巖樣是實(shí)際巖樣經(jīng)搗碎后重新壓制形成的人造巖樣，這種實(shí)驗(yàn)操作基本上破壞了原始巖樣的結(jié)構(gòu)特性(裂縫、層理特性)，并不適用于含裂縫泥頁(yè)巖的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

水化應(yīng)力的測(cè)定實(shí)驗(yàn)：目前較好的是采用應(yīng)變片法進(jìn)行測(cè)定。實(shí)驗(yàn)原理是利用應(yīng)變片繞巖樣一周，將巖樣與試液接觸后發(fā)生的變形以信號(hào)的形式導(dǎo)出，而實(shí)驗(yàn)前巖樣應(yīng)變?yōu)?，因此兩者之間的差值即為水化應(yīng)力值。

膜效率的測(cè)定實(shí)驗(yàn)：主要通過(guò)以下兩種方法完成：(1)利用化學(xué)勢(shì)差作用下的壓力傳遞作用；(2)利用不同離子濃度(化學(xué)勢(shì))的電阻率不同測(cè)定膜效率。

此外，室內(nèi)評(píng)價(jià)泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性的方法還較多，例如：介電常數(shù)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)、頁(yè)巖穩(wěn)定指數(shù)法、巖心浸泡實(shí)驗(yàn)、X射線衍射與掃描電鏡實(shí)驗(yàn)、泥頁(yè)巖比表面積測(cè)定實(shí)驗(yàn)等。這些實(shí)驗(yàn)方法各有側(cè)重點(diǎn)，均直接或間接建立起鉆井液與井壁穩(wěn)定之間的聯(lián)系，但多以完整巖心為研究對(duì)象，未能反映出在鉆井過(guò)程中鉆井液是如何與裂縫地層相互作用、做到井壁穩(wěn)定性的定量與定性分析。

以下涉及井壁穩(wěn)定的評(píng)價(jià)方法雖然較為先進(jìn)，但均關(guān)注井壁受損情況，尚未關(guān)注到裂縫孔隙壓力傳遞及水化應(yīng)變這些影響含裂縫泥頁(yè)巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素：

中國(guó)專利CN200420096536.X公開(kāi)了一種高溫、高壓井壁穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)：該實(shí)驗(yàn)采用了人工井壁循環(huán)系統(tǒng)，利用聲波測(cè)量+信號(hào)采集系統(tǒng)測(cè)定井壁受鉆井液沖刷的變形程度及造壁情況的影響。

見(jiàn)中國(guó)專利CN201110421883.X公開(kāi)了一種高溫高壓泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)裝置，該裝置包括人工井壁模擬裝置、高溫高壓三軸壓力室、壓力、溫度和圍壓控制系統(tǒng)、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等組成。該裝置能夠在模擬井下溫度、壓力和循環(huán)流體流動(dòng)的條件下，對(duì)模擬井壁進(jìn)行鉆井液沖涮損害試驗(yàn)，通過(guò)超聲波測(cè)量及成像手段模擬井壁被外來(lái)流體浸蝕后的擴(kuò)徑、縮徑及垮塌的和程度，可實(shí)時(shí)觀測(cè)和記錄模擬井壁測(cè)涮的程度及造壁情況，為綜合評(píng)價(jià)鉆井液完井液對(duì)井壁失穩(wěn)以及垮塌程度的影響提供了新的綜合測(cè)試手段。

中國(guó)專利CN201410012192.8公開(kāi)了一種模擬全尺寸井壁穩(wěn)定的評(píng)價(jià)方法，該方法利用全尺寸井壁穩(wěn)定模擬器對(duì)巖心施加實(shí)驗(yàn)所要求的圍壓、孔隙壓力、水平壓力、上覆巖層壓力、泥漿循環(huán)壓力和鉆井液循環(huán)介質(zhì)，并通過(guò)井徑測(cè)量?jī)x測(cè)量在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中巖心井眼的擴(kuò)徑情況，通過(guò)地層滑行波聲速測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)量在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不同循環(huán)介質(zhì)下經(jīng)鉆井液的浸泡后井壁處巖樣聲波特性變化，通過(guò)井壁可視與成像系統(tǒng)直接觀察經(jīng)過(guò)鉆井液浸泡后的井眼實(shí)際變化情況。該方法主要用于全直徑巖心井壁穩(wěn)定分析，雖能真實(shí)地模擬井下環(huán)境、能動(dòng)態(tài)的評(píng)價(jià)井壁穩(wěn)定情況，可改變循環(huán)介質(zhì)，有助于優(yōu)選鉆井方式與鉆井液體系；能綜合評(píng)價(jià)近井壁地層滲透性和巖石聲波特性，實(shí)現(xiàn)井壁成像等。但是，該模擬器不能模擬含裂縫泥頁(yè)巖在地層環(huán)境下的吸水膨脹產(chǎn)生的膨脹應(yīng)變、裂縫地層孔隙壓力穿透規(guī)律等井壁穩(wěn)定性的重要影響因素。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于含裂縫泥頁(yè)巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的室內(nèi)方法，該方法是利用具有高溫高壓功能的含裂縫泥頁(yè)巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的裝置，能夠模擬不同鉆井條件下(欠平衡、過(guò)平衡)巖心尺度的硬脆性泥頁(yè)巖地層的裂縫孔隙壓力、水化變形特征等物理力學(xué)特征的變化規(guī)律，確定含裂縫泥頁(yè)巖地層壓力穿透規(guī)律及周期，實(shí)現(xiàn)硬脆性泥頁(yè)巖的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

本發(fā)明提供一種用于含裂縫泥頁(yè)巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)裝置，該裝置主要包括：

釜體，用于固定巖心并模擬巖心周邊環(huán)境；

與釜體相連的溫控降溫組件，控制所述溫控降溫組件對(duì)巖心進(jìn)行加熱、控溫以模擬地層實(shí)際溫度；

與釜體相連的壓力梯度裝置及壓力梯度采集組件，用于給所述巖心施加實(shí)驗(yàn)所需的圍壓以模擬地層覆壓；

與釜體相連的循環(huán)泥漿組件，用于模擬鉆井液循環(huán)的壓力作用；

與釜體相連的巖心形變測(cè)量組件，用于測(cè)量巖心形變；

數(shù)據(jù)測(cè)量與采集組件，其分別與溫控降溫組件、壓力梯度裝置及壓力梯度采集組件、循環(huán)泥漿組件以及巖心形變測(cè)量組件連接，用于進(jìn)行膨脹應(yīng)變、裂縫巖心的孔隙壓力傳遞規(guī)律及穿透的周期監(jiān)測(cè)結(jié)果的獲取。

該裝置可以模擬不同鉆井條件下(欠平衡、過(guò)平衡)巖心尺度的硬脆性泥頁(yè) 巖地層裂縫孔隙壓力、水化變形特征等物理力學(xué)特征的變化規(guī)律。而且在本發(fā)明還在該裝置基礎(chǔ)上，通過(guò)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)流程、測(cè)試數(shù)據(jù)及圖表，設(shè)計(jì)出了一套用于含裂縫泥頁(yè)巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的室內(nèi)方法。

本發(fā)明還提供了一種用于含裂縫泥頁(yè)巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，包括：

1)提供實(shí)驗(yàn)巖心；

2)提供所述含裂縫泥頁(yè)巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)裝置，將所述試驗(yàn)巖心所述裝置中；

3)給所述巖心施加實(shí)驗(yàn)所需的圍壓以模擬地層覆壓，并給巖心進(jìn)行加熱、控溫以模擬地層實(shí)際溫度；

4)給巖心進(jìn)口端提供恒壓源，模擬地層原始的孔隙壓力；

5)給巖心的出口端提供一定壓力的循環(huán)泥漿，模擬鉆井液循環(huán)的壓力作用；

6)測(cè)定巖心在與鉆井液接觸后的水化膨脹情況；

7)測(cè)定巖心在裂縫巖心中的孔隙壓力傳遞情況；

8)進(jìn)行膨脹應(yīng)變、裂縫巖心的孔隙壓力傳遞規(guī)律及穿透的周期監(jiān)測(cè)結(jié)果的獲??；

9)對(duì)獲取的結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，所述的巖心的尺寸為直徑20mm～50mm，高度100mm。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，所述恒壓源的壓力為0～40MPa。

本發(fā)明有益效果：

本發(fā)明利用含裂縫泥頁(yè)巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)裝置，就可以開(kāi)展以下幾方面的有關(guān)泥頁(yè)巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)：

(1)不同鉆井條件對(duì)地層巖心的物理力學(xué)特征(孔隙壓力傳遞前后巖心滲透率的改變，水化應(yīng)變、孔隙壓力傳遞的峰值)的影響效應(yīng)；

(2)含裂縫泥頁(yè)巖地層壓力穿透規(guī)律及周期；

(3)硬脆性泥頁(yè)巖的承壓能力評(píng)價(jià)(通過(guò)實(shí)驗(yàn)中獲取的壓力傳遞圖表中可以讀出)實(shí)現(xiàn)對(duì)含裂縫泥頁(yè)巖的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

本發(fā)明方法綜合考慮了多種影響井壁失穩(wěn)的因素，能夠分析不同鉆井條件下(欠平衡、過(guò)平衡)對(duì)巖心尺度的硬脆性泥頁(yè)巖地層孔隙壓力、水化變形特征等物理力學(xué)特征(滲透率、力學(xué)參數(shù))的影響效應(yīng)，含裂縫泥頁(yè)巖地層壓力穿透規(guī) 律及周期，實(shí)現(xiàn)模擬地層鉆井環(huán)境下巖心尺度的硬脆性泥頁(yè)巖的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)?？朔藗鹘y(tǒng)方法多以人工壓制巖樣開(kāi)展穩(wěn)定性評(píng)價(jià)破壞巖心所含裂縫結(jié)構(gòu)面的弊端，實(shí)現(xiàn)了對(duì)含裂縫泥頁(yè)巖穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例的方法示意圖。

附圖標(biāo)記：氮?dú)馄?、調(diào)壓閥2、調(diào)壓閥壓力表3、恒壓調(diào)壓器5、恒壓調(diào)壓器壓力表4、入口進(jìn)氣閥6、入口排氣閥7、入口穩(wěn)壓閥8、氣體穩(wěn)壓罐9、巖心端氣閥10、入壓傳感器11、壓力梯度傳感器12、巖心長(zhǎng)度形變采集原件13、巖心端14、釜體15、壓力梯度膠套16、長(zhǎng)度形變傳感器17、加熱元件18、放液手閥19、油箱20、圍壓泵21、安全閥22、圍壓傳感器23、降溫元件24、回壓手閥25、回壓器26、氣體流量計(jì)量系統(tǒng)27、端面形變傳感器28、電阻測(cè)量?jī)x29、回壓控制系統(tǒng)30、回控手閥31、輸液泵32、泥漿容器輸入閥33、泥漿容器34、泥漿容器輸出閥35、泥漿容器壓力表36、清水容器輸入閥37、清水容器38、清水容器輸出閥39、清水容器壓力表40、注液閥41、井筒壓力傳感器及顯示儀表42。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖1對(duì)本發(fā)明方法具體實(shí)施過(guò)程作進(jìn)一步的說(shuō)明。

具體實(shí)施如下：將直徑38mm×長(zhǎng)度100mm的巖心裝入釜體15，先通過(guò)圍壓泵21向釜體15中加圍壓30MPa。關(guān)閉泥漿容器輸入閥33和泥漿容器輸出閥35，打開(kāi)清水容器輸入閥37、清水容器輸出閥39和注液閥41。調(diào)節(jié)輸液泵32的壓力為5MPa，經(jīng)盛有清水的清水容器38向釜體15中的井筒中注入清水。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集組件記錄和保存井筒壓力傳感器42、入壓傳感器11、端面形變傳感器28、長(zhǎng)度形變傳感器17和壓力梯度膠套16上9只壓力傳感器的數(shù)據(jù)變化，并繪出各數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)曲線圖。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可以找到該巖心在特定條件下的壓力傳遞規(guī)律和水化膨脹情況。

具體包括以下步驟：

S1，按照SY/T5336-1996《巖心常規(guī)分析方法》進(jìn)行制取實(shí)驗(yàn)巖心：直徑38mm×長(zhǎng)度100mm；

S2，將準(zhǔn)備好的巖心按儀器操作規(guī)程裝入所述裝置的釜體15的井筒中；

S3，操作含裂縫泥頁(yè)巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的裝置中的壓力組件(包括圍壓傳感器23、與圍壓傳感器23連接的圍壓泵21和安全閥22、分別與圍壓泵21和安全閥22連接的油箱20)，以給巖心施加實(shí)驗(yàn)所需的圍壓；

S4，利用含裂縫泥頁(yè)巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的裝置中的溫控組件中的加熱元件18，給釜體15及巖心進(jìn)行加熱、控溫到實(shí)驗(yàn)所需溫度；

S5，操作含裂縫泥頁(yè)巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的裝置中的氣源供給控制組件(如圖1包括：分別與調(diào)壓閥2連接的氮?dú)馄?、壓力表3和恒壓調(diào)壓器5，分別與恒壓調(diào)壓器5連接壓力表4和入口進(jìn)氣閥6，分別與入口進(jìn)氣閥6連接的入口排氣閥7、入口穩(wěn)壓閥8、巖心端氣閥10和入壓傳感器11，與入口穩(wěn)壓閥8連接的氣體穩(wěn)壓罐9)，給巖心進(jìn)口端提供0～10MPa的恒壓氣源；

S6，操作含裂縫泥頁(yè)巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的裝置中的液體介質(zhì)供給組件(包括：輸液泵32、通過(guò)泥漿容器輸入閥33與輸液泵32連接的泥漿容器34、分別與泥漿容器34連接的泥漿容器輸出閥35和泥漿容器壓力表36、通過(guò)清水容器輸入閥37與輸液泵32連接的清水容器38、分別與清水容器38連接的清水容器輸出閥39和清水容器壓力表40、分別與清水容器輸出閥39和清水容器壓力表40連接的注液閥41、以及分別與注液閥41和與釜體15的井筒連接的井筒壓力傳感器42組成)，給巖心出口端提供一定壓力的循環(huán)泥漿或清水；

S7，操作含裂縫泥頁(yè)巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的裝置中的回壓控制組件(包括：回壓控制器30、通過(guò)回控手閥31與回壓控制器30連接的輸液泵32，所述輸液泵32還與泥漿容器輸入閥33連接，與回壓控制器30連接的回壓器26，所述回壓器26還分別與回壓手閥25和氣體流量計(jì)量組件27連接)，在進(jìn)行高溫高壓實(shí)驗(yàn)時(shí)用于巖心的回壓控制；

S8，操作含裂縫泥頁(yè)巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的裝置中的氣體流量計(jì)量組件27，測(cè)定巖心初始滲透率和污染后的滲透率、欠平衡泥漿壓力傳遞實(shí)驗(yàn)；

S9，操作含裂縫泥頁(yè)巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的裝置中的形變傳感器組件(包括：電阻測(cè)量?jī)x29、與所述電阻測(cè)量?jī)x29連接的端面形變傳感器28、長(zhǎng)度形變傳感器17，所述端面形變傳感器28和長(zhǎng)度形變傳感器17分別與釜體15中的井筒連接，且所述長(zhǎng)度形變傳感器17與所述巖心長(zhǎng)度形變采集原件13連接)，測(cè)定巖心在與鉆井液接觸后的水化膨脹情況；

S10，操作含裂縫泥頁(yè)巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的裝置中的數(shù)據(jù)測(cè)量與采集組件中的壓力梯度測(cè)量組件(包括：設(shè)置在所述釜體15的井筒上的壓力梯度膠套16、三縱三橫9只均布?jí)毫鞲衅鳌⑴c所述壓力梯度膠套16和三縱三橫9只均布?jí)毫鞲衅鬟B接的壓力梯度采集原件12)，測(cè)定巖心在過(guò)平衡泥漿壓力傳遞情況、鉆孔壓力傳遞情況和欠平衡泥漿壓力傳遞情況；

S11，操作含裂縫泥頁(yè)巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的裝置中的溫控組件中的降溫元件24，可以對(duì)實(shí)驗(yàn)完后的釜體15進(jìn)行快速降溫，降溫介質(zhì)為自來(lái)水；

S12，操作含裂縫泥頁(yè)巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的裝置中的數(shù)據(jù)測(cè)量與采集組件中的數(shù)據(jù)采集原件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、回放和曲線報(bào)表生成；

S13，對(duì)生成的采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，對(duì)含裂縫泥頁(yè)巖的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

本發(fā)明利用含裂縫泥頁(yè)巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)裝置，可以開(kāi)展以下幾方面的有關(guān)泥頁(yè)巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)：(1)不同鉆井條件對(duì)地層巖心的物理力學(xué)特征的影響效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)；(2)含裂縫泥頁(yè)巖地層壓力穿透規(guī)律及周期；(3)硬脆性泥頁(yè)巖的承壓能力評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)對(duì)含裂縫泥頁(yè)巖的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。