专利名称：高温高压煤层岩心动态污染评价实验仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种高温高压煤层岩心动态污染评价实验仪，属煤层气勘探领域 中钻井液保护与伤害评价测试仪器技术领域。
技术背景煤层气的勘探与开发技术是在常规油气的勘探与开发技术的基础上发展起来的。 常规油气的勘探开发技术大部分也能成功运用于煤层气勘探开发中，给煤层气的勘探与开 发工作带来了很大的经济效益。但是，煤气储层与常规储油气层有着很大的不同之处，煤层 潜在的损害因素表现为(1)、煤层孔隙和裂隙发育，钻井液中的固相和液相进入煤层隙深 处。(2)、煤是大分子结构的有机物，易对钻井液和高分子聚合物吸附，从而影响煤层的渗透 性。(3)、煤层水易与钻井液发生化学反应，从而堵塞煤层裂隙。(4)、储层压力低，易发生井 漏，对煤层造成损害。(5)、煤层具有应力敏感性，钻井过程中液柱压力控制失当，容易造成 渗透流降低。(6)、煤的机械强度低，钻井施工过程中产生的煤粉易堵塞煤层孔隙和裂隙。另外，钻井液对储层的伤害主要有一是煤体对钻井液的吸附或吸收，二是钻井液 中固相颗粒对煤中裂隙通道的充填堵塞，三是钻井液柱压力与煤储层压力之差造成煤层端 面割理闭合，致使煤层透气性变差，影响产气量。同时钻井压力对地层也存在诸多损害，如 在过平衡钻进时，井内循环液压力大于煤层压力，使作用在井筒附近的纯应力降低，引起煤 层渗透率增高。这加大了钻井液对煤层的侵入速度和侵人半径，从而使渗透率降低；在欠平 衡钻进时，井内循环液压力小于煤层压力，使作用附近的纯应力增高，引起煤层塑性变形， 造成渗透率大幅度降低。这种作用于煤层的高应力，足以引起煤层渗透性滞后现象，造成渗 透率的永久性降低。钻柱压力变化和下钻时引起的压力激动，也会通过钻井液或直接对煤 层造成伤害。微过平衡钻井的持续正压差和欠平衡钻井中的脉冲正压差均会成为钻井液中 固相和滤液进入地层的动力。因此，通过模拟钻井过程的储层岩心的流动实验，对于评价煤层气层损害深度和 程度，从而优选工作液，特别是为完井射孔作业的设计提供穿透深度等参数和依据，是关系 到能否发现煤气层、正确评价其储集性能和储气井能否获得高产的关键。目前，国内只有用于油气层保护研究的单一的模拟钻井的入井流体损害装置和测 量岩心受入井流体损害深度和程度的动态损害评价系统等，在煤层气勘探保护领域还没有 专门的实验设备。但煤储层保护工作贯穿煤储层勘探开发的各个生产过程，是一项涉及多 学科的综合配套技术，上述仪器装置远不能满足实际生产的需要。因此，研制一种在高温高 压条件下模拟煤层岩心在上覆应力和水平应力状态下的钻井液对煤储层的侵入深度和程 度，评价高温高压条件下钻井液对煤储层动态污染的程度和深度的室内评价仪器意义非常 重大，以满足煤储层保护工作实际生产的需要。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种在高温高压条件下模拟煤层岩心在上覆应力和水平应力状态下钻井液对煤储层的侵入伤害过程，以及在同一仪器上测量损害前后煤层岩 心渗透率的变化情况，评价钻井液对煤储层污染的程度和深度，能实现煤储层污染过程和 渗流测试过程一体化，避免多次装夹煤样产生的应力效应，保证测试过程的连续性和测试 结果的准确性，从而可以优选出保护煤储层效果良好的钻井液、完井液体系的高温高压煤 层岩心动态污染评价实验仪。本实用新型是通过如下技术方案来实现上述目的的该高温高压煤层岩心动态污染评价实验仪由气体增压泵、气体储气罐、高压驱替 泵、加湿容器、活塞容器、煤层岩心夹持器、钻井液容器、电磁流量计、钻井液循环泵、高压计 量泵、回压阀、气体质量流量计、气水分离器、电子天平、计算机采集板、烘箱、钻井液循环管 道组成，其特征在于气体增压泵置于烘箱左侧；气体储气罐、加湿容器、高压计量泵、回压 阀、气体质量流量计、气水分离器、电子天平、电磁流量计、钻井液循环泵置于烘箱下部；高 压驱替泵置于烘箱右侧；计算机采集板置于烘箱左边电器控制箱内；活塞容器、煤层岩心 夹持器、钻井液容器置于烘箱的工作间内；煤层岩心夹持器的左右端连接有六通阀，左端的 六通阀通过管线与加湿容器和活塞容器连接，右端的六通阀通过管线与回压阀、气水分离 器和气体质量流量计连接。所述的煤层岩心夹持器右部设计有钻井液循环管道，钻井液循环管道的下端进口 与电磁流量计相连，电磁流量计与钻井液循环泵相连，钻井液循环泵的进口与钻井液容器 下端相连接，钻井液循环管道的上部出口与钻井液容器下端的夹套相连接；钻井液容器顶 部通过管线与泥浆污染阀连接。本实用新型与现有技术相比的有益效果在于该高温高压煤层岩心动态污染评价实验仪能在高温高压条件下模拟煤层岩心在 上覆应力和水平应力状态下钻井液对煤储层的侵入伤害过程、评价钻井液对煤储层的污染 程度和深度，渗透率变化以及煤储层钻井液动态污染前后的渗流变化规律；并能精确控制 钻井液上返速率，模拟正压差、负压差、平衡钻井过程中的泥浆动态污染过程。适用于煤储 层岩心液相、气相和气液两相渗透率测试，实验转换中不泄轴压和围压，避免多次装夹煤样 产生的应力效应，保证测试过程的连续性和测试结果的准确性。解决了目前评价实验中常 用的岩心夹持器适用范围窄，不能模拟上覆应力和水平应力状态下同时加载以及流体驱替 实验、泥浆污染试验、气液两相驱替试验要单独进行的问题，具有流程清晰，操作方便、实验 软件�？榛�、实验数据标准化等特点。
附图为高温高压煤层岩心动态污染评价实验仪的结构示意图。图中1、增压泵调压阀，2、气体增压泵，3、气体高压表，4、高压调压保护阀，5、高压 减压阀，6、回压加压阀，7、泥浆污染阀，8、低压调压保护阀，9、高压加压阀，10、低压减压阀， 11、低压加压阀，12、轴压传感器，13、轴压电磁阀，14、围压电磁阀，15、围压传感器，16、钻井 液循环管道，17、钻井液容器，18、污染压力传感器，19、计量泵压力传感器，20、高压计量泵， 21、回压阀，22、气体质量流量计，23、气水分离器，24、电子天平，25、计算机采集板，26、六通 阀，27、低压传感器保护阀，28、低压压力传感器，29、高压压力传感器，30、钻井液循环泵， 31、电磁流量计，32、岩心胶筒，33、煤层岩心夹持器，34、活塞容器，35、加湿容器，36、烘箱，37、高压驱替泵，38、气体储气罐。
具体实施方式
该高温高压煤层岩心动态污染评价实验仪由气体增压泵2、钻井液循环管道16、 钻井液容器17、高压计量泵20、回压阀21、气体质量流量计22、气水分离器23、电子天平 24、计算机采集板25、钻井液循环泵30、电磁流量计31、煤层岩心夹持器33、活塞容器34、加 湿容器35、烘箱36、高压驱替泵37、气体储气罐38等组成。气体增压泵2置于烘箱36的左 边；高压计量泵20、回压阀21、气体质量流量计22、气水分离器23、电子天平24、钻井液循 环泵30、电磁流量计31、加湿容器35、气体储气罐38置于烘箱36的下部；高压驱替泵37、 计算机(图中未为画出)置于烘箱36右边；高压调压保护阀4、高压减压阀5、回压加压阀 6、泥浆污染阀7、低压调压保护阀8、高压加压阀9、低压减压阀10、低压加压阀11置于烘箱 36左边的面板上；计算机采集板25、轴压传感器12、围压传感器15、低压压力传感器28、高 压压力传感器29、轴压电磁阀13、围压电磁阀14置于烘箱36左边的电器控制箱内；活塞容 器34、煤层岩心夹持器33、钻井液容器17置于烘箱36的工作间(图中为画出)内。所述 的煤层岩心夹持器33由不锈钢筒体组件和岩心胶筒32组成，煤层岩心夹持器33的左右端 连接有六通阀26，左端的六通阀26通过管线与加湿容器35和活塞容器34连接，右端的六 通阀26通过管线与回压阀21、气水分离器23和气体质量流量计22连接(参见附图)。所述的煤层岩心夹持器33适用于标准园柱体或正方体的样品实验，煤层岩心夹 持器33在轴向和径向上开有上覆压力和围压压力加压口，通过管线、轴压传感器12、轴压 电磁阀13、围压电磁阀14、围压传感器15与高压计量泵20连接，适用于煤储层钻井液动态 污染前后模拟地层应力状态下的渗流变化规律研究。所述的煤层岩心夹持器33右部设计有钻井液循环管道16，钻钻井液循环管道16 的下端进口与电磁流量计31相连，电磁流量计31与钻井液循环泵30相连，钻井液循环泵 30的进口与钻井液容器17下端相连接，钻井液循环管道16的上部出口与钻井液容器17的 下端夹套相连接，所述的钻井液容器17下部采用双层夹套结构设计，流出的钻井液从外层 夹套中流出，返回的钻井液从内层导管中进入并通过循环压力上返到钻井液顶部，充分实 现流出流入钻井液的混合；钻井液容器17内部装有浮动活塞，钻井液容器17的顶部通过管 线与泥浆污染阀7连接。浮动活塞具有排气功能，能实现钻井液循环前的排气，避免钻井液 中混有的气体影响煤层岩心的液相渗透率测试精度。当煤层岩心夹持器33的右柱塞退出 一定距离打开泥浆污染通道时，启动钻井液循环泵30并通过电磁流量计31反馈信号闭环 控制循环流量，通过高压调压保护阀4加压，泥浆在一定压力下从泥浆污染通道进口流入， 由样品端面开始污染，从泥浆污染通道出口流出，从而实现模拟正压差、负压差、平衡钻井 过程中的钻井液动态污染过程，实现煤储层岩心污染过程和渗流测试过程一体化，实验转 换中不泄轴压和围压，避免多次装夹煤样产生应力效应，保证了测试过程的连续性和测试 结果的准确性。所述的低压压力传感器28、高压压力传感器29、气体质量流量计22、电磁流量计 31、钻井液循环泵30、轴压电磁阀13、围压电磁阀14、高压计量泵20通过电线与计算机采集 板25连接；电子天平24、高压驱替泵37、计算机采集板25通过通讯线与计算机连接。所述 的烘箱36由智能温度控制器控制加热，由PT100传感器采集温度信号，由风机提供循环风量，保证烘箱36的工作间温度均勻一致。实验前，先把煤块制成cp25x50或50X50X50的标准试样，按实验标准要求进行 预处理。启动空气压缩机，并将气压增至0. 7Mpa，关闭气体储气罐38的出口阀，逐步调节增 压泵调压阀1的压力，启动气体增压泵2，将气体储气罐38的压力增至32Mpa备用。实验时，把样品装入煤层岩心夹持器33内，拧紧煤层岩心夹持器33的进出口堵 头，连接轴压和围压的加压管线，准备好高压计量泵20的液压油；将活塞容器34的活塞用 手动或气压推到底部，将模拟水或模拟油装入活塞容器34，连接好活塞容器34与高压驱替 泵37之间的管线，准备好驱替液。连接煤层岩心夹持器33进出口到六通阀26的管线，连 接好六通阀26到回压阀21、电子天平24、气体质量流量计22之间的管线。启动烘箱36上 的智能温度控制仪，设置实验温度开始加热，待温度控制在设定温度范围之内1小时后，可 以开始测试实验。煤储层渗透率测试。打开计算机，进入高温高压煤层岩心动态污染评价实验仪操 作主界面，选择煤储层渗透率测试。启动高压计量泵20先加载2MPa的轴压，再加载围压， 并预加到高于流动压力的2MPa，然后设定围压为自动加载模式，围压在实验进行过程中会 自动控制在高于流动压力2MPa的状态下。根据实验计划选择气体渗透率测试或液体渗透率测试，当进行气体渗透率测试 时，打开烘箱36面板上的高压调压保护阀4，调节高压减压阀5到5MPa，再依次打开低压调 压保护阀8和低压加压阀11，调节低压减压阀10到0. IMpa，低压气体通过六通阀26进入 煤层岩心夹持器33右端，通过测试样品后从煤层岩心夹持器33左端的右侧流出。打开气 水分离器23的进口阀，关闭气水分离器23的出水阀，实验气体通过气体质量流量计22流 出，计算机自动记录气体流量、压差、时间，根据计算公式自动计算实验结果。当进行液体渗透率测试时，打开活塞容器34的进口和出口，启动高压驱替泵37， 实验流体通过六通阀26进入煤层岩心夹持器33的右端，通过测试样品后从煤层岩心夹持 器33左端的右侧流出。打开回压阀21，打开烘箱36面板上的高压调压保护阀4，调节高压 减压阀5到2Mpa或实验设计的回压值，打开回压加压阀6加回压，打开气水分离器23的出 口阀，让实验流体进入电子天平24上的量杯，由计算机自动记录实验流体的质量、压差、时 间，根据计算公式自动计算实验结果。该项实验能完成煤储层在高温高压条件和上覆应力 及水平应力状态下的渗透率变化以及煤储层的渗透率测试，同时作为评价煤储层受钻井液 动态污染评价实验的基础。煤储层钻井液动态污染评价实验。先取出钻井液容器17的活塞，装入配制好的 模拟钻井液，以0. 2m/s的返速启动钻井液循环泵30排气，待充分循环后，装入活塞并拧紧 活塞上的堵头，盖上顶盖，连接好加压管线，打开排气阀。当温度升到设定值后，打开煤层 岩心夹持器33的泥浆通道，打开烘箱36面板上的高压调压保护阀4，调节高压减压阀5到 3. 5Mpa或实验设计的泥浆污染压力，打开泥浆污染阀7给钻井液循环系统加压开始污染试 验，同时通过煤层岩心夹持器33的左端计量泥浆污染煤储层滤液滤失量。在污染实验过程 中，可以根据不同实验方案，通过从煤层岩心夹持器33左端加注不同的流体压力模式，模 拟欠平衡、正压差、平衡钻井过程中的泥浆动态污染过程。泥浆污染完成后，再按煤储层渗 透率测试方法测试污染后的煤储层渗透率，计算机软件根据污染前后的渗透率变化，综合 评价煤储层受钻井液污染的程度和深度。[0024] 气液相对渗透率测试。首先将饱和模拟水的煤储层样品装入煤层岩心夹持器33， 根据模拟地应力条件下的煤储层渗透率测试步骤测试模拟水的渗透率。打开烘箱36面板 上的高压调压保护阀4，调节高压减压阀5到5MPa，再依次打开低压调压保护阀8和低压 加压阀11，调节低压减压阀10到0. IMpa，低压气体进入通过六通阀26，同时打开活塞容器 34上的气体加压阀和出口阀，使实验液体和气体在相同的压力条件下在右端六通阀26内 混合，打开左端六通阀26的出口端，两相流体进入煤层岩心夹持器33的煤储层样品，流出 的两相流体经过气水分离器23分离，气体进入气体质量流量计22计量，液体进入电子天平 24上的量杯，由计算机操作软件自动记录实验流体的质量、压差、时间，按气水相对渗透率 非稳态法计算方法计算实验结果。
权利要求1.一种高温高压煤层岩心动态污染评价实验仪，它由气体增压泵(2)、气体储气罐 (38)、高压驱替泵(37)、加湿容器(35)、活塞容器(34)、煤层岩心夹持器(33)、钻井液容器 (17)、电磁流量计(31)、钻井液循环泵(30)、高压计量泵(20)、回压阀(21)、气体质量流量 计(22)、气水分离器(23)、电子天平(24)、计算机采集板(25)、烘箱(36)、钻井液循环管 道(16)组成，其特征在于气体增压泵(2)置于烘箱(36)左侧；气体储气罐(38)、加湿容 器(35)、高压计量泵(20)、回压阀(21)、气体质量流量计(22)、气水分离器(23)、电子天平 (24)、电磁流量计(31)、钻井液循环泵(30)置于烘箱(36)下部；高压驱替泵(37)置于烘 箱(36)右侧；计算机采集板(25)置于烘箱(36)左边电器控制箱内；活塞容器(34)、煤层 岩心夹持器(33)、钻井液容器(17)置于烘箱(36)的工作间内；煤层岩心夹持器(33)的左 右端连接有六通阀(26)，左端的六通阀(26)通过管线与加湿容器(35)和活塞容器(34)连 接，右端的六通阀(26)通过管线与回压阀(21)、气水分离器(23)和气体质量流量计(22) 连接。
2.根据权利要求1所述的高温高压煤层岩心动态污染评价实验仪，其特征在于所述 的煤层岩心夹持器(33)右部设计有钻井液循环管道(16)，钻井液循环管道(16)的下端 进口与电磁流量计(31)相连，电磁流量计(31)与钻井液循环泵(30)相连，钻井液循环泵 (30)的进口与钻井液容器(17)下端相连接，钻井液循环管道(16)的上部出口与钻井液容 器(17)下端的夹套相连接；钻井液容器(17)顶部通过管线与泥浆污染阀(7)连接。
专利摘要本实用新型涉及一种高温高压煤层岩心动态污染评价实验仪，属钻井液保护与伤害评价测试仪器技术领域。它由气体增压泵、气体储气罐、高压驱替泵、煤层岩心夹持器、钻井液容器、钻井液循环泵、高压计量泵、气水分离器及烘箱等组成。它能在高温高压条件下模拟煤层岩心在上覆应力和水平应力状态下钻井液对煤储层的侵入伤害过程、评价钻井液对煤储层的污染程度和深度，渗透率变化以及煤储层钻井液动态污染前后的渗流变化规律。解决了目前的岩心夹持器不能模拟上覆应力和水平应力同时加载以及流体驱替实验、泥浆污染实验、气液两相驱替实验要单独进行的问题。具有操作方便、实验数据标准化的特点，适用于煤储层岩心液相、气相和气液两相渗透率测试。
文档编号G01N15/08GK201780251SQ20102027443
公开日2011年3月30日 申请日期2010年7月26日 优先权日2010年7月26日
发明者余维初, 李贵中, 肖想松, 胡琼 申请人:长江大学
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