专利名称：一种用于钻井液性能测试的砂芯试片及其制备与应用的制作方法
技术领域：
本发明属于石油工程技术领域，涉及一种钻井液性能检测辅助装置，具体地说是 检测钻井液滤失量用的砂芯试片。
背景技术：
在钻井的过程中，井壁对钻井液的滤失，是对钻进过程的重要评价。滤失量是评价 钻井液性能最基本也是最重要的指标之一。因此，钻井液滤失量测量的准确与否直接影响 到钻井质量的好坏。但是，几十年来，滤纸一直是测量钻井液滤失量的渗漏介质。而滤纸的 孔隙是均质的，地层孔隙是非均质的，所以，这种钻井液滤失量的测量方法不能准确反映地 层的实际情况。为了更好的模拟地层条件，目前常用砂床或砂芯滤失仪测定钻井液性能，它 是通过在滤失仪中充填一定目数的砂子或夹持岩心来实现的。这类滤失仪或多或少 都存在一定的问题，比如有的不能进行反排实验，测试指标单一，而有的结构复杂， 需要对岩心加围压。并且它们都不能从微观上对钻井液处理剂作用机理进行分析。 CN200972444 (200620137227. 1)公开了一种高压砂床滤失仪，用于评价无渗透钻井液处理 剂及其钻井液体系的渗漏效果。本发明由手动油泵、压力表和钻井液筒三部分组成。该装 置可以用砂床作为渗漏介质，测定钻井液渗滤性能，较传统的渗漏介质滤纸对井下情况的 模拟更为逼真。将液压泵作为该装置的压力源，突破了传统方法用氮气瓶作为压力源时压 力受限的不足，可以将试验压力由IMPa提升到40MPa以上，可以根据试验需要进行调整。 该专利文件的技术方案就是用的填砂(砂床)作为渗漏介质，只能测滤失量，不能进行反冲 洗，测试恢复性能。
发明内容
为了克服现有滤失仪在钻井液性能测试中存在的缺陷，本发明提供一种砂芯试 片，不仅可以更好的模拟地层提高测试准确度，而且还可用于渗透性恢复性能测试以及微 观机理分析。本发明技术方案如下一种砂芯试片，由砂片和垫圈组成，所述砂片和垫圈是一体结构。优选的，所述砂片是圆形的，所述垫圈是环形垫圈。所述垫圈是橡胶或塑料材料， 也可以是不锈钢、铝或铁等金属材料。优选的，所述砂片是压制砂片，所述垫圈嵌入砂片的边缘内，是在砂片制作时用压 片机将砂浆料与垫圈压制成一体的。进一步优选的，所述垫圈位于砂片厚度的中间，便于在 滤失仪上使用时与其上端密封圈及下端凹形端盖的密封。优选的，所述垫圈嵌入砂片的边 缘内6 12mm。本发明砂芯试片的另一种优选方式是，所述砂片是天然岩心的切片，将天然岩心 的切片与环形垫圈胶结成一体结构。
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本发明的砂芯试片，其中圆形砂片的尺寸优选直径Φ70 74mm，厚度5 20mm。 直径根据滤失仪的中相应部件的尺寸酌定，厚度根据要检测的钻井液应用地层情况进行适 当选定。本发明的砂芯试片，其中用于制作压制砂片的砂子粒径优选25 200目砂子，可 相应地模拟地层孔喉半径在0. 01 500 μ m的地层。具体地砂子粒径30 50目对应地层孔喉半径31. 25 200. 52 μ m,砂子粒径50 90目对应地层孔喉半径6. 25 62. 50 μ m,砂子粒径90 120目对应地层孔喉半径0. 15 25. 32 μ m。一种上述的本发明砂芯试片的制备方法，步骤如下将清洗后的石英砂、河砂或海砂筛分，取25 200目的砂子与酚醛树脂或环氧树 脂按100 5 10质量比混合，并加入砂子质量1 2%的固化剂，搅拌均勻成砂浆料，在 压片机上将砂浆料与环形垫圈压制成一体，压片机压力控制在10 20MPa，保持压力5 IOmin0泄压、推出成型的砂芯试片，于60 80°C下放置4 10h，制成人工砂芯试片。上述的酚醛树脂或环氧树脂及固化剂，均为本领域公知技术，可通过市场购买。例 如但不限于酚醛树脂系列型号2130、2127、2124、2123，淮安市宏泰酚醛塑料有限公司产售。环氧树脂优选环氧树脂E-44，广州市榕晟化工有限公司产售。环氧树脂还可选自 双酚A型液体环氧树脂，主要型号有E-42B，E-39D，E-44V95，大连市五金化工有限公司产
售固化剂主要型号有NL，T-31，T-593，T-594，T-650，T-651，大连市五金化工有限公
司产售。另一种上述的砂芯试片的制备方法，步骤为将天然岩心切片，在天然岩心切片周边开槽，将涂有胶结剂的橡胶环形垫圈卡到 槽内，使其胶结成一体结构。或者，将两块尺寸相同的天然岩心切片，相对应的一面涂胶结剂将金属环形垫圈家在中 间，胶结成一体结构。上述天然岩心切片与环形垫圈胶结成一体的胶结剂按现有技术选择，有一定粘结 强度的普通密封胶结剂，具体地如环氧树脂AB胶、有机硅胶等。上述的本发明砂芯试片的应用，将砂芯试片安装在滤失仪中用作渗滤介质，用来 测定钻井液的滤失性能，同时将测试过的试片翻转进行反冲洗操作，评价出试片的渗透性 恢复情况。使用方法如下将砂芯试片通过环形垫圈密封固定于滤失仪内部，在测试钻井液性能时，将钻井 液通过前、后的砂芯试片以及被反冲洗后的砂芯试片放到到显微成像设备下，进行试片表 面图像采集，可用于钻井液体系微观作用机理的分析及砂芯试片的渗透性恢复情况评价。具体应用方法步骤如下1、用数字显微镜对砂芯试片表面进行图像采集，用于分析其表面结构及孔径分布。2、砂芯试片安装在滤失仪内，钻井液筒加入钻井液，将钻井液筒凹形端盖拧紧后 开始加压，加到所需的压力后计时，测定在规定时间内的钻井液的滤失量。
3、另取一砂芯试片做空白实验，按步骤2的方法用清水或基浆代替钻井液进行测 定。渗透率高的砂芯试片可采用基浆测定，对于渗透率低的砂芯试片可采用清水测定。4、取出砂芯试片，对其表面清洗后再在数字显微镜下进行图像采集，采集的图像 用于与步骤1实验前的图像做对比，用以分析钻井液处理剂作用机理。5、在钻井液筒中加入清水，并将砂芯试片按与步骤2中的相反方向放置，即翻转 放置，加压对砂芯试片进行反冲洗。取出反冲洗后的砂芯试片，进行表面或断面图像采集， 用于微观评价反冲洗效果。6、对反冲洗后的砂芯试片重复步骤3的空白实验，并将空白实验结果与步骤5的 结果做对比，评价出其渗透性恢复情况。上述各步骤中使用的数字显微镜为10 300倍数字显微镜。本发明的有益效果是1、用砂子压制试片或直接天然岩心切片作为渗漏介质，测定钻井液渗滤性能，较 传统的渗漏介质滤纸对井下情况的模拟更为逼真。2、砂芯试片采用垫圈密封，相比加围压密封，结构简单，操作方便。试片可以任意 反转，可以进行反冲洗从而评价出渗透性恢复值，提高测试仪器的利用率。3、对砂芯试片表面显微成像分析，可以从微观对钻井液处理剂进行机理分析，如 钻井液镶嵌剂、成膜剂等处理剂对地层保护机理进行分析。
图1是现有技术压片机的压头部分结构示意图。图中，1.柱塞，2.圆筒，3.把手， 4.凹形底座。图2是现有技术滤失仪结构示意图。图中，11.钻井液筒，12.钻井液，13.砂片， 14.环形垫圈，15.卡扣，16.螺扣，17.密封圈，18.凹形端盖，19.压力表，20.开关，21.加
压装置。图3是砂芯试片结构示意图(俯视)。图4是实施例1砂芯试片结构示意图(剖 面)°图5是实施例2砂芯试片结构示意图(剖面)，图6是实施例3砂芯试片结构示意 图(剖面)，图中，13’为天然岩心切片。图7是试验例中用200倍数字显微镜采集的空白砂芯试片表面图像，砂片中砂子 粒径从左到右依次为40 60目、80 100目、100 120目。图8是试验例中用200倍数字显微镜采集的基浆在砂芯试片表面图像，砂片中砂 子粒径从左到右依次为40 60目、80 100目、100 120目。图9是试验例中用200倍数字显微镜采集的镶嵌剂在砂芯试片表面图像，砂片中 砂子粒径从左到右依次为40 60目、80 100目、100 120目。图10是试验例中用200倍数字显微镜采集的反冲洗后砂芯试片表面图像，砂片中 砂子粒径从左到右依次为40 60目、80 100目、100 120目。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。实施例中未加详细限定的均可参照本领域现有技术。实施例1 结构如图3、图4所示。一种砂芯试片，由砂片和垫圈组成，所述砂片(13)是圆形的，尺寸为Φ74πιπι，厚 度10mm。所述垫圈是环形垫圈(14)，橡胶材料。所述环形垫圈(14)嵌入砂片(13)的边缘 内10mm，并位于砂片(13)厚度的中间，便于在滤失仪上使用时与其上端密封圈及下端凹形 端盖的密封。所述砂片和垫圈是在砂片制作时用压片机将砂浆料与垫圈压制成一体的，制 备方法如下将清洗后的石英砂干燥筛分，取40 60目、80 100目、100 120目的砂子分 三组分别与环氧树脂E-44(广州市榕晟化工有限公司产售)按100 8质量比混合、再加 入砂子质量1. 5%的固化剂T-593(大连市五金化工有限公司产)，搅拌均勻后在压片机上 将砂浆料与环形垫圈(14)压制成一体，压片机压力控制在12MPa，保持压力lOmin，泄压推 出成型的砂芯试片，于60°C下置放8h，做成三种规格的人工砂芯试片，结构如图4所示。压片机的压头部分示意图如图1。实施例2 结构如图3、图5所示。砂芯试片是由天然岩心的切片与环形垫圈胶结成一体结构。制备方法如下将天然岩心切片，尺寸为Φ 74mm，厚度IOmm在天然岩心切片周边开槽，将涂有胶 结剂的橡胶环形垫圈，卡到槽内，使其胶结成一体结构。胶结剂选用环氧树脂AB胶(一种双组分胶粘剂)，佛山市森美亚复合材料有限 公司产，粘度4500Pa · s。实施例3 结构如图3、图6所示。准备两块天然岩心切片，尺寸均为Φ74πιπι，厚度5mm。将两块天然岩心切片相对 的一面涂胶结剂将金属环形垫圈夹在中间，胶结成一体结构。胶结剂选用同实施例2。实施例4 砂芯试片的应用如图2所示，砂片(13)通过环形垫圈(14)与在滤失仪的O型密封圈(17)及凹形 端盖(18)进行密封。滤失仪卡扣(15)与螺扣(16)将凹形端盖(18)跟钻井液筒(11)卡 牢锁紧。钻井液筒(11)通过加压管线与压力表(19)、开关(20)以及加压设备(21)串联。 滤失性能测试时，通过加压装置(21)加到所需的压力后计时，测定在规定时间内的钻井液 的滤失量。将测试过的试片翻转用清水进行反冲洗操作，评价试片的渗透性恢复值。在测 试钻井液性能时，对钻井液处理前、处理后以及反冲洗后的试片放到显微成像设备下，进行 试片表面图像采集，可用于钻井液体系微观作用机理的分析。试验例下面是本发明砂芯试片的一个应用实验，试验用材料1、基浆的配制将二级膨 润土配成浓度4%的土浆，并加入土用量的2%的Na2CO3，熟化24h以上。2、镶嵌屏蔽钻井 液的配制将镶嵌屏蔽剂配加入到水中配制成3衬％浓度的钻井液。镶嵌屏蔽剂为XQ-3镶 嵌钻井粉剂，以下简称镶嵌剂，山东东营井下方圆化工有限公司产售。3、砂芯试片是三种不 同粒径40 60目、80 100目、100 120目的石英砂按实施例1的方法制作的人工砂芯 试片ο钻井液性能测试评价过程1、用200倍数字显微镜对三种不同粒径的砂芯试片表面进行图像采集，用于分析其表面结构及孔径分布(见图7)。2、砂芯试片安装在滤失仪内，钻井液筒加入钻井液，将钻井液筒的凹形端盖拧紧 后开始加压，加到所需的压力后计时，测定在规定时间内的钻井液的滤失量(结果见表1)。3、另取一组相应粒径的砂芯试片做空白实验，按步骤2的方法用清水或基浆代替 钻井液进行测定。渗透率高的砂芯试片用基浆测定，渗透率低的砂芯试片采用清水测定 (结果见表1)。4、取出砂芯试片，对其表面清洗后再在数字显微镜下进行图像采集，采集的图像 用于与步骤1实验前的图像做对比，用以分析钻井液处理剂作用机理(见图8、9)。5、在钻井液筒中加入清水，并将砂芯试片按与步骤2中的相反方向放置，即翻转 放置，加压对砂芯试片进行反冲洗。取出反冲洗后的砂芯试片，进行表面或断面图像采集， 用于微观评价反冲洗效果(见图10)。6、对反冲洗后的砂芯试片重复步骤3的空白实验，并将空白实验结果与步骤5的 结果做对比，评价出其渗透性恢复情况(见表1)。考察镶嵌屏蔽钻井液在不同粒径的砂芯试片滤失及恢复性能，结果见图7-10及 表1。表1砂芯试片评价钻井液镶嵌剂性能
砂芯试片 粒径，目滤失量，mL解堵恢复值，％基浆镶嵌剂基浆(镶嵌后反洗)40-6020.07.615.678.480-10018.06.814.675.8100-12014.06.610.474.4 从表1可以看出，镶嵌剂对不同粒径的砂芯试片均具有较好的封堵性能。对比图8 与图9可以看出，基浆对砂芯试片表面不能形成有效的封堵，因此滤失量较大，而镶嵌剂中 通变形颗粒对试片表面孔喉的镶嵌实现有效封堵。反冲恢复是衡量镶嵌剂等对地层伤害程 度的标准，也是对其解堵性能的判断，反冲后用基浆测试，如果滤失量与空白值越接近，说 明解堵效果越好，对地层伤害越小。在对砂芯试片进行一次反冲洗后，镶嵌剂处理过的试片 具有较高的恢复性能，达到74%以上。从图10试片表面结构可以看出，镶嵌剂对砂芯试片 孔道的堵塞大部分已经解开，镶嵌剂在表面有部分的残留，与实验结果相符。
权利要求
用于钻井液性能测试的砂芯试片结构，其特征在于由砂片和垫圈组成，所述砂片和垫圈是一体结构。
2.根据权利要求1所述的砂芯试片，其特征在于所述砂片是圆形的，所述垫圈是环形垫圈。
3.根据权利要求2所述的砂芯试片，其特征在于圆形砂片的尺寸为直径Φ70 74mm， 厚度5 20mm。
4.根据权利要求1所述的砂芯试片，其特征在于所述砂片是压制砂片，所述垫圈嵌入 砂片的边缘内，是在砂片制作时用压片机将砂浆料与垫圈压制成一体的。
5.根据权利要求1-4任一项所述的砂芯试片，其特征在于所述垫圈位于砂片厚度的中间。
6.根据权利要求1-3任一项所述的砂芯试片，其特征在于所述砂片是天然岩心的切 片，环形垫圈与天然岩心的切片胶结成一体结构，垫圈位于砂片厚度的中间。
7.—种权利要求4所述的砂芯试片的制备方法，步骤如下将清洗后的石英砂、河砂或海砂筛分，取25 200目的砂子与酚醛树脂或环氧树脂按 100 5 10质量比混合，并加入砂子质量1 2%的固化剂，搅拌均勻成砂浆料，在压片机 上将砂浆料与环形垫圈压制成一体，压片机压力控制在10 20MPa，保持压力5 IOmin ； 泄压、推出成型的砂芯试片，于60 80°C下放置4 IOh。
8.权利要求1-6任一项所述砂芯试片的应用，将砂芯试片安装在滤失仪中用作渗滤介 质，用来测定钻井液的滤失性能，同时将测试过的砂芯试片翻转进行反冲洗操作，评价砂芯 试片的渗诱性恢复情况。
全文摘要
本发明涉及一种钻井液性能检测用的砂芯试片及其制备与应用。砂芯试片由砂片与垫圈一体结构组成。该砂芯试片用砂子压制成砂片或用天然岩心切片作为渗漏介质，通过垫圈密封在滤失仪中，测定钻井液渗滤性能，同时砂芯试片可进行反冲洗，从而评价砂芯试片渗透性恢复值，提高测试仪器的利用率。
文档编号G01N1/28GK101881708SQ20101020272
公开日2010年11月10日 申请日期2010年6月18日 优先权日2010年6月18日
发明者任熵, 刘德新, 吕开河, 张静, 李海涛, 赵修太, 邱广敏, 龙秋莲 申请人:中国石油大学(华东)
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