[发明专利]一种泥岩化学势扩散系数测试装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石油工程中的测试装置及方法，特别涉及一种泥岩化学势扩散系数测试装置及方法。

背景技术

井眼不稳定多数发生在泥页岩井段。钻井地层大约75%以上是由页岩构成,约有90%的井眼垮塌问题都与页岩不稳定性有关。井壁失稳问题每年造成的损失达5亿美元之多，因此，泥页岩稳定性研究非常重要。针对井壁失稳这一问题，国内外很多学者经过几十年的艰苦研究，已经形成了一套系统的研究方法。其整体的研究思路是从纯力学研究，到泥浆化学研究，到力学与化学耦合研究，再到力学、化学、热力学耦合研究。其中纯力学研究过程中经过了弹性力学时期，弹塑性力学时期，再后来发展到了多孔弹性力学阶段。力学研究主要从岩石力学、流-固耦合的角度研究井壁失稳机理及对策；化学研究主要从泥页岩水化应力的角度分析井壁失稳的机理及对策。70年代以前，这两方面研究各自独立进行，没有有机的结合起来。70年代到90年代，这两方面逐渐的结合起来，但只是处在实验研究层次。直至90年代后期，将力学因素与化学因素耦合起来进行泥页岩井壁稳定性研究才开始进入定量化数学描述阶段。直到21世纪初期，Lomba,Chenevert以及Sharma等人利用唯象规律，通过不可逆传递过程的“流”与“力”的耦合，将水力-电化学耦合起来。在最近几年，多场耦合井壁稳定研究均是以此方法为基础，进行横向扩展，即由力学-化学耦合向力学，化学，电势，热力等多场耦合方向发展。

中国专利文献公开号为202339307U，专利名称为《测定泥页岩吸水扩散系数装置》，公开了一种为能模拟井下温度和压力条件、测定泥页岩的吸水扩散系数以便指导油气田钻井作业而设计的，主要包括轴向压力加压装置、高温高压岩心夹持装置、围压加压装置、加温和测温装置、钻井液循环装置和高压釜装置和测量及采集装置，可模拟井内温度和围压的影响，测定泥页岩的吸水扩散系数，解决常规实验无法考虑泥页岩井下压力和温度的问题，为现场合理确定泥页岩地层安全泥浆密度窗口提供依据，为钻井过程中保持井壁稳定提供参考。该实用新型专利并没有对泥岩化学势扩散系数进行测试。

在国内外研究中，化学势扩散系数作为基础参数，是力学-化学耦合方法进行泥页岩井壁稳定性分析的前提条件。但是，国内外文献在化学势扩散系数的确定问题上仍只有理论计算方法，目前国内外还未见专门针对泥岩化学势扩散系数的实验研究。

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，提供一种泥岩化学势扩散系数测试装置及方法，通过对温度、压力以及岩样两端化学势差的控制，可模拟实际地层条件下不同流体类型驱动过程中泥岩内部流体的流动，经测试泥岩岩样两端压力及化学势变化，研究不同温压条件、不同类型流体作用下液体在泥岩内部的流动机理。

一种泥岩化学势扩散系数测试装置，包括压力控制系统、温度控制系统、高压釜及辅助数据采集与控制系统，其中压力控制系统分为围压加载系统、顶端压力加载系统及底端压力加载系统，所述的围压加载系统有围压泵，顶端压力加载系统有第一平流泵、第二平流泵、第一中间容器、第二中间容器、第一回压阀、第二回压阀、第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第四截止阀、第五截止阀和第六截止阀，底端压力加载系统有第三平流泵、第三中间容器、第七截止阀、第八截止阀，温度控制系统有恒温箱，高压釜放置在恒温箱中，岩样夹持器安装在高压釜中；辅助数据采集与控制系统包括第一压力传感器、第二压力传感器、第一化学势测试仪、第三压力传感器、第二化学势测试仪、第四压力传感器；

所述的岩样夹持器的顶端一路依次通过第一化学势测试仪、第一中间容器、第三截止阀、第一回压阀、第一截止阀和第一压力传感器连接到第一平流泵；岩样夹持器的顶端的另一路依次通过第二中间容器、第四截止阀、第二回压阀、第六截止阀和第二压力传感器连接到第二平流泵；

所述的岩样夹持器的底部的一路通过第二化学势测试仪、第四压力传感器、第七截止阀、第三中间容器连接到第三平流泵；岩样夹持器的底部的另一路连接第八截止阀；

所述的岩样夹持器的一侧通过第三压力传感器连接围压泵。

其中，所述的第一回压阀上连接第二截止阀；所述的第二回压阀上连接第五截止阀。

另外，所述的高压釜包括卡环、套环、高压釜壳体、底座，所述的高压釜壳体的底部设有开口，开口通过“王”字形的底座固定密封，底座的上部通过卡环将底座与高压釜壳体底部的卡槽固定在一起，并在卡环外侧设有套环固定；高压釜壳体的内腔安设岩样夹持器，高压釜壳体的顶部设有围压流体出口。