[发明专利]多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置与方法

说明书

本发明公开了多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置与方法，包括可视化钻井物理模拟试验系统、钻机模拟系统、电加热温度加载系统、液压加载系统、气体模拟系统和控制系统，可视化钻井物理模拟试验系统包括固定承压板和五个移动承压板，固定承压板与五个移动承压板构成正方体密封室，正方体密封室用于装载煤岩试件，五个移动承压板的加压方向均垂直于自身平面；钻机模拟系统、电加热温度加载系统、液压加载系统和气体模拟系统均与控制系统电性连接。考虑钻井工程扰动多场耦合作用对模拟结果的影响，模拟环境更贴近实际地层环境，能可视化监测钻井过程中井周围岩变形破坏情况，使模拟结果更加准确，确保煤层气水平井钻井过程顺利完成。

技术领域

本发明涉及煤层气水平井钻井模拟试验技术领域，具体为多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置与方法。

背景技术

煤层气是形成于煤层又储集于煤层中的一种自生自储式非常规天然气，主要由甲烷（含量超过95%）和极少量较重的烃类（大部分为乙烷和丙烷）以及氮气、二氧化碳组成。我国煤层气资源极其丰富，但普遍属于低压、低孔和低渗储层，致使煤层气难以开采，效果甚差。因此，在煤层气开采过程中，人们经常会从煤储层中提取煤岩试样对其进行井壁稳定性分析，其目的是通过各种热力学实验分析出井周围岩的温度、应力和煤层气渗流变化规律和变形破坏情况等，从而确定合理的钻井液密度窗口，确保煤层气水平井钻井过程顺利完成。

在煤层气水平井开采过程中，井眼稳定性问题日益突出，煤层气井井周围岩的失稳破坏是煤岩体在钻井工程扰动下，受应力、温度和气体渗流场等因素多场耦合作用综合影响的复杂热动力学问题。煤层气井钻井过程破坏了原始地层环境，受地应力重分布、温度场和气体渗流场等因素变化的影响，井周煤岩原生结构会受到严重破坏，造成煤岩破碎、裂隙发育，致使煤岩力学强度显著降低，从而影响煤层气水平井井壁稳定性。

水平井开采是煤层气开发的主要钻井手段，但有关水平井井眼稳定的研究并不多见。钻井液性能不稳定、密度窗口设计不合理、清水充气不均等是欠平衡多分支井钻井水平段煤层破坏和井壁失稳的主要原因。煤层气储层井周煤岩失稳力学机理表现为受自身结构与所处地层环境变化影响的煤岩与煤层气多场耦合热动力学演化过程。目前，在钻井工程扰动导致地应力重分布、破坏原始地层温度及煤层气聚积等情况下，针对煤岩与煤层气多场耦合的热动力学行为特性研究鲜有报道，其基础理论及井周稳定关键技术成果极为匮乏，缺乏研究煤层气水平井井周稳定的现场先导实验、尚无较为准确的理论模型定量确定破裂压力和坍塌压力、井周失稳的机制尚不明确、缺少行之有效的煤层气水平井防喷防塌措施等。

目前对煤层气井井周围岩的研究主要是利用常规三轴力学实验装置（伪三轴、真三轴实验装置等）对标准圆柱体煤岩试件进行三轴力学特性测试、变形破坏及气体渗流情况分析等，但这些实验装置所提供的实验环境条件与煤层气井井下地层环境实际情况有很大差别，并且忽略了钻井工程扰动对实验结果的的显著影响，并不能反映在钻井工程扰动下煤层气水平井井周围岩的变形破坏情况及应力、温度和煤层气渗流变化情况，其实验结果的可靠性十分有限，并不能为煤层气水平井钻井过程的顺利完成提供强有力的施工指导。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置与方法，解决现有技术与装置不能获得在钻井工程扰动多场耦合作用下煤层气井井周围岩变形破坏规律、应力场、温度场和煤层气渗流场的变化规律且模拟试验环境不够贴切实际钻井过程地层环境等技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置，包括可视化钻井物理模拟试验系统、钻机模拟系统、电加热温度加载系统、液压加载系统、气体模拟系统和控制系统，所述可视化钻井物理模拟试验系统包括固定承压板和五个移动承压板，所述固定承压板与所述五个移动承压板构成正方体密封室，所述正方体密封室用于装载煤岩试件，所述五个移动承压板的加压方向均垂直于自身平面；