井壁穩(wěn)定性綜合模擬評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋華　(長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

易國(guó)華　(長(zhǎng)江大學(xué)期刊社，湖北 荊州 434023)

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井壁穩(wěn)定性綜合模擬評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋華(長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

易國(guó)華(長(zhǎng)江大學(xué)期刊社，湖北 荊州 434023)

[摘要]井壁穩(wěn)定性綜合模擬評(píng)價(jià)系統(tǒng)是利用壓力傳遞及化學(xué)滲透原理設(shè)計(jì)開發(fā)的多用途試驗(yàn)裝置，該試驗(yàn)裝置利用鉆井液在通過頁(yè)巖樣品時(shí)產(chǎn)生的水力壓差和化學(xué)滲透作用，評(píng)定給定流體與頁(yè)巖的反應(yīng)，具有定量測(cè)定泥頁(yè)巖滲透率、頁(yè)巖膜效率和離子擴(kuò)散系數(shù)的試驗(yàn)功能。設(shè)計(jì)了一種井壁穩(wěn)定性綜合模擬評(píng)價(jià)系統(tǒng)，主要包括系統(tǒng)的設(shè)備測(cè)試原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、測(cè)控系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)、下位機(jī)軟件模塊設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件模塊設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有信號(hào)采集、溫度控制、壓力控制和數(shù)據(jù)通信等功能，滿足井壁穩(wěn)定性方面的膜透率的測(cè)量和參數(shù)控制精度要求。

[關(guān)鍵詞]井壁穩(wěn)定性綜合模擬評(píng)價(jià)系統(tǒng)；測(cè)試原理；機(jī)械結(jié)構(gòu)；下位機(jī)軟件模塊；上位機(jī)軟件模塊

井壁不穩(wěn)定問題是伴隨石油鉆井和完井作業(yè)過程中的重大工程技術(shù)難題，近年來如何提高膜效率來達(dá)到泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定成為了研究的重點(diǎn)。目前在實(shí)際鉆井過程中，由于油基鉆井液成本高及污染環(huán)境，限制了其在油田的廣泛使用，而更多的使用水基鉆井液。水基鉆井液與泥頁(yè)巖之間是否存在半透膜效應(yīng)以及在何種條件下具備半透膜效應(yīng)等問題已成為研究熱點(diǎn)[1]。井壁穩(wěn)定性綜合模擬評(píng)價(jià)系統(tǒng)是利用壓力傳遞及化學(xué)滲透原理設(shè)計(jì)開發(fā)的多用途試驗(yàn)裝置。鉆井液通過頁(yè)巖樣品時(shí)由于化學(xué)滲透作用在頁(yè)巖樣品兩端會(huì)產(chǎn)生一定壓力差，根據(jù)該壓力差可計(jì)算出頁(yè)巖膜透率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定量評(píng)價(jià)井壁的穩(wěn)定性能。下面，筆者設(shè)計(jì)了一種井壁穩(wěn)定性綜合模擬評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

1工作原理及計(jì)算

1.1設(shè)備測(cè)試原理

圖1　測(cè)試原理示意

設(shè)備測(cè)試原理示意如圖1所示。圍壓用于固定住巖心，在初始水力壓差為0的條件下(P上游=P下游，即ΔP=0)，將巖心上游端與下游端分別通入活度不同的2種流體。若泥頁(yè)巖存在一定的膜效率，將使巖樣上下游兩端形成一定化學(xué)勢(shì)差，流體將發(fā)生相應(yīng)的流動(dòng)，并引起上下游兩端的壓力變化，通過壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)巖樣下端封閉流體的動(dòng)態(tài)壓力變化，從而計(jì)算泥頁(yè)巖的半透膜效率[2]。

1.2泥頁(yè)巖-水基鉆井液體系膜效率

鉆井液與泥頁(yè)巖孔隙流體的水活度之差誘導(dǎo)的理論滲透壓定義為：

(1)

式中，ΔN為鉆井液與泥頁(yè)巖孔隙流體理論滲透壓，MPa；T為絕對(duì)溫度，K；V 為純水的偏摩爾體積, 其值為17.3(cm3/mol)；a1、a2分別表示泥頁(yè)巖和鉆井液的水活度；R為理想氣體常數(shù),其值為8.314(cm3·MPa)/(mol·K)。

由于各種原因，泥頁(yè)巖-水基鉆井液體系半透膜具有非理想性，即半透膜有一定的漏失性，允許水分子通過，因此半透膜所誘導(dǎo)的滲透壓小于理論滲透壓。由于泥頁(yè)巖兩端化學(xué)勢(shì)不同，引起兩端流體壓力的變化，巖樣下端測(cè)試液壓力的實(shí)際變化值與鉆井液/孔隙流體理論滲透壓的比值[3]，即為泥頁(yè)巖的膜效率：

(2)

式中,σ為半透膜效率；ΔP為巖樣下端試液壓力降低值。

2總體方案設(shè)計(jì)

2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

1.柱塞泵；2.容器1加壓閥；3.快速接頭；4.容器2加壓閥；5.三軸壓力室；　6.壓力室排氣閥；7.容器排氣閥；8.氣體減壓閥；9.氣源；10.中間容器；　11.圍壓壓力表；12.圍壓吸液閥；13.圍壓泵；14.圍壓泵出液閥，　15.圍壓壓力傳感器；16.上游出口閥；17.下游泄壓閥；18.下游壓力表；　19.下游壓力傳感器；20.上游壓力傳感器；21.下游進(jìn)口閥；22.上游壓力表；　23.上游進(jìn)口閥；24.上游泄壓閥；25.活塞容器2；26.容器2出口閥；　27.容器1出口閥；28.活塞容器1。圖2　整體機(jī)械結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。圍壓泵通過加壓的方式把巖心固定在三軸室內(nèi)，柱塞泵通過加壓的方式分別把容器1和容器2內(nèi)的不同流體注入到三軸室內(nèi)的上游和下游。由于巖心兩端化學(xué)勢(shì)不同，引起兩端流體壓力變化，通過測(cè)量巖樣下端試液壓力的變化，再根據(jù)式(1)和式(2)即可得出半透膜效率。

2.2測(cè)控系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)總體框架如圖3所示。該模擬評(píng)價(jià)裝置的測(cè)控系統(tǒng)需要檢測(cè)、控制三路壓力和三路溫度。三路溫度傳感器分別采集容器1、容器2和三軸壓力室溫度，三路壓力傳感器分別采集三軸壓力室、巖心上游和巖心下游壓力，五相電機(jī)用于給三軸壓力室的巖心加圍壓，兩相電機(jī)用于給巖心上游以及下游加壓，加熱絲用于給容器1、容器2及三軸壓力室內(nèi)的流體加熱，串口用于實(shí)現(xiàn)下位機(jī)到上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信[4]。

圖3　測(cè)控板總體框架

2.3下位機(jī)軟件模塊設(shè)計(jì)

圖4　下位機(jī)測(cè)控軟件模塊

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，程序設(shè)計(jì)思路結(jié)合了C語(yǔ)言的自頂向下的模塊化程序設(shè)計(jì)思想。主要完成測(cè)控系統(tǒng)和上位機(jī)的通信、AD轉(zhuǎn)換、DA轉(zhuǎn)換、溫度控制和壓力控制等功能。軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.4上位機(jī)軟件模塊設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件模塊設(shè)計(jì)采用VB語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要完成計(jì)算機(jī)與測(cè)控系統(tǒng)的通信、人機(jī)交互界面以及數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)操作。人機(jī)交互界面如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)人機(jī)交互界面

3結(jié)語(yǔ)

該儀器已經(jīng)投入到油田現(xiàn)場(chǎng)使用，實(shí)際應(yīng)用表明該儀器的測(cè)量和控制精度均滿足項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)，數(shù)據(jù)采集模塊工作穩(wěn)定，溫度和壓力控制也滿足項(xiàng)目要求，上位機(jī)和下位機(jī)程序暫無異?，F(xiàn)象。筆者所設(shè)計(jì)的頁(yè)巖穩(wěn)定性綜合模擬評(píng)價(jià)系統(tǒng)能保證軸圍壓靜態(tài)精度±0.5%，上試液壓力精度0.2%，控溫精度±1℃，在上述精度下計(jì)算出的泥頁(yè)巖滲透率以及膜透率具有參考價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1]盧擁軍，胡星琪.鉆井過程中的頁(yè)巖穩(wěn)定性問題[J].油田化學(xué)，1989(4)：357～363.

[2]李凡修，陳武.最小隸屬度偏差法用于頁(yè)巖穩(wěn)定性的綜合評(píng)價(jià)[J].鉆采工藝，2002，25(6)：10～11.

[3]郭東榮，呂開河，孫明波，等.泥頁(yè)巖穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)[J].油田化學(xué)，1998，15(3)：197～200.

[4]劉同法.單片機(jī)外圍接口電路與工程實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[編輯]洪云飛

[引著格式]宋華，易國(guó)華.井壁穩(wěn)定性綜合模擬評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2015,12(34)：39~41.

[中圖分類號(hào)]TE21

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1673-1409(2015)34-0039-03

通信作者：

[作者簡(jiǎn)介]宋華(1987-) ，男，碩士生，現(xiàn)主要從事檢測(cè)與自動(dòng)化裝置方面的研究工作；易國(guó)華，229500441@qq.com。

[收稿日期]2015-08-25