宋华　(长江大学电子信息学院，湖北 荆州 434023)

易国华　(长江大学期刊社，湖北 荆州 434023)



井壁稳定性综合模拟评价系统设计

宋华(长江大学电子信息学院，湖北 荆州 434023)

易国华(长江大学期刊社，湖北 荆州 434023)

[摘要]井壁稳定性综合模拟评价系统是利用压力传递及化学渗透原理设计开发的多用途试验装置，该试验装置利用钻井液在通过页岩样品时产生的水力压差和化学渗透作用，评定给定流体与页岩的反应，具有定量测定泥页岩渗透率、页岩膜效率和离子扩散系数的试验功能。设计了一种井壁稳定性综合模拟评价系统，主要包括系统的设备测试原理、机械结构设计方案、测控系统总体框架设计、下位机软件模块设计和上位机软件模块设计。所设计的系统具有信号采集、温度控制、压力控制和数据通信等功能，满足井壁稳定性方面的膜透率的测量和参数控制精度要求。

[关键词]井壁稳定性综合模拟评价系统；测试原理；机械结构；下位机软件模块；上位机软件模块

井壁不稳定问题是伴随石油钻井和完井作业过程中的重大工程技术难题，近年来如何提高膜效率来达到泥页岩井壁稳定成为了研究的重点。目前在实际钻井过程中，由于油基钻井液成本高及污染环境，限制了其在油田的广泛使用，而更多的使用水基钻井液。水基钻井液与泥页岩之间是否存在半透膜效应以及在何种条件下具备半透膜效应等问题已成为研究热点[1]。井壁稳定性综合模拟评价系统是利用压力传递及化学渗透原理设计开发的多用途试验装置。钻井液通过页岩样品时由于化学渗透作用在页岩样品两端会产生一定压力差，根据该压力差可计算出页岩膜透率，进而实现定量评价井壁的稳定性能。下面，笔者设计了一种井壁稳定性综合模拟评价系统。

1工作原理及计算

1.1设备测试原理

图1　测试原理示意

设备测试原理示意如图1所示。围压用于固定住岩心，在初始水力压差为0的条件下(P上游=P下游，即ΔP=0)，将岩心上游端与下游端分别通入活度不同的2种流体。若泥页岩存在一定的膜效率，将使岩样上下游两端形成一定化学势差，流体将发生相应的流动，并引起上下游两端的压力变化，通过压力传感器实时检测岩样下端封闭流体的动态压力变化，从而计算泥页岩的半透膜效率[2]。

1.2泥页岩-水基钻井液体系膜效率

钻井液与泥页岩孔隙流体的水活度之差诱导的理论渗透压定义为：

(1)

式中，ΔN为钻井液与泥页岩孔隙流体理论渗透压，MPa；T为绝对温度，K；V 为纯水的偏摩尔体积, 其值为17.3(cm3/mol)；a1、a2分别表示泥页岩和钻井液的水活度；R为理想气体常数,其值为8.314(cm3·MPa)/(mol·K)。

由于各种原因，泥页岩-水基钻井液体系半透膜具有非理想性，即半透膜有一定的漏失性，允许水分子通过，因此半透膜所诱导的渗透压小于理论渗透压。由于泥页岩两端化学势不同，引起两端流体压力的变化，岩样下端测试液压力的实际变化值与钻井液/孔隙流体理论渗透压的比值[3]，即为泥页岩的膜效率：

(2)

式中,σ为半透膜效率；ΔP为岩样下端试液压力降低值。

2总体方案设计

2.1机械结构设计方案

1.柱塞泵；2.容器1加压阀；3.快速接头；4.容器2加压阀；5.三轴压力室；　6.压力室排气阀；7.容器排气阀；8.气体减压阀；9.气源；10.中间容器；　11.围压压力表；12.围压吸液阀；13.围压泵；14.围压泵出液阀，　15.围压压力传感器；16.上游出口阀；17.下游泄压阀；18.下游压力表；　19.下游压力传感器；20.上游压力传感器；21.下游进口阀；22.上游压力表；　23.上游进口阀；24.上游泄压阀；25.活塞容器2；26.容器2出口阀；　27.容器1出口阀；28.活塞容器1。图2　整体机械结构

系统整体机械结构如图2所示。围压泵通过加压的方式把岩心固定在三轴室内，柱塞泵通过加压的方式分别把容器1和容器2内的不同流体注入到三轴室内的上游和下游。由于岩心两端化学势不同，引起两端流体压力变化，通过测量岩样下端试液压力的变化，再根据式(1)和式(2)即可得出半透膜效率。

2.2测控系统总体框架设计

测控系统总体框架如图3所示。该模拟评价装置的测控系统需要检测、控制三路压力和三路温度。三路温度传感器分别采集容器1、容器2和三轴压力室温度，三路压力传感器分别采集三轴压力室、岩心上游和岩心下游压力，五相电机用于给三轴压力室的岩心加围压，两相电机用于给岩心上游以及下游加压，加热丝用于给容器1、容器2及三轴压力室内的流体加热，串口用于实现下位机到上位机的数据通信[4]。

图3　测控板总体框架

2.3下位机软件模块设计

图4　下位机测控软件模块

下位机软件设计采用C语言进行程序设计，程序设计思路结合了C语言的自顶向下的模块化程序设计思想。主要完成测控系统和上位机的通信、AD转换、DA转换、温度控制和压力控制等功能。软件结构如图4所示。

2.4上位机软件模块设计

上位机软件模块设计采用VB语言进行设计。主要完成计算机与测控系统的通信、人机交互界面以及数据库相关操作。人机交互界面如图5所示。

图5　系统人机交互界面

3结语

该仪器已经投入到油田现场使用，实际应用表明该仪器的测量和控制精度均满足项目技术指标，数据采集模块工作稳定，温度和压力控制也满足项目要求，上位机和下位机程序暂无异常现象。笔者所设计的页岩稳定性综合模拟评价系统能保证轴围压静态精度±0.5%，上试液压力精度0.2%，控温精度±1℃，在上述精度下计算出的泥页岩渗透率以及膜透率具有参考价值。

[参考文献]

[1]卢拥军，胡星琪.钻井过程中的页岩稳定性问题[J].油田化学，1989(4)：357～363.

[2]李凡修，陈武.最小隶属度偏差法用于页岩稳定性的综合评价[J].钻采工艺，2002，25(6)：10～11.

[3]郭东荣，吕开河，孙明波，等.泥页岩稳定性综合评价[J].油田化学，1998，15(3)：197～200.

[4]刘同法.单片机外围接口电路与工程实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[编辑]洪云飞

[引著格式]宋华，易国华.井壁稳定性综合模拟评价系统设计[J].长江大学学报(自科版)，2015,12(34)：39~41.

[中图分类号]TE21

[文献标志码]A

[文章编号]1673-1409(2015)34-0039-03

通信作者：

[作者简介]宋华(1987-) ，男，硕士生，现主要从事检测与自动化装置方面的研究工作；易国华，229500441@qq.com。

[收稿日期]2015-08-25