本发明涉及一种适用于欠平衡钻井的井壁稳定方法及实验装置。包括以下步骤：（一）确定泥页岩的地层水活度；（二）确定待钻地层孔隙压力；（三）计算地层温度；（四）利用膜效率测试实验装置测量地层膜效率；（五）根据钻井液液柱压力和井深确定钻井液密度；（六）如果确定钻井液密度，则确定钻井液液柱压力同地层压力之间的差值为欠压值，根据总势能平衡原理，利用欠压值获得化学势差，再根据化学势差和地层水活度确定钻井液活度；（七）根据确定结果调整钻井液密度或活度来保持井壁稳定。有益效果：充分考虑了化学势的作用，精确的给出保持地层总势能平衡时的钻井液密度，有效的防止了钻井液滤液侵入地层，提高了井壁稳定性，增强了欠平衡钻井技术的应用推广。
1.一种适用于欠平衡钻井的井壁稳定方法，其特征是包括以下步骤：
（一）利用等温吸附试验采集确定泥页岩的地层水活度；
（二）根据邻井测井数据和地层压力测试数据确定待钻地层孔隙压力；
（三）根据随钻测井的地层温度数据确定地层温度，或者根据地区的地温梯度计算地层温度；
（四）利用膜效率测试实验装置测量地层膜效率；所述的膜效率测试实验装置包括伺服控制注入泵（1）、恒温箱（7）、岩心夹持器（8）、计算机数据采集系统（19）、背压调节器（21）、储液箱（28），岩心夹持器（8）置于恒温箱（7）内，伺服控制注入泵（1）用于实现给岩心的下端钻井液提供压力和给岩心的上端钻井液提供循环压力，背压调节器（21）用于保持岩心夹持器（8）上端钻井液的流动压力恒定；计算机数据采集系统（19）用于实时采集和记录压力和恒温箱（7）中的温度；所述岩心夹持器（8）包括岩心夹持器上端盖（29）、岩心夹持器下端盖（30）、环氧树脂（9）和密封圈（31），岩心（10）夹在岩心夹持器上端盖（29）和岩心夹持器下端盖（30）之间，环氧树脂（9）将岩心的四周包裹形成规则的试样；
（五）如果确定使用某种钻井液时，则利用湿度计测量待用钻井液活度，确定钻井液与地层流体之间的化学势差，再根据总势能平衡原理，利用化学势差和地层孔隙压力确定钻井液液柱压力，根据钻井液液柱压力和井深确定钻井液密度；
（六）如果确定钻井液密度，则确定钻井液液柱压力同地层压力之间的差值为欠压值，根据总势能平衡原理，利用欠压值获得化学势差，再根据化学势差和地层水活度确定钻井液活度；
（七）根据确定结果调整钻井液密度或活度来保持井壁稳定。
2.根据权利要求1所述的适用于欠平衡钻井的井壁稳定方法，其特征是：所述的步骤（一）中的具体方法是：
（b）将页岩样品放置在200°F的烘箱中24小时，然后测量每个干页岩样品重量（Wd）；
（e）每天测量每个试样重量，直到重量不再增加，记录重量 ；
（f）根据页岩的吸附量和放置页岩的干燥器湿度绘制等温吸附曲线；
（g）利用原始含水量确定原始地层水活度ashale。
3.根据权利要求1所述的适用于欠平衡钻井的井壁稳定方法，其特征是：所述的步骤（四）中的膜效率测试实验装置中的伺服控制注入泵（1）通过第一高压管线（2）穿过恒温箱（7）的下端与岩心夹持器（8）的下端相连，第一高压管线（2）上设置第一阀门（3）、第一压力传感器（5）；伺服控制注入泵（1）用于实现给岩心的下端钻井液提供压力和给岩心的上端钻井液提供循环压力；第一阀门（3）用于控制岩心夹持器（8）下端钻井液的进出；第一压力传感器（5）用于指示和记录岩心夹持器（8）下端的钻井液压力；在第一阀门（3）和第一压力传感器（5）之间外接第二阀门（4），第二阀门（4）用于放空或调节岩心夹持器（8）下端面的钻井液压力；恒温箱（7）用于提供和保持膜效率测试时岩心夹持器（8）所需要的温度。
4.一种应用于权利要求1-3中任一项所述的适用于欠平衡钻井的井壁稳定方法中的膜效率测试实验装置，其特征是：包括伺服控制注入泵（1）、恒温箱（7）、岩心夹持器（8）、计算机数据采集系统（19）、背压调节器（21）、储液箱（28），岩心夹持器（8）置于恒温箱（7）内，伺服控制注入泵（1）用于实现给岩心的下端钻井液提供压力和给岩心的上端钻井液提供循环压力，背压调节器（21）用于保持岩心夹持器（8）上端钻井液的流动压力恒定；计算机数据采集系统（19）用于实时采集和记录压力和恒温箱（7）中的温度；所述岩心夹持器（8）包括岩心夹持器上端盖（29）、岩心夹持器下端盖（30）、环氧树脂（9）和密封圈（31），岩心（10）夹在岩心夹持器上端盖（29）和岩心夹持器下端盖（30）之间，环氧树脂（9）将岩心的四周包裹形成规则的试样。
5.根据权利要求4所述的适用于欠平衡钻井的井壁稳定方法中的膜效率测试实验装置，其特征是：所述的伺服控制注入泵（1）连接第二高压管线（11）的一端，第二高压管线（11）的另一端穿过恒温箱（7）的上端与岩心夹持器（8）的上端入口连接，第二高压管线（11）上设有第三阀门（12）和第二压力传感器（13），第三阀门（12）用于控制岩心夹持器（8）上端钻井液的流入，第二压力传感器（13）用于指示和记录岩心夹持器（8）上端入口处的钻井液压力；
第三高压管线（15）的一端与背压调节器（21）连接，另一端穿过恒温箱（7）的上端与岩心夹持器（8）的上端出口连接，第三高压管线（15）上设有第四阀门（20）和第三压力传感器（16）；第四阀门（20）用于控制岩心夹持器（8）上端钻井液的流出，第三压力传感器（16）用于指示和记录岩心夹持器（8）上端出口处的钻井液压力，背压调节器（21）用于保持岩心夹持器（8）上端钻井液的流动压力恒定，第四高压管线（22）将第五阀门（23）连接在第四阀门（20）和背压调节器（21）之间，第五阀门（23）用于放空和置换岩心夹持器（8）上端面的循环钻井液；
第五高压管线（27）的一端与背压调节器（21）连接，另一端与储液箱（28）的上端连接，第五高压管线（27）上设有第四压力传感器（25）和第六阀门（26）；第四压力传感器（25）用于指示和记录背压调节器（21）出口处的钻井液压力，第六阀门（26）用于控制背压调节器（21）出口处钻井液的流出，储液箱（28）用于收集循环流出的钻井液；
所述计算机数据采集系统（19）分别通过第一数据采集线（6）、第二数据采集线（14）、第三数据采集线（17）、第四数据采集线（18）和第五数据采集线（24）连接第一压力传感器（5）、第二压力传感器（13）、第三压力传感器（16）、恒温箱7和第四压力传感器（25），计算机数据采集系统（19）用于实时采集和记录第一压力传感器（5）、第二压力传感器（13）、第三压力传感器（16）、第四压力传感器（25）的压力和恒温箱（7）中温度。
6.根据权利要求4所述的适用于欠平衡钻井的井壁稳定方法中的膜效率测试实验
装置，其特征是：所述的岩心夹持器（8）包括岩心夹持器上端盖（29）、岩心夹持器下端盖（30）、环氧树脂（9）和密封圈（31），岩心（10）夹在岩心夹持器上端盖（29）和岩心夹持器下端盖（30）之间，环氧树脂（9）将岩心的四周包裹形成规则的试样，固定岩心同时防止钻井液从侧面渗出；与岩心接触的岩心夹持器上端盖（29）底面和岩心夹持器下端盖（30）顶面各有一个密封圈（31），密封圈（31）用来密封岩心、防止顶底端液体的相通。
7.根据权利要求6所述的适用于欠平衡钻井的井壁稳定方法中的膜效率测试实验装置，其特征是：所述的岩心夹持器上端盖（29）的下端面和岩心夹持器下端盖（30）的上端面分别设有凹槽，便于钻井液的流动；第二高压管线（11）和第三高压管线（15）分别与岩心夹持器上端盖（29）相连，第二高压管线（2）与岩心夹持器下端盖（30）相连。
一种适用于欠平衡钻井的井壁稳定方法及实验装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种油田钻井方法，特别涉及一种适用于欠平衡钻井的井壁稳定方法及实验装置。
背景技术
[0002] 欠平衡钻井是指钻井过程中钻井液的循环压力（包括液柱压力和循环回压），低于地层的孔隙压力，使地层的流体有控制的进入井筒并将其循环到地面的钻井技术。采用欠平衡钻井技术即可以提高机械钻速，延长钻头寿命，减少或消除漏失及压差卡钻，提高钻井效率、降低钻井直接成本；也可以发现新产层，减少油气层浸泡时间，减轻或消除钻井液对地层的侵入伤害，从而有效保护油气层，提高储层的累计产量。
[0003] 因此，欠平衡钻井技术在国内外得到了广泛的应用。从2007年开始，美国每年完成欠平衡钻井数都在12000口以上，约占每年钻井总数的26%，已成为打开储层的首选技术；国内近年来大力推广欠平衡钻井技术，截至到2012年，中国已完成欠平衡井1017口，应用效果显著；但欠平衡钻井的井壁稳定性问题一直没有得到有效的解决，已经成为制约欠平衡钻井技术发展的主要障碍。
[0004] 欠平衡钻井的井壁失稳多发生在泥页岩层段。泥页岩地层打开后，钻井液同地层接触后会发生压力传递和物质交换，造成地层压力变化和岩石强度降低，导致井壁失稳。地层压力传递和物质交换主要受两种因素控制：（1）钻井液液柱压力和地层孔隙压力之间的水力势差；（2）钻井液滤液同地层流体之间的化学势差。目前，欠平衡钻井的钻井液密度是根据地层坍塌压力、地层孔隙压力和设备的承压能力来设计的，只考虑了水力势差对地层压力传递和物质交换的影响，即保持液柱压力小于地层孔隙压力，而未考虑化学势对地层压力传递和物质交换的影响，从而导致在化学势的作用下钻井滤液侵入地层，造成井壁坍塌，卡钻等井下复杂情况。因此，只有保持钻井液和地层流体之间的水力势差和化学势差同时平衡，即总势能平衡，才能防止钻井液滤液侵入地层，降低地层强度，造成复杂事故和污染地层。
[0005] 综上所述，传统的欠平衡钻井液密度设计方法无法适用，以总势能平衡理论为基础发明一种简单、实用的欠平衡钻井井壁稳定设计方法对欠平衡钻井井壁稳定至关重要。
[0006] 中国专利申请号为200720187488.9的实用新型专利公布的半透膜膜效率测试仪及200420089356.9的实用新型专利公布的页岩膜效率测定仪均采用了将平衡状态的半透膜液的电导率同已知电导率比较，换算成半透膜膜效率的间接测量方法，只考虑了平衡状态下半透膜液性质的变化，忽略了泥页岩性质和孔隙结构对渗透压和膜效率的影响；中国专利申请号为200620034702.2的实用新型专利公布的钻井液半透膜测定装置只能进行常温条件下测试，无法测量实际地层温度下膜效率，同时只考虑了钻井过程中钻井液对岩心的浸泡，忽略了钻井液在井筒中的流动；泥页岩膜效率测定仪的研制，石油钻采工艺，2010年11期，作者，张岩，向兴金，鄢捷年，吴彬，赵磊；通过测量岩心两端溶液电阻率的变化，对比评价了不同钻井液体系的成膜效率，只能定性的分析，无法定量的给出泥页岩膜效率测量结果。泥页岩水化-力学耦合模拟实验装置与压力传递实验新技术以及石油学报2005年11月第26卷第6期徐加放，邱正松，吕开河 泥页岩膜效率测试装置及测试技术研究 石油机械2006年第34卷第8期 吕开河，邱正松，徐加放 虽然直接测量了渗透压和膜效率，但是只能利用规则的标准岩心开展实验，无法利用不规则的岩心和掉块开展实验，且实验装置复杂，不便现场操作使用。
发明内容
[0007] 本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种适用于欠平衡钻井的井壁稳定方法及实验装置，该方法能够以简单的设备和操作程序保持井壁稳定，提高欠平衡技术的应用推广。
[0008] 一种适用于欠平衡钻井的井壁稳定方法，包括以下步骤：
[0009] （一）利用等温吸附试验采集确定泥页岩的地层水活度；
[0010] （二）根据邻井测井数据和地层压力测试数据确定待钻地层孔隙压力；
[0011] （三）根据随钻测井的地层温度数据确定地层温度，或者根据地区的地温梯度计算地层温度；
[0012] （四）利用膜效率测试实验装置测量地层膜效率；所述的膜效率测试实验装置包括伺服控制注入泵（1）、恒温箱（7）、岩心夹持器（8）、计算机数据采集系统（19）、背压调节器（21）、储液箱（28），岩心夹持器（8）置于恒温箱（7）内，伺服控制注入泵（1）用于实现给岩心的下端钻井液提供压力和给岩心的上端钻井液提供循环压力，背压调节器（21）用于保持岩心加持器（8）上端钻井液的流动压力恒定；计算机数据采集系统（19）用于实时采集和记录压力和恒温箱（7）中的温度；所述岩心夹持器（8）包括岩心夹持器上端盖（29）、岩心夹持器下端盖（30）、环氧树脂（9）和密封圈（31），岩心（10）夹在岩心夹持器上端盖（29）和岩心夹持器下端盖（30）之间，环氧树脂（9）将岩心的四周包裹形成规则的试样；
[0013] （五）如果确定使用某种钻井液时，则利用湿度计测量待用钻井液活度，确定钻井液与地层流体之间的化学势差，再根据总势能平衡原理，利用化学势差和地层孔隙压力确定钻井液液柱压力，根据钻井液液柱压力和井深确定钻井液密度；
[0014] （六）如果确定钻井液密度，则确定钻井液液柱压力同地层压力之间的差值为欠压值，根据总势能平衡原理，利用欠压值获得化学势差，再根据化学势差和地层水活度确定钻井液活度；
[0015] （七）根据确定结果调整钻井液密度或活度来保持井壁稳定。
[0016] 上述的步骤（一）中的具体方法是：
[0017] （a）称量若干个重量为（WI）的页岩样品；
[0018] （b）将页岩样品放置在200°F的烘箱中24小时，然后测量每个干页岩样品重量（Wd）；
[0019] （c）则每个页岩样品的原始含水量为：
[0020] （1）
[0021] （d）将烘干的页岩试样放置在不同活度的干燥器中；
[0022] （e）每天测量每个试样重量，直到重量不在增加，记录重量 ；
[0023] （f）根据页岩的吸附量和放置页岩的干燥器湿度绘制等温吸附曲线；
[0024] （g）利用原始地层含水量确定原始地层水活度ashale。
[0025] 上述的步骤（四）中的膜效率测试实验装置中的伺服控制注入泵（1）通过第一高压管线（2）穿过恒温箱（7）的下端与岩心夹持器（8）的下端相连，第一高压管线（2）上设置第一阀门（3）、第一压力传感器（5）；伺服控制注入泵（1）用于实现给岩心的下端钻井液提供压力和给岩心的上端钻井液提供循环压力；第一阀门（3）用于控制岩心加持器（8）下端钻井液的进出；第一压力传感器（5）用于指示和记录岩心加持器（8）下端的钻井液压力；在第一阀门（3）和第一压力传感器（5）之间外接第二阀门（4），第二阀门（4）用于放空或调节岩心加持器（8）下端面的钻井液压力；恒温箱（7）用于提供和保持膜效率测试时岩心加持器（8）所需要的温度。
[0026] 本发明提到的适用于欠平衡钻井的井壁稳定方法中的实验装置，包括伺服控制注入泵（1）、恒温箱（7）、岩心夹持器（8）、计算机数据采集系统（19）、背压调节器（21）、储液箱（28），岩心夹持器（8）置于恒温箱（7）内，伺服控制注入泵（1）用于实现给岩心的下端钻井液提供压力和给岩心的上端钻井液提供循环压力，背压调节器（21）用于保持岩心加持器（8）上端钻井液的流动压力恒定；计算机数据采集系统（19）用于实时采集和记录压力和恒温箱（7）中的温度；所述岩心夹持器（8）包括岩心夹持器上端盖（29）、岩心夹持器下端盖（30）、环氧树脂（9）和密封圈（31），岩心（10）夹在岩心夹持器上端盖（29）和岩心夹持器下端盖（30）之间，环氧树脂（9）将岩心的四周包裹形成规则的试样。
[0027] 上述的伺服控制注入泵（1）连接第二高压管线（11）的一端，第二高压管线（11）的另一端穿过恒温箱（7）的上端与岩心夹持器（8）的上端入口连接，第二高压管线（11）上设有第三阀门（12）和第二压力传感器（13），第三阀门（12）用于控制岩心加持器（8）上端钻井液的流入，第二压力传感器（13）用于指示和记录岩心加持器（8）上端入口处的钻井液压力；
[0028] 第三高压管线（15）的一端与背压调节器（21）连接，另一端穿过恒温箱（7）的上端与岩心夹持器（8）的上端出口连接，第三高压管线（15）上设有第四阀门（20）和第三压力传感器（16）；第四阀门（20）用于控制岩心加持器（8）上端钻井液的流出，第三压力传感器（16）用于指示和记录岩心加持器（8）上端出口处的钻井液压力，背压调节器（21）用于保持岩心加持器（8）上端钻井液的流动压力恒定，第四高压管线（22）将第五阀门（23）连接在第四阀门（20）和背压调节器（21）之间，第五阀门（23）用于放空和置换岩心加持器（8）上端面的循环钻井液；
[0029] 第五高压管线（27）的一端与背压调节器（21）连接，另一端与储液箱（28）的上端连接，第五高压管线（27）上设有第四压力传感器（25）和第六阀门（26）；第四压力传感器（25）用于指示和记录背压调节器（21）出口处的钻井液压力，第六阀门（26）用于控制背压调节器（21）出口处钻井液的流出，储液箱（28）用于收集循环流出的钻井液；
[0030] 所述计算机数据采集系统（19）分别通过第一数据采集线（6）、第二数据采集线（14）、第三数据采集线（17）、第四数据采集线（18）和第五数据采集线（24）连接第一压力传感器（5）、第二压力传感器（13）、第三压力传感器（16）、恒温箱7和第四压力传感器（25），计算机数据采集系统（19）用于实时采集和记录第一压力传感器（5）、第二压力传感器（13）、第三压力传感器（16）、第四压力传感器（25）的压力和恒温箱（7）中温度。
[0031] 上述的岩心夹持器（8）包括岩心夹持器上端盖（29）、岩心夹持器下端盖（30）、环氧树脂（9）和密封圈（31），岩心（10）夹在岩心夹持器上端盖（29）和岩心夹持器下端盖（30）之间，环氧树脂（9）将岩心的四周包裹形成规则的试样，固定岩心同时防止钻井液从侧面渗出；与岩心接触的岩心夹持器上端盖（29）底面和岩心夹持器下端盖（30）顶面各有一个密封圈（31），密封圈（31）用来密封岩心、防止顶底端液体的相通；
[0032] 上述的岩心夹持器上端盖（29）的下端面和岩心夹持器下端盖（30）的上端面分别设有凹槽，便于钻井液的流动；第二高压管线（11）和第三高压管线（15）分别与岩心夹持器上端盖（29）相连，第二高压管线（2）与岩心夹持器下端盖（30）相连。
[0033] 相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果：
[0034] （1）充分考虑了化学势的作用，精确的给出保持地层总势能平衡时的钻井液密度，有效的防止了钻井液滤液侵入地层，提高了井壁稳定性，增强了欠平衡钻井技术的应用推广；
[0035] （2）在确定欠压值时，可以通过调节钻井液活度保持井壁稳定，既提高了机械钻速，延长钻头寿命，又提高了钻井效率、保障快速安全钻进；
[0036] （3）本发明提供的方法简单方便，可操作性强，应用效果好，具有广阔的推广前景，对现场钻井施工有较强的指导意义；
[0037] （4）本膜效率测试仪中利用环氧树脂密封岩心，克服了以往研究中无法测量不规则岩心或掉块的弊端，解决了试验岩心较难获取的困难，实现了利用井下掉块可以测试不同深度的地层膜效率，提高欠平衡钻井技术的应用范围，对现场应用更具指导性；
[0038] （5）本膜效率测试仪增加了恒温箱，实现了在高温条件下开展膜效率测试实验，克服了温度波动对测试结果产生误差的弊端。
附图说明
[0039] 图1为本发明所提出的新型欠平衡钻井井壁稳定计算方法流程图；
[0040] 图2为本发明的测试泥页岩膜效率的实验装置示意图；
[0041] 图3为恒温箱内岩心夹持器示意图；
[0042] 图4为岩心夹持器上端盖底端面剖面图；
[0043] 图5为岩心夹持器下端盖上端面剖面图；
[0044] 图6为等温吸附曲线图；
[0045] 图7为覆岩层压力剖面图
[0046] 图8为地层正常压力趋势线图；
[0047] 上图中：伺服控制注入泵（1）、第一高压管线（2）、第一阀门（3）、第二阀门（4）、第一压力传感器（5）、第一数据采集线（6）、恒温箱（7）、岩心夹持器（8）、环氧树脂（9）、岩心（10）、第二高压管线（11）、第三阀门（12）、第二压力传感器（13）、第二数据采集线（14）、第三高压管线（15）、第三压力传感器（16）、第三数据采集线（17）、第四数据采集线（18）、计算机数据采集系统（19）、第四阀门（20）、背压调节器（21）、第四高压管线（22）、第五阀门（23）、第五数据采集线（24）、第四压力传感器（25）、第六阀门（26）、第五高压管线（27）、储液箱（28）、岩心夹持器上端盖（29）、岩心夹持器下端盖（30）、密封圈（31）。
具体实施方式
[0048] 本发明提出的新型欠平衡钻井井壁稳定技术，结合附图和实施例说明如下。
[0049] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0050] 一、利用等温吸附试验采集了泥页岩地层水活度，具体的实验方法如下：
[0051] （1）称量若干个重量为（WI）的页岩样品；
[0052] （2）将页岩样品放置在200°F的烘箱中24小时，然后测量每个干页岩样品重量（Wd）；
[0053] （3）则每个页岩样品的原始含水量为：
[0054] （1）
[0055] （4）将烘干的页岩试样放置在不同活度的干燥器中；
[0056] （5）每天测量每个试样重量，直到重量不在增加，记录重量 。
[0057] （6）根据页岩的吸附量和放置页岩的干燥器湿度绘制等温吸附曲线。
[0058] （7）利用原始地层含水量确定原始地层活度ashale，具体如上图所示，根据原始地层页岩含水量确定原始地层水活度为0.915。
[0059] 二、根据邻井测井数据和地层压力测试数据确定待钻地层孔隙压力；
[0060] (1) 利用地层密度测井数据计算上覆岩层压力sv。
[0061] （2）
[0062] 式中： 是一定深度上覆压力梯度，g/cm3；sv是上覆岩层压力，MPa； 是上部3
无测井资料地层段平均密度，g/cm； 是上部无测井资料地层段厚度，m； 是一定深度
3
的密度散点数据，g/cm； 是深度间隔， ；H是井深，m。根据测井数据计算可以得到下图上覆岩层压力剖面。
[0063] (2) 利用临近的3-5口井声波时差测井数据建立该区域地层的正常压实趋势线，确定下式中系数A和B。
[0064] （3）
[0065] 式中 是深度h处的地层声波时差，μs/m；h是垂深，m；A和B是正常趋势线系数。建立的压力趋势线如下图所示。
[0066] (3) 根据地层上覆岩层压力和实际试油数据由下式求取地层指数c。
[0067] （4）
[0068] 其中，sv为上覆岩层压力，MPa；Pn为正常地层压力，MPa；Pp为实际地层压力，MPa；Dtn为预测深度正常趋势线上的声波时差，μs/m；Dts为预测深度地层实际声波时差，μs/m；
[0069] (4) 利用伊顿公式计算地层孔隙压力：
[0070] （5）
[0071] 其中，c为地区指数，Pp为预测的实际地层压力，MPa；。
[0072] 三、既可以根据随钻测井的地层温度数据确定地层温度，也可以根据地区的地温梯度由下式计算地层温度。
[0073]
[0074] 式中 是地层绝对温度梯度； 是地面平均温度，℃； 是地区地温梯度，℃/100m；H为地层深度，m。
[0075] 四、利用膜效率测试实验装置测量地层膜效率，具体的方法如下；
[0076] 如图2所示，膜效率测试实验装置，包括：伺服控制注入泵1，恒温箱7，岩心夹持器8，计算机数据采集系统19，背压调节器21，储液箱28，岩心夹持器8置于恒温箱7内。
[0077] 所述伺服控制注入泵1通过第一高压管线2穿过恒温箱7的下端与岩心夹持器8的下端相连，第一高压管线2上设置第一阀门3、第一压力传感器5；伺服控制注入泵1用于实现给岩心的下端钻井液提供压力和给岩心的上端钻井液提供循环压力；第一阀门3用于控制岩心加持器8下端钻井液的进出；第一压力传感器5用于指示和记录岩心加持器8下端的钻井液压力；在第一阀门3和第一压力传感器5之间外接第二阀门4，第二阀门4用于放空或调节岩心加持器8下端面的钻井液压力；恒温箱7用于提供和保持膜效率测试时岩心加持器8所需要的温度。
[0078] 第二高压管线11的一端与伺服控制注入泵1连接，另一端穿过恒温箱7的上端与岩心夹持器8的上端入口连接，第二高压管线11上设有第三阀门12和第二压力传感器13，第三阀门12用于控制岩心加持器8上端钻井液的流入，第二压力传感器13用于指示和记录岩心加持器8上端入口处的钻井液压力。
[0079] 第三高压管线15的一端与背压调节器21连接，另一端穿过恒温箱7的上端与岩心夹持器8的上端出口连接，第三高压管线15上设有第四阀门20和第三压力传感器16；第四阀门20用于控制岩心加持器8上端钻井液的流出，第三压力传感器16用于指示和记录岩心加持器8上端出口处的钻井液压力，背压调节器21用于保持岩心加持器8上端钻井液的流动压力恒定。第四高压管线22将第五阀门23连接在第四阀门20和背压调节器21之间，第五阀门23用于放空和置换岩心加持器8上端面的循环钻井液。
[0080] 第五高压管线27的一端与背压调节器21连接，另一端与储液箱28的上端连接，第五高压管线27上设有第四压力传感器25和第六阀门26；第四压力传感器25用于指示和记录背压调节器21出口处的钻井液压力，第六阀门26用于控制背压调节器21出口处钻井液的流出，储液箱28用于收集循环流出的钻井液。
[0081] 所述计算机数据采集系统19分别通过第一数据采集线6、第二数据采集线14、第三数据采集线17、第四数据采集线18和第五数据采集线24连接第一压力传感器5、第二压力传感器13、第三压力传感器16、恒温箱7和第四压力传感器25，计算机数据采集系统19用于实时采集和记录第一压力传感器5、第二压力传感器13、第三压力传感器16、第四压力传感器25的压力和恒温箱7中温度。
[0082] 如图3所示，所述岩心夹持器8，包括：岩心夹持器上端盖29、岩心夹持器下端盖30、环氧树脂9和密封圈31，岩心10夹在岩心夹持器上端盖29和岩心夹持器下端盖30之间，环氧树脂9将岩心的四周包裹形成规则的试样，固定岩心同时防止钻井液从侧面渗出；
与岩心接触的岩心夹持器上端盖29底面和岩心夹持器下端盖30顶面各有一个密封圈31，密封圈31用来密封岩心、防止顶底端液体的相通。如图3、图4所示，岩心夹持器上端盖29的下端面和岩心夹持器下端盖30的上端面分别设有凹槽，便于钻井液的流动；第二高压管线11和第三高压管线15分别与岩心夹持器上端盖29相连，第二高压管线2与岩心夹持器下端盖30相连。
[0083] 如图4所示，岩心夹持器上端盖29底端面剖面上带有凹槽，便于钻井液在岩心入口端面的流动；
[0084] 如图5所示，岩心夹持器下端盖30上端面剖面上带有凹槽，便于钻井液在岩心出口端面的流动；
[0085] 其中，模拟膜效率测试实验的方法，利用上述实验装置，具体实验步骤如下：
[0086] (1)、准备钻井液、地层流体和待实验的岩心；
[0087] (2)、将待实验的岩心10放置在环氧树脂9中，制成试验需要的标准样，将待实验的标准样安装在岩心夹持器8上，并置于恒温箱7中，调节恒温箱7中温度为设定温度；
[0088] (3)、岩心饱和阶段
[0089] ① 在伺服控制注入泵1内加满地层流体；打开第一阀门3、其余阀门均处于关闭状态，利用伺服控制注入泵1逐步给岩心夹持器8底端注入地层流体并增加压力，直到第一压力传感器5显示的压力数值达到设定值，稳定后关闭第一阀门3；
[0090] ② 打开第三阀门12，第四阀门20和第五阀门23，第一阀门3，第二阀门4和第六阀门26均处于关闭状态；利用伺服控制注入泵1逐步给岩心夹持器8顶端注入地层流体，地层流体岩心夹持器8顶端循环流动，当地层流体在第五阀门23出口处流出时，关闭第五阀门23，调节背压调节器21，打开第六阀门26，利用伺服控制注入泵1和背压调节器21控制岩心夹持器8顶端循环流动压力大于底端压力0.5MPa，并保持恒定。
[0091] ③ 利用计算机数据采集系统19采集及记录第一压力传感器5、第二压力传感器13、第三压力传感器16和第四压力传感器25压力数据，观察第二压力传感器13和第三压力传感器16，如果出现较大差异，则说明孔道堵塞，实验失败，如果压力相等，则实验正常；
此时观察第一压力传感器5的压力数据，当第一压力传感器5同第三压力传感器16的压力相等时，则岩心饱和阶段完成。
[0092] (4)、膜效率测试阶段
[0093] ① 在岩心饱和阶段完成后，将伺服控制注入泵1内流体替换为设计钻井液；并逐步给岩心夹持器8顶端注入，直到循环流出的钻井液流到储液箱28中。
[0094] ② 根据第三压力传感器16和第一压力传感器5记录的最大压差就是实际的膨胀压力s测量。
[0095] (5)、测试实验完成后，打开第二阀门4、第四阀门20、第五阀门23和第六阀门26，关闭第一阀门3和第三阀门12；将压力释放，流体放出，然后取出岩心，实验完毕。
[0096] (6)、膜效率计算。
[0097] 首先根据下式计算理论渗透压；
[0098]
[0099] 是气体常数，8.314J/(mol*K)， 是绝对温度，K， 是水的偏摩尔体积L/mol，是底端流体活度， 是顶端循环流体活度。
[0100] 再利用式7计算膜效率
[0101]
[0102] 五、如果确定使用某种钻井液时，则利用湿度计测量待用钻井液活度，确定钻井液与地层流体之间的化学势差，在根据总势能平衡原理，利用化学势差和地层孔隙压力确定钻井液液柱压力，根据钻井液液柱压力和井深确定钻井液密度；
[0103] 六、如果确定欠压值（钻井液液柱压力同地层压力之间的差值），根据总势能平衡原理，利用欠压值确定化学势差，再根据化学势差和地层水活度确定钻井液活度。
[0104] 七、根据确定结果调整钻井液密度或活度来保持井壁稳定。
[0105] 其中，总势能计算公式如下：
[0106]
[0107] ① 当已知钻井液活度时，计算方法如下：
[0108] 其中，钻井液与地层流体之间的化学势差计算公式如下：
[0109]
[0110] 式中， 为纯水的化学势， 是气体常数，是绝对温度， 是水的偏摩尔体积，是钻井滤液活度， 是泥页岩地层水活度。
[0111] 将式（9）带入式（8）可得到总势能平衡时井壁液柱压力为：
[0112]
[0113] 式中， 为地层水孔隙压力， 为井壁液柱压力， 为膜效率。
[0114] 其中，钻井液当量密度计算公式如下：
[0115]
[0116] 式中， 为钻井液当量密度，H为垂深。
[0117] ② 已知欠压值，计算方法如下：
[0118] 将式（9）带入式（8）得到
[0119]
[0120] 式中， 为欠压值。
[0121] 其中，钻井液活度计算公式如下：
[0122]
