CN102305045A - 一种井筒裂缝模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井筒裂缝模拟装置，所述装置包括：井筒、裂缝模拟管；其中，井筒连接裂缝模拟管，井筒中心有内管，井筒外壁的上部有压力表、蹩压管线接头和泥浆回流口；井筒外壁的下部有用于连接裂缝模拟管的连接接口，在井筒外壁上有压力传感器接头；裂缝模拟管通过尾部法兰与井筒的连接接口相连接，所述裂缝模拟管内有水泥柱，所述水泥柱中间有一通道；裂缝模拟管的顶端有水泥裂缝浇筑短节，所述水泥裂缝浇筑短节中心有模拟裂缝，该模拟裂缝与水泥柱中间的通道相通。本发明提供的装置能够模拟钻井处理漏失的过程，测试堵漏材料对裂缝型漏失的封堵能力。

Description

一种井筒裂缝模拟装置

技术领域

本发明涉及石油钻井技术领域，特别是涉及一种井筒裂缝模拟装置。

背景技术

在现有石油钻井技术领域，当钻井出现裂缝问题后，不能很好判断钻井井筒的出现裂缝后，该使用什么样以及多少量的的堵漏材料；如果有一个装置能够模拟钻井处理漏失的过程，测试堵漏材料对裂缝型漏失的封堵能力；则能够更加快捷有效的处理井筒的漏失，减少损失。

但是，目前还没有针对实际尺寸井筒及与之相连通地层裂缝的流体漏失模拟装置，大部分的研究都针对在数值模拟状态或小型实验装置，没有专门的裂缝漏失评价与堵漏试验装置。

发明内容

本发明提供了一种井筒裂缝模拟装置，该装置能够模拟钻井处理漏失的过程，测试堵漏材料对裂缝型漏失的封堵能力。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明公开了一种井筒裂缝模拟装置，所述装置包括：井筒、裂缝模拟管；其中，井筒连接裂缝模拟管；井筒中心有内管，井筒外壁的上部有压力表、蹩压管线接头和泥浆回流口；井筒外壁的下部有用于连接裂缝模拟管的连接接口，在井筒外壁上有压力传感器接头；裂缝模拟管通过尾部法兰与井筒的连接接口相连接，所述裂缝模拟管内有水泥柱，所述水泥柱中间有一通道；裂缝模拟管的顶端有水泥裂缝浇筑短节，所述水泥裂缝浇筑短节中心有模拟裂缝，该模拟裂缝与水泥柱中间的通道相通。

在上述的装置中，所述井筒顶端为上法兰，上法兰通过螺栓与上法兰盖结合；井筒底部为下法兰，下法兰通过螺栓与下法兰盖结合；其中，上法兰盖中心有泥浆入口，所述泥浆入口与内管相通且为一体，内管尾部与下法兰盖之间有间隙。

在上述的装置中，所述井筒外壁的上部的压力表与蹩压管线接头位于同一水平位置。

在上述的装置中，所述井筒裂缝模拟装置进一步包括，高压注水管线和压力泵，其中，井筒的蹩压管线接头通过高压注水管线与压力泵相连接。

在上述的装置中，所述井筒外壁的下部有用于连接裂缝模拟管的接口，所述接口与井筒外壁上的压力传感器接头处于同一水平位置。

在上述的装置中，所述裂缝模拟管进一步包括：变径法兰；该变径法兰上有一通道；其中，裂缝模拟管管体的顶部法兰与水泥裂缝浇筑短节、变径法兰依次连接，通过螺栓进行固定。

在上述的装置中，所述裂缝模拟管的尾部法兰、井筒的连接接口的法兰之间有密封槽，在密封槽上置有密封圈进行密封；裂缝模拟管的顶部法兰与水泥裂缝浇筑短节之间有密封槽，在密封槽上置有密封圈进行密封；水泥裂缝浇筑短节与变径法兰之间有密封槽，在密封槽上置有密封圈进行密封。

在上述的装置中，所述裂缝模拟管有多个配套水泥柱，各水泥柱的通道的横截面的面积不同。

在上述的装置中，所述水泥裂缝浇筑短节与水泥柱浇筑在一起，所述水泥柱的通道的横截面的面积比水泥裂缝浇筑短节的模拟裂缝的横截面的面积小。

在上述的装置中，所述水泥柱的通道的横截面的高度为20mm～30mm，宽度为1mm～5mm；所述水泥裂缝浇筑短节的模拟裂缝的横截面的高度为40mm，宽度为10mm。

由上述可见，本发明提供的技术方案，创造出一个更接近实际裂缝的模拟装置。其中，井筒与真实井眼的尺寸相当，裂缝的材质为水泥跟地层性质更加接近，更有说服力；所述装置可以模拟整个钻井液循环的过程，模拟堵漏材料封堵裂缝的整个过程，评价堵漏材料的堵漏效果；该装置密封效果好，可以进行试压，增加了使用时的安全性。使用本发明提供的装置能够能更加准确的模拟实际的钻井过程中井筒出现裂缝，使用堵漏材料进行堵漏的过程。给实际操作提供依据。

附图说明

图1是本发明中一种实施例中的井筒裂缝模拟装置的结构示意图；

图2是本发明中一种实施例中的裂缝模拟管的剖面结构示意图；

图3是本发明中一种实施例中的井筒结构示意图；

图4是一种实施例中的使用本发明进行模拟实验的整体结构示意图；

图5是一种实施例中的使用本发明进行模拟实验的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

图1是本发明中一种实施例中的井筒裂缝模拟装置的结构示意图。如图1所示，所述井筒裂缝模拟装置包括井筒101以及安装在井筒上的裂缝模拟管102。其中，所述井筒101的外壁上有压力表107、蹩压管线接头108、泥浆回流口109、连接接口110、压力传感器接头112；井筒101的顶端为上法兰105，底部为下法兰113；所述上法兰105通过螺栓106与上法兰盖104紧密连接，其中，所述上法兰盖中心有泥浆入口103。其中，压力传感器接头112与连接接口110处于同一水平位置，用于连接压力传感器，所述压力传感器用于测试连接接口110处的压力变化。

井筒101内部有内管，所述内管与泥浆入口103相通且为一体。

裂缝模拟管102，通过尾部法兰与井筒101的连接接口110相连接，图2是本发明中一种实施例中的裂缝模拟管的剖面结构示意图；如图2所示，所述裂缝模拟管102包括：管体207、水泥柱208、水泥裂缝浇筑短节203、变径法兰111；其中，

管体207由金属等硬性材质制成，管体207的顶部和尾部都为法兰结构；其中所述管体207通过尾部法兰209与井筒101上的连接接口110相连接，所述尾部法兰209中有多个螺栓孔210，使用相应的螺栓将裂缝模拟管102固定在井筒101上。

在管体207内放入水泥柱208，所述水泥柱208中间有一通道212，所述水泥柱的通道的横截面的高度为20mm～40mm，宽度为1mm～5mm；所述水泥裂缝浇筑短节203由金属材料制成，中心有模拟裂缝，水泥裂缝浇筑短节203、变径法兰111，以及顶部法兰204的法兰结构上有对应的螺栓孔，所述水泥裂缝浇筑短节203的模拟裂缝的横截面的高度为40mm，宽度为10mm；其中，所述水泥裂缝浇筑短节203的模拟裂缝与水泥柱208中间的通道相通。在每一组实验中，所述水泥柱208的通道的横截面的面积要比所述水泥裂缝浇筑短节203的模拟裂缝的横截面的面积小，而且所述水泥柱208的通道的横截面的宽度要比所述水泥裂缝浇筑短节203的模拟裂缝的横截面的宽度小。其中，所述横截面为以垂直与水泥柱体头尾连线的方向进行截面。即所述水泥裂缝浇筑短节的模拟裂缝不会影响水泥柱中心的通道中流体的流动。水泥裂缝浇筑短节用于连接水泥柱，实现所述裂缝模拟装置的密封。

如图2所示的裂缝模拟管的变径法兰111、水泥裂缝浇筑短节203与管体207的顶部法兰204依次连接；其中，所述变径法兰111为一法兰盖中间有一圆柱形通道，所述通道的直径小于管体的直径。

在本发明的一个具体实施例中，所述变径法兰111用于连接一个球阀，该球阀用于控制所述裂缝模拟管内流体流通与否。为了保证整个装置的气密性，在本发明的一个实施例中，将所述水泥柱与水泥裂缝浇筑短节浇筑成一个整体。

在使用本发明进行裂缝模拟的过程中，需要对不同的裂缝进行模拟操作；故所述井筒裂缝模拟装置携带多个配套的水泥柱，不同的水泥柱的通道的横截面的面积不同，所述裂缝模拟管的水泥浇筑短节的模拟裂缝的横截面可以相同也可以不同，以该水泥浇筑短节的模拟裂缝的不影响水泥柱的通道中流体的流速为准，即所述模拟裂缝的横截面的宽度/高度都大于所述水泥柱的宽度/高度；所述水泥柱的通道用于井筒裂缝的模拟。

为了保证所述井筒裂缝模拟装置的气密性，在所述尾部法兰的连接处有密封槽211，顶部法兰的连接处有密封槽205，在所述密封槽211以及密封槽205中放置有密封圈；同样在井筒101的上法兰和下法兰的连接处也同样设置有相应的密封槽，在该密封槽内放置密封圈进行密封。在变径法兰111上有一个密封槽213，在密封舱213内放入密封圈保证变径法兰111与水泥浇筑短节203之间的气密性，在管体207的顶部法兰204上有一个密封槽205，在密封槽205内放入密封圈保证管体207与水泥浇筑短节203之间密封；在变径法兰111、水泥浇筑短节203以及管体207的顶部法兰204上有对应的螺栓孔，通过相应的螺栓将变径法兰111、水泥裂缝浇筑短节203与管体207的顶部法兰204依次连接。

图3是本发明中一种实施例中的井筒结构示意图，如图3所示，井筒101为中空的圆柱体，由抗压防腐蚀的金属材质制成；井筒101的两端为法兰结构，其中上法兰105与上法兰盖104有多个对应的螺栓孔，通过多个相应的螺栓106将上法兰105与上法兰盖104紧密结合；在所述上法兰盖104上有一圆柱形的泥浆入口103，该泥浆入口103与井筒101内的内管116相同且为一体。井筒101底部的下法兰113与下法兰盖114有多个对应的螺栓孔，通过多个对应的螺栓115将井筒101底部密封；其中，在上法兰105与上法兰盖104之间，以及下法兰113与下法兰盖114之间都存在密封槽，在所述密封槽上放置有密封圈，保证井筒101整体的密封性。

如图3所示的井筒101，在井筒101的外壁的上部有压力表107、蹩压管线接头108和泥浆回流口109，其中所述压力表107与蹩压管线接头108在同一水平位置；井筒外壁的下部有用于连接裂缝模拟管的连接接口110，在井筒101外壁上有压力传感器接头112，所述压力传感器接头112与连接接口110在同一水平位置；用于连接压力传感器，所述压力传感器用于测量通向裂缝模拟管102的流体的压力大小。

在本发明的实施例中所述内管116使用抗压防腐蚀的金属材质制成。为了实现真实的模拟井筒裂缝，所述井筒101的直径与真实井眼的尺寸相当，裂缝模拟管的内层材质为水泥，与地层的性质接近，更有说服力。

图4是一种实施例中的使用本发明进行模拟实验的整体结构示意图，如图4所示，井筒101的泥浆入口接第一球阀406，井筒101的泥浆回流口109接第二球阀405，裂缝模拟管102的出口处接第三球阀407，即第三球阀407与裂缝模拟管102的变径法兰相连接；其中井筒101上的蹩压管线接口与加压泵404相接，通过加压泵404给井筒加压；泥浆池403内的泥浆由相应的管道经泥浆入口406进入井筒101，在泥浆池403与井筒的泥浆入口之间的管道上有第一球阀406以及第一流量计409；通过井筒101上泥浆回流口109回流到泥浆池403；在裂缝模拟管102与泥浆池403之间有一通道，泥浆池403中的泥浆通过裂缝模拟管102可以回流到泥浆池403中，在裂缝模拟管102与泥浆池403之间的通道上安装有第三球阀407以及第二流量计408。

图5是一种实施例中的使用本发明进行模拟实验的流程图。如图5所示，

步骤501，将本发明中的井筒裂缝模拟装置与泥浆池403，加压泵404连接好后，进行清水试压过程：

在步骤501中，首先关闭第三球阀407，向井筒101内灌水至满，然后关闭第一球阀406、第二球阀405，用加压泵403对井筒101进行缓慢加压。当井筒101上的压力表显示5MPa，停止加压，观察压降，如果过了5分钟，其压降为零，说明所述装置安装密封可靠，可以进行试验，反之则再检查安装情况，确保所述装置的气密性。

步骤502，将第一球阀406、第二球阀405、第三球阀407置为开启状态；泥浆池403中的泥浆从井筒101的泥浆入口103进入，从井筒101的泥浆回流口109返回泥浆池403；循环10分钟至漏速稳定。

在步骤502中，因为裂缝模拟管102中有裂缝存在，其中一部分泥浆经裂缝模拟管102回流至泥浆池，从第二流量计408中可以得出裂缝的漏速，从第一流量计409中得出泥浆池403中的泥浆流入井筒的流速。

步骤503，向泥浆池403中加入一定量的堵漏材料搅拌均匀，循环，观察第二流量计408的数值变化，每5分钟记录一次漏失量，如仍有漏失，则重复前面工作增加堵漏材料，如漏失被控制，即漏失量为零，则巩固循环30分钟后停止循环。

步骤504，关闭第一球阀406、第二球阀405、第三球阀407，利用加压泵给井筒101内的泥浆加压，达到一定的压强后，停止加压。

步骤505，开启第三球阀407，同时观察在该压力下第二流量计408的变化并记录，通过多次试验，统计分析数据，评价该堵漏材料在处理裂缝型漏失情况时的性能。

在发明的一种实施例中，使用的装置耐温：小于100℃；装置耐压：15MPa；连接的管线耐压：大于16MPa，小于30MPa；接头钢级：J55或J55以上(按照套管API标准)。

在本发明的一个具体实施中，使用本发明提供的井筒裂缝模拟装置进行井筒裂缝模拟实验的过程，其中，泥浆池中使用泥浆配方：水+土粉，土粉含量4.5％，养护24小时。裂缝模拟管的模拟裂缝尺寸：缝长500mm，缝宽30mm，缝高1mm。测试堵漏材料：随钻堵漏剂I。使用上述材料进行井筒裂缝模拟实验，记录的测试过程如下：

如图5中的步骤502所述，将第一球阀406、第二球阀405、第三球阀407置为开启状态，测试第三球阀407的流速即漏速，一共三次，测试结果如表1所示。

测试漏速I	测试漏速II	测试漏速III	平均值
				511ml/min	528ml/min	518ml/min	519ml/min

表1

如图5中的步骤503所述，第三球阀407显示有流速即存在漏失，则在泥浆池403中加入堵漏材料，即加随钻堵漏剂I，加量1％，搅拌循环10分钟后，观察第三球阀407处有漏失。

第一次加完堵漏材料后，第三球阀407处有漏失；则在泥浆池403中第二次加随钻堵漏剂I，加量1％，搅拌循环10分钟，观察第三球阀407处有漏失。

第二次加完堵漏材料后，第三球阀407处有漏失；则在泥浆池403中第三次加随钻堵漏剂I，加量1％，搅拌循环10分钟，观察第三球阀407处无漏失。

如图5中的步骤504所述，巩固循环30分钟，关闭将第一球阀406、第二球阀405、第三球阀407；使用加压泵404将钻井液加压至0.5MPa，开启第三球阀407，测试流速，数据如下表2所示。

测试漏速I	测试漏速II	测试漏速III	平均值
				16ml/10s	14ml/10s	14ml/10s	15.3ml/10s

表2

进行了上述实验后得出测试结果。所述测试结果说明：随钻堵漏剂I加量在3％时，对水泥柱的通道的规格为通道长500mm，通道的横截面的高度为30mm，通道的横截面的宽度为1mm有很好的封堵效果，在0.5MPa的压力下，通过该裂缝的漏速平均值为91.8ml/min，封堵效果良好。

由上述可见，本发明提供的技术方案，创造出一个更接近实际裂缝的模拟装置。其中，井筒与真实井眼的尺寸相当，裂缝的材质为水泥跟地层性质更加接近，更有说服力；所述装置可以模拟整个钻井液循环的过程，模拟堵漏材料封堵裂缝的整个过程，评价堵漏材料的堵漏效果；该装置密封效果好，可以进行试压，增加了使用时的安全性。使用本发明提供的装置能够能更加准确的模拟实际的钻井过程中井筒出现裂缝，使用堵漏材料进行堵漏的过程。给实际操作提供依据。

本发明提供的技术方案，主要用于地层裂缝的模拟，得以评价堵漏材料的使用性能，针对裂缝型漏失，模拟地层裂缝形态，对堵漏泥浆处理漏失有一个直观的表现。并且能够检验堵漏泥浆的承压能力。其中，井筒结构符合真实钻井过程中钻井液循环方式，并且能够提供相关的数据，如钻井液流速、钻井液的压力。为后续的判断提供科学依据。其次，水泥柱的通道的设计接近地层真实裂缝，并且有调整性，能变换裂缝的大小，要提供裂缝的漏速数据。其次，可以检验堵漏材料的承压能力，检验整套系统的可靠性，进行蹩压试验，确保使用安全。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种井筒裂缝模拟装置，其特征在于，所述装置包括：井筒、裂缝模拟管；其中：

井筒连接裂缝模拟管，井筒中心有内管，井筒外壁的上部有压力表、蹩压管线接头和泥浆回流口；井筒外壁的下部有用于连接裂缝模拟管的连接接口，井筒外壁上有压力传感器接头；

裂缝模拟管通过尾部法兰与井筒的连接接口相连接，所述裂缝模拟管内有水泥柱，所述水泥柱中间有一通道；裂缝模拟管的顶端有水泥裂缝浇筑短节，所述水泥裂缝浇筑短节中心有模拟裂缝，该模拟裂缝与水泥柱中间的通道相通。

2.根据权利要求1所述的井筒裂缝模拟装置，其特征在于，

所述井筒顶端为上法兰，上法兰通过螺栓与上法兰盖结合；井筒底部为下法兰，下法兰通过螺栓与下法兰盖结合；其中，上法兰盖中心有泥浆入口，所述泥浆入口与内管相通且为一体，内管尾部与下法兰盖之间有间隙。

3.根据权利要求1所述的井筒裂缝模拟装置，其特征在于，

所述井筒外壁的上部的压力表与蹩压管线接头位于同一水平位置。

4.根据权利要求1所述的井筒裂缝模拟装置，其特征在于，

所述井筒裂缝模拟装置进一步包括，高压注水管线和压力泵，其中，井筒的蹩压管线接头通过高压注水管线与压力泵相连接。

5.根据权利要求1所述的井筒裂缝模拟装置，其特征在于，

所述井筒外壁的下部有用于连接裂缝模拟管的接口，所述接口与井筒外壁的压力传感器接头处于同一水平位置。

6.根据权利要求1所述的井筒裂缝模拟装置，其特征在于，

所述裂缝模拟管进一步包括：变径法兰；该变径法兰上有一通道；其中，变径法兰、裂缝模拟管的顶部法兰、水泥裂缝浇筑短节依次连接，通过螺栓进行固定。

7.根据权利要求6所述的井筒裂缝模拟装置，其特征在于，

所述裂缝模拟管的尾部法兰、井筒的连接接口的法兰之间有密封槽，在密封槽上置有密封圈进行密封；裂缝模拟管的顶部法兰与水泥裂缝浇筑短节之间有密封槽，在密封槽上置有密封圈进行密封；水泥裂缝浇筑短节与变径法兰之间有密封槽，在密封槽上置有密封圈进行密封。

8.根据权利要求7所述的井筒裂缝模拟装置，其特征在于，

所述裂缝模拟管有多个配套的水泥柱，各水泥柱的通道的横截面的面积不同。

9.根据权利要求8所述的井筒裂缝模拟装置，其特征在于，

所述水泥裂缝浇筑短节与水泥柱浇筑在一起，所述水泥柱的通道的横截面的面积比水泥裂缝浇筑短节的模拟裂缝的横截面的面积小。

10.根据权利要求9所述的井筒裂缝模拟装置，其特征在于，

所述水泥柱的通道的横截面的高度为20mm～30mm，宽度为1mm～5mm；所述水泥裂缝浇筑短节的模拟裂缝的横截面的高度为40mm，宽度为10mm。

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