CN103032065A - 一种水平井完井模拟试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油田水平井完井模拟试验装置，包括机械系统、液压系统、注油系统和监控测试系统；机械系统提供机械部件，液压系统为模拟地层提供压力，注油系统给模拟地层四周注入等压的模拟原油，监控测试系统控制试验装置运行和测试动态参数。本发明还涉及使用该装置进行水平井完井模拟试验的方法，试验时液压系统通过向胶囊注入液压油压实模拟地层；注油泵站将模拟原油注入模拟地层，模拟原油渗入井筒，然后从井筒流出进入油砂分离器、冷却器，最后流入注油泵站；检测系统实时检测和控制整个装置的运行。本发明模拟水平井尤其是低渗透油藏水平井完井方式合理、测试方法可靠、工作稳定，能为生产现场制订不同完井方式和完井参数。

Description

一种水平井完井模拟试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种油田完井技术领域，具体涉及一种水平井完井模拟试验装置及试验方法。

背景技术

完井技术对充分发挥水平井在提高低渗油藏产能和采收率中的作用十分突出，而目前完井技术水平已跟不上低渗油藏水平井开发要求，部分技术与国外尚存在较大差距，完井技术现状制约着低渗油藏水平井的高效开发，主要表现在以下几个方面：                                                

水平井完井方式确定不科学，完井方式与油藏适应性考虑不够；

水平井完井参数缺乏系统优化和定量评价方法，目前大部分是通过理论计算获得，缺乏试验的验证，造成油井采收率低；

水平井筛管完井面临后期储层改造、水平段提前水淹等问题。目前对于问题

，目前由于还没有一种相应的试验装置及方法来验证理论数据的准确性，造成了完井作业出现一系列的问题，严重制约了整个系统的作业效率。

发明内容

本发明就是针对上述缺陷，提供一种水平井完井模拟试验装置及试验方法

，该水平井完井模拟试验装置及试验方法能模拟各种油藏特别是低渗油藏地层特性、温度、压力和不同完井方式，测试井眼里的产液剖面变化规律，评价不同完井方式的完井效果，为水平井完井参数优化设计提供必要的试验基础，实现低渗油藏水平井完井方式的优选及完井参数的优化。

    其原理为：根据实际需要选用合适的物质来模拟地层，比如可以采用具有一定粒径范围的细而坚硬的颗粒状物质，例如细砂、二氧化硅珠等，优选石英砂混合物，通过提供不同的压力可得到不同渗透率的模拟地层。通过加压系统对模拟地层施加压力，注油系统给模拟地层四周注入等压的模拟原油，注入地层的模拟原油通过带孔缝的井筒后流出，监控测试系统是控制整个试验装置的运行和测试试验过程中的动态参数，最后获得井筒不同位置模拟原油的压力和流量参数，获得注入模拟原油和井筒出口模拟原油的流量、压力和温度参数，为制订不同完井方式和完井参数优化提供重要的试验数据。

本发明是通过以下技术方案实现的：

首先给出一种水平井完井模拟试验装置：包括砂盒及与其配合的地层加压系统、注油系统、监控测试系统；砂盒内设有一端封闭的井筒，井筒圆柱面上设有渗流孔，用来模拟不同完井方式下的水平井井眼。

为了保证模拟地层加压以及原油注入过程的安全性，所述的砂盒外还设有承压体。

为了达到安全、稳定、均匀的对模拟地层进行加压，所述的地层加压系统包括液压系统和位于砂盒空腔内的胶囊，胶囊分布于砂盒中模拟地层的底部和顶部。

为了达到将油加热到不同温度来准确模拟不同粘度的原油的目的，所述注油系统注油系统包括依次连接的注油泵站、加热器、油砂分离器、冷却器，其中注油系统在加热器后通过油管连接砂盒内的模拟地层，再通过井筒与油砂分离器连接。

为了提高操作操作自动化程度以及数据处理速度，所述监控测试系统包括操作控制台、工控计算机、PLC、传感器、放大器、A/D转换器、数据采集卡和监控测试应用软件；传感器主要为流量、压力和温度传感器，测试井筒中模拟原油的流量优先采用高精度超声波流量传感器，井筒中模拟原油的压力测试方法采用将各测试点引流后用高精度压力传感器测试。

为了减少人力，降低劳动强度，上述装置其结构还包括砂盒移动机构和砂盒翻转机构。

为了保持注入地层四周的模拟原油的压力相同，所述的砂盒腔体四周还设有等压网，所述的等压网设计成一面开有小孔缝的方钢组焊件。同时在方钢开有小孔缝的一面安装不同目数的渗流网。

上述方案还包括以下优选方案：

承压体由椭圆壳体、支撑筋和支撑块形成一个内腔为长方形，外形为椭圆体形状的物体，让压实石英砂混合物的巨大压力变成内部应力。砂盒由箱体、前后支撑筋、蒙皮组成，用于盛放模拟地层压石英砂混合物，砂盒移动机构由电机、变速器、链轮、链条组成，用于控制砂盒进入和退出承压壳体，砂盒翻转机构采用液压系统用来控制砂盒退出承压体后的翻转，便于清除砂盒中的石英砂混合物。

为保证砂盒能自动方便地进出承压体的内腔体，承压体侧面支撑块安装了一定斜度的楔块，砂盒侧面则加工成一定斜度，使承压体内腔体侧面与砂盒侧面形成一定锥度的斜面，同时砂盒底部安装有滚子，便于砂盒在承压体内腔轨道上移动。

井筒用一定壁厚的钢筒制成，钢筒一端密闭，钢筒圆柱面上开有一定密度的渗流孔，渗流孔在井筒上的多少可以调节，渗流孔的多少取决于不同完井方式下孔眼的打开程度。

加压系统由液压泵站、胶囊、真空泵、高压油管、快速高压接头组成。砂盒中顶面和底面各平均放置胶囊多个，注油泵站向胶囊注入液压油，胶囊膨胀后将砂盒中的石英砂混合物压实，压实石英砂混合物的压力大小用监控测试系统调节。真空泵用来在试验完成后将胶囊的液压油抽回到注油泵站。

接着给出上述水平井完井模拟试验装置的试验方法：将砂盒内填满用来模拟地层的物质，并将井筒安装于砂盒的模拟地层中间；然后通过地层加压系统压实模拟地层，并保持试验所需压力恒定；接着根据试验需要压力，通过注油系统将原油注入模拟地层，模拟原油渗入井筒，并从井筒开口一端流出；监视测试系统实时检测和控制整个装置的运行，采集必要的动态参数进行处理。

    上述方法的优选方案还包括：所述的压实模拟地层是通过向分布在模拟地层底部和顶部的胶囊中注入液压油来实现的，所述的用来模拟地层的物质优选石英砂混合物。

    上述试验方法进一步优选方案为：按照下述具体步骤进行：

（1）打开监控测试系统，将砂盒移到承压体外面，在砂盒底部安装好底面胶囊后开始填模拟地层，填到砂盒中间位置时，安装好带有传感器的井筒后继续装填模拟地层直到指定位置后，再安装顶面的胶囊；

（2） 将砂盒移动到承压体内腔，用快速接头连接好液压系统油管和胶囊接头，用快速接头连接好注油系统油管与砂盒中注油管接头；

（3） 启动液压系统，根据模拟地层的渗透率大小确定注入胶囊的液体压力，并且在试验过程中保证液压系统的压力恒定；

（4） 启动注油系统，首先通过加热器将模拟原油加热到试验需要的原油温度，根据试验要求确定注入模拟地层的原油压力，然后保持注液压力恒定将模拟原油注入到模拟地层中，模拟原油通过模拟地层渗透到井筒中，井筒中的高温模拟原油通过井筒的输出管路，先从井筒中输出到油砂分离器，之后输入冷却器，冷却模拟原油；在试验过程中，监控测试系统的硬件和监控测试应用软件全程测试和记录试验过程中的流量、压力和温度等动态参数；

（5）停止试验时，首先停止注油系统的注液泵站，在停止液压系统的注油泵站，然后开启液压系统的真空泵，将砂盒中胶囊中的全部液压油抽回到液压系统的油箱；

（6）通过监控测试系统启动砂盒移动机构，将砂盒从承压体内腔移出后取掉砂盒上面的胶囊；

（7）通过监控测试系统启动液压系统控制砂盒翻转机构，将砂盒倾斜，取出砂盒中的模拟地层；

（8）试验结束后，通过监控测试应用软件自动输出动态参数的测试曲线和试验报告。

本发明装置结构简单、自动化程度高、工作可靠、易于操作，能模拟水平井尤其是低渗油藏水平井的不同完井方式，测试不同渗透率地层、原油渗流压力和温度改变后水平井井眼的流量和压力的变化数据。在建立水平井完井物理模拟模型时应用了模型井筒尺寸和现场井筒尺寸的几何相似，模型油藏和现场近井油藏的近井油藏流体流动相似，模型井筒流动和现场井筒流动的井筒内流动相似。在该模拟试验装置中可以通过测试不同完井方式水平井眼的流量和压力变化，评价水平井完井效果。

本发明能够模拟较大面积的低渗油藏地层的水平井完井方式，同时还具有下述有益的技术效果：

(a) 通过测定井筒内节点流速及流入孔眼的流量，验证理论模型的可靠性和掌握水平段井眼流率的分布规律；

(b) 通过改变井筒的孔眼打开程度，验证变密度射孔等完井方式调节流率剖面的可行性；

(c) 通过理论计算与实测的动态参数对比，验证基于空间线源函数所建立的低渗油藏水平井渗流模型用于实际油藏的渗流过程。

附图说明

图1是水平井完井模拟试验装置优选实施例的工作状态示意图；

图2是水平井完井模拟试验装置优选实施例的填砂状态示意图；

图3是水平井完井模拟试验装置优选实施例的砂盒内部井筒安装示意图；

图4是水平井完井模拟试验装置优选实施例的卸砂示意图。

其中：操作控制台1，真空泵2，液压泵站3，温度传感器4，加热器5，注油泵站6，冷却器7，油砂分离器8，压力传感器9，承压体10，快速高压接头11，砂盒翻转机构12，砂盒移动机构13，底座14 ，井筒15，高压油管16，砂盒17，等压网18，胶囊19，流量传感器20，石英砂混合物21，滚轮22。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明：

    实施例1：

参照图1-3，一种水平井完井模拟试验装置，包括地层加压系统、注油系统、监控测试系统、砂盒17；注油系统与砂盒17连接；砂盒17内设有一端封闭的井筒15，井筒圆柱面上设有渗流孔。

地层加压系统为液压系统，由液压泵站3、胶囊19、真空泵2、高压油管16、快速高压接头11组成。胶囊19放置在砂盒17内部，液压泵站3通过快速高压接头11、高压油管16向胶囊19注入液压油，胶囊19膨胀后将砂盒17中的石英砂混合物21压实；真空泵2位于胶囊19和液压泵站3之间，在试验完成后将胶囊19的液压油抽回到液压泵站3。快速高压接头11位于液压泵站3的输出管线上，用于快速连接管线。

注油系统由注油泵站6、加热器5、高压油管16、快速接头11、油砂分离器8、冷却器7组成。注油泵站6将模拟原油送入加热器5，加热器5通过控制模拟原油加热的温度来得到不同粘度的原油。加热后的模拟原油通过高压油管16流入石英砂混合物21，然后渗入井筒15。油砂分离器8设置于井筒15的输出管路上，用于过滤油液中的杂质，提高主油泵站6寿命，冷却器7设置在油砂分离器8输出管路上，用于冷却实验后回收的模拟原油。

监控测试系统包括：流量传感器20安装于井筒15上，用于检测井筒15的流量；压力传感器9位于井筒15的输出管路，用于检测井筒15输出管路的管内压力；温度传感器4安装在加热器5的输出管路上，用于检测加热器的出油温度。获取的数据再进行处理，得到试验报告。测试井筒中模拟原油的流量可优先采用高精度超声波流量传感器，井筒中模拟原油的压力测试方法采用将各测试点引流后用高精度压力传感器测试。

上述装置的试验方法如下：模拟地层优选为石英砂混合物21。安装井筒15前先放置四个胶囊19于砂盒17底部，之后将石英砂混合物21填装到砂盒17一半处，放置井筒15处于基本水平位置，然后继续填装石英砂混合物21到指定位置，再放置四个胶囊在石英砂混合物上面。进行试验时，液压系统首先开始工作，胶囊19被注入一定压力的高压液压油，通过胶囊19膨胀产生压力，压实石英砂混合物21。然后注油系统开始工作，向砂盒17内的石英砂混合物21注入模拟原油，模拟原油渗入井筒15，从井筒15流出的模拟原油进入油砂分离器8、冷却器7，最后流入注油泵站6。检测系统实时检测和控制整个装置的运行。

实施例2

参照图1-3，在实施例1装置结构的基础上，将装置中的地层加压系统由液压改为气压控制系统，试验方法中相应改为气压操作，同样可以实现上述技术方案。

实施例3

参照图1-3，在实施例1装置结构的基础上，将装置中的地层加压系统直接由注油系统代替，即由注油系统直接向胶囊19中注入原油给地层加压，然后向模拟地层注入原油进行后续试验，同样可以实现上述技术方案。

实施例4

   参照图1-3，在1-3任一实施例装置结构的基础上，监控测试系统还包括操作控制台、工控计算机、PLC、放大器、A/D转换器、数据采集卡和监控测试应用软件，来控制各系统的运行和测试试验过程中的动态参数，监控测试应用软件可实时显示和记录试验过程中的流量、压力和温度等参数的变化曲线，试验完成后自动生成试验报告。

实施例5

参照图1-4，在实施例1装置结构的基础上，还包括机械系统，其由底座14、承压体10、砂盒移动机构13、砂盒翻转机构12组成。砂盒17和砂盒翻转机构12安装在底座14上，底座14用于支撑砂盒17、砂盒翻转机构12的重量，并保证砂盒17底面同承压体10内部矩形空间底面的平行度，同时使砂盒17能够通过砂盒移动机构13顺利送入承压体10中。砂盒17用于盛放模拟底层的石英砂混合物21，主要由滚轮22、高压油管16和等压网18组成。滚轮22位于砂盒底部，用于支撑砂盒沿着砂盒移动机构13移动。砂盒移动机构13，位于砂盒17和安装底座14之间，用于拖动砂盒17进入和退出承压体10。砂盒翻转机构12与砂盒17底面相连接，用于推动砂盒17翻转。承压体10的端面同底座14通过螺栓连接。承压体10在装置工作过程中承受砂盒17产生的力。

下面简述应用上述水平井完井模拟实验装置进行模拟试验的具体步骤：

（1）打开监控测试系统，将砂盒17移到底座14上面，在砂盒17内腔底面布置好四个胶囊19后开始填石英砂混合物21。当石英砂混合物21填到砂盒17内腔中间位置时，安装好带有传感器的井筒15，继续填石英砂混合物21。砂盒17中石英砂混合物填满到指定位置后，再安装顶面的四个胶囊19。

（2）将砂盒17移动到承压体10内腔里，用快速接头11连接好液压系统油管16和胶囊19接头，以及注油系统油管16和砂盒17中的注油管接头11。

（3）启动液压系统，根据模拟地层的渗透率大小确定液压泵站3注入胶囊19的液体压力，并且在试验过程中保证液压系统的压力恒定。

（4）启动注油系统，首先通过加热器5将模拟原油加热到试验需要的温度，根据试验要求确定注入模拟地层的原油压力，然后保持注液压力恒定将模拟原油注入到模拟地层中。模拟原油通过模拟地层渗透到井筒15中，然后通过井筒15的输出管路输出到油砂分离器8，之后输入冷却器7，冷却模拟原油。在试验过程中，监控测试系统的硬件和监控测试应用软件全程测试和记录试验过程中的流量、压力和温度等动态参数。

（5）停止试验时，首先停止注油系统的注油泵站6，再停止液压系统的液压泵站3，然后开启液压系统的真空泵2，将砂盒17中胶囊19中的全部液压油抽回到液压系统的油箱。

（6）通过监控测试系统启动砂盒移动机构13，将砂盒17从承压体10内腔移出后取掉砂盒上面的四个胶囊19。

（7）通过监控测试系统启动液压系统控制砂盒翻转机构12，将砂盒17倾斜，取出砂盒中的石英砂混合21及砂盒底面的四个胶囊19。

（8）试验结束后，通过监控测试应用软件自动输出动态参数的测试曲线和试验报告。

以上仅仅是本发明的部分实施例，本领域的技术人员在本发明限定的技术方案内，根据实际需要，并结合本领域的公知常识或常规技术手段，完全可以做适当的调整，比如地层加压系统采用其他加压方式（比如机械加压）、模拟地层物物质选用其他物质（根据所要模拟的地层情况）、注油系统的设计方式及监控测试系统的优化等，但均与本技术方案实质相同，均落入本技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水平井完井模拟试验装置，其特征在于：包括砂盒及与其配合的地层加压系统、注油系统、监控测试系统；砂盒内设有一端封闭的井筒，井筒圆柱面上设有渗流孔。

2.根据权利要求1所述的水平井完井模拟试验装置，其特征在于：所述的砂盒外还设有承压体。

3.根据权利要求2所述的水平井完井模拟试验装置，其特征在于：所述的地层加压系统包括液压系统和位于砂盒内的胶囊，所述的胶囊分布于砂盒中模拟地层的底部和顶部。

4.根据权利要求3所述的水平井完井模拟试验装置，其特征在于：所述注油系统包括依次连接的注油泵站、加热器、油砂分离器、冷却器。

5.根据权利要求4所述的水平井完井模拟试验装置，其特征在于：所述监控测试系统包括操作控制台、工控计算机、PLC、传感器、放大器、A/D转换器、数据采集卡和监控测试应用软件；传感器为包括流量、压力和温度传感器。

6.根据2-5任一权利要求所述的水平井完井模拟试验装置，其特征在于：其结构还包括砂盒移动机构和砂盒翻转机构。

7.根据权利要求6所述的水平井完井模拟试验装置，其特征在于：所述的砂盒腔体四周还设有等压网，所述的等压网设计成一面开有小孔缝的方钢组焊件。

8.权利要求1-5所述的水平井完井模拟试验装置的试验方法，其特征在于：将砂盒内填满用来模拟地层的物质，并将井筒安装于砂盒的模拟地层中间；然后通过地层加压系统压实模拟地层，并保持试验所需压力恒定；接着根据试验需要压力，通过注油系统将原油注入模拟地层，模拟原油渗入井筒，并从井筒开口一端流出；监视测试系统实时检测和控制整个装置的运行，采集必要的动态参数进行处理。

9.根据权利要求8所述的水平井完井模拟试验装置的试验方法，其特征在于：所述的压实模拟地层是通过向分布在模拟地层底部和顶部的胶囊中注入液压油来实现的，所述的用来模拟地层的物质优选石英砂混合物。

10.权利要求7所述的水平井完井模拟试验装置的试验方法，其特征在于：按照下述步骤进行：

（1）打开监控测试系统，将砂盒移到承压体外面，在砂盒底部安装好底面胶囊后开始填模拟地层，填到砂盒中间位置时，安装好带有传感器的井筒后继续装填模拟地层直到指定位置后，再安装顶面的胶囊；

（2） 将砂盒移动到承压体内腔，用快速接头连接好液压系统油管和胶囊接头，用快速接头连接好注油系统油管与砂盒中注油管接头；

（3） 启动液压系统，根据模拟地层的渗透率大小确定注入胶囊的液体压力，并且在试验过程中保证液压系统的压力恒定；

（4） 启动注油系统，首先通过加热器将模拟原油加热到试验需要的原油温度，根据试验要求确定注入模拟地层的原油压力，然后保持注液压力恒定将模拟原油注入到模拟地层中，模拟原油通过模拟地层渗透到井筒中，井筒中的高温模拟原油通过井筒的输出管路，先从井筒中输出到油砂分离器，之后输入冷却器，冷却模拟原油；在试验过程中，监控测试系统的硬件和监控测试应用软件全程测试和记录试验过程中的流量、压力和温度等动态参数；

（5）停止试验时，首先停止注油系统的注液泵站，在停止液压系统的注油泵站，然后开启液压系统的真空泵，将砂盒中胶囊中的全部液压油抽回到液压系统的油箱；

（6）通过监控测试系统启动砂盒移动机构，将砂盒从承压体内腔移出后取掉砂盒上面的胶囊；

（7）通过监控测试系统启动液压系统控制砂盒翻转机构，将砂盒倾斜，取出砂盒中的模拟地层；

（8）试验结束后，通过监控测试应用软件自动输出动态参数的测试曲线和试验报告。

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