CN106640061A - 一种井筒与地层裂缝耦合流动模拟实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种井筒与地层裂缝耦合流动模拟实验装置及方法。该装置由模拟井筒流动系统、模拟地层系统、模拟裂缝系统和数据采集系统组成。该方法包括：(1)钻井液泵入模拟钻杆，通过模拟井筒环空返出，通过液体调压阀、恒压溢流阀调节模拟井筒中流体压力，模拟实际井筒环境；(2)水和气体进行气液混合后进入模拟地层；(3)通过液体调压阀、气体调压阀和恒压溢流阀调节模拟地层气液含量与模拟地层压力，模拟地层环境；(4)打开模拟裂缝开关，模拟井筒裂缝耦合流动。本发明可模拟钻遇地层裂缝时地层流体与井筒循环钻井液的流动置换，能够更全面地反映裂缝对井筒流动的影响，为井筒与地层裂缝耦合流动的深入研究提供更为准确可信的数据支持和理论基础。

Description

一种井筒与地层裂缝耦合流动模拟实验装置及方法
技术领域
本发明涉及油气钻采室内实验装置研究领域，特别涉及一种井筒与地层裂缝耦合流动模拟实验装置及实验方法。
背景技术
在油气钻采中，钻遇裂缝是一种常见的工程现象，一旦裂缝与地层流体连通，井筒周围裂缝就会成为油藏油气渗流的主要通道，裂缝常常造成井筒压力控制困难、设计裂缝支撑剂困难等工程难题。因此研究井筒、地层与井周裂缝中流体流动对油气产能预测、井筒压力控制、裂缝性岩层漏失堵漏以及合理压裂液支撑剂方案设计等方面都有重大意义。
裂缝与井筒的流动是一个连续耦合的整体，二者的流动状态是相互制约影响的，而当前国内将井筒与裂缝的流体流动结合起来研究的实验方法较少，绝大部分实验设备都是针对井筒流动或裂缝的流动单独研究，而且没有考虑实际井筒地层中流体成分、压力等情况。
总的来说，目前室内实验设备普遍缺乏考虑相对全面的井筒与地层流体流动耦合的实验装置和方法。专利“一种井筒裂缝模拟装置”(CN102305045A)通过在模拟井筒上接入一根裂缝管模拟钻井漏失过程，没有考虑地层具体情况。专利“用于研究裂缝性地层溢漏同存发生机理的研究装置”(CN204098907U)用一块缝板连接模拟井筒与模拟地层，用于评价裂缝性地层溢漏同存机理，虽同时考虑了井筒与地层的情况，但没有考虑地层流体与钻井液气液置换。
目前国内文献涉及井筒裂缝流动置换装置及方法研究很少，许多文献没有考虑实际井筒中复杂流动问题和模拟地层压力控制(舒刚.裂缝性地层钻井溢漏同存流动规律及模型研究[D].西南石油大学,2012；蒋廷学,姜东.考虑井筒流动的垂直裂缝井稳态产能计算模型[J].石油钻采工艺,2001,23(4):50-53；刘宇.复杂条件下垂直裂缝井压力动态及产能研究[D].大庆石油学院东北石油大学,2006)。也有关于气液置换装置方面的研究(李之军.垂直裂缝地层气液置换及钻井液防气侵封堵技术研究[D].西南石油大学,2014)，但没有模拟地层条件，同时没有考虑井筒中环流对流动的影响。所以，目前少有考虑流体在裂缝、井筒与地层中流动的相互影响关系的研究，同时室内实验设备普遍缺乏考虑相对全面的井筒与地层流体流动耦合的实验装置和方法。因此建立适用于实际钻遇裂缝的井筒与裂缝流动的实验装置，对于钻完井裂缝研究具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种井筒与地层裂缝耦合流动模拟实验装置，该装置模拟钻遇地层裂缝时地层流体与井筒循环钻井液的流动置换，可控制模拟井筒钻井液流速、井筒压力、模拟地层流体气液比例、地层压力等条件，还可同时模拟两套裂缝流动，能够更全面地反映裂缝对井筒流动的影响。
本发明的另一目的还在于提供利用上述装置对井筒与地层裂缝耦合流动进行模拟实验的方法，该方法原理可靠，操作简便，结合钻完井工程实际，综合考虑了裂缝流动、井筒流动与地层条件影响因素，可为井筒与地层裂缝耦合流动的深入研究提供更为准确可信的数据支持和理论基础，克服了现有技术的缺陷和不足。
为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。
一种井筒与地层裂缝耦合流动模拟实验装置，包括模拟井筒流动系统、模拟地层系统、模拟裂缝系统和数据采集系统构成。
所述模拟井筒流动系统包括模拟井筒、模拟钻杆、钻井液储存罐、螺杆泵和控制井筒流动的多个阀门；螺杆泵连接钻井液储存罐与模拟钻杆入口端；模拟钻杆位于模拟井筒中央；所述钻井液储存罐中包含搅拌电机；所述控制井筒流动的多个阀门包括螺杆泵与模拟钻杆入口之间的液体调压阀和单向阀、模拟井筒与分离罐之间的恒压溢流阀。
所述模拟地层系统包括模拟地层、清水储存罐、储气罐、分离罐、螺杆泵、气体空压机和控制地层流动的多个阀门；清水储存罐中水和储气罐中气体汇合液路为气液汇合处，螺杆泵位于清水储存罐与气液汇合处之间；气体空压机位于储气罐外部；模拟地层连接分离罐，分离罐连接清水储存罐；所述控制地层流动的多个阀门包含位于模拟地层与分离罐之间的恒压溢流阀、螺杆泵与模拟地层之间的单向阀、储气罐与模拟地层之间的单向阀；所述储气罐中设有安全阀、压力表和通气开关。
所述模拟裂缝系统包括上下两套模拟裂缝，每套模拟裂缝为两块平行的透明树脂板构成的空间，模拟裂缝两侧分别连接模拟井筒与模拟地层，模拟裂缝的正面均有有高清摄像机。
所述数据采集系统包括气体流量计、两个个液体流量计、多个压力传感器、两台高清摄像机、计算机；气体流量计位于储气罐与模拟地层之间；液体流量计位于钻井液储存罐与模拟钻杆之间、清水储存罐与模拟地层之间；压力传感器位于模拟井筒的井口和井底、模拟地层的上端和下端，每个模拟裂缝的上下左右各处均有压力传感器；高清摄像机位于模拟裂缝正面；计算机接口连接各压力传感器，配套软件安装于计算机中。
所述模拟井筒采用透明玻璃管材料，所述模拟钻杆采用PVC管，钻井液从模拟钻杆经模拟井筒环空流出，模拟钻井过程中钻井液的流动状态；所述模拟地层中包含气液两相流体，并通过恒压溢流阀控制其内部压力恒定，用于模拟地层油气状态以及地层流体压力，并通过一排液阀门连接分离罐，用于返排液体；所述模拟井筒流动系统中螺杆泵配套有供液阀、出口端压力表以及输液阀，用于将钻井液储存罐中的流体泵入模拟钻杆；所述模拟地层系统中螺杆泵同样配套有供液阀、出口端压力表以及输液阀，用于将清水储存罐中流体泵入模拟地层。
所述模拟井筒流动系统中，恒压溢流阀用于控制模拟钻杆中压力恒定，当模拟钻杆内部压力超过限定值，流体则通过恒压溢流阀流入钻井液储存罐，以此来控制模拟钻杆内部压力恒定；所述模拟地层系统中，恒压溢流阀用于控制模拟地层中压力恒定，当模拟地层内部压力超过限定值，流体则通过恒压溢流阀流入分离罐，以此来控制模拟地层内部压力恒定。
所述模拟井筒流动系统中，单向阀用于控制流体流向，使模拟钻杆中流体不至于倒流入钻井液储存罐，控制液路流动方向符合实际钻井过程中的流体流动状态；所述模拟地层系统中清水储存罐与模拟地层之间的单向阀，储气罐与模拟地层之间的单向阀，二者均用于控制该液路或气路流体不回流，使气液有效混合后能够进入模拟地层，当模拟地层中流体压力过高时从溢流阀返出而不回流。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明能够模拟不同钻井液、不同井筒压力、不同地层流体、不同地层压力环境下的井筒与裂缝中流体流动情况，结合工程实际，为石油开采中裂缝流动及其影响规律的研究提供了一种实验方法；
(2)本发明功能齐全、考虑完善、操作简单，对钻井裂缝流动相关工程实际意义重大。
附图说明
图1是一种井筒与地层裂缝耦合流动模拟实验装置的结构示意图。
图中：1.高清摄像机，2.液体调压阀，3.液体流量计，4.钻井液储存罐，5.搅拌电机，6.单向阀，7.压力传感器，8.模拟井筒，9.模拟钻杆，10.恒压溢流阀，11.模拟裂缝，12.模拟地层，13.气体调压阀，14.分离罐，15.储气罐，16.气体空压机，17.清水储存罐，18.钻井液螺杆泵，19.清水螺杆泵，20.气体流量计。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示。
一种井筒与地层裂缝耦合流动模拟实验装置，由模拟井筒流动系统、模拟地层系统、模拟裂缝系统和数据采集系统组成。
所述模拟井筒流动系统包括模拟井筒8、模拟钻杆9、钻井液储存罐4、搅拌电机5、钻井液螺杆泵18，模拟钻杆9位于模拟井筒8中央，钻井液储存罐4中有搅拌电机5，钻井液螺杆泵18通过钻井液储存罐4连接模拟钻杆9入口端。
所述模拟地层系统包括模拟地层12、清水储存罐17、分离罐14、储气罐15、气体空压机16、清水螺杆泵19，储气罐15连接气体空压机16，并通过气体调压阀13连接模拟地层12，清水螺杆泵19通过清水储存罐17连接模拟地层12，模拟地层12连接分离罐14。
所述模拟裂缝系统包括上下两套模拟裂缝11，每套模拟裂缝为两块平行的透明树脂板构成的空间，模拟裂缝两侧分别连接模拟井筒8与模拟地层12，模拟裂缝的正面均有高清摄像机1。
所述数据采集系统包括气体流量计20、液体流量计3、压力传感器7、高清摄像机1、计算机，储气罐与模拟地层之间有气体流量计20，钻井液储存罐4与模拟钻杆9之间、清水储存罐17与模拟地层12之间有液体流量计3，模拟井筒的井口和井底、模拟地层的上端和下端、模拟裂缝均连有压力传感器7，模拟裂缝正面有高清摄像机1，所述气体流量计、液体流量计、压力传感器、高清摄像机均连接计算机。
所述钻井液螺杆泵18与模拟钻杆9入口端之间，清水螺杆泵19与模拟地层12之间均有液体调压阀2和单向阀6，用以控制流体的单向流动。
所述模拟井筒8与钻井液储存罐4之间，模拟地层12与分离罐14之间均有恒压溢流阀10，用以控制模拟井筒和模拟地层内部的压力恒定。
利用上述装置对井筒与地层裂缝耦合流动进行模拟实验的方法，依次包括以下步骤：
(1)钻井液储存罐4中钻井液通过钻井液螺杆泵18并经过液体调压阀2和单向阀6泵入模拟钻杆9，然后通过模拟井筒8环空返出，经过恒压溢流阀10返出到钻井液储存罐4中，期间通过液体调压阀2、恒压溢流阀10调节模拟井筒中流体压力，模拟实际井筒环境；
(2)清水储存罐17中水通过清水螺杆泵19经过液体调压阀2和单向阀6流入模拟地层12，同时气体空压机16将储气罐15中的气体经过气体调压阀13和单向阀6压入模拟地层，气液混合后进入模拟地层12；
(3)模拟地层12溢出流体经过恒压溢流阀10进入分离罐14分离后返回清水储存罐17，期间通过液体调压阀、气体调压阀和恒压溢流阀调节模拟地层气液含量与模拟地层压力，模拟地层环境；
(4)打开模拟裂缝11开关，模拟井筒裂缝耦合流动。
实施例1对井筒与地层裂缝耦合流动进行模拟实验的具体步骤如下：
a、实验前期准备：
安装模拟裂缝并关闭两侧开关；检查储存罐中流体是否充足；将所有阀门均设为关闭状态；开启数据采集系统，查看数据显示是否正常；检查所有仪器仪表是否工作正常；
b、开启实验设备：
打开模拟井筒流动系统端阀门，形成通路，此时开启螺杆泵，使模拟井筒流动系统端液路形成通路；打开模拟地层系统端阀门，打开螺杆泵、气体空压机；
c、进行裂缝流动模拟实验：
首先，设定模拟井筒流动系统端液体调压阀与恒压溢流阀的压力为一定值，使模拟井筒条件达到实验设计情况；调节模拟地层系统端液体调压阀、气体调压阀与恒压溢流阀的压力为一定值，使模拟地层条件达到实验设计情况；打开气体流量计、液体流量计，关闭主液路阀门，记录流体流入流量；打开高清摄像机记录裂缝面流动情况；打开模拟裂缝两侧开关，使模拟井筒与地层流体在裂缝空间内耦合流动；实验完成后，关闭螺杆泵与气体空压机；关闭各个阀门；排出废液；
d、实验结果整理：
收集高清摄像资料；整理数据采集系统采集数据，分析数据。

Claims (5)

1.一种井筒与地层裂缝耦合流动模拟实验装置，由模拟井筒流动系统、模拟地层系统、模拟裂缝系统和数据采集系统组成，其特征在于，所述模拟井筒流动系统包括模拟井筒(8)、模拟钻杆(9)、钻井液储存罐(4)、搅拌电机(5)、钻井液螺杆泵(18)，模拟钻杆(9)位于模拟井筒(8)中央，钻井液储存罐(4)中有搅拌电机(5)，钻井液螺杆泵(18)通过钻井液储存罐(4)连接模拟钻杆(9)入口端；所述模拟地层系统包括模拟地层(12)、清水储存罐(17)、分离罐(14)、储气罐(15)、气体空压机(16)、清水螺杆泵(19)，储气罐(15)连接气体空压机(16)，并通过气体调压阀(13)连接模拟地层(12)，清水螺杆泵(19)通过清水储存罐(17)连接模拟地层(12)，模拟地层(12)连接分离罐(14)；所述模拟裂缝系统包括上下两套模拟裂缝(11)，每套模拟裂缝为两块平行的透明树脂板构成的空间，模拟裂缝两侧分别连接模拟井筒(8)与模拟地层(12)，模拟裂缝的正面均有高清摄像机(1)；所述数据采集系统包括气体流量计(20)、液体流量计(3)、压力传感器(7)、高清摄像机(1)和计算机。
2.如权利要求1所述的一种井筒与地层裂缝耦合流动模拟实验装置，其特征在于，所述储气罐与模拟地层之间有气体流量计(20)，钻井液储存罐(4)与模拟钻杆(9)之间、清水储存罐(17)与模拟地层(12)之间有液体流量计(3)，模拟井筒(8)的井口和井底、模拟地层(12)的上端和下端、模拟裂缝(11)均连有压力传感器(7)，模拟裂缝正面有高清摄像机(1)，所述气体流量计、液体流量计、压力传感器、高清摄像机均连接计算机。
3.如权利要求1所述的一种井筒与地层裂缝耦合流动模拟实验装置，其特征在于，所述钻井液螺杆泵(18)与模拟钻杆(9)入口端之间，清水螺杆泵(19)与模拟地层(12)之间均有液体调压阀(2)和单向阀(6)，用以控制流体的单向流动。
4.如权利要求1所述的一种井筒与地层裂缝耦合流动模拟实验装置，其特征在于，所述模拟井筒(8)与钻井液储存罐(4)之间，模拟地层(12)与分离罐(14)之间均有恒压溢流阀(10)，用以控制模拟井筒和模拟地层内部的压力恒定。
5.利用权利要求1、2、3或4所述的装置对井筒与地层裂缝耦合流动进行模拟实验的方法，依次包括以下步骤：
(1)钻井液储存罐中钻井液通过钻井液螺杆泵并经过液体调压阀和单向阀泵入模拟钻杆，然后通过模拟井筒环空返出，经过恒压溢流阀返出到钻井液储存罐中，期间通过液体调压阀、恒压溢流阀调节模拟井筒中流体压力，模拟实际井筒环境；
(2)清水储存罐中水通过清水螺杆泵经过液体调压阀和单向阀流入模拟地层，同时气体空压机将储气罐中的气体经过气体调压阀和单向阀压入模拟地层，气液混合后进入模拟地层；
(3)模拟地层溢出流体经过恒压溢流阀进入分离罐分离后返回清水储存罐，期间通过液体调压阀、气体调压阀和恒压溢流阀调节模拟地层气液含量与模拟地层压力，模拟地层环境；
(4)打开模拟裂缝开关，模拟井筒裂缝耦合流动。
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