CN106703777A - 一种压裂水平井筒完整性实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种压裂水平井筒完整性实验装置，主要包括矩形腔体、加热装置、内压装置、水平井筒和密封检测装置。水平井筒间隔分布有射孔孔眼及人工裂缝模型。在矩形腔体内均匀安装压力传感器，在井筒壁上贴有应变片。在矩形腔体内有加热棒，与井筒内的加热棒组成加热装置。内压泵可通过施压口向井筒内施加压力；水泥浆储存罐通过进液口向矩形腔内注入水泥浆；高压气源通过在矩形腔体一端施加高压，另一端测量气体流量来测量水泥块的密封性；通过万向支架可以调节不同井斜角的工况。可以模拟水平井筒在压裂压力和温度的作用下，井筒应力、水泥内应力分布及井筒完整性的变化情况，以及不同射孔类型和不同裂缝类型组合对井筒完整性的影响。

Description

一种压裂水平井筒完整性实验装置

技术领域

本发明涉及油气井工程中压裂水平井时井筒完整性的研究测试，尤其涉及一种压裂水平井筒完整性实验装置。

背景技术

目前开采的油气藏多为低渗透油气藏类型。开发井类型多为高温、高压压裂水平井，压裂改造技术是低渗透油气藏的有效开发方式。水平井压裂作业对套管-水泥环-地层系统产生较大作用力，影响水平井筒的完整性，完整性是指井筒与水泥环之间的密封性能的可靠性。在压裂和后期开发过程中，压裂产生的裂缝和高温高压环境改变水泥环原有的压力分布，对套管产生应力集中，引起套管屈服。

目前学者研究分析了在非均匀地应力和均匀地应力的作用条件下套管和水泥环的受力，房军讨论了非均匀地应力作用下套管和水泥环的受力；李军、殷有泉等讨论了均匀地应力作用条件下套管-水泥环的受力；Rodriguez等对水泥环受力进行了数值模拟和井下测量。目前的研究多侧重于地应力对套管损坏的影响，没有考虑压裂的压力载荷和高温对水平井筒完整性的影响。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种压裂水平井筒完整性实验装置，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压裂水平井筒完整性实验装置，可以模拟水平井筒在压裂压力和温度的作用下，井筒应力、水泥内应力分布及井筒完整性的变化情况。

本发明的另一目的在于提供一种压裂水平井筒完整性实验装置，可以模拟不同射孔孔径、孔密度、射孔相位角以及不同裂缝类型组合对井筒完整性的影响。

本发明的目的是这样实现的，一种压裂水平井筒完整性实验装置，所述压裂水平井筒完整性实验装置包括：

封闭的腔体，所述腔体内均匀分布有压力传感器；

水平井筒，所述水平井筒穿过所述腔体，所述水平井筒内部与所述腔体相互隔离；所述水平井筒的筒壁上设有射孔孔眼及应变片，所述射孔孔眼处设置人工裂缝模型，所述人工裂缝模型与所述射孔孔眼相通；

内压装置，所述内压装置与所述水平井筒内部连通，用于向所述水平井筒内施加压力；

水泥浆注入装置，所述水泥浆注入装置与所述腔体连通，用于向所述腔体内注满水泥浆，水泥浆凝固为固态水泥块；

加热装置，所述加热装置分别对所述水平井筒内部以及所述腔体内部进行加热；

密封检测装置，所述密封检测装置包括高压气源及气体流量计，所述高压气源向所述腔体内注入高压气体，所述气体流量计测量从所述腔体泄漏的气体流量；

控制及数据采集装置，所述控制及数据采集装置与所述压力传感器、所述应变片、所述内压装置、所述加热装置、所述高压气源及所述气体流量计相连。

在本发明的一较佳实施方式中，所述腔体具有相对设置的第一侧壁与第二侧壁；所述水平井筒的两端分别密封插入到所述第一侧壁和所述第二侧壁内，且所述水平井筒与所述第一侧壁和所述第二侧壁垂直。

在本发明的一较佳实施方式中，所述内压装置包括内压泵，所述第一侧壁上设有与所述水平井筒内部连通的施压口；所述内压泵通过高压管线与所述施压口相连。

在本发明的一较佳实施方式中，所述水泥浆注入装置包括水泥浆储存罐，所述第一侧壁上设有与所述腔体连通的进液口，所述水泥浆储存罐与所述进液口相连。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第一侧壁上设有进气通道，所述第二侧壁上设有出气通道；所述高压气源与所述进气通道连接，所述气体流量计与所述出气通道连接；所述进气通道和所述出气通道均设有开关阀门。

在本发明的一较佳实施方式中，所述加热装置包括加热棒，所述加热棒分别设置在所述水平井筒内及所述腔体内。

在本发明的一较佳实施方式中，所述水平井筒内注入有加热液体。

在本发明的一较佳实施方式中，所述水平井筒的筒壁上沿着轴向及周向均匀设有多个射孔孔眼，每个所述射孔孔眼处设置两个应变片，所述两个应变片沿着轴向位于所述射孔孔眼的两侧；沿着轴向相邻的两个射孔孔眼之间的中间位置设置一个应变片。

在本发明的一较佳实施方式中，所述压力传感器设置有三排，每排所述压力传感器的排列方向与所述水平井筒的轴向平行；所述水平井筒的上方设有两排所述压力传感器，所述水平井筒的下方设有一排所述压力传感器。

在本发明的一较佳实施方式中，所述腔体为矩形腔体，所述矩形腔体设有上盖、侧壁及底座；所述侧壁围成一矩形体，第一侧壁与第二侧壁相对设置；所述水平井筒的两端分别密封插入到所述第一侧壁和所述第二侧壁内，且所述水平井筒与所述第一侧壁和所述第二侧壁垂直；所述上盖和所述底座分别密封连接在所述侧壁的顶部和底部；所述底座支撑在万向支架上。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第一侧壁与所述第二侧壁上分别设有凹槽，所述水平井筒的两端通过O型密封圈密封插接在对应的凹槽内；所述万向支架包括四个支柱，所述支柱的长度可调节，用来改变所述矩形腔体的倾斜角度。

在本发明的一较佳实施方式中，所述加热装置包括加热棒，一根加热棒设置在所述水平井筒内，一根加热棒设置在所述上盖内，一根加热棒设置在所述底座内。

由上所述，本发明通过加热棒对水平井筒内及矩形腔体进行加热，通过内外加热的方式模拟地层温度和井筒内的流体温度；通过内压泵对井筒内施加内压，模拟压裂作业的压力；利用水平井筒壁分布的射孔孔眼和相连的人工裂缝模型模拟完井井底；在水泥块一端设置高压气源，另一端设置气体流量计监测水泥块密封性的变化过程，即水泥块与水平井筒间完整性的变化过程。在水平井筒壁贴有应变片，在矩形腔体内均匀分布压力传感器，测量水平井筒受力应变情况和水泥石的应力分布。各个压力传感器、应变片、内压泵和气体流量计的数据通过数据线传递给计算机，通过计算机编程控制监视相关参数的变化，为分析压裂时井筒应变、完善井筒完整性、提高井筒使用寿命提供室内试验数据。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明压裂水平井筒完整性实验装置的示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提供了一种压裂水平井筒完整性实验装置，所述压裂水平井筒完整性实验装置包括一个封闭的腔体1，该封闭的腔体1内均匀分布有压力传感器2。腔体1的形状优选采用矩形腔体1，矩形腔体1可以模拟真三轴应力，效果更好。腔体1内横向穿过一个水平井筒3，所述水平井筒3内部与所述腔体1之间被筒壁相互隔离。所述水平井筒3的筒壁上设有射孔孔眼4及应变片5，射孔孔眼4根据实验需要可以模拟不同的射孔孔径、孔密度和射孔相位角。对应每个所述射孔孔眼4处设置有一个人工裂缝模型6，所述人工裂缝模型6与所述射孔孔眼4相通。人工裂缝模型6为塑料材质，有一定硬度和弹性，根据实验需要设计成不同形状，可以模拟横向裂缝、纵向裂缝、斜交裂缝等不同裂缝类型。人工裂缝模型6具有一定刚性，其根部固定在射孔孔眼4内并与井筒内部相通，在灌注水泥浆时不会发生偏离，灌注满水泥浆后通过人工裂缝模型6占据的空间在水泥块内形成为模拟的压裂裂缝。

内压装置与所述水平井筒3内部连通，用于向所述水平井筒3内施加压力，以模拟井筒内的压裂压力。水泥浆注入装置与所述腔体1连通，用于向所述腔体1内注满水泥浆，水泥浆凝固为固态水泥块，与水平井筒3之间形成密封，用来模拟井筒与水泥环之间的密封完整性。加热装置分别对所述水平井筒3内部以及所述腔体1内部进行加热；可以模拟地层温度和井筒内的流体温度。密封检测装置包括高压气源7及气体流量计8，所述高压气源7向所述腔体1内注入高压气体，所述气体流量计8测量从所述腔体1泄漏的气体流量。高压气源7是为了在水泥块的两端形成压差，使气体沿水泥块内的微裂缝流到另一端。气体流量计8用来测量气体流过的速率，以测量水泥块密封失效的程度。通过气体流量计8示数和高压气源7形成的压差来表示水泥块密封失效的程度。所述压力传感器2、所述应变片5、所述内压装置、所述加热装置、所述高压气源7及所述气体流量计8都通过数据线25与控制及数据采集装置相连，控制及数据采集装置可以采用计算机9。

通过以上技术方案可以模拟水平井筒3在压裂压力和温度的作用下，井筒应力、水泥内应力分布及井筒完整性的变化情况。并且可以模拟不同射孔孔径、孔密度、射孔相位角以及不同裂缝类型组合对井筒完整性的影响。

具体的，本发明的腔体1采用矩形腔体1，所述矩形腔体1设有上盖10、侧壁及底座11；所述侧壁围成一个矩形体，具有两两相对设置的四个侧壁，其中第一侧壁12与第二侧壁13相对设置，即图1中所示的左右两个侧壁，左边的为第一侧壁12，右边的为第二侧壁13。所述水平井筒3的两端分别密封插入到所述第一侧壁12和所述第二侧壁13内，且所述水平井筒3与所述第一侧壁12和所述第二侧壁13垂直。所述第一侧壁12与所述第二侧壁13上分别设有凹槽，所述水平井筒3的两端通过O型密封圈14密封插接在对应的凹槽内。所述上盖10和所述底座11通过螺栓分别密封连接在所述侧壁的顶部和底部；所述底座11支撑在万向支架15上。所述万向支架15包括有四个支柱，四个支柱分别支撑在底座11的四个角处，所述支柱的长度可调节，用来改变所述矩形腔体1的倾斜角度，进而改变水平井筒3的倾斜角度，可以模拟不同井斜角的工况。

所述内压装置包括内压泵16，内压泵16通过数据线25与计算机9相连，由计算机9控制该内压泵16的压力，根据井筒内压力分布模型预测出一定深度处井筒内压力，通过内压泵16施压，使实验井筒内压力达到该深度处内压。所述第一侧壁12上设有与所述水平井筒3内部连通的施压口17，施压口17与水平井筒3同轴心；所述内压泵16通过高压管线与所述施压口17相连，向水平井筒3内施加压力。所述水泥浆注入装置包括水泥浆储存罐18，所述第一侧壁12上设有与所述腔体1连通的进液口19，进液口19位于第一侧壁12的下部，位于施压口17的下方，所述水泥浆储存罐18通过管路与所述进液口19相连，管路上设有阀门20。所述第一侧壁12上还设有进气通道21，进气通道21位于第一侧壁12的上部，位于施压口17的上方。所述第二侧壁13上设有出气通道22，出气通道22位于第二侧壁13的下部。所述高压气源7与所述进气通道21连接，向矩形腔体1内注入高压气体，高压气源7上还设有压力表23，所述气体流量计8与所述出气通道22连接。压力表23和气体流量计8均通过数据线25与计算机9连接，将测得的数据传输给计算机9。所述进气通道21和所述出气通道22均设有开关阀门(图中未示出)，在向矩形腔体1内注入水泥浆时，开关阀门关闭，避免水泥浆从进气通道21或出气通道22漏出。上盖10设有溢出管线(图中未示出)，溢出管线用于排气，且当溢出管线中有溢出时说明水泥浆已经注满。所述加热装置包括加热棒24，所述加热棒24分别设置在所述水平井筒3内及所述腔体1内，分别将水平井筒3内加热及将水平井筒3外的矩形腔体1内的水泥块加热。所述水平井筒3内可以注入有加热液体，例如水或油。加热棒24设有三根，其中一根加热棒24从第二侧壁13插入到水平井筒3内部，另外两根加热棒24可以设置在矩形腔体1的水泥块内，也可以分别设置在上盖10和底座11内。加热棒24通过数据线25与计算机9相连，由计算机9控制加热棒24的加热温度。根据井筒温度场模型预测出一定深度处地层温度和井筒内流体温度，控制加热棒24加热使矩形腔体1和井筒内温度分别达到该深度处地层温度和井筒流体温度。

矩形腔体1内的所述压力传感器2设置有三排，每排所述压力传感器2的排列方向与所述水平井筒3的轴向平行，图1中为水平方向排列，分为上、中、下三排，每一排的压力传感器2均匀间隔分布。所述水平井筒3的上方设有两排所述压力传感器2，所述水平井筒3的下方设有一排所述压力传感器2。所述水平井筒3的筒壁上沿着轴向及周向均匀设有多个射孔孔眼4，即沿水平井筒3的轴向上间隔分布有多圈射孔孔眼4，每一圈射孔孔眼4沿着圆周方向均匀间隔分布。每个所述射孔孔眼4处设置有两个应变片5，该两个应变片5沿着轴向位于所述射孔孔眼4的两侧，即图1中射孔孔眼4的左右两侧。沿着轴向相邻的两个射孔孔眼4之间的中间位置设置一个应变片5，即图1中左右两个相邻射孔孔眼4之间的中间位置设置一个应变片5。分别测量井筒表面射孔孔眼4处和中间处的应变。轴向相邻的两个射孔孔眼4之间也可以均匀间隔设置多个应变片5，不限于一个应变片5，孔眼之间的距离有限，没有必要分布过多应变片5。压力传感器2和应变片5均通过数据线25与计算机9相连，将测得的数据传输给计算机9。

该实验装置可以模拟压裂时温度、压力、射孔孔眼4和裂缝对水平井井筒完整性的影响，具体的实验过程如下：

1、实验准备

⑴在水平井筒3射孔孔眼4附近、两射孔孔眼4中间位置贴上应变片5，应变片5方向正交，测量井筒轴向和径向应变。将水平井筒3壁上的射孔孔眼4与人工裂缝相连。

⑵在矩形腔体1内分上、中、下三层分布压力传感器2，初始时压力传感器2支撑在上盖10，将水平井筒3安装在第一侧壁12和第二侧壁13上，用O型密封圈14将水平井筒3与两端的侧壁密封。在矩形腔体1内壁涂抹薄层黄油，利于实验结束后拆卸实验装置。在水平井筒3内注入加热液体(水或油)，将加热棒24插入水平井筒3内并密封，上盖10和底座11内已经设置好相应的加热棒24；将上盖10与矩形腔体1通过螺栓密封连接。

⑶调节万向支架15至实验所需的模拟井段的井斜角。

⑷在水泥浆储存罐18中按照一定比例制作水泥浆。

2、注入并养护

⑴打开管路上的阀门20，通过水泥浆储存罐18向矩形腔体1内注入配置好的水泥浆，待有水泥浆从溢出管线中溢出时表明水泥浆已经注满，关闭阀门20。

⑵通过计算机9控制上盖10和底座11中的加热棒24加热至120℃，控制水平井筒3内的加热棒24加热水平井筒3内液体至50℃。在设定条件下养护3天，使水泥浆凝固为水泥块。

⑶待水泥浆固结后，停止加热，使井筒内温度降至常温。

3、加热和实验

⑴打开高压气源7和气体流量计8，通过计算机9控制上盖10和底座11中的加热棒24加热至120℃，控制水平井筒3内的加热棒24加热至50℃。打开内压泵16，给水平井筒3施加内压。将压力传感器2、应变片5的数据通过数据传输线传输给计算机9，从中记录水泥块密封性、井筒套管受力的变化。待压力传感器2数据和应变片5数据不再发生变化时实验结束。

⑵实验结束后，关闭内压泵16，停止加热，泄压。

实验时的主要技术指标为：实验温度：室温-200℃；井筒内压力：0-50Mpa；矩形腔体1尺寸：长1m，宽0.3m，高0.3m；水平井筒3尺寸：长0.9m，外径114.3mm，壁厚8.65mm。

本发明的压裂水平井筒3完整性实验装置具有以下优点：

1、本发明弥补了现有技术忽略的分析水平井筒3在压裂时的受力及温度的影响因素，为完善分析水平井筒3完整性提供完整的试验数据。

2、本发明中不同水平井筒3壁上射孔孔径、孔密度、射孔相位角都不同，与不同人工裂缝组合可以模拟不同井底情况下压裂对井筒完整性的影响。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (12)

1.一种压裂水平井筒完整性实验装置，其特征在于，所述压裂水平井筒完整性实验装置包括：

封闭的腔体，所述腔体内均匀分布有压力传感器；

水平井筒，所述水平井筒穿过所述腔体，所述水平井筒内部与所述腔体相互隔离；所述水平井筒的筒壁上设有射孔孔眼及应变片，所述射孔孔眼处设置人工裂缝模型，所述人工裂缝模型与所述射孔孔眼相通；

内压装置，所述内压装置与所述水平井筒内部连通，用于向所述水平井筒内施加压力；

水泥浆注入装置，所述水泥浆注入装置与所述腔体连通，用于向所述腔体内注满水泥浆，水泥浆凝固为固态水泥块；

加热装置，所述加热装置分别对所述水平井筒内部以及所述腔体内部进行加热；

密封检测装置，所述密封检测装置包括高压气源及气体流量计，所述高压气源向所述腔体内注入高压气体，所述气体流量计测量从所述腔体泄漏的气体流量；

控制及数据采集装置，所述控制及数据采集装置与所述压力传感器、所述应变片、所述内压装置、所述加热装置、所述高压气源及所述气体流量计相连。

2.如权利要求1所述的压裂水平井筒完整性实验装置，其特征在于，所述腔体具有相对设置的第一侧壁与第二侧壁；所述水平井筒的两端分别密封插入到所述第一侧壁和所述第二侧壁内，且所述水平井筒与所述第一侧壁和所述第二侧壁垂直。

3.如权利要求2所述的压裂水平井筒完整性实验装置，其特征在于，所述内压装置包括内压泵，所述第一侧壁上设有与所述水平井筒内部连通的施压口；所述内压泵通过高压管线与所述施压口相连。

4.如权利要求2所述的压裂水平井筒完整性实验装置，其特征在于，所述水泥浆注入装置包括水泥浆储存罐，所述第一侧壁上设有与所述腔体连通的进液口，所述水泥浆储存罐与所述进液口相连。

5.如权利要求2所述的压裂水平井筒完整性实验装置，其特征在于，所述第一侧壁上设有进气通道，所述第二侧壁上设有出气通道；所述高压气源与所述进气通道连接，所述气体流量计与所述出气通道连接；所述进气通道和所述出气通道均设有开关阀门。

6.如权利要求1所述的压裂水平井筒完整性实验装置，其特征在于，所述加热装置包括加热棒，所述加热棒分别设置在所述水平井筒内及所述腔体内。

7.如权利要求6所述的压裂水平井筒完整性实验装置，其特征在于，所述水平井筒内注入有加热液体。

8.如权利要求1所述的压裂水平井筒完整性实验装置，其特征在于，所述水平井筒的筒壁上沿着轴向及周向均匀设有多个射孔孔眼，每个所述射孔孔眼处设置两个应变片，所述两个应变片沿着轴向位于所述射孔孔眼的两侧；沿着轴向相邻的两个射孔孔眼之间的中间位置设置一个应变片。

9.如权利要求1所述的压裂水平井筒完整性实验装置，其特征在于，所述压力传感器设置有三排，每排所述压力传感器的排列方向与所述水平井筒的轴向平行；所述水平井筒的上方设有两排所述压力传感器，所述水平井筒的下方设有一排所述压力传感器。

10.如权利要求1所述的压裂水平井筒完整性实验装置，其特征在于，所述腔体为矩形腔体，所述矩形腔体设有上盖、侧壁及底座；所述侧壁围成一矩形体，第一侧壁与第二侧壁相对设置；所述水平井筒的两端分别密封插入到所述第一侧壁和所述第二侧壁内，且所述水平井筒与所述第一侧壁和所述第二侧壁垂直；所述上盖和所述底座分别密封连接在所述侧壁的顶部和底部；所述底座支撑在万向支架上。

11.如权利要求10所述的压裂水平井筒完整性实验装置，其特征在于，所述第一侧壁与所述第二侧壁上分别设有凹槽，所述水平井筒的两端通过O型密封圈密封插接在对应的凹槽内；所述万向支架包括四个支柱，所述支柱的长度可调节，用来改变所述矩形腔体的倾斜角度。

12.如权利要求10所述的压裂水平井筒完整性实验装置，其特征在于，所述加热装置包括加热棒，一根加热棒设置在所述水平井筒内，一根加热棒设置在所述上盖内，一根加热棒设置在所述底座内。