CN107542456A - 模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置及方法，该装置包括实验壳体，实验壳体内设置有密封压板，密封压板与实验壳体底部之间构成填砂区，实验壳体的底部设置压力表组，实验壳体内位于密封压板上方的空间能通过加压管线与压力泵连通，压力泵的出口处设置有加压压力表，实验壳体位于填砂区的侧壁上能连通地设置有饱和水管线，饱和水管线的入口与压力泵连通，实验壳体的底部设置排水管线，排水管线的入口处设置排水压力表，排水管线的出口处设置流量计。该实验装置及方法，实现对近井、远井地带压力的实时测量，通过对地层压力随累计排水量变化规律的模拟探究，有效地指导现场施工，确保控压放水的顺利、有效进行。

Description

模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置及方法

技术领域

本发明涉及石油测试技术领域，尤其涉及一种模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置及方法。

背景技术

石油钻井过程中常常会遇到巨厚盐膏层，巨厚盐膏层工程地质特征复杂，层间超高压盐水普遍发育，纵横向上分布无规律，压力梯度变化大，钻前预测困难。盐水层安全钻井密度窗口窄，采用常规钻井技术喷、漏、卡等事故频发。一旦发生井下事故，会造成大量钻井液漏失，不仅增大了钻井作业周期，也使得钻井作业成本大幅上升。为保证超深超高压盐水层的安全钻进，需要对高压盐水层进行控压放水。控压放水技术的条件有以下三点：①盐间圈闭的高压盐水体积有限；②钻至低压层放出盐水，降低压力系数；③一口井放水，邻井受益。通过对高压盐水层实施控压放水技术，将高压盐水层的地层压力降低至正常压力水平，然后使用正常的钻井液密度进行高压盐水层的安全钻进，解决了钻进过程中因超高压带来的溢流、井漏甚至卡钻、侧钻等恶性事故的发生，节约了盐层钻井时间，降低了钻井成本。

然而在现场放水过程中，施工人员并不能准确把握排水量与地层压力之间的关系，同时也不能解释在排水一段时间后，地层压力基本保持不变的现象，因此迫切需要一套探究排水量与地层压力关系的装置。

由于控压放水技术是近年来新提出的一种应对超深超高压盐水层(超深：深度>6000m；超高压：压力>100Mpa)的安全钻井的配套工艺技术，与其相关的技术装备非常少，尤其是关于模拟探究地层压力随累计排水量变化规律的实验装置或方法更是少之又少。目前与地层压力相关的装置或方法主要集中在地层压力的理论计算和裂缝性地层渗流过程的模拟，主要是根据测井资料和地质勘测数据进行地层压力的预测，或模拟研究裂缝性地层渗流过程；与控压放水相关的装置或方法主要集中在放喷卸压的井口装置上，其主要是跟井控相关的一些装置。综上所述，目前没有能够较好地模拟探究渗流阻力对排水过程中地层压力变化影响的实验装置，无法对现场控压放水操作进行指导。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置及方法，以实现对现场控压放水操作的指导，对超深超高压盐水层的安全钻进具有指导意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置及方法，实现对近井、远井地带压力的实时测量，通过对地层压力随累计排水量变化规律的模拟探究，有效地指导现场施工，确保控压放水的顺利、有效进行。

本发明的目的是这样实现的，一种模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置，所述模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置包括顶部能开口、且能密封的实验壳体，所述实验壳体内设置有能沿所述实验壳体的内侧壁密封抵靠滑动、且能固定的密封压板，所述密封压板与所述实验壳体的底部之间构成密封的填砂区，所述实验壳体的底部外侧设置有与所述填砂区连通的压力表组，所述实验壳体内位于所述密封压板上方的空间能通过加压管线与压力泵连通，所述压力泵的出口处设置有加压压力表，所述实验壳体位于所述填砂区的侧壁上能连通地设置有饱和水管线，所述饱和水管线的入口与所述压力泵连通，所述实验壳体的底部能连通地设置排水管线，所述排水管线的入口处设置排水压力表，所述排水管线的出口处设置流量计；所述填砂区靠近所述排水管线的一侧构成近井地带模拟区，所述填砂区远离所述排水管线的一侧构成远井地带模拟区。

在本发明的一较佳实施方式中，所述压力泵的出口处设置第一阀门，所述加压管线的出口处设置第二阀门，所述饱和水管线的出口处设置第三阀门，所述排水管线上位于所述排水压力表和所述流量计之间设置第四阀门。

在本发明的一较佳实施方式中，所述实验壳体的内侧壁上且位于所述密封压板的上方设置有能拆卸地、且能自上而下顶抵限定所述密封压板的固定块。

在本发明的一较佳实施方式中，所述实验壳体为矩形槽体，所述矩形槽体的顶部设置能拆卸、且能密封固定的顶板，所述矩形槽体内位于所述顶板和所述密封压板之间构成加压空间，所述加压管线与所述加压空间能连通地设置。

在本发明的一较佳实施方式中，所述饱和水管线的入口能连通地设置于所述加压压力表和所述第二阀门之间的所述加压管线上。

在本发明的一较佳实施方式中，所述压力表组包括沿所述实验壳体的长度方向间隔设置的多个压力表。

在本发明的一较佳实施方式中，所述多个压力表通过螺纹密封连接于所述实验壳体上。

在本发明的一较佳实施方式中，所述加压管线、所述饱和水管线和所述排水管线通过螺纹密封连接于所述实验壳体上。

本发明的目的还可以这样实现，使用模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置的方法，包括以下步骤，

步骤a、完成实验装置的管线组装，将密封压板置于实验壳体的外部，确定各阀门处于关闭状态，确定各管线的密封性；

步骤b、将纱网紧贴在实验壳体的内侧壁上，向实验壳体内填砂至设定高度，将密封压板放入实验壳体的内部并压放于砂的上方，在密封压板的上方安装固定块，再自顶部密封实验壳体；

步骤c、打开第一阀门和第三阀门，启动压力泵，使用压力泵将盐水通过饱和水管线压入实验壳体内，对实验壳体内的填砂区进行饱和盐水，填砂区被饱和后关闭第三阀门，并记录此时各压力表的示数；

步骤d、打开第二阀门，使用压力泵将盐水压入密封压板的上方，增大压力泵的压力使密封压板对填砂区加压，完成填砂区的压实，填砂区内的盐水构成高压水层，维持压力泵的压力不变；

步骤e、打开第四阀门，初始时刻进行小排量排水，完成填砂区的高压水层的排水降压，每隔一段时间记录一次各压力表的数值和累计排水量；

步骤f、保持定量排水并记录各压力表的数值和累计排水量，直至排水压力表的压力值稳定不变时关闭第四阀门，停止排水降压；

步骤g、关闭压力泵、第一阀门和第二阀门，将实验壳体内的盐水和砂排出，清洗实验壳体和各管线，完成实验。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤d中，观测压力表组的多个压力表的压力值，待压力表组的多个压力表的压力值达到实验设定数值且读数稳定时，确定填砂区被压实。

由上所述，本发明的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置及方法具有如下有益效果：

(1)本发明的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置中，合理布置实验壳体、管线和压力表、流量计，能很好地模拟探究渗流阻力对排水过程中地层压力变化的影响，可操作性强，数据采集简单且全面；

(2)本发明的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置中，通过密封压板和固定块的配合使用，并结合加压管线可以将填砂区的砂压实，实现最大程度地模拟真实的地层；

(3)本发明的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置中，通过调整压力泵的压力，可以实现模拟不同地层压力条件下的控压放水，应用范围广泛；

(4)本发明的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置中，各压力表能够有效地测量模拟的近井和远井地带地层压力，该实验装置能够模拟探究地层压力随排水量的变化关系，并验证地层压力随累计排水量阶段性平稳不变是否是由于近井地带压力降低后，远处水源突破渗流阻力向近井地带补充；

(5)本发明的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置及方法能很好地模拟研究地层压力随累计排水量的变化规律，指导现场控压放水作业的顺利进行，具有广泛的应用前景。

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：为本发明的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置的示意图。

图2：为本发明的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置的填砂示意图。

图3：为本发明的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置安装密封压板和固定块后的示意图。

图4：为本发明的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置饱和盐水时的示意图。

图5：为本发明的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置加压空间内加压时的示意图。

图6：为本发明的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置开始控压放水时的示意图。

图7：为本发明的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置控压放水后的示意图。

图8：为本发明的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置的第一实验数据关系图。

图9：为本发明的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置的第二实验数据关系图。

图中：

100、模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置；

1、实验壳体；

101、填砂区；102、加压空间；

11、密封压板；12、顶板；13、固定块；

2、加压管线；21、加压压力表；

3、压力泵；

4、饱和水管线；

5、排水管线；51、排水压力表；

61、第一压力表；62、第二压力表；63、第三压力表；64、第四压力表；

7、流量计；

81、第一阀门；82、第二阀门；83、第三阀门；84、第四阀门。

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至图7所示，本发明提供一种模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置100，包括顶部能开口、且能密封的实验壳体1，实验壳体1内设置有能沿实验壳体1的内侧壁密封抵靠滑动、且能固定的密封压板11，密封压板11与实验壳体1的底部之间构成密封的填砂区101，填砂区101的高度根据实验需求确定；实验壳体1的底部外侧设置有与填砂区101连通的压力表组，实验壳体1内位于密封压板11上方的空间能通过加压管线2与压力泵3连通，压力泵3的出口处设置有加压压力表21，实验壳体1位于填砂区101的侧壁上能连通地设置有饱和水管线4，饱和水管线4的入口与压力泵3连通，实验壳体1的底部能连通地设置有排水管线5，排水管线5的入口处设置排水压力表51，排水管线5的出口处设置流量计7。填砂区101内填砂并压实至地层压力后形成模拟地层，填砂区101靠近排水管线的一侧构成近井地带模拟区，填砂区101远离排水管线的一侧构成远井地带模拟区。

本发明的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置中，合理布置实验壳体、管线和压力表、流量计，能很好地模拟探究渗流阻力对排水过程中地层压力变化的影响，可操作性强，数据采集简单且全面；通过密封压板结合加压管线可以将填砂区的砂压实，实现最大程度地模拟真实的地层；通过调整压力泵的压力，可以实现模拟不同地层压力条件下的控压放水，应用范围广泛；各压力表能够有效地测量模拟的近井和远井地带地层压力，本发明的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置能够模拟探究地层压力随排水量的变化关系，并验证地层压力随累计排水量阶段性平稳不变是否是由于近井地带压力降低后，远处水源突破渗流阻力向近井地带补充；本发明的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置能很好地模拟研究地层压力随累计排水量的变化规律，指导现场控压放水作业的顺利进行，具有广泛的应用前景。

进一步，如图1所示，压力泵3的出口处设置第一阀门81，加压管线2的出口处设置第二阀门82，饱和水管线4的出口处设置第三阀门83，排水管线5上位于排水压力表51和流量计7之间设置第四阀门84。各阀门通过螺纹密封串接于各相应管线上，分别用于控制各管线的连通。

进一步，如图1、图2所示，实验壳体1的内侧壁上且位于密封压板11的上方设置有能拆卸地、且能自上而下顶抵限定密封压板11的固定块13。密封压板11的尺寸与实验壳体1的内部尺寸匹配设置，在本实施方式中，固定块13通过螺栓固定于实验壳体1的内侧壁上。填砂区101饱和盐水时，密封压板11受到向上的作用力，固定块13能够限制密封压板11的上移。

进一步，如图1、图2所示，在本实施方式中，实验壳体1为矩形槽体，矩形槽体的顶部设置能拆卸、且能密封固定的顶板12，需要向矩形槽体内填砂时，拆卸掉顶板12、密封压板11，填砂结束后，安装并固定密封压板11，再密封固定顶板12，矩形槽体内顶板12和密封压板11之间构成加压空间102，加压管线2与加压空间102能连通地设置。

进一步，如图1所示，饱和水管线4的入口连通设置于加压压力表21和第二阀门82之间的加压管线2上。在本实施方式中，饱和水管线4的入口通过T型接头固定连通于加压管线2上。饱和水管线4和加压管线2共同使用一个压力泵3，提高压力泵3的使用效率，简化回路设置。

进一步，如图1所示，压力表组包括沿实验壳体1的长度方向间隔设置的多个压力表。在本发明的一具体实施例中，压力表组包括间隔设置的第一压力表61、第二压力表62、第三压力表63和第四压力表64。在本实施方式中，构成压力表组的多个压力表通过螺纹密封连接于实验壳体1上。

进一步，加压管线2、饱和水管线4和排水管线5通过螺纹密封连接于实验壳体1上。加压压力表21通过螺纹密封串接于加压管线2上，排水压力表51通过螺纹密封连接于排水管线5的入口处。

使用本发明的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置100进行实验的目的在于模拟探究地层压力的下降与排水量的关系，并验证地层压力随累计排水量阶段性平稳不变是否是由于近井地带压力降低后，远处水源突破渗流阻力向近井地带补充。

使用本发明提供的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置100的实验方法，包括以下步骤，

步骤a、如图2所示，完成实验装置100的管线组装，将密封压板11置于实验壳体1的外部，确定各阀门处于关闭状态，确定各管线的密封性；

步骤b、如图2、图3所示，将纱网(现有技术，图中未示出)紧贴在实验壳体1的内侧壁上，向实验壳体1内填砂至设定高度，形成填砂区101，将密封压板11放入实验壳体1的内部并压放于砂的上方，在密封压板11的上方安装固定块13，密封且固定连接实验壳体1的顶板12，使得实验壳体1顶部密封；

步骤c、如图4所示，打开第一阀门81和第三阀门83，启动压力泵3，使用压力泵3将盐水通过饱和水管线4压入实验壳体1内，对实验壳体1内填砂区101进行饱和盐水，填砂区101被饱和后关闭第三阀门83，并记录此时各压力表的示数；

压力泵3的泵压(加压压力表21的示数)和压力表组(图中第一压力表61、第二压力表62、第三压力表63和第四压力表64)的示数稳定时，认为填砂区101被饱和。

步骤d、如图5所示，打开第二阀门82，使用压力泵3将盐水压入密封压板11的上方(即加压空间102)，增大压力泵3的压力使密封压板11对填砂区101(即模拟的地层)加压，完成填砂区101的压实，填砂区内的盐水构成高压水层，维持压力泵的压力不变；

需要说明的是，步骤d中，观测压力表组的多个压力表的压力值，待压力表组的多个压力表的压力值达到实验设定数值(在一具体实施例中，该数值为2MPa)且读数稳定时，确定填砂区被压实。

步骤e、如图6所示，打开第四阀门84，初始时刻进行小排量排水，完成填砂区101的高压水层的排水降压，每隔一段时间记录一次各压力表的数值和累计排水量；在本发明的一具体实施例中，间隔时间为1min；

步骤f、如图7所示，保持定量排水并记录各压力表的数值和累计排水量，直至排水压力表的压力值稳定不变时关闭第四阀门84，停止排水降压；

步骤g、关闭压力泵3、第一阀门81和第二阀门82，将实验壳体1内的盐水和砂排出，清洗实验壳体1和各管线，完成实验。

实验结束后，将记录的数据进行整合处理，画出排水降压时加压压力表21、排水压力表51和压力表组的多个压力表(第一压力表61、第二压力表62、第三压力表63和第四压力表64)的压力值随累计排水量之间关系曲线。排水压力表51的压力值P与累计排水量V的关系曲线如图8所示时，且同一时刻加压压力表21、排水压力表51、第一压力表61、第二压力表62、第三压力表63和第四压力表64的数值依次递增，则说明进行排水降压时，近井地带压力降低，当远井地带地层压力与近井地带地层压力达到一定压差后，远处水源突破渗流阻力向近井地带补充，从而出现了地层压力随累计排水量阶段性平稳不变的变化趋势；排水压力表51的压力值P与累计排水量V的关系曲线如图9所示时，说明渗流阻力不是主要的影响因素。

由上所述，本发明的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置及方法具有如下有益效果：

(1)本发明的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置中，合理布置实验壳体、管线和压力表、流量计，能很好地模拟探究渗流阻力对排水过程中地层压力变化的影响，可操作性强，数据采集简单且全面；

(2)本发明的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置中，通过密封压板和固定块的配合使用，并结合加压管线可以将填砂区的砂压实，实现最大程度地模拟真实的地层；

(3)本发明的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置中，通过调整压力泵的压力，可以实现模拟不同地层压力条件下的控压放水，应用范围广泛；

(4)本发明的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置中，各压力表能够有效地测量模拟的近井和远井地带地层压力，该实验装置能够模拟探究地层压力随排水量的变化关系，并验证地层压力随累计排水量阶段性平稳不变是否是由于近井地带压力降低后，远处水源突破渗流阻力向近井地带补充；

(5)本发明的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置及方法能很好地模拟研究地层压力随累计排水量的变化规律，指导现场控压放水作业的顺利进行，具有广泛的应用前景。

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 (10)

1.一种模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置，其特征在于，所述模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置包括顶部能开口、且能密封的实验壳体，所述实验壳体内设置有能沿所述实验壳体的内侧壁密封抵靠滑动、且能固定的密封压板，所述密封压板与所述实验壳体的底部之间构成密封的填砂区，所述实验壳体的底部外侧设置有与所述填砂区连通的压力表组，所述实验壳体内位于所述密封压板上方的空间能通过加压管线与压力泵连通，所述压力泵的出口处设置有加压压力表，所述实验壳体位于所述填砂区的侧壁上能连通地设置有饱和水管线，所述饱和水管线的入口与所述压力泵连通，所述实验壳体的底部能连通地设置排水管线，所述排水管线的入口处设置排水压力表，所述排水管线的出口处设置流量计；所述填砂区靠近所述排水管线的一侧构成近井地带模拟区，所述填砂区远离所述排水管线的一侧构成远井地带模拟区。

2.如权利要求1所述的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置，其特征在于，所述压力泵的出口处设置第一阀门，所述加压管线的出口处设置第二阀门，所述饱和水管线的出口处设置第三阀门，所述排水管线上位于所述排水压力表和所述流量计之间设置第四阀门。

3.如权利要求1所述的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置，其特征在于，所述实验壳体的内侧壁上且位于所述密封压板的上方设置有能拆卸地、且能自上而下顶抵限定所述密封压板的固定块。

4.如权利要求1所述的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置，其特征在于，所述实验壳体为矩形槽体，所述矩形槽体的顶部设置能拆卸、且能密封固定的顶板，所述矩形槽体内位于所述顶板和所述密封压板之间构成加压空间，所述加压管线与所述加压空间能连通地设置。

5.如权利要求2所述的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置，其特征在于，所述饱和水管线的入口能连通地设置于所述加压压力表和所述第二阀门之间的所述加压管线上。

6.如权利要求1所述的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置，其特征在于，所述压力表组包括沿所述实验壳体的长度方向间隔设置的多个压力表。

7.如权利要求6所述的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置，其特征在于，所述多个压力表通过螺纹密封连接于所述实验壳体上。

8.如权利要求1所述的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置，其特征在于，所述加压管线、所述饱和水管线和所述排水管线通过螺纹密封连接于所述实验壳体上。

9.使用如权利要求1至8任一项所述的模拟渗流阻力对排水过程地层压力影响的实验装置的方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤a、完成实验装置的管线组装，将密封压板置于实验壳体的外部，确定各阀门处于关闭状态，确定各管线的密封性；

步骤b、将纱网紧贴在实验壳体的内侧壁上，向实验壳体内填砂至设定高度，将密封压板放入实验壳体的内部并压放于砂的上方，在密封压板的上方安装固定块，再自顶部密封实验壳体；

步骤c、打开第一阀门和第三阀门，启动压力泵，使用压力泵将盐水通过饱和水管线压入实验壳体内，对实验壳体内的填砂区进行饱和盐水，填砂区被饱和后关闭第三阀门，并记录此时各压力表的示数；

步骤d、打开第二阀门，使用压力泵将盐水压入密封压板的上方，增大压力泵的压力使密封压板对填砂区加压，完成填砂区的压实，填砂区内的盐水构成高压水层，维持压力泵的压力不变；

步骤e、打开第四阀门，初始时刻进行小排量排水，完成填砂区的高压水层的排水降压，每隔一段时间记录一次各压力表的数值和累计排水量；

步骤f、保持定量排水并记录各压力表的数值和累计排水量，直至排水压力表的压力值稳定不变时关闭第四阀门，停止排水降压；

步骤g、关闭压力泵、第一阀门和第二阀门，将实验壳体内的盐水和砂排出，清洗实验壳体和各管线，完成实验。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤d中，观测压力表组的多个压力表的压力值，待压力表组的多个压力表的压力值达到实验设定数值且读数稳定时，确定填砂区被压实。