CN109577956B - 地层呼吸效应模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种地层呼吸效应模拟装置及方法，该地层呼吸效应模拟装置包括：外筒体，其内放置有人工地层，人工地层具有人工井眼，人工地层的外壁包裹有气垫，气垫与外筒体之间形成有下部环空；内筒体，密封设置在人工地层的上方，内筒体与外筒体之间形成有上部环空，上部环空与下部环空相连通；内筒体中穿设有注液管，注液管能伸入人工井眼内；监测机构，具有液位监测器和压力传感器，压力传感器设置在内筒体的下端面并位于人工井眼内，液位监测器能监测下部环空中的流体介质的液位高度。本发明能进行地层呼吸效应的室内模拟，摸清不同地层条件在不同的作业工况下的地层呼吸效应特征，以为现场钻完井作业提供理论指导。

Description

地层呼吸效应模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及石油钻完井技术领域，尤其涉及地层呼吸效应模拟装置及方法。

背景技术

随着国家加大对油气资源的勘探开发力度以及我国油气勘探开发技术与装备能力的大幅度提升，我国油气开发领域逐渐由陆地转向海洋，由海洋浅水转向海洋深水，由常温常压地层转向高温高压甚至是超高温超高压地层，而油气勘探开发的作业难度也越来越大。

在高温高压地层甚至是超高温高压地层进行钻完井作业时，由于目的层段地层孔隙压力高且孔隙压力与破裂压力接近甚至大于破裂压力，在钻完井作业过程中安全钻井液密度窗口窄甚至是无安全窗口，导致在作业过程中，为了平衡地层孔隙压力不得不使用高比重的泥浆，而当井内高比重泥浆液柱压力大于或接近地层漏失压力时，井内泥浆在压差作用下沿着地层裂缝进入地层内部，较高的液柱压力也会使得地层原生裂缝张开并形成新的裂缝。而当井内泥浆停止循环或因其它原因导致井内液柱压力减小时，地层原生裂缝及新形成的裂缝会闭合，之前因压差作用进入地层内部的高比重泥浆滤液会重新返回井眼内部。

泥浆这种在压差作用下进入地层再返回井眼内的现象即为地层呼吸效应，钻井过程中尤其是高温高压地层发生呼吸效应时，由于井下情况复杂很难准确的识别井下实际状况，常常会将呼吸效应的“吸”过程误认为是泥浆的漏失，从而错误的减小泥浆密度进而诱发了井下溢流；而将呼吸效应的“呼”过程误认为是井下发生了溢流，从而错误的进行压井作业，导致地层裂缝进一步的被张开，泥浆大量进入地层内部，造成大量的人力、物力、财力损失。

发明内容

本发明的目的是提供一种地层呼吸效应模拟装置及方法，能进行地层呼吸效应的室内模拟，摸清不同地层条件在不同的作业工况下的地层呼吸效应特征，以为现场钻完井作业提供理论指导。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供了一种地层呼吸效应模拟装置，包括：

外筒体，其内放置有人工地层，所述人工地层具有人工井眼，所述人工地层的外部包裹有气垫，所述气垫与所述外筒体之间形成有下部环空；

内筒体，密封设置在所述人工地层的上方，所述内筒体与所述外筒体之间形成有上部环空，所述上部环空与所述下部环空相连通；所述内筒体中穿设有注液管，所述注液管能伸入所述人工井眼内；

监测机构，具有液位监测器和压力传感器，所述压力传感器设置在所述内筒体的下端面并位于所述人工井眼内，所述液位监测器能监测所述下部环空中的流体介质的液位高度。

在本发明的实施方式中，所述下部环空设有至少两个支撑环，所述至少两个支撑环套设在所述气垫的外侧并沿所述外筒体的轴线方向间隔设置，各所述支撑环上沿其圆周方向间隔设有多个流通槽。

在本发明的实施方式中，所述内筒体具有内筒本体，所述内筒本体的下端密封连接有内密封盖，所述内筒本体的上端密封连接有上盖，所述注液管穿设于所述上盖和所述内密封盖，所述注液管与所述内密封盖密封连接。

在本发明的实施方式中，所述内筒本体的内壁沿圆周方向间隔设有多个轴向通槽，所述内密封盖的外壁沿圆周方向间隔设有多个滑块，所述滑块能密封滑动地嵌设在所述轴向通槽中。

在本发明的实施方式中，所述上盖的下端面沿圆周方向间隔设有多个插入块，在所述上盖盖设在所述内筒本体的上端的状态下，所述插入块能卡入所述轴向通槽中。

在本发明的实施方式中，所述液位监测器为红外测距传感器，所述红外测距传感器设置在所述外筒体的上端；或者，所述液位监测器为设置在所述外筒体上部外壁上的刻度标线。

在本发明的实施方式中，所述外筒体的上端设有注液阀，所述外筒体的下端设有排液阀，所述注液阀与所述上部环空相连通，所述排液阀与所述下部环空相连通。

在本发明的实施方式中，所述外筒体为透明筒体，其外部包裹有金属防护层。

在本发明的实施方式中，所述内筒体的下端外壁设有环凸台，所述环凸台的外径与所述气垫的外径相同。

本发明还提供一种如上所述的地层呼吸效应模拟装置的模拟方法，所述模拟方法包括如下步骤：

步骤S1：向所述地层呼吸效应模拟装置的下部环空内注入流体介质，并记录所述下部环空内的初始液位高度；

步骤S2：通过所述地层呼吸效应模拟装置的注液管向人工地层的人工孔眼内注入所述流体介质，并通过压力传感器监测所述人工孔眼内的压力数据，直至所述压力传感器监测的压力值达到初设压力值；

步骤S3：维持所述初设压力值至设定时长，通过所述液位监测器监测所述下部环空中的流体介质的液位高度；

步骤S4：改变通入所述注液管内的所述流体介质的注入压力并维持一定的时长，通过所述液位监测器实时监测所述下部环空中的流体介质的当前液位高度。

本发明的地层呼吸效应模拟装置及方法的特点及优点是：本发明可真实的模拟现场的实际工况进行地层呼吸效应的室内模拟；且可以模拟不同的压力下人工井眼内流体进入人工地层的过程及进入的量；还可以模拟不同的压力下，进入人工地层内的流体介质返排至人工井眼内的过程及返排的量；本发明可以解决现场作业时地层呼吸效应识别难，导致盲目井控作业引起井下复杂事故的问题。本发明可通过设定不同的实验条件来模拟不同地层条件及不同的作业工况下的地层呼吸效应过程，并探索减小地层呼吸效应对钻井工况识别不利的解决方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的地层呼吸效应模拟装置的结构示意图。

图2为图1的A-A向截面图。

图3为本发明的地层呼吸效应模拟装置的上盖的结构示意图。

附图标号说明：1、外筒体；11、下部环空；12、支撑环；121、流通槽；2、内筒体；21、上部环空；22、注液管；23、内筒本体；231、轴向通槽；24、内密封盖；241、滑块；25、上盖；251、插入块；26、驱动机构；27、环凸台；3、监测机构；31、液位监测机构；311、红外测距传感器；312、刻度标线；32、压力传感器；4、人工地层；41、人工井眼；5、气垫；6、控制系统；61、数据采集机构；62、控制器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施方式一

如图1至图3所示，本发明提供了一种地层呼吸效应模拟装置，包括外筒体1、内筒体2和监测机构3，其中：外筒体1内放置有人工地层4，所述人工地层4具有人工井眼41，所述人工地层4的外部包裹有气垫5，所述气垫5与所述外筒体1之间形成有下部环空11；内筒体2密封设置在所述人工地层4的上方，所述内筒体2与所述外筒体1之间形成有上部环空21，所述上部环空21与所述下部环空11相连通；所述内筒体2中穿设有注液管22，所述注液管22能伸入所述人工井眼41内；监测机构3具有液位监测器31和压力传感器32，所述压力传感器32设置在所述内筒体2的下端面并位于所述人工井眼41内，所述液位监测器31能监测所述下部环空11中的流体介质的液位高度。

具体的，外筒体1大体呈圆柱筒状，在本实施例中，该外筒体1可为透明筒体，例如由透明的高强度玻璃或高强度塑料材料制成的筒体，在外筒体1的外部包裹有金属防护层，以保护其不受损的同时能够观测到内部的情况。

人工地层4放置在外筒体1内的底部，其为人工模拟的圆柱形地层，根据实验需要可以模拟不同的裂缝发育程度、裂缝形态的人工地层，自人工地层4的上端面向人工地层4内开设有人工井眼41，该人工井眼41沿人工地层4的轴心处设置且为不穿透的孔眼，以便进行地层呼吸效应的模拟。在本实施例中，该人工地层4的外径小于外筒体1的内径，且人工井眼41的直径d1稍大于注液管22的外径，以便注液管22能伸入其内，由注液管22注入人工地层4的人工井眼41内的流体介质进入人工地层4中，使得人工地层4发生变形或流体介质完全穿透人工地层4。

气垫5包裹在人工地层4的外部，也即在圆柱形的人工地层4的底部、周侧壁以及顶部均设有气垫5，该气垫5紧贴人工地层4的底壁、周侧壁以及顶壁设置，气垫5的外径d2小于外筒体1的内径且稍大于人工地层4的外径，在气垫5与外筒体1之间形成有下部环空11。当人工地层4变形时，会引起气垫5发生变形，而气垫5与外筒体1之间的下部环空11体积会发生变化；也即，当人工井眼41内的流体介质进入人工地层4时，人工地层4的体积增大导致气垫5发生径向膨胀，此时下部环空11的体积减小，下部环空11内的流体介质的液面高度上升；当人工井眼41内的流体介质的压力下降时，进入人工地层4内的流体介质返排至人工地层4的人工井眼41内，人工地层4的体积有一定的恢复，下部环空11的体积随之增大，下部环空11的液面高度下降。

在本发明的实施方式中，下部环空11设有至少两个支撑环12，至少两个支撑环12套设在气垫5的外侧并沿外筒体1的轴线方向间隔设置，各支撑环12上沿其圆周方向间隔设有多个流通槽121。该些支撑环12起到将人工地层4及气垫5固定于外筒体1内的目的，其能保证人工地层4及气垫5不相对外筒体1滑动。

如图2所示，支撑环12上开设的多个流通槽121能使下部环空11中的流体介质流入上部环空21中。在本实施例中，在气垫5的上端侧壁及下端侧壁处分别套设有一个支撑环12，各支撑环12上沿其圆周方向等间隔设有六个流通槽121。

内筒体2密封设置在人工地层4的上端面，在本实施例中，该内筒体2具有内筒本体23，该内筒本体23的下端密封连接有内密封盖24，该内筒本体23的上端密封连接有上盖25，注液管22穿设于上盖25和内密封盖24，且该注液管22与内密封盖24密封连接。

具体的，该内筒本体23的内壁沿圆周方向间隔设有多个轴向通槽231，该内密封盖24的外壁沿圆周方向间隔设有多个滑块241，该滑块241能密封滑动地嵌设在轴向通槽231中，从而该内密封盖13能沿轴向通槽231与内筒本体23之间密封连接。在本实施例中，如图2所示，该内筒体23的内壁沿圆周方向等间隔设有四个轴向通槽231，该内密封盖24的外壁沿圆周方向等间隔设有四个滑块241，四个滑块241能嵌入四个轴向通槽231中；当然，在其他的实施例中，内筒本体23的轴向通槽231、以及内密封盖24的滑块241的数量也可为三个、五个或更多个，在此不做限制。

如图3所示，上盖25的下端面沿圆周方向间隔设有多个插入块251，在上盖25盖设在内筒本体23的上端的状态下，该些插入块251能卡入轴向通槽231中，从而使得上盖25能稳固连接在内筒本体23上。

注液管22大体呈圆柱管状，其穿设在上盖25和内密封盖24中，该注液管22的一端连接外接水泵，其另一端能伸入人工地层4的人工井眼41内，开启水泵，通过注液管22能实现向人工地层4的人工井眼41注水的目的。在本实施例中，该注液管22与内密封盖24密封焊接相连，通过注液管22向人工地层4的人工井眼41内部注入的流体介质为高压流体，该高压流体为大于允许流体介质进入人工地层4内部的最小压力(通常与人工地层4有关)，或者该高压流体的压力可取值为所模拟的地层深度处的泥浆液柱压力值，例如模拟地层的深度为H，则高压流体的压力约为：高压流体的密度×H。

在本实施例中，在上盖25上安装有驱动机构26，该驱动机构26例如可为升降机或丝杠机构等，在驱动机构26的作用下可上提或下放注液管22及内密封盖24，使注液管22及内密封盖24沿内筒本体23的轴向移动，该内密封盖24能下放至顶抵在人工地层4上方的气垫5上。在本发明中，该内筒体2与人工地层4上方的气垫5的接触部分做密封处理，例如，在内密封盖24下侧的注液管22的外壁上套设密封圈与垫圈，该垫圈的外径与密封圈的外径相同，且均大于人工地层4的人工井眼41的直径，该密封圈与垫圈紧密固定于注液管22的外壁，且紧贴着内密封盖24的下端面。当下压内密封盖24时，该密封圈与垫圈能紧压于人工地层4上端面上的气垫5，防止流体介质经由内密封盖23与气垫5接触的位置泄漏，避免后续人工地层4的人工井眼41内的高压流体发生泄漏。

内筒本体23的直径与人工地层4的外径相同，在本实施例中，内筒体2的下端外壁设有环凸台27，该环凸台27的外径与气垫5的外径d2相同，或稍大于气垫5的外径d2，该环凸台27用于固定包裹于人工地层4上端面的部分气垫5，该环凸台27的外径小于外筒体1的内径。

监测机构3具有液位监测器31和压力传感器32。其中，该液位监测器31用于实时监测下部环空11内的流体介质的液面高度，在一可行的实施例中，该液位监测器31为红外测距传感器311，该红外测距传感器311设置在外筒体1的上端；或者，在另一可行的实施例中，该液位监测器31为设置在外筒体1上部外壁上的刻度标线312。

该压力传感器32安装在内筒体2的下端并位于人工地层4的人工井眼41内，该压力传感器32用于监测人工地层4的人工井眼41中的流体介质的压力。

进一步的，该外筒体1的上端设有注液阀13，该外筒体1的下端设有排液阀14，该注液阀13与上部环空21相连通，该排液阀14与下部环空11相连通。通过注液阀13可向下部环空11中注入流体介质，通过排液阀14能排出下部环空11中的流体介质。

在本发明的实施方式中，该地层呼吸效应模拟装置还包括控制系统6，该控制系统6包括电连接的数据采集机构61与控制器62，该数据采集机构61用于采集下部环空11中的流体介质的液位高度、以及人工地层4的人工井眼41内的压力数据，控制器62通过采集的各数据控制注液阀13和排液阀14的开启与关闭，同时控制驱动机构26与水泵(图中未示出)的启停与功率。

该地层呼吸效应模拟装置的实验步骤如下：

S1：将加工好的模拟不同裂缝发育程度的人工地层4延轴线方向钻孔形成人工井眼41，该人工井眼41的深度h小于人工地层4的高度H；

S2：将支撑环12套设于人工地层4外侧的气垫5上，使气垫5可以完全且紧密地包裹于人工地层4的侧面、顶端面和底端面；

S3：将套设好气垫5的人工地层4吊放至外筒体1的内部，坐放于外筒体1内的正中心位置；

S4：坐放内筒体2至人工地层4上端面的气垫5上，并安装内筒体2的上盖25，下放内筒体2的内密封盖23至压紧人工地层4上端面的气垫5，同时对内筒体2及内密封盖23与人工地层4之间的接触部分做密封处理，防止后期人工井眼41内部的高压流体介质溢出；

S5：通过注液阀13向外筒体1与气垫5之间的下部环空11中注入流体介质，在本实施例中，该流体介质可为水或其它非腐蚀性、无毒害流体(例如油、钻井液或空气等)，直至下部环空11的流体介质的液面位置超过人工地层4高度的2/3且不高于上侧支撑环12的高度，此时记录初始时刻的下部环空11中的流体介质的液面高度H00；

S6：通过注液管22向人工地层4的人工井眼41内注入与外筒体1及气垫5之间的下部环空11内相同的流体介质，直至位于人工井眼41内的压力传感器32监测到的压力值达到设定值W1；

S7：维持水泵的泵压力至设定时长，同时通过液位监测器31实时监测、记录下部环空11中的流体介质的液面高度的数据，直至监测一定时长后液面高度H0稳定；

S8：减小水泵的压力并记录压力传感器32的压力数据直至设定压力N1并维持一定时长，监测对应的下部环空11中的流体介质的液面高度H1；

S9：参照S7-S8中的步骤，继续减小人工井眼41内流体介质的压力至设定值N2,N3，…，直至压力降低为静液柱压力值，监测对应的下部环空11中的流体介质的液面高度H2，H3,…；

S10：参照S5-S9中的步骤，将人工井眼41内的流体介质的压力加压至W2,W3，…，并观测相应的下部环空11中的流体介质的液面高度以及降压后相应的下部环空11中的流体介质的液面高度。

本发明的地层呼吸效应模拟装置，结构简单且使用方便，可通过设定不同的实验条件来模拟不同地层条件及不同的作业工况下的地层呼吸效应过程，并探索减小地层呼吸效应对钻井工况识别不利的解决方案。

该地层呼吸效应模拟装置可真实的模拟现场的实际工况进行地层呼吸效应的室内模拟；且可以模拟不同的压力下人工井眼内流体进入人工地层的过程及进入的量；还可以模拟不同的压力下，进入人工地层内的流体介质返排至人工井眼内的过程及返排的量；本发明可以解决现场作业时地层呼吸效应识别难，导致盲目井控作业引起井下复杂事故的问题。

实施方式二

如图1至图3所示，本发明还提供一种如上所述的地层呼吸效应模拟装置的模拟方法，所述模拟方法包括如下步骤：

步骤S1：向所述地层呼吸效应模拟装置的下部环空11内注入流体介质，并记录所述下部环空11内的初始液位高度；

步骤S2：通过所述地层呼吸效应模拟装置的注液管22向人工地层4的人工孔眼41内注入所述流体介质，并通过压力传感器32监测所述人工孔眼41内的压力数据，直至所述压力传感器32监测的压力值达到初设压力值；

步骤S3：维持所述初设压力值至设定时长，通过所述液位监测器31监测所述下部环空11中的流体介质的液位高度；

步骤S4：改变通入所述注液管22内的所述流体介质的注入压力并维持一定的时长，通过所述液位监测器31实时监测所述下部环空11中的流体介质的当前液位高度。

本发明的模拟方法，采用实施方式一中所述的地层呼吸效应模拟装置实施，有关地层呼吸效应模拟装置的具体结构、工作原理及有益效果已在实施方式一中具体说明，在此不再赘述。该模拟方法可以模拟不同的压力下人工井眼内流体进入人工地层的过程及进入的量；还可以模拟不同的压力下，进入人工地层内的流体介质返排至人工井眼内的过程及返排的量，该模拟方法可真实的模拟现场的实际工况进行地层呼吸效应的室内模拟。

该模拟方法，通过设定不同的实验条件来模拟不同地层条件及不同的作业工况下的地层呼吸效应过程，并探索减小地层呼吸效应对钻井工况识别不利的解决方案。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种地层呼吸效应模拟装置，其特征在于，包括：

外筒体，其内放置有人工地层，所述人工地层具有人工井眼，所述人工地层的外部包裹有气垫，所述气垫与所述外筒体之间形成有下部环空；所述人工井眼沿所述人工地层的轴心处设置且为不穿透的孔眼；

内筒体，密封设置在所述人工地层的上方，所述内筒体与所述外筒体之间形成有上部环空，所述上部环空与所述下部环空相连通；所述内筒体中穿设有注液管，所述注液管能伸入所述人工井眼内；

监测机构，具有液位监测器和压力传感器，所述压力传感器设置在所述内筒体的下端面并位于所述人工井眼内，所述液位监测器能监测所述下部环空中的流体介质的液位高度；

其中，所述下部环空设有至少两个支撑环，所述至少两个支撑环套设在所述气垫的外侧并沿所述外筒体的轴线方向间隔设置，各所述支撑环上沿其圆周方向间隔设有多个流通槽。

2.如权利要求1所述的地层呼吸效应模拟装置，其特征在于，所述内筒体具有内筒本体，所述内筒本体的下端密封连接有内密封盖，所述内筒本体的上端密封连接有上盖，所述注液管穿设于所述上盖和所述内密封盖，所述注液管与所述内密封盖密封连接。

3.如权利要求2所述的地层呼吸效应模拟装置，其特征在于，所述内筒本体的内壁沿圆周方向间隔设有多个轴向通槽，所述内密封盖的外壁沿圆周方向间隔设有多个滑块，所述滑块能密封滑动地嵌设在所述轴向通槽中。

4.如权利要求3所述的地层呼吸效应模拟装置，其特征在于，所述上盖的下端面沿圆周方向间隔设有多个插入块，在所述上盖盖设在所述内筒本体的上端的状态下，所述插入块能卡入所述轴向通槽中。

5.如权利要求1所述的地层呼吸效应模拟装置，其特征在于，所述液位监测器为红外测距传感器，所述红外测距传感器设置在所述外筒体的上端；或者，所述液位监测器为设置在所述外筒体上部外壁上的刻度标线。

6.如权利要求1所述的地层呼吸效应模拟装置，其特征在于，所述外筒体的上端设有注液阀，所述外筒体的下端设有排液阀，所述注液阀与所述上部环空相连通，所述排液阀与所述下部环空相连通。

7.如权利要求1所述的地层呼吸效应模拟装置，其特征在于，所述外筒体为透明筒体，其外部包裹有金属防护层。

8.如权利要求1所述的地层呼吸效应模拟装置，其特征在于，所述内筒体的下端外壁设有环凸台，所述环凸台的外径与所述气垫的外径相同。

9.一种采用如权利要求1～8中任一项所述的地层呼吸效应模拟装置的模拟方法，其特征在于，所述模拟方法包括如下步骤：

步骤S1：向所述地层呼吸效应模拟装置的下部环空内注入流体介质，并记录所述下部环空内的初始液位高度；

步骤S2：通过所述地层呼吸效应模拟装置的注液管向人工地层的人工孔眼内注入所述流体介质，并通过压力传感器监测所述人工孔眼内的压力数据，直至所述压力传感器监测的压力值达到初设压力值；

步骤S3：维持所述初设压力值至设定时长，通过所述液位监测器监测所述下部环空中的流体介质的液位高度；

步骤S4：改变通入所述注液管内的所述流体介质的注入压力并维持一定的时长，通过所述液位监测器实时监测所述下部环空中的流体介质的当前液位高度。