CN111411934B - 水平井砂水协同产出与控制及开采完井多功能实验系统及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了水平井砂水协同产出与控制及开采完井多功能实验系统及其实验方法，实验系统包括中央控制系统与通过管道依次连接的储液罐、水泵、储层模拟单元、透明井筒、砂液分离集砂器以及回流泵，实验方法包括水平井非均匀出水剖面及其动态演化模拟实验与水平井控砂控水水平井综合流动模拟实验、水平井砂水协同产出剖面及其动态演化模拟实验与水平井非均匀出砂剖面及其动态演化模拟实验、水平井循环砾石充填防砂过程模拟实验等多种实验，通过本发明开展系列实验，有助于得到更加准确的数学模拟计算结果，对提高石油与天然气储层水平井开发效果具有重要科学价值和工程指导意义，同时对非常规油气和天然气水合物储层的水平井开发也有重要借鉴价值。

Description

水平井砂水协同产出与控制及开采完井多功能实验系统及其 实验方法

技术领域

本发明涉及石油与天然气开采行业的水平井控砂控水和开采完井实验模拟技术领域，具体涉及水平井砂水协同产出与控制及开采完井多功能实验系统及其实验方法。

背景技术

水平井具有生产井段长、泄流面积大、单井产量高等优点，长久以来是石油与天然气开发的重要技术手段。大量出水和严重出砂是水平井开采技术面临最棘手的问题。水平井一旦见水，整个井筒会在短期内水淹，导致油气井的产水迅速上升，严重降低水平井开采效率，并大幅消耗举升能量和增加地面处理费用。水平井出水的同时，弱胶结疏松砂岩易出砂储层在开发过程中会有严重出砂现象，地层细微砂粒在地层微应力和流体冲刷双重作用下从岩石基体剥落，被地层产出流体携带进入水平井生产段，造成井筒堵塞、磨损设备等一系列负面后果。

鉴于出砂和出水引发的棘手问题，控砂和控水一直是疏松砂岩油气藏水平井高效开发的主导技术策略。但是，由于水平井的生产段长带来的一系列复杂问题，目前长井段的水平井控水和控砂效果并不理想，严重制约水平井开发效果。高效控水及砂水协同控制成为水平井开发的工程难题，主要表现在：1水平井长生产段的出水剖面和出砂剖面具有非均质性，大量出水和出砂位置难以准确获取，使得控水控砂无的放矢；2水平井生产段的砂水产出剖面随着长期生产延续是不断变化的，控砂控水措施缺乏应对策略；3水平井长井段的笼统强化控砂控水造成总体渗流阻力和能量消耗增加，降低产能，增大作业和生产成本。

由于上述水平井砂水协同控制的工程难题，通过室内模拟实验进行出砂出水规律和控砂控水优化是主要的研究手段之一。但是，目前关于水平井控砂控水完井实验模拟系统存在的缺陷和问题主要有：

(1)目前的实验系统均是出砂与控砂、出水与控水单独模拟设计。实际上，水平井的出水(液)和出砂具有协同影响效应。出砂促进产液，砂粒的产出又是被地层液体携带产出。现有实验系统未能将水平井水平段的砂水协同产出和协同控制结合起来同时模拟。实验结果与实际不符；

(2)对于长井段的水平井生产段，出砂和出水剖面具有明显非均质性，先有实验装置难有模拟这种非均质性；

(3)水平井生产段的砂水产出剖面是随着生产过程不断演化的。现有实验系统无法模拟这种砂水产出剖面的动态演化；

(4)现有的关于水平井控砂控水的实验装置功能单一，只能完成局部小尺度储层的单独工程现象或作业过程模拟实验，比如局部出水、局部出砂、防砂充填作业模拟等。尚无一套能够完成非均质储层长井段水平井非均匀剖面出砂、出水、砂水协同产出、控水筛管测试、管内循环砾石充填作业、管外挤压砾石充填作业、控水控砂井综合流动模拟等功能于一体的综合开放式实验系统平台。

发明内容

本发明针对上述问题，提供了水平井砂水协同产出与控制及开采完井多功能实验系统及其实验方法，实验系统能够实施水平井非均匀出水剖面及其动态演化模拟、出砂剖面及其动态演化模拟、砂水协同产出剖面及其动态演化模拟、循环砾石充填防砂过程模拟、管外地层挤压充填防砂施工过程模拟、控水控砂筛管性能测试、控砂控水水平井综合流动模拟多种实验模拟。

本发明的提供的实验系统能够模拟长井段水平井砂水产出剖面的非均质性及其动态演化过程，以及模拟储层非均质性对砾石充填作业、防砂后的储层渗流阻力、控砂控水筛管综合性能的综合影响。考虑上述综合影响的实验模拟非常有助于模拟长井段水平井的非均匀砂水产出剖面及其变化规律，找准确水平井出砂出水高流速位置，使防砂控水有的放矢，提供水平井控砂控水效果；基于实验模拟的结果拟合有助于得到更加准确的数学模拟计算结果，对于提高水平井流动阻力预测、砾石充填效果预测、控水防砂与开采完井参数优化结果具有直接帮助。

本发明解决技术问题的技术方案为：

水平井砂水协同产出与控制及开采完井多功能实验系统，包括中央控制系统与通过管道依次连接的储液罐、水泵、储层模拟单元、透明井筒、砂液分离集砂器以及回流泵，所述的回流泵的出液口与储液罐的进液口连通，所述的储层模拟单元包括的水平设置的长条形储层容器，储层容器的内腔断面为上宽下窄的梯形，所述储层容器的上端均匀地设置有多个入流口，所述的入流口通过管道并联连通后通过主管道与水泵的出液口连接，所述水泵的出液端设置有第二流量计，且水泵与入流口之间的主管道上设置有第一阀门，所述的透明井筒包括水平设置的圆筒容器，所述的透明井筒与储层模拟单元通过多个柔性连接管连接，所述的柔性连接管的两端分别均匀地分布于透明井筒的侧壁与储层模拟单元的底壁上，每根柔性连接管上安装有第二阀门、第二液压传感器和第一流量传感器，所述的透明井筒的右端设置有出液口，且透明井筒的出液口通过管道依次连接第三阀门、第一液压传感器、第一流量计、砂液分离集砂器，所述的第一流量传感器、第一液压传感器、第一流量计分别与中央控制系统连接。

进一步地，所述的透明井筒内设置有筛管，所述的筛管与透明井筒同轴设置，所述的筛管与透明井筒的侧壁之间具有环形空白区域，所述筛管的左右两端设置于透明井筒的左右两端，且所述出液口设置于筛管与透明井筒的侧壁之间的环形空白区域。

进一步地，所述的筛管的内设置有冲管，所述的冲管与筛管同轴设置，所述的冲管的左端设置于筛管的左端。

进一步地，所述的透明井筒的左端设置有第一进液口，所述的第一进液口与筛管和透明井筒之间的空白区域连通，所述的第一进液口通过管道依次与第四液压传感器、第八阀门、第四阀门、加砂器、第八阀门、水泵连接，所述的第四液压传感器与中央控制系统连接。

进一步地，透明井筒的左端设置有第二进液口，所述的第二进液口与冲管的左端连通，所述的第二进液口通过管道依次连接第五液压传感器、第六阀门和第一液压传感器，所述的第五液压传感器与中央控制系统连接；

所述的透明井筒的侧壁上有连接沿母线方向分布的多根滤失管线，多根滤失管线汇通至主管后依次连接第五阀门、第一液压传感器，且每根滤失管线上设置有第三阀门、第三液压传感器和第二流量传感器，第三液压传感器和第二流量传感器分别与中央控制系统连接。

进一步地，所述的第二进液口连接第五液压传感器后通过支管与水泵连接，且所述支管上设置有第九阀门。

进一步地，所述的入流口通过管道并联连通后通过主管道与第一液压传感器连接，所述的入流口与第一液压传感器之间的主管道上设置有第七阀门。

进一步地，所述的透明井筒包括多节井筒段，相邻的井筒段通过法兰连接，所述透明井筒的左右两端分别安装有左封头和右封头，且冲管的左端穿出左封头后与第二进液口连通，所述的左封头上设置有第一进液口，所述的第一进液口第一进液口与筛管和透明井筒之间的空白区域连通，所述的筛管与冲管的左端通过左衔接环连接，所述的左衔接环设置于左封头上，所述的筛管的右端通过右衔接环连接有筛管调节套，所述的右衔接环设置于筛管调节套的左端，所述的筛管调节套为圆筒状，所述的筛管调节套的内径与右衔接环卡接处的外径相配合，所述的筛管调节套的右端设置于第三衔接环上，所述的第三衔接环的右端连接有伸缩杆，所述的伸缩杆穿过右封头后滑动设置于滑架内，所述的滑架设置于右封头的右端，伸缩杆沿左右方向滑动，所述的滑架的右端螺纹连接有调节螺栓，所述的调节螺栓与伸缩杆的右端转动连接。

进一步地，所述的储层容器包括上端敞口的容器以及容器上端的密封盖，所述的密封盖的截面为扇环形或内腔为梯形，所述的入流口设置于密封盖上，且密封盖通过卡槽卡接有水平设置的多孔分流板，所述的多孔分流板设置于入流口的下方，储层容器的外形为圆柱形，所述的储层容器包括多节储层容器段，且每节储层容器段均设置于承压圆筒段内，相邻的承压圆筒段通过卡箍连接形成承压圆筒，且相邻的承压圆筒段对接处设置有密封结构，所述的承压圆筒段转动设置于移动支架上，所述移动支架上转动设置有滚轮，所述的承压圆筒设置于滚轮上。

水平井砂水协同产出与控制及开采完井多功能实验系统的实验方法，实验包括以下实验：

水平井非均匀出水剖面及其动态演化模拟实验与水平井控砂控水水平井综合流动模拟：

(1)透明井筒内不放置筛管和冲管，向储层容器内填埋非均质胶结地层砂，使用高胶结强度的地层砂，确保实验过程中不出砂，打开第一阀门、第二阀门、第三阀门，并关闭其余的阀门，启动水泵、回流泵，液体从储层容器流向透明井筒，检测观察第二液压传感器、第一流量传感器、第一液压传感器、第一流量计、第三液压传感器、第二流量传感器的数据；

(2)水平井砂水协同产出剖面及其动态演化模拟实验与水平井非均匀出砂剖面及其动态演化模拟实验：

透明井筒内不放置筛管和冲管，向储层容器内填埋非均质胶结地层砂，使用低胶结强度的地层砂，确保实验过程中出现出砂现象，打开第一阀门、第二阀门、第三阀门，并关闭其余的阀门，启动水泵、回流泵，液体从储层容器流向透明井筒，检测观察第二液压传感器、第一流量传感器、第一液压传感器、第一流量计、第三液压传感器、第二流量传感器的数据，并收集砂液分离集砂器中收集的砂砾进行数据分析；

(3)水平井循环砾石充填防砂过程模拟实验：透明井筒内放置筛管和冲管，所述的筛管包括防砂筛管、控水筛管或旁通筛管，向储层容器内填埋地层砂，打开阀门第六阀门、第三阀门、第八阀门、第四阀门、第五阀门，并关闭其余的阀门，启动水泵、回流泵与加砂器，液体从透明井筒流向储层容器，观察第四液压传感器、第五液压传感器、第二流量传感器、第一液压传感器、第一流量计的数据；

(4)水平井管外地层挤压充填防砂施工过程模拟实验：透明井筒内放置筛管和冲管，所述的筛管包括防砂筛管、控水筛管或旁通筛管，向储层容器内填埋地层砂，打开第八阀门、第四阀门、第二阀门、第七阀门，并关闭其余的阀门，启动水泵、回流泵与加砂器，液体从透明井筒流向储层容器，观察第四液压传感器、第二液压传感器、第一流量传感器、第一液压传感器、第一流量计的数据；

(5)水平井控水筛管性能测试实验：透明井筒内放置筛管，且不设置冲管，所述的筛管为控水筛管，向储层容器内填埋非均质胶结地层砂，使用高胶结强度的地层砂，确保实验过程中不出砂，打开第一阀门、第二阀门、第三阀门，并关闭其余的阀门，启动水泵、回流泵，液体从储层容器流向透明井筒，观察第一流量传感器、第一液压传感器、第一流量计的数据；

(6)水平井控砂筛管性能测试实验：透明井筒内放置筛管，且不设置冲管，所述的筛管为控砂筛管，向储层容器内填埋非均质胶结地层砂，使用低胶结强度的地层砂，确保实验过程中出现出砂现象，打开第一阀门、第二阀门、第三阀门，并关闭其余的阀门，启动水泵、回流泵，液体从储层容器流向透明井筒，观察第一流量传感器、第一液压传感器、第一流量计的数据，并收集砂液分离集砂器中收集的砂砾进行数据分析。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

1、本发明提供的实验系统，实验模拟功能全面，通过各单元的灵活组合和流程的灵活控制，可以实施完成水平井非均匀出水剖面及其动态演化模拟、水平井出砂剖面及其动态演化模拟、水平井砂水协同产出剖面及其动态演化模拟、水平井循环砾石充填防砂过程模拟、水平井管外地层挤压充填防砂施工过程模拟、水平井控水控砂筛管性能测试、水平井控砂控水水平井综合流动模拟等水平井开采完井工程过程的模拟实验。

2、本发明提供的储层模拟单元通过人工灵活的填埋非均质地层砂，可以实现水平井长生产段的储层非均质性模拟，进而实现长井段水平井砂水产出剖面的非均质性及其动态演化过程，以及模拟储层非均质性对砾石充填作业、防砂后的储层渗流阻力、控砂控水筛管综合性能的综合影响。此模拟功能进一步非常有助于模拟长井段水平井的非均匀砂水产出剖面及其变化规律，找准确水平井出砂出水高流速位置，使防砂控水有的放矢，提供水平井控砂控水效果。

3、本发明提供的储层模拟单元模拟井筒周围的60度弧形储层区域真实地层是环柱装包围井筒的储层，既大大降低了储层模拟单元的尺寸和容积，降低填砂量和结构体积，降低了实验难度和复杂度；同时又能模拟储层向井筒的径向汇聚流动。保证了实验效果同时具有经济和可操作性。

4、储层模拟单元与主体井筒模拟装置的柔性管排连接使得储层模拟单元能够进行旋转，旋转至高位置时便于填砂，旋转至低位置时便于清砂操作。并且，柔性管排连接和储层单元的组合即可以模拟生产过程中的储层井筒供液供砂，又可以模拟作业过程中井筒向储层的液体滤失流动和充填砾石过程。模拟效果非常接近实际作业情况。

5、利用本实验平台开展系列水平井出砂出水、控砂控水、开采完井优化实验，实验模拟有助于得到更加准确的数学模拟计算结果，对于提高水平井流动阻力预测、砾石充填效果预测、控水防砂与开采完井参数优化结果具有直接帮助。也有助于解决长井段水平井砂水协同控制难题，同时辐射对水平井开采完井、智能完井、实时生产优化提供重要技术支撑。实验系统对提高石油与天然气储层水平井开发效果具有重要科学价值和工程指导意义，同时对非常规油气和天然气水合物储层的水平井开发也有重要借鉴价值。

附图说明

图1为本发明实验系统结构组成及流程图；

图2为透明井筒的轴向截面剖视图；

图3为透明井筒的径向截面剖视图；

图4为梯形容器与移动支架的截面结构示意图；

图5为储层模拟单元的径向截面剖视图；

图6为储层模拟单元通过卡箍紧固状态的右视图；

图7为储层模拟单元卡箍未紧固状态的右视图；

图中，储液罐1，水泵2，加沙器3，第四阀门31，第四液压传感器32，透明井筒4，滤失管线41，第五阀门411，第三阀门412，第二流量传感器413，法兰421，左衔接环422，右衔接环423，左封头424，右封头425，筛管调节套426，第三衔接环427，伸缩杆428，滑架429，调节螺栓4210，第三阀门43，第一液压传感器44，第一流量计45，出液口46，第一进液口47，筛管48，冲管49，镂空支撑环491，第二进液口410，第五液压传感器4101，第六阀门4102，储层容器5，密封盖501，储层容器段502，卡箍503，承压圆筒段504，移动支架505，滚轮506，多孔分流板507，密封结构508，入流口51，第一阀门52，柔性连接管53，第二阀门531，第一流量传感器532，第七阀门54，砂液分离集砂器6，回流泵7，第八阀门81，第二流量计82，第九阀门83。

具体实施方式

为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

水平井砂水协同产出与控制及开采完井多功能实验系统，包括中央控制系统与通过管道依次连接的储液罐1、水泵2、储层模拟单元、透明井筒4、砂液分离集砂器6以及回流泵7，透明井筒4用来模拟水平井生产段，主储层模拟单元用来充填非均质地层砂，模拟水平井生产段周围的储层。所述的回流泵7的出液口与储液罐1的进液口连通，所述的储层模拟单元包括的水平设置的长条形储层容器5，储层容器5的内腔断面为上宽下窄的梯形，所述储层容器5的上端均匀地设置有多个入流口51，所述的入流口通过管道并联连通后通过主管道与水泵的出液口连接，所述水泵的出液端设置有第二流量计82，且水泵与入流口之间的主管道上设置有第一阀门52，所述的透明井筒包括水平设置的圆筒容器，所述的透明井筒与储层模拟单元通过多个柔性连接管53连接，具体的为15个柔性连接管53，所述的柔性连接管53两端通过接头414分别与透明井筒的侧壁与储层模拟单元的底壁连接，所述的柔性连接管53的两端分别均匀地分布于透明井筒的侧壁与储层模拟单元的底壁上，每根柔性连接管53上靠近透明井筒端安装有第二阀门531、第二液压传感器和第一流量传感器532，柔性连接管53能够实现液体从透明井筒到储层模拟单元和从储层模拟单元到透明井筒的双向流动，分别能够满足管外挤压充填实验和水平井出砂出水系列实验的目的。所述的透明井筒的右端设置有出液口46，且透明井筒的出液口通过管道依次连接第三阀门43、第一液压传感器44、第一流量计45、砂液分离集砂器6，所述的第一流量传感器532、第一液压传感器44、第一流量计45分别与中央控制系统连接。柔性连接管53用于连接透明井筒4和储层模拟单元，允许流体、地层砂、充填的砾石从正反两个方向流动通过，采用金属耐高压柔性管制作柔性连接管53，允许储层模拟单元转换位置和角度，便于充填和清理填砂。水泵2采用G型单螺杆泵，每级泵的输出压力为0.6MPa，扬程60m，储液罐采用不锈钢立式搅拌储罐，有效容积1500L，回流泵采用GS40-3卧式不锈钢离心泵，可实现流体在整个实验流程中的循环利用。砂液分离集砂器由分离沉砂罐体和砂粒收集计量筒组成，用来根据重力沉降原理分离液体中的地层砂粒，并通过收集计量筒收集沉砂和计量砂粒体积，收集到的砂烘干称重作为实验数据记录。本申请中的采用FR80涡轮式流量计，流量传感器外夹式超声波流量计。液压传感器选择ZHT-2300实验室用数字压力计或NTJP-3压力传感器。所述的出砂量监测系统包括沉砂罐10和集砂器9，所述的的集砂器9设置于沉砂罐10的底部，所述的沉砂罐10的出液口与恒流供液系统的进液口之间的管道上设置有回水泵101。砂液分离集砂器6包括沉砂罐和集砂量筒，沉砂罐为圆柱形罐体，底部为漏斗状，漏斗的最底部通过阀门和接头与集砂量筒连接，集砂量筒就是透明管的圆柱状容器，带有刻度，也为现有技术。

具体的，所述的透明井筒内设置有筛管48，所述的筛管与透明井筒同轴设置，所述的筛管与透明井筒的侧壁之间具有环形空白区域，所述筛管48的左右两端设置于透明井筒的左右两端，且所述出液口46设置于筛管与透明井筒的侧壁之间的环形空白区域。

具体的，所述的筛管48的内设置有冲管49，所述的冲管49与筛管48同轴设置，所述的冲管的左端设置于筛管48的左端。

具体的，所述的透明井筒的左端设置有第一进液口47，所述的第一进液口与筛管和透明井筒之间的空白区域连通，所述的第一进液口47通过管道依次与第四液压传感器32、第八阀门81、第四阀门31、加砂器3、第八阀门81、水泵2连接，所述的第四液压传感器32与中央控制系统连接。加砂器主要由耐压装砂筒、伺服电机、输送绞龙、输砂筒体、液体进出口组成，为现有技术，可直接购买成品。

具体的，透明井筒4的左端设置有第二进液口410，所述的第二进液口410与冲管49的左端连通，所述的第二进液口410通过管道依次连接第五液压传感器4101、第六阀门4102和第一液压传感器44，所述的第五液压传感器4101与中央控制系统连接；

所述的透明井筒的侧壁上有连接沿母线方向分布的多根滤失管线41，滤失管线的安装位置与柔性连接管53的安装位置相对设置，如柔性连接管53设置于透明井筒侧壁的上端沿母线方向设置，而滤失管线设置于透明井筒侧壁的下端沿母线方向设置，多根滤失管线汇41通至主管后依次连接第五阀门411、第一液压传感器44，滤失管线41的数量为30个，滤失管线41接口上装有不锈钢接头414，滤失管线41的接头与井筒之间通过螺纹连接，设置有密封装置。且每根滤失管线上靠近接头处设置有第三阀门412、第三液压传感器和第二流量传感器413，第三液压传感器和第二流量传感器413实时测量滤失流量和压力，第三阀门412相对比第三液压传感器和第二流量传感器413距离接头更远，即第三液压传感器和第二流量传感器413不受第三阀门412控制可以保持测量功能，第三阀门412可以控制滤失单元的开启与关闭、调节滤失密度，第三液压传感器和第二流量传感器413分别与中央控制系统连接。滤失管线41用于模拟砾石充填作业过程中井筒流体向地层的滤失。第三液压传感器可以测量沿水平方向透明井筒的液体压力分布。

具体的，所述的第二进液口410连接第五液压传感器4101后通过支管与水泵2连接，且所述支管上设置有第九阀门83，本申请包括的实验中第九阀门均为关闭状态，第九阀门用于做其他实验时使用。

具体的，所述的入流口51通过管道并联连通后通过主管道与第一液压传感器44连接，所述的入流口与第一液压传感器44之间的主管道上设置有第七阀门54。

具体的，所述的透明井筒4包括多节井筒段，透明井筒4整体10米长，每井筒段2米，共5个井筒段，相邻的井筒段通过法兰421连接，分段连接便于拆装和检修，也便于实验条件设置和操作。所述透明井筒的左右两端分别安装有左封头424和右封头425，且冲管49的左端穿出左封头424后与第二进液口410连通，所述的左封头424上设置有第一进液口47，所述的第一进液口第一进液口47与筛管48和透明井筒4之间的空白区域连通，所述的筛管48与冲管49的左端通过左衔接环422连接，所述的筛管与冲管的中间部分设置有镂空支撑环491，所述的左衔接环422设置于左封头424上，所述的筛管48的右端通过右衔接环422连接有筛管调节套426，所述的右衔接环422设置于筛管调节套426的左端，不同规格大小的筛管48选用不同规格的左衔接环和右衔接环，所述的筛管调节套426为圆筒状，所述的筛管调节套的内径与右衔接环422卡接处的外径相配合，所述的筛管调节套426的右端设置于第三衔接环427上，所述的第三衔接环427的右端连接有伸缩杆428，所述的伸缩杆穿过右封头425后滑动设置于滑架429内，所述的滑架429设置于右封头425的右端，伸缩杆沿左右方向滑动，所述的滑架429的右端螺纹连接有调节螺栓4210，所述的调节螺栓4210与伸缩杆428的右端转动连接。滑架429与起升装置连接可以在改变井筒与水平之间夹角。筛管右端的调节机构可以允许容纳测试筛管长度在8-9.5m之间变化，也就是说只要长度为8-9.5m的筛管都可以进行实验测试，降低了对测试筛管加工长度的要求，使得实验简单易行；通过透明井筒一端的滑架429与起升装置连接，可以将透明水平井筒提升到最高30度角度，可以模拟倾斜井筒，也就是定向井的情况。

具体的，所述的储层容器5包括上端敞口的容器以及容器上端的密封盖501，密封盖通过14个螺栓与容器边壁压紧，配合密封圈保证密封性，储层容器5共10m长，高0.5m，所述的密封盖的截面为扇环形或内腔为梯形，所述的入流口51设置于密封盖上，且密封盖通过卡槽卡接有水平设置的多孔分流板507，所述的多孔分流板具体的是过滤网，或者具体的是带有多个孔的平板，使得入流口流入的液体进入到多孔分流板上进行分流，以使得液体均匀地留入容器内，所述的多孔分流板设置于入流口51的下方，储层容器5的外形为圆柱形，所述的储层容器5包括5节储层容器段502，且每节储层容器段502均设置于承压圆筒段504内，相邻的承压圆筒段504通过卡箍503连接形成承压圆筒，卡箍设置于可移动的支承机构5031上，无需人工搬运卡箍，且相邻的承压圆筒段504对接处设置有密封结构508，承压圆筒段为透明筒体，所述的承压圆筒段504转动设置于移动支架505上，具体地，所述移动支架505上转动设置有滚轮506，所述的承压圆筒504设置于滚轮506上。入流口51与柔性连接管53均通过接头414与储层容器5，且该接头穿过承压圆筒段504后与储层容器5螺纹连接，并在连接处设置有密封套。储层容器5内腔为梯形截面以模拟越靠近井筒流体流速越快的储层特点。实验过程中腔内填砂高度不得超过流体入口，填好后在砂层表面盖上过滤网，便于固定砂体并保证入流液体均匀注入地层。具体的装砂与卸砂的过程：将储层容器段502从承压圆筒段内拉出一部分，并打开储层容器段502的密封盖501，装砂时，从储层容器段502的开口向内填充砂砾，完成装砂后再将储层容器段502推回至其与承压圆筒段平齐，卸砂时，将储层容器段502从承压圆筒段内拉出一部分后转动承压圆筒段，使储层容器段502的开口向下倾斜以便于倾倒砂砾。

其中，本申请涉及的所有流量计、液压传感器、流量传感器均与中央控制系统连接，从中央控制系统可以获得各个检测部件的监测数据。

本储层模拟单元具有以下优点：通过人工灵活的填埋非均质地层砂，可以实现水平井长生产段的储层非均质性模拟，进而实现长井段水平井砂水产出剖面的非均质性及其动态演化过程，以及模拟储层非均质性对砾石充填作业、防砂后的储层渗流阻力、控砂控水筛管综合性能的综合影响。储层模拟单元模拟井筒周围的60度弧形储层区域，即大大降低了储层模拟单元的尺寸和容积，降低填砂量和结构体积，降低了实验难度和复杂度；同时又能模拟储层向井筒的径向汇聚流动。保证了实验效果同时具有经济和可操作性。装置能够旋转位置，便于填砂和实验完毕后清理地层砂；设计多孔分流板507可以使得主入流流体通过分流板分散均匀后进入地层即进入模拟填砂层，以避免由于主液流入口位置影响导致向井筒的入流出现人为干扰性的非均质性。

水平井砂水协同产出与控制及开采完井多功能实验系统的实验方法，包括以下实验：

(1)水平井非均匀出水剖面及其动态演化模拟实验与水平井控砂控水水平井综合流动模拟实验，本两个实验采集的数据相同，但数据处理和使用数据的方法不同：

透明井筒内不放置筛管和冲管，向储层容器5内填埋非均质胶结地层砂，使用高胶结强度的地层砂，确保实验过程中不出砂，打开第一阀门52、第二阀门531、第三阀门43，并关闭其余的阀门，启动水泵2、回流泵7，液体从储层容器5流向透明井筒4，检测观察第二液压传感器、第一流量传感器532、第三液压传感器、第一液压传感器44、第一流量计45、第二流量传感器413的数据；

(2)水平井砂水协同产出剖面及其动态演化模拟实验与水平井非均匀出砂剖面及其动态演化模拟实验，本两个实验采集的数据相同，但数据处理和使用数据的方法不同：

透明井筒内不放置筛管和冲管，向储层容器5内填埋非均质胶结地层砂，使用低胶结强度的地层砂，确保实验过程中出现出砂现象，打开第一阀门52、第二阀门531、第三阀门43，并关闭其余的阀门，启动水泵2、回流泵7，液体从储层容器5流向透明井筒4，检测观察第二液压传感器、第一流量传感器532、第三液压传感器、第一液压传感器44、第一流量计45、第二流量传感器413的数据，并收集砂液分离集砂器6中收集的砂砾进行数据分析；

(3)水平井循环砾石充填防砂过程模拟实验：透明井筒内放置筛管和冲管，所述的筛管包括防砂筛管、控水筛管或旁通筛管，向储层容器5内填埋地层砂，打开阀门第六阀门4102、第三阀门412、第八阀门81、第四阀门31、第五阀门411，并关闭其余的阀门，启动水泵2、回流泵7与加砂器3，在加砂器3中预先放置石英砂砾石，启动水泵2和回流泵7后，系统流体循环正常后，再启动加砂器3，加沙器关闭状态并不影响液体的穿过，液体从透明井筒4流向储层容器5，观察第四液压传感器32、第五液压传感器4101、第二流量传感器413、第一液压传感器44、第一流量计45的数据；

(4)水平井管外地层挤压充填防砂施工过程模拟实验：透明井筒内放置筛管和冲管，所述的筛管包括防砂筛管、控水筛管或旁通筛管，向储层容器5内填埋地层砂，打开第八阀门81、第四阀门31、第二阀门531、第七阀门54，并关闭其余的阀门，启动水泵2、回流泵7与加砂器3，启动水泵2和回流泵7后，系统流体循环正常后，再启动加砂器3，液体从透明井筒4流向储层容器5，观察第四液压传感器32、第二液压传感器、第一流量传感器532、第一液压传感器44、第一流量计45的数据；

(5)水平井控水筛管性能测试实验：透明井筒内放置筛管，且不设置冲管，所述的筛管为控水筛管，向储层容器5内填埋非均质胶结地层砂，使用高胶结强度的地层砂，确保实验过程中不出砂，打开第一阀门52、第二阀门531、第三阀门43，并关闭其余的阀门，启动水泵2、回流泵7，液体从储层容器5流向透明井筒4，观察第一流量传感器532、第一液压传感器44、第一流量计45的数据；

(6)水平井控砂筛管性能测试实验：透明井筒内放置筛管，且不设置冲管，所述的筛管为控砂筛管，向储层容器5内填埋非均质胶结地层砂，使用低胶结强度的地层砂，确保实验过程中出现出砂现象，打开第一阀门52、第二阀门531、第三阀门43，并关闭其余的阀门，启动水泵2、回流泵7，液体从储层容器5流向透明井筒4，观察第一流量传感器532、第一液压传感器44、第一流量计45的数据，并收集砂液分离集砂器6中收集的砂砾进行数据分析。

储层模拟单元用来充填非均质地层砂，模拟水平井生产段周围的储层。通过人工非均匀填砂可以模拟储层物性沿井筒的非均质性，向储层模拟单元注入液体，液体通过填埋的地层砂流入井筒模拟水平井筒的出水和出砂过程，以及非均质填砂情况下的向井筒的非均匀供液剖面及其动态演化。储层模拟单元还能够填砂形成亏空，模拟挤压砾石充填过程中作为管外地层接收填砂的储层容器；能够向井筒提供入流，也可以接受井筒出流；能够和地层单元组合模拟管外挤压充填过程。

上述虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.水平井砂水协同产出与控制及开采完井多功能实验系统，其特征在于，包括中央控制系统与通过管道依次连接的储液罐(1)、水泵(2)、储层模拟单元、透明井筒(4)、砂液分离集砂器(6)以及回流泵(7)，所述的回流泵(7)的出液口与储液罐(1)的进液口连通，所述的储层模拟单元包括的水平设置的长条形储层容器(5)，储层容器(5)的内腔断面为上宽下窄的梯形，所述储层容器(5)的上端均匀地设置有多个入流口(51)，所述的入流口通过管道并联连通后通过主管道与水泵的出液口连接，所述水泵的出液端设置有第二流量计(82)，且水泵与入流口之间的主管道上设置有第一阀门(52)，所述的透明井筒包括水平设置的圆筒容器，所述的透明井筒与储层模拟单元通过多个柔性连接管(53)连接，所述的柔性连接管(53)的两端分别均匀地分布于透明井筒的侧壁与储层模拟单元的底壁上，每根柔性连接管(53)上安装有第二阀门(531)、第二液压传感器和第一流量传感器(532)，所述的透明井筒的右端设置有出液口(46)，且透明井筒的出液口通过管道依次连接第三阀门(43)、第一液压传感器(44)、第一流量计(45)、砂液分离集砂器(6)，所述的第一流量传感器(532)、第一液压传感器(44)、第一流量计(45)分别与中央控制系统连接；

所述的储层容器(5)包括上端敞口的容器以及容器上端的密封盖(501)，所述的入流口(51)设置于密封盖上，且密封盖通过卡槽卡接有水平设置的多孔分流板(507)，所述的多孔分流板设置于入流口(51)的下方，储层容器(5)的外形为圆柱形，所述的储层容器(5)包括多节储层容器段(502)，且每节储层容器段(502)均设置于承压圆筒段(504)内，相邻的承压圆筒段(504)通过卡箍(503)连接形成承压圆筒，且相邻的承压圆筒段(504)对接处设置有密封结构(508)，所述的承压圆筒段(504)转动设置于移动支架(505)上。

2.如权利要求1所述的水平井砂水协同产出与控制及开采完井多功能实验系统，其特征在于，所述的透明井筒内设置有筛管(48)，所述的筛管与透明井筒同轴设置，所述的筛管与透明井筒的侧壁之间具有环形空白区域，所述筛管(48)的左右两端设置于透明井筒的左右两端，且所述出液口(46)设置于筛管与透明井筒的侧壁之间的环形空白区域。

3.如权利要求2所述的水平井砂水协同产出与控制及开采完井多功能实验系统，其特征在于，所述的筛管(48)的内设置有冲管(49)，所述的冲管(49)与筛管(48)同轴设置，所述的冲管的左端设置于筛管(48)的左端。

4.如权利要求3所述的水平井砂水协同产出与控制及开采完井多功能实验系统，其特征在于，所述的透明井筒的左端设置有第一进液口(47)，所述的第一进液口与筛管和透明井筒之间的空白区域连通，所述的第一进液口(47)通过管道依次与第四液压传感器(32)、第四阀门(31)、加砂器(3)、第八阀门(81)、水泵(2)连接，所述的第四液压传感器(32)与中央控制系统连接。

5.如权利要求3所述的水平井砂水协同产出与控制及开采完井多功能实验系统，其特征在于，透明井筒(4)的左端设置有第二进液口(410)，所述的第二进液口(410)与冲管(49)的左端连通，所述的第二进液口(410)通过管道依次连接第五液压传感器(4101)、第六阀门(4102)和第一液压传感器(44)，所述的第五液压传感器(4101)与中央控制系统连接；

所述的透明井筒的侧壁上有连接沿母线方向分布的多根滤失管线(41)，多根滤失管线汇(41)通至主管后依次连接第五阀门(411)、第一液压传感器(44)，且每根滤失管线上设置有第三阀门(412)、第三液压传感器和第二流量传感器(413)，第三液压传感器和第二流量传感器(413)分别与中央控制系统连接。

6.如权利要求3所述的水平井砂水协同产出与控制及开采完井多功能实验系统，其特征在于，所述的入流口(51)通过管道并联连通后通过主管道与第一液压传感器(44)连接，所述的入流口与第一液压传感器(44)之间的主管道上设置有第七阀门(54)。

7.如权利要求3所述的水平井砂水协同产出与控制及开采完井多功能实验系统，其特征在于，所述的透明井筒(4)包括多节井筒段，相邻的井筒段通过法兰(421)连接，所述透明井筒的左右两端分别安装有左封头(424)和右封头(425)，且冲管(49)的左端穿出左封头(424)后与第二进液口(410)连通，所述的左封头(424)上设置有第一进液口(47)，所述的第一进液口(47)与筛管(48)和透明井筒(4)之间的空白区域连通，所述的筛管(48)与冲管(49)的左端通过左衔接环(422)连接，所述的左衔接环(422)设置于左封头(424)上，所述的筛管(48)的右端通过右衔接环(422)连接有筛管调节套(426)，所述的右衔接环(422)设置于筛管调节套(426)的左端，所述的筛管调节套(426)为圆筒状，所述的筛管调节套的内径与右衔接环(422)卡接处的外径相配合，所述的筛管调节套(426)的右端设置于第三衔接环(427)上，所述的第三衔接环(427)的右端连接有伸缩杆(428)，所述的伸缩杆穿过右封头(425)后滑动设置于滑架(429)内，所述的滑架(429)设置于右封头(425)的右端，伸缩杆沿左右方向滑动，所述的滑架(429)的右端螺纹连接有调节螺栓(4210)，所述的调节螺栓(4210)与伸缩杆(428)的右端转动连接。

8.水平井砂水协同产出与控制及开采完井多功能实验系统的实验方法，其特征在于，

水平井砂水协同产出与控制及开采完井多功能实验系统，包括中央控制系统与通过管道依次连接的储液罐(1)、水泵(2)、储层模拟单元、透明井筒(4)、砂液分离集砂器(6)以及回流泵(7)，所述的回流泵(7)的出液口与储液罐(1)的进液口连通，所述的储层模拟单元包括的水平设置的长条形储层容器(5)，储层容器(5)的内腔断面为上宽下窄的梯形，所述储层容器(5)的上端均匀地设置有多个入流口(51)，所述的入流口通过管道并联连通后通过主管道与水泵的出液口连接，所述水泵的出液端设置有第二流量计(82)，且水泵与入流口之间的主管道上设置有第一阀门(52)，所述的透明井筒包括水平设置的圆筒容器，所述的透明井筒与储层模拟单元通过多个柔性连接管(53)连接，所述的柔性连接管(53)的两端分别均匀地分布于透明井筒的侧壁与储层模拟单元的底壁上，每根柔性连接管(53)上安装有第二阀门(531)、第二液压传感器和第一流量传感器(532)，所述的透明井筒的右端设置有出液口(46)，且透明井筒的出液口通过管道依次连接第三阀门(43)、第一液压传感器(44)、第一流量计(45)、砂液分离集砂器(6)，所述的第一流量传感器(532)、第一液压传感器(44)、第一流量计(45)分别与中央控制系统连接；

所述的储层容器(5)包括上端敞口的容器以及容器上端的密封盖(501)，所述的入流口(51)设置于密封盖上，且密封盖通过卡槽卡接有水平设置的多孔分流板(507)，所述的多孔分流板设置于入流口(51)的下方，储层容器(5)的外形为圆柱形，所述的储层容器(5)包括多节储层容器段(502)，且每节储层容器段(502)均设置于承压圆筒段(504)内，相邻的承压圆筒段(504)通过卡箍(503)连接形成承压圆筒，且相邻的承压圆筒段(504)对接处设置有密封结构(508)，所述的承压圆筒段(504)转动设置于移动支架(505)上；

所述的透明井筒内设置有筛管(48)，所述的筛管与透明井筒同轴设置，所述的筛管与透明井筒的侧壁之间具有环形空白区域，所述筛管(48)的左右两端设置于透明井筒的左右两端，且所述出液口(46)设置于筛管与透明井筒的侧壁之间的环形空白区域；

所述的筛管(48)的内设置有冲管(49)，所述的冲管(49)与筛管(48)同轴设置，所述的冲管的左端设置于筛管(48)的左端；

所述的透明井筒的左端设置有第一进液口(47)，所述的第一进液口与筛管和透明井筒之间的空白区域连通，所述的第一进液口(47)通过管道依次与第四液压传感器(32)、第四阀门(31)、加砂器(3)、第八阀门(81)、水泵(2)连接，所述的第四液压传感器(32)与中央控制系统连接；

透明井筒(4)的左端设置有第二进液口(410)，所述的第二进液口(410)与冲管(49)的左端连通，所述的第二进液口(410)通过管道依次连接第五液压传感器(4101)、第六阀门(4102)和第一液压传感器(44)，所述的第五液压传感器(4101)与中央控制系统连接；

所述的透明井筒的侧壁上有连接沿母线方向分布的多根滤失管线(41)，多根滤失管线汇(41)通至主管后依次连接第五阀门(411)、第一液压传感器(44)，且每根滤失管线上设置有第三阀门(412)、第三液压传感器和第二流量传感器(413)，第三液压传感器和第二流量传感器(413)分别与中央控制系统连接；

所述的入流口(51)通过管道并联连通后通过主管道与第一液压传感器(44)连接，所述的入流口与第一液压传感器(44)之间的主管道上设置有第七阀门(54)；

所述的透明井筒(4)包括多节井筒段，相邻的井筒段通过法兰(421)连接，所述透明井筒的左右两端分别安装有左封头(424)和右封头(425)，且冲管(49)的左端穿出左封头(424)后与第二进液口(410)连通，所述的左封头(424)上设置有第一进液口(47)，所述的第一进液口(47)与筛管(48)和透明井筒(4)之间的空白区域连通，所述的筛管(48)与冲管(49)的左端通过左衔接环(422)连接，所述的左衔接环(422)设置于左封头(424)上，所述的筛管(48)的右端通过右衔接环(422)连接有筛管调节套(426)，所述的右衔接环(422)设置于筛管调节套(426)的左端，所述的筛管调节套(426)为圆筒状，所述的筛管调节套的内径与右衔接环(422)卡接处的外径相配合，所述的筛管调节套(426)的右端设置于第三衔接环(427)上，所述的第三衔接环(427)的右端连接有伸缩杆(428)，所述的伸缩杆穿过右封头(425)后滑动设置于滑架(429)内，所述的滑架(429)设置于右封头(425)的右端，伸缩杆沿左右方向滑动，所述的滑架(429)的右端螺纹连接有调节螺栓(4210)，所述的调节螺栓(4210)与伸缩杆(428)的右端转动连接；

包括以下实验：

(1)水平井非均匀出水剖面及其动态演化模拟实验与水平井控砂控水水平井综合流动模拟实验：

取出透明井筒内的筛管和冲管，向储层容器(5)内填埋非均质胶结地层砂，使用高胶结强度的地层砂，确保实验过程中不出砂，打开第一阀门(52)、第二阀门(531)、第三阀门(43)，并关闭其余的阀门，启动水泵(2)、回流泵(7)，液体从储层容器(5)流向透明井筒(4)，检测观察第二液压传感器、第一流量传感器(532)、第一液压传感器(44)、第一流量计(45)、第三液压传感器、第二流量传感器(413)的数据；

(2)水平井砂水协同产出剖面及其动态演化模拟实验与水平井非均匀出砂剖面及其动态演化模拟实验：

取出透明井筒内的筛管和冲管，向储层容器(5)内填埋非均质胶结地层砂，使用低胶结强度的地层砂，确保实验过程中出现出砂现象，打开第一阀门(52)、第二阀门(531)、第三阀门(43)，并关闭其余的阀门，启动水泵(2)、回流泵(7)，液体从储层容器(5)流向透明井筒(4)，检测观察第二液压传感器、第一流量传感器(532)、第一液压传感器(44)、第一流量计(45)、第三液压传感器、第二流量传感器(413)的数据，并收集砂液分离集砂器(6)中收集的砂砾进行数据分析；

(3)水平井循环砾石充填防砂过程模拟实验：透明井筒内放置筛管和冲管，所述的筛管包括防砂筛管、控水筛管或旁通筛管，向储层容器(5)内填埋地层砂产出砂，打开阀门第六阀门(4102)、第三阀门(412)、第八阀门(81)、第四阀门(31)、第五阀门(411)，并关闭其余的阀门，启动水泵(2)、回流泵(7)与加砂器(3)，液体从透明井筒(4)流向储层容器(5)，观察第四液压传感器(32)、第五液压传感器(4101)、第二流量传感器(413)、第一液压传感器(44)、第一流量计(45)的数据；

(4)水平井管外地层挤压充填防砂施工过程模拟实验：透明井筒内放置筛管和冲管，所述的筛管包括防砂筛管、控水筛管或旁通筛管，向储层容器(5)内填埋地层砂，打开第八阀门(81)、第四阀门(31)、第二阀门(531)、第七阀门(54)，并关闭其余的阀门，启动水泵(2)、回流泵(7)与加砂器(3)，液体从透明井筒(4)流向储层容器(5)，观察第四液压传感器(32)、第二液压传感器、第一流量传感器(532)、第一液压传感器(44)、第一流量计(45)的数据；

(5)水平井控水筛管性能测试实验：透明井筒内放置筛管，且取出冲管，即透明井筒内仅设置有筛管而不设置冲管，所述的筛管为控水筛管，向储层容器(5)内填埋非均质胶结地层砂，使用高胶结强度的地层砂，确保实验过程中不出砂，打开第一阀门(52)、第二阀门(531)、第三阀门(43)，并关闭其余的阀门，启动水泵(2)、回流泵(7)，液体从储层容器(5)流向透明井筒(4)，观察第一流量传感器(532)、第一液压传感器(44)、第一流量计(45)的数据；

(6)水平井控砂筛管性能测试实验：透明井筒内放置筛管，且取出冲管，即透明井筒内仅设置有筛管而不设置冲管，所述的筛管为控砂筛管，向储层容器(5)内填埋非均质胶结地层砂，使用低胶结强度的地层砂，确保实验过程中出现出砂现象，打开第一阀门(52)、第二阀门(531)、第三阀门(43)，并关闭其余的阀门，启动水泵(2)、回流泵(7)，液体从储层容器(5)流向透明井筒(4)，观察第一流量传感器(532)、第一液压传感器(44)、第一流量计(45)的数据，并收集砂液分离集砂器(6)中收集的砂砾进行数据分析。

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