CN112096361B - 模拟套损过程的实验装置及其实验方法 - Google Patents

模拟套损过程的实验装置及其实验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模拟套损过程的实验装置及其实验方法，其涉及石油工程岩石力学领域，实验方法包括：制作模拟地层的岩石试件，岩石试件依次包括页岩层、砾岩层、泥岩层；在岩石试件制作的过程中预制有断层；在岩石试件上钻出井筒，井筒穿过断层，在井筒内安装入套管；在施加三轴压力的过程中，记录位移变形传感器的数据和对岩石试件施加的三轴压力的数据；取出岩石试件，将套管取出以观察记录套管和水泥环的损坏情况，根据套管和水泥环的损坏情况、位移变形传感器的数据、对岩石试件施加的三轴压力的数据分析岩层应力差对套损的影响。本申请能够模拟套损过程，分析引起套损的因素，最终实现对油田油气井套损问题的防治。

Description

模拟套损过程的实验装置及其实验方法
技术领域
本发明涉及石油工程岩石力学领域，特别涉及一种模拟套损过程的实验装置及其实验方法。
背景技术
伴随国际能源格局的重大变革，我国经济的迅速发展对国外能源需求依存度逐渐升高，而国际能源供应稳定性受区域安全状况的影响并不确定。我国油气资源类型多样，全国大部分油田的勘探开发程度已经较高，常规油气藏的潜力越来越小，开采难度越来越大，而砾岩等特殊油气藏在我国油气资源总量中占有较大比重，勘探开发程度相对较低。对国内砾岩等特殊油气藏资源进行高效勘探开发是缓解我国当前能源紧张局面的重要途径之一。
砾岩储层物性差，非均质性强，存在异常高压，较容易出现套管损坏，且套损原因较为复杂，尽快地确定导致套管损坏的原因可以及时对油气井的开发做出调整，减少油气开采过程中的损失。目前针对套管损坏的研究暂时还未有一个的室内实验装置和实验方法，因此有必要提出一种模拟套损过程的实验装置及其实验方法以解决上述问题。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明实施例所要解决的技术问题是提供了一种模拟套损过程的实验装置及其实验方法，其能够模拟套损过程，分析引起套损的因素，最终实现对油田油气井套损问题的防治。
本发明实施例的具体技术方案是：
一种模拟套损过程的实验方法，所述模拟套损过程的实验方法包括：
制作模拟地层的岩石试件，所述岩石试件依次包括采用页岩制作的页岩层、采用水泥掺杂鹅卵石制作的砾岩层、采用泥岩制作的泥岩层；
在所述岩石试件制作的过程中预制有断层；
在所述岩石试件上钻出井筒，所述井筒穿过所述断层，在所述井筒内安装入套管；
在所述套管和所述断层中放置位移变形传感器；
在所述套管和所述井筒之间的环空中注入水泥形成水泥环；
将所述套管内注入液体后将所述套管进行封闭以模拟套管内压；
将所述岩石试件放入三轴压裂设备中施加三轴压力，其中，对所述岩石试件施加轴向压力，对所述岩石试件的三个不同的岩层分段施加各自相对应的围压；
在施加三轴压力的过程中，记录所述位移变形传感器的数据和对所述岩石试件施加的三轴压力的数据；
取出所述岩石试件，将所述套管取出以观察记录所述套管和所述水泥环的损坏情况，根据所述套管和所述水泥环的损坏情况、所述位移变形传感器的数据、对所述岩石试件施加的三轴压力的数据分析岩层应力差对套损的影响。
优选地，所述岩石试件中的页岩层、砾岩层和泥岩层之间通过水泥进行粘合拼接。
优选地，在所述岩石试件制作的过程中预制有断层，具体为，在需要预制的断层的位置先放置一个纸板，待水泥硬化后，取出纸板，此时断层预制完成。
优选地，在对所述岩石试件施加轴向压力时，在所述套管的两端设置橡胶垫片。
优选地，在对所述岩石试件的三个不同的岩层分段施加各自相对应的围压时，在所述岩石试件中的三种岩层处分别设置各自的压板，每一套压板对应不同的千斤顶，从而使得每一个岩层的围压单独控制。
优选地，对不同的岩层分段施加不同的围压，以模拟套管在地层所承受的不同的压力。
优选地，所述砾岩层中鹅卵石所占体积不低于50％，所述鹅卵石的颗粒粒径范围在2mm至50mm之间。
一种模拟套损过程的实验装置，所述模拟套损过程的实验装置包括：
用于模拟地层的岩石试件，所述岩石试件依次包括采用页岩制作的页岩层、采用水泥掺杂鹅卵石制作的砾岩层、采用泥岩制作的泥岩层，所述岩石试件中具有断层，所述岩石试件中钻设有井筒，所述井筒穿过所述断层；
安装在所述井筒中的套管，所述套管和所述井筒之间的环空中注入有水泥以形成水泥环，所述套管中能注入液体并进行封闭以模拟套管内压；
分别设置在所述套管和所述断层中的位移变形传感器；
分别设置在三个岩层的周向上的压板；
用于对所述岩石试件施加三轴压力的三轴压裂设备，所述三轴压裂设备具有多个千斤顶，其能够分别对岩石试件的轴向、不同岩层的周向施加相对应的围压。
优选地，所述岩石试件呈长方体状，每一个岩层的周向上的每个面均具有压板，所述三轴压裂设备对每一个岩层的周向上施加有至少两个相垂直方向的压力。
本发明的技术方案具有以下显著有益效果：
由于现阶段还未有能进行室内模拟套损过程的实验装置，本发明提出了能在室内模拟套损过程的实验装置和实验方法，并且可靠性较高，综合考虑了可能影响套管损坏的诸多因素，可用来定量分析这些因素对套损的影响。
本申请中的岩石试件采用分段拼接而成，并且分段施加不同围压，由于套损多数是剪切破坏，这样设计可以研究不同岩层间应力差造成的岩层滑移对套管造成的剪切破坏，还可以研究不同岩层套损过程的差异，同时也可以充分模拟套管在地下所受的真实地应力，即套管所处不同深度的地下所受的地应力是变化不同的。
参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。
图1为本发明实施例中模拟套损过程的实验方法的流程步骤图；
图2为本发明实施例中模拟套损过程的实验装置的结构示意图。
以上附图的附图标记：
1、页岩层；2、水泥环；3、套管；4、砾岩层；5、位移变形传感器；6、泥岩层；7、断层；8、鹅卵石；9、水力裂缝；10、井筒；I、页岩层的围压；II、砾岩层的围压；III、泥岩的围压。
具体实施方式
结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
为了能够模拟套损过程，分析引起套损的因素，最终实现对油田油气井套损问题的防治，在本申请中提出了一种模拟套损过程的实验方法，图1为本发明实施例中模拟套损过程的实验方法的流程步骤图，如图1所示，模拟套损过程的实验方法可以包括如下步骤：
S101：制作模拟地层的岩石试件，岩石试件依次包括采用页岩制作的页岩层1、采用水泥掺杂鹅卵石8制作的砾岩层4、采用泥岩制作的泥岩层6。
首先，图2为本发明实施例中模拟套损过程的实验装置的结构示意图，如图2所示，制作模拟地层的岩石试件，为了方便后期对岩石试件分段进行加压，岩石试件可以呈长方体，例如，其尺寸可以是300mm×300mm×600mm。为了使得岩石试件可以较好的模拟复杂地层，岩石试件依次包括采用页岩岩制作的页岩层1、采用水泥掺杂鹅卵石8制作的砾岩层4、采用泥岩制作的泥岩层6。由于在真实地况下，含有砾岩层的地层大多数为该种情况，上层为页岩层，中间砾岩层，下层泥岩层。因此，如此设置岩石试件具有更强的仿真效果。页岩层1可使用天然页岩制作而成。由于砾岩是由砾石与胶结物组成的岩石，砾石在砾岩中的不均匀分布，砾岩具有较强的非均质性，砾岩难以获得，也难以加工，因此使用水泥掺杂鹅卵石8的碎石块形成的砾岩层4来模拟砾岩地层的非均质性。砾岩层4中鹅卵石8所占体积不低于50％，鹅卵石8的颗粒粒径范围在2mm至50mm之间，当鹅卵石8在此范围内时比较符合真实砾岩地层情况。泥岩层6则采用天然泥岩制作，各岩层之间使用水泥粘合拼接而成。
S102：在岩石试件制作的过程中预制有断层7。
在本步骤中，如图2所示，在需要预制的断层7的位置先放置一个纸板，待水泥硬化后，取出纸板，此时断层7预制完成。纸板可以设置在一种岩层中，也可以在不同的岩层中均设置有纸板，以形成多个断层7。纸板可以将一种岩层完全切分呈两个，其可以与岩石试件的表面具有一定的斜角，在斜角一般在15度至45度之间。形成的断层7可以用于研究断层7对套损的影响。优选地，断层7设置在采用水泥掺杂鹅卵石8制作的砾岩层4。由于现实中，砾岩储层物性差，非均质性强，存在异常高压，较容易出现套管3损坏，且套损原因较为复杂，如此可以研究得到断层7对砾岩储层的影响。
S103：在岩石试件上钻出井筒10，井筒10穿过断层7，在井筒10内安装入套管3。
在本步骤中，如图2所示，在岩石试件上钻出合适尺寸的井筒10，井筒10一般沿岩石试件的长边方向钻进。井筒10穿过断层7，同时，井筒10可以贯穿整个岩石试件。在井筒10内安装入套管3，套管3与井筒10的侧壁之间具有间隙。
S104：在套管3和断层7中放置位移变形传感器5。
在本步骤中，在套管3和断层7中放置位移变形传感器5，位移变形传感器5用于实时监测全过程位移变化。断层7中的位移变形传感器5可以绕井筒10呈圆周方向分布，例如，每隔90度设置一个，一共设置4个，每一个位移变形传感器5正对长方体的一个面，这样可以检测在施加三轴压力时，在围压的作用下，呈长方体的岩石试件的上下前后四个面上的压力对位移变形传感器5造成的位移。套管3中的位移变形传感器5可以安装在套管3的内壁上，其可以在套管3的内壁上相对设置，套管3的不同深度下可以设置多对位移变形传感器5。套管3内放置的位移传感器监测的位移变化可以用来衡量套损程度，断层7上的位移传感器监测的位移变化可以用来定量分析断层7滑移对套损的影响。
S105：在套管3和井筒10之间的环空中注入水泥形成水泥环2。
在本步骤中，待位移变形传感器5放置完成以后，在套管3和井筒10之间的环空中注入水泥形成水泥环2。
S106：将套管3内注入液体后将套管3进行封闭以模拟套管3内压。
在本步骤中，可以根据需要模拟套管3的内压值从而给注入的液体加压到需要的压力值，液体可以是压裂液，然后再进行封闭以保证液体对套管3具有持续性的压力。通过上述方式可以模拟得到套管3内压对套损的影响。
S107：将岩石试件放入三轴压裂设备中施加三轴压力，其中，对岩石试件施加轴向压力后，对岩石试件的三个不同的岩层分段施加各自相对应的围压。
在本步骤中，将处理好的岩石试件放入三轴压裂设备中施加三轴压力一段时间，如图2所示，三轴压力包括水平方向的压力σh，竖直方向的压力σV以及前后方向的压力σH，如此以模拟地层下的压力。在对岩石试件施加轴向压力时，即水平方向的压力，在所述套管的两端可以设置橡胶垫片。通过上述方式可以防止套管-水泥环-地层模型在受到轴向应力时套管两端出现较大的应力集中，与现场真实情况不符，在套管两端所在的模型面放置橡胶垫片可以有效降低套管两端的应力集中，更好的模拟现场真实情况。
为了可以对岩石试件的三个不同的岩层分段施加各自相对应的围压，分别为页岩层的围压I、砾岩层的围压II、泥岩层的围压III。围压具体是指上下前后方向上的压力。在所述岩石试件中的三种岩层处分别设置各自的压板，每一套压板对应不同的千斤顶，从而使得每一个岩层的围压单独控制。如图2所示，对页岩层1设置单独的压板，压板可以紧贴页岩层1的上下前后四个面，从而在竖直方向上施加独立的压力σV1，在前后方向上施加独立的压力σH1。相对应的，对砾岩层4设置单独的压板，压板可以紧贴砾岩层4的上下前后四个面，从而在竖直方向上施加独立的压力σV2，在前后方向上施加独立的压力σH2。对泥岩层6设置单独的压板，压板可以紧贴泥岩层6的上下前后四个面，从而在竖直方向上施加独立的压力σV3，在前后方向上施加独立的压力σH3。通过上述可以实现对每一种岩层的围压的单独控制，这样可做到对不同岩层分段施加不同的围压。由于套管在地下不同深度处所受的地应力大小不同，通过上述方式，可以充分模拟套管3在地下所受的真实地应力。作为优选地，页岩层的围压I大于砾岩层的围压II，砾岩层的围压II大于泥岩层的围压III。
S108：在施加三轴压力的过程中，记录位移变形传感器5的数据和对岩石试件施加的三轴压力的数据。在实验完成后，撤去施加在岩石试件上的三轴压力。
S109：取出岩石试件，将套管3取出以观察记录套管3和水泥环2的损坏情况，根据套管3和水泥环2的损坏情况、位移变形传感器5的数据、对岩石试件施加的三轴压力的数据分析岩层应力差对套损的影响。
在本步骤中，将岩石试件从三轴压裂设备中取出，然后放入切割机进行切割以取出套管3，观察并记录套管3与水泥环2的实际损坏情况。根据套管3和水泥环2的损坏情况、位移变形传感器5的数据、对岩石试件施加的三轴压力的数据分析岩层应力差对套损的影响。套损指套管3损坏程度，在本申请中以套管3变形量来度量套损程度。
通过套管3上设置的位移变形传感器5检测到的套管3上的位移变化量是套管3在受压下的变形量，可以反映套损程度，位移变化量越大，说明套损越严重。通过断层7上设置的位移变形传感器5检测到的断层7上的位移变化量是断层7在受压下的滑移量，可以用来研究断层7滑移对套管3损坏的影响。例如，研究砾岩层4和页岩层1之间的应力差对套损的影响，将两岩层应力差数据作为x轴，套管3上分别位于砾岩层4和页岩层1的位移变形传感器5记录的位移数据作为y轴绘制曲线，曲线可反映两岩层应力差对套损的影响。
通过本申请中的模拟套损过程的实验方法可以获取得到大量的相关实验数据，其具体可以指岩石试件模型在不同的应力条件下(不同的轴向压力，不同岩层上的分段施加的围压，不同的套管3内压)套管3、水泥环2的损坏程度以及实验时间等。进行大量的实验得到相关实验数据的意义在于根据实验数据可以研究套损的原因，定量分析地应力、岩层性质、套管3内压、断层7滑移等因素对套损的影响，可以为油田现场防治套损提供指导。
相对应的，本申请中还提出了一种模拟套损过程的实验装置，如图2所示，模拟套损过程的实验装置可以包括：用于模拟地层的岩石试件，岩石试件依次包括采用页岩制作的页岩层1、采用水泥掺杂鹅卵石8制作的砾岩层4、采用泥岩制作的泥岩层6，岩石试件中具有断层7，岩石试件中钻设有井筒10，井筒10穿过断层7；安装在井筒10中的套管3，套管3和井筒10之间的环空中注入有水泥以形成水泥环2，套管3中能注入液体并进行封闭以模拟套管3内压；分别设置在套管3和断层7中的位移变形传感器5；分别设置在三个岩层的周向上的压板；用于对岩石试件施加三轴压力的三轴压裂设备，三轴压裂设备具有多个千斤顶，其能够分别对岩石试件的轴向、不同岩层的周向施加相对应的围压。
当岩石试件呈长方体状时，每一个岩层的周向上的每个面可以均具有压板，三轴压裂设备对每一个岩层的周向上施加有至少两个相垂直方向的压力，该压力可以直接施加在相对应的压板上。
由于现阶段还未有能进行室内模拟套损过程的实验装置，本发明提出了能在室内模拟套损过程的实验装置和实验方法，并且可靠性较高，综合考虑了可能影响套管3损坏的诸多因素，可用来定量分析这些因素对套损的影响。
本申请中的岩石试件采用分段拼接而成，并且分段施加不同围压，由于套损多数是剪切破坏，这样设计可以研究不同岩层间应力差造成的岩层滑移对套管3造成的剪切破坏，还可以研究不同岩层套损过程的差异，同时也可以充分模拟套管3在地下所受的真实地应力，即套管3所处不同深度的地下所受的地应力是变化不同的。
披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种模拟套损过程的实验方法，其特征在于，所述模拟套损过程的实验方法包括：
制作模拟地层的岩石试件，所述岩石试件依次包括采用页岩制作的页岩层、采用水泥掺杂鹅卵石制作的砾岩层、采用泥岩制作的泥岩层；
在所述岩石试件制作的过程中预制有断层；
在所述岩石试件上钻出井筒，所述井筒穿过所述断层，在所述井筒内安装入套管；
在所述套管和所述断层中放置位移变形传感器；
在所述套管和所述井筒之间的环空中注入水泥形成水泥环；
将所述套管内注入液体后将所述套管进行封闭以模拟套管内压；
将所述岩石试件放入三轴压裂设备中施加三轴压力，其中，对所述岩石试件施加轴向压力，对不同的岩层分段施加不同的围压，以模拟套管在地层所承受的不同的压力；
在施加三轴压力的过程中，记录所述位移变形传感器的数据和对所述岩石试件施加的三轴压力的数据；
取出所述岩石试件，将所述套管取出以观察记录所述套管和所述水泥环的损坏情况，根据所述套管和所述水泥环的损坏情况、所述位移变形传感器的数据、对所述岩石试件施加的三轴压力的数据分析岩层应力差对套损的影响。
2.根据权利要求1所述的模拟套损过程的实验方法，其特征在于，所述岩石试件中的页岩层、砾岩层和泥岩层之间通过水泥进行粘合拼接。
3.根据权利要求1所述的模拟套损过程的实验方法，其特征在于，在所述岩石试件制作的过程中预制有断层，具体为，在需要预制的断层的位置先放置一个纸板，待水泥硬化后，取出纸板，此时断层预制完成。
4.根据权利要求1所述的模拟套损过程的实验方法，其特征在于，在对所述岩石试件施加轴向压力时，在所述套管的两端设置橡胶垫片。
5.根据权利要求1所述的模拟套损过程的实验方法，其特征在于，在对所述岩石试件的三个不同的岩层分段施加各自相对应的围压时，在所述岩石试件中的三种岩层处分别设置各自的压板，每一套压板对应不同的千斤顶，从而使得每一个岩层的围压单独控制。
6.根据权利要求1所述的模拟套损过程的实验方法，其特征在于，所述砾岩层中鹅卵石所占体积不低于50％，所述鹅卵石的颗粒粒径范围在2mm至50mm之间。
7.一种模拟套损过程的实验装置，其特征在于，所述模拟套损过程的实验装置包括：
用于模拟地层的岩石试件，所述岩石试件依次包括采用页岩制作的页岩层、采用水泥掺杂鹅卵石制作的砾岩层、采用泥岩制作的泥岩层，所述岩石试件中具有断层，所述岩石试件中钻设有井筒，所述井筒穿过所述断层；
安装在所述井筒中的套管，所述套管和所述井筒之间的环空中注入有水泥以形成水泥环，所述套管中能注入液体并进行封闭以模拟套管内压；
分别设置在所述套管和所述断层中的位移变形传感器；
分别设置在三个岩层各自周向上的压板；
用于对所述岩石试件施加三轴压力的三轴压裂设备，所述三轴压裂设备具有多个千斤顶，每一套压板对应不同的千斤顶，其能够分别对岩石试件的轴向、不同岩层的周向施加不同的围压，从而使得每一个岩层的围压单独控制。
8.根据权利要求7所述的模拟套损过程的实验装置，其特征在于，所述岩石试件呈长方体状，每一个岩层的周向上的每个面均具有压板，所述三轴压裂设备对每一个岩层的周向上施加有至少两个相垂直方向的压力。
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