CN112504544A - 孔隙压力连续分布测定装置、方法及拉应力定量评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种孔隙压力连续分布测定装置、方法及拉应力定量评价方法，属于深层高压气井固相产出控制领域，该装置包括缸体、热成像仪器、压缩机、气罐和数据采集系统，缸体的入口处设置有气体入口压力传感器，气体出口处设置有气体出口压力传感器，气体入口压力传感器、气体出口压力传感器、流量传感器和热成像仪器均与所述数据采集系统通过数据线连接。该方法从精准预测孔隙压力的方法出发，同时考虑孔隙弹性引起的拉应力和流体拖曳引起的拉应力，最终获得准确的径向拉应力，基于拉伸破坏准则，确保了固相产出条件的精确预测，从实验上获取连续的孔隙压力分布方程，保证了拉应力计算的精度。

Description

孔隙压力连续分布测定装置、方法及拉应力定量评价方法

技术领域

本发明涉及深层高压气井固相产出控制技术领域，具体涉及一种孔隙压力连续分布测定装置、方法及拉应力定量评价方法。

背景技术

由于裂缝性地层是一个流固耦合系统，测试生产过程中流体压力的变化会引起有效应力变化，有效应力超过岩石的强度是测试生产过程中裸眼或射孔孔眼失稳而发生固相产出的根本原因。实际上流固耦合是由介质中骨架变形、孔隙中流体体积变化两因素耦合控制的，即裂缝性储层流固耦合系统中的孔隙压力与骨架应力相互影响，产生双向耦合现象。一方面：对于这种双向耦合现象的孔隙压力的解释，目前采用的是比较成熟的孔隙弹性动力学理论，大家主要关注的是孔隙压力分布的计算问题，比如常规油气藏采用达西定律，非常规油气藏采用非达西模型。

需要指出的是现有孔隙压力的连续分布都是利用理论计算，尚不能实现连续的孔隙压力实验定量测定；另一方面：当油藏流体进入井中时，孔隙压力从外边界到井壁处有一个减少的孔隙压力分布。这样即使井眼在钻进过程没有固相产出，但由于孔隙压力变化的影响，引起拉应力的产生，井眼也有可能出现固相产出问题，需要指出的是拉应力计算准确性取决于孔隙压力的连续分布预测和拉应力的组成计算公式。

现有的连续孔隙压力分布的预测具有以下缺点：

①用沿程离散点的孔隙压力代替沿程连续的孔隙压力，导致孔隙压力的分布不准确，影响最后的拉应力的计算；

②由于压力变送器是分布于多孔介质的表面，实际上测得的是多孔介质与缸体之间的壁面孔隙压力，此处的孔隙压力明显受到缸体内表面粗糙度的影响，并不能真实反映孔隙介质内部的孔隙压力分布。

现有的径向拉应力分布的预测具有以下缺点：

①目前所用的径向应力解析表达式都是无限大厚壁筒模型，实际上室内实验模拟的油气藏的外边界一定是有限大的，缺乏考虑孔隙弹性的有限大厚壁筒模型。

因此，本申请提出一种孔隙压力连续分布测定装置、方法及拉应力定量评价方法。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种孔隙压力连续分布测定装置、方法及拉应力定量评价方法。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种孔隙压力连续分布测定装置，包括缸体、热成像仪器、压缩机、气罐和数据采集系统；

所述缸体成圆筒结构，所述缸体顶部设置有缸盖，其一侧开设在有入口；所述入口处设置有气体入口压力传感器，所述缸体内设置有模拟岩层，所述模拟岩层与所述缸体内壁之间设置有铁网；

所述缸体内的模拟岩层内设置有延伸至顶部的气体检测管路，所述气体检测管路上端设置有流量传感器，所述气体检测管路上靠近所述缸盖处开设有气体出口，所述气体出口处设置有气体出口压力传感器；所述缸体一侧设置有与所述压缩机连通的压力控制管路，所述压缩机与所述气罐连通，所述压力控制管路上靠近所述缸体设置有稳压阀、靠近所述压缩机设置有压力控制器，所述稳压阀和压力控制器之间设置有减压阀；

所述热成像仪器设置在所述缸体正前方，所述气体入口压力传感器、气体出口压力传感器、流量传感器和热成像仪器均与所述数据采集系统通过数据线连接。

本发明还提供一种基于孔隙压力连续分布测定装置的孔隙压力测定方法，包括以下步骤：

步骤1、将不同粒度的砂体堆积在缸体内，用于模拟油气藏；

步骤2、打开压缩机、压力控制器、减压阀和稳压阀，由于压差的存在，气体开始在缸体内流动，气体在整个缸体内流动为径向流动；

步骤3、利用热成像仪监测整个缸体内流域的温度T(r)、入口热成像温度值T1和出口热成像温度值T2；通过气体入口压力传感器、气体出口压力传感器分别检测缸体的气体出口和气体入口处的压力值P1和P2；

步骤4、由理想气体的状态方程可知：气体压力P正比于气体温度T，计算气体压力和气体温度之间的相关系数：

步骤4.1、计算入口相关系数：A1＝P1/T1，

步骤4.2、计算出口相关系数：A2＝P2/T2；

步骤4.3、计算相关系数校正值：A＝(A1+A2)/2；

步骤4、获得孔隙压力的连续分布表达式：P(r)＝A*T(r)；其中T(r)是利用热成像仪器测得的缸体内整个流场的温度值。

本发明还提供一种基于孔隙压力连续分布测定装置的拉应力定量评价方法，包括以下步骤：

步骤1、计算有限大气藏孔隙弹性引起的径向拉应力F_p：

其中，有关孔隙压力积分曲线的孔隙弹性项

σ_H：水平最大地应力，Pa；

σ_h：水平最小地应力，Pa；

R_e：油气藏渗流半径，m；

r：径向流动距离，m；

η：渗流系数；

p：孔隙压力，Pa；

R_w：井筒半径，m；

步骤2、计算流体拖曳引起的部分拉应力F_t：

F_t＝-φΔP (2)

式中，Φ为多孔介质的孔隙度；

步骤3、计算总拉应力F_all：

T_all＝F_p+F_t (3)

步骤4、通过公式(3)计算的总拉应力值对多孔介质拉应力进行定量评价。

本发明提供的孔隙压力连续分布测定装置、方法及拉应力定量评价方法包括以下有益效果：

从精准预测孔隙压力的方法出发，同时考虑孔隙弹性引起的拉应力和流体拖曳引起的拉应力，最终获得准确的径向拉应力，基于拉伸破坏准则，确保了固相产出条件的精确预测，从实验上获取连续的孔隙压力分布方程，保证了拉应力计算的精度。

附图说明

图1为本发明实施例1的孔隙压力连续分布测定装置的结构示意图。

附图标记说明：

缸体1、热成像仪器2、压缩机3、气罐4、数据采集系统5、缸盖6、气体入口压力传感器7、模拟岩层8、铁网9、气体检测管路10、流量传感器11、气体出口压力传感器12、稳压阀13、压力控制器14、减压阀15。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是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在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。

实施例1

本发明提供了一种孔隙压力连续分布测定装置，具体如图1所示，包括缸体1、热成像仪器2、压缩机3、气罐4和数据采集系统5；

缸体1成圆筒结构，缸体1顶部设置有缸盖6，其一侧开设在有入口；入口处设置有气体入口压力传感器7，缸体1内设置有模拟岩层8，模拟岩层8与缸体1内壁之间设置有高渗透的铁网9；缸体1用于模拟气藏，气体从缸体1内壁流入岩层内，从中间管线流出，形成了一个径向流动。

缸体1内的模拟岩层8内设置有延伸至顶部的气体检测管路10，气体检测管路10上端设置有流量传感器11，气体检测管路10上靠近缸盖6处开设有气体出口，气体出口处设置有气体出口压力传感器12；缸体1一侧设置有与压缩机3连通的压力控制管路，压缩机3与气罐4连通，压力控制管路上靠近缸体1设置有稳压阀13、靠近压缩机3设置有压力控制器14，稳压阀13和压力控制器14之间设置有减压阀15；

热成像仪器2设置在缸体1正前方，气体入口压力传感器7、气体出口压力传感器12、流量传感器11和热成像仪器2均与数据采集系统5通过数据线连接。其中，热成像仪的工作原理为：利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像，热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。

本实施例中提供的孔隙压力连续分布测定装置的工作原理如下所述：

利用不同粒度的砂体堆积在缸体1内，用于模拟油气藏；

当稳压阀13打开后，由于压差的存在，气体开始流动，气体在整个缸体1内流动为径向流动；

气体流动时，利用热成像仪监测整个缸体1内流域的温度；

已知气体入口和气体出口的气体压力以及气体压力和温度成正比关系，最终将整个流域的温度转换为气体压力，确定整个气体径向流的压力连续分布情况。

基于以上装置，本申请还提供一种基于孔隙压力连续分布测定装置的孔隙压力测定方法，包括以下步骤：

步骤1、将不同粒度的砂体堆积在缸体1内，用于模拟油气藏；

步骤2、打开压缩机3、压力控制器14、减压阀15和稳压阀13，由于压差的存在，气体开始在缸体1内流动，气体在整个缸体1内流动为径向流动；

步骤3、利用热成像仪监测整个缸体1内流域的温度T(r)、入口热成像温度值T1和出口热成像温度值T2；通过气体入口压力传感器7、气体出口压力传感器12分别检测缸体1的气体出口和气体入口处的压力值P1和P2；

步骤4、理想气体的状态方程为：pV＝nRT，其中：p是指理想气体的压强，V为理想气体的体积，n表示气体物质的量，T表示理想气体的热力学温度，R为理想气体常数；

由理想气体的状态方程可知：气体压力P正比于气体温度T，计算气体压力和气体温度之间的相关系数：

步骤4.1、计算入口相关系数：A1＝P1/T1，

步骤4.2、计算出口相关系数：A2＝P2/T2；

步骤4.3、计算相关系数校正值：A＝(A1+A2)/2；

步骤4、获得孔隙压力的连续分布表达式：P(r)＝A*T(r)；其中T(r)是利用热成像仪器2测得的缸体1内整个流场的温度值

基于上述孔隙压力连续分布的精准预算，便可求得准确的拉应力。

具体为，本实施例还提供一种基于孔隙压力连续分布测定装置的拉应力定量评价方法，具体为多孔介质拉应力定量评价方法，包括以下步骤：

步骤1、计算有限大气藏孔隙弹性引起的径向拉应力F_p：

其中，有关孔隙压力积分曲线的孔隙弹性项

σ_H：水平最大地应力，Pa；

σ_h：水平最小地应力，Pa；

R_e：油气藏渗流半径，m；

r：径向流动距离，m；

η：渗流系数；

p：孔隙压力，Pa；

R_w：井筒半径，m；

步骤2、计算流体拖曳引起的部分拉应力F_t：

F_t＝-φΔP (2)

式中，Φ为多孔介质的孔隙度；

步骤3、计算总拉应力F_all：

T_all＝F_p+F_t (3)

步骤4、通过公式(3)计算的总拉应力值对多孔介质拉应力进行定量评价。

本实施例提供的孔隙压力连续分布测定装置、方法及拉应力定量评价方法从精准预测孔隙压力的方法出发，同时考虑孔隙弹性引起的拉应力和流体拖曳引起的拉应力，最终获得准确的径向拉应力，基于拉伸破坏准则，确保了固相产出条件的精确预测，从实验上获取连续的孔隙压力分布方程，保证了拉应力计算的精度。

以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种孔隙压力连续分布测定装置，其特征在于，包括缸体(1)、热成像仪器(2)、压缩机(3)、气罐(4)和数据采集系统(5)；

所述缸体(1)成圆筒结构，所述缸体(1)顶部设置有缸盖(6)，其一侧开设在有入口；所述入口处设置有气体入口压力传感器(7)，所述缸体(1)内设置有模拟岩层(8)，所述模拟岩层(8)与所述缸体(1)内壁之间设置有铁网(9)；

所述缸体(1)内的模拟岩层(8)内设置有延伸至顶部的气体检测管路(10)，所述气体检测管路(10)上端设置有流量传感器(11)，所述气体检测管路(10)上靠近所述缸盖(6)处开设有气体出口，所述气体出口处设置有气体出口压力传感器(12)；所述缸体(1)一侧设置有与所述压缩机(3)连通的压力控制管路，所述压缩机(3)与所述气罐(4)连通，所述压力控制管路上靠近所述缸体(1)设置有稳压阀(13)、靠近所述压缩机(3)设置有压力控制器(14)，所述稳压阀(13)和压力控制器(14)之间设置有减压阀(15)；

所述热成像仪器(2)设置在所述缸体(1)正前方，所述气体入口压力传感器(7)、气体出口压力传感器(12)、流量传感器(11)和热成像仪器(2)均与所述数据采集系统(5)通过数据线连接。

2.一种基于孔隙压力连续分布测定装置的孔隙压力测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将不同粒度的砂体堆积在缸体(1)内，用于模拟油气藏；

步骤2、打开压缩机(3)、压力控制器(14)、减压阀(15)和稳压阀(13)，由于压差的存在，气体开始在缸体(1)内流动，气体在整个缸体(1)内流动为径向流动；

步骤3、利用热成像仪监测整个缸体(1)内流域的温度T(r)、入口热成像温度值T1和出口热成像温度值T2；通过气体入口压力传感器(7)、气体出口压力传感器(12)分别检测缸体(1)的气体出口和气体入口处的压力值P1和P2；

步骤4、由理想气体的状态方程可知：气体压力P正比于气体温度T，计算气体压力和气体温度之间的相关系数：

步骤4.1、计算入口相关系数：A1＝P1/T1，

步骤4.2、计算出口相关系数：A2＝P2/T2；

步骤4.3、计算相关系数校正值：A＝(A1+A2)/2；

步骤4、获得孔隙压力的连续分布表达式：P(r)＝A*T(r)；其中T(r)是利用热成像仪器(2)测得的缸体(1)内整个流场的温度值。

3.一种基于孔隙压力连续分布测定装置的拉应力定量评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、计算有限大气藏孔隙弹性引起的径向拉应力F_p：

其中，有关孔隙压力积分曲线的孔隙弹性项

σ_H：水平最大地应力，Pa；

σ_h：水平最小地应力，Pa；

R_e：油气藏渗流半径，m；

r：径向流动距离，m；

η：渗流系数；

p：孔隙压力，Pa；

R_w：井筒半径，m；

步骤2、计算流体拖曳引起的部分拉应力F_t：

F_t＝-φΔP (2)

式中，Φ为多孔介质的孔隙度；

步骤3、计算总拉应力F_all：

T_all＝F_p+F_t (3)

步骤4、通过公式(3)计算的总拉应力值对多孔介质拉应力进行定量评价。

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