CN114034571A - 一种模拟油井动态出砂与固相控制的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟油井动态出砂与固相控制的实验装置，包括高压反应釜、压力控制系统和数据采集系统；高压反应釜置于温控箱内，内部中空形成腔体，腔体内设置有岩心加载胶套、岩心固定架和固相控制装置，岩心加载胶套和固相控制装置内均设置有声波探头和温度控制器，岩心固定架、固相控制装置内均设置有与固液回收装置相连通的流体管道，流体管道内均设置有流速流量计，流速流量计、声波探头和温度控制器均与数据采集系统相连接，压力控制系统用于向岩心施加轴压、围压和孔压。本发明还公开了三轴应力作用下预测油井三维动态出砂及固相控制措施效果的实验方法，模拟了三轴应力作用下油井的三维出砂过程，为固相控制措施的效果评价提供了依据。

Description

一种模拟油井动态出砂与固相控制的实验装置及方法

技术领域

本发明涉及石油工程技术领域，具体涉及一种模拟油井动态出砂与固相控制的实验装置及方法。

背景技术

油井生产出砂与固相控制作为世界范围内石油工业中普遍存在的问题，给石油生产带来的巨大经济损失，每年用于研究智力油气井出砂的费用高达数亿美元。因此，在完井前以及动态生产过程中，准确预测油井出砂并进行固相控制效果评价至关重要。

近年来，技术人员逐步尝试通过室内试验的方法进行油井动态出砂与固相控制效果评价，但是，室内试验预测结果与实际生产过程中的出砂现象存在很大误差。例如，专利CN109826622A中公开了一种模拟砂岩储层出砂的模拟系统，该模拟系统模拟地层状况适应性差且未考虑储层温度对出砂过程的影响，不可用于进行固相控制效果评价实验；专利CN106680435A中公开了一种水合物开采出砂模拟实验系统，该模拟实验系统只能加载孔隙压力和轴压，不能加载围压，所以该实验系统无法用于模拟三轴应力状态下的出砂实验，并且该实验系统仅仅是针对二维平面进行的出砂预测模拟，无法模拟井筒三维状态下的出砂情况。

因此，亟需研制一种模拟油井动态出砂与固相控制的实验装置及方法，用于地层三维动态出砂模拟及固相控制效果评价，为油气生产过程中动态出砂的预测和固相控制措施的制定提供依据。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提供了一种模拟油井动态出砂与固相控制的实验装置及方法，实现了对油井动态出砂及固相控制过程的室内模拟，通过室内模拟获取开采过程中油井所在地层的动态出砂规律，以利于精确评价油井中固相控制措施的实施效果，为油气生产过程中动态出砂的预测和固相控制措施的制定提供依据。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种模拟油井动态出砂与固相控制的实验装置，包括高压反应釜、压力控制系统、固液回收装置和数据采集系统；

所述高压反应釜置于温控箱内，高压反应釜包括反应釜本体、顶盖和底盖，顶盖上设置有加压孔，底盖上设置排液孔，反应釜本体内部中空形成腔体，腔体内设置有岩心加载胶套，岩心加载胶套的顶面边缘处设置有注入孔，侧壁上设置有多个声波探头和多个温度传感器，底面中心处设置有第一排出孔，岩心加载胶套底部固定于岩心固定架上，岩心固定架内设置有第一管道，第一管道与第一排出孔相连通，岩心固定架的底部固定于固相控制装置顶部，固相控制装置底部嵌于高压反应釜底盖内，固相控制装置内设置有岩心固定腔；

所述岩心固定腔通过第一管道与岩心加载胶套内部相连通，岩心固定腔内壁上设置有多个声波探头和多个温度传感器，岩心固定腔底面设置有第二排出孔，第二排出孔上设置有可拆卸的固定孔板，第二排出孔与第二管道相连通，第二管道经排液孔从高压反应釜内穿出，与固液回收装置相连接；

所述压力控制系统包括轴压伺服控制系统、孔压伺服控制系统和围压伺服控制系统；所述轴压伺服控制系统包括轴压油罐、轴压伺服控制泵和轴压加载柱塞，轴压油罐和轴压伺服控制泵依次通过第三管道与轴压加载柱塞相连接，轴压加载柱塞的施压端置于腔体内；所述孔压伺服控制系统包括孔压液罐和孔压伺服控制泵，孔压液罐和孔压伺服控制泵依次通过第四管道与高压反应釜腔体相连通；所述围压伺服控制系统包括围压油罐和围压伺服控制泵，围压油罐和围压伺服控制泵依次通过第五管道与高压反应釜腔体相连通；

所述岩心加载胶套与轴压加载柱塞之间设置有带中心孔的上垫片，岩心加载胶套与岩心固定架之间设置有带中心孔的下垫片；

所述第一管道上设置有第一流速流量计，第二管道上设置有第二流速流量计，第一流速流量计、第二流速流量计、声波探头和温度传感器均与数据采集系统相连接；

所述第三管道上设置有控制阀门，第二管道靠近固液回收装置一侧设置有安全阀。

优选地，所述岩心加载胶套内放置有出砂岩心试样，出砂岩心试样与岩心加载胶套内壁之间充填有钢珠。

优选地，所述高压反应釜呈圆柱体结构，反应釜本体与顶盖、底盖均为螺纹连接。

优选地，所述固定孔板包括防砂网和两个固定孔板，防砂网设置于两个固定孔板之间。

一种用于预测三轴应力下油井三维动态出砂的实验方法，采用如上所述的用于模拟油井动态出砂与固相控制的实验装置，具体包括以下步骤：

步骤1，根据模拟油井的地质资料，获取模拟油井所处地层的岩心资料、上覆地层压力、地层压力、地层温度和孔隙流体资料，孔隙流体资料包括孔隙流体压力和孔隙流体类型，并根据孔隙流体的制备孔压液罐内的孔压液；

步骤2，根据模拟油井所处地层的岩心资料制备出砂岩心试样，将出砂岩心试样置于岩心加载胶套内，并在岩心加载胶套与出砂岩心试样之间的间隙内充填钢珠，拆除岩心固定腔内的固定孔板，依次安装固相控制装置、岩心固定架、下垫片、岩心加载胶套、上垫片后，将第四管道穿过加压孔将孔压伺服控制系统与岩心加载胶套的注入孔相连接，第五管道穿过加压孔将围压伺服控制系统与高压反应釜腔体相连通，再将轴压加载柱塞置于高压反应釜腔体内，第三管道穿过加压孔将轴压加载柱塞与轴压伺服控制泵相连接后，密封高压反应釜；

步骤3，根据模拟油井所处地层的地层温度设置温控箱的温度，开启温控箱，实验过程中保持温控箱的温度恒定；

步骤4，开启围压伺服控制系统，利用围压伺服控制泵将围压油罐内的液压油经第五管道注入高压反应釜腔体内，控制围压油罐内液压油的注入压力，使得围压油罐内的液压油挤压岩心加载胶套侧壁，向出砂岩心试样施加与地层压力值相同的围压；

步骤5，开启控制阀门和轴压伺服控制系统，利用轴压伺服控制泵将轴压油罐内的液压油经第三管道注入轴压加载柱塞内，推动轴压加载柱塞下降，控制轴压油罐内液压油的注入压力，向出砂岩心试样施加与上覆地层压力值相同的轴压；

步骤6，开启孔压伺服控制系统，利用孔压伺服控制泵将孔压液罐内的孔压液经第四管道注入岩心加载胶套内，使得孔压液充填于岩心加载胶套内壁与出砂岩心试样之间，控制孔压液罐内孔压液的注入压力，向出砂岩心试样施加与孔隙流体压力值相同的孔压；

步骤7，开启安全阀，使得出砂岩心试样内的固液两相流混合物经第一管道、第二管道流入固液回收装置内，实验过程中每隔5min更换固液回收装置，同时利用数据采集系统记录第一流速流量计、第二流速流量计、各声波探头和各温度传感器的测量结果，获取三轴应力下油井的三维动态出砂数据；

步骤8，记录多组油井三维动态出砂数据后，关闭轴压伺服控制泵、围压伺服控制泵和孔压伺服控制泵，出砂岩心试样卸压后关闭温控箱，从高压反应釜内取出出砂岩心试样，对各固液回收装置内的固液两相流混合物进行烘干，获取各固液回收装置中砂体的重量和粒度，确定出砂岩心试样的出砂速度；

步骤9，根据声波探头的测量结果得到防砂岩心试样不同位置处的纵横波值，确定出砂岩心试样的出砂位置，结合出砂岩心试样的出砂速度及砂体粒度，预测三轴应力下油井的三维动态出砂情况。

优选地，所述出砂岩心试样中心设置有由上到下贯穿整个出砂岩心试样的孔道。

一种用于评价三轴应力下固相控制效果的实验方法，采用如上所述的用于模拟油井动态出砂与固相控制的实验装置，具体包括以下步骤：

步骤1，根据模拟油井的地质资料，获取模拟油井所处地层的岩心资料、上覆地层压力、地层压力、地层温度和孔隙流体资料，孔隙流体资料包括孔隙流体压力和孔隙流体类型，并根据孔隙流体的制备孔压液罐内的孔压液；

步骤2，根据模拟油井所处地层的岩心资料制备防砂岩心试样，将防砂岩心试样置于固相控制装置的岩心固定腔内，岩心固定腔的第二排出孔上设置有固定孔板，拆除岩心固定架、下垫片、岩心加载胶套、上垫片后，向高压反应釜腔体内充填分散砂，第四管道穿过加压孔将孔压伺服控制系统与高压反应釜腔体相连通，再将轴压加载柱塞置于高压反应釜腔体内，第三管道穿过加压孔将轴压加载柱塞与轴压伺服控制泵相连接后，密封高压反应釜；

步骤3，根据模拟油井所处地层的地层温度设置温控箱的温度，开启温控箱，实验过程中保持温控箱的温度恒定；

步骤4，开启孔压伺服控制系统，利用孔压伺服控制泵将孔压液罐内的孔压液经第四管道注入高压反应釜腔体内，控制孔压液的注入压力，向防砂岩心试样施加与孔隙流体压力值相同的孔压；

步骤5，开启控制阀门和轴压伺服控制系统，利用轴压伺服控制泵将轴压油罐内的液压油经第三管道注入轴压加载柱塞内，推动轴压加载柱塞下降，控制轴压油罐内液压油的注入压力，向防砂岩心试样施加与上覆地层压力值相同的轴压；

步骤6，开启安全阀，使得防砂岩心试样内的固液两相流混合物经第二管道流入固液回收装置内，实验过程中每隔5min更换固液回收装置，同时利用数据采集系统记录第二流速流量计、各声波探头和各温度传感器的测量结果，获取三轴应力下油井的三维动态防砂数据；

步骤7，记录多组油井三维动态防砂数据后，关闭轴压伺服控制泵和孔压伺服控制泵，防砂岩心试样卸压后关闭温控箱，从高压反应釜内取出防砂岩心试样，对各固液回收装置内的固液两相流混合物进行烘干，获取各固液回收装置中砂体的重量和粒度，确定防砂岩心试样的出砂速度；

步骤8，根据声波探头的测量结果得到防砂岩心试样不同位置处的纵横波值，确定防砂岩心试样的出砂位置，结合防砂岩心试样的出砂速度及砂体粒度，分析三轴应力下的固相控制效果。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明提出了一种用于模拟油井动态出砂与固相控制的实验装置，实现了对三轴应力状态下油井三维出砂过程的模拟，克服了传统油井动态出砂与固相控制效果评价装置仅能模拟油井二维出砂过程的不足，真实还原了油气生产过程中地层内部所受压力的实际情况，更加符合油气生产实际。

本发明还提出了一种用于预测三轴应力下油井三维动态出砂的实验方法，利用岩心试样直观展示了油气生产过程中地层的出砂情况，实现了对三轴应力状态下油井出砂情况的准确预测，同时本发明还提出了一种用于评价三轴应力下固相控制效果的实验方法，在三轴应力条件下实现了对地层中不同温度场、动态压力场、孔隙流体介质的室内模拟，能够获取三轴应力作用下不同温度场、动态压力场、孔隙流体介质条件下地层的出砂情况和固相控制效果，实验结果精确，实验过程简单且具有更强的综合性。

附图说明

图1为本发明实验装置的结构示意图。

图2为本发明出砂岩心制备器的结构示意图。

图3为本发明防砂岩心制备器的结构示意图。

图中，1、温控箱，2、反应釜本体，3、顶盖，4、底盖，5、岩心加载胶套，6、声波探头，7、温度传感器，8、岩心固定架，9、第一管道，10、固相控制装置，11、岩心固定腔，12、固定孔板，13、第二管道，14、轴压油罐，15、轴压伺服控制泵，16、轴压加载柱塞，17、孔压液罐，18、孔压伺服控制泵，19、围压油罐，20、围压伺服控制泵，21、上垫片，22、下垫片，23、第一流速流量计，24、第二流速流量计，25、控制阀门，26、安全阀，27、钢珠，28、数据采集系统，29、出砂岩心制备箱体，30、出砂岩心制备加压柱塞，31、柱体，32、防砂岩心制备箱体，33、防砂岩心制备加压柱塞。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明提出的一种模拟油井动态出砂与固相控制的实验装置，如图1所示，包括高压反应釜、压力控制系统、固液回收装置和数据采集系统28。

温控箱1用于模拟地层温度，高压反应釜放置于温控箱1内部，呈圆柱体结构，高压反应釜包括反应釜本体2、顶盖3和底盖4，反应釜本体2与顶盖3、底盖4均为螺纹连接，高压反应釜的顶盖3上设置有加压孔，底盖4上设置排液孔，反应釜本体2内部中空形成腔体，腔体内设置有岩心加载胶套5，岩心加载胶套5内部用于放置出砂岩心试样，出砂岩心试样与岩心加载胶套5内壁之间的间隙内充填有钢珠27，钢珠27与出砂岩心试样侧壁相紧贴，用于辅助围压伺服控制系统将围压施加到出砂岩心试样上；岩心加载胶套5的顶面边缘处设置有注入孔，注入孔用于向出砂岩心试样与岩心加载胶套内壁之间的间隙内充填孔压液，岩心加载胶套5的侧壁上设置有多个声波探头6和多个温度传感器7，岩心加载胶套5的底面中心位置处设置有第一排出孔，用于排出岩心加载胶套内的流体；岩心加载胶套5底部固定于岩心固定架8上，岩心固定架8内设置有第一管道9，第一管道9与第一排出孔相连通，岩心固定架8的底部固定于固相控制装置10顶部，固相控制装置10底部嵌于高压反应釜底盖4内，固相控制装置10内设置有岩心固定腔11，岩心固定腔11用于放置防砂岩心试样。

岩心固定腔11通过第一管道9与岩心加载胶套5内部相连通，岩心固定腔11的内壁上设置有多个声波探头6和多个温度传感器7，岩心固定腔11底面设置有第二排出孔，用于排出固相控制装置10内的流体，第二排出孔上设置有可拆卸的固定孔板12，固定孔板12包括两个固定孔板和夹设于其中的防砂网，用于为油井动态出砂提供固相控制，岩心固定腔11的第二排出孔与第二管道13相连通，第二管道13经排液孔从高压反应釜内穿出，与固液回收装置相连接。

压力控制系统包括轴压伺服控制系统、孔压伺服控制系统和围压伺服控制系统，其中，轴压伺服控制系统包括轴压油罐14、轴压伺服控制泵15和轴压加载柱塞16，轴压油罐14和轴压伺服控制泵15依次通过第三管道与轴压加载柱塞16相连接，轴压加载柱塞16的施压端置于高压反应釜的腔体内；孔压伺服控制系统包括孔压液罐17和孔压伺服控制泵18，孔压液罐17和孔压伺服控制泵18依次通过第四管道与高压反应釜腔体相连通；围压伺服控制系统包括围压油罐19和围压伺服控制泵20，围压油罐19和围压伺服控制泵20依次通过第五管道与高压反应釜腔体相连通；轴压油罐14、围压油罐19内均储存有液压油，孔压液罐17内储存有与实验模拟地层孔隙流体相同的孔压液。

岩心加载胶套5与轴压加载柱塞16之间设置有带中心孔的上垫片21，岩心加载胶套5与岩心固定架8之间设置有带中心孔的下垫片22。

第一管道9上设置有第一流速流量计23，第二管道13上设置有第二流速流量计24；声波探头6用于测量岩心不同位置处的纵横波值，根据岩心不同位置处的纵横波值即可确定岩心的出砂位置；第一流速流量计23、第二流速流量计24、声波探头6和温度传感器7均与数据采集系统28相连接，数据采集系统28用于采集并存储实验装置内各流速流量计、声波探头、温度传感器的测量结构。

第三管道上设置有控制阀门25，用于控制轴压油罐内的液压油进入轴压加载柱塞内，第二管道靠近固液回收装置一侧设置有安全阀26，用于控制固相控制装置内的流体流入固液回收装置中。

本发明还提出了一种用于预测三轴应力下油井三维动态出砂的实验方法，采用上述用于模拟油井动态出砂与固相控制的实验装置，具体包括以下步骤：

步骤1，根据模拟油井的地质资料，获取模拟油井所处地层的岩心资料、上覆地层压力、地层压力、地层温度和孔隙流体资料，孔隙流体资料包括孔隙流体压力和孔隙流体类型，并根据孔隙流体的制备孔压液罐17内的孔压液，使得孔压液与模拟油井所在地层的孔隙流体相同。

步骤2，根据模拟油井所处地层的岩心资料，利用出砂岩心制备器制备出砂岩心试样，出砂岩心制备器如图2所示，包括出砂岩心制备箱体29和出砂岩心制备加压柱塞30，其中，出砂岩心制备箱体29底面中心处设置有柱体31，出砂岩心制备加压柱塞30上设置有与柱体31相匹配的连通孔；根据模拟油井所处地层的岩心资料配置制备砂体，将制备砂体充填至出砂岩心制备箱体29内，通过对出砂岩心制备加压柱塞30加压，利用出砂岩心制备加压柱塞30对砂体进行挤压，制得出砂岩心试样，出砂岩心试样中心设置有由上到下贯穿整个出砂岩心试样的孔道，该孔道能够模拟三维井壁的出砂状况以及蚯蚓洞的出砂状况。

将出砂岩心试样置于岩心加载胶套5内，并在岩心加载胶套5与出砂岩心试样之间的间隙内充填钢珠27，拆除岩心固定腔11内的固定孔板12，依次安装固相控制装置10、岩心固定架8、下垫片22、岩心加载胶套5、上垫片21后，将第四管道穿过加压孔将孔压伺服控制系统与岩心加载胶套5的注入孔相连接，第五管道穿过加压孔将围压伺服控制系统与高压反应釜腔体相连通，再将轴压加载柱塞16置于高压反应釜腔体内，第三管道穿过加压孔将轴压加载柱塞16与轴压伺服控制泵相连接后，密封高压反应釜。

步骤3，根据模拟油井所处地层温度设置温控箱1的温度，开启温控箱1，实验过程中保持温控箱1的温度恒定。

步骤4，开启围压伺服控制系统，利用围压伺服控制泵将围压油罐19内的液压油经第五管道注入高压反应釜腔体内，控制围压油罐19内液压油的注入压力，使得围压油罐19内的液压油挤压岩心加载胶套5侧壁，向出砂岩心试样施加与地层压力值相同的围压。

步骤5，开启控制阀门25和轴压伺服控制系统，利用轴压伺服控制泵15将轴压油罐14内的液压油经第三管道注入轴压加载柱塞16内，推动轴压加载柱塞16下降挤压岩心加载胶套5顶面，控制轴压油罐14内液压油的注入压力，向出砂岩心试样施加与上覆地层压力值相同的轴压。

步骤6，开启孔压伺服控制系统，利用孔压伺服控制泵18将孔压液罐17内的孔压液经第四管道注入岩心加载胶套5内，使得孔压液充填于岩心加载胶套5内壁与出砂岩心试样之间，控制孔压液罐17内孔压液的注入压力，向出砂岩心试样施加与孔隙流体压力值相同的孔压。

步骤7，开启安全阀26，使得出砂岩心试样内的固液两相流混合物经第一管道9、第二管道13流入固液回收装置内，实验过程中每隔5min更换固液回收装置，同时利用数据采集系统记录第一流速流量计23、第二流速流量计24、各声波探头6和各温度传感器7的测量结果，获取三轴应力下油井的三维动态出砂数据。

步骤8，记录多组油井三维动态出砂数据后，关闭轴压伺服控制泵15、围压伺服控制泵20和孔压伺服控制泵18，出砂岩心试样卸压后关闭温控箱1，从高压反应釜内取出出砂岩心试样，对各固液回收装置内的固液两相流混合物进行烘干，获取各固液回收装置中砂体的重量和粒度，确定出砂岩心试样的出砂速度。

步骤9，根据声波探头6的测量结果得到防砂岩心试样不同位置处的纵横波值，确定出砂岩心试样的出砂位置，结合出砂岩心试样的出砂速度及砂体粒度，预测三轴应力下油井的三维动态出砂情况。

本实验方法可通过改变温控箱1的温度，重复步骤1至步骤9，模拟三轴应力作用时不同地层温度条件下油井的三维动态出砂情况，得到地层温度对油井三维动态出砂情况的影响，预测三轴应力作用下不同地层温度条件下油井的三维动态出砂情况。

本实验方法还可通过分别改变轴压伺服系统施加的轴压值、围压伺服控制系统施加的围压值以及孔压伺服控制系统施加的空压制，分别重复步骤步骤1至步骤9，模拟不同轴压条件下油井的三维出砂情况、不同孔压条件下油井的三维出砂情况、不同围压条件下油井的三维出砂情况，分别得到轴压、围压和孔压对油井三维出砂情况的影响。

本发明还提出了一种用于评价三轴应力下固相控制效果的实验方法，采用上述用于模拟油井动态出砂与固相控制的实验装置，具体包括以下步骤：

步骤1，根据模拟油井的地质资料，获取模拟油井所处地层的岩心资料、上覆地层压力、地层压力、地层温度和孔隙流体资料，孔隙流体资料包括孔隙流体压力和孔隙流体类型，并根据孔隙流体的制备孔压液罐17内的孔压液。

步骤2，根据模拟油井所处地层的岩心资料，利用防砂岩心制备器制备防砂岩心试样，防砂岩心制备器如图3所示，包括防砂岩心制备箱体32和防砂岩心制备加压柱塞33；根据模拟油井所处地层的岩心资料配置制备砂体，将制备砂体充填至防砂岩心制备箱体32内，通过对防砂岩心制备加压柱塞33加压，利用防砂岩心制备加压柱塞33对砂体进行挤压，制得防砂岩心试样。

将防砂岩心试样放置于固相控制装置10的岩心固定腔11内，岩心固定腔11的第二排出孔上设置有固定孔板12，拆除岩心固定架8、下垫片22、岩心加载胶套5、上垫片21后，向高压反应釜腔体内充填分散砂，第四管道穿过加压孔将孔压伺服控制系统与高压反应釜腔体相连通，再将轴压加载柱塞16置于高压反应釜腔体内，第三管道穿过加压孔将轴压加载柱塞16与轴压伺服控制泵15相连接后，密封高压反应釜。

步骤3，根据模拟油井所处地层的地层温度设置温控箱1的温度，开启温控箱1，实验过程中保持温控箱1的温度恒定。

步骤4，开启孔压伺服控制系统，利用孔压伺服控制泵18将孔压液罐17内的孔压液经第四管道注入高压反应釜腔体内，控制孔压液的注入压力，向防砂岩心试样施加与孔隙流体压力值相同的孔压。

步骤5，开启控制阀门25和轴压伺服控制系统，利用轴压伺服控制泵15将轴压油罐14内的液压油经第三管道注入轴压加载柱塞16内，推动轴压加载柱塞16下降，控制轴压油罐14内液压油的注入压力，向防砂岩心试样施加与上覆地层压力值相同的轴压。

步骤6，开启安全阀26，使得防砂岩心试样内的固液两相流混合物经第二管道13流入固液回收装置内，实验过程中每隔5min更换固液回收装置，同时利用数据采集系统记录第二流速流量计24、各声波探头6和各温度传感器7的测量结果，获取三轴应力下油井的三维动态防砂数据。

步骤7，记录多组油井三维动态防砂数据后，关闭轴压伺服控制泵15和孔压伺服控制泵18，防砂岩心试样卸压后关闭温控箱1，从高压反应釜内取出防砂岩心试样，对各固液回收装置内的固液两相流混合物进行烘干，获取各固液回收装置中砂体的重量和粒度，确定防砂岩心试样的出砂速度。

步骤8，根据声波探头6的测量结果得到防砂岩心试样不同位置处的纵横波值，确定防砂岩心试样的出砂位置，结合防砂岩心试样的出砂速度及砂体粒度，分析三轴应力下的固相控制效果。

本实验方法可通过调整固定孔板采取不同的固相控制措施，重复步骤1至步骤9，模拟三轴应力作用下不同固相控制措施条件下油井的三维动态出砂情况，分析不同固相控制条件的固相控制效果，根据防砂岩心试样的出砂速度及砂体粒度，选取合适的固相控制措施。

在本发明描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种模拟油井动态出砂与固相控制的实验装置，其特征在于，包括高压反应釜、压力控制系统、固液回收装置和数据采集系统；

所述高压反应釜置于温控箱内，高压反应釜包括反应釜本体、顶盖和底盖，顶盖上设置有加压孔，底盖上设置排液孔，反应釜本体内部中空形成腔体，腔体内设置有岩心加载胶套，岩心加载胶套的顶面边缘处设置有注入孔，侧壁上设置有多个声波探头和多个温度传感器，底面中心处设置有第一排出孔，岩心加载胶套底部固定于岩心固定架上，岩心固定架内设置有第一管道，第一管道与第一排出孔相连通，岩心固定架的底部固定于固相控制装置顶部，固相控制装置底部嵌于高压反应釜底盖内，固相控制装置内设置有岩心固定腔；

所述岩心固定腔通过第一管道与岩心加载胶套内部相连通，岩心固定腔内壁上设置有多个声波探头和多个温度传感器，岩心固定腔底面设置有第二排出孔，第二排出孔上设置有可拆卸的固定孔板，第二排出孔与第二管道相连通，第二管道经排液孔从高压反应釜内穿出，与固液回收装置相连接；

所述压力控制系统包括轴压伺服控制系统、孔压伺服控制系统和围压伺服控制系统；所述轴压伺服控制系统包括轴压油罐、轴压伺服控制泵和轴压加载柱塞，轴压油罐和轴压伺服控制泵依次通过第三管道与轴压加载柱塞相连接，轴压加载柱塞的施压端置于腔体内；所述孔压伺服控制系统包括孔压液罐和孔压伺服控制泵，孔压液罐和孔压伺服控制泵依次通过第四管道与高压反应釜腔体相连通；所述围压伺服控制系统包括围压油罐和围压伺服控制泵，围压油罐和围压伺服控制泵依次通过第五管道与高压反应釜腔体相连通；

所述岩心加载胶套与轴压加载柱塞之间设置有带中心孔的上垫片，岩心加载胶套与岩心固定架之间设置有带中心孔的下垫片；

所述第一管道上设置有第一流速流量计，第二管道上设置有第二流速流量计，第一流速流量计、第二流速流量计、声波探头和温度传感器均与数据采集系统相连接；

所述第三管道上设置有控制阀门，第二管道靠近固液回收装置一侧设置有安全阀。

2.根据权利要求1所述的一种模拟油井动态出砂与固相控制的实验装置，其特征在于，所述岩心加载胶套内放置有出砂岩心试样，出砂岩心试样与岩心加载胶套内壁之间充填有钢珠。

3.根据权利要求1所述的一种模拟油井动态出砂与固相控制的实验装置，其特征在于，所述高压反应釜呈圆柱体结构，反应釜本体与顶盖、底盖均为螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的一种模拟油井动态出砂与固相控制的实验装置，其特征在于，所述固定孔板包括防砂网和两个固定孔板，防砂网设置于两个固定孔板之间。

5.一种用于预测三轴应力下油井三维动态出砂的实验方法，其特征在于，采用如权利要求1～4中任一项所述的用于模拟油井动态出砂与固相控制的实验装置，具体包括以下步骤：

步骤1，根据模拟油井的地质资料，获取模拟油井所处地层的岩心资料、上覆地层压力、地层压力、地层温度和孔隙流体资料，孔隙流体资料包括孔隙流体压力和孔隙流体类型，并根据孔隙流体的制备孔压液罐内的孔压液；

步骤2，根据模拟油井所处地层的岩心资料制备出砂岩心试样，将出砂岩心试样置于岩心加载胶套内，并在岩心加载胶套与出砂岩心试样之间的间隙内充填钢珠，拆除岩心固定腔内的固定孔板，依次安装固相控制装置、岩心固定架、下垫片、岩心加载胶套、上垫片后，将第四管道穿过加压孔将孔压伺服控制系统与岩心加载胶套的注入孔相连接，第五管道穿过加压孔将围压伺服控制系统与高压反应釜腔体相连通，再将轴压加载柱塞置于高压反应釜腔体内，第三管道穿过加压孔将轴压加载柱塞与轴压伺服控制泵相连接后，密封高压反应釜；

步骤3，根据模拟油井所处地层的地层温度设置温控箱的温度，开启温控箱，实验过程中保持温控箱的温度恒定；

步骤4，开启围压伺服控制系统，利用围压伺服控制泵将围压油罐内的液压油经第五管道注入高压反应釜腔体内，控制围压油罐内液压油的注入压力，使得围压油罐内的液压油挤压岩心加载胶套侧壁，向出砂岩心试样施加与地层压力值相同的围压；

步骤5，开启控制阀门和轴压伺服控制系统，利用轴压伺服控制泵将轴压油罐内的液压油经第三管道注入轴压加载柱塞内，推动轴压加载柱塞下降，控制轴压油罐内液压油的注入压力，向出砂岩心试样施加与上覆地层压力值相同的轴压；

步骤6，开启孔压伺服控制系统，利用孔压伺服控制泵将孔压液罐内的孔压液经第四管道注入岩心加载胶套内，使得孔压液充填于岩心加载胶套内壁与出砂岩心试样之间，控制孔压液罐内孔压液的注入压力，向出砂岩心试样施加与孔隙流体压力值相同的孔压；

步骤7，开启安全阀，使得出砂岩心试样内的固液两相流混合物经第一管道、第二管道流入固液回收装置内，实验过程中每隔5min更换固液回收装置，同时利用数据采集系统记录第一流速流量计、第二流速流量计、各声波探头和各温度传感器的测量结果，获取三轴应力下油井的三维动态出砂数据；

步骤8，记录多组油井三维动态出砂数据后，关闭轴压伺服控制泵、围压伺服控制泵和孔压伺服控制泵，出砂岩心试样卸压后关闭温控箱，从高压反应釜内取出出砂岩心试样，对各固液回收装置内的固液两相流混合物进行烘干，获取各固液回收装置中砂体的重量和粒度，确定出砂岩心试样的出砂速度；

步骤9，根据声波探头的测量结果得到防砂岩心试样不同位置处的纵横波值，确定出砂岩心试样的出砂位置，结合出砂岩心试样的出砂速度及砂体粒度，预测三轴应力下油井的三维动态出砂情况。

6.根据权利要求5所述的一种用于预测三轴应力下油井三维动态出砂的实验方法，其特征在于，所述出砂岩心试样中心设置有由上到下贯穿整个出砂岩心试样的孔道。

7.一种用于评价三轴应力下固相控制效果的实验方法，其特征在于，采用如权利要求1～4中任一项所述的用于模拟油井动态出砂与固相控制的实验装置，具体包括以下步骤：

步骤1，根据模拟油井的地质资料，获取模拟油井所处地层的岩心资料、上覆地层压力、地层压力、地层温度和孔隙流体资料，孔隙流体资料包括孔隙流体压力和孔隙流体类型，并根据孔隙流体的制备孔压液罐内的孔压液；

步骤2，根据模拟油井所处地层的岩心资料制备防砂岩心试样，将防砂岩心试样置于固相控制装置的岩心固定腔内，岩心固定腔的第二排出孔上设置有固定孔板，拆除岩心固定架、下垫片、岩心加载胶套、上垫片后，向高压反应釜腔体内充填分散砂，第四管道穿过加压孔将孔压伺服控制系统与高压反应釜腔体相连通，再将轴压加载柱塞置于高压反应釜腔体内，第三管道穿过加压孔将轴压加载柱塞与轴压伺服控制泵相连接后，密封高压反应釜；

步骤3，根据模拟油井所处地层的地层温度设置温控箱的温度，开启温控箱，实验过程中保持温控箱的温度恒定；

步骤4，开启孔压伺服控制系统，利用孔压伺服控制泵将孔压液罐内的孔压液经第四管道注入高压反应釜腔体内，控制孔压液的注入压力，向防砂岩心试样施加与孔隙流体压力值相同的孔压；

步骤5，开启控制阀门和轴压伺服控制系统，利用轴压伺服控制泵将轴压油罐内的液压油经第三管道注入轴压加载柱塞内，推动轴压加载柱塞下降，控制轴压油罐内液压油的注入压力，向防砂岩心试样施加与上覆地层压力值相同的轴压；

步骤6，开启安全阀，使得防砂岩心试样内的固液两相流混合物经第二管道流入固液回收装置内，实验过程中每隔5min更换固液回收装置，同时利用数据采集系统记录第二流速流量计、各声波探头和各温度传感器的测量结果，获取三轴应力下油井的三维动态防砂数据；

步骤7，记录多组油井三维动态防砂数据后，关闭轴压伺服控制泵和孔压伺服控制泵，防砂岩心试样卸压后关闭温控箱，从高压反应釜内取出防砂岩心试样，对各固液回收装置内的固液两相流混合物进行烘干，获取各固液回收装置中砂体的重量和粒度，确定防砂岩心试样的出砂速度；

步骤8，根据声波探头的测量结果得到防砂岩心试样不同位置处的纵横波值，确定防砂岩心试样的出砂位置，结合防砂岩心试样的出砂速度及砂体粒度，分析三轴应力下的固相控制效果。

Images