CN207703845U - 一种高温高压动态封缝堵气效果评价实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高温高压动态封缝堵气效果评价实验装置，它包括数据处理部分、岩心夹持器部分、加压部分、加热部分、动力部分、气侵气源部分和中间容器。本实用新型的有益效果是：结构紧凑、准确度高、为高温高压地层的气侵过程研究提供实验支撑。

Description

一种高温高压动态封缝堵气效果评价实验装置

技术领域

本实用新型涉及石油与天然气勘探开发过程中气侵过程的模拟和封缝堵气效果评价的技术领域，特别是一种高温高压动态封缝堵气效果评价实验装置。

背景技术

在油气勘探与开发钻井过程中，地层中的流体(油、气、水等)进入井筒，可能导致溢流，如果失控便会导致井喷，使得钻井设备被损坏，危及钻井工作人员的人身安全，破坏石油天然气资源，污染自然环境甚至导致油气井报废等严重后果，给石油工业带来严重的负面社会影响。能够相对精确地分析地出气侵过程是防止气侵和安全钻进的关键，然而在国内与此相关的实验仪器较少，尤其是模拟高温高压条件下气侵过程的实验仪器更少。专利“一种气夜置换及封缝堵气实验测试装置”，其主要采用可视化研究方法，研究常温常压下的气夜置换的现象，虽然能够在可视化的条件下进行实验，在一定程度上具有先进性，但是不能模拟地层高温高压条件下的气侵过程，除此之外此装置只能研究静态情况下的气侵过程，无法研究动态条件下的气侵过程和封堵效果，对研究钻进高温高压地层过程的气侵和封缝堵气有一定的局限性。专利“封缝堵气评价装置”更为简单，通过量筒量取一定压力下的漏失量评价封缝堵气效果，气侵的过程能否获得尚不明确，而专门在高温高压条件下分析评价动态封缝堵气效果的实验装置尚未发现。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种结构紧凑、准确度高、为高温高压地层的气侵过程研究提供实验支撑的高温高压动态封缝堵气效果评价实验装置。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：一种高温高压动态封缝堵气效果评价实验装置，它包括数据处理部分、岩心夹持器部分、加压部分、加热部分、动力部分、气侵气源部分和中间容器；

所述岩心夹持部分包括设置于中间容器左右侧的岩心夹持器A和岩心夹持器B，中间容器的顶部设置有中间容器加压孔，中间容器加压孔处连接有压力传感器，中间容器的左右侧壁上均开设有空腔A，岩心夹持器A与岩心夹持器B对称设置，岩心夹持器A包括筒体、柱塞和岩心，筒体的右端部固设于中间容器上且与空腔A连通，筒体的左端部设置有螺纹孔，螺纹孔内螺纹连接有柱塞，岩心设置于筒体内且抵压于柱塞与筒体右端部之间，岩心与柱塞之间形成有空腔B，柱塞内设置有多个连通空腔B的进气孔，岩心的外部覆盖有电极膜，电极膜上镶嵌有软电极，软电极贴在岩心外表面上，电极膜的外部顺次包裹有胶套和隔热垫，胶套与电极膜之间形成有加压环空，隔热垫与胶套之间设置有加热丝；所述筒体上设置有连通加压环空的加压孔，筒体上还设置有加热引线和电极引线，加热引线与加热丝连接，电极引线与软电极连接；

所述加压部分包括围压泵A和围压泵B，围压泵A的出液端与岩心夹持器A的加压孔连通，围压泵B的出液端与岩心夹持器B的加压孔连通；

所述加热部分包括温度控制器A和温度控制器B，温度控制器A与岩心夹持器A的加热引线连接，温度控制器B与岩心夹持器B的加热引线连接；

所述气侵气源部分包括氮气瓶A和氮气瓶B，氮气瓶A的出口端与岩心夹持器A的进气孔之间连接有气体流量计A，氮气瓶B的出口端与岩心夹持器B的进气孔之间连接有气体流量计B；

所述动力部分包括电机和氮气瓶C，电机设置于中间容器的下方，电机的输出轴伸入于中间容器内且输出轴上安装有叶片，氮气瓶C的出口端与中间容器加压孔连接；

所述数据处理部分包括计算机、数据采集模块、电桥仪A和电桥仪B，电桥仪A与岩心夹持器A的电极引线连接，电桥仪B与岩心夹持器B的电极引线连接，计算机与数据采集模块连接，电桥仪、压力传感器、温度控制器、围压泵和电机经线路连接。

所述进气孔均匀分布于柱塞中。

所述加热引线与加热丝均位于加压孔下方。

所述中间容器的底部设置有螺栓塞。

围压泵上设有压力控制按钮和电源开关。

温度控制器上设有温度设置按钮和电源开关。

本实用新型具有以下优点：(1)实验装置原理可靠，操作简单，可以模拟地层高温高压条件下的气侵过程和动态封缝堵气工艺。(2)该装置可以在同一条件下同时测定分析两组实验数据，一定的范围内保证了实验条件的统一性。(3)岩心夹持器内的电极膜与岩心紧贴，通过内嵌于电极膜上的电极可以测定不同温度、不同压力下的ω-R_ω、P₁-R_p和Q-R_b关系曲线，获得钻井液密度、钻井液密度变化值、钻井液粘度、裂缝宽度、压差和钻速与气侵和封缝堵气之间的关系，整个过程采用计算机智能数据采集系统，可以获得规定间隔的实验数据，为后期的实验结果分析提供详细的数据，与此同时，可以有效避免人为读取实验数据对实验结果产生的影响，为分析欠平衡气侵、气液置换气侵提供了实验方法和实验仪器。(4)在进行封缝堵气效果评价时，能够实现同时进气和进液，中间容器中的钻井液在驱替压力作用下进入岩心夹持器进而进入岩心实现封缝堵气过程，与此同时气体通过柱塞两端的中心孔进入岩心夹持器进而进入岩心，模拟地层气侵的过程，气侵和封缝堵气在同一时间进行，该过程与实际工况高度契合—在气侵发生的情况下进行封缝堵气工艺，能够更加准确的分析封缝堵气工艺。(5)整个实验装置和实验方法为钻井液中处理剂的加量和颗粒大小的配比优化提供了可靠地实验支撑，为高含气储层钻进时所需的封缝堵气钻井液的配制提供理论指导，与以往静态的、单一的评价相比更加准确、高效和可靠，为气侵过程和封缝堵气效果分析评价提供了实验基础。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为岩心夹持部分的结构示意图；

图3为图2的I部局部放大视图；

图中，1-中间容器，2-岩心夹持器A，3-岩心夹持器B，4-中间容器加压孔，5-压力传感器，6-空腔A，7-筒体，8-柱塞，9-岩心，10-空腔B，11-进气孔，12-电极膜，13-软电极，14-胶套，15-隔热垫，16-加压环空，17-加热丝，18-加压孔，19-加热引线，20-电极引线，21-围压泵A，22-围压泵B，23-温度控制器A，24-温度控制器B，25-氮气瓶A，26-氮气瓶B，27-气体流量计A，28-气体流量计B，29-电机，30-氮气瓶C，31-叶片，32-计算机，33-数据采集模块，34-电桥仪A，35-电桥仪B。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的描述，本实用新型的保护范围不局限于以下所述：

如图1～3所示，一种高温高压动态封缝堵气效果评价实验装置，它包括数据处理部分、岩心夹持器部分、加压部分、加热部分、动力部分、气侵气源部分和中间容器1。

所述岩心夹持部分包括设置于中间容器1左右侧的岩心夹持器A2和岩心夹持器B3，中间容器1的顶部设置有中间容器加压孔4，中间容器加压孔4处连接有压力传感器5，中间容器1的左右侧壁上均开设有空腔A6，岩心夹持器A2与岩心夹持器B3对称设置，岩心夹持器A2包括筒体7、柱塞8和岩心9，筒体7的右端部固设于中间容器1上且与空腔A6连通，筒体7的左端部设置有螺纹孔，螺纹孔内螺纹连接有柱塞8，岩心9设置于筒体7内且抵压于柱塞8与筒体7右端部之间，岩心9与柱塞8之间形成有空腔B10，柱塞8内设置有多个连通空腔B10的进气孔11，岩心9的外部覆盖有电极膜12，电极膜12上镶嵌有软电极13，软电极13贴在岩心9外表面上，电极膜12的外部顺次包裹有胶套14和隔热垫15，胶套14与电极膜12之间形成有加压环空16，隔热垫15与胶套14之间设置有加热丝17；所述筒体7上设置有连通加压环空16的加压孔18，筒体7上还设置有加热引线19和电极引线20，加热引线19与加热丝17连接，电极引线20与软电极13连接；所述软电极13能够测量岩心不同部位的电阻随气侵及封缝堵气过程的变化情况。所述电极膜主要为软电极的附着体，用来测定两电极间的电阻率，利用物理量之间的相关关系判断气液两相之间的关系及气液界面的分布位置，进而用于分析封缝堵气效果和气侵情况。所述隔热垫15用于减小加热丝17与筒体7及外界之间的热传递。

所述加压部分包括围压泵A21和围压泵B22，围压泵A21的出液端与岩心夹持器A2的加压孔18连通，围压泵B22的出液端与岩心夹持器B3的加压孔18连通。

所述加热部分包括温度控制器A23和温度控制器B24，温度控制器A23与岩心夹持器A2的加热引线19连接，温度控制器B24与岩心夹持器B3的加热引线19连接。

所述气侵气源部分包括氮气瓶A25和氮气瓶B26，氮气瓶A25的出口端与岩心夹持器A2的进气孔11之间连接有气体流量计A27，氮气瓶B26的出口端与岩心夹持器B3的进气孔11之间连接有气体流量计B28。

所述动力部分包括电机29和氮气瓶C30，电机29设置于中间容器1的下方，电机29的输出轴伸入于中间容器1内且输出轴上安装有叶片31，氮气瓶C30的出口端与中间容器加压孔4连接。

所述数据处理部分包括计算机32、数据采集模块33、电桥仪A34和电桥仪B35，电桥仪A34与岩心夹持器A2的电极引线20连接，电桥仪B35与岩心夹持器B3的电极引线20连接，计算机32与数据采集模块33连接，电桥仪、压力传感器5、温度控制器、围压泵和电机29经线路连接。

所述进气孔11均匀分布于柱塞8中。所述加热引线19与加热丝17均位于加压孔18下方。所述中间容器1的底部设置有螺栓塞。围压泵上设有压力控制按钮和电源开关。温度控制器上设有温度设置按钮和电源开关。

所述实验装置高温高压动态封缝堵气效果的评价方法，它包括以下步骤：

S1、将不同缝宽b的人造裂缝岩心、天然裂缝岩心分别放在岩心夹持器A2和岩心夹持器B3中，打开温度控制器和围压泵，温度控制器使加热丝17发热，加热丝17对两个岩心加热，而围压泵向加压环空16中泵入液压油，液压油对岩心进行加压，直至温度和压力达到目标地层的温度T和压力P₁；

S2、将钻井液倒入中间容器1中并打开电机29，电机29带动叶片31转动，叶片31对钻井液进行搅拌，模拟钻井过程中钻井液运动的情况，同时打开氮气瓶A25、氮气瓶B26和氮气瓶C30，从氮气瓶A25中产出的氮气经气体流量计A27、进气孔11进入人造裂缝岩心中，而从氮气瓶B26中产出的氮气经气体流量计B28、进气孔11进入天然裂缝岩心中，以模拟天然气从地层流向井底的过程；从氮气瓶C30产出的氮气经压力传感器5、中间容器加压孔4进入中间容器1中，部分钻井液在压力下进入人造裂缝岩心中，而另一部分钻井液在压力下进入天然裂缝岩心中，以模拟液体进入地层的过程，两个模拟过程有机结合能够模拟出钻井中的气侵过程；

S3、在所有参数不变的情况下，通过电机29实现不同转速ω，软电极13实时采集岩心的电阻率，并将电阻率传给数据采集模块33，数据采集模块33再传递给计算机，获取不同ω下的岩心的电阻率R_ω，分析得出钻速对气侵的影响即ω-R_ω曲线，根据ω-R_ω曲线分析得出钻速与封缝堵气效果的影响及该条件下的最优钻速ω_c，同理能够通过获得ω_c＝0时的电阻率，分析得出静态条件下的封缝堵气效果；

S4、在所有参数不变的情况下，通过逐级增大中间容器1的驱替压力P₂实现不同液柱压力下的封缝堵气过程，获取气侵量条件下的P₂-R_p关系曲线，分析得出钻井液密度ρ与封缝堵气效果的关系，同时能够从P₂-R_p关系曲线上获取正向承压值，电阻率R断崖式的减小时所对应的压力值P_c即为正向最大承压值P_max1，通过P_c＝P_h+P_z获取最大密度值ρ_max＝(P_c-P_z)/(gH)，ρ_max即为安全钻进时的最大钻井液密度，其中Pz为钻进时的钻压；

S5、在所有参数不变的情况下，逐级增大两个柱塞8的进气量Q并记录与之对应的压力值P₃，获得Q-R_b关系曲线，从Q-R_b关系曲线上找到电阻率突变点，分析获得最大气侵量Q，确定与之所对应的承压值P_h，拐点处的承压值P_b,即为最大反向承压值P_max2，根据P_b＝P_h+P_z获得封缝堵气的最小钻井液密度ρ_min＝(P_b-P_z)/(gH)，ρ_min即为顺利钻进时的最小安全密度；

S6、在两个岩心夹持器A2中放一个缝宽b＝1.5mm的裂缝岩心，岩心夹持器B3中放一个缝宽b＝0.5mm的裂缝岩心，在该条件下重复步骤S5获取电阻率R的突变点，及拐点，分析得出多裂缝层位的安全密度窗口；

S7、在近平衡条件下，通过减小驱替压力模拟气侵后钻井液密度变化引起的井筒液柱压力变化过程，分析研究气侵引起的密度变化对气侵及封缝堵气堵气效果的影响，其中Δρ＝ΔP/gh，△P为驱替压力的减小值，g为重力加速度，h为钻井液液柱高度；

S8、将不同粘度的钻井液加入中间容器，通过电阻率R的变化规律分析得出钻井液粘度μ对气侵大小和封缝堵气效果的影响；

S9、通过以上相关参数：最大正向承压值P_c、最大反向承压值P_b、钻井液密度窗口、最优钻速ω_c和粘度μ的获取分析，配制优化出性能良好的封缝堵气钻井液。整个实验装置和实验方法为钻井液中处理剂的加量和颗粒大小的配比优化提供了可靠地实验支撑，为高含气储层钻进时所需的封缝堵气钻井液的配制提供理论指导，与以往静态的、单一的评价相比更加准确、高效和可靠，为气侵过程和封缝堵气效果分析评价提供了实验基础。

Claims (6)

1.一种高温高压动态封缝堵气效果评价实验装置，其特征在于：它包括数据处理部分、岩心夹持器部分、加压部分、加热部分、动力部分、气侵气源部分和中间容器（1）；

所述岩心夹持部分包括设置于中间容器（1）左右侧的岩心夹持器A（2）和岩心夹持器B（3），中间容器（1）的顶部设置有中间容器加压孔（4），中间容器加压孔（4）处连接有压力传感器（5），中间容器（1）的左右侧壁上均开设有空腔A（6），岩心夹持器A（2）与岩心夹持器B（3）对称设置，岩心夹持器A（2）包括筒体（7）、柱塞（8）和岩心（9），筒体（7）的右端部固设于中间容器（1）上且与空腔A（6）连通，筒体（7）的左端部设置有螺纹孔，螺纹孔内螺纹连接有柱塞（8），岩心（9）设置于筒体（7）内且抵压于柱塞（8）与筒体（7）右端部之间，岩心（9）与柱塞（8）之间形成有空腔B（10），柱塞（8）内设置有多个连通空腔B（10）的进气孔（11），岩心（9）的外部覆盖有电极膜（12），电极膜（12）上镶嵌有软电极（13），软电极（13）贴在岩心（9）外表面上，电极膜（12）的外部顺次包裹有胶套（14）和隔热垫（15），胶套（14）与电极膜（12）之间形成有加压环空（16），隔热垫（15）与胶套（14）之间设置有加热丝（17）；所述筒体（7）上设置有连通加压环空（16）的加压孔（18），筒体（7）上还设置有加热引线（19）和电极引线（20），加热引线（19）与加热丝（17）连接，电极引线（20）与软电极（13）连接；

所述加压部分包括围压泵A（21）和围压泵B（22），围压泵A（21）的出液端与岩心夹持器A（2）的加压孔（18）连通，围压泵B（22）的出液端与岩心夹持器B（3）的加压孔（18）连通；

所述加热部分包括温度控制器A（23）和温度控制器B（24），温度控制器A（23）与岩心夹持器A（2）的加热引线（19）连接，温度控制器B（24）与岩心夹持器B（3）的加热引线（19）连接；

所述气侵气源部分包括氮气瓶A（25）和氮气瓶B（26），氮气瓶A（25）的出口端与岩心夹持器A（2）的进气孔（11）之间连接有气体流量计A（27），氮气瓶B（26）的出口端与岩心夹持器B（3）的进气孔（11）之间连接有气体流量计B（28）；

所述动力部分包括电机（29）和氮气瓶C（30），电机（29）设置于中间容器（1）的下方，电机（29）的输出轴伸入于中间容器（1）内且输出轴上安装有叶片（31），氮气瓶C（30）的出口端与中间容器加压孔（4）连接；

所述数据处理部分包括计算机（32）、数据采集模块（33）、电桥仪A（34）和电桥仪B（35），电桥仪A（34）与岩心夹持器A（2）的电极引线（20）连接，电桥仪B（35）与岩心夹持器B（3）的电极引线（20）连接，计算机（32）与数据采集模块（33）连接，电桥仪、压力传感器（5）、温度控制器、围压泵和电机（29）经线路连接。

2.根据权利要求1所述的一种高温高压动态封缝堵气效果评价实验装置，其特征在于：所述进气孔（11）均匀分布于柱塞（8）中。

3.根据权利要求1所述的一种高温高压动态封缝堵气效果评价实验装置，其特征在于：所述加热引线（19）与加热丝（17）均位于加压孔（18）下方。

4.根据权利要求1所述的一种高温高压动态封缝堵气效果评价实验装置，其特征在于：所述中间容器（1）的底部设置有螺栓塞。

5.根据权利要求1所述的一种高温高压动态封缝堵气效果评价实验装置，其特征在于：围压泵上设有压力控制按钮和电源开关。

6.根据权利要求1所述的一种高温高压动态封缝堵气效果评价实验装置，其特征在于：温度控制器上设有温度设置按钮和电源开关。