CN208907919U - 应用于三维物理模拟的分布式光纤声波测试装置 - Google Patents

Abstract

应用于三维物理模拟的分布式光纤声波测试装置，其特征在于，该测试装置包括：单向开口的实验腔体、在所述开口上设置有上顶盖，所述上顶盖和实验腔体之间通过螺栓固定密封连接，在所述上顶盖上贯通设置有供模拟井筒和光纤穿过的孔。本实用新型所述的实验装置通过上述方法解决目前分布式光纤声波测试技术在油气藏开发三维物理模拟实验中运用存在的问题，由此将光纤声波测试技术运用到油气井动态检测中，从而获得井下不同复杂情况下的声波频率，为后续数据处理，油藏渗流特征分析及储层改造效果评价做准备，进一步指导我国油气田开发，提高原有采收率。

Description

应用于三维物理模拟的分布式光纤声波测试装置

技术领域

本实用新型公开一种应用于三维物理模拟的分布式光纤声波测试装置，属于石油工业油气田开发的技术领域。

背景技术

随着油气田勘探开发的不断进行，油气藏开采难度逐渐增大，为了进一步增大难动用油藏的开采程度，井筒与油气藏动态监测越来越重要。通过油气井的监测，分析油气藏地下情况，从而针对性采取措施，解决油气藏存在的问题，提高原油采收率。

其中，监测中所采用的分布式光纤传感技术具有测量精度高、不受电磁干扰、非接触式测量、安装简便、易于井下永久性监测等优点，因此在油气田开发过程中得到越来越多的运用。目前阶段运用较为成熟的技术有分布式光纤测温技术、分布式光纤声波测试技术等，分布式光纤测温技术已经相当成熟，且已经得到大量运用，但是光纤测温技术仅对温度敏感且存在滞后效应，对判断井下油气藏动态方面具有明显的局限性，相比分布式光纤测温技术而言，分布式光纤声波测试技术具有测量距离长、响应时间快、实时性强、可靠性高、本质安全以及寿命长等优点。因此分布式光纤声波测试技术被认为最具潜力的井下检测技术，逐渐运用到油气井的检测中。分布式光纤声波测试技术是通过井下不同情况声波监测，根据井下复杂情况声波频率的不同，从而分析不同孔隙结构，不同流动特征及其不同裂缝形态。

在现有技术中，所述分布式光纤声波测试技术已经被运用到现场之中。然而，在现场中监测到的参数仍然不能准确的与实际地层参数进行对应，对后续的研究造成技术障碍。

为此，申请人的技术团队将研究方向聚焦在模拟实验阶段，即分布式光纤声波测试技术在运用到现场之前，进行大量物理模拟实验，通过三维物理模拟实验，模拟现场实际情况，从而寻求声波频率与不同井下情况的对应关系，构建声波数据库，从而为后续矿场运用做准备。

目前尚没有分布式光纤声波测试技术运用到油气藏监测中的三维物理模拟实验装置和实验方法。为了进一步推进光纤声波测试技术在油田矿场中的运用，加速智能化油田的脚步，解决光纤声波测试技术物理模拟的问题，构建声波频率及井下复杂情况数据库，需要设计出一种三维物理模拟实验装置进行光纤声波监测及油藏开发动态实验，此外需要设计实验方法指导实验开展并获取不同情况下的声波频率。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术的不足，提出应用于三维物理模拟的分布式光纤声波测试装置。

其中，本实用新型针对目前分布式光纤声波测试技术在油气藏开发三维物理模拟实验中运用存在的问题包括：

(1)分布式光纤声波测试技术在油气井监测中理论研究较少，不同井下情况对应的声波频率范围需要进一步实验验证；

(2)没有成型的三维物理模型设计方法和三维模型进行室内实验，无法通过实验获取不同地层声波频率，无法构建声波数据库；

(3)没有合理的实验设计方法模拟不同地层情况，缺少光纤声波测试物理模拟实验方案理论指导。

本实用新型详细的技术方案如下：

应用于三维物理模拟的分布式光纤声波测试装置，其特征在于，该测试装置包括：

单向开口的实验腔体、在所述开口上设置有上顶盖，所述上顶盖和实验腔体之间通过螺栓固定密封连接，在所述上顶盖上贯通设置有供模拟井筒和光纤穿过的孔。

所述实验腔体的形状、实验腔体的尺寸均可基于相似准则进行三维物理模型进行设计。物理模拟实验的目的是通过缩小后的物理模型尽可能再现实际油气藏，结合实际油气藏状况，通过室内模拟实验，分析油气藏开发动态特征，从而依据物理实验结论，制定实际油藏开发方案，进一步指导油气田开发。物理实验的正确性依靠相似理论，因此在进行物理模型设计以前，需进行相似准则数计算，通过相似计算寻求物理模型与实际地层的相似性，反映实际地层形态。物理模型的实际大小同样需要考虑室内实验条件，合理控制相似比。

确定出物理模型尺寸之后，进行物理模型腔体设计：三维物理模型采用正方体型腔体，腔体采用不锈钢材质，正方体壁厚在3cm以上，确保正方体腔体具有一定的强度，实验过程中不发生变形。优选的，所述正方体腔体上部设计有 12个螺纹孔，腔体每个边上均匀布置4孔，正方体腔体示意图如图1所示；

正方体实验腔体之上设计有上顶盖，上顶盖同样为不锈钢材质，厚度在3cm 以上。所述模拟井筒的井眼个数为9个，可以根据物理实验需要，选择开发井网形式，选择开关井的个数，从而模拟不同井网形式下的油气藏开发，获取不同开发方式下的声波信号。

根据本实用新型优选的，在所述上顶盖设置有梯形凸起，且梯形凸起四周设计有胶圈。从而保证三维物理模型上顶盖与实验腔体的密封性。上顶盖的示意图如图2所示，其底面示意图如图3所示，其侧面示意图如图4所示，上顶盖与实验腔体组合装配示意图如图5所示。

根据本实用新型优选的，所述实验腔体为正方体形。本实用新型确定选用正方体腔体的设计是由于结合实际地层形态设计而来：通过正方体腔体可以模拟不同地层、不同地层倾斜度等常规地层条件。此外，通过正方体腔体便于模拟不同井网结构下开发特征，例如五点法井网、九点法井网、一注一采、一注多采的情况。还有就是正方体腔体便于基质岩块等其他填充材料的填充，便于后续实验开展。

根据本实用新型优选的，所述实验腔体的内侧边长的范围为40-100cm。

本实用新型的优势在于：

本实用新型所述的实验装置通过上述方法解决目前分布式光纤声波测试技术在油气藏开发三维物理模拟实验中运用存在的问题，由此将光纤声波测试技术运用到油气井动态检测中，从而获得井下不同复杂情况下的声波频率，为后续数据处理，油藏渗流特征分析及储层改造效果评价做准备，进一步指导我国油气田开发，提高原有采收率。

附图说明

图1是本实用新型所述测试装置的结构示意图；

图2上顶盖的俯视图；

图3上顶盖的仰视图；

图4上顶盖的侧面示意图；

图5实验腔体的组合装配示意图；

图6多层非均匀铺砂示意图；

图7均匀裂缝分布双重介质系统示意图；

图8非均匀裂缝分布双重介质系统示意图；

图9本实用新型压裂模拟示意图；

图10人工复杂裂缝模拟示意图；

图11本实用新型实验装置连接示意图；

图12是本实用新型实施例5对应的实验步骤流程图；

在上述附图中，1、实验腔体；2、实验腔体的开口；3、螺纹孔；4、上顶盖； 5、螺栓；6、供模拟井筒穿过的孔；7、供分布式光纤穿过的孔；8、胶圈；9、分布式光纤；10、注入井；11、产出井；12、模拟油藏；13、模拟油藏中的基质岩块；14、模拟油藏中的填砂；15、复杂裂缝；16、声波信号处理设备；17、计量装置；18、中间容器；19、六通阀；20、平流泵；21、水箱。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本实用新型做详细的说明，但不限于此。

实施例、

应用于三维物理模拟的分布式光纤声波测试装置，包括：

单向开口的实验腔体1、在所述开口上设置有上顶盖4，所述上顶盖4和实验腔体1之间通过螺栓5固定密封连接，在所述上顶盖4上贯通设置有供模拟井筒和光纤穿过的孔6、7。

在所述上顶盖4设置有梯形凸起，且梯形凸起四周设计有胶圈8。如图2所示，其底面示意图如图3所示，其侧面示意图如图4所示，上顶盖与实验腔体组合装配示意图如图5所示。所述实验腔体1为正方体形。所述实验腔体的内侧边长的范围为40-100cm。

在现场实验时，所述分布式光纤声波测试三维物理模拟实验步骤如下，此处所述的三维物理模型即为本实用新型实施例所述的测试装置。

(1)根据地层条件，进行相似准则数计算，确定适当的相似比，确定三维物理模型几何尺寸及地层层数及厚度；本实施例所述实验腔体1的内侧边长的范围为50cm；

(2)根据优选的三维物理模型尺寸，进行三维物理模型加工制作；

(3)运用制作的三维物理模型进行物理模拟实验，首先对模型进行铺砂或基质岩块充填，铺砂或充填过程中，布置注入井、生产井及光纤，将光纤固定在注入井与生产井周围；

(4)将上顶盖4与实验腔体1部分进行组装，进行气密性测试；

(5)确保模型气密性以后，进行光纤声波测试设备及驱替设备的连接，连接装置示意图如图11所示；

(6)将三维物理模型推进恒温箱中，设置一定的地层温度，进行一定时间的老化；

(7)如进行单相流实验，只需在老化结束后，开始驱替实验即可，声波测试设备实时监测声波信号。并进行数据记录，一组实验完成后，调整实验方案，重复(3)-(6)步骤进行下一组实验；

(8)如进行两相流实验，需要进行分层原油饱和，饱和完原油之后，老化一定时间，之后开始进行水驱或者气驱实验，声波测试设备实时监测声波信号，驱替设备计量产油、产水，一组实验完成后，调整实验方案，重复(3)—(6) 步骤进行下一组实验；

(9)实验结束后，整理数据，进行下一步数据分析与处理。

应用时，本实施例运用本实用新型提供的三维物理模型实验装置及实验方法进行实验，依据相似准则确定物理模型腔体尺寸50cm×50cm×50cm，采用一注一采开发方式进行分布式光纤声波测试物理模拟实验。

首先进行均质铺砂情况下不同射孔位置实验，实验获取声波信号，进行小波变换数据处理之后得到对应的声波频率，之后与文献1中声波测试结果对比分析，将对比结果绘于表1中。

表1不同射孔位置光纤声波测试对比表

由以上测试分析可知，运用本实用新型所述测试装置及实验方法获取的声波信号经处理后所对应的基质声波频率和文献1中声波频率范围一致，由此证明本实用新型实验装置与实验方法的可行性，此外由实验上中下部位射孔，可知声波频率由增大趋势，这是由于随压实作用的增大，下部铺砂较为致密，造成对应声波频率较高，这也和文献1中结论一致。文献1为：[Salim Ghalem,D.Elyes Draoui, Ayman Mohamed,et al.Innovative Noiseand High-Precision Temperature Logging Tool for Diagnosing Complex WellProblems[C].Abu Dhabi International Petroleum Conference&Exhibition.Societyof Petroleum Engineers,2012,SPE 161712。

利用实施例所述实验装置进行分布式光纤声波测试的方法，具体包括：

采用一注一采直井开发方式，注入井和生产井分别布置有分布式光纤，从而分析注入剖面和生产剖面声波频率，以边长50cm的正方体腔体为例模拟油藏，通过铺置不同目数的石英砂或者裂缝性岩块模拟不同地层类型，通过铺置不渗透的陶泥或玻璃板模拟隔夹层；

通过进行不同渗流方式、不同孔隙结构、不同裂缝形态下的单相流与多相流物理模拟实验，获取不同情况下的声波信号，进一步对声波信号进行处理，得出不同情况下的声波频率范围，构建声波数据库。

利用实施例1所述的分布式光纤声波测试方法还包括单相流实验方法：

1-1)单层均匀铺砂

首先进行单层均匀铺砂实验，在实验腔体中铺置同一目数的石英砂，模拟地层情况，采用一注一采开发方式，注入井和产出井设置不同的射孔方式，分别为底部射孔、中部射孔、上部射孔和多层组合射孔方式，在不同射孔方式下，进行声波测试实验，获取不同射孔方式下的声波信号；还可进一步进行声波信号分析；

1-2)多层非均质铺砂

通过铺置不同目数的石英砂模拟不同渗透率的地层，体现油藏纵向非均质性，进行不同射孔方式下的注采实验，井筒上布置光纤，获取相应的声波信号，研究地层纵向非均质性对声波信号的影响，获取相对应的声波频率。

在步骤1-2)中，为了进一步模拟不同渗透率地层对声波信号的影响，各层之间通过陶泥充填模拟隔夹层，此时通过单层注采实验，模拟不同渗透率地层开发情况，获取不同渗透率地层声波信号；还可进一步进行声波频率分析。此外，不同渗透率地层在进行注采实验的过程中，进一步设置不同流量，研究不同流量对应的声波信号，从而研究流量对声波频率的影响。多层非均匀铺砂示意图如图 6所示。

步骤1-3)不同孔隙结构储层声波测试；实际油藏不仅仅是单一孔隙介质油藏，还会有双重介质油藏，流体在不同孔隙介质中流动时，对应的声波频率不同，为了获取不同孔隙介质流体流动对应的声波频率，需要进行物理模拟实验，本实用新型针对不同的孔隙结构类型，进行如下的设计；

模拟双重介质油藏：所述双重介质油藏由基质与裂缝双重孔隙结构系统组成，运用正方体岩块模拟基质岩块，将尺寸、材质相同的正方体岩块拼接起来，所述岩块与岩块之间的孔隙用于模拟裂缝系统，以此构成均匀裂缝分布双重介质孔隙结构，之后进行物理模拟实验。在注入井与产出井部位基质岩块中部进行钻孔处理，此设计的目的在于，保证注入井与生产井穿过基质岩块，从而在预定部位射孔生产。均匀裂缝分布双重介质系统示意图如图7所示。

考虑双重介质储层孔隙结构复杂性，实际地层裂缝分布情况不会均匀一致，因此选用适当数量的大基质岩块模拟低裂缝发育密度情况，以此进行物理模拟实验，获取声波测试信号。不均匀裂缝分布双重介质系统示意图如图8所示。

应用时，本实施例同样运用上述50cm×50cm×50cm的物理模型进行分布式光纤声波测试实验，模拟双重介质储层开发情况，将实验声波频率与文献1中声波频率分布对比结果绘于表2中。

表2双重介质光纤声波测试对比表

由上述实验结果，说明通过本实用新型实验装置和实验方法进行物理模拟实验可以检测到基质与裂缝中的流动频率段，可以分析出双重介质储层基质与裂缝均参与渗流，由此进一步证明本实用新型的可行性。

所述的分布式光纤声波测试方法还包括两相流实验方法：

首先对三维物理模型饱和原油，之后进行一注一采水驱实验，通过分布式光纤声波测试，获取均匀铺砂、多层非均质铺砂、双重介质孔隙结构下的声波信号，进一步分析油水两相渗流过程中不同情况下的声波频率。

所述两相流实验方法中，利用水驱的开发方式进行上述两相流实验。

所述分布式光纤声波测试方法还包括进一步模拟气油两相实验：

在饱和完原油以后，进行CO2驱替，通过分布式光纤监测气驱过程中的声波信号，获取气油两相参与渗流时对应的声波频率，用于补充声波频率数据库。

所述分布式光纤声波测试方法还包括水力压裂后渗流实验：

通过压裂之后，井筒周围存在复杂裂缝网络，因此通过井筒附近岩块钻孔与堆积模拟人工压裂裂缝，模型中部区域填充石英砂模拟地下情况，压裂模拟示意图如图9所示。

在水力压裂后渗流实验中，将大基质岩块进行外力压碎，模拟井筒附近复杂裂缝网络，进一步模拟不同裂缝形态。此种情况示意图如图10所示。

应用时，本实施例运用上述模型进行两相流实验，分别进行水驱和气驱实验，将实验声波频率与文献1中数据绘于表3中。

表3双重介质光纤声波测试对比表

由上述实验结果分析可得，本实用新型实验结果与文献结果具有很好的一致性，进一步证明了本实用新型的适用性，此外由实验结果可知油水两相流的情况对应的声波频率与单相流的情况一致，说明声波频率不受两相流的影响，只于相态有关，液相流体对应的声波频率即为8-15kHz之间，该实验分析结果与文献结果一致；然而，气体的穿透能力较强，所以气体在基质孔隙渗流过程中，声波频率段涵盖的范围更广，声波频率在5-20kHz范围均有分布，该实验结果也与文献结果一致，由此进一步说明本实用新型的适用性。

对于低渗透油藏，为了进一步提高原油采收率，需要通过水力压裂的方法在井筒周围造出人工裂缝，以此改善井筒附近渗流能力。光纤传感技术在水力压裂监测方面的运用也越来越多，而不同的裂缝形态对应不同的声波信号的强度，也就对应着不同的声波频率段，因此有必要通过物理模拟实验的方法确定出声波频率与裂缝形态的关系，为后续裂缝形态分析做准备。

Claims (4)

1.应用于三维物理模拟的分布式光纤声波测试装置，其特征在于，该测试装置包括：单向开口的实验腔体、在所述开口上设置有上顶盖，所述上顶盖和实验腔体之间通过螺栓固定密封连接，在所述上顶盖上贯通设置有供模拟井筒和光纤穿过的孔。

2.根据权利要求1所述的应用于三维物理模拟的分布式光纤声波测试装置，其特征在于，在所述上顶盖设置有梯形凸起，且梯形凸起四周设计有胶圈。

3.根据权利要求1所述的应用于三维物理模拟的分布式光纤声波测试装置，其特征在于，所述实验腔体为正方体形。

4.根据权利要求3所述的应用于三维物理模拟的分布式光纤声波测试装置，其特征在于，所述实验腔体的内侧边长的范围为40-100cm。