JP7509391B2 - ウェルボアと地層との物質交換をシミュレートする実験装置 - Google Patents

Description

本願は油・ガス採掘の技術分野に関するがそれに限らず、特にウェルボアと地層との物質交換をシミュレートする実験装置に関するがそれに限らない。

油・ガス資源の掘削過程において、ウェルボア内の作動液による液体カラム圧力Ｐｈと地層孔隙における流体圧力Ｐｐとの差ΔＰは圧力差として定義され、圧力差の制御は掘削安全及び貯留層保護に係る重要なものである。圧力差の作用により、ウェルボア内の作動液と地層孔隙における流体は相対流動が発生する。ΔＰ＝０の場合、バランス掘削方式であり、ウェルボア内の作動液は地層に入らず、地層における流体もウェルボアに入らない。ΔＰ＞０の場合、オーバーバランス掘削方式であり、ウェルボア内の作動液は地層に入り、坑井近傍エリアの貯留層は作動液により汚染され、生産性が予期に達せず、深刻な場合にウェルボアの作動液が大量に喪失して、巨大な経済損失を招く。ΔＰ＜０の場合、アンダーバランス掘削方式であり、地層流体はウェルボアに入り、坑井への浸入を招き、制御しないと、キックひいては噴出等の重大な事故を引き起こす。低浸透、低圧、低存在量の（ｌｏｗ－ａｂｕｎｄａｎｃｅ）油・ガス層の掘削過程において、アンダーバランス掘削方式を意図的に用いて、地層流体のウェルボアへの進入を許容して、油・ガス層の早める発見及び貯留層の保護の目的を達成する。そして、異なる物性パラメータの地層は圧力差の作用により、流体交換の形式が異なり、交換量と交換速度の決定には研究が必要であり、掘削安全及び貯留層保護の両立を考慮して掘削液の圧力差を合理的に決定する必要がある。

以下は、本明細書に記載されるテーマに対する概要である。本概要は特許請求の範囲の保護範囲を限定するものではない。

ウェルボアと地層との物質交換をシミュレートする実験装置であって、前記実験装置は、ウェルボア模擬システム、ウェルボア液注入システム、地層模擬システム、地層流体注入システム、及びデータ採集システムを備え、
前記ウェルボア模擬システムは、ウェルボアをシミュレートするための垂直に設置される筒体を含み、
前記地層模擬システムは、地層をシミュレートするための水平に設置される密閉体、及び前記密閉体内に充填されるモルタル充填物を含み、
前記ウェルボア液注入システムは前記筒体の上端に接続され、前記筒体内にウェルボア液を注入するように設定され、前記地層流体注入システムは前記密閉体の一端に接続され、前記密閉体内に地層流体を注入するように設定され、前記密閉体の他端は前記筒体の底端に連通し、前記データ採集システムは前記ウェルボア模擬システム及び前記地層模擬システムに電気的に接続され、模擬データを採集し、
前記ウェルボア液注入システムは、液槽、第１ブースターポンプ及び第１バルブを含み、前記液槽、前記第１ブースターポンプ、前記第１バルブは前記筒体の上端に順次に接続され、
前記地層流体注入システムは、流体ソース、第２ブースターポンプ及び第２バルブを含み、前記流体ソース、前記第２ブースターポンプ、前記第２バルブは前記密閉体の一端に順次に接続され、前記流体ソースは油ソース、ガスソース及び水ソースを含み、前記油ソース、前記ガスソース及び前記水ソースはいずれも混合弁の入り口に接続され、前記混合弁の出口は前記第２ブースターポンプに接続される。

図面及び詳細の説明を読んで理解した後、他の方面を理解できる。

図面は本願の技術案の更なる理解を提供するためのものであり、明細書の一部となり、本願の実施例とともに本願の技術案を解釈することに用いられ、本願の技術案を制限するためのものではない。

図１は本願の１つの実施例におけるウェルボアと地層との物質交換をシミュレートする実験装置の接続構造模式図である。

図面において、１、データ採集システム；２、筒体；３、密閉体；４、液槽；５、第１ブースターポンプ；６、第１バルブ；７、第２ブースターポンプ；８、第２バルブ；９、第３バルブ；１０、第１圧力測定ユニット；１１、第２圧力測定ユニット；１２、第３圧力測定ユニット；１３、排出弁；１４、油ソース；１５、ガスソース；１６、水ソース；１７、混合弁；１８、第４バルブ。

以下では図面を参照しながら本願の実施例を説明する。なお、衝突しない限り、本願における実施例及び実施例における特徴は互いに任意に組合わせることができる。

本願の１つの実施例においてウェルボアと地層との物質交換をシミュレートする実験装置を開示し、図１に示すように、該実験装置は、ウェルボア模擬システム、ウェルボア液注入システム、地層模擬システム、地層流体注入システム、及びデータ採集システム１を備える。

ウェルボア模擬システムは、ウェルボアをシミュレートするための垂直に設置される筒体２を含む。

地層模擬システムは、地層をシミュレートするための水平に設置される密閉体３、及び密閉体３内に充填されるモルタル充填物を含む。モルタル充填物は異なる比例のセメントと砂が混合した後に適量の清水とを攪拌して硬化して形成されたものである。異なる浸透率と孔隙度の地層の模擬需要に応じて、セメントと砂の比例を変更して、実際の地層の物性パラメータに調整して達成する。例えば、高浸透率の地層をシミュレートする必要がある場合、砂の占め比例を高める。

ウェルボア液注入システムは筒体２の上端に接続され、筒体２内にウェルボア液を注入するように設定される。地層流体注入システムは密閉体３の一端に接続され、密閉体３内に地層流体を注入して、地層遠端をシミュレートするように設定される。密閉体３の他端は筒体２の底端に連通する。データ採集システム１はウェルボア模擬システム及び地層模擬システムに電気的に接続され（即ちウェルボア模擬システム及び地層模擬システムはいずれもデータ採集システム１に電気的に接続される）、模擬データを採集する。

本実施例の実験装置では、ウェルボアをシミュレートするための垂直筒体及び地層をシミュレートするための水平密閉体を設置することにより、異なる圧力差でのウェルボアと地層との間の流体の流動規律の模擬を行うことができ、そして密閉体内のモルタル充填物を変更することにより、異なる物性の地層の圧力差作用下での流体交換形式の模擬を行うこともできる。

理解されるように、筒体２は垂直に設置されて、垂直ウェルボアをシミュレートしてもよく、又は、筒体２は水平に設置され又は傾斜して設置されて、水平ウェルボア又は傾斜ウェルボアをシミュレートしてもよい。

１つの実施例において、図１に示すように、ウェルボア液注入システムは、液槽４、第１ブースターポンプ５及び第１バルブ６を含む。

液槽４、第１ブースターポンプ５、第１バルブ６は筒体２の上端に順次に接続され、筒体２内の圧力は第１ブースターポンプ５により調節されて、真実のウェルボア内の圧力をシミュレートしてもよい。液槽４にはウェルボア液が詰められ、第１ブースターポンプ５は実験需要に応じて所定量のウェルボア液を筒体２内に注入して、筒体２内のウェルボア液に所定の液体カラム圧力を生成させ、ウェルボア内の作動液の模擬に用いられる。

１つの実施例において、図１に示すように、地層流体注入システムは、流体ソース、第２ブースターポンプ７及び第２バルブ８を含む。

流体ソース、第２ブースターポンプ７、第２バルブ８は密閉体３の一端に順次に接続され、密閉体３内の圧力は第２ブースターポンプ７により調節されて、真実の地層の圧力をシミュレートする。流体ソースは油ソース１４、ガスソース１５及び水ソース１６を含み、三方は混合して地層流体を形成し、それから混合弁１７を介して第２ブースターポンプ７に接続され、油ソース１４、ガスソース１５及び水ソース１６の出口にはいずれも個別に第４バルブ１８が設置され、油、ガス、水の三方の混合比例を制御して、異なる性質の流体をシミュレートすることに用いられる。

混合弁１７は４つの弁口を有し、３つの入り口と１つの出口を含む。油ソース１４、ガスソース１５及び水ソース１６は混合弁１７を介して第２ブースターポンプ７に接続され、即ち、油ソース１４、ガスソース１５及び水ソース１６の出口はそれぞれ混合弁１７の３つの入り口に接続され、混合弁１７の出口は第２ブースターポンプ７の入り口に接続される。

第４バルブ１８は流量弁であってもよく、油ソース１４、ガスソース１５及び水ソース１６から流出する油、ガス、水の量を制御して、更に油、ガス、水の三方の混合比例を制御する。理解されるように、油ソース１４、ガスソース１５及び水ソース１６の三方の出口にいずれも第４バルブ１８を設置してもよく、又は、油ソース１４、ガスソース１５及び水ソース１６のうちの両方のみの出口に第４バルブ１８を設置してもよい。

１つの実施例において、第１ブースターポンプ５と第２ブースターポンプ７は定圧ポンプであり（定圧ポンプは実験状態で一定圧力で加圧できるが、実際の掘削において地層とウェルボアの両方での圧力が理想的な一定値ではないため、２つのブースターポンプは比較的大きな調整可能な圧力範囲区間を有するように設定されてもよい）、第１ブースターポンプ５と第２ブースターポンプ７が一定圧力でウェルボア液と地層流体を注入するように確保し、筒体２の底端と密閉体３の地層流体注入端との圧力差を１つの一定値に維持する。

１つの実施例において、筒体２内のウェルボア液の第１ブースターポンプ５への逆流、及び密閉体３内の地層流体の第２ブースターポンプ７への逆流を防止するために、第１バルブ６と第２バルブ８は逆止弁として設置される。

１つの実施例において、図１に示すように、筒体２と密閉体３との間には第３バルブ９が設置され、第３バルブ９は筒体２と密閉体３との間の接続経路に設置され、筒体２と密閉体３との連通・遮断の制御に用いられる。

１つの実施例において、図１に示すように、筒体２の上端には第１圧力測定ユニット１０が設置され、筒体２の底端には第２圧力測定ユニット１１が設置され、それぞれ筒体２の上端と底端の圧力を監視する。密閉体３には若干の第３圧力測定ユニット１２が均等に設置され、密閉体３の異なる位置での圧力を監視することに用いられる。例えば、需要に応じて密閉体３に若干の圧力測定ユニットの取付口を開設し、密閉体３内の地層流体は該取付口に流れて、該取付口での流体圧力を第３圧力測定ユニット１２に伝達してもよい。ウェルボア模擬システムは上記の第１圧力測定ユニット１０及び第２圧力測定ユニット１１を含み、地層模擬システムは上記の第３圧力測定ユニット１２を含む。圧力測定ユニット（第１圧力測定ユニット１０、第２圧力測定ユニット１１及び第３圧力測定ユニット１２を含む）は、いずれもデータ採集システム１に電気的に接続される。データ採集システム１はリアルタイムに監視した圧力に基づいて、筒体２と密閉体３との間の流体の流動状態を分析し得て、更にウェルボアと地層との間の流体の流動状態を分析し得る。

１つの実施例において、圧力測定ユニットは圧力センサー又は圧力計である。即ち、第１圧力測定ユニット１０、第２圧力測定ユニット１１及び／又は第３圧力測定ユニット１２は圧力センサー又は圧力計である。

１つの実施例において、筒体２の底端には排液管が設置され、排液管には排出弁１３が設置され、筒体２内の液体カラム高さを制御して、更に筒体２の底端の圧力を調整することに用いられる。

１つの実施例において、筒体２は透明な筒体である。例えば、筒体２は若干節の透明なガラス管を含み、透明なガラス管を介して筒体２内の気相・液相二相流体の流動状態を直接に観察でき、視覚化効果は良好である。隣接する２節の透明なガラス管は複数セットのボルト群を介して接続されて固定され、シールリングが設置され、密閉性を高める。そして、該透明なガラス管は一定の圧力耐性を有し、模擬実験におけるウェルボア液による圧力を受けることができる。

筒体２の断面は円形、楕円形、正方形、矩形又は菱形であってもよい。勿論、筒体２の断面は上記形状に限らず、具体的な形状は需要に応じて調整されてもよい。

筒体２内のウェルボア液の高さの観測、及び模擬測定時のウェルボア液の高さの変化値の計算のために、筒体２には目盛りがつけられている。又は、筒体２に液面センサーを設置して、ウェルボア液の液面高さを検出して、更にウェルボア液の高さの変化値を得るようにしてもよい。

本願実施例におけるウェルボアと地層との物質交換をシミュレートする実験装置の使用手順は下記の通りである。

ステップ１、密閉体３内のモルタル充填物を製作する。模擬地層の物性パラメータに基づいて、セメントと砂を特定の比例で混合して、清水を加入して均一に攪拌し、混合物に製作し、混合物を密閉体３内に注いで詰め固め、混合物が凝固した後、密閉体３を他の部品に接続し、実験装置を形成した。

ステップ２、すべてのバルブを閉めて、シミュレートする地層内の流体の性質に基づいて、油ソース１４、ガスソース１５及び水ソース１６の出口での第４バルブ１８を調整する（即ち第４バルブ１８の開度を調整する）。

ステップ３、第１バルブ６、第２バルブ８及び混合弁１７を開け（又は、第１バルブ６、第２バルブ８を開け、混合弁１７はずっと連通状態にある）、第１ブースターポンプ５と第２ブースターポンプ７を起動し、ウェルボア液を筒体２内に注入し、地層流体を密閉体３内に注入する。第２圧力測定ユニット１１の監視した圧力が第１所定圧力に達する場合に第１ブースターポンプ５と第１バルブ６を閉め、第３圧力測定ユニット１２の監視した圧力がいずれも第２所定圧力に達する場合に第２ブースターポンプ７と第２バルブ８を閉める。第１所定圧力はシミュレートするウェルボア内の作動液による液体カラム圧力であり、第２所定圧力はシミュレートする地層孔隙における流体圧力であり、第１所定圧力と第２所定圧力との差値はΔＰである。

ステップ４、第１バルブ６、第２バルブ８及び第３バルブ９を開け、第１ブースターポンプ５と第２ブースターポンプ７を起動し、筒体２と密閉体３内の流体は圧力差ΔＰの作用下で物質交換が発生する。ΔＰ＞０の場合、筒体２内のウェルボア液は密閉体３内に入り、地層流体と混合し、ΔＰ＜０の場合、密閉体３内の地層流体は筒体２内に入り、ウェルボア液と混合する。

ステップ５、圧力測定ユニット（第１圧力測定ユニット１０、第２圧力測定ユニット１１及び第３圧力測定ユニット１２を含む）の値を観察し、筒体２内の気相・液相二相流体の体積変化を観察して記録し、第２圧力測定ユニット１１は第３圧力測定ユニット１２の監視した全部の圧力値と一致すると、第１ブースターポンプ５と第２ブースターポンプ７を閉めて、データ採集を停止する。

ステップ６、データ採集システム１は監視した圧力データに基づいて分析を行う。

ΔＰ＞０の場合、ウェルボア液の密閉体３への浸入量を算出できる。

ΔＰ＜０の場合、地層流体の筒体２への浸入量を算出でき、筒体２内に浸入した流体の性質も分析し得ることができる。筒体２内の気相流体の体積変化及び第１圧力測定ユニット１０の監視した圧力変化に基づいて、浸入した流体にガスが含まれるかどうかを判断でき、そしてガスの量を算出できる。筒体２内の液相流体の体積変化及び第２圧力測定ユニット１１の監視した圧力変化に基づいて、浸入した流体に油が含まれるかどうかを判断でき、そして油の量を算出できる。

なお、本願の説明では、「上端」、「底端」、「一端」、「他端」、「垂直」、「水平」等の用語が指示する方向又は位置関係は、図面に示す方向又は位置関係に基づくものであり、本願の説明及び説明の簡単化のためのものであり、指示される構造が特定の方向を有すること、特定の方向で構造及び操作することを示し又は示唆するためのものではないため、本願の制限ではない。

なお、本願の説明では、用語の「若干」とは１つ、２つ又は３つ以上を指す。

本願の説明では、明確な規定及び限定がない限り、用語の「接続」、「固定」等は広義的に理解されるべきである。例えば、「接続」は固定接続であってもよく、取り外し可能な接続又は一体化接続であってもよく、直接接続であってもよく、中間媒体を介する接続であってもよく、又は２つの素子内部の接続であってもよい。当業者にとって、具体的な状況を考慮して上記用語の本願での具体的な意味を理解できる。

上記内容は本願に開示された実施形態であるが、本願を理解するために採用された実施形態に過ぎず、本願を制限するためのものではない。いかなる当業者は、本願に開示された精神及び範囲を逸脱せずに、実施の形式及び細部においていかなる修正と変更を行えるが、本願の特許保護範囲は依然として添付の請求の範囲に準じる。

Claims (9)

1. ウェルボアと地層との物質交換をシミュレートする実験装置であって、前記実験装置は、ウェルボア模擬システム、ウェルボア液注入システム、地層模擬システム、地層流体注入システム、及びデータ採集システムを備え、
   前記ウェルボア模擬システムは、ウェルボアをシミュレートするための垂直に設置される筒体を含み、
   前記地層模擬システムは、地層をシミュレートするための水平に設置される密閉体、及び前記密閉体内に充填されるモルタル充填物を含み、
   前記ウェルボア液注入システムは前記筒体の上端に接続され、前記筒体内にウェルボア液を注入するように設定され、前記地層流体注入システムは前記密閉体の一端に接続され、前記密閉体内に地層流体を注入するように設定され、前記密閉体の他端は前記筒体の底端に連通し、前記データ採集システムは前記ウェルボア模擬システム及び前記地層模擬システムに電気的に接続され、模擬データを採集し、
   前記ウェルボア液注入システムは、液槽、第１ブースターポンプ及び第１バルブを含み、前記液槽、前記第１ブースターポンプ、前記第１バルブは前記筒体の上端に順次に接続され、
   前記地層流体注入システムは、流体ソース、第２ブースターポンプ及び第２バルブを含み、前記流体ソース、前記第２ブースターポンプ、前記第２バルブは前記密閉体の一端に順次に接続され、前記流体ソースは油ソース、ガスソース及び水ソースを含み、前記油ソース、前記ガスソース及び前記水ソースはいずれも混合弁の入り口に接続され、前記混合弁の出口は前記第２ブースターポンプに接続される、ウェルボアと地層との物質交換をシミュレートする実験装置。
2. 油、ガス、水の三方の混合比例を制御するように、前記油ソース、前記ガスソース及び前記水ソースの出口にはいずれも第４バルブが設置される、請求項１に記載の実験装置。
3. 前記第１ブースターポンプと第２ブースターポンプは定圧ポンプである、請求項１に記載の実験装置。
4. 前記第１バルブと前記第２バルブは逆止弁である、請求項１に記載の実験装置。
5. 前記筒体と前記密閉体との間には第３バルブが設置される、請求項１に記載の実験装置。
6. 前記ウェルボア模擬システムは、前記筒体の上端に設置される第１圧力測定ユニット、及び前記筒体の底端に設置される第２圧力測定ユニットを更に含み、前記地層模擬システムは前記密閉体に均等に設置される若干の第３圧力測定ユニットを更に含み、前記第１圧力測定ユニット、前記第２圧力測定ユニット及び前記第３圧力測定ユニットはいずれも前記データ採集システムに電気的に接続される、請求項１に記載の実験装置。
7. 前記第１圧力測定ユニット、前記第２圧力測定ユニット及び／又は前記第３圧力測定ユニットは圧力センサー又は圧力計である、請求項６に記載の実験装置。
8. 前記筒体の底端には排液管が設置され、前記排液管には排出弁が設置される、請求項１に記載の実験装置。
9. 前記筒体は若干節の透明なガラス管を含み、
   前記筒体には目盛りがつけられている、請求項１～８のいずれか１項に記載の実験装置。
   

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