水平井室内渗流模拟试验装置及模拟试验方法与流程

1.本发明属于流体渗流研究领域，尤其涉及一种能够准确模拟水平井开采地下油气、水等流体在渗流规律和三维孔压特征方面的水平井室内渗流模拟试验装置及模拟试验方法。


背景技术：

2.由于水平井开采地下油气、水等流体在渗流规律和三维孔压特征方面，表现出和竖井完全不同的特征，且解析法只能解决较为简单的渗流问题，而稍微复杂的渗流问题只能采用物理模拟或数值模拟。数值模拟是从物理现象抽象出来的，不具有直观性，所以说物理模拟较数值模拟更为可靠且更易掌握。
3.近几年，数值方法在水平井渗流及开采理论方面得到了广泛的应用并解决了很多解析法难以解决的问题，但物理模拟试验仍具有自己独特的解决问题的特点，依据相似理论，通过相似模型再现水平井开采过程中地下油气、水的渗流动态和响应过程。物理模型试验利用相似的变量和参数模拟渗流规律具有解析和试验的双重性，它的最大的特点是可以从试验中直接观察到渗流现象与规律，与原型试验相比，首先可以缩小渗流区的几何尺寸，能和试验室的规模相适应，便于从整体上而不是在局部研究渗流的分布特征；其次，可以加速渗流的演变速度，在模型上只用几秒或几分钟的时间就能模拟几天甚至几十年的渗流过程，可以节省大量时间。


技术实现要素：

4.本发明的第一目的在于提供一种结构简单,工作稳定可靠,能够精确模拟水平井开采地下储层流体的水平井室内渗流模拟试验装置及模拟实验方法。
5.为达成上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种水平井室内渗流模拟试验装置，包括渗流砂槽、水平井缩微模型、测量装置和水循环装置，该渗流砂槽的空间结构呈无盖中空长方体，沿着该渗流砂槽的长度方向通过刚性隔板将该渗流砂槽分隔成控制性边界箱体和砂槽箱体，在该刚性隔板上均匀设有渗流补给小孔，在该砂槽箱体中填充有模拟地层材料，在该模拟地层材料中沿水平井模型径向、切向方向埋设该测量装置的微型孔压力传感器，该控制性边界箱体中装有模拟液态流体，该控制性边界箱体侧壁设有进液口、若干不同高度的溢流口以及刻度尺，每个溢流口单独安装阀门，该水循环装置包括恒流恒压泵和流量调节阀，该恒流恒压泵通过管道与该控制性边界箱体的进液口相通向模拟地层补给液态流体，在管路上设置流量调节阀，在该砂槽箱体与该刚性隔板相对的侧壁上开设安装孔，该安装孔上安装法兰盘，该水平井缩微模型包括试验水平筛管和软管，该水平筛管的进口端和该软管的出口端通过法兰盘连接，在该水平筛管与该软管中插入可自由移动的尼龙管，用于模拟水平井开采中泵的位置，该尼龙管的出口端经软管的入口端伸出与隔膜泵连接，在靠近该隔膜泵的尼龙管上安装该测量装置的流量传感器，该水平筛管埋设在模拟地层材料中，该测量装置还包括多通道数据采集
终端组成，该微型孔压力传感器和流量传感器与该多通道数据采集终端信号连接。
7.所述砂槽箱体的内侧壁自底板至上贴有刻度尺。
8.在所述砂槽箱体的隔板侧覆盖两层纱网，砂网孔径约为模拟地层材料颗粒粒径中值的1/2-2/3。
9.所述安装孔距离砂槽箱体的底板30-40cm。
10.一种使用如上述任一项所述的水平井室内渗流模拟试验装置的技术方案的模拟试验方法，包括如下步骤：
11.a、选取与实际水平井开采地层颗粒粒度分布曲线、孔隙度、泥质含量、渗透率等岩土物理力学参数一致的模拟散体颗粒材料，并对模拟地层材料进行水洗、筛分，尽量除去其中的杂质，按照配比充分搅拌均匀后备用，装填至砂槽箱体内并压实；
12.b、选取与实际水平井开采地层流体的粘滞性、粘度系数流体物理性质参数一致的模拟液态流体备用；
13.c、模拟地层材料分层装填：装材料前在渗流砂槽箱体内部的四个侧壁涂抹硅胶，然后将试验用模拟材料覆盖在上面，在侧壁形成薄砂层，以消除砂槽箱体侧壁效应对模拟试验的影响；随后按照砂槽箱体内侧设置的刻度线进行模拟地层材料分层装填与夯实，以此来确保每次装填模拟材料的厚度，在模拟地层材料装填过程中采用分层夯实、控制容重的方法，使模拟地层尽可能均匀，以达到均质、各向同性的试验要求；同时在模拟材料地层中的不同位置沿水平井模型径向、切向方向埋深微型孔压力传感器；当模拟地层到达安装圆孔位置时，进行水平井缩微模型的安装，安装完成后，继续进行该分层的模拟地层材料的装填、夯实；
14.d、当模拟地层材料装填至安装圆孔位置时，进行水平井缩微模型的安装：将水平井缩微模型的水平筛管放入砂槽箱体模拟地层中用于模拟水平井的开采段，并通过砂槽箱体侧壁的安装圆孔将软管与水平筛管通过法兰盘密封连接，透明软管放置在砂槽箱体外，用于模拟水平井工艺段；透明软管内置一较小口径的尼龙管，尼龙管出口段与可调量程隔膜泵连接，通过调节泵的流量模拟水平井开采的降压幅度，尼龙管可以在水平筛管和透明软管内自由移动，用于模拟水平井开采中泵的位置，高精度的流量传感器安装在靠近隔膜泵的尼龙管上，用于测量、采集试验中的流体抽取流量。
15.e、水平井缩微模型的安装完成后，继续模拟地层材料装填、夯实，该水平筛管所在模拟地层分层装填、夯实后，使用恒压恒速平流泵向控制性边界箱体缓慢泵入模拟流体，使流体缓慢进入控制性边界箱体内，流体泵入高度要低于已压实模拟材料的2-3cm左右，并待流体慢慢透过刚性隔板向已压实好的模拟材料进行持续补给流体使其达到饱和，同时打开隔膜泵以保证模拟材料孔隙中的气泡排出，以防影响试验效果，同时打开与微型孔压传感器连接的数据采集仪器使其处于工作状态，一直保持控制性边界箱体内流体水头压力稳定值，不间断观察数据采集仪器所反映的渗流砂槽箱体内不同位置微型孔压力传感器压力水头的波动情况，达到试验要求的稳定状态时，数据采集仪器会显示为一系列不同的直线，并且此时位于同一水平面位置的所有微型孔压力传感器压力水头值相等即同一水平面上的微型孔压力传感器压力水头值的连线为一水平直线，此时认为模拟地层达到饱和状态，水平井缩微模型已经处于理想均质的地层中，当模拟材料进行流体饱和操作完成后，将已压实模拟材料的表面全部刮毛再继续均匀倒入下模拟材料，以保证前后两次模拟材料装填完
全贴合避免出现分层现象；
16.f、继续模拟材料的填装、继续称量，继续压实、流体饱和验证，按此工法进行至试验方案设计模拟地层厚度。
17.所述微型孔压传感器布设位置及数量依照试验设计所需的测量精度。
18.所述模拟材料容重控制方法采用实验室测出的试验模拟材料密度来进行控制，计算出按此密度在砂槽内装填每层需要的模拟材料质量m，通过台秤分多次称量，使其倒入砂槽内的模拟材料重量达到计算值后，停止模拟材料装填，将其夯实至厚度至刻度线要求。
19.所述模拟地层材料可以包括不同颗粒粒径规格的河砂、石英砂、陶粒的一种或几种。
20.所述模拟材料中可以添加淤泥或粘土以模拟实际开采地层的泥质含量与低渗透特性。
21.所述的模拟液态流体可用自来水、蒸馏水模拟地下水资源的水平井开采，通过添加食盐用来模拟盐碱地地层与高矿化度咸水的地下开采。
22.本发明的有益效果：本发明试验装置与试验方法可以根据水平井开采地层地质参数、流体特性、成井结构等因素，配制、装填不同颗粒粒径规格、孔隙度、渗透率等岩土物理力学参数的模拟地层，通过水平井室内模拟试验装置开展不同地层力学参数、不同筛管规格、不同水平段埋深及泵的不同位置(水平段、造斜工艺段)等条件下水平井开采渗流特征物理模型试验，试验过程中通过微孔压与流量传感器对数据采集、测量，分析水平井开采过程的渗流规律、三维孔压分布特征及开采影响因素，为实际开采地层提供计算参数与优化设计。
附图说明
23.图1为水平井室内渗流模拟试验装置的结构示意图。
24.图2为渗流砂槽箱体的结构示意图。
25.图3为微型孔压传感器径向(轴向)布设示意图。
26.图4为微型孔压传感器切向(垂向)布设示意图
具体实施方式
27.如图1至图4所示，为本发明的一种水平井室内渗流模拟试验装置，包括渗流砂槽、水平井缩微模型、测量装置和水循环装置。
28.该渗流砂槽1的空间结构呈无盖中空长方体，沿着该渗流砂槽的长度方向通过刚性隔板11将该渗流砂槽分隔成控制性边界箱体12和砂槽箱体13，在该刚性隔板11上均匀设有渗流补给小孔，为了防止模拟地层材料透过隔板进入控制性边界箱体，在所述砂槽箱体的隔板侧覆盖两层纱网，砂网孔径约为模拟地层材料颗粒粒径中值的1/2-2/3；隔板在控制性边界箱体与砂槽箱体之间具有单向入渗作用，隔板仅使控制性边界箱体中的水流缓慢入渗到砂槽箱体的模拟地层土体14，而阻止砂槽箱体的模拟地层土体进入控制性边界箱体；通过隔板的入渗水量精确控制调节，控制性边界箱体内的定水头位置变化更小，较真实的模拟实际地层的补给关系，试验数据更加真实、精确；砂槽箱体和控制性边界箱体长、宽、高尺寸满足物理模型试验相似理论几何相似要求，在本实施例中长为5米左右、宽2.5米左右，
高1.5米左右，该刚性隔板距离控制性边界箱体200-400mm，砂槽箱体的内侧自箱体底板至上标有刻度线(最小刻度单位cm)、底板边界和侧板边界均可视为隔离边界，在该砂槽箱体13中填充有按试验方案配制的不同颗粒粒径规格、孔隙度、渗透率等岩土物理力学参数的模拟地层材料；所述控制性边界箱体的一侧壁开设进水口121，相对的另一侧壁上开设若干不同高度的溢流口122以及粘贴刻度尺，用于储存并保持一定水头高度(即流体泵入高度要低于每次已压实模拟材料的2-3cm左右，)的试验用模拟液体流体，并通过刚性隔板持续向砂槽箱体中的模拟地层进行持续稳定补给，砂槽箱体相对刚性隔板的侧壁上距底部30-40cm高度的轴线方向开有直径90mm口径孔131，用于安装连接水平井缩微模型。
29.所述测量装置包括微型孔压力传感器、流量传感器和该多通道数据采集终端2，该微型孔压传感器和流量传感器与该多通道数据采集终端信号连接。如图3和图4所示，在该模拟地层材料中沿水平井模型径向、切向方向埋设该测量装置的微型孔压力传感器20，用于采集、测量物理模拟试验过程中水平井径向与切向监测点的孔隙压力，分析水平井开采过程中其井周地层的三维孔压分布特征，所述微型孔压力传感器布设位置及数量依照试验设计所需的测量精度。
30.所述的水平井缩微模型主要由水平筛管21(可以为塑料管、不锈钢管及工业用筛管)与透明软管22组成，所述安装圆孔上安装法兰盘，该水平筛管的进口端与法兰盘的一端密封对接，该法兰盘的另一端连接开关阀的一端，该开关阀的另一端与该软管的出口端连接，靠近软管的其中水平筛管放置在砂槽箱体的模拟地层中用于模拟水平井的开采段，透明软管放置在渗流砂槽外，用于模拟水平井工艺段；所述的透明软管内置一较小口径的尼龙管23，高精度的流量传感器安装在靠近隔膜泵的尼龙管上，用于测量、采集试验中的流体抽取流量，尼龙管23可以在水平筛管和透明软管内自由移动，用于模拟水平井开采中泵的位置，尼龙管出口段与可调量程隔膜泵连接，通过调节泵的流量模拟水平井开采的降压幅度，是达到渗流速度与开采速度匹配，开采优化的目的。
31.该水循环装置包括恒流恒压泵41、流量调节阀与进水缓流器，该恒流恒压泵通过管道与该控制性边界箱体的进液口相通并向模拟地层补给液态流体，所述控制性边界箱体进液口处的管路上设置流量调节阀与进水缓流器，流量调节阀由试验装置电脑控制，每个溢流口单独由阀门控制，从而保证试验过程中控制性边界箱体内水头以稳定持续的向隔板另一侧砂槽箱体内的模拟地层补给；通过调节恒压恒速平流泵的工作压力控制水平井渗流试验的水头压力，模拟水平井开采的压差。
32.所述砂槽箱体与控制性边界箱体材料可以为有机玻璃、钢板等(厚度满足试验要求所需强度)，且具有一定的刚度，避免试验过程中因箱体变形引起弹性释放能对试验数据的影响。
33.本发明的模拟实验方法具体步骤如下：
34.a、选择与实际水平井开采地层颗粒粒度分布曲线、孔隙度、泥质含量、渗透率等岩土物理力学参数一致的模拟散体颗粒材料，并对模拟地层材料进行水洗、筛分，尽量除去其中的杂质，按照一定的配比(调节渗透性、孔隙率、泥质含量等参数)充分搅拌均匀备用；如图2所示。
35.b、选择与实际水平井开采地层流体的粘滞性、粘度系数流体物理性质参数一致的模拟液态流体备用，
36.c、模拟地层材料分层装填夯实、流体饱和验证：装材料前在渗流砂槽箱体内部的四个侧壁涂抹硅胶，然后将试验用模拟材料覆盖在上面，在侧壁形成薄砂层，以消除渗流砂槽箱体侧壁效应对模拟试验的影响；随后按照砂槽箱体内侧设置的刻度线进行模拟地层材料装填与夯实，以此来确保每次装填模拟材料的厚度；在模拟材料装填步骤中还要按照试验方案在渗流砂槽模拟材料中的不同位置(尽可能的反应整个模拟地层中地下流体的孔压波动情况，布设位置及数量依照试验设计所需的测量精度)沿水平井模型径向、切向方向，埋深微型孔压力传感器用于采集，分析水平井开采过程中其井周地层的三维孔压分布特征；在模拟地层材料装填过程中采用分层夯实、控制容重的方法，使模拟地层尽可能均匀，以达到均质、各向同性的试验要求；所述模拟材料容重控制方法采用实验室测出的试验模拟材料密度来进行控制，计算出按此密度在砂槽内装填每层(100mm)需要的模拟材料质量m，通过台秤分多次称量，使其倒入砂槽内的模拟材料重量达到计算值后，停止模拟材料装填，将其夯实至厚度至刻度线要求(如100mm)；
37.d、当模拟地层材料装填至安装圆孔位置时，进行水平井缩微模型的安装：将水平井缩微模型的水平筛管放入砂槽箱体模拟地层中用于模拟水平井的开采段，并通过砂槽箱体侧壁的安装圆孔将软管与水平筛管通过法兰盘密封连接，透明软管放置在砂槽箱体外，用于模拟水平井工艺段；透明软管内置一较小口径的尼龙管，尼龙管出口段与可调量程隔膜泵连接，通过调节泵的流量模拟水平井开采的降压幅度，即通过调节泵的流量控制砂槽箱体外侧透明软管内液面高度，形成砂槽外侧与控制性边界之间不同的水位差值产生水力坡度；尼龙管可以在水平筛管和透明软管内自由移动，用于模拟水平井开采中泵的位置，高精度的流量传感器安装在靠近隔膜泵的尼龙管上，用于测量、采集试验中的流体抽取流量。
38.e、水平井缩微模型的安装完成后，继续模拟地层材料装填、夯实，该水平筛管所在模拟地层分层装填、夯实后，使用恒压恒速平流泵向控制性边界箱体缓慢泵入模拟流体，使流体缓慢进入控制性边界箱体内，流体泵入高度要低于已压实模拟材料的2-3cm左右，并待流体慢慢透过刚性隔板向已压实好的模拟材料进行持续补给流体使其达到饱和，同时打开隔膜泵以保证模拟材料孔隙中的气泡排出，以防影响试验效果，同时打开与微型孔压传感器连接的数据采集仪器使其处于工作状态，一直保持控制性边界箱体内流体水头压力稳定值，不间断观察数据采集仪器所反映的渗流砂槽箱体内不同位置微型孔压力传感器压力水头的波动情况，达到试验要求的稳定状态时，数据采集仪器会显示为一系列不同的直线，并且此时位于同一水平面位置的所有微型孔压力传感器压力水头值相等即同一水平面上的微型孔压力传感器压力水头值的连线为一水平直线，此时认为模拟地层达到饱和状态，水平井缩微模型已经处于理想均质的地层中，当模拟材料进行流体饱和操作完成后，将已压实模拟材料的表面全部刮毛再继续均匀倒入下模拟材料，以保证前后两次模拟材料装填完全贴合避免出现分层现象；
39.f、继续模拟材料的填装、继续称量，继续压实、流体饱和验证，按此工法进行至试验方案设计模拟地层厚度。
40.所述的模拟地层材料模拟地层材料为满足一定颗粒粒度分布规律的散体颗粒堆积体，堆积体为孔隙结构。
41.模拟地层材料可以包括不同颗粒粒径规格的河砂、石英砂、陶粒的一种或几种；模拟材料中可以添加一定比例的淤泥或粘土以模拟实际开采地层的泥质含量与低渗透特性。
42.所述的模拟液态流体可以用自来水、蒸馏水模拟地下水资源的水平井开采，通过添加食盐用来模拟盐碱地地层与高矿化度咸水的地下开采；用工业废油模拟地下石油的开采；一定比例水与工业废油的混合模拟有机烃的土壤原位水平井抽排污染修复。
43.所述的微型孔压传感器布设数量及位置、数据采集仪器的通道数可根据试验设计所需的测量精度而变化。微型孔压传感器具有高精度(0.1％fs)、小体积(2.5mm*3.5mm)、稳定性高特点；数据采集仪器为16通道或32通道。微型孔压、流量传感器的布置安装为获取水平井开采过程中水平井周围地层流体渗流场与孔压波动情况。
44.所述的渗流砂槽箱体与控制性边界箱体之间隔板的渗透性可以通过其上所覆盖的砂网的孔隙率调整，用来模拟实际地层的补给特性(强、中、弱)，孔隙率根据拟模拟地层的渗透系数进行设计计算。
45.本发明的试验装置与试验方法可以根据水平井开采地层地质参数、流体特性、成井结构等因素，配制、装填不同颗粒粒径规格、孔隙度、渗透率等岩土物理力学参数的模拟地层，通过水平井室内模拟试验开展不同地层力学参数、不同筛管规格、不同水平段埋深及泵的不同位置(水平段、造斜工艺段)等条件下水平井开采渗流特征物理模型试验，试验过程中通过微孔压与流量传感器对数据采集、测量，分析水平井开采过程的渗流规律、三维孔压分布特征及开采影响因素，为实际开采地层提供计算参数与优化设计。