用于研究气侵后裂缝内气液交换情况的实验装置及方法与流程

1.本发明属于分析及测量控制技术领域，涉及一种实验测量装置，具体涉及一种可以在不同井斜角情况下研究气侵后裂缝内气液交换情况的实验装置及方法。


背景技术：

2.随着浅层油气资源的不断开发，易于开采的油气储量逐渐减小，为了满足国家的能源需求，油气开采工作逐渐向深水、深地方向发展。在钻井过程中如何进行压力控制一直都是钻井工作者的焦点问题，尤其是在深层油气开采的过程中，由于地层压力预测不准、灌入钻井液不及时以及钻遇裂缝地层等因素，时常会发生地层中的气体在压差作用下侵入井筒的情况，如果处理不当，气侵会进一步发展为井口溢流甚至导致井喷事故，给生产安全带来极大隐患。
3.当钻遇地层中的裂缝时，裂缝被逐渐打开，气体侵入量逐渐增加，井筒内的液体逐渐产生溢流，现有的众多研究已经初步实现了对气体是否侵入的监测，但是对溢流发生速度与裂缝打开程度之间关系，以及不同打开程度时气液交换情况的研究仍处于未解决阶段。因此通过实验模拟发生不同裂缝打开程度下气体侵入井筒后导致的缝内气液交换情况具有重要意义。
4.要实现对不同打开程度下缝内气液交换规律的研究，装置必须具备两个功能，一是可以控制裂缝打开程度和井斜角，二是可以直观的展现气液交换规律。气液交换规律可以从裂缝内的气液相界面相对位置研究得到，而现有的透明实验装置多是用于压裂领域对支撑剂运移规律的研究，难以实现对裂缝打开程度的定量控制，也难以模拟不同井斜角情况下气侵发生后缝内相界面的变化。


技术实现要素：

5.为了解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种可以在不同井斜角情况下研究气侵后裂缝内气液交换情况的实验装置及方法。本发明的目的是克服现有方法的不足，提供一种可以在不同井斜角情况下描述气侵后裂缝内气液交换情况的装置，使其能够在不同井斜的情况下，人为的控制裂缝打开高度和打开宽度，并可以直观的看到裂缝内的气液相界面，从而对不同打开程度下的气液交换情况进行分析，同时建立裂缝打开程度和打开时间与缝内气液交换规律的对应关系，结构简单，易于操作，实验成本低，结果可视性好。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明提出了用于研究气侵后裂缝内气液交换情况的实验装置，其特征在于，包括模拟裂缝部分、模拟井筒部分及气体输入部分；其中：模拟井筒部分包含透明的薄壁井筒，所述薄壁井筒内部活动设置有透明的内筒；所述薄壁井筒的筒壁上开设有第一裂缝；所述薄壁井筒上具有用于读取第一裂缝打开宽度和打开高度的刻度；所述内筒的筒壁开设有与第一裂缝相适配的第二裂缝；所述内筒底部固定连接有移动手柄；
模拟裂缝部分包括气体置换显示装置，所述气体置换显示装置包括透明的壳体，所述壳体与所述薄壁井筒相连接；所述壳体内部设置有空腔，所述空腔中形成有可调的模拟裂缝，用于控制井斜角；所述模拟裂缝由位于空腔中的连杆机构形成，所述连杆机构包括短杆，短杆的两端铰接的上长杆和下长杆，所述上长杆以及下长杆的另一端分别与薄壁井筒外壁相铰接；所述连杆机构与空腔内壁之间密封连接；所述连杆机构包围的空间为气体可进入范围，即裂缝空间；所述裂缝空间与所述第一裂缝相连通;所述壳体外壁还设置有用于对连杆机构进行定位的固定装置；所述短杆开设有进气孔，所述进气孔与所述的气体输入部分相连；所述气体输入部分包括气体输入管、流量计、压力表和气泵，流量计、压力表和气泵分别与气体输入管密封连接，气体输入管和进气孔密封连接。
7.所述连杆机构采用金属杆，所述固定装置为钕磁铁。
8.所述壳体采用透明有机玻璃。
9.所述薄壁井筒与所述内筒均采用透明塑料材料。
10.内筒为有封底的薄壁圆筒状结构。
11.所述上长杆具有水平仪。
12.本发明还提出了用于研究气侵后裂缝内气液交换情况的实验方法，包括如下步骤：s1：实验开始前，调整内筒位置，使第一裂缝完全闭合；调整连杆机构相对位置并通过固定装置进行定位固定；向薄壁井筒上部注满混合红色染料的水，测量此时的液柱高度，计算液柱压力；s2：接通电源启动气泵，调整气泵压力至略高于液柱压力并保持恒定，将气体从进气口注入；s3：安装摄像机，对准气体置换显示装置进行录像，通过移动内筒调整第一裂缝打开情况，并通过读取刻度记录此时的裂缝打开高度和打开宽度；在移动内筒的同时使用秒表进行计时；待流量计达到预设量或有液体从模拟井筒中溢出时记录时间，作为气侵转化为溢流的时间，待模拟裂缝内的相界面稳定后，读取流量计读数，停止录像，如果相界面稳定时，流量计仍达到预设量且没有液体从井筒中溢出，则判定在此种裂缝打开情况下气侵不会转化为溢流；s4：预设不同的第一裂缝打开程度，重复步骤s1-s3，得到不同第一裂缝打开程度下的实验结果；s5：预设不同的井斜角，通过调整连杆机构来得到不同的井斜角，重复步骤s1-s4, 得到不同井斜下的实验结果；s6：实验结果处理，从录像中间隔一定时间提取图像，作为此种裂缝打开程度下的气侵后气液交换规律，读取的流量计读数作为此种裂缝打开程度下的气侵量，读取的时间作为此种裂缝打开程度下的气侵转化为溢流时间。
13.步骤s1中的具体方法为：实验开始前，将内筒的第二裂缝下端恢复到第一裂缝位置的上端，即刻度为0处，此时第一裂缝完全闭合，调整连杆机构相对位置使连杆机构中的上长杆与薄壁井筒垂直，并利用固定装置将连杆机构定位固定，此时薄壁井筒处于直井情况；使用容器向薄壁井筒上部注满混合红色染料的水，测量此时的液柱高度，计算液柱压
力。
14.步骤s3中的具体方法为：安装摄像机，对准气体置换显示装置进行录像，下拉内筒的同时使用秒表进行计时，匀速缓慢下拉内筒至指定位置以调整第一裂缝打开高度，通过旋转移动手柄调整内筒所带的第二裂缝与薄壁井筒所带的第一裂缝的正对面积，以调整第一裂缝打开宽度，通过读取刻度记录此时的裂缝打开高度和打开宽度，待流量计达到预设量或有液体从模拟井筒中溢出时记录时间，作为气侵转化为溢流的时间，待模拟裂缝内的相界面稳定后，读取流量计读数，停止录像，如果相界面稳定时，流量计仍达到预设量且没有液体从井筒中溢出，则判定在此种裂缝打开情况下气侵不会转化为溢流。
15.步骤s5中的具体方法为：预设不同的井斜角，拆下固定装置，将连杆机构的短杆下拉至指定位置，再安装固定装置将连杆机构进行固定，再将整个装置逆时针旋转至连杆机构中的上长杆水平，并利用水平仪校准；此时薄壁井筒与垂线的夹角即为井斜角，大小等于薄壁井筒3与上长杆101夹角的余角，重复步骤s1-s5, 得到不同井斜角下的实验结果。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.本发明可以同时控制模拟裂缝的打开宽度和打开高度，可以定量的评估裂缝打开程度对气侵的影响；薄壁井筒具有第一裂缝，内筒具有第二裂缝，通过移动内筒可以调整第一裂缝的打开高度，通过旋转内筒，可以调整第二裂缝与薄壁井筒所带的第一裂缝的正对面积，即可以调整第二裂缝的打开宽度；内筒的移动或者旋转可通过内筒底部的移动手柄操控，结构简单、便于操作。
17.2.本发明可以模拟直井和不同井斜角的斜井；壳体的空腔中具有连杆机构，空腔为连杆机构的转动提供空间，连杆机构包括短杆、上长杆以及下长杆，上长杆以及下长杆可相对薄壁井筒旋转，进而可用于控制井斜角，得到不同的倾斜角度；且连杆机构相对位置通过固定装置进行定位固定，固定装置采用钕磁铁，钕磁铁通过磁性透过壳体吸附金属材质的连杆机构进行位置定位，结构简单、设计巧妙，成本低廉，易于操作。
18.3.模拟裂缝的存在和染色液体的使用，壳体、内筒以及薄壁井筒采用透明材料制成，可以从侧面直观的看出气液两相界面的位置即任意时刻气液交换情况。
附图说明
19.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是本发明中实验装置结构示意图；图2是直井状态下的模拟井筒部分结构示意图；图3是本发明中内筒的局部放大图；图4是本发明中气体置换显示装置与薄壁井筒配合的结构示意图；图5是本发明中的固定装置和气体置换显示装置配合俯视图；图6是带有铰座的本发明中实验装置结构示意图。
20.附图标记说明:1气体置换显示装置；2进气孔；3薄壁井筒；4移动手柄；5内筒；51第二裂缝；6气体输入管；7流量计；8压力表；9气泵；10模拟裂缝；101上长杆；102短杆；103下长杆；11固定装置；12摄像机；13空腔。
具体实施方式
21.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
22.如图1-5所示，本实施例提出了用于研究气侵后裂缝内气液交换情况的实验装置，其特征在于，包括模拟裂缝10部分、模拟井筒部分及气体输入部分；其中：模拟井筒部分包含透明的薄壁井筒3，薄壁井筒3内部活动设置有透明的内筒5；薄壁井筒3的筒壁上开设有第一裂缝（图上未示出）；薄壁井筒3上具有用于读取第一裂缝打开宽度和打开高度的刻度；所述内筒5的筒壁开设有与第一裂缝相适配的第二裂缝51；内筒5底部固定连接有移动手柄4，方便握持。薄壁井筒3与内筒5可以发生相对滑动与转动，移动手柄4和内筒5之间固定连接。薄壁井筒3与裂缝模拟部分连结处切割出与模拟裂缝10完全相同尺寸的缝，该缝记为所述的第一裂缝，便于模拟气体侵入过程，薄壁井筒3使用有机透明塑料材料，裂缝的高和宽两边均有刻度，便于读取裂缝打开宽度和打开高度，薄壁井筒3外径200mm,壁厚5mm。
23.内筒5为有机透明塑料材料制得的有封底的薄壁圆筒，带有与模拟裂缝10同样尺寸的裂缝,该裂缝记为第二裂缝51；内筒5的外径与薄壁井筒3内径相同，壁厚5mm，便于控制裂缝打开程度，防止流体发生漏失。
24.内筒5与薄壁井筒3紧密贴近，在井筒上部注满流体时内筒5也不能自由落下。
25.模拟裂缝10部分包括气体置换显示装置1，气体置换显示装置1包括透明的壳体，壳体与薄壁井筒3相连接；气体置换显示装置1与薄壁井筒3相切连结，材料为透明有机玻璃，便于观察气侵后的裂缝内气液相界面。壳体上部为矩形，高度为80mm，长度为250mm，下部为四分之一圆形，半径为250mm，壳体内部设置有空腔13，在本实施例中，壳体设置有两块，两块壳体对称设置，两壳体之间的缝隙即为空腔13。空腔13两侧的壳体侧厚度为25mm。空腔13中形成有可调的模拟裂缝10，用于控制井斜角；模拟裂缝10由位于空腔13中的连杆机构形成，连杆机构包括短杆102，短杆102的两端铰接的上长杆101和下长杆102，上长杆101以及下长杆102的另一端分别与薄壁井筒3外壁相铰接；连杆机构上粘贴有密封胶条，使得连杆机构可与壳体的空腔13内壁相密封连接；连杆机构包围的空间为气体可进入范围，即裂缝空间；通过调整连杆机构，可控制裂缝空间；裂缝空间与第一裂缝相连通；第一裂缝与模拟裂缝10的缝宽和缝高尺寸相同。
26.连杆机构为三根金属杆相互铰接制成，三根金属杆优选用截面为矩形的杆，这样可以保证密封效果；三根杆件相互铰接，短杆102可以上下移动，上长杆101以及下长杆102与薄壁井筒3铰接，初始状态为矩形，高度为80mm；连杆机构与壳体之间密封良好，连杆机构中的杆件截面尺寸为4mm*10mm，杆件宽度与第一裂缝缝宽相等，与第一裂缝正对的短杆102长度为80mm，短杆102与第一裂缝缝高相等，另外的上长杆101以及下长杆102长度为250mm，与薄壁井筒3固定连接，连杆机构包围的空间即为气体可进入范围，即模拟裂缝10空间。
27.壳体外壁还设置有用于对连杆机构进行定位的固定装置11。
28.短杆102开设有进气孔2，进气孔2为模拟裂缝10的左端短杆102中心钻出的小孔；进气孔2与所述的气体输入部分相连；气体输入部分包括气体输入管6、流量计7、压力表8和气泵9，流量计7、压力表8和气泵9分别与气体输入管6密封连接，气体输入管6和进气孔2密
封连接。
29.连杆机构采用金属杆，固定装置11为钕磁铁，磁性极强，用来固定连杆机构的相对位置，多个钕磁铁分别安放在两侧的有机玻璃外部，通过磁性透过有机玻璃吸附杆件，从而实现控制模拟裂缝10位置和裂缝空间密封的目的，具体配合关系见附图5。
30.钕磁铁，磁性极强，小体积的钕磁铁就可以产生很强的吸附能力，方便安装和携带，在使用时，钕磁铁对连杆机构中的杆件进行吸附，使得连杆机构中杆件上的密封胶条与壳体空腔内壁挤压，从而保证密封效果；另外，钕磁铁在壳体两侧采用双侧设置的方式，可以保证每一侧都具有极强的吸附力，从而能够使得密封胶条与两侧的壳体空腔内壁相挤压密封，具有很好的密封效果。
31.为了便于观察，薄壁井筒3与内筒5均采用透明塑料材料。模拟裂缝10可以发生旋转，用来控制井斜角，同时模拟裂缝10上部的上长杆101带有水平仪，用来辅助调整位置。
32.当裂缝未打开时，气体流动路径为：气泵9-压力表8-流量计7-气体输入管6-进气孔2-模拟裂缝10。当裂缝打开时的气体流动路径为：压力表8-流量计7-气体输入管6-进气孔2-模拟裂缝10-内筒5。
33.本发明还提出了用于研究气侵后裂缝内气液交换情况的实验方法，包括如下步骤：s1：实验开始前，调整内筒5位置，使第一裂缝完全闭合；调整连杆机构相对位置并通过固定装置11进行定位固定；向薄壁井筒3上部注满混合红色染料的水，测量此时的液柱高度，计算液柱压力；s2：接通电源启动气泵9，调整气泵9压力至略高于液柱压力并保持恒定，将气体从进气口注入；s3：安装摄像机12，对准气体置换显示装置1进行录像，通过移动内筒5调整第一裂缝打开情况，并通过读取刻度记录此时的裂缝打开高度和打开宽度；在移动内筒5的同时使用秒表进行计时；待流量计7达到预设量或有液体从模拟井筒中溢出时记录时间，作为气侵转化为溢流的时间，待模拟裂缝10内的相界面稳定后，读取流量计7读数，停止录像，如果相界面稳定时，流量计7仍达到预设量且没有液体从井筒中溢出，则判定在此种裂缝打开情况下气侵不会转化为溢流；s4：预设不同的第一裂缝打开程度，重复步骤s1-s3，得到不同第一裂缝打开程度下的实验结果；s5：预设不同的井斜角，通过调整连杆机构来得到不同的井斜角，重复步骤s1-s4, 得到不同井斜下的实验结果；s6：实验结果处理，从录像中间隔一定时间提取图像，作为此种裂缝打开程度下的气侵后气液交换规律，读取的流量计7读数作为此种裂缝打开程度下的气侵量，读取的时间作为此种裂缝打开程度下的气侵转化为溢流时间。
34.步骤s1中的具体方法为：实验开始前，将内筒5的第二裂缝51下端恢复到第一裂缝位置的上端，即刻度为0处，此时第一裂缝完全闭合，调整连杆机构相对位置使连杆机构中的上长杆101与薄壁井筒3垂直，并利用固定装置11将连杆机构定位固定，此时薄壁井筒3处于直井情况；使用容器向薄壁井筒3上部注满混合红色染料的水，测量此时的液柱高度，计算液柱压力。
35.步骤s3中的具体方法为：安装摄像机12，对准气体置换显示装置1进行录像，下拉内筒5的同时使用秒表进行计时，匀速缓慢下拉内筒5至指定位置以调整第一裂缝打开高度，通过旋转移动手柄4调整内筒5所带的第二裂缝51与薄壁井筒3所带的第一裂缝的正对面积，以调整第一裂缝打开宽度，通过读取刻度记录此时的裂缝打开高度和打开宽度，待流量计7达到预设量或有液体从模拟井筒中溢出时记录时间，作为气侵转化为溢流的时间，待模拟裂缝10内的相界面稳定后，读取流量计7读数，停止录像，如果相界面稳定时，流量计7仍达到预设量且没有液体从井筒中溢出，则判定在此种裂缝打开情况下气侵不会转化为溢流。
36.步骤s5中的具体方法为：预设不同的井斜角，拆下固定装置11，将连杆机构的短杆102下拉至指定位置，再安装固定装置11将连杆机构进行位置固定，再将整个装置逆时针旋转至连杆机构中的上长杆101水平，并利用水平仪校准；此时薄壁井筒3与垂线的夹角即为井斜角，大小等于薄壁井筒3与上长杆101夹角的余角，重复步骤s1-s5, 得到不同井斜下的实验结果。需要说明的是，先安装固定装置11，再整体转动，这样可以防止转动过程中连杆机构位置也变化。
37.需要说明的是，整体转动薄壁井筒3的方式包括但不限于如下方式：如图6所示，作为一种优选的实施例，薄壁井筒3底端外壁还铰接有铰座，薄壁井筒3可绕着铰座进行旋转，在整体转动薄壁井筒3时，使其绕着铰接座铰接点进行旋转，利于操作，也更加平稳。
38.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。