一种模拟缝洞型储集层气体侵入井筒的实验装置及方法

1.本发明涉及一种模拟缝洞型储集层气体侵入井筒的实验装置及方法，属于油气田开采技术领域。


背景技术：

2.我国能源需求量逐年上升，石油供需矛盾日益突出，寻求新的油气资源领域、确保能源战略安全迫在眉睫。随着油气资源开采朝着深部地层发展，储集空间以裂缝和溶洞为主的碳酸盐岩油气藏开采在我国石油工业中占有越来越重要的地位。例如，我国塔里木油田塔中地区的碳酸盐岩储集层含有丰富的油气资源，储集层非均质性强，裂缝、溶洞发育，为油气提供了大量的储存空间。
3.缝洞型储集层类型多样，储集空间包括孔隙、裂缝、溶洞以及它们之间相互耦合形成的裂缝-孔隙、裂缝-溶洞、孔隙-溶洞等结构。相对于渗透型储层，缝洞型储集层的孔隙、裂缝、溶洞发育且连通性好，压力敏感性强，在钻井过程中极易发生漏失、溢流、溢漏同存等复杂情况，井筒压力控制很难做到不漏不溢、保持压力平衡的状态，井筒压力失衡会严重影响压井成功率，造成复杂故障大幅度增加。因此，如何安全高效地开发缝洞型油气藏是困扰钻井工程的一个技术难题，必须从根源出发，研究缝洞型储集层漏失、溢流机理，进而找到减轻或解决这些复杂事故的方法。
4.缝洞型储集层具有压力敏感、重力置换气侵等特点，气体侵入井筒过程复杂，传统的漏失、溢流实验装置不完全具备模拟溶洞、裂缝的条件，而现场试验也很难实现可视化观察，且现有的漏失、溢流理论模型难以准确表征。因此，有必要结合缝洞型储集层特征，设计一种模拟溶洞、裂缝内气体侵入井筒的实验装置及方法，研究漏失、溢流过程中气液流动规律及溢漏同存特征，揭示缝洞型储集层气体侵入井筒机理，建立井筒-缝洞型储集层气液两相流理论模型，为有效控制气侵、确保安全钻井提供理论依据。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供一种模拟缝洞型储集层气体侵入井筒的实验装置及方法，用于模拟溶洞、裂缝内气体侵入井筒过程，实现溢流、井漏、溢漏同存等现象的直接观察，并结合采集的参数，揭示井筒-缝洞型储集层气液流动规律及溢漏同存特征，为缝洞型储集层气侵机理解释和理论模型建立提供实验基础。
6.为解决上述技术问题，本发明的主要技术方案如下：
7.一种模拟缝洞型储集层气体侵入井筒的实验装置，包括模拟井筒、注入系统、裂缝模拟系统、溶洞模拟系统和高速摄影系统；
8.所述模拟井筒一侧设置有注入系统，另一侧设置有裂缝模拟系统，下方设置有溶洞模拟系统；所述注入系统包括上测压管线、下测压管线和注液管线；所述裂缝模拟系统包括稳压筒，稳压筒上方连接有裂缝注气管线，下方连接有裂缝放空管线，侧面连接有模拟裂缝；所述溶洞模拟系统包括模拟溶洞，模拟溶洞下方分别连接有溶洞放空管线和溶洞注气
管线；所述高速摄影系统包括高速摄影仪和光源。
9.根据本发明优选的，所述模拟井筒长为5500～6500mm，内径为180～220mm，材质为有机玻璃，至少可以承受0.6mpa的压力。
10.根据本发明优选的，所述上测压管线、下测压管线和注液管线从上到下依次排列，连接至模拟井筒侧壁。
11.根据本发明优选的，所述上测压管线上设置有上旋拧阀和上压力计，用于测量和控制模拟井筒内该位置处的流体压力；所述下测压管线上设置有下旋拧阀和下压力计，用于测量和控制模拟井筒内该位置处的流体压力；所述注液管线上设置有第一旋拧阀和第一压力计，用于测量和控制注入模拟井筒的实验用钻井液在该位置处的压力。
12.根据本发明优选的，所述模拟裂缝为可以通过气体的管道，材质为有机玻璃，至少可以承受0.6mpa的压力，设置有2组，每组3条，内径分别为1、2、3mm，平行水平排列，相邻模拟裂缝之间的距离为90～110mm，长度为550～650mm，连接至模拟井筒侧壁，用于模拟实际钻井中的气藏裂缝；所述模拟裂缝上设置有气动球阀。
13.根据本发明优选的，所述稳压筒的长度为900～1100mm，内径为90～110mm，材质为有机玻璃，至少可以承受0.6mpa的压力，用于给模拟裂缝提供稳压气体。
14.根据本发明优选的，所述裂缝注气管线上设置有第三旋拧阀和第三压力计，用于测量和控制注入稳压筒内的气体压力；所述裂缝放空管线上设置有裂缝放空阀，用于实现稳压筒或模拟裂缝内流体的排放。
15.根据本发明优选的，所述模拟溶洞的长度为900～1100mm，内径与模拟井筒保持一致，材质为有机玻璃，可以承受至少0.6mpa的压力。
16.根据本发明优选的，所述模拟井筒和溶洞模拟系统连接处设置有快速阀门，通过快速阀门控制气体进入和排出模拟井筒。
17.根据本发明优选的，所述溶洞放空管线上设置有溶洞放空阀，用于实现模拟井筒或模拟溶洞内流体的排放；所述溶洞注气管线上设置有第二旋拧阀和第二压力计，用于测量和控制注入模拟溶洞内的气体压力。
18.根据本发明优选的，所述高速摄影仪位于模拟井筒、或模拟溶洞、或模拟裂缝的一侧，光源位于另外一侧，高速摄影仪、光源与采集数据的位置三者在同一直线上，用于记录模拟溶洞、模拟裂缝以及二者与模拟井筒交界处的气液两相流动过程。
19.利用上述装置模拟缝洞型储集层气体侵入井筒的实验方法，具体包括以下步骤：
20.步骤一：模拟溶洞型储集层气体侵入井筒的实验，其过程如下：
21.101、注液阶段：关闭快速阀门、下旋拧阀和气动球阀，打开上旋拧阀和第一旋拧阀，将钻井液注入模拟井筒；当第一压力计读数为0.3mpa时，停止注入，关闭上旋拧阀和第一旋拧阀，记录上压力计、下压力计和第一压力计的读数；
22.102、注气阶段：关闭溶洞放空阀，打开第二旋拧阀，将气体注入模拟溶洞；当第二压力计读数为0.3mpa时，停止注气，关闭第二放空阀；
23.103、实验阶段：打开快速阀门，通过高速摄影仪记录模拟溶洞内气体侵入模拟井筒过程，进行溶洞型储集层在平衡压力条件下的气侵模拟；待气侵结束后，关闭快速阀门，记录各压力计读数；
24.104、放空阶段：打开上旋拧阀、快速阀门和溶洞放空阀，将模拟井筒和模拟溶洞内
的流体排空；
25.105、重复步骤101～104，保持第一压力计读数为0.3mpa，改变模拟溶洞内气体压力，使第二压力计读数依次为0.1mpa、0.2mpa、0.4mpa、0.5mpa，完成溶洞型储集层在不同压差条件下的气侵模拟；
26.步骤二：模拟单裂缝型储集层气体侵入井筒的实验，其过程如下：
27.201、按照步骤101完成注液阶段；
28.202、注气阶段：关闭裂缝放空阀，打开第三旋拧阀，将已配好的实验用气体注入模拟裂缝和稳压筒；当第三压力计读数为0.3mpa时，停止注气，关闭第三旋拧阀；
29.203、实验阶段：打开一根模拟裂缝的气动球阀，通过高速摄影仪记录该模拟裂缝内气体侵入模拟井筒过程，进行单裂缝型储集层在平衡压力条件下的气侵模拟；待气侵结束后，关闭气动球阀，记录各压力计读数；
30.204、放空阶段：打开上旋拧阀、快速阀门、溶洞放空阀和气动球阀，将模拟井筒、模拟溶洞和稳压筒内的流体排空；
31.205、重复步骤201～204，保持第一压力计读数为0.3mpa，改变模拟裂缝和稳压筒内气体压力，使第三压力计读数依次为0.1mpa、0.2mpa、0.4mpa、0.5mpa，并打开不同模拟裂缝上的气动球阀，可完成不同内径的单裂缝型储集层在不同压差条件下的气侵模拟；
32.步骤三：模拟垂直裂缝型储集层气体侵入井筒的实验，其过程如下：
33.301、按照步骤101完成注液阶段；
34.302、按照步骤202完成注气阶段；
35.303、实验阶段：采用两根内径相同的模拟裂缝模拟垂直裂缝，同时打开两根内径相同模拟裂缝的气动球阀，通过高速摄影仪记录该模拟裂缝内气体侵入模拟井筒过程，进行垂直裂缝型储集层在平衡压力条件下的气侵模拟；待气侵结束后，关闭气动球阀，记录各压力计读数；
36.304、放空阶段：打开上旋拧阀、快速阀门、溶洞放空阀和气动球阀，将模拟井筒、模拟溶洞和稳压筒内的流体排空；
37.305、重复步骤301～304，保持第一压力计读数为0.3mpa，改变模拟裂缝和稳压筒内气体压力，使第三压力计读数依次为0.1mpa、0.2mpa、0.4mpa、0.5mpa，并打开不同对的模拟裂缝上的气动球阀，可完成不同内径的垂直裂缝型储集层在不同压差条件下的气侵模拟；
38.步骤四：通过计算机处理系统对收集的压力数据和高速摄影仪采集的数据进行分析。
39.有益效果：
40.1、本发明提供的实验装置可以对溶洞型储集层气体侵入井筒、单裂缝型储集层气体侵入井筒和垂直裂缝型储集层气体侵入井筒分别进行有效的模拟，并且模拟井筒与模拟溶洞的组合可模拟不同裸露面积、不同压差条件下的溶洞气侵；模拟井筒与模拟裂缝的组合可模拟不同裂缝宽度、不同压差条件下的单裂缝气侵和垂直裂缝气侵；通过对实验现象和采集数据的分析，可揭示井筒-缝洞型储集层气液流动特性及溢漏同存流动规律，为理论模型建立提供实验基础。
41.2、本发明提供的实验装置结构简单、设计合理且安装、操作方便，投入成本低，工
作性能可靠且模拟效果好，实用价值高，具有较为广泛的推广应用前景。
42.3、利用本发明的实验装置及方法，实验测试结果获取简单，实验测量数据准确，能反映实验过程中的客观事实，实现井筒-缝洞型储集层气液流动规律的直观可视化的研究。
附图说明
43.图1是模拟缝洞型储集层气体侵入井筒的实验装置的结构示意图；
44.图2是模拟缝洞型储集层气体侵入井筒的实验装置的高速摄影系统示意图；
45.图中：1、模拟井筒；11、上测压管线；111、上旋拧阀；112、上压力计；12、下测压管线；121、下旋拧阀；122、下压力计；13、注液管线；131、第一旋拧阀；132、第一压力计；2、模拟溶洞；21、快速阀门；22、溶洞放空管线；221、溶洞放空阀；23、溶洞注气管线；231、第二旋拧阀；232、第二压力计；3、模拟裂缝；31、稳压筒；32、裂缝注气管线；321、第三压力计；322、第三旋拧阀；33、裂缝放空管线；331、裂缝放空阀；34、气动球阀；41、高速摄影仪；42、光源。
具体实施方式
46.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
47.以下实施例中所使用的钻井液为羧甲基纤维素水溶液(cmc溶液)，用于模拟具有非牛顿流体性质的现场用钻井液；气体为采用甲烷气体(ch4)，用于模拟溶洞、裂缝性气藏气体。
48.实施例1
49.如图1～2所示，一种模拟缝洞型储集层气体侵入井筒的实验装置，包括模拟井筒1、注入系统、裂缝模拟系统、溶洞模拟系统和高速摄影系统；
50.所述模拟井筒1一侧设置有注入系统，另一侧设置有裂缝模拟系统，下方设置有溶洞模拟系统；所述模拟井筒长为6000mm，内径为200mm，材质为有机玻璃，至少可以承受0.6mpa的压力。
51.所述注入系统包括连接至模拟井筒1侧壁的上测压管线11、下测压管线12和注液管线13；所述上测压管线1上设置有上旋拧阀111和上压力计112，位于模拟井筒1顶端，用于测量和控制模拟井筒内该位置处的流体压力；所述下测压管线12上设置有下旋拧阀121和下压力计122，位于距离模拟井筒1的底端500mm处，用于测量和控制模拟井筒内该位置处的流体压力；所述注液管线13上设置有第一旋拧阀131和第一压力计132，位于模拟井筒1底端，用于测量和控制注入模拟井筒的实验用钻井液在该位置处的压力。
52.所述裂缝模拟系统包括稳压筒31，稳压筒31上方连接有裂缝注气管线32，下方连接有裂缝放空管线33，侧面通过模拟裂缝3连接至模拟井筒1侧壁；所述稳压筒31的长度为1000mm，内径为100mm，材质为有机玻璃，至少可以承受0.6mpa的压力，用于给模拟裂缝提供稳压气体。所述裂缝注气管线32上设置有第三旋拧阀322和第三压力计321，用于测量和控制注入稳压筒内的气体压力；所述裂缝放空管线33上设置有裂缝放空阀331，用于实现稳压筒或模拟裂缝内流体的排放。所述模拟裂缝3为可以通过气体的管道，材质为有机玻璃，至
少可以承受0.6mpa的压力，设置有2组，每组3条，内径分别为1、2、3mm，平行水平排列，相邻模拟裂缝3之间的距离为100mm，长度为600mm，用于模拟实际钻井中的气藏裂缝；所述模拟裂缝3上设置有气动球阀34。
53.所述溶洞模拟系统包括模拟溶洞2，模拟溶洞2下方分别连接有溶洞放空管线22和溶洞注气管线23；所述模拟溶洞2的长度为1000mm，内径与模拟井筒保持一致，材质为有机玻璃，可以承受至少0.6mpa的压力。所述模拟井筒2和溶洞模拟系统连接处设置有快速阀门21，通过快速阀门21控制气体进入和排出模拟井筒1。所述溶洞放空管线22上设置有溶洞放空阀221，用于实现模拟井筒或模拟溶洞内流体的排放；所述溶洞注气管线23上设置有第二旋拧阀231和第二压力计232，用于测量和控制注入模拟溶洞内的气体压力。
54.所述高速摄影系统由高速摄影仪41和光源42组成，所述高速摄影仪41位于模拟井筒1、或模拟溶洞2、或模拟裂缝3的一侧，光源42位于另外一侧，高速摄影仪41、光源42与采集数据的位置三者在同一直线上，用于记录模拟溶洞2、模拟裂缝3以及二者与模拟井筒1交界处的气液两相流动过程。
55.实施例2
56.利用实施例1所述装置模拟溶洞型储集层气体侵入井筒的实验方法，具体包括以下步骤：
57.101、注液阶段：关闭快速阀门、下旋拧阀和气动球阀，打开上旋拧阀和第一旋拧阀，将钻井液注入模拟井筒；当第一压力计读数为0.3mpa时，停止注入，关闭上旋拧阀和第一旋拧阀，记录上压力计、下压力计和第一压力计的读数；
58.102、注气阶段：关闭溶洞放空阀，打开第二旋拧阀，将气体注入模拟溶洞；当第二压力计读数为0.3mpa时，停止注气，关闭第二放空阀；
59.103、实验阶段：打开快速阀门，通过高速摄影仪记录模拟溶洞内气体侵入模拟井筒过程，进行溶洞型储集层在平衡压力条件下的气侵模拟；待气侵结束后，关闭快速阀门，记录各压力计读数；
60.104、放空阶段：打开上旋拧阀、快速阀门和溶洞放空阀，将模拟井筒和模拟溶洞内的流体排空；
61.105、重复步骤101～104，保持第一压力计读数为0.3mpa，改变模拟溶洞内气体压力，使第二压力计读数依次为0.1mpa、0.2mpa、0.4mpa、0.5mpa，完成溶洞型储集层在不同压差条件下的气侵模拟；
62.106、通过计算机处理系统对收集的压力数据和高速摄影仪采集的数据进行分析。
63.实施例3
64.利用实施例1所述装置模拟单裂缝型储集层气体侵入井筒的实验方法，具体包括以下步骤：
65.101、注液阶段：关闭快速阀门、下旋拧阀和气动球阀，打开上旋拧阀和第一旋拧阀，将钻井液注入模拟井筒；当第一压力计读数为0.3mpa时，停止注入，关闭上旋拧阀和第一旋拧阀，记录上压力计、下压力计和第一压力计的读数；
66.102、注气阶段：关闭裂缝放空阀，打开第三旋拧阀，将已配好的实验用气体注入模拟裂缝和稳压筒；当第三压力计读数为0.3mpa时，停止注气，关闭第三旋拧阀；
67.103、实验阶段：打开一根模拟裂缝的气动球阀，通过高速摄影仪记录该模拟裂缝
内气体侵入模拟井筒过程，进行单裂缝型储集层在平衡压力条件下的气侵模拟；待气侵结束后，关闭气动球阀，记录各压力计读数；
68.104、放空阶段：打开上旋拧阀、快速阀门、溶洞放空阀和气动球阀，将模拟井筒、模拟溶洞和稳压筒内的流体排空；
69.105、重复步骤101～104，保持第一压力计读数为0.3mpa，改变模拟裂缝和稳压筒内气体压力，使第三压力计读数依次为0.1mpa、0.2mpa、0.4mpa、0.5mpa，并打开不同模拟裂缝上的气动球阀，可完成不同内径的单裂缝型储集层在不同压差条件下的气侵模拟；
70.106、通过计算机处理系统对收集的压力数据和高速摄影仪采集的数据进行分析。
71.实施例4
72.利用实施例1所述装置模拟垂直裂缝型储集层气体侵入井筒的实验方法，具体包括以下步骤：
73.101、注液阶段：关闭快速阀门、下旋拧阀和气动球阀，打开上旋拧阀和第一旋拧阀，将钻井液注入模拟井筒；当第一压力计读数为0.3mpa时，停止注入，关闭上旋拧阀和第一旋拧阀，记录上压力计、下压力计和第一压力计的读数；
74.102、注气阶段：关闭裂缝放空阀，打开第三旋拧阀，将已配好的实验用气体注入模拟裂缝和稳压筒；当第三压力计读数为0.3mpa时，停止注气，关闭第三旋拧阀；
75.103、实验阶段：采用两根内径相同的模拟裂缝模拟垂直裂缝，同时打开两根内径相同模拟裂缝的气动球阀，通过高速摄影仪记录该模拟裂缝内气体侵入模拟井筒过程，进行垂直裂缝型储集层在平衡压力条件下的气侵模拟；待气侵结束后，关闭气动球阀，记录各压力计读数；
76.104、放空阶段：打开上旋拧阀、快速阀门、溶洞放空阀和气动球阀，将模拟井筒、模拟溶洞和稳压筒内的流体排空；
77.105、重复步骤101～104，保持第一压力计读数为0.3mpa，改变模拟裂缝和稳压筒内气体压力，使第三压力计读数依次为0.1mpa、0.2mpa、0.4mpa、0.5mpa，并打开不同对的模拟裂缝上的气动球阀，可完成不同内径的垂直裂缝气藏在不同压差条件下的气侵模拟；
78.106、通过计算机处理系统对收集的压力数据和高速摄影仪采集的数据进行分析。
79.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。