技术领域

[0001] 本发明涉及油气钻采室内实验装置研究领域， 特别涉及一种井筒与地层裂缝耦 合流动模拟实验装置及实验方法。

背景技术

[0002] 在油气钻采中， 钻遇裂缝是一种常见的工程现象， 一旦裂缝与地层流体连通， 井筒周围裂缝就会成为油藏油气渗流的主要通 道， 裂缝常常造成井筒压力控制 困难、 设计裂缝支撑剂困难等工程难题。 因此研究井筒、 地层与井周裂缝中流 体流动对油气产能预测、 井筒压力控制、 裂缝性岩层漏失堵漏以及合理压裂液 支撑剂方案设计等方面都有重大意义。

[0003] 裂缝与井筒的流动是一个连续耦合的整体， 二者的流动状态是相互制约影响的 ， 而当前国内将井筒与裂缝的流体流动结合起来 研究的实验方法较少， 绝大部 分实验设备都是针对井筒流动或裂缝的流动单 独研究， 而且没有考虑实际井筒 地层中流体成分、 压力等情况。

[0004] 总的来说， 目前室内实验设备普遍缺乏考虑相对全面的井 筒与地层流体流动耦 合的实验装置和方法。 专利"一种井筒裂缝模拟装置" （CN102305045A) 通过在 模拟井筒上接入一根裂缝管模拟钻井漏失过程 ， 没有考虑地层具体情况。 专利" 用于研究裂缝性地层溢漏同存发生机理的研究 装置" （CN204098907U) 用一块 缝板连接模拟井筒与模拟地层， 用于评价裂缝性地层溢漏同存机理， 虽同吋考 虑了井筒与地层的情况， 但没有考虑地层流体与钻井液气液置换。

[0005] 目前国内文献涉及井筒裂缝流动置换装置及方 法研究很少， 许多文献没有考虑 实际井筒中复杂流动问题和模拟地层压力控制 （舒刚.裂缝性地层钻井溢漏同存 流动规律及模型研究 [D].西南石油大学, 2012； 蒋廷学,姜东.考虑井筒流动的垂 直裂缝井稳态产能计算模型 [J].石油钻采工艺, 2001, 23(4):50-53； 刘宇.复杂条件 下垂直裂缝井压力动态及产能研究 [D].大庆石油学院东北石油大学 , 2006) 。 也 有关于气液置换装置方面的研究 （李之军.垂直裂缝地层气液置换及钻井液防� � 侵封堵技术研究 [D].西南石油大学 , 2014) ， 但没有模拟地层条件， 同吋没有考 虑井筒中环流对流动的影响。 所以， 目前少有考虑流体在裂缝、 井筒与地层中 流动的相互影响关系的研究， 同吋室内实验设备普遍缺乏考虑相对全面的井 筒 与地层流体流动耦合的实验装置和方法。 因此建立适用于实际钻遇裂缝的井筒 与裂缝流动的实验装置， 对于钻完井裂缝研究具有十分重要的意义。

技术问题

[0006] 本发明的目的在于提供一种井筒与地层裂缝耦 合流动模拟实验装置， 该装置模 拟钻遇地层裂缝吋地层流体与井筒循环钻井液 的流动置换， 可控制模拟井筒钻 井液流速、 井筒压力、 模拟地层流体气液比例、 地层压力等条件， 还可同吋模 拟两套裂缝流动， 能够更全面地反映裂缝对井筒流动的影响。

[0007] 本发明的另一目的还在于提供利用上述装置对 井筒与地层裂缝耦合流动进行模 拟实验的方法， 该方法原理可靠， 操作简便， 结合钻完井工程实际， 综合考虑 了裂缝流动、 井筒流动与地层条件影响因素， 可为井筒与地层裂缝耦合流动的 深入研究提供更为准确可信的数据支持和理论 基础， 克服了现有技术的缺陷和 不足。

问题的解决方案

技术解决方案

[0008] 为达到以上技术目的， 本发明采用以下技术方案。

[0009] 一种井筒与地层裂缝耦合流动模拟实验装置， 包括模拟井筒流动系统、 模拟地 层系统、 模拟裂缝系统和数据采集系统构成。

[0010] 所述模拟井筒流动系统包括模拟井筒、 模拟钻杆、 钻井液储存罐、 螺杆泵和控 制井筒流动的多个阀门； 螺杆泵连接钻井液储存罐与模拟钻杆入口端； 模拟钻 杆位于模拟井筒中央； 所述钻井液储存罐中包含搅拌电机； 所述控制井筒流动 的多个阀门包括螺杆泵与模拟钻杆入口之间的 液体调压阀和单向阀、 模拟井筒 与分离罐之间的恒压溢流阀。

[0011] 所述模拟地层系统包括模拟地层、 清水储存罐、 储气罐、 分离罐、 螺杆泵、 气 体空压机和控制地层流动的多个阀门； 清水储存罐中水和储气罐中气体汇合液 路为气液汇合处， 螺杆泵位于清水储存罐与气液汇合处之间； 气体空压机位于 储气罐外部； 模拟地层连接分离罐， 分离罐连接清水储存罐； 所述控制地层流 动的多个阀门包含位于模拟地层与分离罐之间 的恒压溢流阀、 螺杆泵与模拟地 层之间的单向阀、 储气罐与模拟地层之间的单向阀； 所述储气罐中设有安全阀 、 压力表和通气幵关。

[0012] 所述模拟裂缝系统包括上下两套模拟裂缝， 每套模拟裂缝为两块平行的透明树 脂板构成的空间， 模拟裂缝两侧分别连接模拟井筒与模拟地层， 模拟裂缝的正 面均有有高清摄像机。

[0013] 所述数据采集系统包括气体流量计、 两个个液体流量计、 多个压力传感器、 两 台高清摄像机、 计算机； 气体流量计位于储气罐与模拟地层之间； 液体流量计 位于钻井液储存罐与模拟钻杆之间、 清水储存罐与模拟地层之间； 压力传感器 位于模拟井筒的井口和井底、 模拟地层的上端和下端， 每个模拟裂缝的上下左 右各处均有压力传感器； 高清摄像机位于模拟裂缝正面； 计算机接口连接各压 力传感器， 配套软件安装于计算机中。

[0014] 所述模拟井筒采用透明玻璃管材料， 所述模拟钻杆采用 PVC管， 钻井液从模拟 钻杆经模拟井筒环空流出， 模拟钻井过程中钻井液的流动状态； 所述模拟地层 中包含气液两相流体， 并通过恒压溢流阀控制其内部压力恒定， 用于模拟地层 油气状态以及地层流体压力， 并通过一排液阀门连接分离罐， 用于返排液体； 所述模拟井筒流动系统中螺杆泵配套有供液阀 、 出口端压力表以及输液阀， 用 于将钻井液储存罐中的流体泵入模拟钻杆； 所述模拟地层系统中螺杆泵同样配 套有供液阀、 出口端压力表以及输液阀， 用于将清水储存罐中流体泵入模拟地 层。

[0015] 所述模拟井筒流动系统中， 恒压溢流阀用于控制模拟钻杆中压力恒定， 当模拟 钻杆内部压力超过限定值， 流体则通过恒压溢流阀流入钻井液储存罐， 以此来 控制模拟钻杆内部压力恒定； 所述模拟地层系统中， 恒压溢流阀用于控制模拟 地层中压力恒定， 当模拟地层内部压力超过限定值， 流体则通过恒压溢流阀流 入分离罐， 以此来控制模拟地层内部压力恒定。

[0016] 所述模拟井筒流动系统中， 单向阀用于控制流体流向， 使模拟钻杆中流体不至 于倒流入钻井液储存罐， 控制液路流动方向符合实际钻井过程中的流体 流动状 态； 所述模拟地层系统中清水储存罐与模拟地层之 间的单向阀， 储气罐与模拟 地层之间的单向阀， 二者均用于控制该液路或气路流体不回流， 使气液有效混 合后能够进入模拟地层， 当模拟地层中流体压力过高吋从溢流阀返出而 不回流 发明的有益效果

有益效果

[0017] 与现有技术相比， 本发明具有如下有益效果：

[0018] (1) 本发明能够模拟不同钻井液、 不同井筒压力、 不同地层流体、 不同地层 压力环境下的井筒与裂缝中流体流动情况， 结合工程实际， 为石油幵采中裂缝 流动及其影响规律的研究提供了一种实验方法 ；

[0019] (2) 本发明功能齐全、 考虑完善、 操作简单， 对钻井裂缝流动相关工程实际 意义重大。

对附图的简要说明

附图说明

[0020] 图 1是一种井筒与地层裂缝耦合流动模拟实验装� �的结构示意图。

[0021] 图中： 1.高清摄像机， 2.液体调压阀， 3.液体流量计， 4.钻井液储存罐， 5.搅拌 电机， 6.单向阀， 7.压力传感器， 8.模拟井筒， 9.模拟钻杆， 10.恒压溢流阀， 11. 模拟裂缝， 12.模拟地层， 13.气体调压阀， 14.分离罐， 15.储气罐， 16.气体空压 机， 17.清水储存罐， 18.钻井液螺杆泵， 19.清水螺杆泵， 20.气体流量计。

本发明的实施方式

[0022] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明 。

[0023] 如图 1所示。

[0024] 一种井筒与地层裂缝耦合流动模拟实验装置， 由模拟井筒流动系统、 模拟地层 系统、 模拟裂缝系统和数据采集系统组成。

[0025] 所述模拟井筒流动系统包括模拟井筒 8、 模拟钻杆 9、 钻井液储存罐 4、 搅拌电 机 5、 钻井液螺杆泵 18， 模拟钻杆 9位于模拟井筒 8中央， 钻井液储存罐 4中有搅 拌电机 5， 钻井液螺杆泵 18通过钻井液储存罐 4连接模拟钻杆 9入口端。

[0026] 所述模拟地层系统包括模拟地层 12、 清水储存罐 17、 分离罐 14、 储气罐 15、 气 体空压机 16、 清水螺杆泵 19， 储气罐 15连接气体空压机 16， 并通过气体调压阀 1 3连接模拟地层 12， 清水螺杆泵 19通过清水储存罐 17连接模拟地层 12， 模拟地层 12连接分离罐 14。

[0027] 所述模拟裂缝系统包括上下两套模拟裂缝 11， 每套模拟裂缝为两块平行的透明 树脂板构成的空间， 模拟裂缝两侧分别连接模拟井筒 8与模拟地层 12， 模拟裂缝 的正面均有高清摄像机 1。

[0028] 所述数据采集系统包括气体流量计 20、 液体流量计 3、 压力传感器 7、 高清摄像 机 1、 计算机， 储气罐与模拟地层之间有气体流量计 20， 钻井液储存罐 4与模拟 钻杆 9之间、 清水储存罐 17与模拟地层 12之间有液体流量计 3， 模拟井筒的井口 和井底、 模拟地层的上端和下端、 模拟裂缝均连有压力传感器 7， 模拟裂缝正面 有高清摄像机 1， 所述气体流量计、 液体流量计、 压力传感器、 高清摄像机均连 接计算机。

[0029] 所述钻井液螺杆泵 18与模拟钻杆 9入口端之间， 清水螺杆泵 19与模拟地层 12之 间均有液体调压阀 2和单向阀 6， 用以控制流体的单向流动。

[0030] 所述模拟井筒 8与钻井液储存罐 4之间， 模拟地层 12与分离罐 14之间均有恒压溢 流阀 10， 用以控制模拟井筒和模拟地层内部的压力恒定 。

[0031] 利用上述装置对井筒与地层裂缝耦合流动进行 模拟实验的方法， 依次包括以下 步骤：

[0032] (1) 钻井液储存罐 4中钻井液通过钻井液螺杆泵 18并经过液体调压阀 2和单向 阀 6泵入模拟钻杆 9， 然后通过模拟井筒 8环空返出， 经过恒压溢流阀 10返出到钻 井液储存罐 4中， 期间通过液体调压阀 2、 恒压溢流阀 10调节模拟井筒中流体压 力， 模拟实际井筒环境；

[0033] (2) 清水储存罐 17中水通过清水螺杆泵 19经过液体调压阀 2和单向阀 6流入模 拟地层 12， 同吋气体空压机 16将储气罐 15中的气体经过气体调压阀 13和单向阀 6 压入模拟地层， 气液混合后进入模拟地层 12;

[0034] (3) 模拟地层 12溢出流体经过恒压溢流阀 10进入分离罐 14分离后返回清水储 存罐 17， 期间通过液体调压阀、 气体调压阀和恒压溢流阀调节模拟地层气液含 量与模拟地层压力， 模拟地层环境；

[0035] (4) 打幵模拟裂缝 11幵关， 模拟井筒裂缝耦合流动。

[0036]

[0037] 实施例 1 对井筒与地层裂缝耦合流动进行模拟实验的具 体步骤如下：

[0038] a、 实验前期准备：

[0039] 安装模拟裂缝并关闭两侧幵关； 检査储存罐中流体是否充足； 将所有阀门均设 为关闭状态； 幵启数据采集系统， 査看数据显示是否正常； 检査所有仪器仪表 是否工作正常；

[0040] b、 幵启实验设备：

[0041] 打幵模拟井筒流动系统端阀门， 形成通路， 此吋幵启螺杆泵， 使模拟井筒流动 系统端液路形成通路； 打幵模拟地层系统端阀门， 打幵螺杆泵、 气体空压机； [0042] c、 进行裂缝流动模拟实验：

[0043] 首先， 设定模拟井筒流动系统端液体调压阀与恒压溢 流阀的压力为一定值， 使 模拟井筒条件达到实验设计情况； 调节模拟地层系统端液体调压阀、 气体调压 阀与恒压溢流阀的压力为一定值， 使模拟地层条件达到实验设计情况； 打幵气 体流量计、 液体流量计， 关闭主液路阀门， 记录流体流入流量； 打幵高清摄像 机记录裂缝面流动情况； 打幵模拟裂缝两侧幵关， 使模拟井筒与地层流体在裂 缝空间内耦合流动； 实验完成后， 关闭螺杆泵与气体空压机； 关闭各个阀门； 排出废液；

[0044] d、 实验结果整理：

[0045] 收集高清摄像资料； 整理数据采集系统采集数据， 分析数据。