一种调剖剂封窜模拟实验用的防管壁窜流填砂管的制作方法

本发明涉及油气田开发实验技术领域，特别是涉及一种调剖剂封窜模拟实验用的防管壁窜流填砂管。

背景技术：

填砂管模型，是室内调剖剂封窜物理模拟实验中常用的驱替实验装置，通过利用不同目数的砂子对填砂管进行填充压实，以较好的模拟地层孔隙度、渗透率、非均质性等参数。因此，利用填砂管进行物理实验模拟，实验结果更接近实际，砂子(即实验用砂)不但可以从填砂管中取出，便于剖开观察驱替后实验流体(例如蒸馏水)在砂子内部的流动情况，而且砂子可以进行重复利用，节省实验成本。但是，如果实验流体从填砂管内壁窜流，而不是从砂子颗粒间的孔隙喉道中驱替，实际的实验结果将会严重失真，失去研究意义。

现有填砂管模型，针对实验流体沿填砂管内壁窜流的问题，多采用对填砂管内壁表面进行磨砂处理或者在填砂管内壁附上环氧树脂加砂等材料，通过增加填砂管内壁与砂子的接触面积，减弱了实验流体沿管内壁窜流影响。但是，由于填砂管内砂子为非胶结砂，传统填砂方法从填砂管两端挤压填充，很难做到浆管内砂子均匀压实。因此，在驱替实验过程中，砂子颗粒受带压实验流体的拖曳，会出现蠕动、移动，从而导致填砂管管壁与砂子颗粒间，仍会出现实验流体的窜流问题。

因此，仅仅依靠改变填砂管内壁的材料或者表面结构处理工艺，并不能从根本上有效解决在驱替实验过程中实验流体沿填砂管内壁窜流的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种调剖剂封窜模拟实验用的防管壁窜流填砂管，其能够有效地解决在驱替实验过程中，实验流体沿填砂管内壁窜流的问题，从而保证驱替实验的实践结果的准确性，具有重大的实践意义。

为此，本发明提供了一种调剖剂封窜模拟实验用的防管壁窜流填砂管，包括填砂管筒；

填砂管筒内沿着轴向设置有多个内衬密封环；

多个内衬密封环的内侧两端，分别设置有顶部多孔垫块和底部多孔垫块；

位于顶部多孔垫块和底部多孔垫块之间的多个内衬密封环的内侧腔室，填充有实验用砂；

填砂管筒的两端，分别螺纹连接有一个密封盖。

其中，多个内衬密封环具体包括多个橡胶密封环和多个钢质密封环；

填砂管筒内沿着轴向，交替设置有多个橡胶密封环和多个钢质密封环；

任意相邻的橡胶密封环和钢质密封环在轴向上贴合紧密；

橡胶密封环位于填砂管筒的外侧两端。

其中，橡胶密封环和钢质密封环的外侧表面，与填砂管筒内壁之间，涂抹有一层密封油脂。

其中，橡胶密封环的横截面形状为等腰梯形，钢质密封环的横截面形状为等腰三角形。

其中，钢质密封环和橡胶密封环的尺寸大小、个数与填砂管筒的长度l和内径d有关，满足如下的关系：

h/d＝0.05～0.15；b/l＝0.05～0.1；a/b＝0.4～0.8；n2＝l/b；

l1＝b-a；n1＝n2-1；

其中：h为密封环厚度；n1为钢质密封环个数；n2为橡胶密封环的个数；l1为钢质密封环的轴向宽度；a为橡胶密封环的横截面等腰梯形上底边长；b为橡胶密封环的横截面等腰梯形下底边长。

其中，密封盖的中心位置具有一个轴向分布的流体进出口；

密封盖朝向填砂管筒的侧面外边缘，具有环形的套接筒；

套接筒的内壁具有内螺纹，对应地，填砂管筒两端外壁具有外螺纹，套接筒与填砂管筒两端螺纹连接；

密封盖朝向填砂管筒的侧面，在与内衬密封环相对应的位置，具有环形的楔子。

其中，楔子的壁厚h，等于橡胶密封环和钢质密封环的厚度；

橡胶密封环和钢质密封环的厚度相等。

其中，楔子的顶部斜切角，与橡胶密封环和钢质密封环的斜切角相等，均为α，α＜80°。

其中，顶部多孔垫块和底部多孔垫块，在朝向实验用砂的一侧，还分别设置有一个钢丝筛网；

钢丝筛网的孔径，小于实验用砂的粒径；

顶部多孔垫块和底部多孔垫块朝向实验用砂的一面为平整面；

顶部多孔垫块和底部多孔垫块朝向密封盖的一侧，均为四周环形的凸起；

顶部多孔垫块和底部多孔垫块沿着轴向方向，等间隔分布有多个内径相同的导流孔；

顶部多孔垫块和底部多孔垫块，分别被位于填砂管筒外侧两端的橡胶密封环所挤压固定。

其中，顶部多孔垫块和底部多孔垫块，其尺寸大小满足如下关系：

dk＝d-2h；d/dk＝0.05～0.10；hd＝hmx+b；hk＝(hmx+3b)/3；

其中，dk为顶部多孔垫块和底部多孔垫块的外径；d为填砂管筒的内径；h为橡胶密封环和钢质密封环的厚度；d为导流孔的孔径；hd为底部多孔垫块的高度；hk为顶部多孔垫块的高度；hmx为密封盖内的楔子的长度；b为橡胶密封环的横截面等腰梯形的下底边长。

由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种调剖剂封窜模拟实验用的防管壁窜流填砂管，其能够有效地解决在驱替实验过程中，实验流体沿填砂管内壁窜流的问题，从而保证驱替实验的实践结果的准确性，具有重大的实践意义。

附图说明

图1为本发明提供的一种调剖剂封窜模拟实验用的防管壁窜流填砂管的整体结构剖面图；

图2为本发明提供的一种调剖剂封窜模拟实验用的防管壁窜流填砂管中具有的密封环(橡胶密封环和钢质密封环)的横截面受力分析示意图；

图3为本发明提供的一种调剖剂封窜模拟实验用的防管壁窜流填砂管中位于左端的密封盖的轴向截面图；

图4为本发明提供的一种调剖剂封窜模拟实验用的防管壁窜流填砂管中位于左端的密封盖具有的楔子的分布角度示意图；

图5为本发明提供的一种调剖剂封窜模拟实验用的防管壁窜流填砂管中位于左端的密封盖的右视图；

图6为本发明提供的一种调剖剂封窜模拟实验用的防管壁窜流填砂管中的顶部多孔垫块，朝向密封盖的侧面(即左侧面)的结构示意图；

图7为本发明提供的一种调剖剂封窜模拟实验用的防管壁窜流填砂管中的顶部多孔垫块的轴向截面图；

图8为本发明提供的一种调剖剂封窜模拟实验用的防管壁窜流填砂管中的顶部多孔垫块，与实验用砂的接触面(即右侧面)的结构示意图；

图9为本发明提供的一种调剖剂封窜模拟实验用的防管壁窜流填砂管中一段填砂管筒具有橡胶密封环和钢质密封环时的轴向截面图；

图10为图9所示一段填砂管筒具有橡胶密封环和钢质密封环时的立体结构示意图；

图11为本发明提供的一种调剖剂封窜模拟实验用的防管壁窜流填砂管中钢质密封环的径向分布角度简图；

图12为本发明提供的一种调剖剂封窜模拟实验用的防管壁窜流填砂管中橡胶密封环的径向分布角度简图；

图中：1为密封盖；2为填砂管筒；3为顶部多孔垫块；4为橡胶密封环；5为钢质密封环；6为实验用砂；7为钢丝筛网；8为底部多孔垫块；

10为流体进出口，11为套接筒，12为楔子，20为导流孔。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参见图1至图12，本发明提供了一种调剖剂封窜模拟实验用的防管壁窜流填砂管，包括填砂管筒2；

填砂管筒2内沿着轴向设置有多个内衬密封环；

多个内衬密封环的内侧两端，分别设置有顶部多孔垫块3和底部多孔垫块8；

位于顶部多孔垫块3和底部多孔垫块8之间的多个内衬密封环的内侧腔室，填充有实验用砂6；

填砂管筒2的两端，分别螺纹连接有一个密封盖1。

在本发明中，具体实现上，参见图1所示，多个内衬密封环具体包括多个橡胶密封环4和多个钢质密封环5；

填砂管筒2内沿着轴向，交替设置有多个橡胶密封环4和多个钢质密封环5；

任意相邻的橡胶密封环4和钢质密封环5在轴向上贴合紧密。

具体实现上，橡胶密封环4位于填砂管筒2的外侧两端。

具体实现上，橡胶密封环4和钢质密封环5的外侧表面，与填砂管筒2内壁之间，涂抹有一层密封油脂。该密封油脂，优选为现有的耐高温的密封油脂。

具体实现上，橡胶密封环4的横截面形状为等腰梯形，钢质密封环5的横截面形状为等腰三角形。

需要说明的是，对于本发明，内衬密封环分为钢质密封环5和橡胶密封环4两种。其中，钢质密封环5的横截面为等腰三角形，不发生变形，根据实验流体类型，材质选用316l不锈钢。橡胶密封环4的横截面为等腰梯形，在力的作用下可发生弹性变形,根据实验流体类型，材质可选用耐油丁晴橡胶和耐油耐化学腐蚀氟橡胶中的一种，压缩率和伸长率为1～10％。钢质密封环5和橡胶密封环4的厚度相等，均为h。

具体实现上，钢质密封环5和橡胶密封环4的尺寸大小、个数与填砂管筒2的长度l和内径d有关，应满足如下的关系：

h/d＝0.05～0.15；b/l＝0.05～0.1；a/b＝0.4～0.8；n2＝l/b；

l1＝b-a；n1＝n2-1；

其中：h为密封环厚度；n1为钢质密封环个数；n2为橡胶密封环4的个数；l1为钢质密封环5的轴向宽度；a为橡胶密封环4的横截面等腰梯形上底边长；b为橡胶密封环4的横截面等腰梯形下底边长。具体可以参见图11和图12所示。

需要说明的是，橡胶密封环4是塑性密封环，钢质密封环5是刚性密封环。

在本发明中，具体实现上，参见图3至图5所示，密封盖1的中心位置具有一个轴向分布的流体进出口10；

密封盖1朝向填砂管筒2的侧面外边缘，具有环形的套接筒11；

套接筒11的内壁具有内螺纹，对应地，填砂管筒2两端外壁具有外螺纹，套接筒11与填砂管筒2两端螺纹连接；

密封盖1朝向填砂管筒2的侧面，在与内衬密封环(具体为橡胶密封环4)相对应的位置，具有环形的楔子12。

具体实现上，楔子12的壁厚h，等于橡胶密封环4和钢质密封环5的厚度；

橡胶密封环4和钢质密封环5的厚度相等。

具体实现上，楔子12的顶部斜切角，与橡胶密封环4和钢质密封环5的斜切角相等，均为α，α＜80°，如附图4、图11和图12所示。

需要说明的是，密封盖1由于与填砂管筒2两端螺纹连接，其在拧紧过程中，其具有的环形的楔子12，将对应挤压内衬密封环(具体为橡胶密封环4)。

对于本发明，还需要说明的是，参见图1、图2所示，本发明在填砂管内设置多个刚性和塑性相间的内衬密封环(即橡胶密封环4和钢质密封环5)，在填砂管两端的密封盖持续拧紧的过程中，密封盖内的环形的楔子12，将逐渐推动钢质密封环5和橡胶密封环4，沿着填砂管筒2的长轴方向的相互挤压，挤压作用力f1通过斜切力的传递，使得塑性密封环受到指向填砂管中心轴的分力f2z，如附图2所示。塑性密封环4挤压填砂管筒2内的实验用砂6(即砂子)，实验用砂6被进一步压实，同时塑性密封环4发生弹性的形变，使得塑性密封环4的内壁与填砂管筒2内的砂子紧密接触，有效防止出现实验流体沿填砂管内壁窜流的问题。

需要说明的是，对于本发明，参见图6至图8，顶部多孔垫块3和底部多孔垫块8，其用于对实验流体进行导流。竖立填砂管，在填砂过程中，放置在填砂管底部的底部多孔垫块8起支撑作用，放置在填砂管顶部的顶部多孔垫块3起紧固、卡位作用，顶部多孔垫块3和底部多孔垫块8的形状、构造基本相同，区别只是在于轴向的长度不同。

在本发明中，具体实现上，顶部多孔垫块3和底部多孔垫块8，在朝向实验用砂6的一侧，还分别设置有一个钢丝筛网7；

钢丝筛网7的孔径，小于实验用砂6的粒径。

具体实现上，顶部多孔垫块3和底部多孔垫块8朝向实验用砂6的一面为平整面。

具体实现上，顶部多孔垫块3和底部多孔垫块8朝向密封盖1的一侧，均为四周环形的凸起。

具体实现上，顶部多孔垫块3和底部多孔垫块8，其主体部分均为圆柱形；

顶部多孔垫块3和底部多孔垫块8沿着轴向方向，等间隔分布有多个内径相同的导流孔20。

具体实现上，顶部多孔垫块3和底部多孔垫块8，分别被位于填砂管筒2外侧两端的橡胶密封环4所挤压固定。

需要说明的是，对于本发明，顶部多孔垫块3和底部多孔垫块8，其尺寸大小满足如下关系：

dk＝d-2h；d/dk＝0.05～0.10；hd＝hmx+b；hk＝(hmx+3b)/3；

其中，dk为顶部多孔垫块3和底部多孔垫块8的外径；d为填砂管筒2的内径；h为内侧密封环(即橡胶密封环4和钢质密封环5)的厚度；d为导流孔20的孔径；hd为底部多孔垫块8的高度；hk为顶部多孔垫块3的高度；hmx为密封盖1内的楔子12的长度(参见图4所示)；b为橡胶密封环4的横截面等腰梯形的下底边长。

为了更加清楚地理解本发明的技术方案，下面，就本发明的填砂管的装置过程进行说明。

首先，如附图1所示，在填砂管未填砂之前，向填砂管筒内壁、钢质密封环与橡胶密封环表面均匀涂抹一薄层耐高温的密封油脂。所选择的钢丝筛网的孔径要求小于实验用砂的粒径，并裁剪成与多孔垫块(底部多孔垫块8和顶部多孔垫块3)外径大小相等的圆形片状筛网。

具体装配、制作步骤如下：

1、在填砂管筒2内交替放置多个钢质密封环5与橡胶密封环4，密封环之间贴合紧密。保证橡胶密封环在填砂管筒外侧两端。

2、在填砂管筒2的一端依次放入钢丝筛网7、底部多孔垫块8，拧上密封盖1至填砂管筒2，直至螺丝扣纹上满为止，保证密封盖1内环形的楔子与橡胶密封圈4贴合紧密。

3、将填砂管筒2竖立，已经拧上密封盖1的一端朝下，在填砂管筒2敞口的另一端，按照常规填砂方法，分批次倒入实验用砂，并压实。填砂面低于填砂管筒2的端面，保留一个橡胶密封环4不被砂子掩埋。

4、依次放入钢丝筛网7、顶部多孔垫块3，拧紧密封盖1。密封盖1拧紧的扭力5～10n.m，可模拟最大实验流体压力梯度1～5mpa/m以内的防窜实验。

下面结合实施例1、实施例2，说明根据本发明提供的调剖剂封窜模拟实验用的防管壁窜流填砂管的具体装配实现过程。

实施例1。

(一)部件加工及尺寸要求

对于本发明提供的一种模拟实验用防管壁窜流填砂管，由密封盖、顶部多孔垫块、底部多孔垫块、填砂管筒、钢质密封环、橡胶密封环、钢丝筛网七个主要部件组成，如附图1所示。钢丝筛网选择150目。制作长度填砂管筒300mm、内径60mm、壁厚10mm的模拟实验用防管壁窜流填砂管，主要部件部分要求尺寸：

密封盖如附图3至图5所示，密封盖位于填砂管筒的两端。密封盖1内连接环形的楔子，楔子的壁厚h为9.0mm。楔子的长度hmx为30.0mm。

顶部多孔垫块如附图6至图9所示，顶部多孔垫块的外径dk为42.0mm，导流孔的孔径d为2.1mm顶部多孔垫块的高度hk为25.0mm。底部多孔垫块的高度hd可以为45.0mm。顶部多孔垫块和底部多孔垫块，只是轴向的长度不同。

内衬密封环(即钢质密封环和橡胶密封环)如附图9至12所示，分为钢质密封环和橡胶密封环，钢质密封环的材质为316l不锈钢，橡胶密封环为丁晴橡胶，压缩率1％，伸长率1％。钢质密封环和橡胶密封环的厚度h均为9.0mm。钢质密封环的轴向宽度l1为9.0mm，钢质密封环的个数n1为19个，橡胶密封环的横截面等腰梯形上底边长a为6.0mm，橡胶密封环的横截面等腰梯形下底边长b为15.0mm，橡胶密封环的个数n2为20个。

(二)安装使用方法。

准备工作：如附图1所示，在填砂管未填砂之前，向填砂管筒内壁、钢质与橡胶密封环表面均匀涂抹一薄层耐高温密封油脂。将钢丝筛网裁剪成与多孔垫块外径大小相等的圆形片状筛网。

制作步骤：

1、在填砂管筒内交替放置多组钢质与橡胶密封环，密封环之间贴合紧密。保证橡胶密封环在填砂管筒外侧两端。

2、在填砂管筒一端依次放入钢丝筛网、底部多孔垫块，拧上密封盖至填砂管筒上，直至螺丝扣纹上满为止，保证密封盖内连接环形楔子与橡胶密封圈贴合紧密。

3、将填砂管筒竖立，已经拧上密封盖的一端朝下，在填砂管筒敞口的另一端，按照常规填砂方法，分批次倒入实验用砂，并压实。填砂面低于填砂管筒端面，保留一个橡胶密封环不被砂子掩埋。

4、依次放入钢丝筛网、顶部多孔垫块，拧紧密封盖。密封盖拧紧的扭力10.0n.m，可模拟最大实验流体压力梯度5mpa/m以内的防窜实验。

(三)驱替实验对比。

1、按照上述实施例1完成防管壁窜流填砂管组装。对比用常规填砂管为内壁磨砂化处理，管壁长度300mm，内径42mm。防管壁窜流填砂管、对比用常规填砂管填制90目石英砂总量相等的总质量均为588g。

2、采用平流泵2ml/min注入速度，向填砂管内注入1倍孔隙体积的蒸馏水，测得防管壁窜流填砂管孔隙度22％、渗透率205毫达西，对比用常规填砂管孔隙度25％、渗透率320毫达西。

3、采用平流泵2ml/min注入速度，向填砂管内注入20倍孔隙体积的蒸馏水，再次测得防管壁窜流填砂管渗透率260毫达西，对比用常规填砂管渗透率1.2达西。

实施例2。

(一)部件加工及尺寸要求。

对于本发明提供的一种模拟实验用防管壁窜流填砂管由密封盖、顶部多孔垫块、底部多孔垫块、填砂管筒、钢质密封环、橡胶密封环、钢丝筛网七个主要部件组成，如附图1所示。钢丝筛网选择90目。

制作长度填砂管筒300mm、内径60mm、壁厚10mm的模拟实验用防管壁窜流填砂管，主要部件部分要求尺寸：

密封盖如附图3至图5所示，密封盖位于填砂管两端。密封盖内连接环形楔子，楔子壁厚h为3.0mm。楔子长度hmx为30.0mm。

顶部多孔垫块如附图6至图9所示，多孔垫块外径dk为54.0mm，导流孔孔径d为5.4mm，顶部多孔垫块的高度hk为40.0mm。顶部多孔垫块和底部多孔垫块，只是轴向的长度不同，底部多孔垫块的高度hd可以为60.0mm。

内衬密封环(即钢质密封环和橡胶密封环)如附图9至12所示，分为钢质密封环和橡胶密封环，钢质密封环材质为316l不锈钢，橡胶密封环为丁晴橡胶，压缩率10％，伸长率10％。钢质密封环和橡胶密封环的厚度h均为3.0mm。钢质密封环宽度l1为6.0mm，钢质密封环个数n1为9个，橡胶密封环的横截面等腰梯形上底边长a为24.0mm，橡胶密封环的横截面等腰梯形下底边长b为30.0mm，橡胶密封环的个数n2为10个

(二)使用方法。

准备工作：如附图1所示，在填砂管未填砂之前，向填砂管筒内壁、钢质与橡胶密封环表面均匀涂抹一薄层耐高温密封油脂。将钢丝筛网裁剪成与多孔垫块外径大小相等的圆形片状筛网。

制作步骤：

1、在填砂管筒内交替放置多组钢质与橡胶密封环，密封环之间贴合紧密。保证橡胶密封环在填砂管筒外侧两端。

2、在填砂管筒一端依次放入钢丝筛网、底部多孔垫块，拧上密封盖至填砂管筒上，直至螺丝扣纹上满为止，保证密封盖内连接的环形的楔子与橡胶密封圈贴合紧密。

3、将填砂管筒竖立，已经拧上密封盖的一端朝下，在填砂管筒敞口的另一端，按照常规填砂方法，分批次倒入实验用砂，并压实。填砂面低于填砂管筒端面，保留一个橡胶密封环不被砂子掩埋。

4、依次放入钢丝筛网、顶部多孔垫块，拧紧密封盖。密封盖拧紧的扭力5.0n.m，可模拟最大实验流体压力梯度1.0mpa/m以内的防窜实验。

(三)驱替实验对比。

(1)按照上述实施例2完成防管壁窜流填砂管组装。对比用常规填砂管为内壁磨砂化处理，管壁长度300mm，内径54mm。防管壁窜流填砂管、对比用常规填砂管填制70目石英砂总量相等的总质量均为930g。

(2)采用平流泵2ml/min注入速度，向填砂管内注入1倍孔隙体积的蒸馏水，测得防管壁窜流填砂管孔隙度27％、渗透率540毫达西，对比用常规填砂管孔隙度28％、渗透率630毫达西。

(3)采用平流泵2ml/min注入速度，向填砂管内注入20倍孔隙体积的蒸馏水，再次测得防管壁窜流填砂管渗透率690毫达西，对比用常规填砂管渗透率3.5达西。

基于以上技术方案可知，对于本发明，其在装配填砂管的过程中，在密封盖不断拧紧的过程中，密封盖内连接环形楔子推动钢质密封环和橡胶密封环沿着填砂管筒的长轴方向的挤压，通过斜切力的传递，橡胶密封环发生塑性变形，指向填砂管筒中心轴，并且向内挤压填砂管内的实验用砂，使得填砂管筒内壁与实验用砂之间的贴合更加紧密，有效防止了在驱替实验过程中，出现实验流体沿填砂管内壁窜流的问题。

与现有技术相比较，本发明提供的调剖剂封窜模拟实验用的防管壁窜流填砂管，具有如下有益效果：

1、本发明所用部件加工简单，操作简便，重复利用率高。内衬密封环可更换耐酸耐碱的材质，可根据砂子粒径调整密封环尺寸，对填砂管实验用砂、驱替用实验流体适应性强。

2、相比较现有防管壁窜流技术，仅仅只是在填砂管内壁材料或表面结构处理，本发明在填砂管筒内衬的密封环可均匀变形、整体挤压砂子，与填砂管内的砂子(即实验用砂)相互作用，实现了填砂管内壁与管内实验用砂的紧密接触，防止实验流体沿管壁窜流。

3、相比较常规填砂方法，只是通过从填砂管端口压实实验砂子，从而存在砂体内部压实不均、内部窜流的问题，本发明通过整个填砂管内壁，能够对实验用砂整体均匀压实，实现了实验流体只能沿堆积颗粒间孔隙喉道运移的驱替实验模拟目的。

综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种调剖剂封窜模拟实验用的防管壁窜流填砂管，其能够有效地解决在驱替实验过程中，实验流体沿填砂管内壁窜流的问题，从而保证驱替实验的实践结果的准确性，具有重大的实践意义。

以上所述仅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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。