一种疏松砂泥岩互层防砂筛管堵塞评价实验装置和方法与流程

本发明涉及石油工程领域，特别是关于一种疏松砂泥岩互层防砂筛管堵塞评价实验装置和方法。

背景技术：

油井出砂是石油开采过程中最常见的问题之一，目前通常采用机械筛管或筛管砾石填充进行防砂，常用的机械筛管包括割缝筛管、绕丝筛管和金属网布筛管等。由于地层出砂造成的筛管堵塞失效会严重影响油水井的生产，防砂筛管堵塞已成为困扰各大油田防砂井筒正常生产的重要问题之一。砂泥岩互层是指地层中砂岩和泥岩的薄层交互出现，它有一个很重要的特征就是每相邻两层的岩性不同，岩性相同的薄层及隔层重复出现。对砂泥岩互层储集层来说，砂岩为主要油气储集体，泥岩为相对非渗透层，尤其是在疏松砂泥岩互层油气藏的开采中，防砂筛管非均匀堵塞非常明显。

通过实验的方法来评价筛管堵塞是为完井筛管结构优选和参数设计提供依据的有效手段，而目前对于防砂筛管堵塞的研究中，并没有针对砂泥岩互层地层中防砂筛管堵塞的研究。这是由于现有实验装置的有效防砂高度一般不超过400mm，难以模拟砂泥岩互层的地层条件及其出砂特征，以及实际工况中防砂筛管不同部位的非均匀堵塞特征。而且现有的实验装置多为垂直固定式结构，无法模拟定向井和水平井中防砂筛管的堵塞。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种疏松砂泥岩互层防砂筛管堵塞评价实验装置和方法，用于模拟砂泥岩互层地层中防砂筛管的堵塞并对其进行评价。通过此装置可以进行砂泥岩互层地层中不同泥质含量、泥岩厚度、互层层数、井斜角等条件下机械筛管堵塞模拟实验，并对机械筛管堵塞进行评价分析。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种疏松砂泥岩互层防砂筛管堵塞评价实验装置，其特征在于：其包括模拟井筒系统、供液系统和数据采集系统；所述模拟井筒系统包括一纵向可转动地设置在支撑装置上的高压釜体、两釜体封头、一防砂防砂筛管、一筛管外罩、两带通孔的筛管封堵接口以及一可拆卸模拟径向流动壁罩；所述高压釜体为中空圆柱形结构，所述高压釜体侧壁上设置有三对内螺纹孔，第一对内螺纹孔用于与所述支撑装置相连，第二对内螺纹孔作为进液接口与所述供液系统相连，第三对内螺纹孔作为压力传感器安装孔与所述数据采集系统相连；两所述釜体封头通过所述高压釜体上下两端内口设置的台阶孔和螺纹孔与所述高压釜体紧密配合形成密闭高压釜体；两所述釜体封头内分别插设所述筛管封堵接口，两所述筛管封堵接口之间夹设所述防砂筛管和套设在所述防砂筛管外部的所述筛管外罩，且所述防砂筛管和筛管外罩通过两所述筛管封堵接口端部设置的多台阶外圆柱面与所述筛管封堵接口紧密配合；所述防砂筛管内空腔与两所述筛管封堵接口的通孔连通，两所述筛管封堵接口的另一端作为出液口与出液管线相连；所述筛管外罩的外壁与密闭高压釜体内壁形成封闭空间，用于填入不同模拟地层砂；所述可拆卸模拟径向流动壁罩通过下端所述釜体封头上设置的外端部孔眼设置在所述高压釜体内下部。

所述模拟井筒系统中所述支撑装置包括两轴座、两横向支撑轴、两立管、两紧定螺钉、两立管座、一底板和两行走机构；两所述轴座为圆柱状，其中部设置有一轴向内螺纹孔，端部设置有垂直于所述轴向内螺纹孔且贯穿所述轴座上下两端的径向内螺纹孔；两所述横向支撑轴一端分别通过所述第一对内螺纹孔可转动地插设在所述高压釜体内，两所述横向支撑轴的另一端分别通过两所述轴座中部的所述轴向内螺纹孔插设在两所述轴座中；两所述立管上端分别通过两所述轴座内的径向内螺纹孔插设在两所述轴座中，且两所述立管顶端分别与两所述横向支撑轴相连，并通过两所述紧定螺钉固定；两所述立管下端与两所述立管座螺纹连接，两所述立管座通过螺栓组件固定在所述底板上部，两所述行走机构通过螺栓组件固定在所述底板底部。

所述高压釜体外壁上的所述第一对内螺纹孔对称设置在所述高压釜体中部，所述第二对内螺纹孔设置在所述高压釜体下部两侧，所述第三对内螺纹孔分别设置在所述高压釜体的上部和下部，且所述第一对内螺纹孔与所述高压釜体内部不连通，所述第二对内螺纹孔和第三对内螺纹孔与所述高压釜体内部连通。

所述防砂筛管长度为1m。

所述供液系统包括水泵、射流泵和分流头；所述水泵的入口与实验用水源相连，所述水泵的出口通过管线与所述射流泵的入口相连，所述射流泵的吸入口敞开，所述射流泵的出口与所述分流头入口相连，所述分流头的两出口分别通过管线与设置在所述高压釜体上的两进液接口即所述第二对内螺纹孔相连。

所述数据采集系统包括一流量计、若干压力传感器、若干测压接头、两延伸装置、数据采集器和计算机；所述流量计设置在所述水泵出口与所述射流泵入口之间，实时检测所述水泵出口的流量，并发送到所述数据采集器；第一、第二压力传感器分别通过所述测压接头设置在所述高压釜体壁面上的所述第三对螺纹孔处，并且通过所述延伸装置深入所述高压釜体内部，实时检测所述高压釜体内部的压力，并发送到所述数据采集器；第三、第四压力传感器分别通过所述测压接头设置在所述分流头处以及所述射流泵入口处，实时检测所述分流头处和所述射流泵入口处的压力，并发送到所述数据采集器；所述数据采集器将接收到的流量信号以及各压力信号发送到所述计算机进行处理和存储。

一种采用所述装置的疏松砂泥岩互层防砂筛管堵塞评价方法，其特征在于包括以下步骤：1)将可拆卸径向流动壁罩安装在下端釜体封头上，然后将下端釜体封头安装在高压釜体下部；2)将筛管外罩套设在防砂筛管外部，并将两者通过上下筛管封堵接口安装在高压釜体内部；3)根据实验要求向筛管外罩外壁与高压釜体内壁构成的环空中，填入模拟地层砂；4)将上端釜体封头安装在高压釜体上，分别连接供液系统和数据采集系统；5)根据实验要求，调节高压釜体的倾斜角度，进行不同井斜角条件下筛管堵塞模拟实验；6)根据预先设定值调节射流泵流量，同时调节水泵的流量为初始排量，待数据采集系统工作正常后，开始驱替过程，观察流量计当初始排量稳定到一定流量时，观察各压力传感器检测的压力变化；7)待各压力传感器采集的压力值均稳定后，调节水泵的流量，观察不同流量条件下，压力随时间的变化；8)实验结束后，关闭水泵并将密闭高压釜体拆开，取出防砂筛管，观察防砂筛管的堵塞情况；9)根据实验所测得的流量和压力，计算不同流量条件下防砂筛管的渗透率，绘制流量、压力、渗透率随时间变化曲线，并根据曲线变化趋势以及实际观察防砂筛管堵塞情况分析防砂筛管堵塞特征。

所述步骤5)中，高压釜体倾斜角度的调节方法为：将高压釜体旋转到要求角度后，将紧定螺钉旋紧，使得两横向支撑轴与立管的相对位置固定，进而固定高压釜体。

所述步骤9)中，防砂筛管渗透率的计算公式为：

式中，k为防砂筛管渗透率，单位为m²；q为通过防砂筛管的流量，单位为m³/s；μ为实验流体的粘度，单位为pa·s；h为防砂筛管有效渗滤长度，单位为m；△p为防砂筛管内外两侧压差，单位为pa；do、di分别为防砂筛管的外半径和内半径，单位为m。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于防砂筛管长度长达1m，通过在筛管外罩和高压釜体内的环空内填充不同的模拟地层砂，对砂泥岩互层进行模拟，更加接近砂泥岩互层的实际地层条件。2、本发明在密闭高压釜体下部设置有可拆卸径向流动壁罩，使得驱替液体进入高压釜体内后，流经径向流动壁罩形成均匀的径向流动，同时通过调节射流泵流量对地层驱替压力进行模拟，进行有不同生产压差情况下径向流动出砂规律的评价实验，使地层的出砂特征更加接近于实际砂泥岩互层的出砂特征。3、本发明由于射流泵的射流泵吸入口敞开，一方面可以防止实验过程中如果发生防砂管堵塞造成管路系统压力过高带来的安全事故，另一方面在实验过程中射流泵吸入口会形成负压从而可以通过射流泵吸入口对模拟地层补充已筛选好的模拟地层砂。4、本发明由于密闭高压釜体可转动地设置在支撑装置上，使得高压釜体可沿纵向转动，通过调整高压釜体的倾斜角度，可以进行定向井和水平井条件下筛管堵塞模拟实验，应用范围更加宽广。因而，本发明可以广泛应用于疏松砂泥岩互层防砂筛管堵塞评价中。

附图说明

图1是本发明实验装置结构示意图；

图2是本发明实验装置中釜体纵向旋转示意图；

图3是本发明实验装置填砂方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。

如图1所示，本发明疏松砂泥岩互层防砂筛管堵塞评价实验装置包括模拟井筒系统1、供液系统2和数据采集系统3。

模拟井筒系统1包括一纵向可转动地设置在支撑装置10上的高压釜体11、两釜体封头12、一防砂筛管13、一筛管外罩14、两带通孔的筛管封堵接口15以及一可拆卸模拟径向流动壁罩16。高压釜体11为中空圆柱形结构，高压釜体11侧壁上设置有三对内螺纹孔17～19，第一对内螺纹孔17用于与支撑装置10相连，第二对内螺纹孔18作为进液接口与供液系统2相连，第三对内螺纹孔19作为压力传感器安装孔与数据采集系统3相连。两釜体封头12通过高压釜体11上下两端内口设置的台阶孔和螺纹孔与高压釜体11紧密配合形成密闭高压釜体。两釜体封头12内分别插设一筛管封堵接口15，两筛管封堵接口15之间夹设防砂筛管13和套设在防砂筛管13外部的筛管外罩14，且防砂筛管13和筛管外罩14通过两筛管封堵接口15端部设置的多台阶外圆柱面与筛管封堵接口15紧密配合。防砂筛管13内空腔与两筛管封堵接口15的通孔连通，两筛管封堵接口15的另一端作为出液口与出液管线相连。筛管外罩14的外壁与密闭高压釜体内壁形成封闭空间，用于填入不同模拟地层砂。可拆卸模拟径向流动壁罩16通过下端釜体封头13上设置的外端部孔眼设置在高压釜体11内下部。

支撑装置10包括两轴座100、两横向支撑轴101、两立管102、两紧定螺钉103、两立管座104、一底板105和两行走机构106。两轴座100为圆柱状，其中部设置有一轴向内螺纹孔，端部设置有与垂直于该轴向内螺纹孔且贯穿轴座100上下两端的径向内螺纹孔。两横向支撑轴101一端分别通过第一对内螺纹孔17可转动地插设在高压釜体11内，两横向支撑轴101的另一端分别通过两轴座101中部的轴向内螺纹孔插设在两轴座100中。两立管102上端分别通过两轴座101内的径向内螺纹孔插设在两轴座100中，且两立管102顶端分别与两横向支撑轴101相连，并通过两紧定螺钉103固定。两立管102下端与两立管座104螺纹连接，两立管座104通过螺栓组件固定在底板105上部，两行走机构106通过螺栓组件固定在底板105底部。

供液系统2包括水泵20、射流泵21和分流头22。水泵20的入口与实验用水源相连，水泵20的出口通过管线与射流泵21的入口相连，射流泵21的吸入口敞开，射流泵21的出口与分流头23入口相连，分流头22的两出口分别通过管线与设置在高压釜体11上的两进液接口即第二对内螺纹孔18相连。

数据采集系统3包括一流量计30、若干压力传感器31～34、若干测压接头35～38、两延伸装置(图中未示出)、数据采集器(图中未示出)和计算机39。流量计30设置在水泵20出口与射流泵21入口之间，对水泵20出口的流量进行测量，并发送到数据采集器。第一、第二压力传感器31、32分别通过测压接头35、36设置在密闭高压釜体壁面上的两压力传感器安装孔即第三对螺纹孔19处，并且通过延伸装置深入高压釜体11内部，对高压釜体11内部的压力进行测量，并发送到数据采集器。第三、第四压力传感器33、34分别通过测压接头37、38设置在分流头22处以及射流泵21入口处，对分流头22处和射流泵21入口处的压力进行测量，并发送到数据采集器。数据采集器将接收到的流量信号以及各压力信号发送到计算机33进行处理和存储。

上述实施例中，第一对内螺纹孔17对称设置在高压釜体11中部，第二对内螺纹孔18设置在高压釜体11下部两侧，第三对内螺纹孔19分别设置在高压釜体11的上部和下部，且第一对内螺纹孔17与高压釜体11内部不连通，第二对内螺纹孔18和第三对内螺纹孔19与高压釜体11内部连通。

上述实施例中，防砂筛管13长度为1m。

基于上述疏松砂泥岩互层防砂筛管堵塞评价实验装置，本发明还提供一种疏松砂泥岩互层防砂筛管堵塞评价方法，包括以下步骤：

1)将可拆卸径向流动壁罩16安装在下端釜体封头12上，然后将下端釜体封头12安装在高压釜体下部。

2)将筛管外罩14套设在防砂筛管13外部，并将两者通过上下筛管封堵接口15安装在高压釜体11内部。

3)根据实验要求向筛管外罩14外壁与高压釜体11内壁构成的环空中，填入模拟地层砂。

如图2所示，本发明中使用的模拟地层砂是按一定质量比的模拟地层砂膨润土质量配制，填砂方法为纯砂层和砂泥层交替充填，纯砂层和泥岩层厚度比可以为1:1～1:5。

4)将上端釜体封头12安装在高压釜体11上，分别连接供液系统2和数据采集系统3。

5)根据实验要求，调节高压釜体11的倾斜角度，进行不同井斜角条件下筛管堵塞模拟实验。

如图3所示，高压釜体11中心线与铅垂线夹角a范围为0～90度。调节方法为：将高压釜体11旋转到要求角度后，将紧定螺钉103旋紧，使得两横向支撑轴101与立管102的相对位置固定，进而固定高压釜体11。

6)根据预先设定值调节射流泵流量，同时调节水泵20的流量为初始排量，待数据采集系统3工作正常后，开始驱替过程，观察流量计30当初始排量稳定到一定流量时，观察各压力传感器检测的压力变化。

水泵20的初始排量一般设置为较小排量。本发明通过调整射流泵21排量调节模拟地层驱替压力，同时射流泵21吸入口敞开，一方面可以防止实验过程中如果发生防砂管堵塞造成管路系统压力过高带来的安全事故，并且实验过程中射流泵吸入口会形成负压从而可以通过射流泵吸入口对模拟地层补充已筛选好的模拟地层砂。

7)待各压力传感器采集的压力值均稳定后，调节水泵20的流量，观察不同流量条件下，压力随时间的变化。其中，每调节至一个流量时，均稳定一段时间，采集多个数据点后，再增加流量。

8)实验结束后，关闭水泵20并将密闭高压釜体拆开，取出防砂筛管13，观察防砂筛管13的堵塞情况。

9)根据实验所测得的流量和压力，计算不同流量条件下防砂筛管13的渗透率，并绘制流量、压力、渗透率随时间变化曲线。根据曲线变化趋势以及实际观察防砂筛管13堵塞情况分析防砂筛管13堵塞特征。

防砂筛管13渗透率通过实验所得流量、压力和实验用筛管参数计算所得，计算公式为：

式中，k为防砂筛管渗透率，单位为m²；q为通过防砂筛管的流量，单位为m³/s；μ为实验流体的粘度，单位为pa·s；h为防砂筛管有效渗滤长度，单位为m；△p为防砂筛管内外两侧压差，单位为pa；do、di分别为防砂筛管的外半径和内半径，单位为m。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。