专利名称：一种水平井开采三维电模拟实验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于油气田开发领域，具体涉及一种水平井开采三维电模拟实验装置，应用水电相似原理，模拟水平井在不同完井方式情况下井筒周围压力场分布及产能。
背景技术：
国内外各大油气田水平井数量的迅速增加，对于不同完井方式下的水平井，特别是以分段压裂方式完井的开采过程的研究方法和形成技术也为数众多，主要是理论解析计算方法和数值模拟方法。对于理论解析方法，计算水平井产能或者水平井压裂产能的理论公式所需参数多且计算量大，在实际矿场应用中受到一定限制。对于数值模拟方法，由于对不同形态和尺度的裂缝建模难度大、数学求解过程复杂，目前尚未形成成熟的数值模拟方法。通过电模拟实验可以简单快速地模拟水平井产能，可以得到水平井井筒周围的电场即压力场分布情况，同时可用电流密度比表示水平井压裂产能的大小，为预测水平井压裂产能研究提供了一种新方法和对比依据。对于应用水电相似原理开展电模拟实验，众多学者目前已开展了多项技术研究和试验，如电模拟方法研究注采井网、电模拟方法研究垂直井的压后产能、电模拟方法研究水平井压裂产能等，目前也有一些相关的电模拟实验装置。但是上述技术措施存在以下局限性①只开展二维的平面的模拟，没有开展三维空间中的水平井完井方式对生产的影响；②数据采集方法简单，无法实现自动采集，实验数据测试的工作量大；③无法深入探索水平井井筒三维压力场分布，对现场应用指导作用有限。以上这些不足直接限制了电模拟原理在水平井开采技术研究方面的应用。
实用新型内容本实用新型的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，针对水平井不同完井方式和水平井渗流场分布的难点，提供一种水平井开采三维电模拟实验装置，可以对水平井井筒和储层(电解液、加入电解质的冻胶)进行参数调节，打破以往电模拟实验的二维约束，实现完全的三维电模拟。本实用新型是通过以下技术方案实现的一种水平井开采三维电模拟实验装置，包括电解池、电信号测试系统、循环泵和数据采集及处理系统；所述电解池为上方敞口的长方形缸体；在所述电解池上开有进口和出口，进口和出口均与循环泵连接，通过循环泵的作用使电解池内的液体循环流动；在所述电解池长度方向的两个侧面的内表面上装有导电网；所述电信号测试系统包括探针和探针定位机构；在所述探针定位机构上固定有至少一根探针；所述探针定位机构包括三维导轨和位移传感器，所述三维导轨包括X向导轨、Y向导轨和Z向导轨；探针通过三维导轨在三维空间内移动；在电解池的两宽度方向的侧面的内表面上均固定有铅垂的滑轨，两个滑轨相对设置，并分别位于两个宽度方向的侧面的中间位置，模拟井筒的两端分别安装在两根滑轨的滑槽内，模拟井筒水平安装或与水平线成角度安装；模拟井筒可以沿滑轨上下移动，并可在任意位置进行锁定；滑轨的作用在于可以根据井筒在储层中的实际位置对模拟井筒做出上下调整或角度调整；通过所述探针对模拟井筒附近的测点位置进行电信号测试，由数据采集及处理系统采集并储存各测点所在位置上的电信号以及探针的位置状况的坐标数据，再应用图形处理软件进行数据分析。所述X向导轨包括X向主导轨和X向副导轨；所述X向主导轨安装在所述电解池长度方向上的一个侧面的上端，X向副导轨安装在长度方向上的另一个侧面的上端；所述X 向主导轨和X向副导轨均水平设置，并与电解池的长度方向平行；所述Y向导轨水平设置， 并与电解池的宽度方向平行，其横跨在电解池上方，两端分别安装在X向主导轨和X向副导轨上，并可以沿X向导轨和X向副导轨做X向移动；所述Z向导轨铅垂设置，其下端安装在所述Y向导轨上，并可以沿Y向导轨做Y向移动；所述探针安装在Z向导轨上，并可以沿Z 向导轨做Z向移动。所述X向主导轨、Y向导轨和Z向导轨均采用丝杆结构，包括手轮、电机和两根导轨；两根导轨平行设置，在两根导轨之间设置有与导轨平行的丝杆，手轮位于导轨的一端， 用于手动控制丝杆的旋转，电机位于导轨的一端，用于自动控制丝杆的旋转；所述位移传感器与导轨平行设置，且与导轨长度一致；在所述导轨的两端的极限位置处均设置有限位器；所述X向副导轨包括两根平行设置的导轨。所述Y向导轨的一端通过螺母与X向主导轨的丝杆配合，另一端与X向副导轨滑动配合；所述Z向导轨的下端通过螺母与Y向导轨的丝杆配合；所述探针的上端通过螺母与Z向导轨的丝杆配合；探针的下端浸入电解池内的电解液中。当模拟井筒位置确定后，模拟井筒的两端通过螺栓锁定在滑轨上。在所述滑轨旁的电解池侧面上设置有与滑轨平行的刻度尺。所述电解池的四个侧面和底面均采用有机玻璃制成，在电解池内一组对角的侧壁面上贴有垂向标尺，方便观察和测试池内液面高度。所述模拟井筒包括铝塑管和铜网片；所述铝塑管用于模拟井筒，铜网片用于模拟裂缝。所述导电网采用导电铜网，并保证装上导电网后电解池的侧面的透明度不低于 30%。与现有技术相比，本实用新型的有益效果是(1)通过改换不同的井筒物理模型，利用本装置能够模拟裸眼完井、筛管完井、射孔完井、水力压裂等不同的水平井完井方式情况下，井筒周围的静态压力场和渗流场；(2)通过改变分段压裂井筒模型，利用本装置可以模拟不同裂缝条数、裂缝尺寸、裂缝形态、裂缝夹角情况下的井筒周围的静态压力场和渗流场，进而模拟压裂后的产能；(3)通过改变电解质溶液的电阻率，利用本装置可以模拟不同地层渗透率对上述各种水平井完井方式下的产能影响；(4)通过改变电解质溶液的液面高度，利用本装置能够模拟不同储层厚度下的上述各种情况；(5)通过改变外部电场电压，利用本装置能够模拟不同能量供给时的上述各种情况；(6)通过加入导电纤维，利用本装置可以模拟微裂缝发育地层时的上述各种情况；(7)改变水平井和导电网的电极，利用本装置可以实现水平井注水的各种模拟。(8)本发明装置能够克服或满足目前技术装置中的缺点和不足，可以对水平井井筒和储层(电解液、加入电解质的冻胶)轻松地进行参数调节，打破了以往电模拟实验的二维约束，实现了完全的三维电模拟，可设计多组实验，具有可重复性。同时，数据采集灵活、 方便，采集点的位置及采集过程可视，整体系统安全、环保。
图1是本实用新型水平井开采三维电模拟实验装置的主体结构示意图。图2是本实用新型水平井开采三维电模拟实验装置中的电解池的俯视图。图3是本实用新型水平井开采三维电模拟实验装置的测试线路示意图。图4是本实用新型水平井开采三维电模拟实验装置的滑轨结构示意图图5是本实用新型中的模拟井筒结构示意图图6是本实用新型水平井开采三维电模拟实验装置的工作流程图。图7是本实用新型的实施例中得到的Z方向电压场分布透视图及切片图。图8是本实用新型的实施例中得到的X方向电压场分布透视图及切片图。图9是本实用新型的实施例中得到的Y方向电压场分布透视图及切片图。图10本实用新型的实施例中得到的电压场等值分布三维透视图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详细描述一种水平井开采三维电模拟实验装置，可模拟不同物性的储层，模拟不同完井方式的水平井段在生产过程中的压力场分布和产能大小。如图1所示，此图中，X向是与模拟井筒平行的方向，也是电解池的长度方向，Y向是与模拟井筒垂直的方向，也是电解池的宽度方向，Z向是铅垂方向。电解池2安装在下柜 1上，电解池外接有循环泵8，在电解池上方安装有X向导轨及位移传感器3、Y向导轨及位移传感器7、Z向导轨及位移传感器4、测试探针5;在电解池两横向侧面内表面上装有铜网 6 ；下柜与控制柜9电连接，在控制柜9上装有电流表10、电压表11和位移显示表12，控制柜9与数据采集计算机13电连接；从控制柜9中延伸出位移控制手柄14。具体来说，所述水平井开采三维电模拟实验装置的一个实施例如下，包括①长方形电解池(长1. 5米，宽0. 75米，高0. 5米)；[0051]②所述电信号测试系统包括探针和探针定位机构，电压测量精度为0. 005V,电流测量精度为0. 005A ；③所述探针定位机构包括三维导轨和位移传感器，所述三维导轨包括X向导轨、Y 向导轨和Z向导轨，所述X向导轨包括X向主导轨和X向副导轨；三维导轨及位移传感器主要起到对测试探针定位的功能，定位测量精度为Imm ；所述X向主导轨、Y向导轨和Z向导轨均采用丝杆结构，只是长度不同而已，在此实施例中，X向导轨长度为1.6m，，Y向长度为0. 8m, Z向长度为0. 6m，如图4所示，所述X向主导轨、Y向导轨和Z向导轨均采用丝杆结构，包括手轮401、电机402、两根导轨403，设置在两根导轨之间的丝杆404，手轮401用于手动控制丝杆的旋转，电机402用于自动控制丝杆的旋转；所述位移传感器405与导轨403 平行设置，且与导轨403长度一致；在所述导轨的两端的极限位置均设置有限位器406 ；④模拟井筒由6〃铝塑管506及20目铜网片509等组成，如图5所示；图5中给出了 5种模拟井筒的结构，分别为裸眼完井井筒501 ；射孔完井井筒502 ；水平井2段压裂完井井筒503 ；水平井2段压裂(角度裂缝)完井井筒504 ；水平井4段压裂完井井筒505 ；在射孔完井井筒502上有射孔孔眼508，在铝塑管506外包有绝缘胶皮507 ；水平井2段压裂完井井筒503上用铜网509来模拟裂缝。⑤循环泵，该循环泵能够耐酸碱腐蚀；⑥数据采集及处理系统，包括测点位置控制、仪器控制柜、数显表(电流、电压、位移)、连接导线、计算机接口卡、串行接口以及计算机等部分；⑦测试探针移动控制手轮，能够通过手轮控制测试探针在空间中的移动；⑧电解液，通过改变电解质溶液的液面高度，能够模拟不同储层厚度，能够通过改变电解质的类型和浓度，模拟不同的储层物性，可以通过加入导电纤维，可以模拟微裂缝发育地层。该装置有以下几个特点①探针定位机构主要是对测试探针的定位，能够使得探针随着导轨在X、Y、Z三个方向移动，从而能够实现在电解池中立体空间移动并通过位移传感器记录空间位置，同时记录电压；②能够分别实现自动操作和手动操作，手轮用于手动操作，电机用于自动操作；③在三维导轨两端的极限位置处设置有行程控制开关(就是图4中限位器，当有物体碰到它时就会自动切断电源，防止在电机驱动模式下的事故。在图4中只画出了一个限位器406，另一个的位置和电机的位置在纵向上重叠在一起了，因此没有画出。)，起限位和保护作用；④探针定位机构整体不与电解池接触，但其位置固定装置，通过对位移传感器的标定，可以精确确定探针在电解池中的位置；⑤具有一支测试探针，但也可以升级为5支测试探针。图2为图1中的长方形电解池的俯视图，电解池的形状可以是正方形，也可以是圆形，形状的不同是对不同油藏边界形态的模拟，由于本模拟装置主要针对水平井的模拟，所以设计时选用的是长方形。在电解池的上方、两横向侧面旁装有X向导轨15、x向位移传感器16，在其中一个X向导轨15和X向位移传感器16旁装有X向的步进电机及手轮18 ；在电解池纵向侧面的中间装有滑轨17，模拟井筒21的两端分别安装在两个滑轨上，模拟井筒
7水平安装或与水平线成角度安装，当成角度设置时，模拟井筒的长度将大于1. 5米，角度越大，模拟井筒的长度也越大，做角度实验时需要先选好特定长度的井筒；Y向导轨上安装有 Y向的步进电机及手轮20，Z向导轨上安装有Z向的步进电机及手轮19。X向导轨15有两个，分别安装在电解池的两边上，对于导轨而言，这两侧是相同的，不同之处在于，一侧有动力装置(即电机和手轮)和位移传感器，而另一侧只有导轨，主要起支撑作用；Y向和Z向只有一组导轨装置。根据实验需要，该电解池具有如下特点①电解池的4个侧面和底面均采用有机玻璃制作，透明的有机玻璃使得在实验过程中可以清楚的看到测试点的位置，有利于实验操作；②具有良好的塑性，盛满液体后不发生形变；③具有一定强度，偶尔被硬物撞击而不易碎；④电解池上方无封口，但对侧面各边角做安全处理，即对玻璃棱角进行了打磨，防止划伤人体；⑤为了根据液体在标尺的刻度观察来辅助确定液面是否水平，电解池内在横向上对角安装有测量液面的标尺，精度为Imm ；⑥电解池内装有安装模拟井筒的滑轨，可以调节模拟井筒在电解池中高度，也可以形成一定的角度，模拟井筒通过螺栓固定在滑轨上，并可在任意位置锁定；在两个滑轨的旁边的有机玻璃上贴有刻度尺，即可知道锁定的位置；⑦电解池内长方形横向两个面装有导电网；⑧导电网采用目数很小的导电铜网，确保透明度不低于30% ；⑨电解池外部接循环泵，以方便液体循环流动；电解池与下柜采用可卸式固定，方便设备搬运。图3给出的是该装置的测试线路示意图，其中探针5通过电线与接地线路22连接，在此线路上设置有电压测试点23，所测电压即为电解池溶液中探针点位置处的电压； 在电解池2上设置有Z向导轨M、X向导轨15和Y向导轨25 ；在电解池2中装有电解液沈； 在电解池中，铜网6与供电电源观的正极连接；模拟井筒21通过电线接地，在此线路上设置有电流测试点27，所测电流即为流过模拟井筒的电流。如图6所示，本实用新型水平井开采三维电模拟实验装置的工作流程如下配置电解液，然后将电解液加入到电解池中，并开泵循环；选择水平井完井的模拟井筒后将其放入用于模拟储层的电解池中；在两侧导电网上施加一定的电压形成电场，然后通过自动或手动控制探针定位系统移动探，对模拟井筒附近的测点位置进行电信号测试，由数显表显示出各测点所在位置上的电流、电压以及探针的位置状况然后通过接口卡由计算机采集并保存数据，再应用图形处理软件进行数据分析。一个应用本实用新型进行模拟的实验如下应用本装置对水平井三段压裂完井后的生产情况进行模拟，模拟条件为模拟水平段长度150cm ；压裂段数3段；模拟裂缝半长20cm ；模拟裂缝高度5cm ；裂缝与井筒夹角90° ；模拟储层厚度30cm ；模拟电压2. 5V。实施步骤如下(1)根据储层物性需要，配置浓度不同的导电溶液(一般为NaCl溶液)，加入电解池中，溶液高度根据储层厚度确定；(2)根据完井方式特点，把模拟井筒放置在电解池中，开循环泵，使得溶液均勻；(3)根据储层的能量情况，在电解池两侧的导电网上加适当电压，一般在0 5V之间，停止循环，待溶液静置形成稳定电场；(4)通过控制(自动、手动)控制系统移动测试模拟井筒附近的测点位置，可以观察并采集各个测点的电压、模拟井筒的电流，通过对数据采集软件的设置可以实现定频率采集和单点采集；(5)数据采集完毕，关闭供电电源，中和溶液，排放；(6)数据处理。通过模拟得到24500组空间点(X、Y、Z)的电压(V)的数据，通过软件处理，得到的 Z方向电压场分布透视图及切片如图7所示，得到的X方向电压场分布透视图及切片如图8 所示，得到的Y方向电压场分布透视图及切片如图9所示，得到的电压场等值分布三维透视图如图10所示，从图7至10可以看出，利用本实用新型可以很好的反映出水平井压裂完井后井筒周围的渗流场分布。目前水平井应用的油藏类型在不断扩大，应用的井数在累积增多，特别是水平井压裂完井方式日趋成熟，使得水平井开采过程的认识要求更加突出。本实用新型无论对现场生产还是理论研究都提供了一套可靠的实验装置，其比数值模拟及理论计算都更为科学、简单，因此本实用新型的应用前景广泛。上述技术方案只是本实用新型的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言， 在本实用新型公开的装置和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或功能拓展，而不仅限于本实用新型上述具体实例所描述的装置，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
权利要求1.一种水平井开采三维电模拟实验装置，其特征在于所述水平井开采三维电模拟实验装置包括电解池、电信号测试系统、循环泵和数据采集及处理系统；所述电解池为上方敞口的长方形缸体；在所述电解池上开有进口和出口，进口和出口均与循环泵连接，通过循环泵的作用使电解池内的液体循环流动；在所述电解池长度方向的两个侧面的内表面上装有导电网；所述电信号测试系统包括探针和探针定位机构；在所述探针定位机构上固定有至少一根探针；所述探针定位机构包括三维导轨和位移传感器，所述三维导轨包括X向导轨、Y向导轨和Z向导轨；探针通过三维导轨在三维空间内移动；在电解池的两宽度方向的侧面的内表面上均固定有铅垂的滑轨，两个滑轨相对设置， 并分别位于两个宽度方向的侧面的中间位置，模拟井筒的两端分别安装在两根滑轨的滑槽内，模拟井筒水平安装或与水平线成角度安装；模拟井筒可以沿滑轨上下移动，并可在任意位置进行锁定。
2.根据权利要求1所述的水平井开采三维电模拟实验装置，其特征在于所述X向导轨包括X向主导轨和X向副导轨；所述X向主导轨安装在所述电解池长度方向上的一个侧面的上端，X向副导轨安装在长度方向上的另一个侧面的上端；所述X向主导轨和X向副导轨均水平设置，并与电解池的长度方向平行；所述Y向导轨水平设置，并与电解池的宽度方向平行，其横跨在电解池上方，两端分别安装在X向主导轨和X向副导轨上，并可以沿X向导轨和χ向副导轨做χ向移动；所述ζ向导轨铅垂设置，其下端安装在所述Y向导轨上，并可以沿Y向导轨做Y向移动；所述探针安装在Z向导轨上，并可以沿Z向导轨做Z向移动。
3.根据权利要求2所述的水平井开采三维电模拟实验装置，其特征在于所述X向主导轨、Y向导轨和Z向导轨均采用丝杆结构，包括手轮、电机和两根导轨；两根导轨平行设置，在两根导轨之间设置有与导轨平行的丝杆，手轮位于导轨的一端，用于手动控制丝杆的旋转，电机位于导轨的一端，用于自动控制丝杆的旋转；所述位移传感器与导轨平行设置， 且与导轨长度一致；在所述导轨的两端的极限位置处均设置有限位器；所述X向副导轨包括两根平行设置的导轨。
4.根据权利要求3所述的水平井开采三维电模拟实验装置，其特征在于所述Y向导轨的一端通过螺母与X向主导轨的丝杆配合，另一端与X向副导轨滑动配合；所述Z向导轨的下端通过螺母与Y向导轨的丝杆配合；所述探针的上端通过螺母与Z向导轨的丝杆配合； 探针的下端浸入电解池内的电解液中。
5.根据权利要求1所述的水平井开采三维电模拟实验装置，其特征在于当模拟井筒位置确定后，模拟井筒的两端通过螺栓锁定在滑轨上。
6.根据权利要求1所述的水平井开采三维电模拟实验装置，其特征在于在所述滑轨旁的电解池侧面上设置有与滑轨平行的刻度尺。
7.根据权利要求1所述的水平井开采三维电模拟实验装置，其特征在于所述电解池的四个侧面和底面均采用有机玻璃制成，在电解池内一组对角的侧壁面上贴有垂向标尺， 方便测试池内液面高度。
8.根据权利要求1所述的水平井开采三维电模拟实验装置，其特征在于所述模拟井筒包括铝塑管和铜网片；所述铝塑管用于模拟井筒，铜网片用于模拟裂缝。
9.根据权利要求1所述的水平井开采三维电模拟实验装置，其特征在于所述导电网采用导电铜网，并保证装上导电网后电解池的侧面的透明度不低于30%。
专利摘要本实用新型提供了一种水平井开采三维电模拟实验装置，属于油气田开发领域。所述水平井开采三维电模拟实验装置包括电解池、电信号测试系统、循环泵和数据采集及处理系统，所述电信号测试系统包括探针和探针定位机构；所述探针定位机构包括三维导轨和位移传感器，探针通过三维导轨在三维空间内移动。本实用新型装置能够克服或满足目前技术装置中的缺点和不足，可以对水平井井筒和储层轻松地进行参数调节，打破了以往电模拟实验的二维约束，实现了完全的三维电模拟，可设计多组实验，具有可重复性。同时，数据采集灵活、方便，采集点的位置及采集过程可视，整体系统安全、环保。
文档编号E21B47/047GK202220598SQ20112026688
公开日2012年5月16日 申请日期2011年7月26日 优先权日2011年7月26日
发明者刘长印, 张汝生, 李宗田, 李萍, 苏建政, 黄志文, 龙秋莲 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院