模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置的制作方法

本实用新型涉及石油测试技术领域，尤其涉及一种模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置。

背景技术：

控压钻井技术是目前解决窄安全密度窗口地层易出现易漏、喷、卡钻等复杂钻井问题的一项重要技术。石油钻井过程中常常会遇到巨厚盐膏层，巨厚盐膏层工程地质特征复杂，层间超高压盐水普遍发育，纵横向上分布无规律，压力梯度变化大，钻前预测困难。盐水层安全钻井密度窗口窄，采用常规钻井技术喷、漏、卡等复杂情况频发。一旦发生井下事故，会造成大量钻井液漏失，不仅增大了钻井作业周期，也使得钻井作业成本大幅上升。为保证超深超高压盐水层的安全钻进，需要对高压盐水层进行控压放水技术。控压排水技术的条件有以下三点：①盐间圈闭的高压盐水体积有限；②钻至低压层放出盐水，降低压力系数；③一口井放水，邻井受益。通过对高压盐水层实施控压放水技术，将高压盐水层的地层压力降低至正常压力水平，然后使用正常的钻井液密度进行高压盐水层的安全钻进，解决了钻进过程中因超高压带来的溢流、井漏甚至卡钻、侧钻等恶性事故的发生，节约了盐层钻井时间，降低了钻井成本。

然而，现场在实施控压放水过程中发现如下现象：放水初期，地层压力随累计排水量的增加逐渐下降；排水一段时间后，随着累计排水量的增加不再下降；随着排水的进一步进行，地层压力又开始下降。即在超深超高压控压放水过程(超深：深度>6000m；超高压：压力>100Mpa)中，会出现地层压力随累计排水量阶段性平稳不变的状况，为弄清是否是因为地质构造导致的近井高压、远井低压引起地层压力的这种变化，需要进行地层排水实验，探究地层压力随累计排水量变化规律，进而指导现场控压放水操作，为超深超高压盐水层的安全钻进提供一定的指导意义。

由于控压放水技术是近年来新提出的一种应对超深超高压盐水层的安全钻井的配套工艺技术，与其相关的技术装备非常稀有，其真正关于模拟探究地质构造对排水过程中地层压力变化规律影响的实验装置或方法更是少之又少。目前与地层压力相关的装置或方法主要集中在地层压力的理论计算和流体压力测量上，主要是根据地质资料和测井解释进行地层压力的预测；与控压放水相关的装置或方法主要集中在放喷卸压的井口装置上，其主要是跟井控相关的一些装置。综上所述，目前没有能够较好地模拟探究地质构造对排水过程中地层压力变化规律影响的实验装置，无法对现场控压放水操作进行指导。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置，以实现对现场控压放水操作的指导，对超深超高压盐水层的安全钻进具有指导意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置，实现对近井、远井地带压力的实时测量，通过模拟探究地质构造对排水过程中地层压力变化规律的影响，有效地指导现场施工，确保控压放水的顺利、有效进行。

本实用新型的目的是这样实现的，一种模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置；所述实验装置包括顶部能开口、且能密封的第一实验缸体和第二实验缸体，所述第一实验缸体内设置有能沿所述第一实验缸体的内侧壁密封抵靠滑动、且能固定的第一密封压板，所述第一密封压板与所述第一实验缸体的底部之间构成密封的第一填砂区，所述第二实验缸体内设置有能沿所述第二实验缸体的内侧壁密封抵靠滑动、且能固定的第二密封压板，所述第二密封压板与所述第二实验缸体的底部之间构成密封的第二填砂区，所述第一填砂区与所述第二填砂区的底部能通过允许液体自所述第二填砂区流向所述第一填砂区的连接管线连通，所述连接管线靠近所述第二实验缸体的一端设置连接线压力表；所述第一实验缸体内位于所述第一密封压板上方的空间能通过第一加压管线与第一压力泵连通，所述第一压力泵的出口处设置有第一加压压力表，所述第一实验缸体位于所述第一填砂区的侧壁上能连通地设置有第一饱和水管线，所述第一饱和水管线的入口能与所述第一压力泵连通；所述第一实验缸体的底部远离所述第二实验缸体的一侧能连通地设置排水管线，所述排水管线的入口处设置排水压力表，所述排水管线的出口处设置流量计；所述第二实验缸体内位于所述第二密封压板上方的空间能通过第二加压管线与第二压力泵连通，所述第二压力泵的出口处设置有第二加压压力表，所述第二实验缸体位于所述第二填砂区的侧壁上能连通地设置有第二饱和水管线，所述第二饱和水管线的入口能与所述第二压力泵连通；所述第一实验缸体的所述第一填砂区构成近井地带模拟区，所述第二实验缸体的所述第二填砂区构成远井地带模拟区。

在本实用新型的一较佳实施方式中，所述第一压力泵的出口处设置第一阀门，所述第一加压管线的出口处设置第二阀门，所述第一饱和水管线的出口处设置第三阀门，所述排水管线上位于所述排水压力表和所述流量计之间设置第四阀门；所述第二压力泵的出口处设置第五阀门，所述第二加压管线的出口处设置第六阀门，所述第二饱和水管线的出口处设置第七阀门。

在本实用新型的一较佳实施方式中，所述第一饱和水管线的入口能连通地设置于所述第一加压压力表和所述第二阀门之间的所述第一加压管线上；所述第二饱和水管线的入口能连通地设置于所述第二加压压力表和所述第六阀门之间的所述第二加压管线上。

在本实用新型的一较佳实施方式中，所述连接管线上设置有允许液体自所述第二填砂区流向所述第一填砂区的单向阀，所述单向阀位于所述第一填砂区与所述连接线压力表之间。

在本实用新型的一较佳实施方式中，所述第一实验缸体的内侧壁上且位于所述第一密封压板的上方设置有能拆卸地、且能自上而下顶抵限定所述第一密封压板的第一固定块；所述第二实验缸体的内侧壁上且位于所述第二密封压板的上方设置有能拆卸地、且能自上而下顶抵限定所述第二密封压板的第二固定块。

在本实用新型的一较佳实施方式中，所述第一固定块能通过螺栓固定于所述第一实验缸体的内侧壁上，所述第二固定块能通过螺栓固定于所述第二实验缸体的内侧壁上。

在本实用新型的一较佳实施方式中，所述第一实验缸体为矩形槽体，所述第一实验缸体的顶部设置能拆卸、且能密封固定的第一顶板，所述第一实验缸体内位于所述第一顶板和所述第一密封压板之间构成第一加压空间，所述第一加压管线与所述第一加压空间能连通地设置；所述第二实验缸体为矩形槽体，所述第二实验缸体的顶部设置能拆卸、且能密封固定的第二顶板，所述第二实验缸体内位于所述第二顶板和所述第二密封压板之间构成第二加压空间，所述第二加压管线与所述第二加压空间能连通地设置。

在本实用新型的一较佳实施方式中，所述连接管线的一端、所述第一加压管线、所述第一饱和水管线和所述排水管线通过螺纹密封连接于所述第一实验缸体上；所述连接管线的另一端、所述第二加压管线和所述第二饱和水管线通过螺纹密封连接于所述第二实验缸体上。

由上所述，本实用新型提供的模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置具有如下有益效果：

(1)本实用新型的模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置中，合理布置实验缸体、管线和压力表、流量计，能较好地模拟探究地质构造对排水过程中地层压力变化规律影响，可操作性强，数据采集简单且全面，装置结构简易轻巧；

(2)本实用新型的模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置中，将固定块用螺栓固定在实验缸体内壁上，实现了对密封压板的有效限制，避免了饱和盐水时填砂区的高压将密封压板过度上顶的问题；

(3)本实用新型的模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置中，装置有两个实验缸体，实验过程中既可以实现对近井地带高压、远井地带低压情况的模拟，也可以实现对近井、远井地带都是高压情况的模拟，并且高低压差可调，因此装置具有适应性广、可调节能力强的优点；

(4)本实用新型的模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置及其使用方法能很好地模拟研究地质构造对排水过程中地层压力变化规律的影响，指导现场控压放水作业的顺利进行，具有广泛的应用前景。

附图说明

以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中：

图1：为本实用新型的模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置的示意图。

图2：为本实用新型的模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置填砂状态示意图。

图3：为本实用新型的模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置填砂后密封示意图。

图4：为本实用新型的模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置填砂区饱和水时示意图。

图5：为本实用新型的模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置的加压空间加压示意图。

图6：为本实用新型的模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置中第一填砂区排水降压状态示意图。

图7：为本实用新型的模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置第二填砂区和第一填砂区排水示意图。

图8：为本实用新型的模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置第二填砂区和第一填砂区控压放水后示意图。

图9：为本实用新型的模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置的实验数据关系图。

图中：

100、模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置；

1、第一实验缸体；

101、第一填砂区；102、第一加压空间；

11、第一密封压板；12、第一固定块；13、第一顶板；

2、第二实验缸体；

201、第二填砂区；202、第二加压空间；

21、第二密封压板；22、第二固定块；23、第二顶板；

3、连接管线；31、连接线压力表；

41、第一加压管线；42、第二加压管线；

51、第一压力泵；511、第一加压压力表；

52、第二压力泵；521、第二加压压力表；

61、第一饱和水管线；62、第二饱和水管线；

7、排水管线；71、排水压力表；

8、流量计；

91、第一阀门；92、第二阀门；93、第三阀门；94、第四阀门；95、第五阀门；96、第六阀门；97、第七阀门；98、单向阀。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式。

如图1至图9所示，本实用新型提供一种模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置100；包括顶部能开口、且能密封的第一实验缸体1和第二实验缸体2，第一实验缸体1内设置有能沿第一实验缸体1的内侧壁密封抵靠滑动、且能固定的第一密封压板11，第一密封压板11与第一实验缸体1的底部之间构成密封的第一填砂区101，第二实验缸体2内设置有能沿第二实验缸体2的内侧壁密封抵靠滑动、且能固定的第二密封压板21，第二密封压板21与第二实验缸体2的底部之间构成密封的第二填砂区201，第一填砂区101与第二填砂区201的底部能通过允许液体自第二填砂区201流向第一填砂区101的连接管线3连通，连接管线3靠近第二实验缸体2的一端设置连接线压力表31；第一实验缸体1内位于第一密封压板11上方的空间能通过第一加压管线41与第一压力泵51连通，第一压力泵51的出口处设置有第一加压压力表511，第一实验缸体1位于第一填砂区101的侧壁上能连通地设置有第一饱和水管线61，第一饱和水管线61的入口能与第一压力泵51连通；第一实验缸体1的底部远离第二实验缸体2的一侧能连通地设置排水管线7，排水管线7的入口处设置排水压力表71，排水管线7的出口处设置流量计8；第二实验缸体2内位于第二密封压板21上方的空间能通过第二加压管线42与第二压力泵52连通，第二压力泵52的出口处设置有第二加压压力表521，第二实验缸体2位于第二填砂区201的侧壁上能连通地设置有第二饱和水管线62，第二饱和水管线62的入口能与第二压力泵52连通；第一实验缸体1的第一填砂区101构成近井地带模拟区，第一填砂区101内填砂并压实至地层压力后构成近井地带模拟地层，第二实验缸体2的第二填砂区201构成远井地带模拟区，第二填砂区201内填砂并压实至地层压力后构成远井地带模拟地层。

本实用新型的模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置中，合理布置实验缸体、管线和压力表、流量计，能较好地模拟探究地质构造对排水过程中地层压力变化规律影响，可操作性强，数据采集简单且全面，装置结构简易轻巧；密封压板能固定于实验缸体的内侧壁上，避免了饱和盐水时填砂区的高压将密封压板过度上顶的问题；本实用新型的模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置中，装置有两个实验缸体，实验过程中既可以实现对近井地带高压、远井地带低压情况的模拟，也可以实现对近井、远井地带都是高压情况的模拟，并且高低压差可调，因此装置具有适应性广、可调节能力强的优点；本实用新型的模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置能很好地模拟研究地质构造对排水过程中地层压力变化规律的影响，指导现场控压放水作业的顺利进行，具有广泛的应用前景。

进一步，如图1所示，第一压力泵51的出口处设置第一阀门91，第一加压管线41的出口处设置第二阀门92，第一饱和水管线61的出口处设置第三阀门93，排水管线7上位于排水压力表71和流量计8之间设置第四阀门94；第二压力泵52的出口处设置第五阀门95，第二加压管线42的出口处设置第六阀门96，第二饱和水管线62的出口处设置第七阀门97。各阀门通过螺纹密封串接于各相应管线上，分别用于控制各管线的连通。

进一步，如图1所示，第一饱和水管线61的入口能连通地设置于第一加压压力表511和第二阀门92之间的第一加压管线41上；第二饱和水管线62的入口能连通地设置于第二加压压力表521和第六阀门96之间的第二加压管线42上。在本实施方式中，第一饱和水管线61的入口通过T型接头固定连通于第一加压管线41上，第二饱和水管线62的入口通过T型接头固定连通于第二加压管线42上。第一饱和水管线61和第一加压管线41共同使用一个第一压力泵51，第二饱和水管线62和第二加压管线42共同使用一个第二压力泵52，提高了各压力泵的使用效率，简化回路设置。

进一步，如图1所示，连接管线3上设置有允许液体自第二填砂区201流向第一填砂区101的单向阀98，单向阀98位于第一填砂区101与连接线压力表31之间。单向阀98能有效地阻止第一填砂区101的液体流向第二填砂区201。

进一步，如图1、图2所示，第一实验缸体1的内侧壁上且位于第一密封压板11的上方设置有能拆卸地、且能自上而下顶抵限定第一密封压板11的第一固定块12；第二实验缸体2的内侧壁上且位于第二密封压板21的上方设置有能拆卸地、且能自上而下顶抵限定第二密封压板21的第二固定块22。在本实施方式中，第一固定块12能通过螺栓固定于第一实验缸体1的内侧壁上，第二固定块22能通过螺栓固定于第二实验缸体2的内侧壁上。第一固定块12和第二固定块22分别实现对第一密封压板11、第二密封压板21的有效限制，避免了饱和盐水时第一填砂区101、第二填砂区201的高压将第一密封压板11、第二密封压板21过度上顶的问题。

进一步，如图1、图2所示，第一实验缸体1为矩形槽体，第一实验缸体1的顶部设置能拆卸、且能密封固定的第一顶板13，第一实验缸体1内位于第一顶板13和第一密封压板11之间构成第一加压空间102，第一加压管线41与第一加压空间102能连通地设置；第二实验缸体2为矩形槽体，第二实验缸体2的顶部设置能拆卸、且能密封固定的第二顶板23，第二实验缸体2内位于第二顶板23和第二密封压板21之间构成第二加压空间202，第二加压管线42与第二加压空间202能连通地设置。需要向第一实验缸体1内填砂时，拆卸掉第一顶板13、第一密封压板11，填砂结束后，安装并固定第一密封压板11，再密封固定第一顶板13；需要向第二实验缸体2内填砂时，拆卸掉第二顶板23、第二密封压板21，填砂结束后，安装并固定第二密封压板21，再密封固定第二顶板23。

进一步，连接管线3的一端、第一加压管线41、第一饱和水管线61和排水管线7通过螺纹密封连接于第一实验缸体1上；连接管线3的另一端、第二加压管线42和第二饱和水管线62通过螺纹密封连接于第二实验缸体2上。各压力表均通过螺纹密封连接于相应的管线上。

使用本实用新型的模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置100进行实验的目的在于模拟探究地质构造对排水过程中地层压力变化规律的影响，并验证地层压力随累计排水量阶段性平稳不变是否是因为近井地带高压地区压力降低后，远处低压地带水源向近井地带补充，使得地层压力出现阶段性平稳不变。

使用本实用新型提供的模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置100的实验方法，包括以下步骤，

步骤a、如图2所示，完成实验装置100的管线组装，将第一密封压板11置于第一实验缸体1的外部、第二密封压板21置于第二实验缸体2的外部，确定各阀门处于关闭状态，确定各管线的密封性；

步骤b、如图2、图3所示，将纱网紧贴在第一实验缸体1和第二实验缸体2的内侧壁上，向第一实验缸体1和第二实验缸体2内填砂至设定高度，形成第一填砂区101和第二填砂区201，将第一密封压板11放入第一实验缸体1的内部并压放于砂的上方，在第一密封压板11的上方安装第一固定块12，密封且固定连接第一实验缸体1的第一顶板13，使得第一实验缸体1自顶部密封；将第二密封压板21放入第二实验缸体2的内部并压放于砂的上方，在第二密封压板21的上方安装第二固定块22，密封且固定连接第二实验缸体2的第二顶板23，使得第二实验缸体2自顶部密封；

步骤c、如图4所示，打开第一阀门91、第三阀门93和第五阀门95、第七阀门97，启动第一压力泵51和第二压力泵52，使用第一压力泵51将盐水通过第一饱和水管线61压入第一实验缸体1内，使用第二压力泵52将盐水通过第二饱和水管线62压入第二实验缸体2内，对第一实验缸体1内的第一填砂区101和第二实验缸体2内的第二填砂区201进行饱和盐水，第一填砂区101和第二填砂区201被饱和后关闭第三阀门93和第七阀门97，并记录此时各压力表的示数；

第一压力泵51和第二压力泵52的泵压(第一加压压力表511和第二加压压力表521的示数)和排水压力表71、连接线压力表31的示数稳定时，认为第一填砂区101和第二填砂区201被饱和。

步骤d、如图5所示，打开第二阀门92和第六阀门96，使用第一压力泵51将盐水通过第一加压管线41压入第一实验缸体1内第一密封压板11上方(即第一加压空间102内)，使用第二压力泵52将盐水通过第二加压管线42压入第二实验缸体2内第二密封压板21上方(即第二加压空间202内)，增大各压力泵的压力使各密封压板分别对相应的填砂区(模拟的地层)加压，完成各填砂区的压实，此时排水压力表71的示数高于连接线压力表的示数，各填砂区内的盐水构成高压水层，维持各压力泵的压力不变；

需要说明的是，步骤d中，观测排水压力表71和连接线压力表31的压力值，待排水压力表71和连接线压力表31的压力值达到实验设定数值(在一具体实施例中，排水压力表71的数值达到1.5MPa，连接线压力表31的数值达到1MPa)且读数稳定时，确定填砂区被压实。

步骤e、如图6所示，打开第四阀门94，初始时刻进行小排量排水，完成第一填砂区101的高压水层的排水降压，每隔一段时间记录一次各压力表的数值和累计排水量；在本实用新型的一具体实施例中，间隔时间为1min；

步骤f、保持定量排水并记录各压力表的数值和累计排水量，直至排水压力表71的压力示数降低至连接线压力表31的压力示数(在一具体实施例中，该数值为1MPa)；

步骤g、如图7所示，排水压力表71的压力示数低于连接线压力表31的压力示数时，第二填砂区201的盐水经连接管线3、单向阀98、第一填砂区101向排水管线7流动，继续进行排水降压过程数据记录，每隔一段时间记录一次各压力表的数值和累计排水量；在本实用新型的一具体实施例中，间隔时间为1min；

步骤h、如图8所示，保持定量排水并记录各压力表的数值和累计排水量，直至排水压力表71和连接线压力表31的压力示数不再变化时关闭第四阀门94，停止排水降压；

步骤g、关闭各压力泵和各阀门，将各实验缸体内的盐水和砂排出，清洗各实验缸体和各管线，完成实验。

实验结束后，将记录的数据进行整合处理，画出排水降压时排水压力表71和连接线压力表31的压力值随累计排水量之间关系曲线。排水压力表71的压力值P与累计排水量V的关系曲线如图9所示，且当排水压力表71的压力示数小于连接线压力表31的压力示数时，连接线压力表31的压力示数下降，则说明进行排水降压时，近井高压地带压力降低，当近井地带地层压力降低至远井低压地带地层压力以下时，远井地带水源向近井地带流动，从而出现了地层压力随累计排水量阶段性平稳不变的变化趋势。

由上所述，本实用新型提供的模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置具有如下有益效果：

(1)本实用新型的模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置中，合理布置实验缸体、管线和压力表、流量计，能较好地模拟探究地质构造对排水过程中地层压力变化规律影响，可操作性强，数据采集简单且全面，装置结构简易轻巧；

(2)本实用新型的模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置中，将固定块用螺栓固定在实验缸体内壁上，实现了对密封压板的有效限制，避免了饱和盐水时填砂区的高压将密封压板过度上顶的问题；

(3)本实用新型的模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置中，装置有两个实验缸体，实验过程中既可以实现对近井地带高压、远井地带低压情况的模拟，也可以实现对近井、远井地带都是高压情况的模拟，并且高低压差可调，因此装置具有适应性广、可调节能力强的优点；

(4)本实用新型的模拟地质构造对排水过程地层压力影响的实验装置及其使用方法能很好地模拟研究地质构造对排水过程中地层压力变化规律的影响，指导现场控压放水作业的顺利进行，具有广泛的应用前景。

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。