一种砾石充填防砂井挤压充填形态模拟实验装置和方法与流程

本发明涉及砾石充填模拟实验技术领域，尤其涉及一种砾石充填防砂井挤压充填形态模拟实验装置和方法。

背景技术：

所谓出砂，是指石油与天然气疏松砂岩储层以及天然气水合物储层在开采过程中，地层砂粒随地层流体产出到井筒或地面的现象；防砂是目前解决出砂问题的主要途径。

目前常用的防砂工艺是：使用砾石通过挤压充填的方式在防砂筛管和油层之间形成一个挡砂屏障，用于阻挡地层砂。但由于储层岩石存在明显的纵向非均质性，因此在挤压充填条件下无法保证砾石层厚度均匀稳定，容易出现充填薄点导致砾石充填层整体失效。

中国专利cn107795303a公开了一种水合物开采井管内砾石充填仿真系统及方法，可用于不同井身结构的管内砾石充填过程及其效果监测仿真；中国专利cn102353550a公开了一种防砂筛管综合性能检测实验装置及性能评价方法，可以模拟射孔、裸眼、筛管防砂和砾石充填防砂等防砂完井情况；中国专利cn206830148u和cn206016778分别提供了一种现场用砾石充填防砂装置，满足了分层、分段充填施工需求。

上述公开的砾石充填实验装置主要集中在预充填以及循环充填，即仅在油套环空内形成砾石层，无法模拟挤压充填施工条件下砾石层通过射孔孔眼并在套管和储层之间挤压形成砾石层的情况。

急需开发一种砾石充填防砂井挤压充填形态模拟的可靠实验装置，用于检验不同井况及储层条件下砾石层充填形态。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明公开了一种砾石充填防砂井挤压充填形态模拟实验装置和方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种砾石充填防砂井挤压充填形态模拟实验装置，包括模拟井筒系统、充填模拟系统、废液回收系统和压力测试系统。

作为本发明的进一步优选，所述模拟井筒系统包括模拟地层边界、模拟井筒、模拟套管、模拟油管和模拟岩心，模拟井筒与模拟地层边界之间的环形空间中填充模拟岩心，模拟岩心的顶部安装套管封隔器，模拟井筒的井口处安装模拟防喷闸板，模拟套管与模拟油管之间的环形空间中安装有油管上封隔器、油管下封隔器，在模拟套管的充填层段上开设若干射孔孔眼，在模拟地层边界的充填层段上设置若干泄流口；

作为本发明的进一步优选，所述充填模拟系统包括水箱、混砂罐、充填泵和安装于模拟井筒中的模拟充填管柱，所述模拟充填管柱的上端穿出模拟防喷闸板，下端安装有充填喷头，充填喷头的上方与模拟油管之间还安装有充填管柱封隔器；

作为本发明的进一步优选，所述废液回收系统包括缓冲罐、废液罐和气瓶，模拟井筒系统设置于缓冲罐中，缓冲罐通过管线与回液泵的入口相连接，回液泵的出口与废液罐通过管线相连接，废液罐还通过管线与模拟充填管柱的上端相连接；带有减压阀的气瓶与废液反排管线相连接，废液反排管线穿过充填管柱封隔器延伸至模拟油管、充填管柱和充填管柱封隔器形成的空间中；

作为本发明的进一步优选，所述压力测试系统包括六个固定式压力计，分别设置于充填喷头的出口端、充填孔出口端、模拟套管射孔段下端内侧、模拟套管射孔段上端内侧、模拟套管上端外侧、充填管线入口端。

作为本发明的进一步优选，所述模拟油管、油管上封隔器、油管下封隔器、模拟套管之间所形成的空间为管内砾石充填空间，在挤压充填过程中，携砂液携带砾石通过射孔孔眼并形成管外砾石充填层；

作为本发明的进一步优选，所述模拟油管、油管上封隔器、油管下封隔器、模拟套管之间所形成的空间为管内砾石充填空间，在挤压充填过程中，携砂液携带砾石通过射孔孔眼并形成管外砾石充填层。

作为本发明的进一步优选，套管封隔器安装于射孔层段的上方；模拟油管内设置充填安全阀，充填安全阀上设置可通过液压控制进行开启或关闭的充填孔。

作为本发明的进一步优选，在模拟地层设置有泄流口，同时泄流口上安装调节泄流能力的挡板，用于模拟携砂液在不同渗透性能条件下的储层滤失过程。

作为本发明的进一步优选，所述防喷闸板耐压25mpa。

作为本发明的进一步优选，所述充填泵与模拟充填管柱相连接的管线上还安装有液体流量计。

作为本发明的进一步优选，实验装置还包括充填形态检测子系统，该充填形态检测子系统选用常规井下声波成像测井系统，在撤掉砾石充填模拟子系统以及模拟套管后，下入模拟井筒中可以对岩心进行成像检测，得到砾石层最终的充填形态。

一种砾石充填防砂井挤压充填形态模拟实验方法，采用上述的实验装置，包括如下步骤：

a、根据目标工区，确定实验工艺参数，准备实验材料；

a1、确定实验材料参数：携砂液配制参数、携砂液粘度、充填砾石尺寸、充填砾石类型；

a2、确定实验参数：砾石充填量、混砂罐砂比、充填泵排量、充填泵出口压力；

a3、确定模拟岩心参数：地层砂粒度分布、孔隙度、渗透率、强度；

b、根据实验设计，安装模拟井筒及模拟充填管柱，将实验装置中的各个部件连入实验流程中，检查各个密封位置的气密性；

b1、按照实际井身结构安装井筒管柱，从模拟地层边界由外向内分别装入模拟岩心、预设射孔段的模拟套管、带有充填安全阀的模拟油管，下入井下指定位置后坐封油管上封隔器、油管下封隔器；

b2、下入模拟充填管柱，坐封充填管柱封隔器；

b3、检查各个封隔器、穿过封隔器的管线以及其他密封位置的气密性，保证密封良好；

c、通过液压管线加压，使充填安全阀上的充填孔处于开启状态；

d、设定砾石混砂箱中的砂比、排量，启动充填泵进行挤压充填，实时采集充填泵排量、压力、砂比数据、携砂液基本属性及定点压力计检测的压力数据；

e、挤压充填模拟实验结束后，液压管线泄压使充填孔处于关闭状态，开启气瓶及废液反排管线，将残存在模拟油管、充填管柱以及充填管柱封隔器形成的空间中的携砂液反排至废液罐中；

f、打开模拟井筒的井口，拆除井口防喷闸板及各管线，解封充填管柱封隔器，抽出模拟充填管柱；随后解封上油管封隔器、下油管封隔器，抽出模拟油管，最后解封套管封隔器，抽出模拟套管；

g、下入井下声波成像测井系统，对岩心进行成像检测，得到砾石层最终的充填形态；

h、实验结束。

作为本发明的进一步优选，在步骤d的充填过程中，需保证模拟套管上端外侧的定点压力计读数小于模拟岩心的破裂压力梯度。

本发明的有益效果是，可以高度模拟防砂井井下挤压充填施工情况，研究得到多种类型疏松砂岩储层在不同井况和施工参数条件下砾石层挤压充填形态，以及疏松砂岩储层纵向非均质性对砾石层挤压充填形态的影响，并根据实验结果为不同条件下砾石充填作业的施工方案、工艺参数优化提供依据。

附图说明

图1为本发明中的实验装置结构示意图；

图2为本发明中的实验方法流程示意图。

其中，1-水箱；2-混砂罐；3-充填泵；4-液体流量计；5-废液罐；6-气瓶；7-液压泵；8-泄压三通阀；9-模拟防喷闸板；10-模拟充填管柱；11-模拟油管；12-模拟套管；13-模拟地层边界；14-射孔孔眼；15-泄流口；16-模拟岩心；17-砾石层；18-充填安全阀；19-充填孔；20-充填喷头；21-套管封隔器；22-油管上封隔器；23-油管下封隔器；24-充填管柱封隔器；25-缓冲罐；26-回液泵。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种砾石充填防砂井挤压充填形态模拟实验装置，包括模拟井筒系统、充填模拟系统、废液回收系统和压力测试系统，其中：

模拟井筒系统包括模拟地层边界13、模拟井筒、模拟套管12、模拟油管11和模拟岩心16，模拟井筒与模拟地层边界13之间的环形空间中填充模拟岩心16，模拟岩心16的顶部安装套管封隔器21，模拟井筒的井口处安装模拟防喷闸板9，模拟套管12与模拟油管11之间的环形空间中安装有油管上封隔器22、油管下封隔器23，在模拟套管12的充填层段上开设若干射孔孔眼14，在模拟地层边界13的充填层段上设置若干泄流口15；模拟油管11内设置充填安全阀18，充填安全阀18上设置可通过液压控制进行开启或关闭的充填孔19；

该模拟井筒系统中的模拟岩心16可选用人造疏松砂岩；模拟岩心16的顶部安装的油管上封隔器22、油管下封隔器23用于将充填层封隔；在模拟套管12的充填层段进行打孔处理，用于模拟射孔孔眼14，射孔孔眼14密度按照实际区块的射孔参数处理；泄流口15用于将通过岩心的携砂液排除。

充填模拟系统包括水箱1、混砂罐2、充填泵3和安装于模拟井筒中的模拟充填管柱10，模拟充填管柱10的上端穿出模拟防喷闸板9，下端安装有充填喷头20，充填喷头20的上方与模拟油管11之间还安装有充填管柱封隔器24；水箱1的出口与混砂罐2的入口相连接，混砂罐2与充填泵3的入口相连接，充填泵3的出口通过管线与模拟充填管柱10的顶部相连接；液压管线的一端穿过油管上封隔器22与充填安全阀18相连接，另一端与液压泵7相连。

在实验操作过程中，通过控制砾石混砂罐2中砂比、充填泵3排量、充填泵3压等参数来模拟不同施工参数下的充填过程，充填孔19可通过液压控制进行开启或关闭(充填过程中充填孔19打开，其余时间关闭)；在充填过程中，携砂液携带砾石通过充填喷头20进人模拟油管11、模拟充填管柱10以及充填管柱封隔器24形成的空间中，充填孔19通过液压作用打开，携砂液和砾石通过充填孔19进入模拟油管11、油管上封隔器22、油管下封隔器23、模拟套管12之间所形成的空间以及套管外空间中进行挤压充填。

废液回收系统包括缓冲罐25、废液罐5和气瓶6，模拟井筒系统设置于缓冲罐25中，缓冲罐25通过管线与回液泵26的入口相连接，回液泵26的出口与废液罐5通过管线相连接，废液罐5还通过管线与模拟充填管柱10的上端相连接；带有减压阀的气瓶6与废液反排管线相连接，废液反排管线穿过充填管柱封隔器24延伸至模拟油管11、充填管柱和充填管柱封隔器24形成的空间中。在充填结束后向该空间充入大排量气体，携带废液及砾石反排进入废液罐5中，废液罐5内设置有携砂液过滤装置，实现携砂液过滤与存放；在充填过程中，通过模拟地层边界13上泄流口15排出的废液进入缓冲罐25，并通过回液泵26返回至废液罐5。

压力测试系统包括六个固定式压力计，主要功能包括：实施记录实验过程压力变化用于数据处理、判断实验是否出现诸如管线堵塞、泄露等异常情况、判断实验结束时间点，分别设置于充填喷头20的出口端(p1)、充填孔19出口端(p2)、模拟套管12射孔段下端内侧(p3)、模拟套管12射孔段上端内侧(p4)、模拟套管12上端外侧(p5)、充填管线入口端(p6)。其中，p1-p2用于检测携砂液从喷出到进入模拟油管11、油管上封隔器22、油管下封隔器23、模拟套管12之间所形成的空间的压降情况、p4-p5用于检测携砂液通过射孔孔眼14处的压降情况、p1-p6用于检测充填管路管内摩阻以及判断是否出现砂堵；

特别的，模拟油管11、油管上封隔器22、油管下封隔器23、模拟套管12之间所形成的空间为管内砾石充填空间，在挤压充填过程中，携砂液携带砾石通过射孔孔眼14并形成管外砾石充填层。

特别的，液压管线上安装有泄压三通阀8，用来在紧急情况下进行泄压处理。

特别的，套管封隔器21安装于射孔层段的上方，用于密封、防止充填过程中发生携砂液窜流的现象。

特别的，泄流口15上安装调节泄流能力的挡板，可调节泄流能力。

特别的，防喷闸板耐压25mpa，防喷闸板上安装有多个管线接口，如携砂液注入管线接口、充填安全阀18液压管线接口、废液反排管线接口、气体充入管线接口等，防喷闸板是连接模拟井筒系统和充填模拟系统的关键，也是维持实验高压、保证试验安全的主要部件。

特别的，充填泵3与模拟充填管柱10相连接的管线上还安装有液体流量计4。

特别的，实验装置还包括充填形态检测子系统，该充填形态检测子系统选用常规井下声波成像测井系统，在实验充填步骤结束并拆除砾石充填模拟子系统以及模拟套管后，下入模拟井筒中可以对岩心进行成像检测，得到砾石层最终的充填形态。

需要说明的是，在本发明的实验装置中，水箱1、混砂罐2相连接的管线上设置阀门f1，混砂罐2与充填泵3相连接的管线上设置阀门f2，充填泵3与模拟充填管柱10相连接的管线上设置阀门f3，气瓶6相连的废液反排管线上设置阀门f4，液压泵7、泄压三通阀8相连接的管线上设置阀门f5，废液罐5、模拟充填管柱10相连接的管线上设置阀门f6，缓冲罐25、回液泵26相连接的管线上设置阀门f7。

本发明的实验装置与实际砾石充填工具为1:1对应关系，模拟结果可靠性高、工程实践性强。

实施例1

如图2所示，一种砾石充填防砂井挤压充填形态模拟实验方法，以某疏松砂岩区块进行挤压充填施工为例，包括如下步骤：

a、根据目标工区，确定实验工艺参数，准备实验材料

a1、确定实验材料参数：

携砂液粘度30～35mpa.s、充填砾石尺寸0.425～0.55mm、充填砾石类型为石英砂；

a2、确定实验参数：

砾石充填量6m³、混砂罐2砂比20％、充填泵3组排量2.0m³/min；

a3、确定模拟岩心16参数：

地层砂粒度中值为0.15mm、属于高孔高渗地层；

b、根据实验设计，安装模拟井筒及模拟充填管柱10，将实验装置中的各个部件连入实验流程中，检查各个密封位置的气密性；

b1、按照实际井身结构安装井筒管柱，从模拟地层边界13由外向内分别装入模拟岩心16、预设射孔段的模拟套管12、带有充填安全阀18的模拟油管11，下入井下指定位置后坐封油管上封隔器22、油管下封隔器23；

b2、下入模拟充填管柱10，坐封充填管柱封隔器24；

b3、检查各个封隔器、穿过封隔器的管线以及其他密封位置的气密性，保证密封良好；

c、通过液压管线加压，使充填安全阀18上的充填孔19处于开启状态；

d、设定砾石混砂箱中的砂比、排量，启动充填泵3进行挤压充填，实时采集充填泵3排量、压力、砂比数据、携砂液基本属性及定点压力计检测的压力数据；

e、挤压充填模拟实验结束后，液压管线泄压使充填孔19处于关闭状态，开启气瓶6及废液反排管线，将残存在模拟油管11、充填管柱以及充填管柱封隔器24形成的空间中的携砂液反排至废液罐5中；

f、打开模拟井筒的井口，拆除井口防喷闸板及各管线，解封充填管柱封隔器24，抽出模拟充填管柱10；随后解封上油管封隔器、下油管封隔器，抽出模拟油管11，最后解封套管封隔器21，抽出模拟套管12；

g、下入井下声波成像测井系统，对岩心进行成像检测，得到砾石层17最终的充填形态；

h、实验结束。

特别的，在步骤d的充填过程中，需保证模拟套管12上端外侧的定点压力计读数p5小于模拟岩心16的破裂压力梯度。

实施例2

如图2所示，一种砾石充填防砂井挤压充填形态模拟实验方法，以某疏松砂岩区块进行挤压充填施工为例，包括如下步骤：

a、根据目标工区，确定实验工艺参数，准备实验材料

a1、确定实验材料参数：

携砂液粘度35～40mpa.s、充填砾石尺寸0.65～0.85mm、充填砾石类型为石英砂；

a2、确定实验参数：

砾石充填量6m³、混砂罐2砂比25％、充填泵3组排量3.0m³/min；

a3、确定模拟岩心16参数：

地层砂粒度中值为0.15mm、属于高孔高渗地层；

b、根据实验设计，安装模拟井筒及模拟充填管柱10，将实验装置中的各个部件连入实验流程中，检查各个密封位置的气密性；

b1、按照实际井身结构安装井筒管柱，从模拟地层边界13由外向内分别装入模拟岩心16、预设射孔段的模拟套管12、带有充填安全阀18的模拟油管11，下入井下指定位置后坐封油管上封隔器22、油管下封隔器23；

b2、下入模拟充填管柱10，坐封充填管柱封隔器24；

b3、检查各个封隔器、穿过封隔器的管线以及其他密封位置的气密性，保证密封良好；

c、通过液压管线加压，使充填安全阀18上的充填孔19处于开启状态；

d、设定砾石混砂箱中的砂比、排量，启动充填泵3进行挤压充填，实时采集充填泵3排量、压力、砂比数据、携砂液基本属性及定点压力计检测的压力数据；

e、挤压充填模拟实验结束后，液压管线泄压使充填孔19处于关闭状态，开启气瓶6及废液反排管线，将残存在模拟油管11、充填管柱以及充填管柱封隔器24形成的空间中的携砂液反排至废液罐5中；

f、打开模拟井筒的井口，拆除井口防喷闸板及各管线，解封充填管柱封隔器24，抽出模拟充填管柱10；随后解封上油管封隔器、下油管封隔器，抽出模拟油管11，最后解封套管封隔器21，抽出模拟套管12；

g、下入井下声波成像测井系统，对岩心进行成像检测，得到砾石层17最终的充填形态；

h、实验结束。

特别的，在步骤d的充填过程中，需保证模拟套管12上端外侧的定点压力计读数p5小于模拟岩心16的破裂压力梯度。

实施例3

如图2所示，一种砾石充填防砂井挤压充填形态模拟实验方法，以某疏松砂岩区块进行挤压充填施工为例，包括如下步骤：

a、根据目标工区，确定实验工艺参数，准备实验材料

a1、确定实验材料参数：

携砂液粘度32～37mpa.s、充填砾石尺寸0.425～0.55mm、充填砾石类型为石英砂；

a2、确定实验参数：

砾石充填量6m³、混砂罐2砂比18％、充填泵3组排量2.8m³/min；

a3、确定模拟岩心16参数：

地层砂粒度中值为0.15mm、属于高孔高渗地层；

b、根据实验设计，安装模拟井筒及模拟充填管柱10，将实验装置中的各个部件连入实验流程中，检查各个密封位置的气密性；

b1、按照实际井身结构安装井筒管柱，从模拟地层边界13由外向内分别装入模拟岩心16、预设射孔段的模拟套管12、带有充填安全阀18的模拟油管11，下入井下指定位置后坐封油管上封隔器22、油管下封隔器23；

b2、下入模拟充填管柱10，坐封充填管柱封隔器24；

b3、检查各个封隔器、穿过封隔器的管线以及其他密封位置的气密性，保证密封良好；

c、通过液压管线加压，使充填安全阀18上的充填孔19处于开启状态；

d、设定砾石混砂箱中的砂比、排量，启动充填泵3进行挤压充填，实时采集充填泵3排量、压力、砂比数据、携砂液基本属性及定点压力计检测的压力数据；

e、挤压充填模拟实验结束后，液压管线泄压使充填孔19处于关闭状态，开启气瓶6及废液反排管线，将残存在模拟油管11、充填管柱以及充填管柱封隔器24形成的空间中的携砂液反排至废液罐5中；

f、打开模拟井筒的井口，拆除井口防喷闸板及各管线，解封充填管柱封隔器24，抽出模拟充填管柱10；随后解封上油管封隔器、下油管封隔器，抽出模拟油管11，最后解封套管封隔器21，抽出模拟套管12；

g、下入井下声波成像测井系统，对岩心进行成像检测，得到砾石层17最终的充填形态；

h、实验结束。

特别的，在步骤d的充填过程中，需保证模拟套管12上端外侧的定点压力计读数p5小于模拟岩心16的破裂压力梯度。

本发明在功能方面的创新之处在于：

1.目前，对于防砂井砾石挤压充填形态的研究大都是通过数值模拟，缺少在模拟实际工况条件下进行挤压充填的实验装置，并在挤压充填后通过井下成像和肉眼观察两种方式来观测防砂井实际工况下的砾石挤压充填形态的过程。

2.本发明能够实现管内、管外(套管和地层间)同时充填，当前，国内外所有的实验装置都只是针对管内循环充填，根本无法实现管外充填。

3.本发明中的实验装置，与实际砾石充填工具为1:1的对应关系，满足全尺寸砾石充填工具下入模拟井筒实验的条件，模拟结果可靠性高、工程实践性强。

4.采用本发明进行的实验，能够在实验的最后得到防砂井砾石挤压充填形态，虽然充填形态检测工具和方法是常规的井下声波成像测井方法，但充填形态检测这个功能和使用方式是现有技术和实验装置中未出现的。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。