一种多层位开采出砂与挤压充填可视化模拟系统和方法

本发明属于石油与天然气开发与开采行业中的储层改造和防砂完井，具体而言，本发明涉及一种多层位开采出砂与挤压充填可视化模拟系统和方法。

背景技术：

1、弱胶结砂岩地层分布广泛，其储量和产量目前仍占主导地位。在这些砂岩储层中，出砂问题尤为突出。出砂是指由于地质条件、开采方法和作业措施等多种因素导致井附近地层岩石结构发生变化，地层产出液将地层中离散或脱落的砂子带入井筒或地表的过程或现象。这种现象会对油气井的正常生产造成一系列不利影响，如储层亏空、油管砂堵等，影响生产的同时增加井下作业量。挤压充填是一种防砂充填方法，利用高压挤开地层将大量高渗透率的砾石挤进地层，在井筒附近形成多级挡砂屏障的高渗透带，从而控制出砂，提高油井产量。

2、对于多油气层非均质储层来说，为了减少层间、层内矛盾，常进行分层定量控制开采，同时进行分层测试、分层管理和改造，以实现长期高产稳产。由于层间非均质性差异以及生产条件差异，多层开采一方面使得出砂预测的难度陡增，一方面也成为了高密实充填作业的瓶颈限制。出砂亏空形态不明则难以指引出砂控制目标位置，充填效果也难以模拟评价，而挤压充填、压裂充填和复合防砂等方式的实施正是以近井出砂形态刻画为基础。为了进一步契合非均质油气层多层开采的防砂需要，应根据不同层位出砂亏空形态制定精细化挤压充填的技术方案。但目前尚存在如下主要问题：

3、(1)目前传统的出砂预测只是针对单一目标储层的出砂量以及出砂速率进行预测，分层开采条件对地层砂产出影响不明确，缺乏考虑上述出砂过程的近井亏空形态模拟手段，使得对于储层开发后的具体状态认识不清。

4、(2)多层挤压充填作业效果不明确，缺乏一套着眼于分层开采的弱胶结油气藏开采出砂与挤压充填可视化模拟系统与评价方法，后续挤压充填等防砂工艺的选择和参数优化缺乏精细科学依据。

技术实现思路

1、针对现有多层开采出砂与挤压充填防砂效果评价问题，本发明提供了一种多层位开采出砂与挤压充填可视化模拟系统和方法，适用于多油层的出砂与挤压充填防砂工艺可视化实验模拟，也能用于单油层的挤压充填防砂工艺实验模拟。

2、本发明提供了一种新型多层位开采出砂与挤压充填可视化模拟实验装置，用于模拟单/多层开采后地层流体携带地层砂产出过程，同时在出砂后形成的亏空基础上进行储层挤压充填工艺模拟。本发明能够实现开采层位数、储层厚度、充填排量、砂比、充填砂密度等系列化实验参数的调整，模拟后能够从模拟储层的横向、纵向、垂向不同维度观察充填砂挤入储层的充填厚度、深度及形态，利用充填后的形态、流量、压差等参数随时间的变化以及充填密实度随充填参数的变化数据评价充填层的综合挡砂效果。为多层位开采出砂与挤压充填可视化模拟实验与评价提供系统的实验装置和实验方法，提供挤压充填防砂效果数据，用于优化挤压充填施工参数。

3、本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种多层位开采出砂与挤压充填可视化模拟系统，包括控制系统和通过管道依次连接的储液罐、注入泵、加砂器、主体装置、集砂沉砂器、回水泵，所述回水泵与储液罐的进水口相连；

4、所述主体装置包括模拟井筒、多层位开采模块和单层开采模块，所述模拟井筒内设置有模拟油管，所述模拟油管上端出口通过第一管道与集砂沉砂器相连，所述模拟油管下端入口通过过滤装置与模拟井筒相通，所述模拟井筒下端密封设置，所述模拟井筒上端设置有第一循环进出口，所述第一循环进出口通过第二管道与加砂器相连；

5、所述多层位开采模块包括沿模拟井筒轴向自上往下依次设置的多个扇形盘以及与扇形盘匹配的第一密封盖，所述第一密封盖可拆卸的设置在扇形盘的开口处，所述第一密封盖与扇形盘密封设置，所述扇形盘与模拟井筒同轴设置并且相通，所述扇形盘与模拟井筒之间设置有开关装置，所述扇形盘弧面侧壁上设置有第二循环进出口，所述第二循环进出口通过第三管道与集砂沉砂器或加砂器相连，所述扇形盘内设置有与控制系统相连的压力传感器和差压传感器；通过在扇形盘充填不同厚度的地层砂，以模拟不同储层之间初始物性的差异；

6、所述单层开采模块包括与模拟井筒同轴设置的环形盘和以及与环形盘匹配的第二密封盖，所述第二密封盖可拆卸的设置在环形盘的开口处，所述第二密封盖与环形盘密封设置，所述环形盘与模拟井筒相通，所述环形盘外圈侧壁上设置有第三循环进出口，所述第三循环进出口通过第四管道与集砂沉砂器或加砂器相连，所述环形盘内设置有与控制系统相连的压力传感器和差压传感器；

7、所述模拟井筒内部设置有与控制系统相连的封堵装置，所述封堵装置位于多层位开采模块和单层开采模块之间；

8、所述第一管道、第二管道、第三管道和第四管道上分别设置有与控制系统相连的控制阀和流量计；

9、所述多层位开采模块和单层开采模块均设置有可视化观察窗以实现可视化。多层位开采模块和单层开采模块根据观察需要设置可视化观察窗的位置。

10、本发明利用单层开采模块和多层位开采模块，分别用于近井附近的单层径向流动和多层径向出砂模拟，以及挤压充填的注入地层砂运移流动模拟，模拟功能全面；该系统可以实现自动加砂、过砂自动集砂、自动数据采集。

11、根据本发明优选的，所述第一密封盖和第二密封盖均为透明材质；

12、所述扇形盘平面侧壁上设置有观察窗口。由于充填砂容易对侧壁进行磨损，因此只在扇形盘平面侧壁开观察窗口，用于从模拟储层厚度方向观察，从而使扇形盘更耐用。单层开采模块的环形盘可根据出口流出砂量以及出砂时间建立厚度方向上的出砂形态剖面。因此，单层模拟观察是只从储层横截面方向观察径向，但是依旧可以建立厚度方向的亏空形态，充填形态是只观察径向。而且多层位开采模块的扇形盘结构能够从模拟地层的厚度方向直接观察近井地层的亏空和填充情况。

13、根据本发明优选的，上下各层所述扇形盘沿模拟井筒周向相互错位设置。通过将上下各层扇形盘沿模拟井筒周向相互错位设置，模拟不同相位角射孔位置，以试验模拟射孔相位角参数对充填效果的影响，沿模拟井筒轴向方向上下各层扇形盘之间不互相遮挡，方便进行图像采集和模拟地层的填充。

14、根据本发明优选的，所述扇形盘与模拟井筒之间的开关装置包括设置在扇形盘上的旋转密封环以及与旋转密封环匹配的固定密封环，所述旋转密封环可围绕固定密封环轴线旋转的套设在固定密封环外侧，所述旋转密封环与固定密封环密封连接，具体的，所述旋转密封环内壁与固定密封环外壁紧密接触实现密封，或在两者之间设置密封环增强密封效果；

15、所述固定密封环固定设置在模拟井筒外侧，所述固定密封环和模拟井筒之间设置有环形空腔，所述环形空腔与模拟井筒相通，所述模拟井筒侧壁沿径向设置有与环形空腔相通的贯穿孔，多个所述贯穿孔沿模拟井筒周向间隔排布，所述固定密封环侧壁上沿周向间隔设置有多个第一交换口；

16、所述旋转密封环侧壁上设置有与第一交换口相匹配的第二交换口，所述固定密封环侧壁上设置有与第二交换口匹配的密封区，所述密封区位于两个第一交换口之间。通过上述开关装置结构，不仅能够控制扇形盘与模拟井筒之间的通断，还能够调节模拟井筒上下各层扇形盘之间的角度，角度可调主要目的是方便实验充填砂和观察实验结果，通过在固定密封环侧壁上沿周向间隔设置多个第一交换口，还能够调整扇形盘在模拟井筒周向的不同相位。通过旋转扇形盘与不同第一交换口相对应，改变多层扇形盘之间的夹角，实现对多种相位角参数的充填效果评价。

17、根据本发明优选的，所述第一密封盖和扇形盘之间、第二密封盖和环形盘之间分别通过螺栓相连。第一密封盖和扇形盘之间、第二密封盖和环形盘之间利用螺栓相连，方便对第一密封盖和第二密封盖进行拆卸和安装，从而方便对模拟地层的设置和清理。

18、根据本发明优选的，所述扇形盘和环形盘的半径至少为0.5mm。通过控制扇形盘和环形盘的半径至少为0.5mm，使其尺寸上与储层挤压充填井上作业形成的亏空尺寸相仿，使模拟效果更接近实际生产。

19、根据本发明优选的，所述第一密封盖可围绕模拟井筒轴线旋转的设置在模拟井筒上，所述第二密封盖可上下滑动的套设在模拟井筒上。将第一密封盖旋转设置在模拟井筒上以及将第二密封盖可上下滑动的设置在模拟井筒上，使主体装置一体化设置，避免第一密封盖和第二密封盖丢失，方便出砂实验预制充填砂以及对试验装置的收放。

20、本发明还公开了一种多层位开采出砂与挤压充填可视化模拟方法，采用上述的多层位开采出砂与挤压充填可视化模拟系统，包括以下模拟流程：

21、下述模拟流程通过控制扇形盘与模拟井筒之间的开关装置和封堵装置实现多层位开采模块和单层开采模块的单独模拟或同步模拟；具体的，打开扇形盘与模拟井筒之间的开关装置而关闭封堵装置，用于多层位开采模块的单独模拟；关闭扇形盘与模拟井筒之间的开关装置而打开封堵装置，用于单层开采模块的单独模拟；打开扇形盘与模拟井筒之间的开关装置并同时打开封堵装置，用于多层位开采模块和单层开采模块的同步模拟；

22、s1、单/多层出砂过程的模拟

23、首先在主体装置内设置好模拟地层；具体的，选择待实验的扇形盘或环形盘，设定充填厚度，将模拟地层砂放入盘槽中，加入胶结剂关闭密封盖（扇形盘对应第一密封盖，环形盘对应第二密封盖），等待固化后进行实验；

24、将第三管道和第四管道分别与加砂器相连；

25、打开第一管道上的控制阀，关闭第二管道上的控制阀，打开第三管道或第四管道上的控制阀，利用注入泵向多层位开采模块或单层开采模块注入流体，模拟储层出砂过程，测试整个出砂过程单层开采模块或多层位开采模块的流量与压力数据，通过可视化观察窗获得储层出砂形态，同时利用集砂沉砂器确定出砂量；

26、s2、单/多层挤压充填/循环充填过程模拟

27、将第三管道和第四管道分别与集砂沉砂器相连；

28、关闭第三管道和第四管道上的控制阀，打开第二管道上的控制阀，加入充填砂到加砂器，利用注入泵向模拟井筒注入流体携砂液，调节第一管道上的控制阀，控制第一管道上的控制阀完全关闭用于模拟挤压充填过程，打开第一管道上的控制阀用于模拟循环充填过程；

29、将注入泵调至预设的泵排量开始实验，并对实验数据实时采集，每隔5-10分钟记录出砂量并观察多层位开采模块或单层开采模块的充填形态，驱替至压力稳定，停止模拟，记录多层位开采模块或单层开采模块挤注进入的动态流量和动态压力；

30、通过对数据处理及结果分析，评价防砂效果，确定挡砂效果好、充填密实度高的实验参数；

31、s3、充填后单/多层生产过程模拟

32、将第三管道和第四管道分别与加砂器相连；

33、对模拟填充后的模拟储层进行模拟流体驱替生产，打开第一管道上的控制阀，关闭第二管道上的控制阀，打开第三管道或第四管道上的控制阀，利用注入泵向多层位开采模块或单层开采模块注入流体，对实验数据实时采集，观察实验中充填后的生产效果，记录充填砂的产出情况；

34、进行数据处理及结果分析。

35、上述模拟方法能够进行出砂-充填-返吐完整工艺过程的全流程模拟，无论是模拟基础还是结果都更具可靠性。同时，实验流程的设计能够合理解释储层地质条件、充填施工参数、生产动态参数等对储层出砂情况、充填效果的影响，综合评价防砂效果。

36、根据本发明优选的，模拟流程s2在模拟流程s1后直接进行，通过模拟流程s1形成地层亏空形态。模拟流程s2直接对模拟流程s1形成的地层亏空形态进行充填，有助于提高实验效率。

37、根据本发明优选的，模拟流程s2直接单独实施，将模拟好的地层亏空形态模型直接放置在多层位开采模块或单层开采模块中，对上述地层亏空形态模型进行填充。

38、本发明利用可视化模拟系统通过三个流程实验方法分别完成出砂-充填-返吐完整工艺过程，这三个流程可以单独进行也可以按照实际条件进行全流程模拟。

39、第一个流程可进行单/多层出砂过程的模拟，这个流程可以根据模拟目标选择使用扇形装置来模拟多层出砂或使用底部圆盘装置来模拟单层出砂。

40、第二个流程是单/多层挤压充填/循环充填过程模拟，基于第一个流程的出砂形态，能够更真实地反映实际井底充填效果。

41、第三个流程是充填后单/多层生产过程模拟，基于不同条件下的充填程度，进一步的进行反向驱替，测试充填砂的产出情况与充填后生产效果。

42、本发明的模拟系统包含了多层位开采模块和单层开采模块，用于单层和多层位开采出砂与挤压充填可视化模拟实验，两套模拟单元可单独使用，实现近井多个层位地层出砂与挤压充填过程不同实验测试和评价目的。

43、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

44、（1）本发明的主体装置包括多层位开采模块和单层开采模块，这套系统流程能够通过模拟单层与多层出砂形态、挤压充填形态，同时基于储层与充填层复合形态，进一步测试防砂性能指标，量化评价挤压充填的防砂性能。并且，能够实时监测数据并实现实验过程可视化，为提高挤压充填防砂的密实度提供数据支撑。

45、（2）本发明的系统实验条件设置和参数调整灵活，满足反向流动模拟实际多层出砂形态后进行挤压充填或人工预置出砂形，模拟储层厚度、角度可调，实现多层位、不同厚度的储层条件与生产模拟的实验条件灵活组合。实验系统观察方便，多维度透明视窗可实现可视化模拟，可直接观察充填砂在多层内分流运移动态、充填砂充填厚度、深度及形态。

46、（3）整个系统功能全面、流程合理，能够进行出砂-充填-返吐完整工艺过程的全流程模拟，可实现自动加砂、过砂自动收集、自动数据采集等。实验系统监测的数据全面，为挤压充填带的综合防砂性能评价提供全方位的测试数据支持。