专利名称：地层测试器仿真装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种地层测试器仿真装置，特别是指一种在石油、天然气钻井过程中用于模拟地层测试器工作过程的实验装置，属于石油天然气开采技术领域。
背景技术：
在钻井过程中，当钻至目的层时，需要及时进行地层测试，测取地层压力、渗透率等参数，抽取地层流体样品，确定地层流体的参数，从而对储层进行产能评价，确定开采方案，避免漏测产油层。
对于地层压力的测试和地层流体的取样，合理的工作制度至关重要。在地层渗透率较低的情况下，泵抽速度如果太大，则地层压力降到地层流体的泡点压力之下，压力数据不能反映实际的地层参数，使得测试失败。同样，当地层流体粘度较大时，泵抽速度也应该足够小，才能得到较理想的压力随时间变化曲线。反之，当地层渗透率较高、地层原油粘度较小时，则要求泵抽速度足够大，否则，地层压力降落值太小，不能得到理想的、可以用来解释储层渗透率的压力降落和压力恢复曲线。
目前，在石油、天然气钻井过程中的地层测试主要采用重复式电缆地层测试器。但是，预测试室容积小、泵抽速度不能调节并且只有一个探针，存在着压力测试和取样质量差、对不同地层和流体条件适应能力差和垂直渗透率精度低的缺点。
由于重复式电缆地层测试器结构和功能限制，其工作制度比较单一。而对于泵抽式地层测试器，其一个主要的优点就是工作制度可以根据地层和流体条件来调节。其工作制度设计可以采用数学物理方法设计测试工作制度，计算和优选测试流量和时间。但是数学模型往往存在很多的假设条件，和地层测试的实际条件不符，计算结果也不能直接用于地层测试的工作制度的设计。因此，需要采用物理仿真实验来修正数学模型，指导地层测试工作制度的设计。
但目前还没有用来修正数学模型的三维物理仿真实验装置。只有一维的物理仿真实验装置，由于该装置是一维的，所以不能真正地模拟地层测试过程。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种地层测试器仿真装置，可以直接实现三维物理仿真模拟实验，测试压力数据精度高，实验数据误差小，实验数据经过处理和分析后可以用来定量地指导实际地层测试的工作制度设计。
本发明是通过如下的技术方案实现的一种地层测试器仿真装置，包括恒压单元、带有实心半球体岩心和内腔的岩心模型、流体抽吸单元、数据采集单元和处理单元，其中，恒压单元通过管道与岩心模型的内腔相通，使岩心模型在抽吸过程中保持恒定压力；流体抽吸单元通过管道与岩心模型的实心半球体岩心相通，通过管道从岩心模型的内腔抽吸流体，模拟地层测试过程；数据采集单元包括流体抽吸压力传感器和恒压单元压力传感器，所述的流体抽吸压力传感器设置在连接流体抽吸单元和岩心模型的管道上，信号输出端与处理单元连接，用于记录实验过程中流体抽吸单元探头的压力数据，并且将压力数据传输到处理单元，进行数据处理；所述的恒压单元压力传感器设置在连接恒压单元和岩心模型内腔的管道中，信号输出端与处理单元连接，用于记录实验过程中岩心的压力数据，并且将压力数据传输到处理单元，进行数据采集和数据处理。
上述的数据采集单元测量压力和压力分别随时间变化数据、流量随时间变化数据及流速随时间变化数据；上述的处理单元根据数据采集单元采集的数据，验证和建立地层测试器三维有限元数值仿真模型，利用该模型修正与建立不同岩性、不同储层特征测试工作制度模型的建立与解释模型。
上述的流体抽吸单元包括一精密数控的活塞泵和一转样筒，该活塞泵通过管道分别与岩心模型内的实心半球体岩心和转样筒连接，并在管道上设有开关阀，该开关阀使活塞泵或者与实心半球体岩心相通，或者与转样筒相通；并在与岩心模型连接的管道上设有压力传感器；所述的活塞泵通过调节其控制盘上的数字化流量调节的小拨杆确定抽吸流量，通过开关按钮开始或停止抽吸动作。
上述的恒压单元包括数字控制精密恒压源和活塞容器；其中，该数字控制精密恒压源的输出口通过管道与活塞容器的输入口连接，活塞容器的输出口通过管道与岩心模型的内腔连接。
上述的处理单元包括信号转换电路、处理器和显示器，其中，信号转换电路的输入端与数据采集单元的输出端连接，将接收的模拟信号转换为数字信号后传输给处理器，处理器对接收的数据进行处理后输出到显示器中。
为了真实的模拟地球内部的渗透性，并方便实验的进行，其岩心模型包括壳体及壳体内具有渗透能力的实心半球体岩心和开口的半球形滤网，所述的半球形滤网包覆在实心半球体岩心的球冠部分，半球形滤网的开口边缘固定在壳体上，将实心半球体岩心固定在壳体上，半球形滤网的球冠外表面与壳体的空间形成内腔，在壳体上开设有与内腔相通的孔，在壳体上固定有实心半球体岩心的部位开设有可与实心半球体岩心相通的孔。
其中，岩心模型的壳体可以多种形状，如圆柱形或立方形；当所述的壳体为圆柱形，壳体上固定有实心半球体岩心的部位为圆柱形壳体的一个端面，在其上开设的孔位于端面的中心，壳体上与内腔相通的孔开设在圆柱形壳体的另一个端面的中心。所述的半球形滤网的开口边缘设有一周凸沿，该凸沿的外径等于圆柱形壳体的内径，并固定在圆柱形壳体的一个端面上。
当所述的壳体为上、下底面为正方形的立方体时，固定有实心半球体岩心的部位为立方体的一个底面，在其上开设的位于该底面的中心；与内腔相通的孔开设在立方体壳体的另一个底面的中心。
综上所述，本发明所述的地层测试器仿真装置可以进行地层测试全过程的三维物理仿真模拟，该装置采用半球形恒压岩心模型，可以直接实现三维物理仿真模拟实验，该装置采用高精度的石英压力计、可变流量控制精密抽吸泵、精密数控恒压源等高精度的零部件，测试压力数据精度高，实验数据误差小，实验数据经过处理和分析后可以用来定量地指导实际地层测试的工作制度设计。
图1为本发明的结构示意图；图2为本发明一实施例的结构示意图；图3为本发明一实施例中的岩心模型结构正面示意图；图4为图3中所示的岩心模型侧面示意图；图5为本发明另一实施例中的岩心模型结构的侧面示意图。
具体实施例方式
以下通过附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
图1为本发明的结构示意图，本发明包括恒压单元1、带有实心半球体岩心和内腔的岩心模型2、流体抽吸单元3、数据采集单元4和处理单元5，其中，恒压单元1与岩心模型2内部的实心半球体岩心相通，流体抽吸单元3通过管道与岩心模型2的内腔相通，数据采集单元4包括流体抽吸压力传感器41和恒压单元压力传感器42，所述的流体抽吸压力传感器41设置在连接流体抽吸单元4和岩心模型2的管道上，信号输出端与处理单元5连接，用于记录实验过程中流体抽吸单元抽吸的压力数据，并且将压力数据传输到处理单元5，进行数据采集和数据处理；所述的恒压单元压力传感器42设置在连接恒压单元1和岩心模型2内腔的管道中，信号输出端与处理单元5连接，用于记录实验过程中岩心的压力数据，并且将压力数据传输到处理单元5，进行数据的处理、显示和存储。
现以具体的实施例对本发明进行详细的说明一种地层测试器仿真装置，包括恒压单元1、带有实心半球体岩心和内腔的岩心模型2、流体抽吸单元3、数据采集单元4和处理单元5，为了保证岩心模型2中的压力在测试过程中的稳定，恒压单元1包括数字控制精密恒压源11和活塞容器12，该数字控制精密恒压源11采用YBPD16型恒压式变量叶片泵，其输出口通过管道与活塞容器12的输入口连接，活塞容器12的输出口通过管道与岩心模型2的内腔连接。该YBPD16型恒压式变量叶片泵自身配有恒压控制装置，控制精度高，可保证岩心模型2中的压力在测试过程中的恒定，使测试的环境真实的贴进地球自身的环境，保证测试数据的准确性。
流体抽吸单元3包括一精密数控的活塞泵31和一转样筒32，该活塞泵31通过管道分别与岩心模型2内的实心半球体岩心23和转样筒32连接，并在管道上设有开关阀33、34，当打开开关阀33，关闭开关阀34时，活塞泵31与实心半球体岩心23相通，当关闭开关阀33，打开开关阀34时，活塞泵31与转样筒32相通；并且，在活塞泵31与岩心模型2连接的管道上设有压力传感器41。在本实施例中，所述的活塞泵采用美国生产的JEFRI型柱塞泵，其本身带有控制装置，可以通过调节柱塞泵的控制盘上的数字化的流量档位手柄，控制抽吸泵的流量。
为了模拟地层，岩心模型2的结构正面示意图如图3所示，所述的岩心模型2包括壳体21及壳体内具有渗透能力的实心半球体岩心23和开口的半球形滤网22，所述的半球形滤网22包覆在实心半球体岩心23的球冠部分，半球形滤网22的开口边缘固定在壳体21上，将实心半球体岩心23固定在壳体21上，半球形滤网22的球冠外表面与壳体21的空间形成内腔24，在壳体21上开设有与内腔24相通的孔212，在壳体21上固定有实心半球体岩心23的部位开设有可与实心半球体岩心23相通的孔211。
为了增加实心半球体岩心23与壳体21的连接牢固性，避免内腔24中的流体泄漏沿着半球形岩心圆形切面与壳体端面之间的缝隙泄漏到与抽吸单元相连的壳体端面中心孔211，在半球形滤网22的开口边缘设有一周凸出的边沿221，该边沿221固接在壳体21，将实心半球体岩心23牢牢的固定在壳体21上，并且避免了流体的泄漏。
在本实施例中，所述的壳体21为圆柱形，其中，壳体21中固定有实心半球体岩心23的部位为圆柱的一个端面，孔211设在该端面的中心，孔212设在另一个端面的中心。
对照图3，该岩心模型2的侧面示意图如图4所示。
为了测试不同的地层渗透率、地层流体粘度、抽吸流量和时间情况下的压力降落曲线的最低压力，将实心半球体岩心23设置成为具有液体渗透力的半球体，由于其没有固定装置使其与外壳固定，所以在其球冠部分覆盖一滤网22，通过将该滤网22将实心半球体岩心23固定在壳体上。
接在精密数控的活塞泵31上的管道的另一端通过孔211与实心半球体岩心23连接，接在活塞容器12出口的管道的另一端通过孔212与岩心模型2的内腔连接。
在测试开始前，将岩心放入半球形滤网中，将滤网外沿黏结在圆柱形的一个端面。从而固定岩心；打开开关阀33，关闭开关阀34时，使活塞泵31与实心半球体岩心23相通，启动恒压式变量叶片泵11，使其推动活塞容器12，向岩心模型2的内腔24和岩心注入地层流体，使岩心饱和，并达到恒定压力9Mpa。在抽吸过程中，由于抽吸造成压力降落，压力降落从岩心一端波及到另一端，即岩心的球面端，此时内腔的流体向岩心内流动，补充地层流体。恒压式变量叶片泵11通过活塞容器12向内腔补充流体，并保持内腔压力恒定。当活塞泵31内的流体较多时，打开开关阀34，关闭开关阀33时，使活塞泵31与转样筒34相通，将活塞泵31内的流体引入转样筒34内。
在保证了模拟的环境和流体的抽取的精确度的同时，在本实施例中，采用了精密的数据采集单元，设置在连接流体抽吸单元4和岩心模型2的管道上的传感器采用石英压力计，设置在连接恒压单元1和岩心模型2内腔的管道中传感器采用应变压力计，处理单元采用包括一信号转换电路和计算机，石英压力计和应变压力计的信号输出端与信号转换电路连接，信号转换电路将压力计的模拟信号转换为数字信号后传送到计算机中，计算机进行数据的保存、处理后，输出到显示器中显示出来。
在本发明中，处理单元中的处理器不局限于计算机，也可以其他的控制装置，如处理器为各种单片机的处理电路等，由于此部分的控制电路对于一般的技术人员均可以实现，所以在此不再赘述。
壳体可以为很多形状，壳体2 1的形状不局限于圆柱形，还可以为立方形，如另一实施例中的岩心模型2的侧面示意图，如图5所示。
岩心模型2的壳体21’为上、下底面为正方形的立方体，固定有实心半球体岩心23的部位为立方体的一个底面，在其上开设的孔211’位于该底面的中心；与内腔相通的孔212开设在立方体壳体的另一个底面的中心。
在本实施例中，其余部分与上一实施例相同，在此不再赘述。
本发明所述的装置中的数据采集单元测量压力和压力分别随时间变化数据、流量随时间变化数据及流速随时间变化数据，处理单元根据数据采集单元采集的数据，建立地层测试器三维有限元数值仿真模型，利用该模型修正与建立不同岩性、不同储层特征测试工作制度模型的建立与解释模型。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种地层测试器仿真装置，其特征在于包括恒压单元、带有实心半球体岩心和内腔的岩心模型、流体抽吸单元、数据采集单元和处理单元，其中，恒压单元通过管道与岩心模型的内腔相通，使岩心模型在抽吸过程中保持恒定压力；流体抽吸单元通过管道与岩心模型的实心半球体岩心相通，通过管道从岩心模型内的实心半球体岩心抽吸流体，模拟地层测试过程；数据采集单元包括流体抽吸压力传感器和恒压单元压力传感器，所述的流体抽吸压力传感器设置在连接流体抽吸单元和岩心模型的管道上，信号输出端与处理单元连接，用于记录实验过程中流体抽吸单元探头的压力数据，并且将压力数据传输到处理单元，进行数据处理；所述的恒压单元压力传感器设置在连接恒压单元和岩心模型内腔的管道中，信号输出端与处理单元连接，用于记录实验过程中岩心的压力数据，并且将压力数据传输到处理单元，进行数据采集和数据处理。
2.根据权利要求1所述的地层测试器仿真装置，其特征在于所述的数据采集单元测量压力和压力分别随时间变化数据、流量随时间变化数据及流速随时间变化数据；所述的处理单元根据数据采集单元采集的数据，建立地层测试器三维有限元数值仿真模型，利用该模型修正与建立不同岩性、不同储层特征测试工作制度模型的建立与解释模型。
3.根据权利要求1所述的地层测试器仿真装置，其特征在于所述的流体抽吸单元包括一个精密数控的活塞泵和一个转样筒，该活塞泵通过管道分别与岩心模型内的实心半球体岩心和转样筒连接，并在管道上设有开关阀，该开关阀使活塞泵或者与实心半球体岩心相通，或者与转样筒相通；并在与岩心模型连接的管道上设有压力传感器；所述的活塞泵通过调节其控制盘上的数字化流量调节的小拨杆确定抽吸流量，通过开关按钮开始或停止抽吸动作。
4.根据权利要求1所述的地层测试器仿真装置，其特征在于所述的恒压单元包括数字控制精密恒压源和活塞容器；其中，该数字控制精密恒压源的输出口通过管道与活塞容器的输入口连接，活塞容器的输出口通过管道与岩心模型的内腔连接。
5.根据权利要求1所述的地层测试器仿真装置，其特征在于所述的处理单元包括信号转换电路、处理器和显示器，其中，信号转换电路的输入端与数据采集单元的输出端连接，将接收的模拟信号转换为数字信号后传输给处理器，处理器对接收的数据进行处理后输出到显示器中，并将接收的数据和处理后的数据保存在存储器。
6.根据权利要求1-4任一所述的地层测试器仿真装置，其特征在于所述的岩心模型包括壳体及壳体内具有渗透能力的实心半球体岩心和开口的半球形滤网，所述的半球形滤网包覆在实心半球体岩心的球冠部分，半球形滤网的开口边缘固定在壳体上，将实心半球体岩心固定在壳体上，半球形滤网的球冠外表面与壳体的空间形成内腔，在壳体上开设有与内腔相通的孔，在壳体上固定有实心半球体岩心的部位开设有可与实心半球体岩心相通的孔。
7.根据权利要求6所述的地层测试器仿真装置，其特征在于所述的壳体为圆柱形，壳体上固定有实心半球体岩心的部位为圆柱形壳体的一个端面，在其上开设的孔位于端面的中心。
8.根据权利要求7所述的地层测试器仿真装置，其特征在于所述壳体上与内腔相通的孔开设在圆柱形壳体的另一个端面的中心。
9.根据权利要求7或8所述的地层测试器仿真装置，其特征在于所述的半球形滤网的开口边缘设有一周凸沿，该凸沿的外径等于圆柱形壳体的内径，并固定在圆柱形壳体的一个端面上。
10.根据权利要求6所述的地层测试器仿真装置，其特征在于所述的壳体也可以为上、下底面为正方形的立方体，固定有实心半球体岩心的部位为立方体的一个底面，在其上开设孔的位于该底面的中心。
全文摘要
一种地层测试器仿真装置，包括恒压单元、带有实心半球体岩心和内腔的岩心模型、流体抽吸单元、数据采集单元和处理单元，恒压单元通过管道与岩心模型的内腔相通，流体抽吸单元通过管道与岩心模型的实心半球体岩心相通，数据采集单元包括流体抽吸压力传感器和恒压单元压力传感器，流体抽吸压力传感器设置在连接流体抽吸单元和岩心模型的管道上，恒压单元压力传感器设置在连接恒压单元压和岩心模型内腔的管道中。本发明可以进行地层测试全过程的三维物理仿真模拟，建立地层测试器三维有限元数值仿真模型，用于不同岩性、不同储层特征测试工作制度模型的建立与解释模型的修正与建立，测试精度高，数据误差小。
文档编号G01N35/00GK1670533SQ200410008759
公开日2005年9月21日 申请日期2004年3月17日 优先权日2004年3月17日
发明者李相方, 关文龙, 侯洪为, 隋秀香, 刘书民, 冯永仁, 程时清, 姚约东 申请人:中海油田服务股份有限公司, 石油大学(北京)