一种基于可控冲击波技术的物模样品致裂效应实验装置及其实验方法与流程

1.本发明涉及脉冲功率技术应用领域，更具体地说涉及一种基于可控冲击波技术的物模样品致裂效应实验装置及其实验方法。


背景技术：

2.中国海上油田低渗透储层储量大，新井需要进行储层改造才能提高单井产量；低产低效的老井也需要采取一定的改造措施，解除近井地带堵塞、沟通天然裂隙。
3.现有解决海上油田的技术措施主要为压裂、酸化、爆燃压裂等。压裂对低渗储层的改造效果好，但施工规模大，施工工艺复杂，占用平台空间大，成本太高；酸化成本较低，但应用范围较小，只能解除近井地带堵塞，不能改造储层，存在储层二次污染的风险；爆燃压裂需要特殊火工品资质，而且是一次性、全井筒的大当量爆炸，容易造成管柱变形，而且在海上平台操作还存在较大的安全隐患。
4.因此，为了挖掘海上油田低渗储层和低产低效井的产能，需要更经济、安全、有效的技术措施，可控冲击波技术应运而生。可控冲击波技术是指幅值、冲量可控，作用区域可控，重复作用次数可控。不需向储层注入外来液体，不会对储层产生二次伤害，以分布式、分时性、连续性的模式全方位改造储层，不会造成管柱变形。
5.可控冲击波储层改造工艺技术在陆上多个油田已应用若干井次且应用效果显著，但未在海上油田应用过。由于海上油田储层与陆地储层物性区别大且完井方式不同，可控冲击波技术在海上油田应用首先要保证安全性，因此需要评价可控冲击波对海上砂岩储层的增透效果及对井下套管和筛管的安全性能影响。


技术实现要素：

6.本发明克服了现有技术中的不足，可控冲击波储层改造工艺技术在陆上多个油田已应用若干井次且应用效果显著，但未在海上油田应用过，由于海上油田储层与陆地储层物性区别大且完井方式不同，可控冲击波技术在海上油田应用首先要保证安全性，提供了一种基于可控冲击波技术的物模样品致裂效应实验装置及其实验方法，该装置能够评价冲击波对海上砂岩储层的致裂效果及冲击波对套管、筛管安全性能影响，探讨可控冲击波技术在海上油田应用的可行性。
7.本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
8.一种基于可控冲击波技术的物模样品致裂效应实验装置，包括冲击波发生系统和应变测量系统，
9.所述冲击波发生系统包括脉冲电容器、放电负载、聚能棒、换能器圆盘和冲击波发生器，在模拟样品的中部开设钻孔，并在钻孔内固定套管和防砂筛管，所述聚能棒下入到所述钻孔内，在所述聚能棒的底端设置所述放电负载，在所述聚能棒的顶端设置所述冲击波发生器，所述冲击波发生器的顶端固定所述换能器圆盘，所述换能器圆盘通过高压电缆与
所述脉冲电容器相连，在所述脉冲电容器和所述换能器圆盘之间还设置有同轴场畸变开关，所述脉冲电容器进行接地；
10.所述应变测量系统包括应变测试组件和动态电阻应变仪，所述应变测试组件包括补偿应变片和工作应变片，所述工作应变片和所述补偿应变片设置在所述模拟样品的外壁上，所述工作应变片平行设置在所述补偿应变片的上方，所述工作应变片和所述补偿应变片通过屏蔽电缆双芯传输线与所述动态电阻应变仪相连，在所述屏蔽电缆双芯传输线上还设置有引线焊接端子。
11.所述模拟样品的高度为900-1100mm，直径为800-1000mm，所述套管下入深度占所述模拟样品总高度的2/3。
12.所述补偿应变片和所述工作应变片均采用型号为bx120-8aa，阻值为120
±
0.1ω，灵敏系数为2.08
±
1％的应变片，所述补偿应变片的外侧包覆有聚四氟乙烯薄膜，补偿应变片只受空间电磁干扰的影响，工作应变片既受电磁干扰影响还受到冲击波产生的应力作用。
13.所述补偿应变片和所述工作应变片采用两种分布方式，即环向分布和轴向分布，环向分布的补偿应变片和工作应变片沿模拟样品的外壁水平方向粘贴，测定冲击波的环向压力；轴向分布的补偿应变片和工作应变片沿模拟样品的外壁竖直方向粘贴，测定冲击波的轴向压力。
14.所述高压电缆采用100kv高压电缆。
15.一种基于可控冲击波技术的物模样品致裂效应实验方法，按照下述步骤进行：
16.步骤1，制作模拟样品：模拟样品采用混凝土制作而成，模拟样品的高度为900-1100mm，直径为800-1000mm，在模拟样品的中心处取样并开钻孔、固定套管，套管下入深度占模拟样品总高度的2/3，在模拟样品的外壁上贴应变测试组件，动态电阻应变仪与应变测试组件相连，使用动态电阻应变仪监测冲击过程中模拟样品的应力应变波形，以辅助判断模拟样品的力学参数变化；
17.步骤2，向上述钻孔中下入防砂筛管，将放电负载、聚能棒和冲击波发生器下入防砂筛管内，在冲击波发生器上依次固定换能器圆盘和罗氏线圈后，再与同轴场畸变开关和脉冲电容器相连后，开始进行冲击作用。
18.在步骤1中，实验开始前，需要向钻孔中注水，水的高度需要没过放电负载，以确保聚能棒中的能量可以充分释放。
19.在步骤1中，动态电阻应变仪的惠斯通电桥采用双臂接法，通过动态电阻应变仪测试到的信号通过示波器进行显示。
20.在步骤1中，判断模拟样品是否存在环向和轴向的应力变化：若冲击波卸载后，环向和轴向应变波形均归零则说明模拟样品体积微元恢复，没有残余的体积变形；若应变波形震荡较大，且对时间积分后不为零，则说明模拟样品体积微元发生改变，模拟样品中有裂缝产生。
21.在步骤2中，判断冲击波对套管和防砂筛管是否造成损伤：抗压强度、抗拉强度、弹性模量与抗剪强度均明显降低说明冲击波破坏了套管和防砂筛管的微观结构，有明显的致裂效果。
22.本发明的有益效果为：本发明以模拟海上油田储层岩石物性为基础制备物模样
品，根据海上油田防砂完井特点模拟冲击波实际作业环境，通过设计冲击波冲击作业时水泥靶轴向、径向的应力应变测试方法和进行冲击前后样品的力学参数测试，从宏观和微观两方面共同研究冲击参数与样品致裂之间关系；设计可控冲击波过套管、过不同类型防砂筛管的致裂实验，对实验后套管、筛管进行力学强度测试及筛管挡砂性能测试，评估可控冲击波对套管、筛管的安全性能影响，为可控冲击波技术在海上油田应用奠定基础。
附图说明
23.图1是本发明中实验装置的结构示意图；
24.图2是本发明中实验装置中应变片连接结构示意图；
25.图中：1为模拟样品，2为应变测试组件，2-1为补偿应变片，2-2为工作应变片，2-3为引线焊接端子，2-4为屏蔽电缆双芯传输线，3为动态电阻应变仪，4为高压电缆，5为同轴场畸变开关，6为脉冲电容器，7为放电负载，8为冲击波发生器，9为罗氏线圈，10为聚能棒，11为换能器圆盘。
具体实施方式
26.下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
27.实施例一
28.一种基于可控冲击波技术的物模样品致裂效应实验装置，包括冲击波发生系统和应变测量系统，
29.冲击波发生系统包括脉冲电容器6、放电负载7、聚能棒10、换能器圆盘11和冲击波发生器8，在模拟样品1的中部开设钻孔，并在钻孔内固定套管和防砂筛管，聚能棒10下入到钻孔内，在聚能棒10的底端设置放电负载7，在聚能棒10的顶端设置冲击波发生器8，冲击波发生器8的顶端固定换能器圆盘11，换能器圆盘11通过高压电缆4与脉冲电容器6相连，在脉冲电容器6和换能器圆盘11之间还设置有同轴场畸变开关5，脉冲电容器6进行接地；
30.应变测量系统包括应变测试组件2和动态电阻应变仪3，应变测试组件2包括补偿应变片2-1和工作应变片2-2，工作应变片2-2和补偿应变片2-1设置在模拟样品1的外壁上，工作应变片2-2平行设置在补偿应变片2-1的上方，工作应变片2-2和补偿应变片2-1通过屏蔽电缆双芯传输线2-4与动态电阻应变仪3相连，在屏蔽电缆双芯传输线2-4上还设置有引线焊接端子2-3。
31.模拟样品1的高度为900-1100mm，直径为800-1000mm，套管下入深度占模拟样品1总高度的2/3。
32.高压电缆4采用100kv高压电缆。
33.实施例二
34.在实施例一的基础上，补偿应变片2-1和工作应变片2-2均采用型号为bx120-8aa，阻值为120
±
0.1ω，灵敏系数为2.08
±
1％的应变片，补偿应变片2-1的外侧包覆有聚四氟乙烯薄膜，补偿应变片2-1只受空间电磁干扰的影响，工作应变片2-2既受电磁干扰影响还受到冲击波产生的应力作用。
35.补偿应变片2-1和工作应变片2-2采用两种分布方式，即环向分布和轴向分布，环向分布的补偿应变片2-1和工作应变片2-2沿模拟样品1的外壁水平方向粘贴，测定冲击波
的环向压力；轴向分布的补偿应变片2-1和工作应变片2-2沿模拟样品1的外壁竖直方向粘贴，测定冲击波的轴向压力。
36.实施例三
37.在实施例二的基础上，一种基于可控冲击波技术的物模样品致裂效应实验方法，按照下述步骤进行：
38.步骤1，制作模拟样品1：模拟样品1采用混凝土制作而成，模拟样品1的高度为900-1100mm，直径为800-1000mm，在模拟样品1的中心处取样并开钻孔、固定套管，套管下入深度占模拟样品1总高度的2/3，在模拟样品1的外壁上贴应变测试组件2，动态电阻应变仪3与应变测试组件2相连，动态电阻应变仪3的惠斯通电桥采用双臂接法，通过动态电阻应变仪3测试到的信号通过示波器进行显示，使用动态电阻应变仪3监测冲击过程中模拟样品1的应力应变波形，以判断模拟样品1的力学参数变化，包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量与抗剪强度等，分析实验前后模拟样品1的力学参数变化以确定模拟样品1在微观结构上产生破坏；
39.步骤2，向上述钻孔中下入不同类型的防砂筛管，将放电负载7、聚能棒10和冲击波发生器8下入防砂筛管内，在冲击波发生器8上依次固定换能器圆盘11和罗氏线圈9后，再与同轴场畸变开关5和脉冲电容器6相连后，开始进行特定次数的冲击作用，完成冲击后，取出套管和防砂筛管测量其挡砂精度和力学强度，以判断冲击波对套管和防砂筛管是否造成损伤。
40.a.不同冲击次数致裂效应实验：分别冲击3次、6次、9次后，对冲击后的物模样品取样进行样品力学参数测试，包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量与抗剪强度等。分析不同冲击次数实验前后模拟样品的力学参数变化以确定模拟样品在微观结构上产生破坏。
41.b.不同冲击波波形致裂效应实验：冲击过程中采用的不同冲击波峰值压力范围为80-120mpa、脉宽范围为30-80μm，完成冲击后，对实验后的物模样品取样进行样品力学参数测试，包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量与抗剪强度等。分析不同冲击波波形实验前后模拟样品的力学参数变化以确定模拟样品在微观结构上产生破坏。
42.c.不同完井方式致裂效应实验：钻孔中下入的防砂筛管类型有复合筛管、绕丝筛管和星孔筛管，完成冲击后，取出防砂筛管测量其挡砂精度和力学强度，以判断冲击波对套管和防砂筛管是否造成损伤，并对实验后的物模样品取样进行样品力学参数测试，包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量与抗剪强度等。分析不同完井方式实验前后模拟样品的力学参数变化以确定模拟样品在微观结构上产生破坏。
43.实验开始前，需要向钻孔中注水，水的高度需要没过放电负载7，以确保聚能棒10中的能量可以充分释放。
44.判断模拟样品1是否存在环向和轴向的应力变化：若冲击波卸载后，环向和轴向应变波形均归零则说明模拟样品1体积微元恢复，没有残余的体积变形；若应变波形震荡较大，且对时间积分后不为零，则说明模拟样品1体积微元发生改变，模拟样品1中有裂缝产生。
45.判断冲击波对套管和防砂筛管是否造成损伤：抗压强度、抗拉强度、弹性模量与抗剪强度均明显降低说明冲击波破坏了套管和防砂筛管的微观结构，有明显的致裂效果。
46.试验过程中，首先在模拟样品1的套管和防砂筛管内注水，保证液面完全淹没放电负载7，确保聚能棒10中的能量可以充分释放；连接好冲击波发生系统及应变测量系统，注
意做好各模块实验设备的接地工作，注意连接隔离变压器，防止试验中电击穿对地放电损害电气设备；通过塔吊将换能器圆盘11升起，添加聚能棒10，然后将换能器圆盘11垂直下入套管内，圆盘四周使用钢丝绳与周围固定，防止垂直方向的能量卸载弹出圆盘；试验前，对设备中的同轴场畸变开关5使用气泵进行冲气，使之达到0.3mpa，保证高压头可靠连接；通过油浸式试验变压器升压，经硅堆整流后对脉冲电容器6充电，当充电至25kv时，停止升压，打开同轴场畸变开关5的气压阀，使气压下降，同轴场畸变开关5击穿，同时能量释放，致裂模拟样品1，实验完成后，取下钻孔内的套管和防砂筛管，对其进行力学性能测试。
47.以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。