环空颗粒运移模拟装置及使用方法与流程

1.本发明涉及石油开采技术领域，尤其涉及一种环空颗粒运移模拟装置及使用方法。


背景技术：

2.在水平产层段的钻井过程中，当遇到大量砂泥岩互层(泥质含量较高)时，泥岩层遭到水化，会发生复杂的水化作用，水化作用使得泥岩层的岩石力学性质产生改变，岩石强度降低，极易产生井眼缩径或者坍塌掉块，导致完井尾管下入困难，影响石油作业时效和安全。
3.目前油田采用水平井完井开采方式，主要包括盲管-筛管完井方式和盲管
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打孔管的完井方式，其中前者因其挡砂层薄、粉细砂容易侵入堵塞减产、有效期短等缺点而主要应用于砂岩层，而不适用于粉细砂岩层以及泥岩层，而后者则可以应用于上述泥岩层产层，但当井壁坍塌掉块后，坍塌的泥岩层颗粒会堆积在盲管段，然后在地层流体(水油混合物)冲击作用下运移至打孔管段，堆积在打孔管段上，堵塞打孔管段造成油井产量降低。
4.目前的环空颗粒运移模拟装置只考虑了地层流体携带的砂砾在筛管段和模拟井筒构成的环空中的运移分布情况，而未考虑盲管-打孔管的完井方式中，堆积在盲管段的岩屑颗粒在打孔管段和模拟井筒构成的环空中运移分布情况，这成为目前亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的一个目的在于提供一种环空颗粒运移模拟装置，能够在基于盲管
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打孔管的水平井完井方式情况下，模拟岩屑颗粒在环空中的运移分布情况。
6.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
7.环空颗粒运移模拟装置，包括完井模拟系统、输液系统和数据采集系统，所述完井模拟系统包括模拟井筒、尾管，所述尾管位于所述模拟井筒内，包括盲管段和打孔管段，其中所述打孔管段与所述模拟井筒的出口端端面连接，所述盲管段远离所述打孔管段的一端封闭；所述输液系统被配置为向所述模拟井筒中输送携砂液；所述数据采集系统被配置为监测所述模拟井筒两端的压差和进入所述模拟井筒内的所述携砂液的流量。
8.可选地，所述输液系统包括依次连通的储液罐和隔膜泵，所述隔膜泵的出口与所述模拟井筒的入口连接。
9.可选地，所述输液系统还包括节流阀和节流管，节流阀通过三通阀分别与隔膜泵的出口、模拟井筒的入口以及节流管的入口连接，节流管的出口与储液罐连接。
10.可选地，所述数据采集系统包括压差传感器、流量计和数据采集器，所述压差传感器的两个测点分别位于模拟井筒两端，所述流量计位于隔膜泵和模拟井筒之间，所述数据采集器与所述压差传感器和所述流量计连接，能够将所述流量计、所述压差传感器采集的信号发送给计算机。
11.可选地，所述数据采集系统还包括压力传感器，压力传感器与数据采集器电性连
接。
12.可选地，所述模拟井筒包括筒体和筒盖，所述筒体对应打孔管段的位置设置有透明观察窗口。
13.可选地，所述完井模拟系统还包括废液罐，所述废液罐与所述模拟井筒的出口连接。
14.本发明的另一个目的在于提供一种环空颗粒运移模拟装置的使用方法，能够在基于盲管-打孔管的水平井完井方式情况下，模拟生产过程中岩屑颗粒在环空中的运移分布情况。
15.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
16.环空颗粒运移模拟装置的使用方法，使用上述环空颗粒运移模拟装置实施，包括如下步骤：
17.配置所述携砂液；
18.配置岩屑颗粒，将其装入所述模拟井筒内；
19.使所述携砂液进入所述模拟井筒内对所述岩屑颗粒进行冲击，观察所述打孔管段所述岩屑颗粒的堆积情况和堵塞情况。
20.本发明的再一个目的在于提供一种环空颗粒运移模拟装置的使用方法，能够在基于盲管-打孔管的水平井完井方式情况下，模拟完井过程中岩屑颗粒在环空中的运移分布情况。
21.为达此目的，本发明采用以下技术方案：配置所述携砂液；
22.配置所述岩屑颗粒；
23.将配置好的所述岩屑颗粒与配置好的所述携砂液混合后控制输液系统将其一同输入所述模拟井筒内，观察所述打孔管段所述岩屑颗粒的堆积情况和堵塞情况。可选地，上述使用方法中，所述打孔管段所述岩屑颗粒的堵塞情况用渗透指数r来评价，假设初始时渗透率为ko，结束时渗透率为k5，则渗透指数的公式为：
[0024][0025]
本发明的有益效果为：
[0026]
本发明提出的环空颗粒运移模拟装置，以模拟井筒模拟实际的水平井，以盲管-打孔管形式的尾管模拟实际盲管-打孔管完井方式下的抽油管，以携砂液模拟地层流体，通过输液系统向模拟井筒内输送携砂液，在携砂液的作用下驱动岩屑颗粒在模拟井筒内运动，由于模拟井筒对应打孔管段的位置透明，方便观察岩屑颗粒在打孔管段的堆积情况，同时在数据采集系统获取的压差和流量稳定后可以对岩屑颗粒对打孔管段的堵塞情况进行分析，方便总结盲管-打孔管完井方式下环空颗粒运移分布规律，以降低钻井作业成本。
[0027]
本发明提出的环空颗粒运移模拟装置的使用方法，充分考虑了地层的复杂性，对生产过程中堆积在盲管段的岩屑颗粒环空运移分布情况进行了模拟，使携砂液冲击堆积在盲管段的岩屑颗粒，在数据采集系统获取的压差和流量稳定后，从模拟井筒外观察岩屑颗粒在打孔管段的堆积情况，同时可以根据压差大小和流量变化对岩屑颗粒在打孔管段的堵塞情况进行分析，从而获得生产过程中环空颗粒运移分布规律。
[0028]
本发明提出的另一种环空颗粒运移模拟装置的使用方法，对完井过程中岩屑颗粒
环空运移分布情况进行了模拟，使岩屑颗粒与携砂液混合后再一同进入环空，在数据采集系统获取的压差和流量稳定后，从模拟井筒外观察岩屑颗粒在打孔管段的堆积情况，同时根据压差大小和流量变化对岩屑颗粒在打孔管段的堵塞情况进行分析，从而获得完井过程中环空颗粒运移分布规律。
附图说明
[0029]
图1是本发明提供的环空颗粒运移模拟装置的结构示意图；
[0030]
图中：10、完井模拟系统；11、模拟井筒；12、尾管；121、盲管段；122、打孔管段；13、废液罐；20、输液系统；21、储液罐；22、隔膜泵；23、节流阀；24、节流管；30、数据采集系统；31、流量计；32、压差传感器；33、压力传感器；34、数据采集器；4、计算机。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
[0032]
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0033]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0034]
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
[0035]
实施例一：
[0036]
本实施例提供一种环空颗粒运移模拟装置，包括用于模拟盲管-打孔管的水平井完井方式的完井模拟系统和向完井模拟系统内输送携砂液(携砂液模拟地层流体)的输液系统，通过观察完井模拟系统中岩屑颗粒在环空中的运移分布情况，方便总结盲管-打孔管完井方式下的环空颗粒运移分布规律，进而应用到实际生产过程中。
[0037]
参考图1所示，本发明中的环空颗粒运移模拟装置包括输液系统20、完井模拟系统10和数据采集系统30。
[0038]
输液系统20用于向完井模拟系统10提供携砂液，包括依次连通的储液罐 21和隔膜泵22，储液罐21用于存储参照实际工况中的地层流体粘度或密度配置而成的携砂液，隔
膜泵22用于将携砂液泵入完井模拟系统10中，其泵压和排量可调。
[0039]
完井模拟系统10包括模拟井筒11、尾管12和废液罐13，模拟井筒11为空心柱状，其两端分别连接隔膜泵22的出口和废液罐13的入口。模拟井筒11 通过夹持装置固定，以保证模拟井筒11在受到携砂液冲击时结构稳定。尾管 12位于模拟井筒11内部且与模拟井筒11同轴设置，尾管12与模拟井筒11之间形成环空，尾管12包括盲管段121和打孔管段122，其中打孔管段122与模拟井筒11的出口端连接，盲管段121远离打孔管段122的一端(即靠近模拟井筒11的入口端)封闭。
[0040]
数据采集系统30被配置为监测模拟井筒11两端的差压和进入模拟井筒11 的携砂液的流量数据，具体包括压差传感器32、流量计31和数据采集器34，其中压差传感器32的两个测点分别位于模拟井筒11两端，用于监测模拟井筒 11两端的压差。
[0041]
本实施例中压差传感器32的型号为ms-111，压差传感器32的工作原理是被测压力直接作用于传感器的膜片上，使膜片产生与水压成正比的微位移，使压差传感器32的电容值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个相对应压力的标准测量信号，也可通过在模拟井筒11两端分别设置压力计，通过计算两个压力计之间的差值获取模拟井筒11两端的压力差；流量计31位于隔膜泵22和模拟井筒11之间，用于测量携砂液的流量，流量计31、压差传感器32分别与数据采集器34连接，流量计31、压差传感器32输出的模拟信号被数据采集器34转换为计算机4可以处理的数字信号然后发送给计算机4上配置的数据采集软件，并将数据存储在计算机4上供后续分析使用，数据采集器34可以是流量采集卡，型号为pci-1716l。
[0042]
模拟井筒11包括筒体和筒盖，筒体至少对应打孔管段122的位置设置有透明观察窗口或整体由透明材料制成，以实时观察岩屑颗粒在环空中的堆积情况，例如，筒体可以由透明的有机玻璃制成，其透光性与耐压性均满足试验要求，可以理解的是，观察既可以通过人工现场观察，也可以通过摄像头进行观察，筒盖可以由金属制成，位于筒体两端与筒体可拆卸连接以方便向环空内填充岩屑颗粒，位于筒体两端的筒盖分别通过管件接头与输液系统20和废液罐13连通。
[0043]
尾管12可以由铁质材料制成，其中盲管段121为光管，打孔管段122按照实际尾管1290孔/英尺的孔密进行开孔且在打孔管段122的管壁上螺旋排列。
[0044]
输液系统20还包括节流阀23和节流管24，节流阀23通过三通阀分别与隔膜泵22的出口、模拟井筒11的入口以及节流管24的入口连接，节流管24 的出口与储液罐21连接，当携砂液流量过大，超过了模拟井筒11的承载量时，可以通过节流阀23，使多余的携砂液通过节流管24留回储液罐21内，节流阀与模拟井筒11之间还安装有压力传感器33，压力传感器33同样与数据采集器34连接，可用于直观判断压力变化，保证试验安全平稳进行。
[0045]
实施例二：
[0046]
本发明还包括一种上述环空颗粒运移模拟装置的使用方法，用于观察生产过程中堆积在盲管段121的岩屑颗粒在环空中的运移分布规律。
[0047]
在试验前将按照地层砂粒度测试结果比例配置好的岩屑颗粒装入模拟井筒 11，再配置携砂液，携砂液在隔膜泵22的抽吸作用下进入模拟井筒11，岩屑颗粒在盲管段、打孔管段运移后，废液排入废液罐13，在运移过程中，流量计 31和压差传感器32对运移情况进行监测，数据采集器34对各类数据进行采集，并传入计算机4进行数据处理。
[0048]
岩屑颗粒在完井模拟系统10中的运动轨迹如下：携砂液从模拟井筒11的井口进入盲管段121上环空，在携砂液的流动中，堆积在盲管段121的岩屑颗粒向打孔管段122运移，一部分岩屑颗粒经打孔管段122开设的孔进入打孔管段122内，然后从打孔管段122出口经由模拟井筒11的出口流出，另一部分岩屑颗粒在打孔管段122的环空处产生堆积，并逐渐堵塞打孔管段122上的孔。
[0049]
具体的使用步骤如下：
[0050]
(1)用清水清洗整个完井模拟系统10进行清洁，并将模拟井筒11内气泡排出；
[0051]
(2)配置携砂液，装入储液罐21内或者直接在储液罐21内配置，携砂液为油水混合物，粘度可以为5.2mpa.s；
[0052]
(3)配置岩屑颗粒，可以按照不同地层砂砾度配置多组不同组分和/或不同粒径的岩屑颗粒，以研究泥质含量对岩屑颗粒运移的影响；
[0053]
(4)将岩屑颗粒装入模拟井筒11内，岩屑颗粒的量可以根据实际生产过程中井眼缩径或者坍塌掉块的岩屑颗粒量，并基于模拟井筒11的尺寸等比减少；
[0054]
(5)打开隔膜泵22，向模拟井筒11内泵入携砂液，观察打孔管段122岩屑颗粒的堆积情况和堵塞情况；隔膜泵22的泵频根据试验所需的携砂液额定流量进行调整，使进入模拟井筒11内的携砂液初始流量与额定流量相同，额定流量可以根据油田现场统计的多口生产井平均日产量计算出流速大小，然后基于模拟井筒11的尺寸计算获得；
[0055]
根据不同油田现场的流速可以获得多个额定流量，通过观察不同流量下打孔管段122岩屑颗粒堆积和堵塞情况，可以用于研究不同流量下环空颗粒运移产生的堆积和堵塞规律；
[0056]
(6)对整个环空颗粒运移模拟装置进行清理，以便下次使用。
[0057]
携砂液流量大小的不同、岩屑颗粒粒径大小的不同及组成岩屑颗粒的泥质含量的不同，都会导致岩屑颗粒在打孔管段上的铺设长度不同，通过长度比较可以获得岩屑颗粒在打孔管段上的运移堆积规律；试验过程中通过数据采集器 34采集流量计31和压差传感器32实时监测流量值和压差值，随着携砂液不断进入模拟井筒11内，岩屑颗粒在环空中堆积并堵塞打孔管段122，压差和流量趋于稳定(数据上下波动不超过5％)，可以认定堵塞发生。
[0058]
具体可以通过渗透率变化与初始渗透率的比值(本发明中定义为渗透指数 r)对打孔管段的堵塞情况进行评价，假设初始时渗透率为k0，结束时渗透率为 k5，则渗透指数的公式为：
[0059][0060]
而渗透率公式为
[0061][0062]
其中q表示单位时间内流体通过空隙介质的流量，u表示流体的粘度，l表示孔隙介质的长度，a表示流体通过孔隙介质的截面积。
[0063]
实施例三：
[0064]
本发明还包括一种上述环空颗粒运移模拟装置的使用方法，用于观察模拟完井过程中，岩屑颗粒在环空中的运移分布规律。
[0065]
与实施例二不同的是，岩屑颗粒不提前放入模拟井筒11内，而是将配置好的岩屑颗粒在配置完成后加入储液罐21内与携砂液充分混合后随携砂液一同进入模拟井筒11内，与之相对的，储液罐21内可以设置带有电机的搅拌器，以保证携砂液与岩屑颗粒始终混合。
[0066]
岩屑颗粒在完井模拟系统10中的运动轨迹如下：与携砂液充分混合的从模拟井筒11的井口进入盲管段121上环空，在携砂液的流动中，一部分岩屑颗粒向打孔管段122运移，一部分岩屑颗粒经打孔管段122开设的孔进入打孔管段 122内，然后从打孔管段122出口经由模拟井筒11的出口流出，另一部分岩屑颗粒在打孔管段122的环空处产生堆积，并逐渐堵塞打孔管段122上的孔。
[0067]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。