本實(shí)用新型涉及油氣鉆采室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置研究領(lǐng)域，特別涉及一種井筒與地層裂縫耦合流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

在油氣鉆采中，鉆遇裂縫是一種常見(jiàn)的工程現(xiàn)象，一旦裂縫與地層流體連通，井筒周?chē)芽p就會(huì)成為油藏油氣滲流的主要通道，裂縫常常造成井筒壓力控制困難、設(shè)計(jì)裂縫支撐劑困難等工程難題。因此研究井筒、地層與井周裂縫中流體流動(dòng)對(duì)油氣產(chǎn)能預(yù)測(cè)、井筒壓力控制、裂縫性巖層漏失堵漏以及合理壓裂液支撐劑方案設(shè)計(jì)等方面都有重大意義。

裂縫與井筒的流動(dòng)是一個(gè)連續(xù)耦合的整體，二者的流動(dòng)狀態(tài)是相互制約影響的，而當(dāng)前國(guó)內(nèi)將井筒與裂縫的流體流動(dòng)結(jié)合起來(lái)研究的實(shí)驗(yàn)方法較少，絕大部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備都是針對(duì)井筒流動(dòng)或裂縫的流動(dòng)單獨(dú)研究，而且沒(méi)有考慮實(shí)際井筒地層中流體成分、壓力等情況。

總的來(lái)說(shuō)，目前室內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)備普遍缺乏考慮相對(duì)全面的井筒與地層流體流動(dòng)耦合的實(shí)驗(yàn)裝置。專(zhuān)利“一種井筒裂縫模擬裝置”(CN102305045A)通過(guò)在模擬井筒上接入一根裂縫管模擬鉆井漏失過(guò)程，沒(méi)有考慮地層具體情況。專(zhuān)利“用于研究裂縫性地層溢漏同存發(fā)生機(jī)理的研究裝置”(CN204098907U)用一塊縫板連接模擬井筒與模擬地層，用于評(píng)價(jià)裂縫性地層溢漏同存機(jī)理，雖同時(shí)考慮了井筒與地層的情況，但沒(méi)有考慮地層流體與鉆井液氣液置換。

目前國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)涉及井筒裂縫流動(dòng)置換裝置很少，許多文獻(xiàn)沒(méi)有考慮實(shí)際井筒中復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題和模擬地層壓力控制(舒剛.裂縫性地層鉆井溢漏同存流動(dòng)規(guī)律及模型研究[D].西南石油大學(xué),2012；蔣廷學(xué),姜東.考慮井筒流動(dòng)的垂直裂縫井穩(wěn)態(tài)產(chǎn)能計(jì)算模型[J].石油鉆采工藝,2001,23(4):50-53；劉宇.復(fù)雜條件下垂直裂縫井壓力動(dòng)態(tài)及產(chǎn)能研究[D].大慶石油學(xué)院東北石油大學(xué),2006)。也有關(guān)于氣液置換裝置方面的研究(李之軍.垂直裂縫地層氣液置換及鉆井液防氣侵封堵技術(shù)研究[D].西南石油大學(xué),2014)，但沒(méi)有模擬地層條件，同時(shí)沒(méi)有考慮井筒中環(huán)流對(duì)流動(dòng)的影響。所以，目前室內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)備普遍缺乏考慮相對(duì)全面的井筒與地層流體流動(dòng)耦合的實(shí)驗(yàn)裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種井筒與地層裂縫耦合流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置模擬鉆遇地層裂縫時(shí)地層流體與井筒循環(huán)鉆井液的流動(dòng)置換，可控制模擬井筒鉆井液流速、井筒壓力、模擬地層流體氣液比例、地層壓力等條件，還可同時(shí)模擬兩套裂縫流動(dòng)，能夠更全面地反映裂縫對(duì)井筒流動(dòng)的影響。

為達(dá)到以上技術(shù)目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案。

一種井筒與地層裂縫耦合流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置，包括模擬井筒流動(dòng)系統(tǒng)、模擬地層系統(tǒng)、模擬裂縫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成。

所述模擬井筒流動(dòng)系統(tǒng)包括模擬井筒、模擬鉆桿、鉆井液儲(chǔ)存罐、螺桿泵和控制井筒流動(dòng)的多個(gè)閥門(mén)；螺桿泵連接鉆井液儲(chǔ)存罐與模擬鉆桿入口端；模擬鉆桿位于模擬井筒中央；所述鉆井液儲(chǔ)存罐中包含攪拌電機(jī)；所述控制井筒流動(dòng)的多個(gè)閥門(mén)包括螺桿泵與模擬鉆桿入口之間的液體調(diào)壓閥和單向閥、模擬井筒與分離罐之間的恒壓溢流閥。

所述模擬地層系統(tǒng)包括模擬地層、清水儲(chǔ)存罐、儲(chǔ)氣罐、分離罐、螺桿泵、氣體空壓機(jī)和控制地層流動(dòng)的多個(gè)閥門(mén)；清水儲(chǔ)存罐中水和儲(chǔ)氣罐中氣體匯合液路為氣液匯合處，螺桿泵位于清水儲(chǔ)存罐與氣液匯合處之間；氣體空壓機(jī)位于儲(chǔ)氣罐外部；模擬地層連接分離罐，分離罐連接清水儲(chǔ)存罐；所述控制地層流動(dòng)的多個(gè)閥門(mén)包含位于模擬地層與分離罐之間的恒壓溢流閥、螺桿泵與模擬地層之間的單向閥、儲(chǔ)氣罐與模擬地層之間的單向閥；所述儲(chǔ)氣罐中設(shè)有安全閥、壓力表和通氣開(kāi)關(guān)。

所述模擬裂縫系統(tǒng)包括上下兩套模擬裂縫，每套模擬裂縫為兩塊平行的透明樹(shù)脂板構(gòu)成的空間，模擬裂縫兩側(cè)分別連接模擬井筒與模擬地層，模擬裂縫的正面均有有高清攝像機(jī)。

所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括氣體流量計(jì)、兩個(gè)個(gè)液體流量計(jì)、多個(gè)壓力傳感器、兩臺(tái)高清攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)；氣體流量計(jì)位于儲(chǔ)氣罐與模擬地層之間；液體流量計(jì)位于鉆井液儲(chǔ)存罐與模擬鉆桿之間、清水儲(chǔ)存罐與模擬地層之間；壓力傳感器位于模擬井筒的井口和井底、模擬地層的上端和下端，每個(gè)模擬裂縫的上下左右各處均有壓力傳感器；高清攝像機(jī)位于模擬裂縫正面；計(jì)算機(jī)接口連接各壓力傳感器，配套軟件安裝于計(jì)算機(jī)中。

所述模擬井筒采用透明玻璃管材料，所述模擬鉆桿采用PVC管，鉆井液從模擬鉆桿經(jīng)模擬井筒環(huán)空流出，模擬鉆井過(guò)程中鉆井液的流動(dòng)狀態(tài)；所述模擬地層中包含氣液兩相流體，并通過(guò)恒壓溢流閥控制其內(nèi)部壓力恒定，用于模擬地層油氣狀態(tài)以及地層流體壓力，并通過(guò)一排液閥門(mén)連接分離罐，用于返排液體；所述模擬井筒流動(dòng)系統(tǒng)中螺桿泵配套有供液閥、出口端壓力表以及輸液閥，用于將鉆井液儲(chǔ)存罐中的流體泵入模擬鉆桿；所述模擬地層系統(tǒng)中螺桿泵同樣配套有供液閥、出口端壓力表以及輸液閥，用于將清水儲(chǔ)存罐中流體泵入模擬地層。

所述模擬井筒流動(dòng)系統(tǒng)中，恒壓溢流閥用于控制模擬鉆桿中壓力恒定，當(dāng)模擬鉆桿內(nèi)部壓力超過(guò)限定值，流體則通過(guò)恒壓溢流閥流入鉆井液儲(chǔ)存罐，以此來(lái)控制模擬鉆桿內(nèi)部壓力恒定；所述模擬地層系統(tǒng)中，恒壓溢流閥用于控制模擬地層中壓力恒定，當(dāng)模擬地層內(nèi)部壓力超過(guò)限定值，流體則通過(guò)恒壓溢流閥流入分離罐，以此來(lái)控制模擬地層內(nèi)部壓力恒定。

所述模擬井筒流動(dòng)系統(tǒng)中，單向閥用于控制流體流向，使模擬鉆桿中流體不至于倒流入鉆井液儲(chǔ)存罐，控制液路流動(dòng)方向符合實(shí)際鉆井過(guò)程中的流體流動(dòng)狀態(tài)；所述模擬地層系統(tǒng)中清水儲(chǔ)存罐與模擬地層之間的單向閥，儲(chǔ)氣罐與模擬地層之間的單向閥，二者均用于控制該液路或氣路流體不回流，使氣液有效混合后能夠進(jìn)入模擬地層，當(dāng)模擬地層中流體壓力過(guò)高時(shí)從溢流閥返出而不回流。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下有益效果：

(1)能夠模擬不同鉆井液、不同井筒壓力、不同地層流體、不同地層壓力環(huán)境下的井筒與裂縫中流體流動(dòng)情況；

(2)功能齊全、考慮完善、操作簡(jiǎn)單，對(duì)鉆井裂縫流動(dòng)相關(guān)工程實(shí)際意義重大。

附圖說(shuō)明

圖1是一種井筒與地層裂縫耦合流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1.高清攝像機(jī)，2.液體調(diào)壓閥，3.液體流量計(jì)，4.鉆井液儲(chǔ)存罐，5.攪拌電機(jī)，6.單向閥，7.壓力傳感器，8.模擬井筒，9.模擬鉆桿，10.恒壓溢流閥，11.模擬裂縫，12.模擬地層，13.氣體調(diào)壓閥，14.分離罐，15.儲(chǔ)氣罐，16.氣體空壓機(jī)，17.清水儲(chǔ)存罐，18.鉆井液螺桿泵，19.清水螺桿泵，20.氣體流量計(jì)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1所示。

一種井筒與地層裂縫耦合流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置，由模擬井筒流動(dòng)系統(tǒng)、模擬地層系統(tǒng)、模擬裂縫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。

所述模擬井筒流動(dòng)系統(tǒng)包括模擬井筒8、模擬鉆桿9、鉆井液儲(chǔ)存罐4、攪拌電機(jī)5、鉆井液螺桿泵18，模擬鉆桿9位于模擬井筒8中央，鉆井液儲(chǔ)存罐4中有攪拌電機(jī)5，鉆井液螺桿泵18通過(guò)鉆井液儲(chǔ)存罐4連接模擬鉆桿9入口端。

所述模擬地層系統(tǒng)包括模擬地層12、清水儲(chǔ)存罐17、分離罐14、儲(chǔ)氣罐15、氣體空壓機(jī)16、清水螺桿泵19，儲(chǔ)氣罐15連接氣體空壓機(jī)16，并通過(guò)氣體調(diào)壓閥13連接模擬地層12，清水螺桿泵19通過(guò)清水儲(chǔ)存罐17連接模擬地層12，模擬地層12連接分離罐14。

所述模擬裂縫系統(tǒng)包括上下兩套模擬裂縫11，每套模擬裂縫為兩塊平行的透明樹(shù)脂板構(gòu)成的空間，模擬裂縫兩側(cè)分別連接模擬井筒8與模擬地層12，模擬裂縫的正面均有高清攝像機(jī)1。

所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括氣體流量計(jì)20、液體流量計(jì)3、壓力傳感器7、高清攝像機(jī)1、計(jì)算機(jī)，儲(chǔ)氣罐與模擬地層之間有氣體流量計(jì)20，鉆井液儲(chǔ)存罐4與模擬鉆桿9之間、清水儲(chǔ)存罐17與模擬地層12之間有液體流量計(jì)3，模擬井筒的井口和井底、模擬地層的上端和下端、模擬裂縫均連有壓力傳感器7，模擬裂縫正面有高清攝像機(jī)1，所述氣體流量計(jì)、液體流量計(jì)、壓力傳感器、高清攝像機(jī)均連接計(jì)算機(jī)。

所述鉆井液螺桿泵18與模擬鉆桿9入口端之間，清水螺桿泵19與模擬地層12之間均有液體調(diào)壓閥2和單向閥6，用以控制流體的單向流動(dòng)。

所述模擬井筒8與鉆井液儲(chǔ)存罐4之間，模擬地層12與分離罐14之間均有恒壓溢流閥10，用以控制模擬井筒和模擬地層內(nèi)部的壓力恒定。

實(shí)施例1對(duì)井筒與地層裂縫耦合流動(dòng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)的具體步驟如下：

a、實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備：

安裝模擬裂縫并關(guān)閉兩側(cè)開(kāi)關(guān)；檢查儲(chǔ)存罐中流體是否充足；將所有閥門(mén)均設(shè)為關(guān)閉狀態(tài)；開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，查看數(shù)據(jù)顯示是否正常；檢查所有儀器儀表是否工作正常；

b、開(kāi)啟實(shí)驗(yàn)設(shè)備：

打開(kāi)模擬井筒流動(dòng)系統(tǒng)端閥門(mén)，形成通路，此時(shí)開(kāi)啟螺桿泵，使模擬井筒流動(dòng)系統(tǒng)端液路形成通路；打開(kāi)模擬地層系統(tǒng)端閥門(mén)，打開(kāi)螺桿泵、氣體空壓機(jī)；

c、進(jìn)行裂縫流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)：

首先，設(shè)定模擬井筒流動(dòng)系統(tǒng)端液體調(diào)壓閥與恒壓溢流閥的壓力為一定值，使模擬井筒條件達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)情況；調(diào)節(jié)模擬地層系統(tǒng)端液體調(diào)壓閥、氣體調(diào)壓閥與恒壓溢流閥的壓力為一定值，使模擬地層條件達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)情況；打開(kāi)氣體流量計(jì)、液體流量計(jì)，關(guān)閉主液路閥門(mén)，記錄流體流入流量；打開(kāi)高清攝像機(jī)記錄裂縫面流動(dòng)情況；打開(kāi)模擬裂縫兩側(cè)開(kāi)關(guān)，使模擬井筒與地層流體在裂縫空間內(nèi)耦合流動(dòng)；實(shí)驗(yàn)完成后，關(guān)閉螺桿泵與氣體空壓機(jī)；關(guān)閉各個(gè)閥門(mén)；排出廢液；

d、實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理：

收集高清攝像資料；整理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)。