一種水平井開採三維電模擬實驗裝置的製作方法

2023-05-19 01:29:06 1

專利名稱：一種水平井開採三維電模擬實驗裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於油氣田開發領域，具體涉及一種水平井開採三維電模擬實驗裝置，應用水電相似原理，模擬水平井在不同完井方式情況下井筒周圍壓力場分布及產能。
背景技術：
國內外各大油氣田水平井數量的迅速增加，對於不同完井方式下的水平井，特別是以分段壓裂方式完井的開採過程的研究方法和形成技術也為數眾多，主要是理論解析計算方法和數值模擬方法。對於理論解析方法，計算水平井產能或者水平井壓裂產能的理論公式所需參數多且計算量大，在實際礦場應用中受到一定限制。對於數值模擬方法，由於對不同形態和尺度的裂縫建模難度大、數學求解過程複雜，目前尚未形成成熟的數值模擬方法。通過電模擬實驗可以簡單快速地模擬水平井產能，可以得到水平井井筒周圍的電場即壓力場分布情況，同時可用電流密度比表示水平井壓裂產能的大小，為預測水平井壓裂產能研究提供了一種新方法和對比依據。對於應用水電相似原理開展電模擬實驗，眾多學者目前已開展了多項技術研究和試驗，如電模擬方法研究注採井網、電模擬方法研究垂直井的壓後產能、電模擬方法研究水平井壓裂產能等，目前也有一些相關的電模擬實驗裝置。但是上述技術措施存在以下局限性①只開展二維的平面的模擬，沒有開展三維空間中的水平井完井方式對生產的影響；②數據採集方法簡單，無法實現自動採集，實驗數據測試的工作量大；③無法深入探索水平井井筒三維壓力場分布，對現場應用指導作用有限。以上這些不足直接限制了電模擬原理在水平井開採技術研究方面的應用。

實用新型內容本實用新型的目的在於解決上述現有技術中存在的難題，針對水平井不同完井方式和水平井滲流場分布的難點，提供一種水平井開採三維電模擬實驗裝置，可以對水平井井筒和儲層(電解液、加入電解質的凍膠)進行參數調節，打破以往電模擬實驗的二維約束，實現完全的三維電模擬。本實用新型是通過以下技術方案實現的一種水平井開採三維電模擬實驗裝置，包括電解池、電信號測試系統、循環泵和數據採集及處理系統；所述電解池為上方敞口的長方形缸體；在所述電解池上開有進口和出口，進口和出口均與循環泵連接，通過循環泵的作用使電解池內的液體循環流動；在所述電解池長度方向的兩個側面的內表面上裝有導電網；所述電信號測試系統包括探針和探針定位機構；在所述探針定位機構上固定有至少一根探針；所述探針定位機構包括三維導軌和位移傳感器，所述三維導軌包括X嚮導軌、Y嚮導軌和Z嚮導軌；探針通過三維導軌在三維空間內移動；在電解池的兩寬度方向的側面的內表面上均固定有鉛垂的滑軌，兩個滑軌相對設置，並分別位於兩個寬度方向的側面的中間位置，模擬井筒的兩端分別安裝在兩根滑軌的滑槽內，模擬井筒水平安裝或與水平線成角度安裝；模擬井筒可以沿滑軌上下移動，並可在任意位置進行鎖定；滑軌的作用在於可以根據井筒在儲層中的實際位置對模擬井筒做出上下調整或角度調整；通過所述探針對模擬井筒附近的測點位置進行電信號測試，由數據採集及處理系統採集並儲存各測點所在位置上的電信號以及探針的位置狀況的坐標數據，再應用圖形處理軟體進行數據分析。所述X嚮導軌包括X向主導軌和X向副導軌；所述X向主導軌安裝在所述電解池長度方向上的一個側面的上端，X向副導軌安裝在長度方向上的另一個側面的上端；所述X 向主導軌和X向副導軌均水平設置，並與電解池的長度方向平行；所述Y嚮導軌水平設置， 並與電解池的寬度方向平行，其橫跨在電解池上方，兩端分別安裝在X向主導軌和X向副導軌上，並可以沿X嚮導軌和X向副導軌做X向移動；所述Z嚮導軌鉛垂設置，其下端安裝在所述Y嚮導軌上，並可以沿Y嚮導軌做Y向移動；所述探針安裝在Z嚮導軌上，並可以沿Z 嚮導軌做Z向移動。所述X向主導軌、Y嚮導軌和Z嚮導軌均採用絲杆結構，包括手輪、電機和兩根導軌；兩根導軌平行設置，在兩根導軌之間設置有與導軌平行的絲杆，手輪位於導軌的一端， 用於手動控制絲杆的旋轉，電機位於導軌的一端，用於自動控制絲杆的旋轉；所述位移傳感器與導軌平行設置，且與導軌長度一致；在所述導軌的兩端的極限位置處均設置有限位器；所述X向副導軌包括兩根平行設置的導軌。所述Y嚮導軌的一端通過螺母與X向主導軌的絲杆配合，另一端與X向副導軌滑動配合；所述Z嚮導軌的下端通過螺母與Y嚮導軌的絲杆配合；所述探針的上端通過螺母與Z嚮導軌的絲杆配合；探針的下端浸入電解池內的電解液中。當模擬井筒位置確定後，模擬井筒的兩端通過螺栓鎖定在滑軌上。在所述滑軌旁的電解池側面上設置有與滑軌平行的刻度尺。所述電解池的四個側面和底面均採用有機玻璃製成，在電解池內一組對角的側壁面上貼有垂向標尺，方便觀察和測試池內液面高度。所述模擬井筒包括鋁塑管和銅網片；所述鋁塑管用於模擬井筒，銅網片用於模擬裂縫。所述導電網採用導電銅網，並保證裝上導電網後電解池的側面的透明度不低於 30%。與現有技術相比，本實用新型的有益效果是(1)通過改換不同的井筒物理模型，利用本裝置能夠模擬裸眼完井、篩管完井、射孔完井、水力壓裂等不同的水平井完井方式情況下，井筒周圍的靜態壓力場和滲流場；(2)通過改變分段壓裂井筒模型，利用本裝置可以模擬不同裂縫條數、裂縫尺寸、裂縫形態、裂縫夾角情況下的井筒周圍的靜態壓力場和滲流場，進而模擬壓裂後的產能；(3)通過改變電解質溶液的電阻率，利用本裝置可以模擬不同地層滲透率對上述各種水平井完井方式下的產能影響；(4)通過改變電解質溶液的液面高度，利用本裝置能夠模擬不同儲層厚度下的上述各種情況；(5)通過改變外部電場電壓，利用本裝置能夠模擬不同能量供給時的上述各種情況；(6)通過加入導電纖維，利用本裝置可以模擬微裂縫發育地層時的上述各種情況；(7)改變水平井和導電網的電極，利用本裝置可以實現水平井注水的各種模擬。(8)本發明裝置能夠克服或滿足目前技術裝置中的缺點和不足，可以對水平井井筒和儲層(電解液、加入電解質的凍膠)輕鬆地進行參數調節，打破了以往電模擬實驗的二維約束，實現了完全的三維電模擬，可設計多組實驗，具有可重複性。同時，數據採集靈活、 方便，採集點的位置及採集過程可視，整體系統安全、環保。

圖1是本實用新型水平井開採三維電模擬實驗裝置的主體結構示意圖。圖2是本實用新型水平井開採三維電模擬實驗裝置中的電解池的俯視圖。圖3是本實用新型水平井開採三維電模擬實驗裝置的測試線路示意圖。圖4是本實用新型水平井開採三維電模擬實驗裝置的滑軌結構示意圖圖5是本實用新型中的模擬井筒結構示意圖圖6是本實用新型水平井開採三維電模擬實驗裝置的工作流程圖。圖7是本實用新型的實施例中得到的Z方向電壓場分布透視圖及切片圖。圖8是本實用新型的實施例中得到的X方向電壓場分布透視圖及切片圖。圖9是本實用新型的實施例中得到的Y方向電壓場分布透視圖及切片圖。圖10本實用新型的實施例中得到的電壓場等值分布三維透視圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步詳細描述一種水平井開採三維電模擬實驗裝置，可模擬不同物性的儲層，模擬不同完井方式的水平井段在生產過程中的壓力場分布和產能大小。如圖1所示，此圖中，X向是與模擬井筒平行的方向，也是電解池的長度方向，Y向是與模擬井筒垂直的方向，也是電解池的寬度方向，Z向是鉛垂方向。電解池2安裝在下櫃 1上，電解池外接有循環泵8，在電解池上方安裝有X嚮導軌及位移傳感器3、Y嚮導軌及位移傳感器7、Z嚮導軌及位移傳感器4、測試探針5;在電解池兩橫向側面內表面上裝有銅網 6 ；下櫃與控制櫃9電連接，在控制櫃9上裝有電流表10、電壓表11和位移顯示錶12，控制櫃9與數據採集計算機13電連接；從控制櫃9中延伸出位移控制手柄14。具體來說，所述水平井開採三維電模擬實驗裝置的一個實施例如下，包括①長方形電解池(長1. 5米，寬0. 75米，高0. 5米)；[0051]②所述電信號測試系統包括探針和探針定位機構，電壓測量精度為0. 005V,電流測量精度為0. 005A ；③所述探針定位機構包括三維導軌和位移傳感器，所述三維導軌包括X嚮導軌、Y 嚮導軌和Z嚮導軌，所述X嚮導軌包括X向主導軌和X向副導軌；三維導軌及位移傳感器主要起到對測試探針定位的功能，定位測量精度為Imm ；所述X向主導軌、Y嚮導軌和Z嚮導軌均採用絲杆結構，只是長度不同而已，在此實施例中，X嚮導軌長度為1.6m，，Y向長度為0. 8m, Z向長度為0. 6m，如圖4所示，所述X向主導軌、Y嚮導軌和Z嚮導軌均採用絲杆結構，包括手輪401、電機402、兩根導軌403，設置在兩根導軌之間的絲杆404，手輪401用於手動控制絲杆的旋轉，電機402用於自動控制絲杆的旋轉；所述位移傳感器405與導軌403 平行設置，且與導軌403長度一致；在所述導軌的兩端的極限位置均設置有限位器406 ；④模擬井筒由6〃鋁塑管506及20目銅網片509等組成，如圖5所示；圖5中給出了 5種模擬井筒的結構，分別為裸眼完井井筒501 ；射孔完井井筒502 ；水平井2段壓裂完井井筒503 ；水平井2段壓裂(角度裂縫)完井井筒504 ；水平井4段壓裂完井井筒505 ；在射孔完井井筒502上有射孔孔眼508，在鋁塑管506外包有絕緣膠皮507 ；水平井2段壓裂完井井筒503上用銅網509來模擬裂縫。⑤循環泵，該循環泵能夠耐酸鹼腐蝕；⑥數據採集及處理系統，包括測點位置控制、儀器控制櫃、數顯表(電流、電壓、位移)、連接導線、計算機接口卡、串行接口以及計算機等部分；⑦測試探針移動控制手輪，能夠通過手輪控制測試探針在空間中的移動；⑧電解液，通過改變電解質溶液的液面高度，能夠模擬不同儲層厚度，能夠通過改變電解質的類型和濃度，模擬不同的儲層物性，可以通過加入導電纖維，可以模擬微裂縫發育地層。該裝置有以下幾個特點①探針定位機構主要是對測試探針的定位，能夠使得探針隨著導軌在X、Y、Z三個方向移動，從而能夠實現在電解池中立體空間移動並通過位移傳感器記錄空間位置，同時記錄電壓；②能夠分別實現自動操作和手動操作，手輪用於手動操作，電機用於自動操作；③在三維導軌兩端的極限位置處設置有行程控制開關(就是圖4中限位器，當有物體碰到它時就會自動切斷電源，防止在電機驅動模式下的事故。在圖4中只畫出了一個限位器406，另一個的位置和電機的位置在縱向上重疊在一起了，因此沒有畫出。)，起限位和保護作用；④探針定位機構整體不與電解池接觸，但其位置固定裝置，通過對位移傳感器的標定，可以精確確定探針在電解池中的位置；⑤具有一支測試探針，但也可以升級為5支測試探針。圖2為圖1中的長方形電解池的俯視圖，電解池的形狀可以是正方形，也可以是圓形，形狀的不同是對不同油藏邊界形態的模擬，由於本模擬裝置主要針對水平井的模擬，所以設計時選用的是長方形。在電解池的上方、兩橫向側面旁裝有X嚮導軌15、x向位移傳感器16，在其中一個X嚮導軌15和X向位移傳感器16旁裝有X向的步進電機及手輪18 ；在電解池縱向側面的中間裝有滑軌17，模擬井筒21的兩端分別安裝在兩個滑軌上，模擬井筒
7水平安裝或與水平線成角度安裝，當成角度設置時，模擬井筒的長度將大於1. 5米，角度越大，模擬井筒的長度也越大，做角度實驗時需要先選好特定長度的井筒；Y嚮導軌上安裝有 Y向的步進電機及手輪20，Z嚮導軌上安裝有Z向的步進電機及手輪19。X嚮導軌15有兩個，分別安裝在電解池的兩邊上，對於導軌而言，這兩側是相同的，不同之處在於，一側有動力裝置(即電機和手輪)和位移傳感器，而另一側只有導軌，主要起支撐作用；Y向和Z向只有一組導軌裝置。根據實驗需要，該電解池具有如下特點①電解池的4個側面和底面均採用有機玻璃製作，透明的有機玻璃使得在實驗過程中可以清楚的看到測試點的位置，有利於實驗操作；②具有良好的塑性，盛滿液體後不發生形變；③具有一定強度，偶爾被硬物撞擊而不易碎；④電解池上方無封口，但對側面各邊角做安全處理，即對玻璃稜角進行了打磨，防止劃傷人體；⑤為了根據液體在標尺的刻度觀察來輔助確定液面是否水平，電解池內在橫向上對角安裝有測量液面的標尺，精度為Imm ；⑥電解池內裝有安裝模擬井筒的滑軌，可以調節模擬井筒在電解池中高度，也可以形成一定的角度，模擬井筒通過螺栓固定在滑軌上，並可在任意位置鎖定；在兩個滑軌的旁邊的有機玻璃上貼有刻度尺，即可知道鎖定的位置；⑦電解池內長方形橫向兩個面裝有導電網；⑧導電網採用目數很小的導電銅網，確保透明度不低於30% ；⑨電解池外部接循環泵，以方便液體循環流動；電解池與下櫃採用可卸式固定，方便設備搬運。圖3給出的是該裝置的測試線路示意圖，其中探針5通過電線與接地線路22連接，在此線路上設置有電壓測試點23，所測電壓即為電解池溶液中探針點位置處的電壓； 在電解池2上設置有Z嚮導軌M、X嚮導軌15和Y嚮導軌25 ；在電解池2中裝有電解液沈； 在電解池中，銅網6與供電電源觀的正極連接；模擬井筒21通過電線接地，在此線路上設置有電流測試點27，所測電流即為流過模擬井筒的電流。如圖6所示，本實用新型水平井開採三維電模擬實驗裝置的工作流程如下配置電解液，然後將電解液加入到電解池中，並開泵循環；選擇水平井完井的模擬井筒後將其放入用於模擬儲層的電解池中；在兩側導電網上施加一定的電壓形成電場，然後通過自動或手動控制探針定位系統移動探，對模擬井筒附近的測點位置進行電信號測試，由數顯表顯示出各測點所在位置上的電流、電壓以及探針的位置狀況然後通過接口卡由計算機採集並保存數據，再應用圖形處理軟體進行數據分析。一個應用本實用新型進行模擬的實驗如下應用本裝置對水平井三段壓裂完井後的生產情況進行模擬，模擬條件為模擬水平段長度150cm ；壓裂段數3段；模擬裂縫半長20cm ；模擬裂縫高度5cm ；裂縫與井筒夾角90° ；模擬儲層厚度30cm ；模擬電壓2. 5V。實施步驟如下(1)根據儲層物性需要，配置濃度不同的導電溶液(一般為NaCl溶液)，加入電解池中，溶液高度根據儲層厚度確定；(2)根據完井方式特點，把模擬井筒放置在電解池中，開循環泵，使得溶液均勻；(3)根據儲層的能量情況，在電解池兩側的導電網上加適當電壓，一般在0 5V之間，停止循環，待溶液靜置形成穩定電場；(4)通過控制(自動、手動)控制系統移動測試模擬井筒附近的測點位置，可以觀察並採集各個測點的電壓、模擬井筒的電流，通過對數據採集軟體的設置可以實現定頻率採集和單點採集；(5)數據採集完畢，關閉供電電源，中和溶液，排放；(6)數據處理。通過模擬得到24500組空間點(X、Y、Z)的電壓(V)的數據，通過軟體處理，得到的 Z方向電壓場分布透視圖及切片如圖7所示，得到的X方向電壓場分布透視圖及切片如圖8 所示，得到的Y方向電壓場分布透視圖及切片如圖9所示，得到的電壓場等值分布三維透視圖如圖10所示，從圖7至10可以看出，利用本實用新型可以很好的反映出水平井壓裂完井後井筒周圍的滲流場分布。目前水平井應用的油藏類型在不斷擴大，應用的井數在累積增多，特別是水平井壓裂完井方式日趨成熟，使得水平井開採過程的認識要求更加突出。本實用新型無論對現場生產還是理論研究都提供了一套可靠的實驗裝置，其比數值模擬及理論計算都更為科學、簡單，因此本實用新型的應用前景廣泛。上述技術方案只是本實用新型的一種實施方式，對於本領域內的技術人員而言， 在本實用新型公開的裝置和原理的基礎上，很容易做出各種類型的改進或功能拓展，而不僅限於本實用新型上述具體實例所描述的裝置，因此前面描述的方式只是優選的，而並不具有限制性的意義。
權利要求1.一種水平井開採三維電模擬實驗裝置，其特徵在於所述水平井開採三維電模擬實驗裝置包括電解池、電信號測試系統、循環泵和數據採集及處理系統；所述電解池為上方敞口的長方形缸體；在所述電解池上開有進口和出口，進口和出口均與循環泵連接，通過循環泵的作用使電解池內的液體循環流動；在所述電解池長度方向的兩個側面的內表面上裝有導電網；所述電信號測試系統包括探針和探針定位機構；在所述探針定位機構上固定有至少一根探針；所述探針定位機構包括三維導軌和位移傳感器，所述三維導軌包括X嚮導軌、Y嚮導軌和Z嚮導軌；探針通過三維導軌在三維空間內移動；在電解池的兩寬度方向的側面的內表面上均固定有鉛垂的滑軌，兩個滑軌相對設置， 並分別位於兩個寬度方向的側面的中間位置，模擬井筒的兩端分別安裝在兩根滑軌的滑槽內，模擬井筒水平安裝或與水平線成角度安裝；模擬井筒可以沿滑軌上下移動，並可在任意位置進行鎖定。
2.根據權利要求1所述的水平井開採三維電模擬實驗裝置，其特徵在於所述X嚮導軌包括X向主導軌和X向副導軌；所述X向主導軌安裝在所述電解池長度方向上的一個側面的上端，X向副導軌安裝在長度方向上的另一個側面的上端；所述X向主導軌和X向副導軌均水平設置，並與電解池的長度方向平行；所述Y嚮導軌水平設置，並與電解池的寬度方向平行，其橫跨在電解池上方，兩端分別安裝在X向主導軌和X向副導軌上，並可以沿X嚮導軌和χ向副導軌做χ向移動；所述ζ嚮導軌鉛垂設置，其下端安裝在所述Y嚮導軌上，並可以沿Y嚮導軌做Y向移動；所述探針安裝在Z嚮導軌上，並可以沿Z嚮導軌做Z向移動。
3.根據權利要求2所述的水平井開採三維電模擬實驗裝置，其特徵在於所述X向主導軌、Y嚮導軌和Z嚮導軌均採用絲杆結構，包括手輪、電機和兩根導軌；兩根導軌平行設置，在兩根導軌之間設置有與導軌平行的絲杆，手輪位於導軌的一端，用於手動控制絲杆的旋轉，電機位於導軌的一端，用於自動控制絲杆的旋轉；所述位移傳感器與導軌平行設置， 且與導軌長度一致；在所述導軌的兩端的極限位置處均設置有限位器；所述X向副導軌包括兩根平行設置的導軌。
4.根據權利要求3所述的水平井開採三維電模擬實驗裝置，其特徵在於所述Y嚮導軌的一端通過螺母與X向主導軌的絲杆配合，另一端與X向副導軌滑動配合；所述Z嚮導軌的下端通過螺母與Y嚮導軌的絲杆配合；所述探針的上端通過螺母與Z嚮導軌的絲杆配合； 探針的下端浸入電解池內的電解液中。
5.根據權利要求1所述的水平井開採三維電模擬實驗裝置，其特徵在於當模擬井筒位置確定後，模擬井筒的兩端通過螺栓鎖定在滑軌上。
6.根據權利要求1所述的水平井開採三維電模擬實驗裝置，其特徵在於在所述滑軌旁的電解池側面上設置有與滑軌平行的刻度尺。
7.根據權利要求1所述的水平井開採三維電模擬實驗裝置，其特徵在於所述電解池的四個側面和底面均採用有機玻璃製成，在電解池內一組對角的側壁面上貼有垂向標尺， 方便測試池內液面高度。
8.根據權利要求1所述的水平井開採三維電模擬實驗裝置，其特徵在於所述模擬井筒包括鋁塑管和銅網片；所述鋁塑管用於模擬井筒，銅網片用於模擬裂縫。
9.根據權利要求1所述的水平井開採三維電模擬實驗裝置，其特徵在於所述導電網採用導電銅網，並保證裝上導電網後電解池的側面的透明度不低於30%。
專利摘要本實用新型提供了一種水平井開採三維電模擬實驗裝置，屬於油氣田開發領域。所述水平井開採三維電模擬實驗裝置包括電解池、電信號測試系統、循環泵和數據採集及處理系統，所述電信號測試系統包括探針和探針定位機構；所述探針定位機構包括三維導軌和位移傳感器，探針通過三維導軌在三維空間內移動。本實用新型裝置能夠克服或滿足目前技術裝置中的缺點和不足，可以對水平井井筒和儲層輕鬆地進行參數調節，打破了以往電模擬實驗的二維約束，實現了完全的三維電模擬，可設計多組實驗，具有可重複性。同時，數據採集靈活、方便，採集點的位置及採集過程可視，整體系統安全、環保。
文檔編號E21B47/047GK202220598SQ20112026688
公開日2012年5月16日 申請日期2011年7月26日 優先權日2011年7月26日
發明者劉長印, 張汝生, 李宗田, 李萍, 蘇建政, 黃志文, 龍秋蓮 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司石油勘探開發研究院