多尺度裂缝堵漏模拟器及多尺度裂缝堵漏模拟实验装置

摘要

本发明公开了一种多尺度裂缝堵漏模拟器及多尺度裂缝堵漏模拟实验装置，其中多尺度裂缝堵漏模拟器包括井筒部和裂缝模拟部，井筒部的两端分别设置有筒顶进液口和筒底出液口，裂缝模拟部内设置有至少两条相互独立且狭长的贯穿裂缝，多个贯穿裂缝的进液端分别与井筒部的内部连通；多尺度裂缝堵漏模拟实验装置包括堵漏浆调配装置和上述多尺度裂缝堵漏模拟器，堵漏浆调配装置包括多个堵漏浆罐、搅拌器、堵漏浆输出管、回液管和废液池。本发明公开的多尺度裂缝堵漏模拟器及多尺度裂缝堵漏模拟实验装置，在进行裂缝堵漏模拟实验的同时，能够优化多尺度裂缝性地层堵漏材料设计，为实现模拟复杂工况下的井下堵漏过程提供理论指导。

说明书

技术领域

本发明涉及油气开采技术领域，具体涉及一种多尺度裂缝堵漏模拟器及多尺度裂缝堵漏模拟实验装置。

背景技术

井漏是在钻井、固井、测井等各种井下作业中，钻井液、水泥浆、完井液及其它流体等各种工作液在压差作用下漏入地层的现象。钻井液漏失是钻井作业中一种常见的井下复杂情况。一旦漏失发生，不仅延误钻井时间，损失钻井液，干扰地质录井工作，而且还可能引发井塌、卡钻、井喷等一系列复杂情况与事故，甚至导致井眼报废，造成重大的经济损失。若在油气层发生井漏，还易造成对产层的损害，影响生产，因为漏失导致了生产测试和样品测试的失败，而生产层的堵塞使生产效率下降。从某种程度上讲，井漏比某些钻井事故给油气勘探开发带来的损失更大。因此，在钻井过程中，需向钻井液中加入各种堵漏材料，对裂缝进行堵漏。堵漏材料的选择要考虑到地层物理化学性质、地层承压能力等多方面的因素，常用的堵漏材料有石墨颗粒、碳酸钙颗粒以及各种聚合物。

研究表明，绝大部分的井漏是裂缝性漏失。裂缝性漏失具有开度不明确、堵漏效率低等缺点。目前，桥接堵漏是处理裂缝性漏失的主要方法。其中，堵漏材料级配与漏失通道尺寸的匹配精度是决定裂缝性漏失一次堵漏成功率的关键因素。针对裂缝性漏失问题，学术界已形成了一套成熟的解决方案。尽管如此，复杂裂缝性地层的现场一次堵漏成功率较低。由于复杂裂缝性地层裂缝尺度跨度大，故又称之为多尺度裂缝，导致钻井液漏失的裂缝由多种宽度裂缝构成，但以往的堵漏研究是以堵漏材料在单条固定裂缝内的运移及堆积过程为研究对象，堵漏材料设计均是以单条裂缝宽度为基准，缺乏以多尺度裂缝为研究对象的实验装置，致使不能很好地探究堵漏材料在多尺度裂缝内运移、架桥封堵过程，无法为多尺度裂缝性地层堵漏设计提供理论和方法的指导。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多尺度裂缝堵漏模拟器及多尺度裂缝堵漏模拟实验装置，用于研究堵漏材料在多尺度裂缝内运移、架桥封堵过程，为多尺度裂缝性地层堵漏设计提供理论和方法的指导。

本发明提供一种多尺度裂缝堵漏模拟器，所述多尺度裂缝模拟器包括井筒部和裂缝模拟部，所述井筒部的两端分别设置有筒顶进液口和筒底出液口，所述裂缝模拟部内设置有至少两条相互独立且狭长的贯穿裂缝，多个贯穿裂缝的进液端分别与所述井筒部的内部连通，多个贯穿裂缝的出液端汇集形成模拟器出液端；

当堵漏浆注入筒顶进液口后，堵浆液不仅能在贯穿裂缝内堵漏后残余液到达模拟器出液端，还能直接从筒底出液口流出。

优选地，所述裂缝模拟部紧贴于所述井筒部的侧壁形成一体；所述多尺度裂缝模拟器内设置有三条相互独立且狭长的贯穿裂缝。

优选地，每条贯穿裂缝内沿着裂缝纵向依次设置有多个第一压力传感器，每个第一压力传感器都连接有第一压力表。

优选地，所述模拟器出液端通过回收池支管连接有回收池，所述回收池支管上设置有第一电磁阀；

当堵漏浆注入筒顶进液口后，穿过贯穿裂缝到达模拟器出液端的那一部分堵浆液流入至回收池内。

优选地，所述井筒部的筒顶进液口和筒底出液口上分别连通有井筒进液管和井筒出液管，所述井筒进液管的内端与所述筒顶进液口对接，露出外端作为该多尺度裂缝模拟器外接堵漏浆的进液口；所述井筒出液管的内端与所述筒底出液口对接，露出外端作为该多尺度裂缝模拟器外接堵漏浆的回液口；所述井筒进液管和所述井筒出液管上分别设置有第二压力表和第三压力表。

优选地，所述井筒出液管上还设置有回压阀；堵漏浆从井筒进液管注入至筒顶进液口，当贯穿裂缝内的压力小于回压阀的回压设置值时，堵浆液在贯穿裂缝内堵漏过程逐渐形成架桥，残余液到达模拟器出液端后，经过回收池支管流入至回收池；当贯穿裂缝内的压力达到或超过回压阀的回压设置值时，井筒部内的堵浆液从筒底出液口直接流出后流入井筒出液管。

本发明还涉及一种多尺度裂缝堵漏模拟实验装置，包括堵漏浆调配装置和上述的多尺度裂缝堵漏模拟器，所述堵漏浆调配装置包括多个堵漏浆罐、搅拌器、堵漏浆输出管、回液管和废液池，多个堵漏浆罐用于储存呈浓度梯度的堵漏浆；每个堵漏浆罐的顶端分别通过堵漏浆管与所述搅拌器连通；所述搅拌器的出液口通过堵漏浆输出管与井筒进液管的进液口连通；所述废液池通过回液管与所述井筒出液管的回液口连通。

优选地，还包括清水罐，每个堵漏浆罐的形状和大小相同，每个堵漏浆罐内均设置有一个活塞，活塞将堵漏浆罐分为上部和下部；所述清水罐分别通过清水管与多个所述堵漏浆罐的下部连通，所述堵漏浆罐的下部用于装载清水，所述堵漏浆罐上部用于装载有钻井液，且堵漏浆按照浓度梯度依次装载在多个堵漏浆罐的上部，当所述清水罐通过清水管向堵漏浆罐注入清水时，清水推动活塞挤压堵漏浆罐内的堵漏浆，堵漏浆被迫输送至所述搅拌器内；所述清水管上均设置有驱替泵和第二电磁阀。

优选地，所述搅拌器包括中间容器、搅拌轴和旋转电机，所述搅拌轴的动力输入端与所述旋转电机的输出轴对接，所述搅拌轴从所述中间容器的端部穿入所述中间容器内，且所述搅拌轴上设置有搅拌叶片；所述搅拌器的中间容器的侧面设置有多个进液口，每个堵漏浆罐的顶端分别通过堵漏浆管与所述搅拌器的中间容器的进液口连通；每根堵漏浆管上均设置有第三电磁阀和第四压力表；所述中间容器的远离搅拌轴的端部的端面上开设有出液口，所述中间容器的出液口通过堵漏浆输出管与井筒进液管的进液口连通。

优选地，所述堵漏浆输出管上设置有第四电磁阀。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明公开了一种多尺度裂缝堵漏模拟器及多尺度裂缝堵漏模拟实验装置，通过调整堵漏浆调配装置的驱替泵的频率，动态调配粗颗粒、颗粒中和细颗粒的堵漏浆比例中的颗粒比例，实现快速、连续完成多尺度裂缝性地层的堵漏材料配置；多尺度裂缝模拟器可用于模拟堵漏材料在多尺度裂缝内的运移、架桥封堵过程。本发明公开的多尺度裂缝模拟器及多尺度裂缝堵漏模拟实验装置，在进行裂缝堵漏模拟实验的同时，能够优化多尺度裂缝性地层堵漏材料设计，为实现模拟复杂工况下的井下堵漏过程提供理论指导。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的多尺度裂缝堵漏模拟器的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的井筒部两端连接井筒进液管和井筒出液管时的多尺度裂缝堵漏模拟器的结构示意图；

图3为本发明实施例2提供的堵漏浆调配装置与井筒部连通形成管路的结构示意图；

图4为本发明实施例2提供的多尺度裂缝堵漏模拟实验装置的结构示意图。

附图标记说明：

1-井筒部，11-筒顶进液口，12-筒底出液口，13-井筒进液管，14-井筒出液管，130-第二压力表，140-第三压力表；

2-裂缝模拟部，21-贯穿裂缝，22-模拟器出液端，23-第一压力表，24-回收池支管，25-回收池，26-第一电磁阀；20-封堵层，200-回压阀；

3-堵漏浆调配装置，30-活塞，31-清水罐，310-驱替泵，311-清水管，312-第二电磁阀；32-漏浆罐，321-堵漏浆管，322-第三电磁阀，323-第四压力表；33-搅拌器，331-中间容器，332-搅拌轴，333-旋转电机，334-搅拌叶片；34-堵漏浆输出管，341-第四电磁阀，35-回液管，36-废液池。

具体实施方式

本发明公开了一种多尺度裂缝堵漏模拟器及多尺度裂缝堵漏模拟实验装置，其中，堵漏浆调配装置用于调配堵漏浆，实现快速、连续完成多尺度裂缝性地层的堵漏材料配置；多尺度裂缝模拟器可用于模拟堵漏材料在多尺度裂缝内的运移、架桥封堵过程，在进行裂缝堵漏模拟实验的同时，能够优化多尺度裂缝性地层堵漏材料设计，为真实实现模拟复杂工况下的井下堵漏过程提供理论指导。

实施例1：一种多尺度裂缝堵漏模拟器

实施例1提供一种多尺度裂缝堵漏模拟器，下面结合图1和图2对其结构进行详细描述。

参考图1，该多尺度裂缝模拟器包括井筒部1、裂缝模拟部2、回收池支管24和回收池25，

井筒部1的两端分别设置有筒顶进液口11和筒底出液口12，裂缝模拟部2紧贴于井筒部1的侧壁形成一体；

裂缝模拟部2内设置有至少两条相互独立且狭长的贯穿裂缝21，多个贯穿裂缝21的进液端分别与井筒部1的内部连通，多个贯穿裂缝21的出液端汇集形成模拟器出液端22。

当堵漏浆注入筒顶进液口11后，堵浆液不仅可以在贯穿裂缝21内堵漏后残余液到达模拟器出液端22，还可以直接从筒底出液口12流出。

优选地，多尺度裂缝模拟器内设置有三条相互独立且狭长的贯穿裂缝21。

为了便于观察贯穿裂缝21内的堵漏浆的压力变化，每条贯穿裂缝21内沿着裂缝纵向依次设置有多个第一压力传感器，每个第一压力传感器都连接有第一压力表23。

为了排出实验过程中或结束后的堵漏浆，模拟器出液端22通过回收池支管24连接有回收池25，回收池25与模拟器出液端22连通的回收池支管24上设置有第一电磁阀26。

当堵漏浆注入筒顶进液口11后，穿过贯穿裂缝21到达模拟器出液端22的那一部分堵浆液流入至回收池25内。

为了输送堵漏浆，参考图2，井筒部1的筒顶进液口11和筒底出液口12上分别连通有井筒进液管13和井筒出液管14，井筒进液管13的内端与筒顶进液口11对接，露出外端作为该多尺度裂缝模拟器外接堵漏浆的进液口；井筒出液管14的内端与筒底出液口12对接，露出外端作为该多尺度裂缝模拟器外接堵漏浆的回液口。

为了观测井筒进液管13和井筒出液管14内的堵浆液压力变化，井筒进液管13和井筒出液管14上分别设置有第二压力表130和第三压力表140。

为了限制堵浆液从井筒出液管14流出，使井筒部1的堵漏浆尽可能优先流入至贯穿裂缝21内，井筒出液管14上还设置有回压阀200。

堵漏浆从井筒进液管13注入至筒顶进液口11，当贯穿裂缝21内的压力小于回压阀200的回压设置值时，堵浆液在贯穿裂缝21内堵漏过程逐渐形成架桥，残余液到达模拟器出液端22后，经过回收池支管24流入至回收池25；当贯穿裂缝21内的压力达到或超过回压阀200的回压设置值时，井筒部1内的堵浆液从筒底出液口12直接流出后流入井筒出液管14。

实施例2：一种多尺度裂缝堵漏模拟实验装置

实施例2提供一种多尺度裂缝堵漏模拟实验装置，下面结合图3和图4对其结构进行详细描述。

该多尺度裂缝堵漏实验装置包括实施例1中的多尺度裂缝堵漏模拟器和堵漏浆调配装置3，

参考图3和图4，堵漏浆调配装置3包括多个堵漏浆罐32、一个搅拌器33、一根堵漏浆输出管34、一根回液管35和一个废液池36，

多个堵漏浆罐32用于分别储存呈浓度梯度的堵漏浆；

每个堵漏浆罐32的顶端分别通过堵漏浆管321与搅拌器33连通；

搅拌器33的出液口通过堵漏浆输出管34与井筒进液管13的进液口连通；

废液池36通过回液管35与井筒出液管14的回液口连通。

为了实现将多个堵漏浆罐32内的堵漏浆输送至搅拌器33内，具体地，每个堵漏浆罐32的形状和大小相同，每个堵漏浆罐32内均设置有一个活塞30，活塞30将堵漏浆罐32分为上部和下部；堵漏浆调配装置3还包括一个清水罐31，清水罐31分别通过清水管311与多个堵漏浆罐32的下部连通，堵漏浆罐32的下部用于装载清水，堵漏浆罐32上部用于装载有堵漏浆，且堵漏浆按照浓度梯度依次装载在多个堵漏浆罐32的上部，当清水罐31通过清水管311向堵漏浆罐32注入清水时，清水推动活塞30挤压堵漏浆罐32内的堵漏浆，堵漏浆被迫输送至搅拌器33内。

更具体地，每个堵漏浆罐32的底端设置有清水进口，清水罐31的出水口与多个堵漏浆罐32的清水进口之间分别通过清水管311连通，清水管311上均设置有驱替泵310和第二电磁阀312。

具体地，搅拌器33包括中间容器331、搅拌轴332和旋转电机333，搅拌轴332的动力输入端与旋转电机333的输出轴对接，搅拌轴332从中间容器331的端部穿入中间容器331内，且搅拌轴332上设置有搅拌叶片334；

搅拌器33的中间容器331的侧面设置有多个进液口，每个堵漏浆罐32的顶端分别通过堵漏浆管321与搅拌器33的中间容器331的进液口连通；每根堵漏浆管321上均设置有第三电磁阀322和第四压力表323。

中间容器331的远离搅拌轴332的端部的端面上开设有出液口，中间容器331的出液口通过堵漏浆输出管34与井筒进液管13的进液口连通。

为了控制堵漏浆从中间容器331流入至井筒进液管13，堵漏浆输出管34上设置有第四电磁阀341。

下面简单介绍一下使用多尺度裂缝堵漏模拟实验装置开展实验的方法，主要包括以下两大步骤：

堵漏浆调配：打开一个或多个驱替泵310及其第二电磁阀312，清水罐31内的清水分别通过清水管311注入堵漏浆罐32内，清水向上推动活塞30挤压堵漏浆罐32内的堵漏浆；根据堵漏模拟实验的需要，打开对应的一个或多个堵漏浆管321上的第三电磁阀322，对应的堵漏浆罐32内的堵漏浆通过堵漏浆管321进入至述搅拌器33的中间容器331内；启动旋转电机333，搅拌轴332带动搅拌叶片334转动，对搅拌器33内的堵漏浆进行搅拌，直至搅拌均匀；

多尺度裂缝堵漏模拟：打开堵漏浆输出管34上的第四电磁阀341，搅拌均匀的堵漏浆通过堵漏浆输出管34输送至井筒进液管13，并从筒顶进液口11流入至井筒部1，部分堵漏浆穿过裂缝模拟部2的贯穿裂缝21，模拟多尺度裂缝堵漏。

实施例3：一种多尺度裂缝堵漏模拟的实验方法，

实施例3提供一种多尺度裂缝堵漏模拟的实验方法，采用实施例2提供的多尺度裂缝堵漏模拟实验装置，包括多尺度裂缝堵漏模拟器和堵漏浆调配装置3，多尺度裂缝模拟器包括裂缝模拟部2，裂缝模拟部2内设置有至少两条相互独立且狭长的贯穿裂缝21，在开展实验之前，在多个堵漏浆罐32的上部内分别储存呈浓度梯度的堵漏浆，该实验方法包括以下步骤：

堵漏浆动态调配，获得理想堵漏浆；

将理想堵漏浆通入多尺度裂缝堵漏模拟器，模拟堵漏浆在贯穿裂缝21内架桥形成封堵层20的过程；

确定封堵层20最大承压能力。

其中，堵漏浆动态调配包括以下步骤：

步骤A1：选定三个堵漏浆罐32，分别向三个堵漏浆罐32加入含有粗颗粒、中颗粒、细颗粒的堵漏浆形成第一堵漏浆罐、第二堵漏浆罐和第三堵漏浆罐；

步骤A2：确定回压阀200的第一回压设置值P，例如P＝5MPa；

步骤A3：打开所有的第二电磁阀312、所有的第三电磁阀322、打开所有的驱替泵310，清水罐31内的清水分别通过清水管311注入多个堵漏浆罐32内，清水向上推动活塞30，堵漏浆被迫输送至搅拌器33的中间容器331内，直至注满后，关停所有的驱替泵310；

步骤A4：启动旋转电机333，搅拌轴332带动搅拌叶片334转动，对搅拌器33内的堵漏浆进行搅拌，直至搅拌均匀，例如混合5分钟；

步骤A5：再次打开所有的驱替泵310和第四电磁阀341，清水向上推动活塞30，堵漏浆被迫输送至搅拌器33的中间容器331内，促使搅拌均匀的堵漏浆通过堵漏浆输出管34输送至井筒进液管13，并从筒顶进液口11流入至井筒部1，部分堵漏浆穿过裂缝模拟部2的贯穿裂缝21；

步骤A6：开展模拟多尺度裂缝堵漏的实验；

步骤A7：如果堵漏浆未在贯穿裂缝21内架桥封堵，调整所有的驱替泵310的频率，调整第一堵漏浆罐、第二堵漏浆罐和第三堵漏浆罐共同输出的粗、中、细堵漏浆比例，继续重复步骤A6中的开展模拟多尺度裂缝堵漏的实验，直至堵漏浆在贯穿裂缝21内架桥，同时确定三个堵漏浆罐32以粗颗粒、中颗粒和细颗粒的比例配比得到的堵漏浆为理想堵漏浆。

其中，多尺度裂缝堵漏模拟方法包括以下步骤：

步骤B1：确定回压阀200的第一回压设置值P，例如P＝5MPa；

步骤B2：打开所有的第二电磁阀312、所有的第三电磁阀322以及第四电磁阀341，打开所有的驱替泵310，清水罐31内的清水分别通过清水管311注入多个堵漏浆罐32内，清水向上推动活塞30，堵漏浆被迫输送至搅拌器33的中间容器331内；

步骤B3：堵漏浆通过堵漏浆输出管34输送至井筒进液管13，并从筒顶进液口11流入至井筒部1，堵漏浆先穿过裂缝模拟部2的贯穿裂缝21，并于第一电磁阀26处被阻碍，贯穿裂缝21内的压力逐渐升高；

步骤B4：直到第二压力表130和第一压力表23的压力值达到第一回压阀设置值P的1/5，也就是1MPa时，打开第一电磁阀26，堵漏浆穿过第一电磁阀26通过回收池支管24流入至回收池25内，同时堵漏浆在贯穿裂缝21内架桥；

步骤B5：通过多个第一压力表23分别判断每个贯穿裂缝21内架桥形成封堵层20的位置，具体包括以下步骤：

首先，比较同一条贯穿裂缝21内的多个第一压力传感器分别相连的多个第一压力表23的压力值的大小，如果沿着堵漏浆流动方向在后的第一压力传感器相连的第一压力表23的压力值小于在前的，说明该条贯穿裂缝21内架桥形成封堵层20位于压力值较小的第一压力表23相连的第一压力传感器安装位置和之前最近的第一压力传感器安装位置之间；

其次，逐条比较下一个贯穿裂缝21，找出每一条贯穿裂缝21内架桥形成封堵层20的位置。

步骤B6：堵漏浆在在贯穿裂缝21内架桥并积累逐渐形成封堵层20，井筒部1内的压力也随之逐渐升高，直到第二压力表130和第三压力表140的压力达到第一回压设置值P＝5MPa以后，堵漏浆通过回压阀200进入废液池36；

步骤B7：保持所有的驱替泵310打开，继续驱替一段时间，如10分钟，持续模拟堵漏浆在贯穿裂缝21内架桥形成封堵层20的过程；

步骤B8：在第一回压设置值P的基础上提高1MPa，调整回压阀200的回压为第二回压设置值Q，其中，第二回压设置值Q＝P+1MPa，继续驱替一端时间，如10分钟，再次模拟堵漏浆在贯穿裂缝21内架桥形成封堵层20的过程；

步骤B9：观察第二压力表130和第三压力表140的压力值是否变化以及回收池25内液体体积是否增加，如果第二压力表130、第三压力表140和回压阀200都稳定在第二回压设置值Q，而且回收池25内液体体积没有增加或少量增加，则说明每个贯穿裂缝21内的封堵层20封堵完好，反之，说明至少其中一个贯穿裂缝21内的封堵层20破坏；

步骤B10：在上一回压设置值的基础上每次提高1MPa，继续调整回压阀200的回压设置值，继续驱替一端时间，继续模拟堵漏浆在贯穿裂缝21内架桥形成封堵层20的过程，重复步骤B9，直到贯穿裂缝21内的封堵层20破坏。

其中，确定封堵层20最大承压能力具体包括步骤：

以实验过程中破坏前最后一次的第二压力表130和第三压力表140的压力值确定为封堵层20的最大承压值。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。