水平井筒中连续管液体携带和孔眼分流模拟装置.pdf

一种水平井筒中连续管液体携带和孔眼分流模拟装置，属于石油天然气工业压裂酸化实验设备的制造技术领域，包括实验井筒、液体泵送机构、数据采集机构和安全机构，试验井筒包括外管和内管，液体泵送机构包括驱替泵、供液桶、进液管和出液管；数据采集机构包括采集器和处理装置，采集器通过电缆线组与处理装置连接；安全机构由人梯、卷筒和护栏构成，本发明通过相似性原理，提供了一种能模拟开展水平井井筒内替液、冲砂、携砂以及液体在水平井段孔眼中的分流、排液等方面的连续管液体携带和孔眼分流模拟装置。

1、  一种水平井筒中连续管液体携带和孔眼分流模拟装置，包括实验井筒、液体泵送机构、数据采集机构和安全机构，其特征是：所述试验井筒包括外管和内管，在外管的顶端设置有半密封装置，内管穿过半密封装置设置在外管内；所述液体泵送机构包括驱替泵、供液桶、进液管和出液管，驱替泵的一边连接供液桶，另一边通过进液管与内管连接；数据采集机构包括采集器和处理装置，采集器通过电缆线组与处理装置连接；所述安全机构由人梯、卷筒和护栏构成。

2、  根据权利要求1所述的水平井筒中连续管液体携带和孔眼分流模拟装置，其特征是：所述内管是透明的塑料管，外管为有机玻璃管，内管在外管中一直延伸到外管的尾端。

3、  根据权利要求1所述的水平井筒中连续管液体携带和孔眼分流模拟装置，其特征是：所述内管缠绕在安全机构的卷筒上，并与进液管连接。

4、  根据权利要求1所述的水平井筒中连续管液体携带和孔眼分流模拟装置，其特征是：在所述外管的上端设置有可拆卸的出液管，出液管连接到废液处理池。

5、  根据权利要求1所述的水平井筒中连续管液体携带和孔眼分流模拟装置，其特征是：所述采集器包括上部和尾部压力传感器、电子天平和摄像头，上部和尾部压力传感器分别设置在半密封装置上和射孔孔眼段。

6、  根据权利要求1所述的水平井筒中连续管液体携带和孔眼分流模拟装置，其特征是：在外管的后端一米范围内钻有孔眼，孔眼的直径为8mm，间距为100mm，孔眼方向为向上和向下30°。

7、  根据权利要求1所述的水平井筒中连续管液体携带和孔眼分流模拟装置，其特征是：在外管后端的孔眼之前设置有回压阀，在外管的尾端设置有排液管。

8、  根据权利要求1所述的水平井筒中连续管液体携带和孔眼分流模拟装置，其特征是：所述试验井筒为L形状，长四米，试验井筒的外管与外管之间由连接帽连接，在连接帽中设置有档圈和密封圈。

水平井筒中连续管液体携带和孔眼分流模拟装置
技术领域：
一种水平井筒中连续管液体携带和孔眼分流模拟装置，用于水平井筒中连续管液体携带和孔眼分流的模拟试验，属于石油天然气工业压裂酸化实验设备的制造技术领域。
背景技术：
水平井是开发油气田的一种有效手段，它可以显著提高油气藏勘探开发的综合效益。自1928年世界第一口水平井钻成后，水平井迅速发展，并且以每年600-1000口水平井的速度增加，中国于1965年在四川钻成了第一口水平井，先后在各个油田开始了水平井技术的应用，水平井中的冲砂洗井工艺及基质酸化工艺与直井中的工艺有很大的差别，不仅表现在作业难度的增加，而且还制约着工艺技术措施的制定和施工作业后的效果，主要是因为在一口水平井中同时存在直井段、造斜段、水平段三种井筒，特别是在长水平井井筒条件下，重力与水平井筒方向的复杂关系影响了水平井筒内介质的存在形式和流动运移规律，加上复杂的水平井段井眼轨迹，需要射孔的孔眼数目多、射孔方位多变、孔眼分布的差异，以及注液工艺、作业方式等都加大了水平井冲砂洗井和基质酸化的难度；而目前水平井冲砂洗井和基质酸化工艺大多采用经验的方法，也就是一边观察，一边摸索，一边改进，根据现场具体情况进行调整，没有科学、定量的技术，在这种情况下，就很难进行工艺技术优化；从技术文献查询情况看，国外虽然对水平井技术的研究有较长的历史，但是有关水平井井筒冲砂洗井的技术文献尚未见到，在关于水平井基质酸化的文献中主要研究的是液体置放技术，而且也取得了研究成果和应用效果，但是从实际运用来看，其考虑的因素仍然较少、特别是与连续油管技术和水平井状况的衔接不紧密。
发明内容：
本发明的目的是针对现有技术的不足，根据相似性原理，设计研制出能模拟开展水平井井筒内替液、冲砂、携砂以及液体在水平井段孔眼中的分流、排液等方面基础性工作的水平井筒中连续管液体携带和孔眼分流模拟装置。
本发明是这样实现的：本发明包括实验井筒、液体泵送机构、数据采集机构和安全机构，其特征是：所述试验井筒包括外管和内管，在外管的顶端设置有半密封装置，内管穿过半密封装置设置在外管内；所述液体泵送机构包括驱替泵、供液桶、进液管和出液管，驱替泵的一边连接供液桶，另一边通过进液管与内管连接；数据采集机构包括采集器和处理装置，采集器通过电缆线组与处理装置连接；所述安全机构由人梯、卷筒和护栏构成。
所述内管是透明的塑料管，外管为有机玻璃管，内管在外管中一直延伸到外管的尾端。
所述内管缠绕在安全机构的卷筒上，并与进液管连接。
在所述外管的上端设置有可拆卸的出液管，出液管连接到废液处理池。
所述采集器包括上部和尾部压力传感器、电子天平和摄像头，上部和尾部压力传感器分别设置在半密封装置上和射孔孔眼段。
在外管的后端一米范围内钻有孔眼，孔眼的直径为8mm，间距为100mm，孔眼方向为向上和向下30°。
在外管后端的孔眼之前设置有回压阀，在外管的尾端设置有排液管。
所述试验井筒为L形状，长四米，试验井筒的外管与外管之间由连接帽连接，在连接帽中设置有档圈和密封圈；
本发明的理论依据是：
根据动力相似原理和几何相似原理进行实验装置的设计，动力相似性是进行模拟实验设计的基础，本发明的动力相似原理考虑剪切速率和雷洛数两个指标，本实验装置的设计中由于涉及到圆管内外液体与液体、液体与固相颗粒之间的相互作用，因此将液体在管内的剪切速率作为主要衡量参数模拟装置圆管的内外径和供液系统的流量，液体在管内的剪切速率由下面的公式给出：γ′=8Qπ·d3t]]>
这里的γ′为液体在管内的剪切速率，S^-1；Q为管内液体流速，mL/min；d为管子的内径，cm。模拟对象为直径139mm套管内，38.1mm直径连续油管
在0.23m³/min排量下在小曲率半径水平井的作业。通过对模拟对象不同排量下剪切速率的计算结果，根据剪切速率一致的要求，充分考虑目前实验用计量泵的性能参数、有机玻璃管的承压能力等限制，并选择多种尺寸的内管，模拟更为复杂的实验条件；
同时根据液体在管内的雷洛数判断液体的流态对比，液体在管内的雷洛数由下面的公式给出：NRe=2.12×104Qρdμ]]>
这里的N_Re为雷洛数，无因次；Q为管内液体流速，m³/min；液体粘度，mPa.s；依靠雷洛数主要是判断模拟和实际的液体流态是否一致，作为模拟的另一个指标；
几何相似原理主要用于设计孔眼的分布和水平段长度，孔眼大小的确定为真实孔眼的泄流面积与井筒内面积的比，孔密和射孔相位为实际的射孔相位及孔密；水平段长度考虑实验流速下出现稳定的边界影响、液体混合距离、砂粒流动运移距离；
进行实验时，先打开实验井筒尾部排液管线，向实验井筒的外管内置入砂粒，然后关闭尾部排液管线，将实验的内管从外管顶端设置的半密封装置插入，直到内管尾端处于指定位置，然后将井筒中灌满清水，供液桶中装入足量的实验用液，然后将由供液桶、驱替泵、进液管、实验井筒、出液管所组成的循环回路置于可循环状态，启动驱替泵，向试验井筒的内管注液进行试验；实验时，将驱替泵设定为不同的转速，这样就会有不同的注液量，达到进行不同流量拖动内管的试验，或者进行内管静止的条件下的试验，通过观察透明的外管，直至实验井筒的外管中置入的砂粒完全被带出实验井筒就完成了试验，在试验的过程中摄像头观察并记录实验的全过程，采集处理装置通过电缆线连接的上部压力传感器、尾部压力传感器、电子天平记录下实验的压力、流量等参数，用于对试验的结果进行分析，实验完毕后打开实验井筒外管尾部的排液管排出残液。
本发明的优点和有益效果是：本发明的实验装置的承压能力为0.8MPa，最大液体排量为41L/min，实验介质可采用清水、矿化水、有一定粘度的非酸性液体，实验温度为常温；压力传感器量程0-1.5MPa，精度0.25％FS，能模拟的最大剪切速率为2328S^-1，可以模拟139mm套管内，38.1mm连续油管在0.23m³/min排量下在小曲率半径水平井的实验；还可以用于研究运用连续油管进行水平井筒内的液体替换、沉砂携带以及酸化施工过程中射孔孔眼液体分流规律等模拟研究，具有为水平井冲砂洗井和基质酸化的最优化提供依据的特点。
附图说明：
图1为本发明的局部剖视安装结构示意图。
图2为本发明图1中序号12的放大剖视结构示意图。
具体实施方式：
本发明包括实验井筒、液体泵送机构、数据采集机构和安全机构，试验井筒包括外管13和内管16，在外管13的顶端设置有半密封装置15，在外管13的后端钻有孔眼10，内管16穿过半密封装置15设置在外管13内；液体泵送机构包括驱替泵3、供液桶2、进液管18和出液管14，驱替泵3的一边连接供液桶2，另一边连接进液管18，并通过进液管18与内管16连接；数据采集机构的上部压力传感器17设置在半密封装置15处，尾部压力传感器7设置在射孔孔眼10段，采集处理装置21通过电缆线组5与上部压力传感器17、尾部压力传感器7、电子天平6和摄像头8连接；内管16可以由透明塑料管构成，外管13为单根有机玻璃管，外观之间由连接帽12相连接；内管16缠绕在卷筒19上，并与进液管18连接；外管13的上端设置有可拆卸的出液管14，出液管直接连接到废液处理池；在外管13后端的孔眼10之前设置有回压阀11；内管16在外管13中能一直延伸到外管13的尾端；外管13的尾端设置有排液管9；在外管13的后端一米范围内钻有孔眼10，孔眼的直径为8mm，间距为100mm，孔眼方向为向上和向下30°；外管13是固定在固定装置4上的，外管13为L形状，长四米，外管13由连接帽12连接，在连接帽中设置有档圈和密封圈；
实验井筒具有三个主要模拟功能，一是能模拟主要水平井井筒的井眼状态以及液体在连续油管入井后的流动状态，二是模拟开展连续油管在水平井井筒内替液、冲砂、携砂模拟实验，三是能进行液体在水平井段孔眼中的分流、排液等方面基础性实验；
进行实验时，先打开实验井筒尾部排液管9，向实验井筒的外管13内置入砂粒，然后关闭尾部排液管9，将实验的内管16从外管13顶端设置的半密封装置15插入，直到内管16的尾端处于指定位置，然后将井筒中灌满清水，供液桶2中装入足量的实验用液，然后将由供液桶2、驱替泵3、进液管18、内管16、内管16和外管13的环形空间和出液管14所组成的循环回路置于可循环状态，启动驱替泵3，向试验井筒的内管16注液进行试验；实验时，将驱替泵3设定为不同的转速，这样就会有不同的注液量，达到在不同的流量下拖动内管16的试验，或者进行内管16在静止的条件下的试验，通过观察透明的外管13，直至外管13中置入的砂粒完全被带出外管13就完成了试验，在试验的过程中，摄像头8观察并记录实验的全过程，采集处理装置21通过电缆线组5连接的上部压力传感器17、尾部压力传感器7、电子天平6记录下实验的压力、流量等参数，用于对试验的结果进行分析，实验完毕后打开实验井筒外管13尾部的排液管9排出残液；设置的人梯1用于实验人员在人梯上操作内管的上提动作。