一种多分支井实验模型的填砂方法本申请为申请日为2012年06月01日、申请号为201210180178.X、发明名称为“一种
多分支井实验模型、系统及填砂方法”的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本发明是关于多分支井物理模拟技术领域，具体来说是关于一种多分支井实验模
型的填砂方法。
背景技术
多分支井是指井斜角达到或接近90°，井身沿着水平方向钻进一定长度的井。多分
支井的井眼在油层中水平延伸相当长一段长度，有时为了某种特殊的需要，井斜角可以超
过90°。一般来说，多分支井适用于薄的油气层或裂缝性油气藏，目的在于增大油气层的裸
露面积。
多分支井物理模拟技术是利用实验室中的实验装置来模拟多分支井油藏真实情
况的物理模拟实验技术，多分支井物理模拟技术可以在实验室内观察多分支井油藏开采过
程中的物理现象，测试油藏的静、动态参数，分析多分支井渗流特征、驱油机理，对比和优选
注采工艺。
在多分支井物理模拟技术中，多分支井物理模型是多分支井物理模拟实验的基
础。根据不同的研究目的，多分支井物理模型可以分为两大类，即基本机理研究模型和比例
模型。前者可不按比例制造，可以模拟一个单元或一个过程，研究物理现象的机理，给出定
性的认识；后者则是根据相似原理设计的，原则上模型与原型之间要满足几何相似、运动相
似和动力相似，实验操作、数据处理及实验结果的应用都要在相似理论的指导下完成。目
前，国内外的多分支井物理模拟模型及实验，主要可分为以下四类：静态电模拟模型及实
验、动态一维物理模拟模型及实验、动态二维物理模拟模型及实验和动态三维物理模拟模
型及实验。
多分支井动态三维物理模拟与电模拟、一维物理模拟、二维物理模拟相比，具有显
著的优点，它能更加真实的反映现实油藏的动态变化，能模拟复杂地质特征，复杂完井工
艺，复杂开采方式下的多分支井生产动态，是多分支井开采机理研究的重要手段。与一维、
二维动态物理模型相比，也只有三维比例模型能实现对控制物理过程的诸多参数进行综合
定量分析，从而对井下油藏发展动态提出更加准确的预测,而前两者更侧重于定性研究。
现有技术中，多分支井三维物理模拟试验装置有三个线度，它是从空间的角度模
拟现实多分支井油藏。有关多分支井动态三维物理模拟，国内外学者已做了很多这方面的
研究。目前，三维模型主要分为按比例设计的比例模型和非按比例设计的模型，前者的研究
和应用较多,也发展的比较成熟。
动态三维比例模型通常是针对现场具体油藏具体采油工艺，由相似理论指导按比
例设计而成的。所谓按比例设计，就是指在实验室规模内将原型油田依据一套相似准则按
比例缩小尺寸制成实体模型。通常油藏地质条件不同，模拟研究的侧重点不同，建立模型所
依据的相似准则也不同。
然而，与前三种模拟装置相比，多分支井三维物理模拟装置存在如下缺点：体积庞
大，结构复杂，成本昂贵，实验流程复杂繁琐且必须提前调试，所配备的各种温度、压力、流
量传感器不仅数量多而且要求高。
图1是现有技术中一实验装置示意图，如图1所示，实验装置采用液压加压模拟地
层上覆压力；上部分模拟油藏,下部分模拟底水,两部分之间用底水扩散网隔开,模拟无限
导流状态下的等势面；循环系统中采用了外径3mm内径1.5mm的不锈钢毛细管，给模型提供
小的流速时,流体可以通过毛细管消耗很大的流阻,使模型得到稳定的微小的压力供给。射
线法测定底水上升高度的原理是,射线升高的部位,水位升高。由于油水饱和度不同时模型
对射线衰减的程度不同,这样可根据射线强度在平面上的变化测量出油水饱和度的变化,
并通过公式推算出底水上升的高度。
在图1所示的实验装置中，模型中油层宏观均质；初始的水层和油层明确区分；开
发过程中水完全来自于底水，无边水。但由于该技术采用了放射源来判断油水饱和度变化
和底水上升高度，因此存在如下问题：不能完全模拟现实油藏。只用压力表测量了注入口的
压力，不能监测多分支井近井压力场分布，进而不能判断不同水平段的流入剖面，因而不能
完全模拟现实油藏；存在安全隐患。采用了放射源来判断油水饱和度变化和底水上升高度，
这需要有很健全的保护措施和操作规范，一旦操作不当，将会造成很严重的后果；数据采集
不科学。采集数据方式为人工采集，当多分支井开始见水，需要间隔比较短的时间读取一次
流量数据，工作量比较大；多分支井井型单一。只模拟了无分支的多分支井开发底水油藏，
没有涉及多分支井，井型单一。
图2、图3分别是现有技术中一实验装置的物理模型示意图和试验流程图，如图2、
图3所示，封闭边界低渗透油藏多分支井定压开采试验流程的物理模型尺寸为30cm×25cm
×5cm。首先将制作好的物理模型试漏,确保不存在漏失的情况下,抽真空并饱和地层水,用
高精度计量泵注地层水驱替物理模型,通过压缩模型里的地层水使之加起一定的压力,本
次试验加压0.235MPa。校正压力传感器、巡检仪和电子天平,并将巡检仪和电子天平用信号
线连接到计算机上,以便试验数据的自动采集。
图2、图3所示的模拟技术采用低渗透天然砂岩露头，并用树脂进行封装，虽然满足
了低渗透率的要求，但由于其物理模型的特殊性以及测点的分散性，致使该技术还存在以
下缺点：不能准确反映油藏。该技术较第一种技术在监测油藏压力分布方面有了很大进步，
采用了15个测点监测压力场分布，但由于测点过于分散，最终压力分布剖面不够准确；不能
模拟底水、边水存在时的情况。由于采用的是低渗透天然砂岩露头，并用树脂进行了封装，
只能模拟封闭边界，不能模拟边、底水；多分支井井型单一。
总体而言，现有技术中，动态三维比例模型存在如下问题：
现有技术的填砂实验只能对多分支井的产能及出液随时间的变化规律进行物理
模拟，无法测量模型内部近井的压力场分布，不能较真实地反映整个开采过程中油藏的压
力变化规律；
现有技术的多分支井填砂实验中，能模拟的边界只有底水边界，无法模拟边水边
界；
现有技术的多分支井填砂实验中，只能对没有分支的多分支井产能进行模拟，无
法对多分支井产能进行模拟；
现有技术的多分支井填砂实验中，数据的采集多为人工采集，然后再人工或借助
计算机处理，这样的结果往往是造成效率低下、误差增大；
现有技术的多分支井填砂实验的驱替过程中会出现“水窜”现象，使含水率急剧上
升；
现有技术中，人工方法难以制作低渗透率的填砂模型。
发明内容
为克服现有技术中人工方法难以制作低渗透率的填砂模型的问题，本发明提供一
种多分支井实验模型的填砂方法，所述多分支井实验模型的填砂方法具体是这样实现的：
一种多分支井实验模型的填砂方法，所述填砂方法包括以下步骤：
将细沙与粘土按照4:1的比例均匀混合；
采用干填的方法将混合后的细沙与粘土混合物填入实验模型中并压实；
对所述的实验模型进行注水至水饱和；
使用白油对所述的实验模型驱水至油饱和。
可选的，在本发明的一个实施例中，所述白油在25℃时粘度为115mPa·s。
可选的，在本发明的一个实施例中，所述细沙为200目细沙。
可选的，在本发明的一个实施例中，所述采用干填的方法将混合后的细沙与粘土
混合物填入实验模型中并压实包括：
将混合后的细沙与粘土混合物按照逐层填砂、逐层压实的方式干填至实验模型
中。
本发明提供的多分支井实验模型的填砂方法，可以利用黏土遇水膨胀的性能获取
渗透率较低的填砂模型，且当细沙与黏土的比例为4：1时，所述实验室的渗透率最低。利用
白油对实验模型进行驱水至饱和，可以在实验模型中形成束缚水，更加接近于真实油藏。因
此，本发明采用特殊比例混合的填砂及生成油饱和方法获取的渗透率较低的填砂模型，使
得实验模型更加逼近油藏真实情况，为实验的成功奠定了基础。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不
构成对本发明的限定。在附图中：
图1是现有技术中一实验装置示意图。
图2是现有技术中一物理模型示意图。
图3是现有技术中一试验流程示意图。
图4是本发明实施例提供的一种多分支井实验模型的结构图。
图5是本发明实施例提供的一种多分支井实验模型的结构图。
图6是本发明实施例提供的多分支井模型井型设计图。
图7是本发明实施例提供的实验模型剖面图。
图8是本发明实施例提供的一种多分支井实验系统结构图。
图9是本发明实施例提供的一种压力传感装置结构图。
图10是本发明实施例提供的一种多分支井实验模型填砂方法流程图。
图11是本发明实施例提供的一种多分支井实验模型防水窜方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对
本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并
不作为对本发明的限定。
本发明实施例提供一种多分支井实验模型、系统及填砂方法，以下结合附图对本
发明进行详细说明。
实施例一
图4是本发明实施例提供的一种多分支井实验模型的结构图，如图4所示，多分支
井实验模型400的上部401填充实验砂，所述的实验模型的下部402用于填充底水，所述的上
下两部分间设置有一底水扩散板403，所述的底水扩散板和上部之间设置有一层纱网(图未
示)。
在本发明实施例中，多分支井实验模型400可以为一方形容器，其内部可以承受
12MPa的高压。多分支井实验模型分为上下两部分，上部401填砂模拟油藏，下部402模拟底
水，两部分之间用底水扩散板403隔开，底水扩散板403上面铺盖一层纱网，用以防止上部的
砂掉到下部，并且模拟等势面,无限导流的状态。
在本发明实施例中，上部401填充的实验砂由细沙(200目)和粘土混合配成来模拟
地层，不同比例的细砂与粘土的混合物可得到不同的渗透率。在本技术中，经过大量实验验
证细砂和粘土最佳混合比例为4:1，实验砂的渗透率为33×10-3μm2。
实验过程中，首先要把细砂与粘土按照最佳比例混合均匀，然后采用干填的方法
进行填砂，填砂完毕后进行饱和水的工作，然后再用特定粘度的白油(25℃时白油粘度为
115mp·s)驱替水至油饱和。该方法利用粘土遇水膨胀的性能可得较低渗透率的填砂模型，
而且饱和油方法可形成束缚水，更加近似真实油藏。
在本发明实施例中，实验模型内壁面覆盖有一防水窜涂层，防水窜涂层由低分子
聚酰胺树脂和环氧树脂混合而成，所述的低分子聚酰胺树脂和环氧树脂的比例为3:5，防水
窜涂层的表面可以覆盖一层细沙。
图7是本发明实施例提供的实验模型剖面图，如图7所示，由于模型壁面光滑会导
致驱替过程中水延光滑壁面窜进，使多分支井提前见水，含水率急剧上升，影响了实验结
果。因此考虑到“水窜”的影响，采用环氧树脂对光滑壁面进行处理，增加壁面的粗糙度。首
先调配环氧树脂，将低分子聚酰胺树脂与环氧树脂按比例3:5进行混合。然后对光滑壁面进
行均匀涂抹，再在其表面覆盖细砂，最后进行烘干处理，以增加壁面的粗糙度。(注意：环氧
树脂的调配、涂抹过程需带防毒面具)。
图5是本发明实施例提供的一种多分支井实验模型的结构图，如图5所示，与图4所
示的实验模型400不同之处在于，实验模型500的内壁上设置有多个边水模拟单元404。
在本发明实施例中，在实验模型500的内壁面上安装有两个个边水模拟单元404，
边水模拟单元404为圆环形的带孔细管，其中小孔均匀分布，细管表面包裹纱网，环形管的
直径可以为4mm，出水孔的直径可以为0.5mm。实验过程中，可以对边水模拟单元404注水，保
证各小孔均匀出水，从而实现模拟边水。
在本发明实施例中，如图5所示，实验模型500的上部401内设有一多分支井模型
405，多分支井模型405位于探针上方约2cm处，趾端距模型内壁5cm，跟端与壁面连接。
图6是本发明实施例提供的多分支井模型井型设计图，如图6所示，多分支井模型
为多分支井模型，包括主井筒和至少一个分支，也可以是两分支、三分支或四分支，分支可
以分布在主井筒的同侧或异侧，也可以同(异)侧连续分布、同(异)侧间隔分布以及对称分
布等。各分支与主井筒的角度可以是15°、30°、45°、60°、75°或90°。
本发明实施例提供的一种多分支井实验模型，有效地模拟了油藏，边、底水对多分
支井产能及近井压力场分布的影响，使模拟更接近于真实油藏环境中的底水、边水、封闭等
多种不同边界，从而得到不同的边界条件对油井产能的影响。
有效地模拟了多分支、多井型多分支井的产能及进井压力场分布，可以得知多分
支井的几何因素对多分支井开采不同边界油藏的影响，为多分支井井型优化提供了理论依
据。
有效地防止了“水窜”，并采用特殊的填砂及饱和方法制作了较低渗透率的填砂模
型，使模拟更加逼近油藏真实情况，为实验的成功奠定了基础。
实施例二
图8是本发明实施例提供的一种多分支井实验系统结构图，如图8所示，多分支井
实验系统800包括：
多分支井实验模型801，在本发明实施例中，多分支井实验模型801可以是实施例
一中所述的多分支井实验模型400或500。
压力传感装置802，与多分支井实验模型801相连，用于感测多分支井实验模型801
内不同位置的压力，生成电压信号。
数据处理装置803，与压力传感装置802相连，用于接收电压信号，生成模拟结果数
据。在本发明实施例中，数据处理装置803可以接收压力传感装置802传送的电压信号，且将
电压信号转化为压力并显示，所有获得的数据都可以自动存盘，便于以后处理。
在本发明实施例中，多分支井实验系统引进了“多分支井近井流动模拟软件系
统”，实现数据的采集处理。该系统包括操作系统、数据显示、实时曲线、数据回放、曲线回
放、标定操作等六部分。操作系统的主要功能是打开/关闭与传感器之间串口，实现信号的
传输、转换，将接收的电压信号自动转换为压力信号；数据显示部分主要功能是显示采集的
实时数据、压力分布及电压信号；实时曲线部分主要是显示整个实验过程中各测点的压力
变化曲线；数据回放与曲线回放部分主要功能是对采集的数据、图像进行保存处理；标定操
作的主要作用是确定电压信号与压力信号之间的转换关系，实现信号间的自动转换。
图9是本发明实施例提供的一种压力传感装置结构图，如图9所示，压力传感装置
802可以包括：
压力感测单元901，用于采集实验模型内不同位置的压力信号，实验过程中，传感
器可感受模型内部不同位置的压力信号。在本发明实施例中，压力传感装置802可以包括49
个压力感测单元901。
标定单元902，用于存储压力信号与电压信号之间的转换关系信息，实验之前，首
先要用标定装置进行打压和标定。打压的目的是确保各压力感测单元901正常工作；标定的
目的是确定压力信号与电压信号的转换关系。
电压转换单元903，用于将所述的压力信号转换为所述的电压信号并输出。
本发明实施例提供的多分支井实验系统有效地模拟了油藏，运用压力传感系统成
功实现了多分支井近井压力场分布的实时测量，测得的压力分布更准确。为研究多分支井
周围的压力场分布，从而探索底水锥进位置及延缓底水锥进的途径和方法，以及为科学开
采多分支井底水油藏提供了依据。
采用数据处理装置与压力传感装置对接，可以实时监测模型内部测点压力；显示
近井压力场分布图，并实时截图；采集获得的数据并自动存盘。通经过对多分支井的近井压
力数据的处理得到其近井压力分布图，进而得到油水两相渗流规律和水淹规律。大大提高
了实验效率，为以后更大型物模实验，更复杂油藏条件的模拟奠定了良好的基础。
实施例三
一种多分支井实验模型边水模拟装置，所述边水模拟装置设置于所述的实验模型
的内壁上，所述的边水模拟装置为包裹纱网的环形管，所述的环形管的直径为4mm，所述的
环形管上均与分布着多个出水孔，所述的出水孔的直径为0.5mm。
如图5所示，边水模拟装置404设置在实验模型500的内壁面上，边水模拟装置404
为圆环形的带孔细管，其中小孔均匀分布，细管表面包裹纱网，环形管的直径可以为4mm，出
水孔的直径可以为0.5mm。实验过程中，可以对边水模拟装置404注水，保证各小孔均匀出
水，从而实现模拟边水。
本发明实施例提供的多分支井实验模型边水模拟装置，有效地模拟了油藏，边、底
水对多分支井产能及近井压力场分布的影响，使模拟更接近于真实油藏环境中的底水、边
水、封闭等多种不同边界，从而得到不同的边界条件对油井产能的影响。
实施例四
图10是本发明实施例提供的一种多分支井实验模型的填砂方法流程图，如图10所
示，所述的填砂方法包括以下步骤：
S601，将细沙与粘土按照4:1的比例混合均匀；
S602，采用干填的方法将混合后的细沙与粘土混合物填入实验模型中并压实；
S603，对所述的实验模型进行注水至水饱和；
S604，使用白油对所述的实验模型驱水至油饱和。
在本发明实施例中，实验砂由细沙(200目)和粘土混合配成来模拟地层，不同比例
的细砂与粘土的混合物可得到不同的渗透率。在本技术中，经过大量实验验证细砂和粘土
最佳混合比例为4:1，实验砂的渗透率为33×10-3μm2。
实验过程中，首先要把细砂与粘土按照最佳比例混合均匀，然后采用干填的方法
进行填砂，将实验砂装入装置中，进行压实。为了使其压实程度较好，得到较低的渗透率，本
技术中采用逐层填砂、逐层压实的方法进行充填。填砂完毕后进行饱和水的工作，然后再用
特定粘度的白油(25℃时白油粘度为115mPa·s)驱替水至油饱和。该方法利用粘土遇水膨
胀的性能可以得到较低渗透率的填砂模型，而且饱和油方法可形成束缚水，更加近似真实
油藏。
在本发明实施例中，实验模型内壁面覆盖有一防水窜涂层，防水窜涂层由低分子
聚酰胺树脂和环氧树脂混合而成，所述的低分子聚酰胺树脂和环氧树脂的比例为3:5，防水
窜涂层的表面可以覆盖一层细沙。
本发明提供的多分支井实验模型的填砂方法，可以利用黏土遇水膨胀的性能获取
渗透率较低的填砂模型，且当细沙与黏土的比例为4：1时，所述实验室的渗透率最低。利用
白油对实验模型进行驱水至饱和，可以在实验模型中形成束缚水，更加接近于真实油藏。因
此，本发明采用特殊比例混合的填砂及生成油饱和方法获取的渗透率较低的填砂模型，使
得实验模型更加逼近油藏真实情况，为实验的成功奠定了基础。
实施例五
如图7所示，防水窜涂层覆盖于多分支井实验模型的内壁面上，防水窜涂层由低分
子聚酰胺树脂和环氧树脂混合而成，所述的低分子聚酰胺树脂和环氧树脂的比例为3:5。
在本发明实施例中，由于模型壁面光滑会导致驱替过程中水延光滑壁面窜进，使
多分支井提前见水，含水率急剧上升，影响了实验结果。因此考虑到“水窜”的影响，采用环
氧树脂对光滑壁面进行处理，增加壁面的粗糙度。首先调配环氧树脂，将低分子聚酰胺树脂
与环氧树脂按比例3:5进行混合。然后对光滑壁面进行均匀涂抹，再在其表面覆盖细砂，最
后进行烘干处理，以增加壁面的粗糙度。(注意：环氧树脂的调配、涂抹过程需带防毒面具)。
本发明实施例提供的防水窜涂层有效地防止了“水窜”，使模拟更加逼近油藏真实
情况，为实验的成功奠定了基础。
实施例六
图11是本发明实施例提供的一种多分支井实验模型防水窜方法流程图，如图11所
示，所述的方法包括以下步骤：
S701，将低分子聚酰胺树脂和环氧树脂按照3:5的比例混合均匀；
S702，将混合后的低分子聚酰胺树脂和环氧树脂混合物涂抹于实验模型的内壁面
上，形成防水窜涂层；
S703，在所述的防水窜涂层的表面均匀覆盖一层细沙；
S704，对覆盖细沙的防水窜涂层进行烘干。
在本发明实施例中，由于模型壁面光滑会导致驱替过程中水延光滑壁面窜进，使
多分支井提前见水，含水率急剧上升，影响了实验结果。因此考虑到“水窜”的影响，采用环
氧树脂对光滑壁面进行处理，增加壁面的粗糙度。首先调配环氧树脂，将低分子聚酰胺树脂
与环氧树脂按比例3:5进行混合。然后对光滑壁面进行均匀涂抹，再在其表面覆盖细砂，最
后进行烘干处理，以增加壁面的粗糙度。(注意：环氧树脂的调配、涂抹过程需带防毒面具)。
本发明实施例提供的多分支井实验模型防水窜方法有效地防止了“水窜”，使模拟
更加逼近油藏真实情况，为实验的成功奠定了基础。
本发明实施例提供的一种多分支井实验模型、系统及填砂方法，具有如下优点：
有效地模拟了油藏，运用压力传感系统成功实现了多分支井近井压力场分布的实
时测量，测得的压力分布更准确。为研究多分支井周围的压力场分布，从而探索底水锥进位
置及延缓底水锥进的途径和方法，以及为科学开采多分支井底水油藏提供了依据。
有效地模拟了边、底水对多分支井产能及近井压力场分布的影响，使模拟更接近
于真实油藏环境中的底水、边水、封闭等多种不同边界，从而得到不同的边界条件对油井产
能的影响。
有效地模拟了多分支、多井型多分支井的产能及进井压力场分布，可以得知多分
支井的几何因素对多分支井开采不同边界油藏的影响，为多分支井井型优化提供了理论依
据。
采用数据处理装置与压力传感装置对接，可以实时监测模型内部测点压力；显示
近井压力场分布图，并实时截图；采集获得的数据并自动存盘。通经过对多分支井的近井压
力数据的处理得到其近井压力分布图，进而得到油水两相渗流规律和水淹规律。大大提高
了实验效率，为以后更大型物模实验，更复杂油藏条件的模拟奠定了良好的基础。
有效地防止了“水窜”，并采用特殊的填砂及饱和方法制作了较低渗透率的填砂模
型，使模拟更加逼近油藏真实情况，为实验的成功奠定了基础。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步
详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明
的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。