一种油水井物理法增产增注效果评价模拟实验方法技术领域
本发明涉及一种油水井物理法增产增注效果评价模拟实验方法，属于石油与天然
气工程的技术领域。
背景技术
物理法增产增注技术是指以不同的物理原理实现提高储层渗透率的目的，其最大
的优点是对地层和环境无污染或污染远小于化学法。目前所指的物理法包括超声波、微波、
水力振荡低频声波和电脉冲产生的冲击波。物理法主要依靠冲击波对储层的撕裂作用和解
堵作用实现油气水井的增产增注，现有的评价方法主要采用数值模拟和室内模拟实验两大
类方法。数值模拟方法是以实际模型为基础进行适当简化后得出的间接结果，与实际情况
必然存在偏差。室内模拟实验目前只是通过室内小型装置直接作用圆片状缩比小样品上，
虽然可以得出直接的测试结果，但所得结果仅验证了冲击波对储层的撕裂作用和解堵作
用。而实际储层是深埋地下上千米甚至几千米，采用缩比模拟实验所得的实验结果外推到
实际井筒中时误差较大，而且实际加载到储层的冲击波是穿透套管和水泥环后才进入储层
的，与缩比的室内模型直接施加冲击波机理不同，无法验证冲击波经过井筒液体、套管和水
泥环衰的减后程度，无法评价井筒不同距离处的作用效果，无法验证冲击波是否会对套管
和水泥环产生破坏，也无法验证数值模拟结果的准确程度，不能准确评价物理法增产增注
的作业效果。
发明内容
针对现有技术的问题，本发明提供一种油水井物理法增产增注效果评价模拟实验
方法。本发明利用储层天然露头岩心，设计制作等比例模拟井筒，模拟实际物理法增产增注
环境。设计物理法增产增注措施作业时井筒不同距离处的压力测试方法，分析冲击波的作
用距离及衰减规律；设计模拟井筒取芯方法，分析井筒不同距离处试样的渗透率改变程度，
研究冲击波参数与提高储层渗透能力的关系；确定强冲击波导致地层破裂的类型及套管和
水泥环损伤程度。通过直接模拟测试分析，得出实际井筒中物理法增产增注技术的作用机
理及效果，并为数值模拟模型的修正提供依据。
本发明的技术方案如下：
一种油水井物理法增产增注效果评价模拟实验方法，包括：
1)制备模拟井筒试样；
2)制备压力测试取芯孔：在所述模拟井筒试样的外表面、且沿所述模拟井筒的径
向制备压力测试取芯孔；
3)压力测试实验：
在步骤2)所述压力测试取芯孔的内部设置应力传感器；在所述模拟井筒试样的外
表面设置应力传感器；
在所述模拟井筒试样的外表面设置有应变片组；用于测定模拟井筒试样表面处的
物理冲击波信号参数；
4)增产增注效果分析取芯方法：
在所述模拟井筒试样的外表面、且沿所述模拟井筒的径向、且与压力测试取芯孔
相对的方向取芯，所述取芯的尺寸与所述相对压力测试取芯孔的尺寸相适应。
根据本发明优选的，所述步骤1)中制备模拟井筒试样的方法包括：试样主体、在试
样主体轴向设置有模拟钻井井眼、在所述模拟钻井井眼依次套设有水泥环和套管。
根据本发明优选的，所述试样主体为天然形成的试样主体或人工加工的试验主
体。优选的，所述的试样主体整体呈圆柱体：直径D＝500-3000mm、高H＝500-1200m，所述模
拟钻井井眼为直径245mm。
根据本发明优选的，所述天然形成的试样主体为：利用储层天然露头岩石加工成
圆柱体。
所述人工加工的试验主体的方法为：按重量份数取1份API A级水泥，质量偏差为
±1％；2份干压裂砂，质量偏差为±1％，粒径为16目～30目；0.52份水，质量偏差为±1％，
混合并制备模拟井筒试样。经固化、养护后形成人造地层。
按照油田固井用水泥配比，将套管与地层固结在一起，养护后形成模拟井筒试样。
参见图1。
根据本发明优选的，步骤2)中，在模拟井筒试样表面、且沿圆柱体中心线的120度
的弧线上，制备多个压力测试取芯孔。优选的，所述压力测试取芯孔的数量为6个。优选的，
所述压力测试取芯孔的孔径为30mm、深度分别为0.06Dmm、0.14Dmm、0.21Dmm、0.28Dmm、
0.35Dmm、0.42Dmm，相邻所述压力测试取芯孔之间的夹角为30度。因制备压力测试取芯孔而
取下的岩心用于测试物理增产增注法实施之前的储层物性。参见图2。
根据本发明优选的，步骤3)中，在模拟井筒试样表面、且沿圆柱体中心线的180度
的弧线上，每间隔30度设置有应力传感器：
当所述设置应力传感器的位置与所述压力测试取芯孔重合时，将所述应力传感器
设置在压力测试取芯孔内；
当所述设置应力传感器的位置与所述压力测试取芯孔不重合时，将所述应力传感
器设置在模拟井筒试样表面。沿不同方向在6个压力测试取芯孔内部及表面分别粘贴7个应
力传感器，各个应力传感器之间夹角30度,测定模拟井筒试样外侧圆柱表面处的物理冲击
波信号参数包括幅值、底宽、能量、次数等。
根据本发明优选的，步骤3)中，在模拟井筒试样表面、且沿圆柱体中心线的360度
的弧线上，每间隔30度设置有应变片组。一共设置12个应变片组，各个应变片组之间夹角30
度,测定模拟井筒试样外侧圆柱表面处的物理冲击波信号参数。参见图3。
根据本发明优选的，在步骤4)中，在模拟井筒试样的表面取芯数量为6个，取芯深
度分别为0～0.06Dmm、0.06D+30～0.14Dmm、0.14D+30～0.21Dmm、0.21D+30～0.28Dmm、
0.28D+30～0.35Dmm、0.35D+30～0.42Dmm。各取芯孔之间夹角30度，将6个取芯样加工成渗
透率评价实验试样和电镜扫描试样。参见图4。
根据本发明优选的，在步骤4)中，在模拟井筒试样的表面取芯的取芯直径为23-
26mm。优选的，取芯直径为25.4mm。
本发明的有益效果：
发明以制作等比例模型为基础，模拟实际物理法增产增注作业环境，通过设计的
压力测试取芯孔可以直接测试物理法作业过程中的冲击波随距离的变化规律，通过设计的
增产增注效果评价取芯方法可以评价增产措施实施前后储层的渗透率变化以及储层孔隙
结构变化规律，试验完成后可以分析物理法增产增注措施对套管和水泥环的破坏程度。从
宏观和微观两个方面揭示物理法增产增注机理、增产增注效果及对井筒安全的影响。
附图说明
图1模拟井筒试样的整体结构俯视图；
图2模拟井筒试样的整体结构的侧面剖视图；
图3本发明中压力测试取芯孔的制备示意图；
图4本发明中压力测试实验设置的示意图；
图5本发明中增产增注效果分析取芯方法示意图；
在图1-5中，D是试样主体的直径；R1是模拟钻井井眼的直径；R2是套管外径；R3是
套管内径；H是试样主体的高度；1、试样主体(用于模拟地层)；2、水泥环；3、套管；4、模拟钻
井井眼；5、压力测试取芯孔；6、与所述压力测试取芯孔相对设置的取芯孔。
图6为本发明所述应用例中，实验前的平均渗透率；
图7为本发明所述应用例中，实验后的平均渗透率；
图8为本发明所述应用例中，实验前的平均孔隙度；
图9为本发明所述应用例中，实验后的平均孔隙度；
图10为本发明应用例中，数值模拟参数修正前后模拟结果对比图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。
如图1-5所示。
在制作模拟井筒试样之前，采用套管损伤检测装置,如磁粉探伤仪扫描套管，为评
价物理法对套管的损伤程度提供基础数据；
采用试样损伤检测装置扫描固化养护后的模拟井筒试样，为评价强冲击波对试样
的损伤程度提供基础数据。
实施例1、
一种油水井物理法增产增注效果评价模拟实验方法，包括：
1)制备模拟井筒试样；所述制备模拟井筒试样的方法包括：试样主体1、在试样主
体1轴向设置有模拟钻井井眼4、在所述模拟钻井井眼4依次套设有水泥环2和套管3；所述试
样主体1为天然形成的试样主体，所述的试样主体1整体呈圆柱体：直径D＝500-3000mm、高H
＝500-1200m，所述模拟钻井井眼4为直径245mm；所述天然形成的试样主体为：利用储层天
然露头岩石加工成圆柱体；
2)制备压力测试取芯孔：在所述模拟井筒试样的外表面、且沿所述模拟井筒的径
向制备压力测试取芯孔5；在模拟井筒试样表面、且沿圆柱体中心线的120度的弧线上，制备
多个压力测试取芯孔5。优选的，所述压力测试取芯孔5的数量为6个。优选的，所述压力测试
取芯孔5的孔径为30mm、深度分别为0.06Dmm、0.14Dmm、0.21Dmm、0.28Dmm、0.35Dmm、
0.42Dmm，相邻所述压力测试取芯孔5之间的夹角为30度。因制备压力测试取芯孔而取下的
岩心用于测试物理增产增注法实施之前的储层物性。参见图2；
3)压力测试实验：
在步骤2)所述压力测试取芯孔5的内部设置应力传感器；在所述模拟井筒试样的
外表面设置应力传感器；在模拟井筒试样表面、且沿圆柱体中心线的180度的弧线上，每间
隔30度设置有应力传感器：
当所述设置应力传感器的位置与所述压力测试取芯孔5重合时，将所述应力传感
器设置在压力测试取芯孔5内；
当所述设置应力传感器的位置与所述压力测试取芯孔5不重合时，将所述应力传
感器设置在模拟井筒试样表面。沿不同方向在6个压力测试取芯孔内部及表面分别粘贴7个
应力传感器，各个应力传感器之间夹角30度,测定模拟井筒试样外侧圆柱表面处的物理冲
击波信号参数包括幅值、底宽、能量、次数等；
在所述模拟井筒试样的外表面设置有应变片组；用于测定模拟井筒试样表面处的
物理冲击波信号参数；在模拟井筒试样表面、且沿圆柱体中心线的360度的弧线上，每间隔
30度设置有应变片组。一共设置12个应变片组，各个应变片组之间夹角30度,测定模拟井筒
试样外侧圆柱表面处的物理冲击波信号参数。参见图3；
在模拟井筒试样的井筒内灌满清水,下入作业装置到模拟试样的中间线；以现场
实际使用的作业参数对试样进行增产增注作业；实时采集、记录冲击波参数；
4)增产增注效果分析取芯方法：在所述模拟井筒试样的外表面、且沿所述模拟井
筒的径向、且与压力测试取芯孔5相对的方向取芯，形成取芯孔6，所述取芯的尺寸与所述相
对压力测试取芯,5的尺寸相适应。
开展渗透率评价实验及电镜扫描实验，确定距套管井筒不同距离处，试样的渗透
率改变程度，并将物理法增产增注施工参数与样品的物性参数相关联，研究物理法增产增
注施工参数与提高储层渗透能力的关系。
拆解模拟井筒试样的套管，依据标准ASTM E213-2009《金属管材超声波检验的标
准实施规范》，评价强物理法增产增注措施对套管的损伤程度。
实施例2、
如实施例1所述的一种油水井物理法增产增注效果评价模拟实验方法，其区别在
于，所述试样主体1为人工加工的试验主体。
所述人工加工的试验主体的方法为：按重量份数取1份API A级水泥，质量偏差为
±1％；2份干压裂砂，质量偏差为±1％，粒径为16目～30目；0.52份水，质量偏差为±1％，
混合并制备模拟井筒试样。经固化、养护后形成人造地层。
按照油田固井用水泥配比，将套管与地层固结在一起，养护后形成模拟井筒试样。
参见图1。
实施例3、
如实施例1所述的一种油水井物理法增产增注效果评价模拟实验方法，其区别在
于，在步骤4)中，在模拟井筒试样的表面取芯数量为6个，取芯深度分别为0～0.06Dmm、
0.06D+30～0.14Dmm、0.14D+30～0.21Dmm、0.21D+30～0.28Dmm、0.28D+30～0.35Dmm、0.35D
+30～0.42Dmm。各取芯孔之间夹角30度，将6个取芯样加工成渗透率评价实验试样和电镜扫
描试样。参见图4。
实施例4、
如实施例1所述的一种油水井物理法增产增注效果评价模拟实验方法，其区别在
于，在步骤4)中，在模拟井筒试样的表面取芯的取芯直径为23-26mm。优选的，取芯直径为
25.4mm。
应用例、
建立与室内实验相同尺寸及边界条件的数值模型，采用CDEM软件中固有的破裂模
块进行脉冲致裂分析，获得地应力、破裂半径之间的对应关系。如图10所示，修正前数值模
拟不同地应力条件下的破裂半径为3-6.5m；
进行模拟实验得出实验后砂岩试样的破裂模式、外周界上典型位置的环向应变及
轴向应变曲线。根据本发明的取芯方案，实验前后共取12个岩心进行渗透率变化实验，实验
前后渗透率、孔隙度变化结果如图6-图9所示，实验前的平均渗透率为1.99×10-3μm2，平均
孔隙度为16.25％；实验后平均渗透率为2.59×10-3μm2，平均孔隙度为16.65％。
根据实验结果修正数值模拟中本构参数的范围(如实验获得的粘聚力、内摩擦角、
抗拉强度的期望值及方差等)及破裂模块中的相关参数(岩体出现破裂的极限应变值、极限
应力值等)。利用修正后的数值模拟软件进行实际油田作业效果分析，给出作业次数与破裂
程度之间的关系。如图10所示，修正后数值模拟不同地应力条件下的破裂半径为1.2-5m。