本發(fā)明涉及油氣井工程中壓裂水平井時井筒完整性的研究測試，尤其涉及一種壓裂水平井筒完整性實驗裝置。

背景技術：

目前開采的油氣藏多為低滲透油氣藏類型。開發(fā)井類型多為高溫、高壓壓裂水平井，壓裂改造技術是低滲透油氣藏的有效開發(fā)方式。水平井壓裂作業(yè)對套管-水泥環(huán)-地層系統(tǒng)產生較大作用力，影響水平井筒的完整性，完整性是指井筒與水泥環(huán)之間的密封性能的可靠性。在壓裂和后期開發(fā)過程中，壓裂產生的裂縫和高溫高壓環(huán)境改變水泥環(huán)原有的壓力分布，對套管產生應力集中，引起套管屈服。

目前學者研究分析了在非均勻地應力和均勻地應力的作用條件下套管和水泥環(huán)的受力，房軍討論了非均勻地應力作用下套管和水泥環(huán)的受力；李軍、殷有泉等討論了均勻地應力作用條件下套管-水泥環(huán)的受力；Rodriguez等對水泥環(huán)受力進行了數(shù)值模擬和井下測量。目前的研究多側重于地應力對套管損壞的影響，沒有考慮壓裂的壓力載荷和高溫對水平井筒完整性的影響。

由此，本發(fā)明人憑借多年從事相關行業(yè)的經驗與實踐，提出一種壓裂水平井筒完整性實驗裝置，以克服現(xiàn)有技術的缺陷。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種壓裂水平井筒完整性實驗裝置，可以模擬水平井筒在壓裂壓力和溫度的作用下，井筒應力、水泥內應力分布及井筒完整性的變化情況。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種壓裂水平井筒完整性實驗裝置，可以模擬不同射孔孔徑、孔密度、射孔相位角以及不同裂縫類型組合對井筒完整性的影響。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，一種壓裂水平井筒完整性實驗裝置，所述壓裂水平井筒完整性實驗裝置包括：

封閉的腔體，所述腔體內均勻分布有壓力傳感器；

水平井筒，所述水平井筒穿過所述腔體，所述水平井筒內部與所述腔體相互隔離；所述水平井筒的筒壁上設有射孔孔眼及應變片，所述射孔孔眼處設置人工裂縫模型，所述人工裂縫模型與所述射孔孔眼相通；

內壓裝置，所述內壓裝置與所述水平井筒內部連通，用于向所述水平井筒內施加壓力；

水泥漿注入裝置，所述水泥漿注入裝置與所述腔體連通，用于向所述腔體內注滿水泥漿，水泥漿凝固為固態(tài)水泥塊；

加熱裝置，所述加熱裝置分別對所述水平井筒內部以及所述腔體內部進行加熱；

密封檢測裝置，所述密封檢測裝置包括高壓氣源及氣體流量計，所述高壓氣源向所述腔體內注入高壓氣體，所述氣體流量計測量從所述腔體泄漏的氣體流量；

控制及數(shù)據(jù)采集裝置，所述控制及數(shù)據(jù)采集裝置與所述壓力傳感器、所述應變片、所述內壓裝置、所述加熱裝置、所述高壓氣源及所述氣體流量計相連。

在本發(fā)明的一較佳實施方式中，所述腔體具有相對設置的第一側壁與第二側壁；所述水平井筒的兩端分別密封插入到所述第一側壁和所述第二側壁內，且所述水平井筒與所述第一側壁和所述第二側壁垂直。

在本發(fā)明的一較佳實施方式中，所述內壓裝置包括內壓泵，所述第一側壁上設有與所述水平井筒內部連通的施壓口；所述內壓泵通過高壓管線與所述施壓口相連。

在本發(fā)明的一較佳實施方式中，所述水泥漿注入裝置包括水泥漿儲存罐，所述第一側壁上設有與所述腔體連通的進液口，所述水泥漿儲存罐與所述進液口相連。

在本發(fā)明的一較佳實施方式中，所述第一側壁上設有進氣通道，所述第二側壁上設有出氣通道；所述高壓氣源與所述進氣通道連接，所述氣體流量計與所述出氣通道連接；所述進氣通道和所述出氣通道均設有開關閥門。

在本發(fā)明的一較佳實施方式中，所述加熱裝置包括加熱棒，所述加熱棒分別設置在所述水平井筒內及所述腔體內。

在本發(fā)明的一較佳實施方式中，所述水平井筒內注入有加熱液體。

在本發(fā)明的一較佳實施方式中，所述水平井筒的筒壁上沿著軸向及周向均勻設有多個射孔孔眼，每個所述射孔孔眼處設置兩個應變片，所述兩個應變片沿著軸向位于所述射孔孔眼的兩側；沿著軸向相鄰的兩個射孔孔眼之間的中間位置設置一個應變片。

在本發(fā)明的一較佳實施方式中，所述壓力傳感器設置有三排，每排所述壓力傳感器的排列方向與所述水平井筒的軸向平行；所述水平井筒的上方設有兩排所述壓力傳感器，所述水平井筒的下方設有一排所述壓力傳感器。

在本發(fā)明的一較佳實施方式中，所述腔體為矩形腔體，所述矩形腔體設有上蓋、側壁及底座；所述側壁圍成一矩形體，第一側壁與第二側壁相對設置；所述水平井筒的兩端分別密封插入到所述第一側壁和所述第二側壁內，且所述水平井筒與所述第一側壁和所述第二側壁垂直；所述上蓋和所述底座分別密封連接在所述側壁的頂部和底部；所述底座支撐在萬向支架上。

在本發(fā)明的一較佳實施方式中，所述第一側壁與所述第二側壁上分別設有凹槽，所述水平井筒的兩端通過O型密封圈密封插接在對應的凹槽內；所述萬向支架包括四個支柱，所述支柱的長度可調節(jié)，用來改變所述矩形腔體的傾斜角度。

在本發(fā)明的一較佳實施方式中，所述加熱裝置包括加熱棒，一根加熱棒設置在所述水平井筒內，一根加熱棒設置在所述上蓋內，一根加熱棒設置在所述底座內。

由上所述，本發(fā)明通過加熱棒對水平井筒內及矩形腔體進行加熱，通過內外加熱的方式模擬地層溫度和井筒內的流體溫度；通過內壓泵對井筒內施加內壓，模擬壓裂作業(yè)的壓力；利用水平井筒壁分布的射孔孔眼和相連的人工裂縫模型模擬完井井底；在水泥塊一端設置高壓氣源，另一端設置氣體流量計監(jiān)測水泥塊密封性的變化過程，即水泥塊與水平井筒間完整性的變化過程。在水平井筒壁貼有應變片，在矩形腔體內均勻分布壓力傳感器，測量水平井筒受力應變情況和水泥石的應力分布。各個壓力傳感器、應變片、內壓泵和氣體流量計的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線傳遞給計算機，通過計算機編程控制監(jiān)視相關參數(shù)的變化，為分析壓裂時井筒應變、完善井筒完整性、提高井筒使用壽命提供室內試驗數(shù)據(jù)。

附圖說明

以下附圖僅旨在于對本發(fā)明做示意性說明和解釋，并不限定本發(fā)明的范圍。其中：

圖1：為本發(fā)明壓裂水平井筒完整性實驗裝置的示意圖。

具體實施方式

為了對本發(fā)明的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照附圖說明本發(fā)明的具體實施方式。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種壓裂水平井筒完整性實驗裝置，所述壓裂水平井筒完整性實驗裝置包括一個封閉的腔體1，該封閉的腔體1內均勻分布有壓力傳感器2。腔體1的形狀優(yōu)選采用矩形腔體1，矩形腔體1可以模擬真三軸應力，效果更好。腔體1內橫向穿過一個水平井筒3，所述水平井筒3內部與所述腔體1之間被筒壁相互隔離。所述水平井筒3的筒壁上設有射孔孔眼4及應變片5，射孔孔眼4根據(jù)實驗需要可以模擬不同的射孔孔徑、孔密度和射孔相位角。對應每個所述射孔孔眼4處設置有一個人工裂縫模型6，所述人工裂縫模型6與所述射孔孔眼4相通。人工裂縫模型6為塑料材質，有一定硬度和彈性，根據(jù)實驗需要設計成不同形狀，可以模擬橫向裂縫、縱向裂縫、斜交裂縫等不同裂縫類型。人工裂縫模型6具有一定剛性，其根部固定在射孔孔眼4內并與井筒內部相通，在灌注水泥漿時不會發(fā)生偏離，灌注滿水泥漿后通過人工裂縫模型6占據(jù)的空間在水泥塊內形成為模擬的壓裂裂縫。

內壓裝置與所述水平井筒3內部連通，用于向所述水平井筒3內施加壓力，以模擬井筒內的壓裂壓力。水泥漿注入裝置與所述腔體1連通，用于向所述腔體1內注滿水泥漿，水泥漿凝固為固態(tài)水泥塊，與水平井筒3之間形成密封，用來模擬井筒與水泥環(huán)之間的密封完整性。加熱裝置分別對所述水平井筒3內部以及所述腔體1內部進行加熱；可以模擬地層溫度和井筒內的流體溫度。密封檢測裝置包括高壓氣源7及氣體流量計8，所述高壓氣源7向所述腔體1內注入高壓氣體，所述氣體流量計8測量從所述腔體1泄漏的氣體流量。高壓氣源7是為了在水泥塊的兩端形成壓差，使氣體沿水泥塊內的微裂縫流到另一端。氣體流量計8用來測量氣體流過的速率，以測量水泥塊密封失效的程度。通過氣體流量計8示數(shù)和高壓氣源7形成的壓差來表示水泥塊密封失效的程度。所述壓力傳感器2、所述應變片5、所述內壓裝置、所述加熱裝置、所述高壓氣源7及所述氣體流量計8都通過數(shù)據(jù)線25與控制及數(shù)據(jù)采集裝置相連，控制及數(shù)據(jù)采集裝置可以采用計算機9。

通過以上技術方案可以模擬水平井筒3在壓裂壓力和溫度的作用下，井筒應力、水泥內應力分布及井筒完整性的變化情況。并且可以模擬不同射孔孔徑、孔密度、射孔相位角以及不同裂縫類型組合對井筒完整性的影響。

具體的，本發(fā)明的腔體1采用矩形腔體1，所述矩形腔體1設有上蓋10、側壁及底座11；所述側壁圍成一個矩形體，具有兩兩相對設置的四個側壁，其中第一側壁12與第二側壁13相對設置，即圖1中所示的左右兩個側壁，左邊的為第一側壁12，右邊的為第二側壁13。所述水平井筒3的兩端分別密封插入到所述第一側壁12和所述第二側壁13內，且所述水平井筒3與所述第一側壁12和所述第二側壁13垂直。所述第一側壁12與所述第二側壁13上分別設有凹槽，所述水平井筒3的兩端通過O型密封圈14密封插接在對應的凹槽內。所述上蓋10和所述底座11通過螺栓分別密封連接在所述側壁的頂部和底部；所述底座11支撐在萬向支架15上。所述萬向支架15包括有四個支柱，四個支柱分別支撐在底座11的四個角處，所述支柱的長度可調節(jié)，用來改變所述矩形腔體1的傾斜角度，進而改變水平井筒3的傾斜角度，可以模擬不同井斜角的工況。

所述內壓裝置包括內壓泵16，內壓泵16通過數(shù)據(jù)線25與計算機9相連，由計算機9控制該內壓泵16的壓力，根據(jù)井筒內壓力分布模型預測出一定深度處井筒內壓力，通過內壓泵16施壓，使實驗井筒內壓力達到該深度處內壓。所述第一側壁12上設有與所述水平井筒3內部連通的施壓口17，施壓口17與水平井筒3同軸心；所述內壓泵16通過高壓管線與所述施壓口17相連，向水平井筒3內施加壓力。所述水泥漿注入裝置包括水泥漿儲存罐18，所述第一側壁12上設有與所述腔體1連通的進液口19，進液口19位于第一側壁12的下部，位于施壓口17的下方，所述水泥漿儲存罐18通過管路與所述進液口19相連，管路上設有閥門20。所述第一側壁12上還設有進氣通道21，進氣通道21位于第一側壁12的上部，位于施壓口17的上方。所述第二側壁13上設有出氣通道22，出氣通道22位于第二側壁13的下部。所述高壓氣源7與所述進氣通道21連接，向矩形腔體1內注入高壓氣體，高壓氣源7上還設有壓力表23，所述氣體流量計8與所述出氣通道22連接。壓力表23和氣體流量計8均通過數(shù)據(jù)線25與計算機9連接，將測得的數(shù)據(jù)傳輸給計算機9。所述進氣通道21和所述出氣通道22均設有開關閥門(圖中未示出)，在向矩形腔體1內注入水泥漿時，開關閥門關閉，避免水泥漿從進氣通道21或出氣通道22漏出。上蓋10設有溢出管線(圖中未示出)，溢出管線用于排氣，且當溢出管線中有溢出時說明水泥漿已經注滿。所述加熱裝置包括加熱棒24，所述加熱棒24分別設置在所述水平井筒3內及所述腔體1內，分別將水平井筒3內加熱及將水平井筒3外的矩形腔體1內的水泥塊加熱。所述水平井筒3內可以注入有加熱液體，例如水或油。加熱棒24設有三根，其中一根加熱棒24從第二側壁13插入到水平井筒3內部，另外兩根加熱棒24可以設置在矩形腔體1的水泥塊內，也可以分別設置在上蓋10和底座11內。加熱棒24通過數(shù)據(jù)線25與計算機9相連，由計算機9控制加熱棒24的加熱溫度。根據(jù)井筒溫度場模型預測出一定深度處地層溫度和井筒內流體溫度，控制加熱棒24加熱使矩形腔體1和井筒內溫度分別達到該深度處地層溫度和井筒流體溫度。

矩形腔體1內的所述壓力傳感器2設置有三排，每排所述壓力傳感器2的排列方向與所述水平井筒3的軸向平行，圖1中為水平方向排列，分為上、中、下三排，每一排的壓力傳感器2均勻間隔分布。所述水平井筒3的上方設有兩排所述壓力傳感器2，所述水平井筒3的下方設有一排所述壓力傳感器2。所述水平井筒3的筒壁上沿著軸向及周向均勻設有多個射孔孔眼4，即沿水平井筒3的軸向上間隔分布有多圈射孔孔眼4，每一圈射孔孔眼4沿著圓周方向均勻間隔分布。每個所述射孔孔眼4處設置有兩個應變片5，該兩個應變片5沿著軸向位于所述射孔孔眼4的兩側，即圖1中射孔孔眼4的左右兩側。沿著軸向相鄰的兩個射孔孔眼4之間的中間位置設置一個應變片5，即圖1中左右兩個相鄰射孔孔眼4之間的中間位置設置一個應變片5。分別測量井筒表面射孔孔眼4處和中間處的應變。軸向相鄰的兩個射孔孔眼4之間也可以均勻間隔設置多個應變片5，不限于一個應變片5，孔眼之間的距離有限，沒有必要分布過多應變片5。壓力傳感器2和應變片5均通過數(shù)據(jù)線25與計算機9相連，將測得的數(shù)據(jù)傳輸給計算機9。

該實驗裝置可以模擬壓裂時溫度、壓力、射孔孔眼4和裂縫對水平井井筒完整性的影響，具體的實驗過程如下：

1、實驗準備

⑴在水平井筒3射孔孔眼4附近、兩射孔孔眼4中間位置貼上應變片5，應變片5方向正交，測量井筒軸向和徑向應變。將水平井筒3壁上的射孔孔眼4與人工裂縫相連。

⑵在矩形腔體1內分上、中、下三層分布壓力傳感器2，初始時壓力傳感器2支撐在上蓋10，將水平井筒3安裝在第一側壁12和第二側壁13上，用O型密封圈14將水平井筒3與兩端的側壁密封。在矩形腔體1內壁涂抹薄層黃油，利于實驗結束后拆卸實驗裝置。在水平井筒3內注入加熱液體(水或油)，將加熱棒24插入水平井筒3內并密封，上蓋10和底座11內已經設置好相應的加熱棒24；將上蓋10與矩形腔體1通過螺栓密封連接。

⑶調節(jié)萬向支架15至實驗所需的模擬井段的井斜角。

⑷在水泥漿儲存罐18中按照一定比例制作水泥漿。

2、注入并養(yǎng)護

⑴打開管路上的閥門20，通過水泥漿儲存罐18向矩形腔體1內注入配置好的水泥漿，待有水泥漿從溢出管線中溢出時表明水泥漿已經注滿，關閉閥門20。

⑵通過計算機9控制上蓋10和底座11中的加熱棒24加熱至120℃，控制水平井筒3內的加熱棒24加熱水平井筒3內液體至50℃。在設定條件下養(yǎng)護3天，使水泥漿凝固為水泥塊。

⑶待水泥漿固結后，停止加熱，使井筒內溫度降至常溫。

3、加熱和實驗

⑴打開高壓氣源7和氣體流量計8，通過計算機9控制上蓋10和底座11中的加熱棒24加熱至120℃，控制水平井筒3內的加熱棒24加熱至50℃。打開內壓泵16，給水平井筒3施加內壓。將壓力傳感器2、應變片5的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸線傳輸給計算機9，從中記錄水泥塊密封性、井筒套管受力的變化。待壓力傳感器2數(shù)據(jù)和應變片5數(shù)據(jù)不再發(fā)生變化時實驗結束。

⑵實驗結束后，關閉內壓泵16，停止加熱，泄壓。

實驗時的主要技術指標為：實驗溫度：室溫-200℃；井筒內壓力：0-50Mpa；矩形腔體1尺寸：長1m，寬0.3m，高0.3m；水平井筒3尺寸：長0.9m，外徑114.3mm，壁厚8.65mm。

本發(fā)明的壓裂水平井筒3完整性實驗裝置具有以下優(yōu)點：

1、本發(fā)明彌補了現(xiàn)有技術忽略的分析水平井筒3在壓裂時的受力及溫度的影響因素，為完善分析水平井筒3完整性提供完整的試驗數(shù)據(jù)。

2、本發(fā)明中不同水平井筒3壁上射孔孔徑、孔密度、射孔相位角都不同，與不同人工裂縫組合可以模擬不同井底情況下壓裂對井筒完整性的影響。

以上所述僅為本發(fā)明示意性的具體實施方式，并非用以限定本發(fā)明的范圍。任何本領域的技術人員，在不脫離本發(fā)明的構思和原則的前提下所作出的等同變化與修改，均應屬于本發(fā)明保護的范圍。