一种评价砾石充填效果的装置和方法与流程

1.本发明涉及油气井及天然气水合物等非常规能源砾石充填技术领域，具体是一种评价砾石充填效果的装置和方法。


背景技术：

2.国内有关砾石充填模拟实验系统及实验方法、砾石充填施工参数及管柱优化等方面的专利较多。如专利cn1121177571a提出一种储层亏空防砂井砾石充填程度模拟实验装置及模拟实验方法，利用可视化地层亏空模拟部件开展实验；专利cn101270641a、cn103452533a也是利用可视化充填装置模拟水平井砾石充填效果；专利cn107795303a提出一种水合物开采井管内砾石充填仿真系统及方法，实验利用声波测井评价充填效果，施工利用返出液与注入液固相含量对比评价充填效果；专利cn108756830b提出根据充填工具尺寸、地层参数、环空流速、排量等计算得到充填α波、β波作业压力；专利cn111305797a提出一种下放过程中能够转动的砾石充填装置，便于施工管柱下放到位。专利cn107100596a设计一种满足对不同规格型号筛管进行砾石充填的装置；专利cn104563975a利用同位素示踪方法检测砾石充填效果；专利cn103244081b在砾石中掺入磁性充填颗粒，利用井内超导量子干涉仪测量磁场变化并反演得到砾石充填运移状态及效果。
3.可以看出，砾石充填效果评价的装置或方法均存在以下几点问题。1.目标充填层均成岩性好或破裂压力较高，没有考虑到压漏等复杂情况的地层风险；2、流态简单，仅考虑在地层
‑
套管、套管
‑
筛管间环空充填，没有涉及到地层漏失时进入地层的砾石，也未考虑地层缩径、垮塌对充填造成的影响；3、一般认为充填流态按照α波、β波进行，且充填结束后可起脱砂压力，未涉及低密度砾石充填以及不能起脱砂压情况下的充填。4、现有评价措施针对现场施工的，需要单独下入检测仪器获取数据，工序复杂，成本较高。
4.我国南海天然气水合物储层以泥质粉砂为主，未成岩，胶结性差，且破裂压力当量密度超低，一般≤1.2g/cm3，在进行砾石充填施工时，主要面临以下几个难点：1.充填漏失，流体压力和循环摩阻共同作用，导致超低破裂压力地层被压漏,现有技术中常规评价砾石充填效果的装置或方法无法识别和定位这种情况，也无法准确计算出砾石的充填率；2.难起脱砂压力，由于漏失的存在，充填末期携砂液压力无法快速升高甚至不能达到脱砂压力，这就造成砾石充填的效果难以有效评价。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供一种评价砾石充填效果的装置和方法，其能够解决评价复杂地层环境下的砾石充填效果问题。
6.本发明的技术方案为：
7.一种评价砾石充填效果的方法，
8.步骤一：根据目标区域空间体积确定充填颗粒和携砂液的体积；
9.步骤二：注入含所述体积的充填颗粒和携砂液到目标区域中；
10.步骤三：充填颗粒流动分布在整个目标区域后，充填颗粒开始发热；
11.步骤四：测得目标区域的温度，从而形成温度变化曲线；
12.步骤五：根据温度变化曲线和理论升高温度t的比较结果来评价砾石充填效果，理论升高温度t是指单位目标区域内充满充填颗粒充分发热预计升高的温度。
13.进一步的，确定在单位体积内携砂液和充分发热的充填颗粒共同升高的温度
△
t，结合单位目标区域的体积v1以及原始温度t0，通过公式t＝t
o
+v1*
△
t得出步骤五的理论升高温度t。
14.进一步的，若温度变化曲线的温度小于理论升高温度t，则温度变化曲线反映的所在位置为漏失充填段；若大于理论升高温度t，则温度变化曲线反映的所在位置为挤压充填段；若等于理论升高温度t，则温度变化曲线反映的所在位置为正常充填段。
15.进一步的，在步骤四中，测得目标区域中不同位置的温度，将不同位置的温度连点成线得到所述温度变化曲线，在步骤五，根据温度变化曲线和理论升高温度t的比较结果来评价目标区域中不同位置的砾石充填效果。
16.进一步的，步骤二中所述体积的充填颗粒为实际充填砂量，所述体积的携砂液为泵入液量，从目标区域返出的液体为返出液量，得出充填颗粒在目标区域的充填率＝(实际充填砂量*(返出液量/泵入液量)/目标空间)*100％。
17.一种评价砾石充填效果的装置，包括充填颗粒、测温筛管和泵撬装置，测温筛管包括测温仪和筛管基管，测温仪安装在筛管基管上，泵撬装置用于向目标区域输送充填颗粒和携砂液，充填颗粒用于在携砂液作用下流动并填充整个目标区域，且在填充整个目标区域后发热，测温仪用于测量充填颗粒发热后目标区域的温度并形成温度变化曲线，根据温度变化曲线与理论升高温度t的比较结果来评价砾石充填效果，理论升高温度t是指单位目标区域内充满充填颗粒充分发热预计升高的温度。
18.进一步的，多个测温仪沿目标区域轴向分布设置，使得筛管基管上的测温仪能够测量目标区域不同位置的温度并形成不同位置的温度变化曲线，从而评价不同位置的砾石充填效果。
19.进一步的，所述充填颗粒还包括有控时覆膜层，控时覆膜层为具有溶水性的材料制成，控时覆膜层设置在发热覆膜层的外侧使得发热覆膜层在特定时间后开始发热。
20.进一步的，所述充填颗粒还包括支撑层，支撑层设置在发热覆膜层内侧。
21.进一步的，所述支撑层为陶粒制成。
22.本发明的有益效果为：1、本发明利用温度这一物理属性对地层砾石充填效果进行准确评价，获得砾石(也即充填颗粒)的充填率以及充填区域所在的地层(特别是泥质粉砂为主的地层)情况，获取复杂充填情况下的真实充填效果。2、本发明的充填颗粒能在充填阶段提高携砂液的粘性，提高携砂液运移砾石的能力，提高充填效果。并且本发明的充填颗粒还能发热，给井周储层的能源物质提供分解的热量，提高井周储层能源物质开发的效果。
附图说明
23.图1为本发明的装置结构示意图。
24.图2为本发明的测温筛管的筛管壁剖面结构示意图。
25.图3为本发明的充填颗粒的结构示意图。
26.图4为注入充填颗粒前单位井段的原始温度示意图。
27.图5为预计注入充填颗粒后，并且充填颗粒充分发热之后的单位井段的温度示意图。
28.图6为实际填充充填颗粒后，并且充填颗粒充分发热之后的单位井段由于不同地层情况的温度变化曲线示意图。
29.图中，1、测温筛管；101、筛管基管；102、筛管挡砂层；103、测温仪；2、充填流道；201、充填口；3、套管；4、冲管；5、充填颗粒；501、控时覆膜层；502、发热覆膜层；503、支撑层；504、气体腔室；6、充填区域；7、井；8、漏失通道。
具体实施方式
30.下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：
31.如图1所示，是本发明装置结构示意图，本发明的装置包括测温筛管1、充填流道2、套管3、冲管4、充填颗粒5。
32.所述充填流道2的一端连接在地面上的充填泵，另一端固定连接在测温筛管1上，充填流道2和测温筛管1连接的一端不连通，充填流道2在靠近测温筛管1的一端具有向井7内的充填区域6开口的充填口201，充填口201用于使从充填泵流出的充填颗粒5以及携砂液能通过充填流道2直接进入到井7中，充填颗粒5充填到如图1所示的充填区域6中。
33.所述井7的类型包括但不限于水平井或者垂直井，图1所示为水平井7，测温筛管1内置于井7中，测温筛管1远离充填口201的一端(也即图1中测温筛管1的最右端)开口，充填区域6中的携砂液通过该右端开口进入到测温筛管1内部。如图2所示，为测温筛管1管壁的剖面图，测温筛管1包括筛管基管101、筛管挡砂层102、测温仪103，筛管挡砂层102设置在筛管基管101靠近井7的一侧，筛管挡砂层102用于在施工时阻挡悬浮在充填区域6中的砂砾等固体颗粒进入到测温筛管1内部，仅允许液体能进入测温筛管1内部。测温仪103内设在筛管挡砂层102内，测温仪103用于测量充填区域6的温度，测温仪103可以为多个，多个测温仪103沿着筛管基管101轴向分布，不同位置的测温仪103用于测量充填区域6中不同井段的温度情况。测温仪103可以为多点测温仪103、光纤温度传感器等。测温筛管1在对充填区域6进行砾石充填效果评价之后也不需要再拔出，可以当做一般筛管直接使用在后续其他实验或者开采能源物质的工程中。
34.所述套管3套设在测温筛管1外部，套管3侧壁上包括有多个贯穿套管3侧壁的孔，该孔大于充填颗粒5的外径，套管3用于在充填区域6完井后施工，起到阻挡石块或者大颗粒物体的作用。在本发明的装置中也可以不使用套管3，也即测温筛管1直接置于井7中实行作业，在本领域内称为裸眼完井。
35.所述冲管4套设在充填流道2外部，冲管4和充填流道2之间具有环空，冲管4的一端插入到井7中，测温筛管1靠近冲管4的一端(也即图1中测温筛管1的最左端)包括一开口，该开口和充填口201之间互不连通，该开口使得冲管4和充填流道2之间的环空和测温筛管1内部连通，因此进入到测温筛管1内部的携砂液会流到冲管4和充填流道2之间的环空，冲管4另一端连接到地面上的携砂液罐，最终携砂液返回到携砂液罐中。在充填泵注入携砂液和充填颗粒5到充填区域6后，携砂液从测温筛管1的右端的开口进入到测温筛管1内部，携砂液通过冲管4和充填流道2之间的环空回到携砂液罐，携砂液罐和储砂罐分别排出携砂液和
充填颗粒5到混砂撬，携砂液和充填颗粒5在混砂撬中混合后排到充填泵，充填泵将混合后和携砂液和充填颗粒5排到充填区域6中，形成一个携砂液的循环,并在此过程中确定泵入充填区域6的携砂液的量(简称为泵入液量)和从充填区域6返出的携砂液的量(简称为返出液量)，最后根据公式：充填颗粒5充填率＝(实际充填砂量*(返出液量/泵入液量)/目标空间)*100％，得出充填颗粒5在充填区域6的充填率。在地层不发生漏失的前提下，由于充填区域6本身充满地层水，因此泵入液量等于返出液量。
36.如图3所示为本发明充填颗粒5的构造，所述充填颗粒5由外到里面依次包括有控时覆膜层501、发热覆膜层502、支撑层503以及气体腔室504，充填颗粒5的形状优选为球形，球形的充填颗粒5在充填区域6时能互相滑动进入到充填区域6中并分布开，达到良好的充填效果。
37.所述控时覆膜层501在水中可以溶解，确保发热覆膜层502在进入到充填区域6之前不受扰动，也即确保发热覆膜层502到充填区域6分布完整后，发热覆膜层502才能和水(这里描述的水指携砂液或完井液等中包含的水)接触发热。在充填颗粒5进入到充填区域6时可以按照充填区域6的体积大小计算出充填时间，根据充填时间决定控时覆膜层501的厚度，确保发热覆膜层502进入到充填区域6后再开始发热。同时，控时覆膜层501溶于水能使得携砂液粘性增加，提高携砂液携砂的性能，并且被增粘的携砂液经过一段时间会产生自破胶效应，也即被增粘的携砂液恢复原来的粘度，恢复充填渗透率，控时覆膜层501采用高分子聚合物能产生自破胶效应属于现有技术。控时覆膜层501可以为聚合物类或其他能溶于水的复合材料制成。上述控时覆膜层501只需要具有溶解性即可，也即针对充填区域6中的特定物质能发生溶解的材料均可使用。
38.所述发热覆膜层502在充填颗粒5充填到充填区域6后，控时覆膜层501溶于水(这里描述的水指携砂液或完井液等中包含的水)后发热覆膜层502暴露于外部开始发热。所述发热覆膜层502发热能够补充充填区域6的地层热量，提高地层中能源物质(包括水合物)的分解能力，提高开发能力。发热覆膜层502最主要的作用是，设置于测温筛管1中的测温仪103能够根据不同位置的温度变化情况，确定该段充填区域6的充填真实情况，如漏失、缩径、正常充填、扩径和挤压充填等。发热覆膜层502的材料可以是微纳米级cao或其他发热环保材料。上述发热覆膜层502只要求遇到特定物质发热即可，并非需要特定和水发生发热作用，也即针对充填区域6中的特定物质能发热的材料均可使用。
39.所述支撑层503用于保证充填颗粒5的整体强度，发热覆膜层502和控时覆膜层501包裹在支撑层503外侧，在不同充填颗粒5的充填过程中发生挤压，支撑层503能保证充填颗粒5不被挤压变形，保持原本的形态。支撑层503可以为陶粒(陶粒是一种在回转窑中经发泡生产的轻骨料，表面光滑而坚硬，内部呈蜂窝状，有密度小、热导率低、强度高的特点)材料制成，也可以由聚乙烯环氧树脂、其他具有支撑能力的复合材料制成。
40.所述气体腔室504设置在支撑层503之中，可以根据充填颗粒5的整体密度需求确定气体腔室504的大小，具体作用为，提高气体腔室504的空间使得充填颗粒5的整体密度降低，减少充填颗粒5滞留在某个位置不能移动，提高充填颗粒5在携砂液中的悬浮能力，增强充填颗粒5悬浮到充填区域6的远端的能力；反之，减小气体腔室504的空间使得充填颗粒5的整体密度增加，阻止所有充填颗粒5均漂浮在携砂液上。
41.本发明的方法为：
42.1、在进行充填颗粒5充填之前，在实验室内通过计算或者测试，明确单位体积充填颗粒5的能够充分发热后的的发热量，计算出单位体积的充填颗粒5使得单位体积的携砂液热量升高的具体数据。例如，如1立方米的单位体积的充填颗粒5能够使1立方米的携砂液以及充填颗粒5共同升高至温度
△
t。则在正常充填情况下，单位长度井段假设需要充填颗粒5自然体积v1,对应的计算充填体积理论上也是v1,则这些发热颗粒能够使单位井段温度升高的变化量为v1*
△
t。单位长度的井段原始温度为t0(采用垂直井7时上下部存在温度差异，但方法相同)。则发热颗粒充分发热后，单位井段的测温筛管1周围温度预计升至t1。则：
43.t1＝t0+v1*
△
t
44.根据充填区域6的体积可以确定充填颗粒5的体积、充填颗粒5和携砂液的混合比例等施工参数。
45.2、在进行充填颗粒5充填之前,需要准备的泵撬装置包括：混砂撬、充填泵、储液罐、储砂罐以及连通不同工具之间的管汇，混砂撬、泵、储液罐、储砂罐设置在地表上且均调试完成并且连接试压，携砂液罐和储砂罐均和混砂撬连接，混砂撬和充填泵连接，充填泵和充填流道2连接。地面上的携砂液罐和储砂罐分别排出携砂液和充填颗粒5到混砂撬混合，混合后的携砂液和充填颗粒5被排出到充填泵，充填泵将混合后的携砂液以及充填颗粒5沿着充填流道2流道送到充填口201，混合后的携砂液以及充填颗粒5从充填口201进入到井7内部的充填区域6中。注入的充填颗粒5的量根据充填区域6的体积决定，注入充填颗粒5的体积和充填区域6的体积相同。
46.3、携砂液带动充填颗粒5在充填区域6中流动，充填颗粒5分布在充填区域6内，套管3上具有比充填颗粒5大的孔，因此充填颗粒5能穿过套管3在充填区域6中的自由流动，充填颗粒5分布堆积在测温筛管1和套管3之间的环空以及套管3和井7之间环空，也即充填区域6。在此过程，如果作用于井7的携砂液静压力加上携砂液的沿程摩阻大于地层破裂的压力，井7的表面上就会出现破裂，在井7上就会出现如图1所示的漏失通道8，充填区域6中的部分携砂液以及充填颗粒5就会通过漏失通道8漏失到地层内部。在充填到充填完成的过程中，控时覆膜层501发挥作用，以限制发热覆膜层502发挥作用并且使携砂液增粘，携砂液增粘能提高带动充填颗粒5的能力，多余的携砂液进入到测温筛管1内部，穿过冲管4和充填流道2之间的环空坏道携砂液罐。
47.4、充填颗粒5在充填区域6之中分布到位，控时覆膜层501消耗完毕，发热覆膜层502暴露于充填区域6中，发热覆膜层502开始发热，使得充填区域6的温度在充填区域6的原始温度的基础上(也即t0)不断升高，充填颗粒5均匀充填到充填区域6的情况下，充填区域6的温度能升高至步骤一预计的温度t1，也即图4到图5的变化，在图4和图5中，横坐标表示同一单位井段中不同的位置(测温点上端、砾石充填段、测温点底端)，纵坐标表示温度变化情况，温度变化曲线由测温筛管1中的测温仪103测得。
48.5、对砾石充填进行效果评价和分析，评价砾石充填效果包括充填颗粒5的在充填区域6的充填率以及充填区域6所在的地层情况两方面。
49.针对充填颗粒5的在充填区域6的充填率，在砾石充填领域，充填率的最终结果一般分三种，由于在本发明中采用充填颗粒5代替砾石进行充填，最终由通过充填颗粒5充填效果反映砾石的充填效果，出于本领域共同术语，下文中的砾石或者砂均为本发明的充填颗粒5，流体、携砾液或者液均为携砂液，携砾液静压力为携砂液静压力，充填流体沿程摩阻
为携砂液沿程摩阻，地层破裂压力为井7的破裂压力)所示：
50.(1)第一种结果：在充填区域6中，携砂液的静压力加上携砂液的沿程摩阻大于地层破裂压力，地层会发生破裂，造成地层漏失，但在更改施工参数或者工艺之后，充填区域6中的携砂液重新达到脱砂压力。充填结束，充填效果分析，这种情况下，充填颗粒5充填率＝(实际充填砂量*(返出液量/泵入液量)/目标空间)*100％，再结合温度曲线评价砾石效果。
51.(2)第二种结果：在充填区域6中，携砂液的静压力加上携砂液的沿程摩阻大于地层破裂压力，地层会发生破裂，造成地层漏失，并且地层在充填过程中始终漏失，导致充填颗粒5漏失过多或者施工周期过长，充填区域6中的携砂液未能达到脱沙压力。充填结束，充填效果分析，这种情况下充填率根据温度变化量可以计算得知，结合温度曲线评价砾石充填效果。
52.(3)第三种结果：在充填区域6中，携砂液的静压力加上携砂液的沿程摩阻小于等于地层破裂压力，地层不漏失，此时携砂液正常充填不漏失，携砂液填满充填区域6，携砂液达到脱砂压力。充填结束，充填效果分析，这种情况下，充填颗粒5充填率＝(实际充填砂量/目标充填空间)*100％，充填效果评价施工结束。
53.上述的方法即使在地层存在漏失情况，也能得出充填率，和现有技术中忽视漏失情况计算的充填率相比，本方法得出的充填率准确度更高，即使在以泥质粉砂为主为地层也能应用。
54.针对评价充填区域6所在的地层情况，如图6所示，利用温度曲线判断砾石评价效果，充填颗粒5充填后，不同的充填情况在温度曲线反映出波动。在地层发生漏失、缩径、垮塌等复杂情况时，充填颗粒5在该区域的密度值就会降低或者增加，导致单位体积内的充填颗粒5的发热量发生变化，在温度曲线上则表现为该区域温度异于理论结果t1。例如，地层发生漏失，充填颗粒5在漏失到地层中，减少充填区域6中充填颗粒5的数量，也可以理解为地层发生漏失增大了充填区域6，充填颗粒5的密度都会减小，在温度变化曲线上相对应的漏失的充填区域6的温度就会小于t1，也即在温度变化曲线上反映出了；另一种情况，在充填颗粒5在某充填区域6发生挤压，使得充填颗粒5密度增加，相对应的存在挤压的充填区域6的温度就会大于t1。通过温度低于或高于t1的相对值，结合单位体积内的充填颗粒5的发热量、体积和温度的关系，可以计算得知该充填段颗粒的密度值，进而得到该充填区域6的充填效果。若使用一个测温仪103，测温仪103的测量温度的范围足够覆盖充填区域6的情况下，也即能对整个充填区域6形成整体的温度变化曲线，也能对充填区域6的整体地层情况进行砾石评价分析；若测温筛管1上具有多个测温仪103，则能对充填区域6中不同的位置进行测温并形成不同位置的温度变化曲线，并且对温度变化曲线和t1的对比对测出异常的测温仪103进行定位，即可找到充填区域6产生异常情况的位置。
55.综上所述，本发明提供一种评价砾石充填效果的装置和方法，利用温度这一物理属性对砾石充填效果进行准确评价，获取复杂充填情况下的真实充填效果。另外，本发明的充填颗粒5能提高携砂液的粘性，提高携砂液运移砾石的能力，提高充填效果，并且充填颗粒5还能发热，给井周储层的能源物质提供分解的热量，提高井周储层能源物质开发的效果。
56.对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范
围之内。