一种超高温超高压钻完井模拟井筒实验装置

本发明涉及钻完井模拟实验领域，尤其涉及一种超高温超高压钻完井模拟井筒实验装置。

背景技术：

1、随着勘探开发重点由中浅层向深层、深海和页岩气等非常规油气藏转变，油气储集环境也越来越复杂，特殊油气藏越来越多，油气开采面临诸多新的世界性难题。如南海北部莺歌海盆地乐东10区块井下温度高达212.5℃、地层压力系数高达2.30g/cm3，且地质条件复杂，钻完井作业难度世界罕见，为提高油气井完井技术，应对复杂井况，研究油气井增产机理，完井模拟实验是最为有效且广泛运用的研究手段，当前完井模拟实验相关的发明专利较广泛存在，但在众多专利中模拟井筒结构较为简单，多强调井筒本身，较少模拟完井工况所处地层状态，且模拟工作压力温度低、只能进行单一模拟实验，存在无法真实、完整反映完井工况的情况，如专利201210071679.4使用pvc硬质塑料颗粒填充模拟环空，模拟水平井渗流实验，专利201210182456.5提出向模拟地层区域选择需要的配制材料对地层进行模拟，二者均利用相似性原理进行模拟实验，故地层模拟效果与真实地层状况存在一定差异，且无法模拟地层原始压力。

2、经调研发现，在完井模拟领域，还未见用于模拟多种实验工况的完井模拟井筒装置的发明创造，且在还原真实地层状况、模拟高温高压工况的方法及思路还未见发明刊出。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种超高温超高压钻完井模拟井筒实验装置，能够满足模拟渗流、压裂、采油采气、油气运移等实验的压力、温度、地层工况，为解决上述完井技术难题提供实验基础。

2、一种超高温超高压钻完井模拟井筒实验装置，它由承压釜体(1)、铸铜加热瓦(2)、膨胀材料(3)、透液瓦(4)、岩石层(5)、水泥层(6)、套管(7)、堵头螺母(8)、端盖(9)、紧固螺钉(10)、支承轴承(11)、井筒支架(12)、联轴器(13)、液压马达(14)组成；

3、所述：承压釜体(1)两端各通过紧固螺钉(10)与端盖(9)固连；

4、所述：水泥层(6)包裹在所述套管(7)外，所述岩石层(5)包裹在所述水泥层(6)外，所述透液瓦(4)包裹在所述岩石层(6)外，所述透液瓦(4)与承压釜体(1)内壁间形成环状空隙，膨胀材料(3)布置在环状空隙中、铸铜加热瓦(2)包裹在承压釜体(1)中段小径外；

5、所述：承压釜体(1)外焊接支撑轴(103)，支撑轴(103)通过支承轴承(11)与井筒支架(12)铰接；

6、所述：液压马达输出轴(1401)与联轴器(13)连接，联轴器(13)另一端与支撑轴(103)连接。

7、所述：承压釜体(1)中间设置接管凸台(101)，接管凸台(101)上设置注入孔(102)，注入孔(102)贯通接管凸台(101)及承压釜体(1)，联通承压釜体(1)内外，用于向其中注入高压流体混合物，注入孔(102)周向两侧各90°位置焊接支撑轴(103)，用于支撑承压釜体(1)并便于模拟井斜角。

8、所述：透液瓦(4)为碳纤维材料，碳纤维具有较好的渗透性能且强度较高；可控制油气水均匀渗入岩石层(5)，并承载超高压载荷。

9、所述：铸铜加热瓦(2)由圆筒轴线分为半铸铜加热瓦a(201)、半铸铜加热瓦b(202)，其中半铸铜加热瓦a(201)于中部设置所述接管凸台(101)所对应通孔a(203)，半铸铜加热瓦a(201)、半铸铜加热瓦b(202)均在两侧设置连接板(204)，连接板中间设置支撑轴(103)对应通孔b(205)，通孔两端均匀布置6-10个通孔c(206)，半铸铜加热瓦a(201)、半铸铜加热瓦b(202)通过连接板(204)连接为铸铜加热瓦(2)整体，通电后即可产生热量，对模拟井筒装置进行加热。

10、所述：膨胀材料(3)为膨胀系数不同的膨胀材料a(301)、膨胀材料b(302)，膨胀材料a(301)、膨胀材料b(302)分别相向排列，膨胀材料a(301)、膨胀材料b(302)交错均匀布置在承压釜体(1)与透液瓦(4)间，通电膨胀系数不同的膨胀材料a(301)、膨胀材料b(302)产生不同的形变，由此挤压岩石层(5)，产生具有差异的挤压力，进而模拟地层最大和最小水平主应力。

11、所述：堵头螺母(8)联接在套管(7)与端盖(9)接触处，通过管密封螺纹(801)固定在端盖(9)上，堵头螺母(8)与套管(7)间设置o形圈径向密封1(802)、o形圈径向密封2(803)及端面密封(805)，套管(7)与端盖(9)间设置o形圈密封3(804)。

12、所述：三位四通电磁换向阀(1403)为o型，当角度传感器(1406)检测到模拟井斜角达到目标井斜角时，断电三位四通电磁换向阀(1403)，使其处于中位，液压油无法进出液压马达(14)，液压马达(14)不旋转，保持井斜角恒定。

13、本发明具有以下优点：本发明属于一种完井实验模拟井筒装置，设计强度能够承受较高的工作压力及温度，实现了对原始地层压力的模拟及控制，利用真实岩样还原完井时的地层状态，设计了高温高压密封以保障实验环保及安全，提出了一种井斜模拟方法及高渗透性的透液瓦形式，能够安全、完整、真实的进行完井模拟实验，为各种井况下各种模拟实验提供了设备基础。

技术特征：

1.一种超高温超高压钻完井模拟井筒实验装置，其特征在于：它由承压釜体(1)、铸铜加热瓦(2)、膨胀材料(3)、透液瓦(4)、岩石层(5)、水泥层(6)、套管(7)、堵头螺母(8)、端盖(9)、紧固螺钉(10)、支承轴承(11)、井筒支架(12)、联轴器(13)、液压马达(14)组成；

2.根据权利要求1所述的一种超高温超高压钻完井模拟井筒实验装置，其特征在于：承压釜体(1)中间设置接管凸台(101)，接管凸台(101)上设置注入孔(102)，注入孔(102)贯通接管凸台(101)及承压釜体(1)，联通承压釜体(1)内外，用于向其中注入高压流体混合物，注入孔(102)周向两侧各90°位置焊接支撑轴(103)，用于支撑承压釜体(1)并便于模拟井斜角。

3.根据权利要求1所述的一种超高温超高压钻完井模拟井筒实验装置，其特征在于：液压马达(14)为双向变量马达，由液压泵(1402)提供动力，三位四通电磁换向阀(1403)与plc控制器(1404)及远程监控终端(1405)自动控制液压马达(14)正反转，实现承压釜体(1)倾角控制，进而开展油气井井斜角模拟。

4.根据权利要求1所述的一种超高温超高压钻完井模拟井筒实验装置，其特征在于：透液瓦(4)为碳纤维材料，碳纤维具有较好的渗透性能且强度较高；可控制油气水均匀渗入岩石层(5)，并承载超高压载荷。

5.根据权利要求1所述的一种超高温超高压钻完井模拟井筒实验装置，其特征在于：铸铜加热瓦(2)由圆筒轴线分为半铸铜加热瓦a(201)、半铸铜加热瓦b(202)，其中半铸铜加热瓦a(201)于中部设置所述接管凸台(101)所对应通孔a(203)，半铸铜加热瓦a(201)、半铸铜加热瓦b(202)均在两侧设置连接板(204)，连接板中间设置支撑轴(103)对应通孔b(205)，通孔两端均匀布置6-10个通孔c(206)，半铸铜加热瓦a(201)、半铸铜加热瓦b(202)通过连接板(204)连接为铸铜加热瓦(2)整体，通电后即可产生热量，对模拟井筒装置进行加热。

6.根据权利要求1所述的一种超高温超高压钻完井模拟井筒实验装置，其特征在于：膨胀材料(3)为膨胀系数不同的膨胀材料a(301)、膨胀材料b(302)，膨胀材料a(301)、膨胀材料b(302)分别相向排列，膨胀材料a(301)、膨胀材料b(302)交错均匀布置在承压釜体(1)与透液瓦(4)间，通电膨胀系数不同的膨胀材料a(301)、膨胀材料b(302)产生不同的形变，由此挤压岩石层(5)，产生具有差异的挤压力，进而模拟地层最大和最小水平主应力。

7.根据权利要求1所述的一种超高温超高压钻完井模拟井筒实验装置，其特征在于：堵头螺母(8)联接在套管(7)与端盖(9)接触处，通过管密封螺纹(801)固定在端盖(9)上，堵头螺母(8)与套管(7)间设置o形圈径向密封1(802)、o形圈径向密封2(803)及端面密封(805)，套管(7)与端盖(9)间设置o形圈密封3(804)。

8.根据权利要求3所述的一种超高温超高压钻完井模拟井筒实验装置，其特征在于：三位四通电磁换向阀(1403)为o型，当角度传感器(1406)检测到模拟井斜角达到目标井斜角时，断电三位四通电磁换向阀(1403)，使其处于中位，液压油无法进出液压马达(14)，液压马达(14)不旋转，保持井斜角恒定。

技术总结
本发明属于完井模拟实验领域，涉及一种用于模拟高温高压下完井工况的模拟井筒装置，其特征在于：装置主要由承压外壳、支撑装置、模拟地层材料、温度压力控制装置组成；模拟地层材料包括水泥层、渗透层、岩石层等，其模拟效果相对于使用塑料、沙粒更接近于真实地层状况，支撑装置及温度压力控制装置能够模拟完井作业的井斜角及高压高温工况，承压外壳采用螺纹密封、垫片密封、密封圈密封等多种密封方式，能够保证实验时的高温高压工况，同时利用液压马达可控制井筒倾斜角度从而模拟井斜角，本发明提供了一种能够用于模拟高温高压完井工况的模拟井筒装置，为研究复杂、恶劣井况下的完井作业提供了实验基础。

技术研发人员：赵建国,方世纪,肖晓华,王国荣,王彬帆,郑浩天,谢惠丰
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14