一种不同倾角井筒中气体侵入及压回地层实验装置及方法

本发明涉及海洋钻井，特别涉及一种不同倾角井筒中气体侵入及压回地层实验装置及方法。

背景技术：

1、随着我国油气开采重心逐渐向深层、深水转移，水平井已经成为重要开发井型。而深部气藏普遍具有井深，高温高压、多裂缝发育、窄安全密度窗口层段多的特点，钻井期间钻遇异常压力地层概率高，容易发生溢流。采用常规的正/反循环压井往往越压越漏、涌漏交替，甚至导致井喷失控、单井报废。此外，当钻遇含h2s的深部气层时，常规循环压井法更不适用，压回法压井则可以将含h2s的溢流气体直接压回地层，是深部气藏钻井溢流的一种常用的压井方法。

2、在压回法压井过程中，压井液从井口环空泵入向井底运动，与井底侵入气向上运动方向正好相反，在井筒垂直-倾斜-水平环空中形成气液逆向多相流动，两者相互冲击，如果向上运移的侵入气在压井液作用下不断转向，随压井液向井底运移，最终被全部压回地层，则压井成功。流型变化依次为环状流、段塞流、泡状流，与常规的气液同向两相流动完全不同。

3、目前，压回法压井过程中压井排量、压井时机等压井参数设计缺乏科学依据，往往依靠经验，多次压井，具有一定盲目性。其关键问题在于：小气泡、taylor泡、含液膜气芯等不同尺度气泡在压井液中向上运移-压井液作用下被迫转向-被压井液压回期间的动力学特征复杂，现有气泡上升速度模型无法准确描述该过程。

技术实现思路

1、本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种不同倾角井筒中气体侵入及压回地层实验装置及方法，本发明可以观察不同尺度气泡在压井液作用下运移、转向下降以及进入地层的全过程，从而研究气泡在压井液作用下的形变及运移机理，进而为压回法压井参数设计提供一定的理论支持。

2、本发明提到的一种不同倾角井筒中气体侵入及压回地层实验装置，其技术方案是：包括地层单元，还包括空气压缩机、气泡发生装置、进气针管、下堵头、背压阀、储液罐、螺杆泵、三通阀、上堵头、进口、led光源、管段连接法兰、内管、井筒外管、金属支架、第二角度调节机构，所述井筒外管的内腔设有内管和led光源，在井筒外管的上端设有上堵头，下端设有下堵头，所述井筒外管的中部设有管段连接法兰，管段连接法兰通过第二角度调节机构连接到金属支架，在井筒外管的外壁设有一组以上的进口；在下堵头的外部安装气泡发生装置，气泡发生装置的输出端通过进气针管穿过下堵头伸到井筒外管的内腔，气泡发生装置的输入端连接空气压缩机；在井筒外管的下端出口通过管线和背压阀连接到地层单元的进口，所述地层单元的出口通过管线连接到储液罐；所述储液罐的下端通过管线、螺杆泵和三通阀连接到井筒外管的上端；在井筒外管的外侧安设高速摄像机，所述高速摄像机通过导线连接计算机。

3、优选的，上述的进口的外部连接模拟救援井，所述模拟救援井包括第一角度调节机构、模拟救援井直井段、第一连接头、模拟救援井造斜段，所述模拟救援井直井段通过第一连接头连接到模拟救援井造斜段的一端，模拟救援井造斜段的另一端连接到进口，所述模拟救援井直井段的外壁连接第一角度调节机构。

4、优选的，上述的地层单元包括模拟地层裂缝、调整杆旋钮、模拟套筒、调整杆活塞，在两组模拟套筒之间设有多组模拟地层裂缝，在每组模拟套筒内安装调整杆，调整杆的下端设有调整杆活塞，上端设有调整杆旋钮，通过上下移动调整杆活塞来控制模拟地层裂缝的连通数量。

5、优选的，上述的模拟地层裂缝采用两组有机玻璃板形成的夹缝来模拟，在有机玻璃板的四周设有密封片，在有机玻璃板的两端设有第二连接头，通过第二连接头连接到模拟套筒一侧设有的出液口，在有机玻璃板的四周设有调节螺栓，通过调节螺栓调节夹缝的宽度。

6、优选的，上述的第二角度调节机构包括固定板、固定螺栓、金属架固定板连接孔、半圆形连接板、连接螺栓，所述的固定板通过一组以上的固定螺栓连接到金属支架上，在固定板的外侧设有半圆形连接板，在半圆形连接板内设有半圆环形调节槽，通过连接螺栓穿过半圆环形调节槽并连接到管段连接法兰，便于调整井筒外管的倾角。

7、优选的，上述的空气压缩机的输出端通过管线和减压阀、稳压阀、气体流量调节计、单向阀连接到气泡发生装置的输入端。

8、优选的，上述的螺杆泵的输出端通过管线、第二球型阀、三通阀和第一液体流量计连接到井筒外管的上端。

9、优选的，上述的三通阀的上端出口通过管线和第二液体流量计连接到模拟救援井直井段的上端。

10、优选的，上述的井筒外管的下端出口通过管线、第一球型阀和背压阀连接到一组模拟套筒的下端。

11、本发明提到的不同倾角井筒中气体侵入及压回地层实验装置的实验方法，包括以下步骤：

12、第一步，测试实验装置气密性：通过计算机控制，再调节第二角度调节机构，使井筒外管与地面的角度呈90°，打开第二球型阀，并调节三通阀，使通向井筒外管的上端的管线打开、模拟救援井的管线关闭，关闭第一球型阀，开启螺杆泵，向井筒外管中注满一定密度和粘度的液相，注满之后，螺杆泵停止工作；

13、第二步，开启空气压缩机，调节减压阀、稳压阀，使气体连续稳定地输出，调节气体流量调节计、气泡发生装置，使气泡经由单向阀、从进气针管处稳定的生成，记录此时气相排量；待气泡上升一段时间后，打开led光源，调整高速摄像机的位置及焦距，使高速摄像机的镜头与井筒外管保持平行，使得气泡运移过程中的形态变化清晰可见，拍摄记录此时静液相下气泡运移过程；

14、第三步，控制气相排量，打开第一球型阀，调节背压阀的背压，来模拟地层压力，通过调整杆旋钮对调整杆活塞的位置进行调节，使得一条或多条模拟地层裂缝打开，并旋转调节螺栓，使得有机玻璃板形成不同的裂缝开度，调节液相排量，记录不同液相排量下气泡向上运移-转向下降-压回地层的过程；期间若井筒外管中存在较多气泡时，调节液相排量将全部气泡压回，再进行实验，以排除液相中已经存在的气泡对新生成气泡的运移过程的影响；

15、第四步，待所有液相排量测试完成后，调节地层压力、裂缝开度及模拟地层裂缝打开的数量，进行不同地层条件下的气泡运移及压回实验；待所有地层条件下的测试完成后，调节井筒外管的倾角，拍摄不同倾角、不同液相排量、不同地层条件下的气泡运移过程；

16、第五步，至所有倾角不同液相排量、不同地层条件下的测试完成后，恢复井筒外管的倾角为90°，调节气相排量，从第二步开始重复上述操作流程，完成不同气相排量下的测试；

17、第六步，调节气侵的位置，将进气管线连接到井筒外管侧端的不同的进口，模拟不同气侵位置下的气体侵入及压回，从第二步开始重复上述操作流程；

18、第七步，调节三通阀的上端出口，使得模拟救援井的管线打开，井筒外管的上端关闭，调节模拟救援井造斜段与井筒外管的连接位置，以及模拟救援井直井段角度，重复第二步至第五步，进行不同位置、不同角度的救援井压井模拟；

19、第八步，恢复实验装置，清洗井筒外管内腔及储液罐的内腔，更换液相；从第一步开始重复上述操作，完成不同液相密度、粘度下的气体侵入及压回实验；

20、第九步，将井筒外管内腔的内管取出，从第一步开始重复上述操作，再进行井筒外管中不同井筒倾角、不同气液相排量、不同地层条件、不同气侵位置、不同压井位置、不同角度的模拟救援井、不同液相密度及粘度下的气体侵入及压回实验；为实际压回法压井参数设计提供理论支撑。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：

22、1、本发明能够模拟不同地层参数下，如地层压力、模拟地层裂缝的宽度、模拟地层裂缝的数量，不同倾角下的井筒中不同尺度气泡在不同压井位置、不同液相排量下的侵入井筒及压回地层过程，可以是单独的井筒外管、还可以是加入内管的井筒外管；本发明通过高速摄像机采集气泡的向上运移、转向下降及压回地层的全过程，进而提取气泡生成和运动过程的一系列参数，如气泡生成体积、气泡生成时间、气泡脱离频率、气泡速度、气泡纵横比等，从而研究气泡在逆流中的形变及运移机理，为压回法压井参数设计提供一定的理论支撑；

23、2、本发明设备简单、易组装，功能多样化；井筒外管、内管及地层单元采用透明的钢化的有机玻璃板制成，可模拟不同位置的气侵压井实验，并能清晰观察到气体侵入及压回的全过程。