專利名稱：一種地層壓力模擬裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于油田、礦山等領(lǐng)域，具體涉及一種地層壓力模擬裝置及方法，用于模擬不同巖性、不同滲透率的地層及地層壓力。
背景技術(shù)：
地層壓力是描述油藏的重要參數(shù)。利用地層壓力可以優(yōu)化泥漿重度和當(dāng)量循環(huán)密度，防止井涌、井噴、地層損害或意外的地層壓裂及循環(huán)漏失，幫助校正預(yù)測(cè)地層壓力的算法。利用地層壓力數(shù)據(jù)可提高鉆井效率，進(jìn)行更好的現(xiàn)場(chǎng)決策，及時(shí)更新地質(zhì)模型。用隨鉆地層壓力測(cè)量工具測(cè)量地層壓力，鉆頭剛鉆開地層即進(jìn)行測(cè)試，鉆井液對(duì)所測(cè)地層污染小，壓力測(cè)量精度高，能更好地反應(yīng)地層真實(shí)的壓力狀況。隨鉆地層壓力測(cè)量工具解決了在大斜度井、大位移井中傳統(tǒng)測(cè)量工具下入難等問題。 現(xiàn)有技術(shù)中，專利號(hào)為99121376. 9的專利公開了一種設(shè)有穿入探頭的地層壓力測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，該發(fā)明涉及一種用于測(cè)量與井孔相交的地層參數(shù)的裝置和方法，使用一個(gè)可在井孔內(nèi)移動(dòng)的工具體。工具體攜帶有驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)裝置推動(dòng)探頭在井眼內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，在縮回位置與穿入井壁的伸出位置之間移動(dòng)。當(dāng)探頭移動(dòng)到伸出位置時(shí)，探頭對(duì)井壁上形成密封，探頭內(nèi)的測(cè)量裝置可以測(cè)量地層參數(shù)，該發(fā)明為一種測(cè)量地層參數(shù)的井下裝置。專利號(hào)為200820210641. X的專利公開了一種隨鉆地層壓力檢測(cè)裝置，該實(shí)用新型由液壓泵、壓力傳感器、電路倉(cāng)、減壓閥、推靠活塞等部件組成。能及時(shí)檢測(cè)并提供地層壓力，實(shí)現(xiàn)鉆井實(shí)時(shí)控制鉆井液柱壓力，該實(shí)用新型為石油鉆井用的一種隨鉆地層壓力檢測(cè)
>J-U裝直。專利號(hào)為200910002450. 3的專利公開了石油鉆井用的一種隨鉆地層壓力測(cè)試裝置及方法，可以實(shí)現(xiàn)井底地層壓力數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)采集，并實(shí)時(shí)傳輸至地面。該發(fā)明由安裝在鉆柱底部的地面控制指令接收單元、環(huán)空封隔單元、地層壓力測(cè)試單元、數(shù)據(jù)上傳單元、電源單元和地面數(shù)據(jù)處理單元組成。文獻(xiàn)“隨鉆地層測(cè)試技術(shù)及其應(yīng)用”(請(qǐng)參考《測(cè)井技術(shù)》2005. 8)中介紹了 DFT隨鉆地層測(cè)試器，為一種隨鉆測(cè)量地層壓力的井下工具。DFT隨鉆地層測(cè)試器由雙封隔器、壓降泵、石英壓力計(jì)等部件組成，在地層幾乎未受污染的條件下測(cè)量地層壓力，減少了作用風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約了費(fèi)用，具有較好的經(jīng)濟(jì)效果。文獻(xiàn)“新型隨鉆地層壓力測(cè)試工具”(請(qǐng)參考《國(guó)外油田工程》2005. 11)中介紹了貝克休斯公司研發(fā)的TesTrak隨鉆地層壓力測(cè)試工具，該工具由智能控制系統(tǒng)、泵系統(tǒng)、壓力計(jì)等組成，具有基本測(cè)試與優(yōu)化測(cè)試兩種測(cè)試模式。該工具可與其它井下工具組合隨鉆測(cè)量地層壓力。文獻(xiàn)“模擬地層條件下不同巖性抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)特征”(請(qǐng)參考《科技資訊》2010. 7)中介紹了使用三軸巖石應(yīng)力儀分析巖心的抗壓強(qiáng)度。該儀器通過液壓泵站在巖心兩端與四周施加液壓力，巖心兩端壓力逐漸升高，直至將巖心破壞，通過這樣的方法研究巖石力學(xué)性質(zhì)。通過分析可知，目前相關(guān)技術(shù)多用于研究巖心抗壓強(qiáng)度、滲透率等試驗(yàn)儀器設(shè)備中。通過流體介質(zhì)向巖心端部施加壓力，進(jìn)而研究巖心抵抗外力侵入的能力與流體通過巖心的滲透性能。而用于地層壓力測(cè)量的地層壓力模擬裝置及方法的相關(guān)研究還處于探索階段。另外，隨鉆地層壓力測(cè)量工具與其它井下測(cè)量?jī)x器相比，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其核心部件是微型化的機(jī)械、電子、液壓系統(tǒng)。隨鉆地層壓力測(cè)量工具的工作環(huán)境十分嚴(yán)酷，加上鉆柱內(nèi)空間狹小，給測(cè)量工具的設(shè)計(jì)帶來很大的難度，也存在較大的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)內(nèi)外在此技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)可供參考的技術(shù)資料很少，幾乎是空白。此外，由于油氣井鉆井現(xiàn)場(chǎng)處于偏遠(yuǎn)地帶，在鉆井現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行隨鉆地層壓力測(cè)量工具的原理與性能試驗(yàn)，技術(shù)保障存在諸多困難，增加了試驗(yàn)的難度；下井試驗(yàn)時(shí)，影響油氣井正常鉆探工作的開展，導(dǎo)致成本增加。因此，為開展隨鉆地層壓力測(cè)量與其它技術(shù)研究，需要設(shè)計(jì)開發(fā)一套能夠在地面 模擬地層壓力的模擬裝置。本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的難題，提供一種地層壓力模擬裝置及方法，可在室內(nèi)模擬不同巖性、不同滲透率的地層及地層壓力，可用于隨鉆地層壓力測(cè)量短節(jié)的地面測(cè)試、校核與試驗(yàn)，在地面模擬隨鉆地層壓力測(cè)試短節(jié)測(cè)量地層壓力的工作過程，也可作為隨鉆地層壓力測(cè)量控制算法的開發(fā)測(cè)試平臺(tái)。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一種地層壓力模擬裝置，包括模擬井筒5、地層巖心模擬模塊6、地層流體模擬模塊7、地層壓力模擬模塊10、數(shù)據(jù)處理及控制模塊9。所述模擬井筒5為筒狀結(jié)構(gòu)，所述地層巖心模擬模塊6安裝在所述模擬井筒5的壁上，其一端與模擬井筒5的內(nèi)腔相連通，另一端與地層流體模擬模塊7的一端相連通；地層流體模擬模塊7的另一端與地層壓力模擬模塊10相連通。在所述模擬井筒5的腔內(nèi)放置被測(cè)試的隨鉆地層壓力測(cè)量短節(jié)。在所述地層巖心模擬模塊6和地層流體模擬模塊7之間的管路上裝有壓力傳感器8。壓力傳感器8采集地層巖心模擬模塊6內(nèi)的地層壓力信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換與調(diào)制處理后送入數(shù)據(jù)處理及控制模塊9，與預(yù)設(shè)的地層壓力數(shù)字做比較，兩者的差值作為控制信號(hào)，控制地層壓力模擬模塊10的輸出壓力，使地層壓力模擬模塊10輸出的地層壓力與預(yù)先設(shè)定的地層壓力數(shù)字相近或相似。所述數(shù)據(jù)處理及控制模塊9采用工控機(jī)，包括數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。所述模擬井筒5包括上端蓋I、井壁2、下端蓋3，上端蓋I安裝在井壁2的上端面，下端蓋3安裝在井壁2的下端面，在所述井壁2上開有地層巖心模擬模塊安裝孔4，所述模擬井筒5的腔內(nèi)放置測(cè)試隨鉆地層壓力測(cè)量短節(jié)。所述地層巖心模擬模塊6包括外安裝座24、法蘭盤25、高壓油口 26、模擬巖心安裝座27、巖心28和密封件。所述模擬巖心安裝座27和外安裝座24均為一端帶法蘭的套筒狀結(jié)構(gòu)，巖心28外包裹有密封件，巖心28及密封件一起安裝在所述模擬巖心安裝座27內(nèi)，模擬巖心安裝座27再安裝在外安裝座24內(nèi)，模擬巖心安裝座27的法蘭的內(nèi)端面與外安裝座24的法蘭的外端面接觸，模擬巖心安裝座27的法蘭的外端面與法蘭盤25接觸，通過螺栓將法蘭盤25、模擬巖心安裝座27和外安裝座24固定在一起。所述外安裝座24固定在模擬井筒5的井壁2上，模擬巖心安裝座27 —端插入地層巖心模擬模塊安裝孔4內(nèi)，在法蘭盤25的中心安裝有高壓油口 26，模擬地層流體通過高壓油口 26進(jìn)入巖心28，再通過巖心28滲透進(jìn)入模擬井筒5內(nèi)。所述地層流體模擬模塊7為液壓缸結(jié)構(gòu)，缸體內(nèi)裝有活塞19，活塞19將缸體分為兩個(gè)腔，活塞19的一側(cè)為高壓液壓油腔18，另一側(cè)為模擬地層流體腔20。在所述高壓液壓油腔18 —側(cè)開有液壓油入口 17，在高壓液壓油腔18上端開有排 氣口 23。在所述模擬地層流體腔20的一側(cè)開有模擬地層流體出口 21，在模擬地層流體腔20的上端開有模擬地層流體注入口 22。所述液壓油入口 17與地層壓力模擬模塊10相連通，所述模擬地層流體出口 21與地層巖心模擬模塊6上的高壓油口 26相連通。電機(jī)與液壓泵15相連，電磁換向閥14的第一個(gè)接口與液壓泵15相連通，第二個(gè)接口與冷卻器相連通，冷卻器與過濾器相連通，第三個(gè)接口通過雙向液壓鎖與調(diào)速閥13的接口相通，調(diào)速閥13與增壓缸12的下腔相連通，第四個(gè)接口通過雙向液壓鎖與增壓缸12的上腔連通；增壓缸12的上腔也與電磁閥11連通；液壓泵15的出油口還接有溢流閥。工控機(jī)控制液壓泵15的輸出壓力。所述密封件為一金屬包裹體，是通過澆注的方式包裹在巖心28外的，其與巖心28緊密結(jié)合成為一體。地面數(shù)據(jù)處理與控制模塊9的功能由一臺(tái)工控機(jī)完成，包括數(shù)據(jù)采集處理模塊、控制模塊和電源管理模塊；壓力傳感器8采集地層巖心模擬模塊6內(nèi)的地層壓力信號(hào)，經(jīng)調(diào)理電路整形、濾波后輸入到A/D轉(zhuǎn)換電路，A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)各通道信號(hào)進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后將地層壓力數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集處理模塊，數(shù)據(jù)采集處理模塊完成各部分電路的接口和對(duì)數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)處理，同時(shí)電源管理模塊管理其它模塊的供電以降低功耗?？刂颇K控制液壓泵15的輸出壓力。本發(fā)明的地層壓力模擬裝置的使用方法包括以下步驟
步驟I :根據(jù)試驗(yàn)要求選取模擬地層的巖心28與地層流體。步驟2 :將隨鉆地層壓力測(cè)量短節(jié)放置在模擬井筒5內(nèi)，將模擬井筒5密封。步驟3 :地層壓力模擬裝置開機(jī)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與控制系統(tǒng)初始化。步驟4 :根據(jù)試驗(yàn)要求，在工控機(jī)內(nèi)設(shè)定地層壓力值。步驟5 :向電機(jī)供電，液壓泵15回轉(zhuǎn)，啟動(dòng)地層壓力模擬裝置。步驟6 :如果數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)采集到的地層壓力達(dá)到設(shè)定值，進(jìn)行下一步操作，否則控制系統(tǒng)繼續(xù)調(diào)整液壓泵15的輸出壓力，直至輸出壓力接近或達(dá)到地層壓力設(shè)定值。步驟7 :如果需要測(cè)試，進(jìn)行下一步操作，否則等待。步驟8 :隨鉆地層壓力測(cè)量短節(jié)的測(cè)量探頭推靠至地層巖心模擬模塊6內(nèi)的巖心28端部，進(jìn)行測(cè)試。步驟9 :測(cè)試完畢，隨鉆地層壓力測(cè)量短節(jié)的測(cè)量探頭回位。步驟10 :如果結(jié)束本次測(cè)試，進(jìn)行下一步操作，否則返回步驟(6)。
步驟11 :關(guān)閉地層壓力模擬裝置。步驟12 :關(guān)機(jī)。步驟13 :取出隨鉆地層壓力測(cè)量短節(jié)。步驟14 :數(shù)據(jù)后期處理與解釋。步驟15 :裝置保養(yǎng)，準(zhǔn)備下次測(cè)試。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
(I)本發(fā)明提供了一種地層壓力模擬裝置和方法，能在室內(nèi)模擬不同巖性、不同滲透率的地層及地層壓力。
(2)通過該裝置，可以進(jìn)行隨鉆地層壓力測(cè)量短節(jié)的室內(nèi)試驗(yàn)，在地面模擬隨鉆地層壓力測(cè)試短節(jié)測(cè)量地層壓力的工作過程，可作為隨鉆地層壓力測(cè)量短節(jié)的測(cè)試平臺(tái)與隨鉆地層壓力測(cè)量控制算法的開發(fā)平臺(tái)。(3)地層壓力模擬裝置避免了在鉆井現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行隨鉆地層壓力測(cè)量短節(jié)試驗(yàn)時(shí)設(shè)備
搬遷、操作維護(hù)不便，影響鉆井進(jìn)度、增大鉆井成本等問題，降低了試驗(yàn)難度，提高了經(jīng)濟(jì)效.、/■
Mo


圖I是本發(fā)明地層壓力模擬裝置的原理圖。圖2是本發(fā)明地層壓力模擬裝置中的模擬井筒的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明地層壓力模擬裝置中的地層流體模擬模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明地層壓力模擬裝置中的地層巖心模擬模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明地層壓力模擬裝置的使用原理圖。
其中，I為上端蓋，2為井壁，3為下端蓋，4為地層巖心模擬模塊安裝孔，5為模擬井筒，6為地層巖心模擬模塊，7為地層流體模擬模塊，8為壓力傳感器，9為數(shù)據(jù)處理與控制模塊，10為地層壓力模擬模塊，11為電磁閥，12為增壓缸，13為調(diào)速閥，14為換向閥，15為液壓泵，16為巖心端面，17為高壓液油入口，18為高壓液壓油腔，19為活塞，20為模擬地層流體腔，21為模擬地層流體出口，22為模擬地層流體注入口，23為排氣口，24為外安裝座，25為法蘭，26為高壓油口，27為巖心安裝座，28為巖心，29為定位活塞，30為測(cè)量短節(jié)，31為測(cè)量探頭。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述
如圖I所示，一種模擬地層壓力的試驗(yàn)裝置，包括模擬井筒5、地層巖心模擬模塊6、地層流體模擬模塊7、地層壓力模擬模塊10、數(shù)據(jù)處理及控制模塊9。本發(fā)明為在地面模擬井下地層壓力的裝置。所述模擬井筒5為筒狀結(jié)構(gòu)，在其筒壁上開有地層巖心模擬模塊安裝孔4，所述地層巖心模擬模塊6安裝在所述地層巖心模擬模塊安裝孔內(nèi)，其一端與模擬井筒5的內(nèi)腔相連通，另一端與地層流體模擬模塊7的一端相連通；地層流體模擬模塊7的另一端與地層壓力模擬模塊10相連通。在所述地層巖心模擬模塊6和地層流體模擬模塊7之間的管路上裝有傳感器8。
數(shù)據(jù)處理及控制模塊通過壓力傳感器8采集增壓缸輸出的地層壓力信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換與調(diào)制處理送入工控機(jī)，與預(yù)設(shè)的地層壓力數(shù)字做比較，兩者的差值作為控制信號(hào)，控制液壓泵15的輸出壓力，使增壓缸輸出的地層壓力與預(yù)先設(shè)定的地層壓力數(shù)字相近或相似。( I)模擬井筒
如圖2所示，模擬井筒為筒狀結(jié)構(gòu)，包括上端蓋I、井壁2、下端蓋3，上端蓋I安裝在井壁2的上端面，下端蓋3安裝在井壁2的下端面，在所述井壁2上開有地層巖心模擬模塊安裝孔4，所述模擬井筒的內(nèi)部形成了測(cè)試隨鉆地層壓力測(cè)量短節(jié)的空間。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，根據(jù)鉆井實(shí)際井眼環(huán)境與尺寸對(duì)模擬井筒進(jìn)行耐高溫高壓設(shè)計(jì)，內(nèi)徑可以設(shè)計(jì)為6. 75、. 5英寸，但不限于這些尺寸。(2)地層巖心模擬模塊
如圖I第6部分所示，地層巖心模擬模塊6安裝在模擬井筒外壁上，一端與模擬井筒內(nèi) 部相連通，另一端與地層流體模擬模塊7相連通；在所述地層巖心模擬模塊6內(nèi)裝有巖心，根據(jù)試驗(yàn)需求，可更換不同巖性、不同滲透率的巖心來模擬真實(shí)地層。巖心外圍經(jīng)過特殊封裝處理，有較好的密封效果，在較高壓力作用下，使得模擬地層流體只能經(jīng)過巖心內(nèi)部滲入到模擬井筒，而不從巖心與巖心安裝座之間滲入模擬井筒。圖4所示的是地層巖心模擬模塊的原理圖，如圖4所示，地層巖心模擬模塊6包括外安裝座24、法蘭盤25、高壓油口 26、模擬巖心安裝座27、巖心28 ;所述模擬巖心安裝座27和外安裝座24均為一端帶法蘭的套筒狀結(jié)構(gòu)，巖心28外包裹有密封件(所述密封件為一金屬包裹體，是通過燒注的方式包裹在巖心28外的,其與巖心28緊密結(jié)合成為一體。),巖心28及密封件一起安裝在所述模擬巖心安裝座27內(nèi)，模擬巖心安裝座27再安裝在外安裝座24內(nèi)，模擬巖心安裝座27的法蘭的內(nèi)端面與外安裝座24的法蘭的外端面接觸，模擬巖心安裝座27的法蘭的外端面與法蘭盤25接觸，通過螺栓將法蘭盤25、模擬巖心安裝座27和外安裝座24固定在一起；法蘭盤25對(duì)地層巖心模擬模塊6進(jìn)行密封。所述外安裝座24固定在模擬井筒5的井壁2上,巖心安裝座27 —端插入地層巖心模擬模塊安裝孔4內(nèi)，在法蘭盤25的中心安裝高壓油口 26，高壓油通過高壓油口 26進(jìn)入巖心28，再通過巖心28滲透進(jìn)入模擬井筒5內(nèi)。使用時(shí)，打開法蘭盤25，將巖心28及密封件放入模擬巖心安裝座27內(nèi)，根據(jù)試驗(yàn)要求可更換不同巖性及滲透率的巖心。巖心28放置完成后，用法蘭盤25將地層巖心模擬模塊6密封。巖心28經(jīng)過密封處理(此處的密封處理就是指上述的在巖心28外面包裹有密封件。)，其外圍的密封件可防止模擬地層流體從巖心安裝座27與巖心28之間滲入模擬井筒5，而是讓模擬地層流體從巖心28滲透到模擬井筒5內(nèi)。( 3 )地層流體模擬模塊
如圖I第7部分所示，地層流體模擬模塊7安裝在地層巖心模擬模塊6與地層壓力模擬模塊10之間。其一端連通高壓油液，另一端與地層巖心模擬模塊6相連通。根據(jù)試驗(yàn)要求，可更換不同性質(zhì)的流體來模擬真實(shí)地層流體，模擬不同壓力下，不同性質(zhì)的地層流體在不同巖性、不同滲透率的巖心內(nèi)的滲流，進(jìn)而可研究隨鉆地層壓力測(cè)量控制算法。圖3所示的是地層流體模擬模塊7的原理圖，所述地層流體模擬模塊7為液壓缸結(jié)構(gòu)，缸體內(nèi)裝有活塞19，活塞19將缸體分為兩個(gè)腔，活塞19的一側(cè)為高壓液壓油腔18，另一側(cè)為模擬地層流體腔20 ;在所述高壓液壓油腔18—側(cè)開有液壓油入口 17，在高壓液壓油腔18上端開有排氣口 23，在所述模擬地層流體腔20的一側(cè)開有模擬地層流體出口 21，在模擬地層流體腔20的上端開有模擬地層流體注入口 22 ;所述液壓油入口 17與地層壓力模擬模塊10相連通，所述模擬地層流體出口 21與地層巖心模擬模塊6上的高壓油口 26相連通。高壓液壓油通過液壓油入口 17進(jìn)入地層流體模擬模塊7的高壓液壓油腔18內(nèi)，液壓油作用在活塞19上。活塞19的另一側(cè)是模擬地層流體腔20?；钊?9將高壓液壓油腔18與模擬地層流體腔20隔離開來，防止液壓油污染地層流體，影響試驗(yàn)效果。試驗(yàn)過程中，模擬地層流體經(jīng)模擬地層流體出口 21進(jìn)入地層巖心模擬模塊6內(nèi)，因此地層流體會(huì)有所損失，體積減少。試驗(yàn)結(jié)束后，打開排氣口 23，通過地層流體注入口 22向地層流體模擬裝置補(bǔ)充地層流體，供下次試驗(yàn)使用。 (4)地層壓力模擬模塊
如圖I所示，地層壓力模擬模塊10向地層流體模擬模塊7提供不同壓力的高壓油，用來模擬地層壓力。該模塊包括電磁閥11、增壓缸12、調(diào)速閥13、電磁換向閥14、液壓泵15和電機(jī)。液壓油的壓力通過地層流體模擬模塊作用在地層巖心模擬模塊內(nèi)的巖心上，來模擬真實(shí)的地層壓力。液壓泵的輸出壓力有限，為模擬更大壓力范圍的地層壓力，采用增壓缸放大液壓泵輸出壓力的方法模擬地層壓力。電機(jī)與液壓泵15相連，電磁換向閥14的第一個(gè)接口與液壓泵15相連通,第二個(gè)接口與冷卻器相連通，冷卻器與過濾器相連通，第三個(gè)接口通過雙向液壓鎖與調(diào)速閥13的接口相通，調(diào)速閥13與增壓缸12的下腔相連通，第四個(gè)接口通過雙向液壓鎖與增壓缸12的上腔連通。增壓缸12的上腔也與電磁閥11連通。液壓泵15的出油口還接有溢流閥。使用時(shí)，向電動(dòng)機(jī)供電，帶動(dòng)液壓泵15回轉(zhuǎn)，高壓液壓油經(jīng)過換向閥14，再通過雙向液壓鎖與調(diào)速閥13進(jìn)入增壓缸12的下腔，通過增壓缸12的增壓作用，高壓油的壓力數(shù)值在增壓缸12的上腔被放大，通過電磁閥11后進(jìn)入地層流體模擬模塊7，然后作用在地層巖心模擬模塊6內(nèi)的巖心上,模擬地層壓力。換向閥14控制增壓缸12內(nèi)活塞的運(yùn)動(dòng)方向，高壓油進(jìn)入增壓缸12的下腔，活塞向上運(yùn)動(dòng)到增壓缸12的上腔頂端后，控制換向閥14，關(guān)閉電磁閥11，高壓油作用在增壓缸12的上腔頂端，活塞向下運(yùn)動(dòng)，回到增壓缸12的下腔低端，恢復(fù)初始狀態(tài)。需要再次增壓時(shí)，控制換向閥14，使高壓油進(jìn)入液壓缸12的下腔，活塞再次向上運(yùn)動(dòng)，放大液壓泵15的輸出壓力，模擬地層壓力。調(diào)速閥13控制液壓缸12內(nèi)的活塞運(yùn)動(dòng)速度，使液壓缸12上腔的壓力勻速增大,保持地層壓力增長(zhǎng)的穩(wěn)定性,提高地層壓力控制精度。當(dāng)?shù)貙訅毫ι叩筋A(yù)先設(shè)定的數(shù)值后，電磁閥11可切斷地層流體模擬模塊7的液壓源，進(jìn)而保持地層巖心模擬模塊6內(nèi)的地層壓力。此時(shí)液壓泵15可停止轉(zhuǎn)動(dòng)，節(jié)省能量。當(dāng)?shù)貙訅毫p小時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)開啟液壓泵15，繼續(xù)通過地層流體模擬模塊7向地層巖心模擬模塊6內(nèi)的巖心提供模擬地層流體，直到地層壓力與預(yù)設(shè)值相近，液壓泵15再次停止運(yùn)轉(zhuǎn)。(5)數(shù)據(jù)處理及控制模塊
數(shù)據(jù)處理及控制模塊通過壓力傳感器8采集增壓缸輸出的地層壓力信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換與調(diào)制處理送入工控機(jī)，與預(yù)設(shè)的地層壓力數(shù)字做比較，兩者的差值作為控制信號(hào)，控制液壓泵15的輸出壓力，使增壓缸輸出的地層壓力與預(yù)先設(shè)定的地層壓力數(shù)字相近或相似，達(dá)到精確閉環(huán)反饋控制地層壓力的目的。如圖I第9部分所示。地面數(shù)據(jù)處理與控制模塊9的功能由一臺(tái)工控機(jī)完成，包括數(shù)據(jù)采集處理模塊、控制模塊和電源管理模塊。其中數(shù)據(jù)采集處理模塊的工作原理為壓力傳感器8采集地層巖心模擬模塊6內(nèi)的地層壓力信號(hào)(也就是地層壓力模擬模塊10的輸入壓力)，經(jīng)調(diào)理電路整形、濾波后輸入到A/D轉(zhuǎn)換電路，A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)各通道信號(hào)進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后將地層壓力數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集處理模塊，數(shù)據(jù)采集處理模塊完成各部分電路的接口和對(duì)數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)處理，同時(shí)電源管理模塊管理其它模塊的供電以降低功耗?？刂颇K的工作原理是工控機(jī)控制液壓泵15的輸出壓力，向地層流體模擬模塊7輸入高壓油，然后地層巖心模擬模塊6內(nèi)模擬地層流體壓力升高，來模擬地層壓力。壓力傳感器8檢測(cè)地層巖心模擬模塊6內(nèi)的地層壓力，與預(yù)先設(shè)定的地層壓力值做比較，產(chǎn)生的差值作為液壓泵15的控制量，控制液壓泵15的輸出壓力，進(jìn)而使增壓缸12的輸出壓力接 近或達(dá)到預(yù)先設(shè)定的地層壓力后，工控機(jī)根據(jù)保壓要求，使液壓泵15停止運(yùn)轉(zhuǎn)，關(guān)閉電磁閥11，這樣地層巖心模擬模塊6內(nèi)的地層壓力保持穩(wěn)定?？刂葡到y(tǒng)具有自動(dòng)開機(jī)、分段加壓、自動(dòng)停機(jī)保壓、自動(dòng)卸壓、壓力自動(dòng)補(bǔ)償?shù)裙δ埽岣叩貙訅毫Φ目刂凭?。本發(fā)明地層壓力模擬裝置的使用原理如下
如圖5所示，使用地層壓力模擬裝置時(shí)，先將要測(cè)試的隨鉆地層壓力測(cè)量短節(jié)30放置在模擬井筒5的腔內(nèi)。密封的井筒內(nèi)有高溫高壓流體，模擬真實(shí)的井筒環(huán)境。定位活塞29、測(cè)量探頭31從隨鉆地層壓力測(cè)量短節(jié)內(nèi)部伸出。測(cè)量探頭31與巖心28相連通，測(cè)量探頭31內(nèi)部產(chǎn)生壓力降，模擬地層流體通過地層巖心模擬模塊6內(nèi)的巖心28、測(cè)量探頭31流入測(cè)量短節(jié)30內(nèi)。壓力平衡后，測(cè)量短節(jié)30內(nèi)部的壓力傳感器測(cè)量的流體壓力就是地層壓力。由于地層壓力模擬裝置的輸出地層壓力已預(yù)先設(shè)定，因此可以判定測(cè)量短節(jié)30所測(cè)量地層壓力的準(zhǔn)確性。模擬井筒5內(nèi)可設(shè)計(jì)為高溫高壓環(huán)境，用于測(cè)試測(cè)量短節(jié)30在高溫高壓環(huán)境內(nèi)的工作可靠性。同時(shí)，通過研究地層巖心模擬模塊6與測(cè)量短節(jié)30的測(cè)量探頭31內(nèi)的地層流體壓力的降低、升高和恢復(fù)可開發(fā)隨鉆地層壓力測(cè)量的控制算法，進(jìn)而提高測(cè)量短節(jié)測(cè)量地層壓力的準(zhǔn)確性。本發(fā)明的地層壓力模擬裝置的使用方法包括以下步驟
步驟I :根據(jù)試驗(yàn)要求選取模擬地層的巖心與地層流體。步驟2 :將隨鉆地層壓力測(cè)量短節(jié)放置在模擬井筒內(nèi)，將模擬井筒密封。步驟3 :地層壓力模擬裝置開機(jī)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與控制系統(tǒng)初始化。步驟4 :根據(jù)試驗(yàn)要求，在工控機(jī)內(nèi)設(shè)定地層壓力值。步驟5 :向電機(jī)供電，液壓泵回轉(zhuǎn)，啟動(dòng)地層壓力模擬裝置。步驟6 :如果數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)采集到的地層壓力達(dá)到設(shè)定值，進(jìn)行下一步操作，否則控制系統(tǒng)繼續(xù)調(diào)整液壓泵的輸出壓力，直至輸出壓力接近或達(dá)到地層壓力設(shè)定值。步驟7 :如果需要測(cè)試，進(jìn)行下一步操作，否則等待。步驟8 :隨鉆地層壓力測(cè)量短節(jié)的測(cè)量探頭推靠至地層巖心模擬模塊內(nèi)的巖心端部，進(jìn)行測(cè)試。步驟9 :測(cè)試完畢，隨鉆地層壓力測(cè)量短節(jié)的測(cè)量探頭回位。步驟10 :如果結(jié)束本次測(cè)試，進(jìn)行下一步操作，否則返回步驟(6)。步驟11 :關(guān)閉地層壓力模擬裝置。
步驟12 :關(guān)機(jī)。步驟13 :取出隨鉆地層壓力測(cè)量短節(jié)。步驟14 :數(shù)據(jù)后期處理與解釋。步驟15 ::裝置保養(yǎng)，準(zhǔn)備下次測(cè)試。本發(fā)明應(yīng)用于油氣勘探、開發(fā)中，實(shí)現(xiàn)地層壓力隨鉆測(cè)量工具開發(fā)過程中的地面試驗(yàn)和仿真測(cè)試。隨鉆測(cè)量地層壓力是目前石油鉆井中急需解決的技術(shù)之一，隨鉆地層壓力測(cè)量工具的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)和加工技術(shù)要求高、難度大，因此在研發(fā)過程中需要一套地面裝置進(jìn)行試驗(yàn)與仿真調(diào)試。同時(shí)，入井產(chǎn)品也需要在地面進(jìn)行大量的試驗(yàn)，以確保工具的可靠性和入井安全。對(duì)一些低滲透率的地層來說，在規(guī)定的測(cè)量時(shí)間內(nèi)無法達(dá)到壓力平衡，完成測(cè)試任務(wù)，需要一套數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行壓力恢復(fù)的計(jì)算，本發(fā)明的模擬裝置可作為壓力測(cè)量算法的研究平臺(tái)。隨著地層壓力隨鉆測(cè)量工具的廣泛應(yīng)用，本發(fā)明必將會(huì)發(fā)揮重要作用。
上述技術(shù)方案只是本發(fā)明的一種實(shí)施方式，對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員而言，在本發(fā)明公開了應(yīng)用方法和原理的基礎(chǔ)上，很容易做出各種類型的改進(jìn)或變形，而不僅限于本發(fā)明上述具體實(shí)施方式
所描述的方法，因此前面描述的方式只是優(yōu)選的，而并不具有限制性的意義。
權(quán)利要求
1.一種地層壓力模擬裝置，其特征在于所述地層壓力模擬裝置包括模擬井筒(5)、地層巖心模擬模塊(6)、地層流體模擬模塊(7)、地層壓力模擬模塊(10)、數(shù)據(jù)處理及控制模塊(9)； 所述模擬井筒(5)為筒狀結(jié)構(gòu)，所述地層巖心模擬模塊(6)安裝在所述模擬井筒(5)的壁上，其一端與模擬井筒(5)的內(nèi)腔相連通，另一端與地層流體模擬模塊(7)的一端相連通；地層流體模擬模塊(7)的另一端與地層壓力模擬模塊(10)相連通； 在所述模擬井筒(5)的腔內(nèi)放置被測(cè)試的隨鉆地層壓力測(cè)量短節(jié)； 在所述地層巖心模擬模塊(6)和地層流體模擬模塊(7)之間的管路上裝有壓力傳感器(8)； 壓力傳感器(8)采集地層巖心模擬模塊(6)內(nèi)的地層壓力信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換與調(diào)制處理后送入數(shù)據(jù)處理及控制模塊(9)，與預(yù)設(shè)的地層壓力數(shù)字做比較，兩者的差值作為控制信號(hào)，控制地層壓力模擬模塊(10)的輸出壓力，使地層壓力模擬模塊(10)輸出的地層壓力與預(yù)先設(shè)定的地層壓力數(shù)字相近或相似。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的地層壓力模擬裝置，其特征在于所述模擬井筒(5)包括上端蓋(I)、井壁(2)、下端蓋(3);上端蓋(I)安裝在井壁(2)的上端面，下端蓋(3)安裝在井壁2的下端面，在所述井壁(2)上開有地層巖心模擬模塊安裝孔(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的地層壓力模擬裝置，其特征在于所述地層巖心模擬模塊(6)包括外安裝座(24)、法蘭(25)、高壓油口(26)、模擬巖心安裝座(27)、巖心(28)和密封件； 所述模擬巖心安裝座(27)和外安裝座(24)均為一端帶法蘭的套筒狀結(jié)構(gòu)，巖心(28)外包裹有密封件，巖心(28)及密封件一起安裝在所述模擬巖心安裝座(27)內(nèi)，模擬巖心安裝座(27)再安裝在外安裝座(24)內(nèi)，模擬巖心安裝座(27)的法蘭的內(nèi)端面與外安裝座(24)的法蘭的外端面接觸，模擬巖心安裝座(27)的法蘭的外端面與法蘭(25)接觸，通過螺栓將法蘭(25)、模擬巖心安裝座(27)和外安裝座(24)固定在一起； 所述外安裝座(24)固定在模擬井筒(5)的井壁(2)上，模擬巖心安裝座(27) —端插入地層巖心模擬模塊安裝孔(4)內(nèi)，在法蘭(25)的中心安裝有高壓油口(26)，模擬地層流體通過高壓油口( 26 )進(jìn)入巖心(28 )，再通過巖心(28 )滲透進(jìn)入模擬井筒(5 )內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的地層壓力模擬裝置，其特征在于所述地層流體模擬模塊(7)為液壓缸結(jié)構(gòu)，缸體內(nèi)裝有活塞(19)，活塞(19)將缸體分為兩個(gè)腔，活塞(19)的一側(cè)為高壓液壓油腔(18)，另一側(cè)為模擬地層流體腔(20); 在所述高壓液壓油腔(18) 一側(cè)開有液壓油入口( 17)，在高壓液壓油腔(18)上端開有排氣口(23)； 在所述模擬地層流體腔(20)的一側(cè)開有模擬地層流體出口(21)，在模擬地層流體腔(20)的上端開有模擬地層流體注入口(22)； 所述液壓油入口(17)與地層壓力模擬模塊(10)相連通，所述模擬地層流體出口(21)與地層巖心模擬模塊(6)上的高壓油口(26)相連通。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的地層壓力模擬裝置，其特征在于所述地層壓力模擬模塊(10)包括電磁閥(11)、增壓缸(12)、調(diào)速閥(13)、電磁換向閥(14)、液壓泵(15)和電機(jī)； 電機(jī)與液壓泵(15)相連，電磁換向閥(14)的第一個(gè)接口與液壓泵(15)相連通，第二個(gè)接口與冷卻器相連通，冷卻器與過濾器相連通，第三個(gè)接口通過雙向液壓鎖與調(diào)速閥(13)的接口相通，調(diào)速閥(13)與增壓缸(12)的下腔相連通，第四個(gè)接口通過雙向液壓鎖與增壓缸(12)的上腔連通；增壓缸(12)的上腔也與電磁閥11連通；液壓泵15的出油口接有溢流閥； 工控機(jī)控制液壓泵15的輸出壓力。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模擬地層壓力的試驗(yàn)裝置，其特征在于所述密封件為一金屬包裹體，是通過澆注的方式包裹在巖心(28)外的，其與巖心(28)緊密結(jié)合成為一體。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的模擬地層壓力的試驗(yàn)裝置，其特征在于所述數(shù)據(jù)處理與控制模塊(9)的功能由一臺(tái)工控機(jī)完成，包括數(shù)據(jù)采集處理模塊、控制模塊和電源管理模塊；壓力傳感器8采集地層巖心模擬模塊(6)內(nèi)的地層壓力信號(hào)，經(jīng)調(diào)理電路整形、濾波后輸入到A/D轉(zhuǎn)換電路，A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)各通道信號(hào)進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后將地層壓力數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集處理模塊，數(shù)據(jù)采集處理模塊完成各部分電路的接口和對(duì)數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)處理，同時(shí)電源管理模塊管理其它模塊的供電以降低功耗； 控制模塊控制液壓泵(15)的輸出壓力。
8.一種使用權(quán)利要求5所述地層壓力模擬裝置的方法，其特征在于所述方法包括以下步驟 步驟I :根據(jù)試驗(yàn)要求選取模擬地層的巖心(28)與地層流體； 步驟2 :將隨鉆地層壓力測(cè)量短節(jié)放置在模擬井筒(5)內(nèi)，將模擬井筒(5)密封； 步驟3 :地層壓力模擬裝置開機(jī)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與控制系統(tǒng)初始化； 步驟4 :根據(jù)試驗(yàn)要求，在工控機(jī)內(nèi)設(shè)定地層壓力值； 步驟5 :向電機(jī)供電，液壓泵(15)回轉(zhuǎn)，啟動(dòng)地層壓力模擬裝置； 步驟6 :如果數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)采集到的地層壓力達(dá)到設(shè)定值，進(jìn)行下一步操作，否則控制系統(tǒng)繼續(xù)調(diào)整液壓泵(15)的輸出壓力，直至輸出壓力接近或達(dá)到地層壓力設(shè)定值；步驟7 :如果需要測(cè)試，進(jìn)行下一步操作，否則等待； 步驟8 :隨鉆地層壓力測(cè)量短節(jié)的測(cè)量探頭推靠至地層巖心模擬模塊(6)內(nèi)的巖心(28)端部，進(jìn)行測(cè)試； 步驟9 :測(cè)試完畢，隨鉆地層壓力測(cè)量短節(jié)的測(cè)量探頭回位； 步驟10 :如果結(jié)束本次測(cè)試，進(jìn)行下一步操作，否則返回步驟(6)； 步驟11 :關(guān)閉地層壓力模擬裝置； 步驟12 :關(guān)機(jī)； 步驟13 :取出隨鉆地層壓力測(cè)量短節(jié)； 步驟14 :數(shù)據(jù)后期處理與解釋； 步驟15 :裝置保養(yǎng)，準(zhǔn)備下次測(cè)試。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種地層壓力模擬裝置及方法，屬于油田、礦山等領(lǐng)域。本裝置包括模擬井筒(5)、地層巖心模擬模塊(6)、地層流體模擬模塊(7)、地層壓力模擬模塊(10)、數(shù)據(jù)處理及控制模塊(9)。利用本裝置能在室內(nèi)模擬不同巖性、不同滲透率的地層及地層壓力；通過該裝置，可以進(jìn)行隨鉆地層壓力測(cè)量短節(jié)的室內(nèi)試驗(yàn)，在地面模擬隨鉆地層壓力測(cè)試短節(jié)測(cè)量地層壓力的工作過程，驗(yàn)證測(cè)量短節(jié)的測(cè)試準(zhǔn)確性，可作為隨鉆地層壓力測(cè)量短節(jié)的測(cè)試平臺(tái)與隨鉆地層壓力測(cè)量控制算法的開發(fā)平臺(tái)；地層壓力模擬裝置避免了在鉆井現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行隨鉆地層壓力測(cè)量短節(jié)試驗(yàn)時(shí)設(shè)備搬遷、操作維護(hù)不便，影響鉆井進(jìn)度、增大鉆井成本等問題，降低了試驗(yàn)難度，提高了經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)E21B49/00GK102748015SQ201110102278
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2011年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月22日
發(fā)明者凌勇, 劉宇輝, 曾義金, 楊春國(guó), 牛新明, 王強(qiáng), 鄭俊華, 馬開華, 高炳堂 申請(qǐng)人:中國(guó)石油化工股份有限公司, 中國(guó)石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院, 四川航天技術(shù)研究院