油藏溶洞垮塌与裂缝闭合过程的物理模型试验系统及方法

摘要

本发明公开了一种油藏溶洞垮塌与裂缝闭合过程的物理模型试验系统，包括三维地质力学模型试验台架，三维地质力学模型试验台架中采用模型相似材料分层碾压制作有三维地质模型，且三维地质模型中预留出与洞缝内压传力装置尺寸一致的模型预留溶洞及裂缝，模型预留溶洞及裂缝中设置有洞缝内压传力装置，洞缝内压传力装置与模型预留溶洞及裂缝的洞壁和缝壁紧密贴合；洞缝内压传力装置通过高压油管分别与三维地质力学模型试验台架外部的采油降压装置和注油加压装置连接；人机交互控制系统通过屏蔽线分别与注油加压装置中的电磁阀组、智能传感器、伺服电机以及采油降压装置中的高精度压力传感器、常闭式电磁阀连接。本发明还公开了利用该系统的试验方法。

权利要求

1.一种油藏溶洞垮塌与裂缝闭合过程的物理模型试验系统，其特征是，包括三维地质力学模型试验台架，所述三维地质力学模型试验台架中采用模型相似材料分层碾压制作有三维地质模型，且所述三维地质模型中预留出与洞缝内压传力装置尺寸一致的模型预留溶洞及裂缝，模型预留溶洞及裂缝中设置有洞缝内压传力装置，洞缝内压传力装置与模型预留溶洞及裂缝的洞壁和缝壁紧密贴合；所述洞缝内压传力装置通过高压油管分别与三维地质力学模型试验台架外部的采油降压装置和注油加压装置连接；人机交互控制系统通过屏蔽线分别与注油加压装置中的电磁阀组、智能传感器、伺服电机以及采油降压装置中的高精度压力传感器、常闭式电磁阀连接；

所述采油降压装置包括设置于高压油管出口端上的高精度压力传感器和常闭式电磁阀，所述高压油管出口端与储油箱联通；

所述高精度压力传感器量程为0-10Mpa，精度为±0.01Mpa。

2.如权利要求1所述的油藏溶洞垮塌与裂缝闭合过程的物理模型试验系统，其特征是，所述洞缝内压传力装置是由高强度乳胶一体成型的囊状结构，囊厚2mm，最大承压5Mpa，洞缝内压传力装置由两部分组成，一部分是传递溶洞内压的柔性洞袋，另一部分是传递裂缝内压的柔性缝袋；柔性洞袋呈椭圆柱形，其上部设置有四条宽度、长度、倾角互异的且与柔性洞袋相通的柔性缝袋，柔性缝袋能同时模拟四条不同形式的裂缝，相互形成对照，从而获得不同分布形式裂缝的闭合规律；洞缝内压传力装置的油囊顶部为油管接口，分别与采油降压装置的采油管和注油加压装置的注油管连接并严格密封。

3.如权利要求1所述的油藏溶洞垮塌与裂缝闭合过程的物理模型试验系统，其特征是，所述注油加压装置包括油箱、伺服电机、油泵、电磁阀组和智能传感器，伺服电机带动油泵动作，油泵伸入到油箱中，并与所述高压油管的进口端相连，电磁阀组和智能传感器均设置于高压油管上。

4.如权利要求1所述的油藏溶洞垮塌与裂缝闭合过程的物理模型试验系统，其特征是，所述模型预留溶洞及裂缝周围埋设有位移和应力应变传感器。

5.一种模拟油藏溶洞垮塌与裂缝闭合过程的物理模型试验系统的试验方法，其特征是，包括以下步骤：

1)在三维地质力学模型试验台架中采用模型相似材料分层碾压制作三维地质模型，并在三维地质模型中预留出与洞缝内压传力装置尺寸一致的模型预留溶洞及裂缝；

2)将洞缝内压传力装置放置在模型预留溶洞及裂缝空间内，并与模型洞壁和缝壁紧密贴合；

3)通过人机交互控制系统设定好所需压力，注油加压装置开始向缝洞内压传力装置内注油增压，并通过缝洞内压传力装置的洞袋和缝袋将油压有效传递到模型预留溶洞及裂缝的围岩介质中去，形成地层压力；

4)通过人机交互控制系统设定好采油降压速率，并控制采油降压装置进行采油降压，在采油降压过程中，一方面通过三维地质力学模型试验台架正面的钢化玻璃窗口直接观察溶洞垮塌及裂缝闭合过程，另一方面通过预先埋设在预留溶洞及裂缝周围的位移、应力应变传感器所记录的数据变化情况，对溶洞及裂缝的变形闭合规律进行分析，最终全景再现和精细模拟溶洞垮塌破坏及裂缝闭合过程，有效揭示油藏溶洞垮塌破坏与裂缝闭合机制。

说明书

油藏溶洞垮塌与裂缝闭合过程的物理模型试验系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种模拟采油时油藏溶洞垮塌与裂缝闭合过程的物理模型试验系统及方法。

背景技术

[0002] 目前，碳酸盐岩油气藏在全球范围内分布广泛，据统计全世界40％的大型油气田为碳酸盐岩油气藏，而碳酸盐岩油藏中有30％以上为缝洞型油藏，我国缝洞型油藏占探明碳酸盐岩油藏储量的2/3，是今后增储的主要领域。缝洞型油藏储集空间主要由溶洞和裂缝两种基本结构组合而成，其中溶洞是主要的储集空间，裂缝主要起溶洞间的沟通作用。但是在采油过程中随着石油不断采出，地层压力逐渐下降，导致井下发生溶洞垮塌及裂缝通道闭合，严重影响油井的产量。近年来，随着缝洞型油藏开发的逐渐增多，出现油藏溶洞垮塌及裂缝通道闭合事故的油井也越来越多。因此，开展缝洞型油藏溶洞垮塌破坏机制与裂缝闭合规律研究，可有效提高碳酸盐岩油藏的采收率，并为优化石油开采工艺提供科学依据。

[0003] 众所周知，数值分析无法有效模拟溶洞的垮塌破坏过程，相反物理模型试验可客观真实地模拟洞室的变形破坏过程。

[0004] 目前国内外相关研究现状如下：

[0005] (1)《石油钻采工艺》2005年第5期，介绍了一种缝洞型油藏单井注水替油室内试验装置，该装置由长岩心筒、ISCO泵、中间容器、电机控制采油泵、电子天平等组成，该装置可进行水驱油、气驱油等实验，但无法模拟油藏溶洞垮塌及裂缝闭合现象。

[0006] (2)《特种油气藏》2009年第2期，介绍了一种缝洞型油藏弹性开采试验装置，该装置采用钢质容器模拟溶洞，ISCO泵提供溶洞内油力，电子天平记录采出油的重量。该装置未考虑裂缝且采用钢质容器模拟溶洞，无法模拟油藏溶洞垮塌及裂缝闭合过程。

[0007] (3)《西南石油大学学报》2010年第1期，介绍了一种缝洞型油藏孤立溶洞注水替油试验装置，该装置由玻璃水槽、透明PVC吸塑制成的溶洞系统组成。水槽内注满水，溶洞系统放置于水槽中，由水槽中水压模拟地层压力，对溶洞进行简单注水替油实验。该装置能模拟的初始地层压力低，且无法模拟油藏溶洞垮塌及裂缝闭合过程。

[0008] (4)《大庆石油地质与开发》2011年第5期，介绍了一种缝洞型油藏弹性开采室内试验装置，该装置由ISCO泵提供压力，采用容积200ML的钢质容器模拟溶洞，容积4000ML的刚性容器模拟大体积底水，具有贯穿裂缝的岩心模拟裂缝通道，电子天平记录出油口质量。该装置用于模拟底水驱油过程，无法模拟油藏溶洞垮塌及裂缝闭合过程。

[0009] (5)《石油钻探技术》2012年第4期，介绍了一种缝洞型油藏水驱油模型试验装置，该装置由有机玻璃板组合形成简单溶洞与裂缝系统，包含两个方形溶洞及一条连接溶洞的垂直裂缝；当缝洞系统中注满油后，由平流泵向其中一个溶洞的底部进行注水，从其上部进行采油。该装置只能模拟简单水驱油现象，且无法承压，无法模拟油藏溶洞垮塌及裂缝闭合过程。

[0010] (6)《石油勘探与开发》2014年第1期，介绍了一种缝洞型油藏水驱油模型试验装置。该装置主要由平流泵及中间容器提供压力，采用钢质立方体容器模拟溶洞、硬质高压油管模拟裂缝，采用量筒和天平记录采出油量。该装置主要用于水驱油实验，无法模拟油藏溶洞垮塌及裂缝闭合过程。

发明内容

[0011] 本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种模拟采油时油藏溶洞垮塌与裂缝闭合过程的物理模型试验系统及方法，其具有自动化程度高、控压精准、可模拟不同初始地层压力、采油降压速率及其组合变化的优点。

[0012] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

[0013] 一种油藏溶洞垮塌与裂缝闭合过程的物理模型试验系统，包括三维地质力学模型试验台架，所述三维地质力学模型试验台架中采用模型相似材料分层碾压制作有三维地质模型，且所述三维地质模型中预留出与洞缝内压传力装置尺寸一致的模型预留溶洞及裂缝，模型预留溶洞及裂缝中设置有洞缝内压传力装置，洞缝内压传力装置与模型预留溶洞及裂缝的洞壁和缝壁紧密贴合；所述洞缝内压传力装置通过高压油管分别与三维地质力学模型试验台架外部的采油降压装置和注油加压装置连接；人机交互控制系统通过屏蔽线分别与注油加压装置中的电磁阀组、智能传感器、伺服电机以及采油降压装置中的高精度压力传感器、常闭式电磁阀连接。

[0014] 所述洞缝内压传力装置是由高强度乳胶一体成型的囊状结构，囊厚2mm，最大承压5Mpa，洞缝内压传力装置由两部分组成，一部分是传递溶洞内压的柔性洞袋，另一部分是传递裂缝内压的柔性缝袋；柔性洞袋呈椭圆柱形，其上部设置有四条宽度、长度、倾角互异的且与柔性洞袋相通的柔性缝袋，柔性缝袋能同时模拟四条不同形式的裂缝，相互形成对照，从而获得不同分布形式裂缝的闭合规律；洞缝内压传力装置的油囊顶部为油管接口，分别与采油降压装置的采油管和注油加压装置的注油管连接并严格密封。

[0015] 所述注油加压装置包括油箱、伺服电机、油泵、电磁阀组和智能传感器，伺服电机带动油泵动作，油泵伸入到油箱中，并与所述高压油管的进口端相连，电磁阀组和智能传感器均设置于高压油管上。

[0016] 所述采油降压装置包括设置于高压油管出口端上的高精度压力传感器和常闭式电磁阀，所述高压油管出口端与储油箱联通。

[0017] 所述高精度压力传感器量程为0～10MPa，精度为±0.01MPa。

[0018] 所述模型预留溶洞及裂缝周围埋设有位移和应力应变传感器。

[0019] 一种模拟油藏溶洞垮塌与裂缝闭合过程的物理模型试验系统的试验方法，包括以下步骤：

[0020] 1)在三维地质力学模型试验台架中采用模型相似材料分层碾压制作三维地质模型，并在三维地质模型中预留出与洞缝内压传力装置尺寸一致的模型预留溶洞及裂缝；

[0021] 2)将洞缝内压传力装置放置在模型预留溶洞及裂缝中，并与模型洞壁和缝壁紧密贴合；

[0022] 3)通过人机交互控制系统设定好所需压力，注油加压装置开始向缝洞内压传力装置内注油增压，从而将油压有效传递到模型预留溶洞及裂缝的围岩介质中去，形成地层压力；

[0023] 4)通过人机交互控制系统设定好采油降压速率，并控制采油降压装置进行采油降压，在采油降压过程中，一方面通过三维地质力学模型试验台架正面的钢化玻璃窗口直接观察溶洞垮塌破坏及裂缝闭合过程；另一方面通过预先埋设在预留溶洞及裂缝周围的位移、应力应变传感器所记录的数据变化情况，对溶洞及裂缝的变形闭合规律进行分析。

[0024] 本发明主要由注油加压装置、洞缝内压传力装置、采油降压装置和人机交互控制系统组成。该系统可有效模拟深部缝洞型油藏开采过程中由于地层压力下降而引起的溶洞垮塌破坏与裂缝闭合过程，且具有自动化程度高、控压精准、可模拟不同初始地层压力、采油降压速率及其组合变化等优点。通过该系统可揭示深部缝洞型油藏溶洞的垮塌破坏过程与裂缝闭合规律，对于指导油井安全开发与增产具有重要意义。

[0025] 本发明中的三维地质力学模型试验台架、电磁阀组、智能传感器均为现有技术，在先前的专利申请或市场中均能购买到，在此不再赘述。

[0026] 本发明中，注油加压装置按照用户设定压力向洞缝内压传力装置中注油加压达到指定压力，以提供试验所需的溶洞及裂缝开采前初始地层压力；洞缝内压传力装置放置在模型预留的溶洞及裂缝空间中，并紧贴预留的洞缝内壁，可有效将注油加压装置施加的地层压力传递到溶洞和裂缝围岩介质中去；采油降压装置采用阶梯式降压，可按用户设定程序控制采油过程中地层压力下降速率；人机交互控制系统通过自编程序，可对注油加压及采油降压装置进行伺服控制。

[0027] 注油加压装置主要由油箱、油泵、伺服电机、电磁阀组(电磁溢流阀、电磁换向阀、单向阀)、智能传感器、高压油管路等组成，最高加压为5MPa，精度可达±0.01MPa。通过人机交互系统可按用户设定压力值对其注油加压过程进行伺服控制，当向洞缝内压传力装置加压达到系统设定压力值后，系统能自动切断油泵供油，并保持油压长期稳定，从而有效提供油藏溶洞及裂缝开采前的初始地层压力。通过设定不同压力值，可获得不同初始地层压力对油藏溶洞垮塌及裂缝闭合过程的影响。

[0028] 洞缝内压传力装置为柔性的油囊袋，由高强度乳胶一体浇筑成型，囊厚2mm，最大承压5MPa。洞缝内压传力装置由两部分组成，一部分是传递溶洞内压的柔性洞袋，另一部分是传递裂缝内压的柔性缝袋。由于模型试验使用的原岩相似材料为颗粒性材料，无法直接向模型洞室中充油来模拟地层压力，因此需要借助囊袋状的洞缝内压传力装置将油压有效传递到模型洞缝周围的围岩介质中去。试验过程中洞缝内压传力装置被放在模型试验预留的溶洞和裂缝空间内，并紧贴模型洞壁和缝壁，通过注油加压装置注油后，可将其内部油压有效传递到溶洞和裂缝围岩地层中去，客观模拟油藏缝洞中的地层压力。模型相似材料为现有的材料，申请人在先申请的专利中有记载，在此不再赘述。

[0029] 采油降压装置，主要由高精度压力传感器、常闭式电磁阀及高压油管组成，可有效控制采油过程中地层压力下降速率。所用高精度压力传感器量程为0～10MPa，精度为±0.01MPa，持续进行20次/秒的压力采样，可对洞缝内压传力装置中的压力进行实时精准监控。压力传感器的压力信号通过人机交互控制系统转化为开关信号，从而自动控制常闭式电磁阀的开启与闭合。采用台阶式采油降压方法控制采油过程中地层压力下降速率，即采油降压前通过人机交互控制系统对所需降压梯度、采油降压时间间隔及压力下限进行设定，采油过程中当溶洞与裂缝中地层压力下降值达一个降压台阶时，采油降压装置自动关闭电磁阀，停止采油降压；经过预设的采油降压时间间隔后，采油降压装置再次自动开启电磁阀，进入下一个降压台阶操作，如此反复，直至达到压力下限为止。通过控制采油降压速率，可获得不同采油降压速率对油藏溶洞垮塌及裂缝闭合过程的影响。

[0030] 人机交互控制系统，主要由用户界面和集成控制试验台组成，集成控制试验台内置注油加压控制程序、采油降压控制程序，其具有良好的人机交互界面，可按用户要求对系统压力进行设定，实现对注油加压装置和采油降压装置的伺服控制。

[0031] 本发明具有如下显著技术优势：

[0032] 1.通过对缝洞型油藏溶洞及裂缝典型形态、初始地层压力、采油降压速率的有效模拟和精确控制，可全景再现和精细模拟采油过程中油藏溶洞垮塌破坏和裂缝闭合过程，有效揭示油藏溶洞的垮塌破坏及裂缝闭合机制。

[0033] 2.注油加压装置和洞缝内压传递装置，可有效模拟初始地层应力，获得不同地层应力下油藏溶洞垮塌破坏机理以及裂缝闭合规律。

[0034] 3.采油降压装置可有效控制采油过程中地层压力下降速率，获得不同采油降压速率下油藏溶洞垮塌破坏机理以及裂缝闭合规律。

[0035] 4.洞缝内压传力装置上设置有四条长度、宽度和倾角互异的裂缝袋，可相互形成对比，获得不同分布形态裂缝的闭合规律。

[0036] 5.人机交互控制系统可按试验需要实现注油加压、采油降压过程伺服控制，自动化程度高、控压精准。

附图说明

[0037] 图1是油藏溶洞垮塌与裂缝闭合过程模拟物理模型试验系统结构示意图；

[0038] 图2是注油加压装置示意图；

[0039] 图3是采油降压装置示意图；

[0040] 图4是洞缝内压传力装置示意图；

[0041] 其中，1.注油加压装置、2.采油降压装置、3.洞缝内压传力装置、4.人机交互控制系统、5.油箱、6.伺服电机、7、油泵、8.电磁阀组、9.柔性缝袋、10.柔性洞袋、11.高精度压力传感器、12.常闭式电磁阀、13.高压油管、14.三维地质力学模型试验台架、15.模型相似材料、16.模型预留洞缝。

具体实施方式

[0042] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

[0043] 图1为一种模拟采油引起的油藏溶洞垮塌及裂缝闭合过程的物理试验装置结构示意图，由注油加压装置1、采油降压装置2、洞缝内压传力装置3、人机交互控制系统4组成。洞缝内压传力装置通过高压油管13分别与采油降压装置2和注油加压装置1连接；人机交互控制系统4通过屏蔽线分别与注油加压装置1中的电磁阀组8、伺服电机6以及采油降压装置2中的高精度压力传感器11、常闭式电磁阀12连接；洞缝内压传力装置3放置于模型试验预留的洞缝16之中，并紧贴预留洞缝16的内壁。其中，注油加压装置1用以提供初始地层压力；洞缝内压传力装置3用以将内压传递到模型预留洞缝16的围岩介质中，形成初始地层压力；采油降压装置2用以控制采油过程中的地层压力下降速率，人机交互控制系统4用以按用户设定程序对注油加压装置和采油降压装置进行伺服控制。

[0044] 图2所示为注油加压装置1，主要由油箱5、伺服电机6、油泵7、电磁阀组8(包含电磁溢流阀、电磁换向阀、单向阀等器件)及内置智能传感器件等组成，并由人机交互控制系统4进行伺服控制。通过人机交互控制系统4设定所需地层压力后，注油加压装置1将自动向洞缝内压传力装置3内注油增压，最大增压5MPa，精度可达±0.01MPa。当洞缝内压传力装置3内压达到系统设定压力值后，系统自动切断油泵供油，并保持油压长期稳定，从而实时模拟采油前溶洞及裂缝内的初始地层压力。通过改变初始地层压力，可获得不同初始地层压力对油藏溶洞垮塌及裂缝闭合过程的影响。

[0045] 图3所示为采油降压装置2，由高精度压力传感器11和常闭式电磁阀12组成，并通过人机交互控制系统4按用户设定程序对采油降压装置进行伺服控制。所用高精度压力传感器11量程为0～10MPa，精度为±0.01MPa，持续进行20次/秒的压力采样，可对洞缝内压传力装置3中的压力进行实时精准监控。所用常闭式电磁阀12不动作时为关闭状态，当接收到开启信号时自动打开阀门，通过人机交互控制系统4将高精度压力传感器的压力信号转化为开关信号，从而自动控制常闭式电磁阀12的开启与闭合。采用台阶式采油降压方法控制采油降压速率，即采油降压前通过人机交互控制系统4对所需降压梯度、采油降压时间间隔及压力下限进行设定，采油过程中当洞缝内压传力装置3压力下降值达一个降压台阶时，采油降压装置自动关闭电磁阀，停止采油降压；经过预设的采油降压时间间隔后，采油降压装置再次自动开启电磁阀，进入下一个降压台阶操作，如此反复，直至达到压力下限为止。通过控制采油降压速率，可获得不同采油降压速率对油藏溶洞垮塌及裂缝闭合过程的影响。

[0046] 人机交互控制系统4主要由用户界面和试验控制台组成，试验控制台内置自编注油加压控制程序、采油降压控制程序，其具有良好的人机交互界面，可按用户要求对系统进行设定，实现对注油加压装置和采油降压装置的伺服控制。

[0047] 图4所示为洞缝内压传力装置3，是由高强度乳胶一体成型，囊厚2mm，最大承压5MPa。洞缝内压传力装置3由两部分组成，一部分是传递溶洞内压的柔性洞袋10，另一部分是传递裂缝内压的柔性缝袋9。柔性洞袋10呈椭圆柱形，其上部设置有四条宽度、长度、倾角互异的柔性缝袋9，可同时模拟四条不同形式的裂缝，相互形成对照，从而获得不同分布形式裂缝的闭合规律；油囊顶部为油管接口，可与注油管、采油管连接并严格密封。在三维地质力学模型试验过程中，洞缝内压传力装置3被放在预留溶洞和裂缝的模型洞腔内，并紧贴模型材料，通过注油加压装置注油后，可将油压有效传递到预留溶洞和裂缝的围岩介质中去，客观模拟油藏缝洞中的初始地层压力。

[0048] 本试验装置用于模拟采油引起油藏溶洞垮塌与裂缝闭合现象的主要实施过程如下：

[0049] 首先在三维地质力学模型试验台架14中采用模型相似材料15分层碾压制作三维地质模型，并在模拟地层中预留出与洞缝内压传力装置3尺寸一致的溶洞及裂缝空间16。将洞缝内压传力装置3放置在模型预留洞缝16中，并与模型洞壁和缝壁紧密贴合。然后通过人机交互控制系统4设定好所需压力，注油加压装置1开始向缝洞内压传力装置3内注油增压，从而将油压有效传递到模型预留洞缝16的围岩介质中去，形成初始地层压力。最后通过人机交互控制系统4设定好采油降压速率，并控制采油降压装置2进行采油降压。在采油降压过程中，一方面通过地质力学实验台架正面的钢化玻璃窗口可直接观察溶洞垮塌及裂缝闭合过程，另一方面通过预先埋设在预留溶洞及裂缝周围的位移、应力应变传感器所记录的数据变化情况，对溶洞及裂缝的变形闭合规律进行分析。最终全景再现和精细模拟溶洞垮塌破坏及裂缝闭合过程，有效揭示油藏溶洞垮塌破坏与裂缝闭合机制。

[0050] 采用不同的初始地层压力、采油降压速率进行多次试验，可获得不同初始地层压力、采油降压速率及其组合变化对油藏溶洞垮塌及裂缝闭合的影响，有效揭示油藏溶洞的垮塌破坏机理以及裂缝闭合规律，为优化缝洞型油藏的开采工艺提供科学依据，对缝洞型油藏的安全开发和增产具有重要意义。

[0051] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。