[發明專利]一種模擬洞穴型油藏開發過程中應力致塌的試驗裝置及方法

有效

• 申請號: 201811278987.8
• 申請日: 2018-10-30
• 公開（公告）號: CN109441440B
• 公開（公告）日: 2023-04-14
• 發明（設計）人: 王海文;張津豪;劉一凡;繆媛媛;曹萌萌
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: E21B49/00
• 分類號: E21B49/00
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 趙園園

本發明公開了一種模擬洞穴型油藏開發過程中應力致塌的試驗裝置及方法，所述的裝置包括3D碳酸鹽巖巖心、巖心箱體、電磁閥、圍巖層、夾持底座、注油泵、注水泵、抽汲裝置、儲液箱、井筒管路、壓力表、手動閥和緩沖閥。所述方法包括：（1）理論關系單元；（2）設計單元；（3）實驗模擬裝置；（4）結論評價單元。本發明能夠對洞穴型油藏在開發過程中的應力致塌現象進行全程模擬，從理論上研究洞穴坍塌的臨界條件，減少生產現場因洞穴塌陷造成的油氣產量下降，提高工作效率。

技術領域

本發明涉及油氣田開發和油藏工程領域，具體為一種模擬洞穴型油藏開發過程中應力致塌的試驗裝置及方法。

背景技術

碳酸鹽巖地下溶洞是縫洞型碳酸鹽巖油氣藏的主要油氣儲集空間。在縫洞油藏的開發和生產過程中，隨著溶洞內的壓力降低可能會引發巖壁破裂，導致洞穴發生坍塌。坍塌后的溶洞頂板塌陷，洞內會堆積大量的角礫、沙土等碎屑，儲集空間也會因此大大減少甚至消失。

研究油氣生產過程中的洞穴塌陷問題，對指導縫洞碳酸鹽巖油藏的開發具有重要意義。研究內容的關鍵在于確定洞穴塌陷時巖壁破裂位置及其影響因素，以及定量確定洞穴塌陷的臨界破裂壓力。

發明人在發明本專利的過程中發現，石油地質方面的研究學者針對縫洞型油藏原始洞穴的形成與坍塌進行了許多工作，目前可以對洞穴的形態、結構、組成和是否坍塌做出較為精細的描述。而針對油氣生產過程中洞穴的坍塌機理，以及洞穴塌陷對油氣生產的影響，尚未發現有相關的研究。

油氣生產過程中洞穴塌陷的本質是，由于長期的地質作用和地層演變，地下洞穴巖壁圍巖層強度較其他位置處的巖石低，且存在較多的微裂隙。油氣開采使得洞穴內壓力降低與上覆壓力形成壓力差，當該壓力差到達了圍巖層破裂極限強度，就會使得巖石巖壁結構的力學穩定性被打破，發生垮塌。因此在本發明中使用巖石力學領域的相關原理來解釋相關問題。地質學和巖石力學等學科研究表明，巖溶洞穴縱向應力載荷受力狀態可以用抗彎強度系數來表示，其可以作為洞穴塌陷臨界指標。圍巖的抗彎強度系數是一個綜合系數，其公式為其中R為圍巖抗彎強度系數，F為上覆載荷，L為洞穴跨距，b為洞穴寬度，h為洞穴頂板厚度。由圍巖的抗彎強度系數公式可知，巖石巖性，構造形態等均為其影響因素。亦有相關文獻和實驗已證明，巖石發生力學失穩破裂與巖石上是否有原始裂縫有直接的關系。也有學者推導出洞穴垮塌理論公式來定量描述洞穴垮塌各因素間的關系。這些研究為定量解釋油氣生產中洞穴宏觀塌陷臨界壓力提供了新思路。

發明內容

本發明提供了一種模擬洞穴型油藏開發過程中應力致塌的試驗裝置及方法，該試驗裝置能夠模擬在多種開采模式下洞穴的坍塌過程，同時能夠定量給出洞穴坍塌的臨界條件。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：

本發明提供的模擬洞穴型油藏開發過程中應力致塌的試驗裝置，所述的裝置包括3D碳酸鹽巖巖心、巖心箱體、電磁閥、圍巖層、夾持底座、注油泵、注水泵、抽汲裝置、儲液箱、井筒管路、壓力表、手動閥和緩沖閥。

其中：3D碳酸鹽巖巖心通過3D打印技術獲得，原材料為強膠結的碳酸鹽巖顆粒，圍巖層采用弱膠結的不規則碳酸鹽巖顆粒；3D碳酸鹽巖巖心有三個洞穴，1號洞穴和3號洞穴外接有壓力表，1號洞穴與2號洞穴和3號洞穴通過裂縫連接，在裂縫處裝有電磁閥，2號洞穴與3號洞穴為上下層，通過2號井筒連接，井筒也裝有電磁閥；洞穴內充有固體填充物和油水混合液體，固體填充物的組成為弱膠結不規則形狀碳酸鹽巖碎屑，油水混合液體通過注液泵注入；巖心箱體為正方體，設置一整面為觀察面，材料選用高強度有機玻璃，其余部分材料選用高強度鋼材，巖心箱體的上方空間為水壓部分，通過注水泵向其注水，箱體底端利用夾持底座固定；流體管路和井筒均選用高強度有機透明玻璃管，1號井筒和3號井筒與1號洞穴連通，2號井筒與2號洞穴和3號洞穴連通；1號井筒與抽汲裝置相連接，管路上依次裝有壓力表、緩沖閥和手動閥，2號井筒和3號井筒與注水泵和抽汲裝置均連接，管路上依次裝有壓力表、緩沖閥和手動閥；本發明裝置中的所有注油泵、注水泵和抽汲裝置均與儲液槽連接。