CN110873634B - 模拟浅水流灾害发生过程的实验装置及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油勘探设备技术领域，提供一种模拟浅水流灾害发生过程的实验装置及其实验方法。本发明所述的模拟浅水流灾害发生过程的实验装置包括用于放置砂砾样品的放样台(1)以及用于收集从所述放样台(1)排出的砂砾的收集容器(2)，所述放样台(1)连接有用于向放置的所述砂砾样品注入流体的流体管路，所述放样台(1)顶部设有泄压孔(3)，所述收集容器(2)和所述泄压孔(3)之间通过泄压管路(4)相连。本发明的装置能够准确模拟浅水流灾害发生过程，针对深海浅层超压砂体触发及流动机理进行研究，对浅水流灾害的流动破坏机制及破坏程度进行定量化分析，以便后续研究中更好地对浅水流灾害进行预测和防治。

Description

模拟浅水流灾害发生过程的实验装置及其实验方法

技术领域

本发明涉及石油勘探设备技术领域，特别涉及一种模拟浅水流灾害发生过程的实验装置及其实验方法。

背景技术

随着海洋油气工业的不断发展，油气资源的探索及开发逐渐向深海迈进。然而，由于特殊的地质及工程条件，深水钻井安全中的地质灾害已经成为制约深水油气勘探开发的严重问题。其中，浅水流灾害是目前深海钻井作业中遇到的主要地质灾害之一，在墨西哥湾等海洋油气开发区块引起了较大的经济损失。

浅水流灾害是指深水钻探过程中钻遇超压砂层而产生局部地层压力差，进而引发砂体变形流动的现象，砂砾在压差作用下进入井筒甚至向上冲出井口，对井壁稳定以及管柱等设备造成极大破坏。其中，超压砂层是指由于快速沉积、不平衡压实等作用所引起的异常高孔隙压力的砂水混合物。

目前对于浅水流灾害已有初步的识别、预防和控制方法，主要以地球物理技术，包括测井、地质模型、反射地质、反演等方法快速识别并评估风险程度。然而，目前的研究主要以浅水流灾害的初步预测以及防治措施为主，尚未对其进行定量化分析，在微观流动破环机制上也缺少准确的描述，因此现有技术中缺少模拟浅水流灾害发生过程的实验装置。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种能够便于针对深海浅层超压砂体触发及流动机理进行研究的模拟浅水流灾害发生过程的实验装置及其实验方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种模拟浅水流灾害发生过程的实验装置，包括用于放置砂砾样品的放样台以及用于收集从所述放样台排出的砂砾的收集容器，所述放样台连接有用于向放置的所述砂砾样品注入流体的流体管路，所述放样台顶部设有泄压孔，所述收集容器和所述泄压孔之间通过泄压管路相连。

可选地，所述放样台包括用于将所述砂砾压实且能够调节压实程度的上压板和下压板，所述上压板设有向下延伸的凸出部，所述下压板设有用于放置所述砂砾且与所述凸出部相配合的凹陷部。

可选地，所述凸出部为端部连接于所述上压板的圆柱体，所述泄压孔设置在所述凸出部中心位置且沿所述圆柱体轴向方向延伸。

可选地，所述下压板上开设有注水孔，所述注水孔沿所述凹陷部的周向均匀设置且与所述凹陷部相连通，所述流体管路包括连接于所述泄压孔的第一流体管路和连接于所述注水孔的第二流体管路，所述第一流体管路上设有进液阀。

可选地，所述注水孔通过环形通道与所述凹陷部相连通，所述环形通道环绕所述凹陷部设置，所述注水孔与所述环形通道之间通过沿径向延伸的第一通道相连，所述环形通道与所述凹陷部之间通过沿径向延伸的第二通道相连。

可选地，所述第一通道和所述第二通道分别沿所述环形通道周向均布且形成错位设置，相邻所述第一通道之间的所述第二通道的数量相同。

可选地，所述模拟浅水流灾害发生过程的实验装置包括用于对所述放样台和所述收集容器内部进行抽真空的抽真空单元，所述抽真空单元包括真空泵和连接于所述真空泵的缓存容器，所述缓存容器上设有连接于所述泄压孔的抽真空管路，所述抽真空管路上设有真空阀。

可选地，所述泄压管路上设有泄压阀和用于采集泄压过程中压力数据的压力传感器，所述模拟浅水流灾害发生过程的实验装置包括用于拍摄采集所述砂砾运移情况的摄像单元。

本发明第二方面提供一种模拟浅水流灾害发生过程的实验方法，该方法采用上述任意方案所述的模拟浅水流灾害发生过程的实验装置，所述方法包括如下步骤：

S1、将砂砾放置在所述放样台上压实；

S2、沿所述流体管路向所述放样台内注入水，并逐渐提高注入压力，直至所述放样台内压力达到目标压力数值；

S3、通过所述泄压孔开始泄压，所述砂砾沿所述泄压孔喷出，观察所述放样台上砂砾运移情况并收集所述收集容器和所述泄压管路中的砂砾，烘干并称重。

可选地，所述模拟浅水流灾害发生过程的实验方法还包括步骤S0，所述步骤S0包括对部分放置在所述放样台上的所述砂砾进行染色处理。

相对于现有技术，本发明所述的模拟浅水流灾害发生过程的实验装置具有以下优势：

本发明的装置通过注水进入放样台并提升放样台内部压力，使得放置在放样台上的砂砾和流体从泄压孔喷出进入收集容器，能够准确模拟浅水流灾害发生过程，通过观察砂砾运移情况并对喷出砂砾进行称重，进而能够针对深海浅层超压砂体触发及流动机理进行研究，对浅水流灾害的流动破坏机制及破坏程度进行定量化分析，以便后续研究中更好地对浅水流灾害进行预测和防治。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

在附图中：

图1为本发明一种实施方式所述的模拟浅水流灾害发生过程的实验装置的结构示意图；

图2为图1的实验装置中放样台的结构示意图；

图3为图2的放样台的剖视图；

图4为图2的放样台的俯视图；

图5为图2的放样台中上压板的结构示意图；

图6为图5的上压板的侧视图；

图7为图2的放样台中下压板的结构示意图；

图8为图7的下压板的俯视图。

附图标记说明：

1—放样台、2—收集容器、3—泄压孔、4—泄压管路、5—上压板、6—下压板、7—凸出部、8—凹陷部、9—注水孔、10—第一流体管路、11—第二流体管路、12—进液阀、13—环形通道、14—第一通道、15—第二通道、 16—真空泵、17—缓存容器、18—抽真空管路、19—真空阀、20—泄压阀、 21—压力传感器、22—密封圈槽、23—总管路、24—总阀、25—螺栓、26—注水泵。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。

结合图1，根据本发明的一个方面，提供了一种模拟浅水流灾害发生过程的实验装置，包括用于放置砂砾样品的放样台1以及用于收集从所述放样台1排出的砂砾的收集容器2，所述放样台1连接有用于向放置的所述砂砾样品注入流体的流体管路，所述放样台1顶部设有泄压孔3，所述收集容器 2和所述泄压孔3之间通过泄压管路4相连。

模拟过程中，通过流体管路向放置在放样台1上的所述砂砾样品注入流体，注入过程中，砂砾样品内部压力持续升高，当达到目标压力值时，可以保持该注入压力10-15分钟，保证样品内部流体压力达到均匀状态，随后通过泄压孔3开始泄压，此时砂砾和流体将从泄压孔3经泄压管路4喷射进入收集容器2，从而准确模拟深海钻井过程中钻遇浅水流灾害时，井筒处产生瞬时压降而引起超压砂体变形流动的过程。通过观察泄压过程中砂砾的运移情况并对喷射出的砂砾进行烘干称重，便于后续针对深海浅层超压砂体触发及流动机理进行研究。

其中，目标压力值可根据实际需要自行设定，满足能够实现砂砾和流体的喷射，模拟浅水流灾害发生过程即可，一般来说实验过程中，目标压力值不超过5兆帕。

可以说，本发明的装置通过注水进入放样台并提升放样台中砂砾内部压力，使得放置在放样台上的砂砾和流体从泄压孔喷出进入收集容器，能够准确模拟浅水流灾害发生过程，通过观察砂砾运移情况并对喷出砂砾进行称重，进而能够针对深海浅层超压砂体触发及流动机理进行研究，对浅水流灾害的流动破坏机制及破坏程度进行定量化分析，以便后续研究中更好地对浅水流灾害进行预测和防治。需要说明的是，在本实施方式中，注入流体通常是水，本发明装置还包括注水单元，注水单元与放样台1相连以对放样台1进行注水。

为了更好地模拟地应力的情况，以便获得真实的砂砾状态，所述放样台 1包括用于将所述砂砾压实且能够调节压实程度的上压板5和下压板6，所述上压板5设有向下延伸的凸出部7，所述下压板6设有用于放置所述砂砾且与所述凸出部7相配合的凹陷部8，如图2-图7所示。为提升气密性，便于注水过程中砂砾样品的压力提升，凸出部7和凹陷部8之间通过密封圈挤压密封，凸出部7上设有用于套设密封圈的密封圈槽22。

通过将砂砾放置在凹陷部8中，并利用凸出部7对砂砾进行挤压以将砂砾压实，从而模拟浅水流灾害发生前真实的砂砾状态。当然，根据实验需求可以调节对砂砾的压实程度，具体来说，凹陷部8的深度需大于凸出部7的高度，以为砂砾预留出容纳空间且能够实现对砂砾压实程度的调节。为便于实现上述调节，上压板5和下压板6上分别对应设置有螺栓孔，利用螺栓25 由上至下穿过螺栓孔，在下压板6的一侧的螺栓25上安装螺母，通过旋动螺母能够调节凸出部7伸入凹陷部8的长度，从而对砂砾的压实程度进行调节。

当然，凸出部7和凹陷部8可以设置为任意形状，只要二者能够相互配合对砂砾进行挤压即可。为了对砂砾实现均匀压实，可选地，所述凸出部7 为端部连接于所述上压板5的圆柱体，所述泄压孔3设置在所述凸出部7中心位置且沿所述圆柱体轴向方向延伸。其中，将泄压孔3设置在凸出部7中心位置能够更好地模拟砂砾从井筒喷出的过程，且设置在中心位置能够减少由于位置设置的偏移所带来的模拟偏差，从而获得更精准的模拟结果。

需要说明的是，所述下压板6上开设有注水孔9，所述注水孔9沿所述凹陷部8的周向均匀设置且与所述凹陷部8相连通，所述流体管路包括连接于所述泄压孔3的第一流体管路10和连接于所述注水孔9的第二流体管路 11，所述第一流体管路10上设有进液阀12。注水孔9与第二流体管路11 之间螺纹连接，为提高密封性，第二流体管路11外通过缠设生胶带进行密封。

由此，通过注水孔9能够向放样台1内注入流体，且注水孔9沿凹陷部8的周向均匀设置，以实现均匀注水，另外需要注意的是，泄压孔3也能够用于注入流体，具体地，流体经第一流体管路10、泄压孔3进入放样台1，而当泄压过程中，则需关闭第一流体管路10上的进液阀12，随后流体和砂砾从泄压孔3经泄压管路4喷出。可见，第一流体管路10和泄压管路4均连接于泄压孔3，第一流体管路10和泄压管路4可选择同时连接于从泄压孔 3伸出的总管，或者可在泄压孔3处安装三通阀来实现上述连接。

注水过程中，水流经第一流体管路10和第二流体管路11同时进入放样台1，为方便注水，本发明的模拟装置包括总管路23，第一流体管路10 第二流体管路11作为分支管路均连接于总管路23，总管路23上设有注水泵 26和总阀24。开始模拟时，打开总阀24和进液阀12，开启注水泵26，水流经第一流体管路10和第二流体管路11进入放样台1，而泄压过程中，关闭进液阀12，此时泄压孔3不用于注水，而只用于喷射流体和砂砾，该状态下，注水仍持续进行，水流经总管路23和第二流体管路11进入放样台1。

此外，所述注水孔9通过环形通道13与所述凹陷部8相连通，所述环形通道13环绕所述凹陷部8设置。由此，水经注水孔9进入后可在环形通道13中进行缓冲，以平衡水流冲击压力，实现均匀注水。其中，所述注水孔9与所述环形通道13之间通过沿径向延伸的第一通道14相连，所述环形通道13与所述凹陷部8之间通过沿径向延伸的第二通道15相连。

如图8所示，为进一步防止注水过程中对砂砾造成冲击，所述第一通道 14和所述第二通道15分别沿所述环形通道13周向均布且形成错位设置，相邻所述第一通道14之间的所述第二通道15的数量相同，以保证注水的均匀性。本实施方式中，第一通道14的数量为4个，第二通道15的数量为12 个，当然第二通道15的数量还可设置为6个、8个或10个，本发明对此不作具体限制。进一步地，为防止放样台1中砂砾进入流体管路，需对环形通道13进行防砂处理，第二通道15内部设有用于将通道开口于砂砾样品隔开的高目数筛网，筛网目数应高于沙砾样品的最高目数。

一般来说，模拟过程前，放样台1和收集容器2内部若存在空气，则后续注水过程中，空气由于压力升高而膨胀将不可避免对砂砾造成影响，为消除上述影响，尽可能提升模拟过程的准确度，还原真实的发生过程，所述模拟浅水流灾害发生过程的实验装置包括用于对所述放样台1和所述收集容器 2内部进行抽真空的抽真空单元，所述抽真空单元包括真空泵16和连接于所述真空泵16的缓存容器17，所述缓存容器17上设有连接于所述泄压孔3 的抽真空管路18，所述抽真空管路18上设有真空阀19。装置使用前，关闭进液阀12和总阀24，打开真空阀19，启动真空泵16，利用真空泵16对放样台1和收集容器2内部进行抽真空，即同时对放样台1内砂砾样品进行抽真空，抽出空气可进入缓存容器17，而在装置使用时，则打开进液阀12和总阀24，关闭真空阀19，随后可进行正常注水步骤。

为了更好地针对深海浅层超压砂体触发及流动机理进行研究，所述泄压管路4上设有泄压阀20和用于采集泄压过程中压力数据的压力传感器21，所述模拟浅水流灾害发生过程的实验装置包括用于拍摄采集所述砂砾运移情况的摄像单元。需要说明的是，上述抽真空过程中，泄压阀20处于关闭状态。泄压过程中，关闭进液阀12，开启泄压阀20，使得泄压管路4处于开通状态，通过压力传感器21采集泄压过程中压力数据，研究压力数据变化情况，记录瞬时压降，从而为超压砂体触发及流动机理研究提供数据支撑。此外，摄像单元可安装在放样台1处，以拍摄采集砂砾在压差作用下的运移情况，并且为方便拍摄记录，上压板5和下压板6采用有机玻璃材质制造。

本发明第二方面提供一种模拟浅水流灾害发生过程的实验方法，该方法采用上述任意方案所述的模拟浅水流灾害发生过程的实验装置，所述方法包括如下步骤：

S1、将砂砾放置在所述放样台1上压实；

S2、沿所述流体管路向所述放样台1内注入水，并逐渐提高注入压力，直至所述放样台1内压力达到目标压力数值；

S3、通过所述泄压孔3开始泄压，所述砂砾沿所述泄压孔3喷出，观察所述放样台1上砂砾运移情况并收集所述收集容器2和所述泄压管路4中的砂砾，烘干并称重。

可以理解地，该实验方法采用上述实验装置，因此在模拟时，打开进液阀12和总阀24，启动注水泵26，通过流体管路向放样台1上放置的砂砾样品中缓慢注水，并逐渐提高注入压力，使放样台1中的砂砾样品达到异常孔隙高压状态，当达到目标压力数值时，关闭进液阀12，打开泄压阀20，此时放样台1中的部分砂砾和流体将经泄压管路4喷出进入收集容器2，利用摄像单元观察记录泄压点附近砂砾颗粒运移情况，同时通过压力传感器21 记录泄压管路4上压力变化情况，一定时间后，关闭注水泵26和泄压阀20，收集上述收集容器2和泄压管路4中残留的砂砾，烘干并称重，最终分析获得的所有实验数据，对浅水流现象的严重情况进行评估，观察分析井筒(泄压点)附近砂砾运移情况。

在后续的研究过程中，摄像单元还能够辅以DIC数字图像相关技术进一步分析。其中，是否达到目标压力数值的判断能够通过压力传感器或压差传感器来实现。当然，还可在模拟过程前对放样台1和收集容器2内部进行抽真空，抽真空的步骤如上文中的记载，此处不作过多赘述。

本发明的实验方法能够再现真实情况下的浅水流灾害发生过程，砂体的流动变形机理符合实际情况，且通过可视化放样台1及DIC数字图像相关技术，可以精细描绘超压砂体的流动变形情况，为浅水流灾害的力学机理研究提供了有效支撑。

需要说明的是，若模拟过程中，大批量砂砾存在明显的运移趋势，则方便观察研究，而若模拟效果不理想，无法观察出砂砾的运移趋势，可选地，所述模拟浅水流灾害发生过程的实验方法还包括步骤S0，所述步骤S0包括对部分放置在所述放样台1上的所述砂砾进行染色处理。通过对部分砂砾进行染色处理，模拟过程中，只需重点观测该部分砂砾运移情况即可，便于对砂砾运移趋势和流动变形情况进行分析，进而方便针对深海浅层超压砂体的流动机理进行研究。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种模拟浅水流灾害发生过程的实验装置，其特征在于，包括用于放置砂砾样品的放样台(1)以及用于收集从所述放样台(1)排出的砂砾的收集容器(2)，所述放样台(1)连接有用于向放置的所述砂砾样品注入流体的流体管路，所述放样台(1)顶部设有泄压孔(3)，所述收集容器(2)和所述泄压孔(3)之间通过泄压管路(4)相连，所述放样台(1)包括用于将所述砂砾压实且能够调节压实程度的上压板(5)和下压板(6)，所述上压板(5)设有向下延伸的凸出部(7)，所述下压板(6)设有用于放置所述砂砾且与所述凸出部(7)相配合的凹陷部(8)；所述下压板(6)上开设有注水孔(9)，所述注水孔(9)沿所述凹陷部(8)的周向均匀设置且与所述凹陷部(8)相连通，所述流体管路包括连接于所述泄压孔(3)的第一流体管路(10)和连接于所述注水孔(9)的第二流体管路(11)，所述第一流体管路(10)上设有进液阀(12)。

2.根据权利要求1所述的模拟浅水流灾害发生过程的实验装置，其特征在于，所述凸出部(7)为端部连接于所述上压板(5)的圆柱体，所述泄压孔(3)设置在所述凸出部(7)中心位置且沿所述圆柱体轴向方向延伸。

3.根据权利要求1所述的模拟浅水流灾害发生过程的实验装置，其特征在于，所述注水孔(9)通过环形通道(13)与所述凹陷部(8)相连通，所述环形通道(13)环绕所述凹陷部(8)设置，所述注水孔(9)与所述环形通道(13)之间通过沿径向延伸的第一通道(14)相连，所述环形通道(13)与所述凹陷部(8)之间通过沿径向延伸的第二通道(15)相连。

4.根据权利要求3所述的模拟浅水流灾害发生过程的实验装置，其特征在于，所述第一通道(14)和所述第二通道(15)分别沿所述环形通道(13)周向均布且形成错位设置，相邻所述第一通道(14)之间的所述第二通道(15)的数量相同。

5.根据权利要求1所述的模拟浅水流灾害发生过程的实验装置，其特征在于，所述模拟浅水流灾害发生过程的实验装置包括用于对所述放样台(1)和所述收集容器(2)内部进行抽真空的抽真空单元，所述抽真空单元包括真空泵(16)和连接于所述真空泵(16)的缓存容器(17)，所述缓存容器(17)上设有连接于所述泄压孔(3)的抽真空管路(18)，所述抽真空管路(18)上设有真空阀(19)。

6.根据权利要求1所述的模拟浅水流灾害发生过程的实验装置，其特征在于，所述泄压管路(4)上设有泄压阀(20)和用于采集泄压过程中压力数据的压力传感器(21)，所述模拟浅水流灾害发生过程的实验装置包括用于拍摄采集所述砂砾运移情况的摄像单元。

7.一种模拟浅水流灾害发生过程的实验方法，其特征在于，该方法采用权利要求1-6中任意一项所述的模拟浅水流灾害发生过程的实验装置，所述方法包括如下步骤：

S1、将砂砾放置在所述放样台(1)上压实；

S2、沿所述流体管路向所述放样台(1)内注入水，并逐渐提高注入压力，直至所述放样台(1)内压力达到目标压力数值；

S3、通过所述泄压孔(3)开始泄压，所述砂砾沿所述泄压孔(3)喷出，观察所述放样台(1)上砂砾运移情况并收集所述收集容器(2)和所述泄压管路(4)中的砂砾，烘干并称重。

8.根据权利要求7所述的模拟浅水流灾害发生过程的实验方法，其特征在于，所述模拟浅水流灾害发生过程的实验方法还包括步骤S0，所述步骤S0包括对部分放置在所述放样台(1)上的所述砂砾进行染色处理。

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