一种火山岩地层出砂模拟测试方法及测试装置

技术领域

本发明涉及油气田开发技术领域，具体涉及一种火山岩地层出砂模拟测试方法及测试装置。

背景技术

气井出砂之后易造成井壁坍塌、套管破损、地层伤害，甚至砂埋产层等问题；同时，气井出砂还会对地面设备，生产管线造成磨损和堵塞。影响气井出砂的因素有很多，其中，气体的流速是影响出砂的关键因素。火山岩气藏岩性复杂，粘度含量高，地层易出砂，属于高压低渗气藏，当气体流速大于临界气体流速时结构发生破坏导致出砂。因此，测定气井出砂临界流速，对于制定合理的工作制度、选择合适的完井方式和防砂方法等工作都十分重要。

目前，一般通过数学模型来计算临界气体流速。然而，采用数学模型计算的临界气体流速，准确性得不到保证。而现阶段的实验装置一般均主要针对砂岩岩心进行试验且主要测定气井出砂临界流速，无法模拟储层出砂情况，因此亟需一种可以模拟火山岩储层出砂模拟的系统，用以测定火山岩储层出砂临界流速及出砂量，为后续完井方式及实际开采过程提供依据。

发明内容

本发明所要解决的问题是现阶段的砂岩岩心试验装置无法模拟储层出砂情况，目的在于提供了一种火山岩地层出砂模拟测试方法及测试装置，解决了无法测定火山岩储层出砂临界流速及出砂量的问题。

一种火山岩地层出砂模拟测试方法，包括以下步骤：

S1、明确待模拟火山岩地层的砂样组成；

S2、配置火山岩地层出砂模拟测试岩样，配制待模拟火山岩地层；

S3、对模拟火山岩地层施加等于地层压力的模拟压力；

S4、向模拟火山岩地层通入模拟气体，进行岩样驱替实验；

S5、改变模拟气体的注入流量，获得临界出砂流量和出砂量；

S6、结合气井实际数据，将实验数据折算为气井产量和年出砂量。

具体地，步骤S1的具体步骤为通过地层返出砂样进行砂样粒度分析，明确砂样粒径组成大小及所占比例。

具体地，步骤S2的具体步骤包括：

A1、对地层岩心进行破碎，获得待筛选砂样；

A2、根据步骤S1中确定的粒径组成，并利用不同目数的筛网对砂样进行筛选；

A3、根据步骤S1中确定的粒径比例，按照相对比例将筛选出的砂样进行混合。

一种火山岩地层出砂模拟测试装置，用于实施上述的步骤S3-S5，所述火山岩地层出砂模拟测试装置包括测试工作组件、气体供给组件和数据采集组件，所述测试工作组件竖直设置，所述测试工作组件的流体入口位于所述测试工作组件的上端，所述测试工作组件的流体出口位于所述测试工作组件的下端，所述气体供给组件的出气端与所述测试工作组件的流体入口连通，所述数据采集组件设置在所述测试工作组件的流体出口的下方，模拟火山岩地层砂样设置在所述测试工作组件内部。

具体地，所述测试工作组件包括填砂工作筒、紧压组件、出砂组件和围压泵，所述填砂工作筒竖直设置，所述紧压组件与所述填砂工作筒的上端可拆卸连接，所述出砂组件与所述填砂工作筒的下端可拆卸连接，所述流体入口设置在所述紧压组件内，所述流体出口设置在所述出砂组件内，所述围压泵的压力输出端与所述填砂工作筒内部连通，所述模拟火山岩地层砂样设置在所述填砂工作筒内部。

具体地，所述紧压组件包括紧压块和压紧固定装置，所述紧压块的下端设置在所述填砂工作筒内，所述紧压块的外侧面与所述填砂工作筒的内侧面动密封连接，所述紧压块内设置有作为所述流体入口的竖通孔，所述紧压块的下端面与设置在所述填砂工作筒内部的所述模拟火山岩地层砂样贴合，所述紧压块的上部通过所述压紧固定装置与所述填砂工作筒可拆卸连接。

具体地，所述出砂组件包括锥形漏斗和出砂固定组件，所述锥形漏斗的入口通过所述出砂固定组件固定在所述填砂工作筒的下端，所述锥形漏斗内部设置有用于作为所述流体出口的锥形孔，所述锥形漏斗的入口内径等于所述所述填砂工作筒的内径。

进一步，所述测试工作组件还包括孔网压板和防砂筛网，所述孔网压板设置在所述紧压块与所述模拟火山岩地层砂样之间，所述防砂筛网设置在所述锥形漏斗与所述模拟火山岩地层砂样之间。

具体地，所述气体供给组件包括气体供给装置、气体流量计、压力计和开关调节阀，所述气体供给装置的出气口与所述气体流量计的进气口连通，所述气体流量计的出气口与所述开关调节阀的进气口连通，所述开关调节阀的出气口与所述测试工作组件的流体入口连通，所述压力计设置在所述气体流量计和所述开关调节阀之间的气路上。

更进一步，所述火山岩地层出砂模拟测试装置还包括平台架，所述测试工作组件通过所述平台架竖直固定在所述数据采集组件的上方，所述数据采集组件与所述测试工作组件之间设置有间隙，所述数据采集组件为测量所述测试工作组件的出砂量的开放式容器。

本发明与现有技术相比，本发明通过模拟模拟火山岩地层，并通过模拟火山岩地层和火山岩地层出砂模拟测试装置的配合使用，较为准确的模拟火山岩储层所处井筒工况，实现生产测试过程中地层出砂的准确模拟，测定出砂临界流速及出砂量，为后续完井方式的选择及实际开采过程提供有力依据。

附图说明

附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。

图1是根据本发明所述的一种火山岩地层出砂模拟测试装置的结构示意图。

图2是根据本发明所述的测试工作组件的结构示意图。

附图标记：1、测试工作组件，2、气体供给组件、3、平台架、4、数据采集组件；11、填砂工作筒、12、流体入口、13、流体出口、14、出砂组件、15、孔网压环、16、防砂筛网、17、紧压组件、18、围压泵，21、气压供给装置、22、气体流量计、23、压力计、24、开关调节阀。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。

另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。

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。

一种火山岩地层出砂模拟测试方法，包括以下步骤：

第一步，明确待模拟火山岩地层的砂样组成，通过地层返出砂样进行砂样粒度分析，明确砂样粒径组成大小及所占比例；

第二步，对地层岩心进行破碎，获得待筛选砂样，根据上一步中确定的粒径组成，并利用不同目数的筛网对砂样进行筛选；

在本步骤中，可以利用地层岩心或露头，并通过破碎装置对其进行破碎，将其压成小块后，打碎，边打边筛析，利用不同目数的筛网进行筛析，按上一步中所确定砂样粒径大小筛选不同粒径砂样。

第三步，根据第一步中确定的粒径比例，按照相对比例将筛选出的砂样进行混合，均匀混合配置火山岩地层出砂模拟测试岩样，配制的地层砂粒度分布、地层砂累积重量百分比与实际地层相似。

第四步，对模拟火山岩地层施加等于地层压力的模拟压力，即施加围压，使其符合所模拟的地层的工况。

第五步，进行岩样驱替实验，即向模拟火山岩地层通入模拟气体，并改变模拟气体的注入流量，获得临界出砂流量和出砂量；

第六步，根据模拟火山岩地层出砂测得的驱替流量、出砂量，结合气层厚度、井眼半径等数据，即可将实验数据折算成气井产量、年出砂量，为后续完井方式优选及实际开采过程提共依据。

根据上述的测试方法可以看出，关键点在对模拟火山岩地层施加围压，同时通入模拟气体，从而达到模拟真实工况的情况，而如果要进行第四步、第五步的操作，需要用到专用的设备，而本发明实施例提供了一种火山岩地层出砂模拟测试装置，用于实施上述的步骤；

火山岩地层出砂模拟测试装置包括测试工作组件1、气体供给组件2和数据采集组件4，测试工作组件1竖直设置，测试工作组件1的流体入口12位于测试工作组件1的上端，测试工作组件1的流体出口13位于测试工作组件1的下端，气体供给组件2的出气端与测试工作组件1的流体入口12连通，数据采集组件4设置在测试工作组件1的流体出口13的下方，模拟火山岩地层砂样设置在测试工作组件1内部。

本发明实施例中，将上述方法中制成的模拟火山岩地层砂样置于测试工作组件1内部，并通过气体供给组件2输入驱替气体，通过数据采集组件4对出砂量进行采集，实现获得临界出砂流量和出砂量的目的。

本实施例中将测试工作组件1竖直放置为了方便数据采集组件4对出砂进行采集，砂体可以在重力的作用下直接掉落在数据采集组件4内，而不需要其他的装置进行引导。

但是，也可以根据需求在测试工作组件1的流体出口13和数据采集组件4之间安装引导组件，从而实现测试工作组件1以其余的方位进行放置。

测试工作组件1包括填砂工作筒11、紧压组件17、出砂组件14和围压泵18，填砂工作筒11竖直设置，紧压组件17与填砂工作筒11的上端可拆卸连接，出砂组件14与填砂工作筒11的下端可拆卸连接，流体入口12设置在紧压组件17内，流体出口13设置在出砂组件14内，围压泵18的压力输出端与填砂工作筒11内部连通，模拟火山岩地层砂样设置在填砂工作筒11内部。

为了便于对测试的过程中对填砂工作筒11内部的情况进行观测，可以将填砂工作筒11以透明材料制成，也可以在非透明的填砂工作筒11上开具观察窗，并在观察窗内安装玻璃、透明塑料板等实现密封。

紧压组件17用于将模拟火山岩地层砂样在填砂工作筒11内压紧，压紧程度以待模拟的火山岩地层为参考。

同时设置流体入口12，便于气体供给组件2的气体输入。并设置流体出口13，便于气体的输出。

出砂组件14是对填砂工作筒11内的模拟火山岩地层砂样提供一个出砂通道，以达到模拟地层返砂的目的。

本实施例中，流体入口12与紧压组件17设定为一体，在实际的操作中，也可以将流体入口12与紧压组件17分开设置，即可以在填砂工作筒11的一侧设置流体入口12。

围压泵18用于对上述填砂工作筒11提供围压，围压的取值应与地层压力保持一致。

紧压组件17可以为多种结构，只需要能够对位于填砂工作筒11内的模拟火山岩地层砂样提供压力即可。

下面提供一个紧压组件17的实施例，

紧压组件17包括紧压块和压紧固定装置，紧压块的下端设置在填砂工作筒11内，紧压块的外侧面与填砂工作筒11的内侧面动密封连接，紧压块内设置有作为流体入口12的竖通孔，紧压块的下端面与设置在填砂工作筒11内部的模拟火山岩地层砂样贴合，紧压块的上部通过压紧固定装置与填砂工作筒11可拆卸连接。

紧压块为一个可以在填砂工作筒11内滑动的圆柱体，通过在填砂工作筒11内上下滑动，达到改变填砂工作筒11内部体积的目的，从而可以实现紧压目的。

另外，压紧固定装置可以为多种不同的结构，不做特殊的说明，只要能够对紧压块施加向下的作用力(图2中向右)即可，因此提供三种不同的结构：

结构一：可以为n型结构，n型结构的上端面内部与紧压块的上端贴合，n型结构的下端与填砂工作筒11的上端通过螺纹可拆卸连接，在通过旋转使n型结构持续下移(图2中右移)实现压紧的目的。

结构二：本结构与结构一相似，只是在n型结构的上端面开设通孔，并在紧压块的上端设有一个与通孔对应的圆柱，此结构如图所示，其是为了便于流体入口12与气体供给组件2连通。

结构三：本结构可以直接将压紧固定组件取消，在紧压块的外侧面设置外螺纹，在填砂工作筒11内设置对应的内螺纹，通过螺纹直接实现紧压块的移动。

出砂组件14包括锥形漏斗和出砂固定组件，锥形漏斗的入口通过出砂固定组件固定在填砂工作筒11的下端，锥形漏斗内部设置有用于作为流体出口13的锥形孔，锥形漏斗的入口内径等于填砂工作筒11的内径。

锥形漏斗是为了提供一个出砂通道，因此出砂固定组件的结构与压紧固定组件的结构类似，不做强制性要求。

可以采用结构二或结构三的结构，也可以同时使用结构二和结构三的结构。

测试工作组件1还包括孔网压板15和防砂筛网16，孔网压板15设置在紧压块与模拟火山岩地层砂样之间，防砂筛网16设置在锥形漏斗与模拟火山岩地层砂样之间。

孔网压板15是一个设置有多个圆形通孔的圆板，通过设置在紧压块与模拟火山岩砂样之间，可以用于将注入气源均匀扩散至整个岩心，确保地层气体流入模拟准确性。

防砂筛网16可选择性填装，其是用于模拟防砂筛网16能力测定及后期防砂筛管的选择。

气体供给组件2包括气体供给装置21、气体流量计22、压力计23和开关调节阀24，气体供给装置21的出气口与气体流量计22的进气口连通，气体流量计22的出气口与开关调节阀24的进气口连通，开关调节阀24的出气口与测试工作组件1的流体入口12连通，压力计23设置在气体流量计22和开关调节阀24之间的气路上。

气体供给装置21，用于向填砂工作筒11提供气源，气体通过流体入口12，流经孔网压环，使气源均匀分散注入，以准确模拟气井中气藏气体穿过井筒过程。

通过气体流量计22准确记录气源流入速率。

通过压力表23记录入口处的注入压裂。

通过开关调节阀24调整注入气量的大小。

气体供给装置21可以使储气罐、气瓶等，优选为气瓶。

火山岩地层出砂模拟测试装置还包括平台架3，测试工作组件1通过平台架3竖直固定在数据采集组件4的上方，数据采集组件4与测试工作组件1之间设置有间隙，数据采集组件4为测量测试工作组件1的出砂量的开放式容器。

平台架3可以为任意具体稳定支撑作业的平台架3。

数据采集组件4用于接住从测试工作组件1内流出的砂样，并且用于测量出口端出砂量，因此数据采集组件4可以为任意上端开口的容器，例如：圆盆、无盖箱体等。

本发明实施例提供的模拟火山岩储层出砂的装置，较真实的模拟了地层出砂过程，能够用来准确测定火山岩储层的临界地层出砂流量及出砂量。

下面通过一个具体的实施例，将本实施提供的模拟火山岩储层出砂的装置与对应测试的方法进行详细说明，包括以下步骤：

第一步，明确待模拟火山岩地层的砂样组成，通过地层返出砂样进行砂样粒度分析，明确砂样粒径组成大小及所占比例；

第二步，对地层岩心进行破碎，获得待筛选砂样，根据上一步中确定的粒径组成，并利用不同目数的筛网对砂样进行筛选；

可以选择利用地层岩心或露头，并通过破碎装置对其进行破碎，将其压成小块后，打碎，边打边筛析，利用不同目数的筛网进行筛析，按上一步中所确定砂样粒径大小筛选不同粒径砂样，如表1：

第三步，根据第一步中确定的粒径比例，按照相对比例将筛选出的砂样进行混合，均匀混合配置火山岩地层出砂模拟测试岩样，配制的地层砂粒度分布、地层砂累积重量百分比与实际地层相似。

按表1均匀混合砂岩，将填砂工作筒11本体与锥形漏斗连接，根据需求可放入防砂筛网16，将配置好的地层砂混合均匀后装入填砂工作筒11中，然后放置带均匀孔网的孔网压环，连接好气体供给装置21，放置在平台架3上。

第四步，对模拟火山岩地层施加等于地层压力的模拟压力，即施加围压，使其符合所模拟的地层的工况。

利用围压泵18给填砂工作筒11施加围压，围压的取值应与地层压力保持一致，打开气体供给组件2的开关调节阀24，给填砂工作筒11从流体入口12提供上游压力，并以不同注入流量驱替，记录各个时刻的驱替时间、驱替压差以及出砂情况，直到找出临界出砂流量及出砂量。

第五步，进行岩样驱替实验，即向模拟火山岩地层通入模拟气体，并改变模拟气体的注入流量，获得临界出砂流量和出砂量；

以上方法进行出砂临界流速测试及不同流量出砂规律模拟。

表2火山岩储层出砂临界流量测试结果表

表3火山岩不同驱替流量与出砂量测试结果表

第六步，根据模拟火山岩地层出砂测得的驱替流量、出砂量，结合气层厚度、井眼半径等数据，即可将实验数据折算成气井产量、年出砂量，为后续完井方式优选及实际开采过程提共依据。

根据实验模拟结果可知，地层出砂临界流量为0.8L/min～1L/min，假设气层厚度为50m，折算气井产量为1.13～1.42×104m

当气层厚度为75m时，模拟气井产量为42.52×104m

另外，需要说明的是，在生产实践过程中，在利用本发明提供的火山岩地层出砂模拟测试装置及方法，测定出气井出砂的临界气体流速及出砂量后，结合储层厚度，计算出年出砂量，以更好的指导生产实践。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述发明的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。