[发明专利]一种模拟洞穴型油藏开发过程中应力致塌的试验装置及方法

权利要求书

1.一种模拟洞穴型油藏开发过程中应力致塌的试验方法，其特征在于，所述试验方法利用试验装置，所述的试验装置包括3D碳酸盐岩岩心、岩心箱体、电磁阀、围岩层、夹持底座、注油泵、注水泵、抽汲装置、储液箱、井筒管路、压力表、手动阀和缓冲阀；

其中：3D碳酸盐岩岩心通过3D打印技术获得，原材料为强胶结的碳酸盐岩颗粒，围岩层采用弱胶结的不规则碳酸盐岩颗粒；3D碳酸盐岩岩心有三个洞穴，1号洞穴和3号洞穴外接有压力表，1号洞穴与2号洞穴和3号洞穴通过裂缝连接，在裂缝处装有电磁阀，2号洞穴与3号洞穴为上下层，通过2号井筒连接，井筒也装有电磁阀；洞穴内充有固体填充物和油水混合液体，固体填充物的组成为弱胶结不规则形状碳酸盐岩碎屑，油水混合液体通过注液泵注入；岩心箱体为正方体，设置一整面为观察面，材料选用高强度有机玻璃，其余部分材料选用高强度钢材，岩心箱体的上方空间为水压部分，通过注水泵向其注水，箱体底端利用夹持底座固定；流体管路和井筒均选用高强度有机透明玻璃管，1号井筒和3号井筒与1号洞穴连通，2号井筒与2号洞穴和3号洞穴连通；1号井筒与抽汲装置相连接，管路上依次装有压力表、缓冲阀和手动阀，2号井筒和3号井筒与注水泵和抽汲装置均连接，管路上依次装有压力表、缓冲阀和手动阀；试验装置中的所有注油泵、注水泵和抽汲装置均与储液槽连接；

所述试验方法方法包括：

(1)理论关系单元：在油气生产过程中，洞穴坍塌的本质原因是上覆岩层压力和洞穴内部压力之差到达脆弱围岩层的破裂临界压力，围岩的力学稳定性被打破；

(2)设计单元：用于根据岩石在应力载荷下的受力状态描述和临界塌陷的力学参数评价，设计不同性质与样式的围岩脆弱层，针对其影响因素进行分析并设计试验装置及流程；

(3)试验装置：用来对洞穴模型进行抽液注液，来模拟油气生产过程的采油和注水注气生产作业，同时改变生产制度来调节洞穴内部压力，模拟洞穴发生坍塌；

(4)结论评价单元：结合模拟不同的生产制度下洞穴坍塌过程，确定洞穴脆弱层最先产生新裂缝的地带，计算洞穴塌陷临界压力，并对其坍塌程度进行刻画。

2.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于，所述理论关系单元还包括：洞穴坍塌临界压力、上覆岩层压力和洞穴内部压力存在数学关系：P_临界＝P_上覆-P_内部，其中P_临界为洞穴坍塌临界压力，P_上覆为上覆岩层压力，P_内部为洞穴内部压力；上覆岩层压力P_上覆的取值，由设定的洞穴埋藏深度，通过压强公式来模拟，应用到的数学公式为：

P＝ρgH；

其中，ρ为上覆岩层平均密度，g为重力加速度，H为洞穴埋藏深度。

3.根据权利要求1所述的试验方法，其特征还在于，所述设计单元包括：对围岩层的岩性性质进行不同于其他处岩石岩性的设计，用于遵循实际中的围岩层存在许多微裂隙、岩石力学强度较小、易破碎的原则；设计单拱型和双拱形围岩盖层模式，用于根据岩石力学性质稳定性的分析来研究围岩层的形态构造对洞穴塌陷的影响；在围岩层中制造裂缝，用于研究裂缝对围岩层破裂的影响。

4.根据权利要求1所述的试验方法，其特征还在于，所述结论评价单元包括：确定围岩层初始破裂位置，用于对围岩层的强度最弱处的定位，判断洞穴发生塌陷时的破裂形式；计算塌陷临界压力，用于确定围岩层发生破坏而导致洞穴坍塌时，上覆岩层压力与洞内液体压力的压力差；描述洞穴坍塌程度，用于对油气生产过程中应力致塌现象进行刻画，以及洞穴坍塌造成的后果进行定性分析。