[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

说明书

本发明公开了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，所述的装置包括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。所述方法包括：（1）理论关系单元；（2）设计单元；（3）实验模拟装置；（4）结论评价单元。本发明能够对洞穴型油藏在开发过程中的应力致塌现象进行全程模拟，从理论上研究洞穴坍塌的临界条件，减少生产现场因洞穴塌陷造成的油气产量下降，提高工作效率。

技术领域

本发明涉及油气田开发和油藏工程领域，具体为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。

背景技术

碳酸盐岩地下溶洞是缝洞型碳酸盐岩油气藏的主要油气储集空间。在缝洞油藏的开发和生产过程中，随着溶洞内的压力降低可能会引发岩壁破裂，导致洞穴发生坍塌。坍塌后的溶洞顶板塌陷，洞内会堆积大量的角砾、沙土等碎屑，储集空间也会因此大大减少甚至消失。

研究油气生产过程中的洞穴塌陷问题，对指导缝洞碳酸盐岩油藏的开发具有重要意义。研究内容的关键在于确定洞穴塌陷时岩壁破裂位置及其影响因素，以及定量确定洞穴塌陷的临界破裂压力。

发明人在发明本专利的过程中发现，石油地质方面的研究学者针对缝洞型油藏原始洞穴的形成与坍塌进行了许多工作，目前可以对洞穴的形态、结构、组成和是否坍塌做出较为精细的描述。而针对油气生产过程中洞穴的坍塌机理，以及洞穴塌陷对油气生产的影响，尚未发现有相关的研究。

油气生产过程中洞穴塌陷的本质是，由于长期的地质作用和地层演变，地下洞穴岩壁围岩层强度较其他位置处的岩石低，且存在较多的微裂隙。油气开采使得洞穴内压力降低与上覆压力形成压力差，当该压力差到达了围岩层破裂极限强度，就会使得岩石岩壁结构的力学稳定性被打破，发生垮塌。因此在本发明中使用岩石力学领域的相关原理来解释相关问题。地质学和岩石力学等学科研究表明，岩溶洞穴纵向应力载荷受力状态可以用抗弯强度系数来表示，其可以作为洞穴塌陷临界指标。围岩的抗弯强度系数是一个综合系数，其公式为其中R为围岩抗弯强度系数，F为上覆载荷，L为洞穴跨距，b为洞穴宽度，h为洞穴顶板厚度。由围岩的抗弯强度系数公式可知，岩石岩性，构造形态等均为其影响因素。亦有相关文献和实验已证明，岩石发生力学失稳破裂与岩石上是否有原始裂缝有直接的关系。也有学者推导出洞穴垮塌理论公式来定量描述洞穴垮塌各因素间的关系。这些研究为定量解释油气生产中洞穴宏观塌陷临界压力提供了新思路。

发明内容

本发明提供了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，该试验装置能够模拟在多种开采模式下洞穴的坍塌过程，同时能够定量给出洞穴坍塌的临界条件。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的模拟洞穴型油藏开发过程中应力致塌的试验装置，所述的装置包括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；本发明装置中的所有注油泵、注水泵和抽汲装置均与储液槽连接。