本發明涉及石油鉆井工程，具體涉及一種平衡點法壓井模擬實驗裝置及模擬實驗方法。

背景技術：

1、隨著國內天然氣需求快速增長和國家對于能源安全的高度重視，油氣資源的勘探開發力度不斷增大，目的層由中淺層向深層和超深層快速延伸。相比中淺層，通常深層和超深層具有超高溫、超高壓、壓力系統復雜等特點，自上而下可能會遭遇縫洞、斷層等地質工程難題，導致鉆井難度大，鉆井過程中出現井下復雜事故頻率高。

2、鉆井是油氣開采必不可少的作業環節，當鉆井過程中井底壓力不能平衡地層壓力時，地層中的流體就會侵入井筒，發生溢流現象。而鉆遇異常高壓地層、縫洞發育井段或者多套壓力體系互層的同一裸眼段是溢流發生的主要原因。尤其當鉆遇高壓氣層時，一旦發生溢流，若處置不及時，易導致鉆柱和環空內鉆井液噴空，井筒呈空井狀態，已無法建立正常的井筒循環通道。面對這種情況，常規的壓井方法如工程師法壓井和司鉆法壓井已無法進行處置，為了重新能夠控制住溢流并建立新的井底壓力平衡關系，因此只能采取非常規壓井方法，如平衡點法壓井。

3、平衡點法壓井是一種氣井噴空后，可以安全快速處置溢流的壓井方法，該方法適用于井內鉆井液噴空后的天然氣壓井，但要求井口防噴器完好且關閉，鉆柱在井底，氣體經過放噴關系放噴。

4、盡管平衡點法壓井已經在現場得到了實際的應用，但是很多關鍵參數，例如壓井液密度以及平衡點井深卻仍然只能根據經驗確定，導致實際實施平衡點法時可能出現無法有效壓井的情況。

技術實現思路

1、本發明的第一目的在于提供一種平衡點法壓井模擬實驗裝置，解決無法科學、精確地獲取平衡點法所需的關鍵參數的問題。

2、本發明的第二目的在于提供一種平衡點法壓井模擬實驗方法，解決無法確保平衡點法壓井成功率的問題。

3、本發明通過下述技術方案實現：

4、一種平衡點法壓井模擬實驗裝置，包括：容納室，所述容納室用于密閉容納巖樣，所述巖樣與所述容納室內壁之間預留有間隙；模擬井筒，所述模擬井筒的輸出端與所述容納室密閉連通；抽真空機構，所述抽真空機構與所述模擬井筒的輸入端連通，用于使所述模擬井筒及所述容納室處于真空狀態；注液機構，所述注液機構與所述模擬井筒的輸入端連通，用于向所述模擬井筒內注入鉆井液及壓井液；注氣機構，所述注氣機構通過增壓泵與所述容納室連通，用于向所述間隙內注入增壓氣體，用于模擬井內泥漿噴空過程以及噴空后的關井狀態。

5、可選地，所述模擬井筒包括依次連通的直井段、造斜段及水平段；所述水平段水平設置，所述水平段遠離所述造斜段的一端與所述容納室密閉連通；所述直井段豎直設置，所述抽真空機構、所述注液機構及所述氣液分離機構分別與所述直井段遠離所述造斜段的一端連通。

6、可選地，所述模擬井筒內同軸穿設有注入管，所述注入管用于引導壓井液，所述注入管的一端穿設于所述巖樣內。

7、可選地，還包括氣液分離機構，所述氣液分離機構與所述模擬井筒的輸入端連通，用于分離壓井液和增壓氣體。

8、可選地，還包括循環機構，所述氣液分離機構通過所述循環機構與所述注液機構連通，以使所述氣液分離機構分離得到的壓井液回流至所述注液機構。

9、可選地，還包括排空機構，所述排空機構與所述氣液分離機構連通，以使所述氣液分離機構分離得到的氣體排空。

10、可選地，所述直井段頂端連有多通，所述抽真空機構、所述注液機構、所述氣液分離機構及所述排空機構分別與所述多通連通。

11、可選地，所述抽真空機構和所述注液機構通過防噴器與所述多通的同一側連通。

12、一種平衡點法壓井模擬實驗方法，采用上述任意一種平衡點法壓井模擬實驗裝置進行，包括如下步驟：

13、采用所述抽真空機構將所述容納室和所述模擬井筒抽真空；

14、采用所述注液機構向所述模擬井筒注入預設量的鉆井液；

15、啟動所述增壓泵對所述注氣機構的氣源增壓至預設壓力，而后以所述預設壓力持續將增壓氣體注入所述容納室，用于模擬井內泥漿噴空過程以及噴空后的關井狀態；

16、采用所述注液機構向所述模擬井筒注入壓井液，直至壓井液返至所述模擬井筒的輸入端；

17、計算得到平衡點井深及所需壓井液的密度。

18、可選地，所述計算得到平衡點井深及所需壓井液的密度包括如下步驟：

19、構件地層壓力的計算公式；

20、得到井內氣體密度及氣流速度的計算公式；

21、將所述氣體密度及所述氣流速度的計算公式代入所述地層壓力的計算公式，得到轉化公式；

22、采用迭代法，由所述轉化公式計算得到放噴過程中的井底壓力；

23、根據第一水平井產能公式得到放噴量的計算公式；

24、根據所述井底壓力、所述放噴量的計算公式以及第二水平井產能公式，計算得到平衡地層壓力；

25、根據所述平衡地層壓力，計算得到所述所需壓井液的密度；

26、根據所述所需壓井液的密度，計算得到所述平衡點井深。

27、本發明與現有技術相比，具有如下的優點和有益效果：

28、本發明提供的一種平衡點法壓井模擬實驗裝置，通過設置密閉的容納室，并于容納室內設置巖樣，模擬井下情況，通過設置模擬井筒，有效模擬實際井筒，以搭建相似的試驗場景；在此基礎上，通過設置抽真空機構，對模擬井筒和容納室抽真空，同時設置注氣機構和增壓泵，對容納室持續注入增壓氣體，模擬井內泥漿噴空過程以及噴空后的關井狀態；在此基礎上，通過設置注液機構，前可于模擬井筒內注入鉆井液，模擬鉆井時的實際工況，以及配合注氣機構模擬井內泥漿噴空的過程，后可于模擬井筒內持續注入壓井液，有效模擬平衡點法壓井的過程，模擬過程中記錄各項動態數據，即可計算得到平衡點井深及所需壓井液的密度，從而有效指導實際實施平衡點法壓井。

技術特征：

1.一種平衡點法壓井模擬實驗裝置，其特征在于，包括：

2.根據權利要求1所述的平衡點法壓井模擬實驗裝置，其特征在于，所述模擬井筒(20)包括依次連通的直井段(21)、造斜段(22)及水平段(23)；

3.根據權利要求2所述的平衡點法壓井模擬實驗裝置，其特征在于，所述模擬井筒(20)內同軸穿設有注入管(24)，所述注入管(24)用于引導壓井液，所述注入管(24)的一端穿設于所述巖樣(11)內。

4.根據權利要求3所述的平衡點法壓井模擬實驗裝置，其特征在于，還包括氣液分離機構(60)，所述氣液分離機構(60)與所述模擬井筒(20)的輸入端連通，用于分離壓井液和增壓氣體。

5.根據權利要求4所述的平衡點法壓井模擬實驗裝置，其特征在于，還包括循環機構(70)，所述氣液分離機構(60)通過所述循環機構(70)與所述注液機構(50)連通，以使所述氣液分離機構(60)分離得到的壓井液回流至所述注液機構(50)。

6.根據權利要求5所述的平衡點法壓井模擬實驗裝置，其特征在于，還包括排空機構(80)，所述排空機構(80)與所述氣液分離機構(60)連通，以使所述氣液分離機構(60)分離得到的氣體排空。

7.根據權利要求6所述的平衡點法壓井模擬實驗裝置，其特征在于，所述直井段(21)頂端連有多通(25)，所述抽真空機構(40)、所述注液機構(50)、所述氣液分離機構(60)及所述排空機構(80)分別與所述多通(25)連通。

8.根據權利要求7所述的平衡點法壓井模擬實驗裝置，其特征在于，所述抽真空機構(40)和所述注液機構(50)通過防噴器(26)與所述多通(25)的同一側連通。

9.一種平衡點法壓井模擬實驗方法，其特征在于，采用如權利要求1-8中任意一項所述的平衡點法壓井模擬實驗裝置進行，包括如下步驟：

10.根據權利要求9所述的平衡點法壓井模擬實驗方法，其特征在于，所述計算得到平衡點井深及所需壓井液的密度包括如下步驟：

技術總結
本發明公開了一種平衡點法壓井模擬實驗裝置，包括容納室、模擬井筒、抽真空機構、注液機構及注氣機構，容納室用于密閉容納巖樣，巖樣與容納室內壁之間預留有間隙；模擬井筒的輸出端與容納室密閉連通；抽真空機構與模擬井筒的輸入端連通，用于使模擬井筒及容納室處于真空狀態；注液機構與模擬井筒的輸入端連通，用于向模擬井筒內注入鉆井液及壓井液；注氣機構通過增壓泵與容納室連通，用于向間隙內注入增壓氣體，用于模擬井內泥漿噴空過程以及噴空后的關井狀態。其能夠解決無法科學、精確地獲取平衡點法所需的關鍵參數的問題。一種平衡點法壓井模擬實驗方法，其能夠解決無法確保平衡點法壓井成功率的問題。

技術研發人員：蘇昱,馬輝運,楊兆亮,吳杰,郭建華,溫曉松
受保護的技術使用者：中國石油天然氣股份有限公司
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28