[0001] 本发明涉及石油与天然气钻采技术领域，特别涉及一种井筒‑地层重力置换实验装置、系统及方法。

[0002] 海洋石油钻井工程逐渐向深水、深层勘探发展，然而，复杂地层压力及窄密度窗口导致的溢流、井涌、井漏等事故的频发，严重影响了钻井的进展。

[0003] 溢流根据发生原因通常分为负压差溢流、重力置换溢流、对流溢流、扩散溢流以及岩屑附着溢流。在深层区域中地层多为碳酸盐岩裂缝性地层，地层连通性较好，裂缝、溶洞发育较多，容易发生重力置换溢流现象。重力置换指的是在裂缝性地层中，地层与井筒压力近平衡的情况下，钻井液进入裂缝，与地层流体由于密度的不同发生置换，地层流体进入井筒，钻井液进入地层，溢流和漏失同时存在。重力置换发生时，井下溢漏同存，如果没有及时解决，会造成更复杂的事故。

[0004] 想要解决重力置换引起的溢流事故，首先需要认识重力置换发生的机理。但是，目前的重力置换实验设备承压能力低，对流量及压力的测量不够精准，考虑的影响因素不够完全，且井筒和裂缝之间的连接由几根管子实现，对流动存在一定影响，不能同时完成气‑液与液‑液置换实验，导致对重力置换的现象和机理认识有所缺失。

[0066] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0067] 如图1至图6所示，本发明提供一种井筒‑地层重力置换实验装置1，包括井筒模拟单元100、裂缝模拟单元200、地层模拟单元300和连通阀400，裂缝模拟单元200的一端通过连通阀400与井筒模拟单元100相连通，裂缝模拟单元200的另一端与地层模拟单元300相连通。具体的，如图1所示，井筒‑地层重力置换实验装置1包括井筒模拟单元100、地层模拟单元300、与井筒模拟单元100相连接的连通阀400、以及连通于连通阀400和地层模拟单元300之间的裂缝模拟单元200。其中，井筒模拟单元100包括第一井筒段110、第二井筒段120和钻杆130，第一井筒段110和第二井筒段120沿重力方向依次设置，第一井筒段110、第二井筒段120的两端均设有法兰，第一井筒段110和第二井筒段120通过法兰进行同轴连通形成井筒主体，第一井筒段110和第二井筒段120相背离一端的法兰上均连接有对井筒主体进行密封的法兰盘，钻杆130通过第一井筒段110上端法兰连接的法兰盘嵌设于井筒主体内，第二井筒段120上连接有连通阀400；地层模拟单元300包括第一地层段310、第二地层段320，第一地层段310和第二地层段320沿重力方向依次设置，第一地层段310、第二地层段320的两端均设有法兰，第一地层段310和第二地层段320通过法兰进行同轴连通形成地层主体，第一地层段310和第二地层段320相背离一端的法兰上均连接有对地层主体进行密封的法兰盘，第二地层段320上连接有裂缝模拟单元200。优选的，第二井筒段120和连通阀400之间、连通阀400和裂缝模拟单元200之间、裂缝模拟单元200和第二地层段320之间均通过螺纹进行连接。进一步的，为保障连接密封性，第一井筒段110和第二井筒段120之间、第一地层段310和第二地层段320之间、第二井筒段120和连通阀400之间、连通阀400和裂缝模拟单元200之间、裂缝模拟单元200和第二地层段320之间均设有橡胶垫。优选的，为保证井筒‑地层重力置换实验装置1的整体承压能力，井筒主体、钻杆130、地层主体以及裂缝模拟单元200的主体部分均采用不锈钢材料制成。在本实施例中，钻杆130与连接在第一井筒段110上端法兰上的法兰盘通过焊接形成紧固连接。

[0068] 如图2所示，连通阀400包括主体结构410和操纵结构420，操纵结构420与主体结构410转动连接，自井筒模拟单元100至裂缝模拟单元200的方向，主体结构410内形成有过流通道，过流通道用于连通井筒模拟单元100和裂缝模拟单元200。连通阀400具有连通状态和断开状态，在连通状态下，操纵结构420将过流通道导通；在断开状态下，操纵结构420将过流通道截断。具体的，如图2所示，连通阀400包括具有过流通道的主体结构410、以及嵌设于过流通道内并于主体结构410转动连接的操纵结构420，随操纵结构420相对主体结构410的转动，过流通道在导通和被截断之间进行切换。当操纵结构420转动至导通过流通道时，自钻杆130上部流入井筒主体的钻井液在到达井筒主体底部后，经过流通道依次流入裂缝模拟单元200和地层模拟单元300，此时，连通阀400处于连通状态；当操纵结构420转动至截断过流通道时，自钻杆130上部流入井筒主体的钻井液在到达井筒主体底部后，经钻杆130和井筒主体之间的环形空间返回井筒主体上部后流出，此时，连通阀400处于断开状态。

[0069] 优选地，操纵结构420包括操纵杆421和阀杆422，操纵杆421通过连接结构423与阀杆422相连接，操纵杆421设置于主体结构410外，阀杆422嵌设于过流通道内，阀杆422上设有过流腔4221，操纵杆421能带动阀杆422绕阀杆422的轴线进行转动；自井筒模拟单元100至裂缝模拟单元200的方向，当过流腔4221的流通方向与过流通道的流通方向平行时，过流通道完全导通；当过流腔4221的流通方向与过流通道的流通方向垂直时，过流通道完全截断；当过流腔4221的流通方向与过流通道的流通方向成锐角时，过流通道部分导通。具体的，如图2所示，阀杆422为周向密封结构，阀杆422内部形成过流腔4221，阀杆422通过连接结构423与主体结构410转动连接，并与操纵杆421相连接。如此，如图3所示，通过操纵操纵杆421带动阀杆422相对主体结构410转动至过流腔4221的流通方向与过流通道的流通方向垂直时，过流通道即被阀杆422侧壁完全截断，此时，连通阀400处于断开状态；如图4所示，通过操纵操纵杆421带动阀杆422相对主体结构410转动至过流腔4221的流通方向与过流通道的流通方向成锐角时，过流通道处于部分被过流腔4221导通、部分被阀杆422侧壁截断的状态，此时，连通阀400处于部分连通状态；如图5所示，通过操纵操纵杆421带动阀杆422相对主体结构410转动至过流腔4221的流通方向与过流通道的流通方向平行时，过流通道即被过流腔4221完全导通，此时，连通阀400处于完全连通状态。

[0070] 具体地，主体结构410包括壳体411、盖板412、第一密封填料413和第二密封填料414，壳体411上自井筒模拟单元100至裂缝模拟单元200的方向贯通形成有容置腔4111，自井筒模拟单元100至裂缝模拟单元200的方向，容置腔4111内依次设置有第一密封填料413、阀杆422、第二密封填料414和盖板412，自井筒模拟单元100至裂缝模拟单元200的方向，第一密封填料413上贯通形成有第一流道腔4131，第二密封填料414上贯通形成有第二流道腔
4141，盖板412上贯通形成有第三流道腔4121，第一流道腔4131、容置腔4111、第二流道腔
4141、第三流道腔4121形成过流通道。具体的，如图2所示，主体结构410包括周向密封的壳体411，壳体411内部形成容置腔4111，自井筒模拟单元100至裂缝模拟单元200的方向，容置腔4111内依次设有第一密封填料413、阀杆422、第二密封填料414和盖板412。其中，第一密封填料413、第二密封填料414和盖板412均为周向密封结构，第一密封填料413内部形成第一流道腔4131、第二密封填料414内部形成第二流道腔4141，盖板412内部形成第三流道腔
4121，依次连通的第一流道腔4131、容置腔4111、第二流道腔4141、第三流道腔4121形成过流通道。阀杆422嵌设于第一密封填料413和第二密封填料414之间的容置腔4111内，且阀杆
422通过连接结构423与主体结构410转动连接。如图3所示，当阀杆422转动至其内部过流腔
4221的流通方向与过流通道的流通方向垂直时，过流通道被截断，此时，连通阀400处于断开状态；如图4和图5所示，当阀杆422转动至其内部过流腔4221的流通方向与过流通道的流通方向不垂直时，过流通道被导通，此时，连通阀400处于连通状态。

[0071] 优选地，自井筒模拟单元100至裂缝模拟单元200的方向，第一流道腔4131、过流腔4221、第二流道腔4141和第三流道腔4121的截面轮廓保持一致。如此，连通阀400处于完全连通状态时，自井筒模拟单元100至裂缝模拟单元200的方向，过流腔4221流道截面与过流通道流道截面完全重合，既可以实现钻井液的快速流通，又可以减小过流腔4221流道截面与过流通道流道截面的差异，从而降低阀杆422对钻井液流动的影响。

[0072] 具体地，连接结构423包括传动杆4231、连接板4232、压紧环4233、密封件4234和端帽4235，阀杆422的端部连接有传动杆4231，沿阀杆422的纵长延伸方向，传动杆4231上依次套设有密封件4234、压紧环4233、连接板4232和端帽4235，连接板4232与传动杆4231固定连接，连接板4232与操纵杆421转动连接，壳体411沿阀杆422的轴线方向贯通形成有容置传动杆4231、密封件4234和压紧环4233的安装孔4112。具体的，如图2所示，连接结构423为两个，沿阀杆422的纵长延伸方向，两个连接结构423的一端分别连接于阀杆422的两端，两个连接结构423的另一端分别连接于操纵杆421的两端。连接结构423包括与阀杆422插接的传动杆4231、用于对阀杆422进行轴向限位的压紧环4233、用于对阀杆422进行轴向密封的密封件
4234、用于连接传动杆4231和操纵杆421的连接板4232、以及用于对连接板4232进行轴向限位防脱的端帽4235，对应的，壳体411沿阀杆422的轴线方向贯通形成有容置传动杆4231、密封件4234和压紧环4233的安装孔4112，该安装孔4112采用螺纹沉孔结构，以便于压紧环
4233与壳体411连接紧固。其中，连接板4232与传动杆4231连接的一端上设有第一安装孔
4112，连接板4232与操纵杆421连接的一端上设有第二安装孔4112，第一安装孔4112呈圆角矩形，第二安装孔4112呈圆形，以便于操纵操纵杆421时，阀杆422跟随操纵杆421相对主体结构410的转动，进而实现连通阀400连通状态和断开状态的快速切换。

[0073] 具体地，如图6所示，裂缝模拟单元200包括背板210、自井筒模拟单元100至裂缝模拟单元200的方向分别设置于背板210两端的第一连接板220和第二连接板230、于背板210一侧依次设置的框架240、透明窗250和栅格板260；裂缝模拟单元200通过第一连接板220与连通阀400相连通，并通过第二连接板230与地层模拟单元300相连通。如此，通过将栅格板260设置于透明窗250外侧，提高裂缝模拟单元200的整体承压能力。具体的，如图6所示，框架240、第一连接板220和第二连接板230均为周向密封结构，自井筒模拟单元100至裂缝模拟单元200的方向，第一连接板220内部形成第一进流孔221，第二连接板230内部形成第二进流孔231，框架240的两端内部分别形成与第一进流孔221相配合的第一入流孔241和与第二进流孔231相配合的第二入流孔242，第一连接板220和第二连接板230通过焊接固连于框架240的两端，背板210、框架240、透明窗250和栅格板260通过沿周向对应间隔设置的多个螺栓孔连接形成一个整体，背板210、框架240、透明窗250配合形成裂缝主体。在本实施例中，透明窗250采用加厚有机玻璃材料制成，背板210、框架240、栅格板260、第一连接板220和第二连接板230均采用不锈钢材料制成。

[0074] 基于以上结构描述，本发明实施例所提供的井筒‑地层重力置换实验装置1具有以下有益效果：

[0075] 本发明实施例所提供的井筒‑地层重力置换实验装置1中裂缝模拟单元200的透明窗250采用加厚有机玻璃制成，且透明窗250外侧设置有不锈钢材料制成的栅格板260，提高了裂缝模拟单元200的承压能力，同时，井筒模拟单元100和地层模拟单元300均采用不锈钢材料制成，进一步保证了井筒‑地层重力置换实验装置1的整体承压能力；并通过设置连通阀400替换连接管，降低对流体流动的影响，更贴近井下实际情况，且连通阀400连通和断开状态的快速切换更方便于实验操作。

[0076] 配合参阅图7所示，本发明还提供一种井筒‑地层重力置换实验系统，包括：上述的井筒‑地层重力置换实验装置1；井筒注液管路2，连接于井筒注入槽10和井筒模拟单元100之间，沿井筒注液管路2内的液体流动方向，井筒注液管路2上依次设有第一注液泵11、第一控制阀X1和第一流量计L1；井筒排放管路3，连接于井筒回收槽12和井筒模拟单元100之间，沿井筒排放管路3内的液体流动方向，井筒排放管路3上依次设有第二流量计L2、第二控制阀X2、气液分离器13、分离液体前控制阀X10、分离液体流量计L6、分离液体后控制阀X11，气液分离器13的气体出口连接有分离气体排放管路，分离气体排放管路上设有分离气体控制阀X12和分离气体流量计L7；地层注液管路4，连接于地层注入槽14和地层模拟单元300之间，沿地层注液管路4内的液体流动方向，地层注液管路4上依次设有第二注液泵15、第三控制阀X3和第三流量计L3；地层注气管路5，连接于注气泵16和地层模拟单元300之间，沿地层注气管路5内的气体流动方向，地层注气管路5上依次设有第四控制阀X4和第四流量计L4；地层排放管路6，连接于环境大气和地层模拟单元300之间，沿地层排放管路6内的气体流动方向，地层排放管路6上依次设有第五流量计L5和第五控制阀X5；井筒模拟单元直排管路7，与井筒模拟单元100相连接，井筒模拟单元直排管路7上设有第六控制阀X6；裂缝模拟单元直排管路8，与裂缝模拟单元200相连接，裂缝模拟单元直排管路8上设有第七控制阀X7；地层模拟单元直排管路9，与地层模拟单元300相连接，地层模拟单元直排管路9上设有第八控制阀X8。

[0077] 具体的，如图7所示，井筒注液管路2连接于井筒注入槽10和钻杆130之间，用于向钻杆130内通入第一液体；井筒排放管路3连接于第一井筒段110上端和井筒回收槽12之间，用于调节井筒主体内压力至井筒预设压力值，并用于在连通阀400处于断开状态时将钻杆130和井筒主体之间的钻井液引流至井筒回收槽12；地层注液管路4连接于第一地层段310上端和地层注入槽14之间，用于向地层主体内通入第二液体；地层注气管路5连接于注气泵
16和第一地层段310上端之间，用于向地层主体内通入气体；地层排放管路6连接于环境大气和第一地层段310上端之间，用于调节地层主体内压力至地层预设压力值；井筒模拟单元直排管路7连接于第二井筒段120下端，用于对井筒主体内的液体进行快排；裂缝模拟单元直排管路8连接于框架240下端，用于对裂缝主体内的液体进行快排；地层模拟单元直排管路9连接于第二地层段320下端，用于对地层主体内的液体进行快排。优选的，如图7所示，井筒‑地层重力置换实验系统还包括循环管路17，循环管路17连接于井筒排放管路3末端和井筒注入槽10之间，用于对未受污染的第一液体进行回收利用，循环管路17上设有第九控制阀X9。在本实施例中，井筒注入槽10内的第一液体和地层注入槽14内的第二液体可根据具体实验需要采用水或油或钻井液中的同一种或不同种，并通过加入颜料以便观察实验，注气泵16注入的气体为空气、二氧化碳、氮气等无害气体中的一种。

[0078] 进一步地，井筒‑地层重力置换实验系统还包括：用于测量井筒模拟单元100上端压力的第一压力传感器P1；用于测量地层模拟单元300上端压力的第二压力传感器P2；用于测量井筒模拟单元100内靠近裂缝模拟单元200上端处压力的第三压力传感器P3；用于测量井筒模拟单元100内靠近裂缝模拟单元200下端处压力的第四压力传感器P4；用于测量裂缝模拟单元200上端靠近井筒模拟单元100处压力的第五压力传感器P5；用于测量裂缝模拟单元200上端靠近地层模拟单元300处压力的第六压力传感器P6；用于测量裂缝模拟单元200下端靠近井筒模拟单元100处压力的第七压力传感器P7；用于测量裂缝模拟单元200下端靠近地层模拟单元300处压力的第八压力传感器P8。其中，为便于直观观察，井筒‑地层重力置换实验系统还包括用于测量第三压力传感器P3和第四压力传感器P4之间压力差的第一压差传感器P9、用于测量连通阀400两侧靠近裂缝模拟单元200上端处压力差的第二压差传感器P10、以及用于测量连通阀400两侧靠近裂缝模拟单元200下端处压力差的第三压差传感器P11。

[0079] 基于以上结构描述，本发明实施例所提供的井筒‑地层重力置换实验系统具有以下有益效果：

[0080] 本发明实施例所提供的井筒‑地层重力置换实验系统通过各控制阀的开启和关闭控制，即可完成气‑液置换、液‑液置换两种实验，操作方便；同时，通过在井筒‑地层重力置换实验系统的多个关键点位设置压力传感器、压差传感器和流量计，降低实验中流量及压力的测量误差。

[0081] 本发明还一种井筒‑地层重力置换实验方法，该实验方法为气‑液置换实验方法，井筒‑地层重力置换实验方法采用上述的井筒‑地层重力置换实验系统实现，包括以下步骤：

[0082] 步骤S1：开启第一控制阀X1，使井筒注液管路2导通；开启第二控制阀X2、分离液体前控制阀X10和分离液体后控制阀X11，使井筒排放管路3导通；开启第一注液泵11，向井筒模拟单元100注入第一液体；

[0083] 步骤S2：待第一流量计L1和分离液体流量计L6显示流量值相同后，调整第二控制阀X2的开度，直至第四压力传感器P4显示压力值达到井筒预设压力值；

[0084] 步骤S3：开启第四控制阀X4，使地层注气管路5导通，开启第五控制阀X5，使地层排放管路6导通；开启注气泵16，向地层模拟单元300注入气体；

[0085] 步骤S4：待第四流量计L4和第五流量计L5显示流量值相同后，调整第五控制阀X5的开度，直至第七压力传感器P7和第八压力传感器P8显示压力值均达到地层预设压力值；

[0086] 步骤S5：操纵连通阀400至连通状态，开启分离气体控制阀X12，使分离气体排放管路导通，获取裂缝模拟单元200内的气‑液置换信息；

[0087] 步骤S6：待裂缝模拟单元200内充满第一液体后，关闭第一注液泵11和分离气体控制阀X12，并开启第六控制阀X6、第七控制阀X7和第八控制阀X8，排放井筒‑地层重力置换实验装置1内的第一液体；

[0088] 步骤S7：待井筒‑地层重力置换实验装置1内的液体排尽后，关闭注气泵16和各控制阀。

[0089] 其中，在步骤S2中，第一流量计L1和分离液体流量计L6显示流量值相同即表示第一液体已充满井筒模拟单元100。调整第二控制阀X2的开度过程中，当第四压力传感器P4显示压力值大于井筒预设压力值时，通过调大第二控制阀X2的开度调整井筒压力，直到井筒压力降至井筒预设压力值；当第四压力传感器P4显示压力值小于井筒预设压力值时，通过调小第二控制阀X2的开度调整井筒压力，直到井筒压力升至井筒预设压力值。在步骤S4中，第四流量计L4和第五流量计L5显示流量值相同即表示气体已充满裂缝模拟单元200和地层模拟单元300。其中，调整第五控制阀X5的过程参照上述步骤S2中调整第二控制阀X2的过程执行。在步骤S5中，获取裂缝模拟单元200内的气‑液置换信息包括观察并拍照记录裂缝模拟单元200内的气‑液置换界面、以及各流量计、压力传感器和压差传感器的数值。

[0090] 本发明还提供另一种井筒‑地层重力置换实验方法，该实验方法为液‑液置换实验方法，井筒‑地层重力置换实验方法采用上述的井筒‑地层重力置换实验系统实现，包括以下步骤：

[0091] 步骤S1：开启第一控制阀X1，使井筒注液管路2导通；开启第二控制阀X2、分离液体前控制阀X10和分离液体后控制阀X11，使井筒排放管路3导通；开启第一注液泵11，向井筒模拟单元100注入第一液体；

[0092] 步骤S2：待第一流量计L1和分离液体流量计L6显示流量值相同后，调整第二控制阀X2的开度，直至第四压力传感器P4显示压力值达到井筒预设压力值；

[0093] 步骤S3：开启第三控制阀X3，使地层注液管路4导通，开启第五控制阀X5，使地层排放管路6导通；开启第二注液泵15，向地层模拟单元300注入第二液体；

[0094] 步骤S4：待第三流量计L3和第五流量计L5显示流量值相同后，调整第五控制阀X5的开度，直至第七压力传感器P7和第八压力传感器P8显示压力值均达到地层预设压力值；

[0095] 步骤S5：操纵连通阀400至连通状态，开启分离气体控制阀X12，使分离气体排放管路导通，获取裂缝模拟单元200内的液‑液置换信息；

[0096] 步骤S6：待裂缝模拟单元200内充满第一液体后，关闭第一注液泵11、第二注液泵15和分离气体控制阀X12，并开启第六控制阀X6、第七控制阀X7和第八控制阀X8，排放井筒‑地层重力置换实验装置1内的液体；

[0097] 步骤S7：待井筒‑地层重力置换实验装置1内的液体排尽后，关闭各控制阀。

[0098] 其中，在步骤S2中，第一流量计L1和分离液体流量计L6显示流量值相同即表示第一液体已充满井筒模拟单元100。其中，调整第二控制阀X2的过程与上述气‑液置换实验步骤S2中调整第二控制阀X2的过程相同。在步骤S4中，第三流量计L3和第五流量计L5显示流量值相同即表示第二液体已充满裂缝模拟单元200和地层模拟单元300。其中，调整第五控制阀X5的过程参照上述气‑液置换实验步骤S2中调整第二控制阀X2的过程执行。在步骤S5中，获取裂缝模拟单元200内的液‑液置换信息包括观察并拍照记录裂缝模拟单元200内的液‑液置换界面、以及各流量计、压力传感器和压差传感器的数值。

[0099] 以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。