一种模拟套损过程的装置与方法技术领域
本发明涉及一种应用于石油工程领域中用来模拟注水井套管损伤的装置以及方
法。
背景技术
在油田注水开发过程中，注水井套损已直接影响了各大油田的生产，并制约着油
田的高效开发，所以深入研究套损机理以及找到一种研究套损的方法对指导油田生产有着
至关重要的意义。套损原因主要是套管周围地应力改变，在不均匀地应力作用下，套管所受
外载超过其许用抗外载强度，从而引发产生套损。产生这一过程的地质因素主要是由于注
水压力超过破裂压力或上覆岩层压力引起注入水窜入上下软弱泥、页岩层，造成泥页岩层
吸水蠕变，形成浸水域，诱发地应力失去平衡。在区块压差或地层倾角产生的地势压差等作
用下，岩层成片滑动，剪切套管，造成套损。目前实验室研究中暂时还没有能够模拟套损过
程的实验装置和方法，无法进行套损研究分析工作。
发明内容
为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供了一种模拟套损过程的装置
与方法，利用该种装置与方法，可在实验室中实现套损过程的仿真模拟，从而探究套损机
理，分析套损规律，同时能够针对不同物性的油藏，研究防止注水井套损的注水压力界限规
律。
本发明的技术方案是：该种模拟套损过程的装置，由套管模拟装置、方形人造岩
心、岩心夹持器以及驱替管线组成，其独特之处在于：
所述套管模拟装置由钢筒、压力传感器、注水嘴、注水管线、水嘴保护装置以及电缆连
接后组成；钢筒的内径规格为6cm，壁厚6mm，长度为30cm；在钢筒壁水平方向上设置4组螺纹
通孔，以钢筒中轴线为基准，各组螺纹通孔在水平面上两两之间呈90°角均匀分布在钢筒壁
上，在垂直方向上每组螺纹通孔设置8个，上下间隔为3cm，水嘴保护装置为不锈钢材质，整
体呈圆筒状，其内外表面分别设置螺纹，水嘴保护装置通过外表面的螺纹连接于钢筒壁的
螺纹通孔上，注水嘴通过螺纹连接的方式固定在水嘴保护装置内部，注水管线与注水嘴相
连接；钢筒内壁在水平方向上设置8组螺纹孔用于固定压力传感器，以钢筒中轴线为基准，
各组螺纹孔在水平面上两两之间呈45°角均匀分布在钢筒内壁上，在垂直方向上每组螺纹
孔设置8个，上下间隔为3cm,压力传感器的信号输出端通过电缆连接到外部的显示电路上；
所述岩心夹持器由盖板、底板以及4个侧板连接后组成，均为不锈钢材质；其中，盖板开
有1个注水井螺纹通孔和4个采油井螺纹通孔，4个采油井螺纹通孔呈对角线分布，直径均为
3cm，距离盖板中心10cm，盖板中心处的注水井螺纹通孔直径为6cm；盖板、底板和侧板围成
的空间横截面的尺寸为30cm×30cm，每个侧面均分别设置4个螺栓孔，在侧板内部设置一层
卡槽，用于盛放透明密封胶垫，盖板、底板与侧板组合后通过紧固螺栓进行相互连接固定；
方形人造岩心的长、宽、高均为30cm，采用5点法井网部署规则，人造岩心内部开设5个
通孔模拟注采井网；中间通孔为注水井井眼，在注水井井眼中下入所述套管模拟装置以模
拟注水井，在所述套管模拟装置外注水井眼环空部分放置水泥环，周围四个通孔模拟采油
井井眼；
方形人造岩心放置于夹持器的底板上，夹持器盖板、底板以及周围4块侧板通过紧固螺
栓相互连接起来，从而将人造岩心进行密封。
利用前述装置模拟套损过程的方法，该方法由如下步骤构成：
首先，根据实际油藏水泥环的尺寸以及相似准则确定出方形人造岩心的注水井井眼的
尺寸，具体确定过程如下：
确定注水井井眼环空的水泥环部分相似参数为1:10，即实际油藏水泥环厚度按照1/10
的比例折算成实验中模拟的水泥环厚度，由此确定注水井井眼尺寸的折算公式为：
注水井井眼的尺寸=钢筒内径+2×钢筒壁厚+2×1/10×实际油藏水泥环厚度
然后，在制作好的方形人造岩心按照第一步所得到的注水井井眼钻孔，将岩心放置在
夹持器的底板上；
之后，调整注水嘴在钢筒上的旋进位置，使之与人造岩心上的注水井井眼相通，在注水
井井眼中下入模拟套管装置，再将夹持器的盖板、侧板通过紧固螺栓分别相互连接固定，盖
板和底板的内部均设置有密封胶垫，4个侧板的凹槽内放入凸状透明胶垫，从而实现岩心密
封以及驱替过程的可视化；
再后，在注水井井眼的井眼环空中注入水泥环；
再后，待水泥环胶结完成后，进行岩心饱和水饱和油过程；
最后，逐次注水，模拟过程中压力的相似参数为1:10，模拟注水井套损实验，记录压力
传感器所得到的实验数据。
方形人造岩心根据实际油藏非均质性、渗透率、孔隙度、敏感性以及隔夹层等方面
的情况制作成不同类型的岩心，以满足模拟实际油藏的需要。
本发明具有如下有益效果：本发明给出的装置结构简单，操作方便，解决了目前实
验室研究中无法模拟套损过程，无法进行套损研究分析工作的问题。运用本发明可在实验
室中实现套损过程的仿真模拟，从而探究注水过程中套管在储层所受压力的变化规律，分
析套损在油藏中形成的位置与油藏物性间的相关规律等，并且针对不同物性油藏，研究防
止注水井套损的注水压力界限等规律。
附图说明：
图1是套管模拟装置剖面图。
图2是套管模拟装置俯视图。
图3是套管模拟装置内部结构示意图。
图4是底板结构示意图。
图5是盖板结构示意图。
图6是侧板结构示意图。
图7是岩心与套管模拟装置整体装配后的结构示意图。
图中1-钢筒，2-压力传感器，3-注水嘴，4-水嘴保护装置，5-电缆，6-注水管线，7-
螺纹孔，8-螺纹通孔，9-螺栓孔，10-底板，11-采油井螺纹通孔，12-盖板，13-注水井螺纹通
孔，14-侧板，15-注水井井眼，16-水泥环，17-方形人造岩心，18-采油井井眼。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明：
由图1至图7所示，该种模拟套损过程的装置，由套管模拟装置、方形人造岩心17、岩心
夹持器以及驱替管线组成，其独特之处在于：
所述套管模拟装置由钢筒1、压力传感器2、注水嘴3、注水管线6、水嘴保护装置4以及电
缆5连接后组成。钢筒1的内径规格为6cm，壁厚6mm，长度为30cm；在钢筒1壁水平方向上设置
4组螺纹通孔8，以钢筒1中轴线为基准，各组螺纹通孔8在水平面上两两之间呈90°角均匀分
布在钢筒1壁上，在垂直方向上每组螺纹通孔8设置8个，上下间隔为3cm，水嘴保护装置4为
不锈钢材质，整体呈圆筒状，其内外表面分别设置螺纹，水嘴保护装置4通过外表面的螺纹
连接于钢筒1筒壁的螺纹通孔8上，注水嘴3通过螺纹连接的方式固定在水嘴保护装置4内
部，注水管线6与注水嘴3相连接；钢筒1内壁在水平方向上设置8组螺纹孔7用于固定压力传
感器2，以钢筒1中轴线为基准，各组螺纹孔7在水平面上两两之间呈45°角均匀分布在钢筒1
内壁上，在垂直方向上每组螺纹孔7设置8个，上下间隔为3cm，压力传感器2的信号输出端通
过电缆5连接到外部的显示电路上；
所述岩心夹持器由盖板12、底板10以及4个侧板14连接后组成，均为不锈钢材质；其中，
盖板12开有1个注水井螺纹通孔13和4个采油井螺纹通孔11，4个采油井螺纹通孔11呈对角
线分布，直径均为3cm，距离盖板12中心10cm，盖板12中心处的注水井螺纹通孔13直径为
6cm；盖板12、底板10和侧板14围成的空间横截面的尺寸为30cm×30cm，每个侧面均分别设
置4个螺栓孔9，在侧板12内部设置一层卡槽，用于盛放透明密封胶垫，盖板12、底板10与侧
板14组合后通过紧固螺栓进行相互连接固定。
方形人造岩心17的长、宽、高均为30cm，采用5点法井网部署规则，人造岩心内部开
设5个通孔模拟注采井网；中间通孔为注水井井眼15，在注水井井眼15中下入所述套管模拟
装置以模拟注水井，在所述套管模拟装置外注水井眼环空部分放置水泥环16，周围四个通
孔模拟采油井井眼18；
方形人造岩心17放置于夹持器的底板10上，夹持器盖板12、底板10以及周围4块侧板17
通过紧固螺栓相互连接起来，从而将人造岩心17进行密封。
利用前述装置模拟套损过程的方法，该方法由如下步骤构成：
首先，根据实际油藏水泥环的尺寸以及相似准则确定出方形人造岩心17的注水井井眼
15的尺寸，具体确定过程如下：
确定注水井井眼环空的水泥环16部分相似参数为1:10，即实际油藏水泥环厚度按照1/
10的比例折算成实验中模拟的水泥环厚度，由此确定注水井井眼尺寸的折算公式为：
注水井井眼15的尺寸=钢筒内径+2×钢筒壁厚+2×1/10×实际油藏水泥环厚度
然后，在制作好的方形人造岩心 17按照第一步所得到的注水井井眼钻孔，将岩心放置
在夹持器的底板10上；
之后，调整注水嘴3在钢筒1上的旋进位置，使之与人造岩心17上的注水井井眼15相通，
在注水井井眼15中下入模拟套管装置，再将夹持器的盖板12、侧板14通过紧固螺栓分别相
互连接固定，盖板12和底板10的内部均设置有密封胶垫，4个侧板14的凹槽内放入凸状透明
胶垫，从而实现岩心密封以及驱替过程的可视化；
再后，在注水井井眼15的井眼环空中注入水泥环16；
再后，待水泥环16胶结完成后，进行岩心饱和水饱和油过程；
最后，逐次注水，模拟过程中压力的相似参数为1:10，模拟注水井套损实验，记录压力
传感器2所得到的实验数据。