CN104237460B - 一种模拟体积压裂复杂缝网支撑剂沉降规律的装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟体积压裂复杂缝网支撑剂沉降规律的装置，包括围挡组成的主裂缝、与主裂缝垂直相连的二级裂缝、与主裂缝平行并通过二级裂缝相连的三级裂缝。该装置整体结构能够充分模拟地下储层不同类型的裂缝网络，增加装置的多功能性。装置的可视化有助于跟踪观察实验现象并记录数据，极大地提高了实验效率，也方便装置的维修保养。使用该装置进行实验得到的研究成果对体积压裂理论研究和现场应用具有一定的参考价值。

Description

一种模拟体积压裂复杂缝网支撑剂沉降规律的装置及其应用

技术领域

本发明涉及一种模拟体积压裂复杂缝网支撑剂沉降规律的装置及其应用，属于油气田开发的技术领域。

背景技术

随着社会的进一步发展，世界对于石油的需求日益增加。在大型整装油田、高渗区块开发进入高含水中后期时，开发低渗、特低渗油气藏显得十分必要，而水力压裂作为一项增产技术，在开发低渗油气藏过程中能起到非常重要的作用。水力压裂在地层中能形成具有超高导流能力的裂缝，进而增加油井的产量。作为水力压裂的新工艺，体积压裂适合于开发页岩、致密砂岩等非常规储层。体积压裂在这些非常规储层中，借助于天然裂缝的发育，能形成具有一定空间体积的缝网结构，相比常规压裂技术，导流能力大大地增加，能更好的提高压裂效果。支撑剂在复杂缝网中的支撑决定着缝网的形态和导流能力，影响着压裂增产的效果。因此研究裂缝中支撑剂的充填十分必要。

随着水力压裂技术的发展，国内外学者对水力压裂在地层中形成的裂缝的认识由双翼对称裂缝逐渐转变为具有一定空间体积的复杂缝网结构。压裂施工参数不同，在地层中形成的缝网结构复杂程度也各有不同。在一些特定的储层条件下，例如特低渗透、低孔隙度、低压等，储层与裂缝之间的导流能力很低，只有简单的一条主裂缝很难达到良好的增产效果。为了在地层中形成具有高导流能力的复杂缝网结构，必须采用压裂措施，改进压裂施工参数。在压裂施工过程中，当两个水平主应力差达到某一个值或者当裂缝延伸压力大于储层中天然裂缝或者胶结弱面张开所需要的临界压力时，在主裂缝中就会产生分支缝或者能在岩石的本体上直接形成分支缝，形成初步的缝网；分支缝在延伸一定距离后会以主裂缝为主体又回到原来的裂缝方位，或者成一定的角度，最终形成以主裂缝为主体的空间裂缝网状***，这种技术称为缝网压裂技术。

而压裂形成的复杂缝网中支撑剂的充填和铺置是影响压裂作业成功与否的关键因素，压裂施工过程中，支撑剂能否在主裂缝和各级次生裂缝中形成有效的支撑对于整个复杂缝网的导流能力和压裂的增产效果有非常重要的影响，目前在国内对于支撑剂在复杂缝中的运移规律的研究较少缺乏必要的实验装置。本文针对这一问题，设计模拟地层中裂缝结构的复杂缝网实验装置研究支撑剂在复杂缝网中的运移规律，目的是为了探究压裂液在一定条件下携砂进入不同类型的缝网结构中时支撑剂的运移规律，这对于能否成功的实施缝网压裂有非常重要的意义。同时根据支撑剂在复杂缝网中的运移规律预测压裂形成的缝网中砂堤的形态和支撑剂在裂缝中的支撑效果对于设计缝网压裂施工参数和方案分析有非常重要的作用，对于现场施工也有一定的指导意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种模拟体积压裂复杂缝网支撑剂沉降规律的装置。

本发明还提供一种上述装置在模拟体积压裂复杂缝网支撑剂沉降规律时的工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种模拟体积压裂复杂缝网支撑剂沉降规律的装置，包括围挡组成的主裂缝、与主裂缝垂直相连的二级裂缝、与主裂缝平行并通过二级裂缝相连的三级裂缝。本发明根据压裂形成的缝网结构，复杂缝网中的裂缝类型主要包括一条或者几条主裂缝，与主裂缝成一定角度的次生裂缝以及与次生裂缝又成一定角度的分支裂缝，另外还包括若干垂直于主裂缝的水平裂缝。复杂缝网中裂缝与裂缝之间的交点称之为“裂缝节点”或者“节点”。而支撑剂在裂缝中运移的过程中，由主裂缝进入次生裂缝的过程称之为支撑剂的“转向”。主裂缝称为一级裂缝，主裂缝上的分支裂缝称为次生裂缝或者二级裂缝，而在二级裂缝上形成的分支裂缝称之为三级裂缝，其他的分支裂缝依次命名。实际储层中的复杂缝网形态可将其离散化，得到固定角度的裂缝，而垂直关系作为固定角度的一个特殊值，研究支撑剂在该角度下由主裂缝进入次生裂缝时的运移规律具有一定的代表性。以垂直角度关系作为依据，可以类比分析地下储层裂缝角度关系复杂多变时的支撑剂铺置情况。

根据本发明优选的，所述的装置整体为有机玻璃材质，所述有机玻璃的抗压压力小于等于一个标准大气压。该装置主体部分即模拟缝网结构部分由一定厚度的透明有机塑料板组成，其优点主要有：(1)弹性特征较弱，长时间范围内不会发生变形进而导致实验设备的尺寸发生变化；(2)通透性好，方便跟踪观察实验现象以及后期处理实验数据；(2)以透明有机塑料板为零件组成该实验设备，有利于设备的长期维护和清洗。另一方面透明有机塑料板的缺点是塑料强度较小，为防止实验装置爆裂或出现其他超过装置承压极限后的问题，在该装置中进行的实验只能在低压范围内进行。

根据本发明优选的，在该装置的主裂缝的两端分别设置有压裂液入口和压裂液出口，所述压裂液入口与外部的压裂液管路或混砂液管路相连；在所述压裂液入口和压裂液出口分别设置有压力表和阀门。

根据本发明优选的，所述压裂液入口和所述压裂液出口均为模拟井筒射孔。

根据本发明优选的，所述模拟井筒射孔的直径为10mm；所述压裂液入口的模拟井筒射孔数量为4个；压裂液入口处模拟井筒射孔，射孔直径为10mm。入口处包括四个入口阀，可以模拟自由调节射孔的数量、位置以及注入排量的大小。针对泵注程序，设置了人工注入和泵注两种方式，满足实验过程中不同排量的要求。人工注入方式是指压裂液和支撑剂按一定的比例分别从两个接口处进入装置，模拟压裂液携砂，人工注入的排量较小；泵注方式是指压裂液和支撑剂按一定的比例混合后经泵加压注入装置中，泵注方式排量大而且可调节，携砂液与人工注入方式相比，相对均匀；

所述压裂液出口的模拟井筒射孔数量为5个。装置的压裂液出口包括5个阀门，可以自由调节出口排量，方便装置的清理工作。

根据本发明优选的，装置还包括封堵部件，所述封堵部件用于封堵二级裂缝或三级裂缝，使整个装置中的所有裂缝组成不同结构模拟缝网。所述的封堵部件包括一定长度、宽度和厚度的相同透明塑料板，可以封堵装置中的裂缝，形成不同的裂缝结构，满足实验方案的要求。实验装置的原理图、实物图如图1至图2所示。

根据本发明优选的，所述的主裂缝为1条，所述二级裂缝为包括对称设置在主裂缝两侧的6条次级裂缝，所述三级裂缝为2条，所述2条三级裂缝与主裂缝的间距相等。所述机玻璃两两对称放置成中间有一定宽度的缝隙，初步形成了缝网中的裂缝，这样的多条缝隙共了同组成装置的缝网结构。最终该装置的缝网结构包括一条贯穿装置压裂液入口和压裂液出口的主裂缝；两条与主裂缝的间距相等，平行分布于主裂缝两侧的三级裂缝；六条两两对称分布于主裂缝两侧并垂直于主裂缝的竖直次生裂缝。装置整体俯视图如图1所示，呈3×3的结构，共有9个节点研究支撑剂在缝网中的运移规律。

根据本发明优选的，所述主裂缝长50-70cm，二级裂缝长30-40cm，三级裂缝长50-70cm，所述主裂缝、二级裂缝和三级裂缝的缝高均为40-50cm；所述主裂缝、二级裂缝和三级裂缝的宽度均为1-10mm。

根据本发明优选的，所述主裂缝长60cm，二级裂缝长30cm，三级裂缝长60cm，所述主裂缝、二级裂缝和三级裂缝的缝高均为40cm；所述主裂缝、二级裂缝和三级裂缝的宽度均为10mm。压裂施工在地层中形成的裂缝缝宽从1-10mm不等，若实验时整体缝网的体积太小，实验过程中支撑剂在较短的时间内会填满装置，影响实验结果，而且对观察实验现象也不利，因此，实验中优选主裂缝长60cm，次生裂缝长30cm，三级裂缝长60cm，所有缝高均为40cm。设定装置中所有裂缝的宽度为10mm。

一种上述装置在模拟体积压裂复杂缝网支撑剂沉降规律中的工作方法：

(1)根据实验方案要求配置携砂液；

(2)准备实验方案要求的支撑剂；

(2)检查所述装置内清洁度；保证所述装置内的裂缝中无任何影响实验结果的杂质；

(4)根据实验方案要求，使用所述封堵部件封堵所述装置中的部***缝，使其形成实验方案要求的模拟缝网结构，密封所述装置的顶部；

(5)先用清水注入所述装置进行循环，检查所述装置的密封性，确认密封后，放空装置；

(6)将所述携砂液与所述支撑剂在混砂罐中均匀混合，形成混合液；根据实验方案要求的排量使用泵将所述混合液注入到所述装置中；

(7)实验过程中，观察砂堤的形成过程，记录该模拟体积压裂复杂缝网支撑剂沉降规律有关的相关实验现象和数据；该观察和记录的过程均为现有技术；

(8)实验结束后，清理所述装置，准备下一组实验。

本发明的优势

目前国内外对体积压裂技术的研究集中在裂缝网络的导流能力分析和形成机理探究等几个方面。而支撑剂在裂缝网络中的充填是影响裂缝网络导流能力的关键因素，裂缝网络的导流能力直接决定体积压裂施工的成败。针对这一问题，不仅理论研究较少，更缺乏必要的实验装置。该发明依据地下储层裂缝网络离散物理模型，模拟体积压裂形成的裂缝网络结构，采用可视化的透明有机玻璃板作为装置主体材料，研究压裂液在裂缝网络中携砂形成的砂堤形态以及支撑剂在裂缝网络中的运移规律，并对影响砂堤形态的因素进行敏感性分析，可行性较强，实验结果可信度较高。装置整体结构能够充分模拟地下储层不同类型的裂缝网络，增加装置的多功能性。装置的可视化有助于跟踪观察实验现象并记录数据，极大地提高了实验效率，也方便装置的维修保养。使用该装置进行实验得到的研究成果对体积压裂理论研究和现场应用具有一定的参考价值。

附图说明

图1为本发明所述装置的俯视结构原理图；其中的箭头为实验流体的流向；

图2为本发明所述装置的主视图，其中的箭头为实验流体的流向；

图3-图8分别为本发明中，利用所述封堵部件在所述装置中封堵不同的裂缝节点后形成不同结构模拟缝网图；

图9为如图3所示模拟缝网结构所对应的软件拟合砂堤得到的砂堤形态示意图；

在图1-图8中，1、主裂缝；2、二级裂缝；3、三级裂缝；4、压裂液入口；5、压裂液出口；6、模拟井筒射孔。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

一种模拟体积压裂复杂缝网支撑剂沉降规律的装置，其参数如下表2-1所示，在该装置中可进行多种类型的携砂实验研究。

表2-1本发明所述装置的参数

实施例1、

如图1、图2所示。

一种模拟体积压裂复杂缝网支撑剂沉降规律的装置，包括围挡组成的主裂缝1、与主裂缝1垂直相连的二级裂缝2、与主裂缝1平行并通过二级裂缝2相连的三级裂缝3。

所述的装置整体为有机玻璃材质，所述有机玻璃的抗压压力小于等于一个标准大气压。

在该装置的主裂缝1的两端分别设置有压裂液入口4和压裂液出口5，所述压裂液入口与外部的压裂液管路或混砂液管路相连；在所述压裂液入口和压裂液出口分别设置有压力表和阀门。

所述压裂液入口4和所述压裂液出口5均为模拟井筒射孔6。

所述模拟井筒射孔6的直径为10mm；所述压裂液入口4的模拟井筒射孔数量为4个；压裂液入口4处模拟井筒射孔，射孔直径为10mm。

所述压裂液出口5的模拟井筒射孔数量为5个。

装置还包括封堵部件，所述封堵部件用于封堵二级裂缝或三级裂缝，使整个装置中的所有裂缝组成不同结构模拟缝网。所述的封堵部件包括一定长度、宽度和厚度的相同透明塑料板，可以封堵装置中的裂缝，形成不同的裂缝结构，满足实验方案的要求。利用所述封堵部件在所述装置中封堵不同的裂缝节点后形成不同结构模拟缝网：如图3-图8所示。

所述的主裂缝为1条，所述二级裂缝2为包括对称设置在主裂缝1两侧的6条次级裂缝，所述三级裂缝3为2条，所述2条三级裂缝3与主裂缝1的间距相等。

所述主裂缝1长60cm，二级裂缝2长30cm，三级裂缝3长60cm，所述主裂缝1、二级裂缝2和三级裂缝3的缝高均为40cm；所述主裂缝1、二级裂缝2和三级裂缝3的宽度均为10mm。

实施例2、

一种如实施例1所述装置在模拟体积压裂复杂缝网支撑剂沉降规律中的工作方法：

(1)根据实验方案要求配置携砂液；

(2)准备实验方案要求的支撑剂；

(2)检查所述装置内清洁度；保证所述装置内的裂缝中无任何影响实验结果的杂质；

(4)根据实验方案要求，使用所述封堵部件封堵所述装置中的部***缝，使其形成实验方案要求的模拟缝网结构，密封所述装置的顶部；本实施例所述的模拟缝网结构包括图3-图8所示的结构图，分别对上述缝网进行运移实验；

(5)先用清水注入所述装置进行循环，检查所述装置的密封性，确认密封后，放空装置；

(6)将所述携砂液与所述支撑剂在混砂罐中均匀混合，形成混合液；根据实验方案要求的排量使用泵将所述混合液注入到所述装置中；

(7)实验过程中，观察砂堤的形成过程，记录该模拟体积压裂复杂缝网支撑剂沉降规律有关的相关实验现象和数据；该观察和记录的过程均为现有技术；

(8)实验结束后，清理所述装置，准备下一组实验。

针对本实施例，所述模拟体积压裂复杂缝网支撑剂沉降规律的具体方法为：

(1)实验排量

实验采用小排量泵加注携砂液，假设现场施工排量为6m³/min，压裂液入口4处缝高50m，缝宽1cm，复杂缝网实验装置缝高40cm，缝宽为1cm，根据公式(2-1)折算得装置内的排量为0.048m³/min或者缝网压裂液入口4处压裂液的速度v为0.2m/s，根据实验的相似性原理得到该排量满足现场施工的要求：

Q＝Av

A＝hw(2-1)

其中指Q裂缝入口处压裂液的排量，A指裂缝的横截面积，h指裂缝的高度，w指裂缝的宽度。

实验过程中采用电磁流量计控制实验排量保持稳定。

(2)实验支撑剂粒径

实验选取常用的支撑剂粒径作为该实验所用的支撑剂。实验最终选取卡博公司20/40目的陶粒作为实验用支撑剂。其主要参数如下表2-2所示

表2-2支撑剂常规性能测试

(3)实验砂比

砂比为支撑剂占总携砂液体积的体积分数。本文中的实验采用泵注携砂液程序，所以能基本保证砂比的稳定性。根据常用的砂比范围选择该实验的砂比为10％。

(4)压裂液的粘度

压裂液的粘度主要受温度的影响，该实验装置适合在常温下进行实验。实验中为了观察在不同粘度下支撑剂的运移规律，该实验选择使用清水压裂液和具有一定粘度的线性胶压裂液。

综合上述实验参数设计和基础缝网结构图，如图3-图8所示可得该实验的总体实验方案如表2-3所示。

表2-3实验总体方案表

根据上述实验方案，研究压裂液在各种类型的缝网结构中携砂的运移规律，本文共进行12组实验进行相关的分析和研究。以六种基础缝网结构为主，分别进行清水压裂液携砂和线性胶压裂液携砂两种类型的实验。

本发明实验采用节点分析方法。以裂缝节点为基础，将装置的3×3结构分为六种基本裂缝结构，这六种基本结构通过任意组合可以得到各种类型的复杂缝网结构。研究支撑剂在这六种结构中的运移规律可以预测整个缝网的砂堤形态，指导压裂施工方案设计。这六种基础裂缝结构如图3-图8所示。

从图3-图8中可以看出，

如图3：结构一是指只有一条主裂缝时的情况，可以认为是缝网结构中的特例，将只有一条主裂缝时的情况考虑在内，可以作为对比研究其他缝网结构时的基础，研究只有一条主裂缝中的砂堤形态有非常重要的意义；

如图4：结构二是指一条主裂缝和在主裂缝中靠近井筒的位置含有一条二级裂缝；

如图5：结构三是指一条主裂缝和在主裂缝中靠近井筒的相同位置对称分布两条2级裂缝；

如图6：结构四是指一条主裂缝和在主裂缝中的两侧距离井筒不同的位置分布两条2级裂缝；

如图7：结构五是指一条主裂缝和在主裂缝中靠近井筒的位置、中间位置、主裂缝尾部分别含有一条二级裂缝，主要研究在主裂缝中次生裂缝中的砂堤形态和次生裂缝距离井筒远近之间的关系；

如图8：结构六是指一条主裂缝和在主裂缝中靠近井筒的位置含有一条二级裂缝以及在次生裂缝的尾部又含有一条三级裂缝，主要研究不同的裂缝级别对砂堤形态的影响。

综合上述实验参数设计和基础缝网结构图可得该实验的总体实验方案如表2-3所示。

进行实验得到实验结果进行处理，以只有一条主裂缝时的支撑剂运移实验为例进行分析：实验结束后，利用软件模拟裂缝中的砂堤形态得到砂堤形态示意如图9所示。

利用上述方法研究压裂液在上述六种模拟缝网结构中携砂的运移规律，进而综合分析缝网中支撑剂沉降规律。

Claims (8)

1.一种模拟体积压裂复杂缝网支撑剂沉降规律的装置，其特征在于，该装置包括围挡组成的主裂缝、与主裂缝垂直相连的二级裂缝、与主裂缝平行并通过二级裂缝相连的三级裂缝；在该装置的主裂缝的两端分别设置有压裂液入口和压裂液出口，所述压裂液入口与外部的压裂液管路或混砂液管路相连；在所述压裂液入口和压裂液出口分别设置有压力表和阀门；所述压裂液入口和所述压裂液出口均为模拟井筒射孔。

2.根据权利要求1所述的一种模拟体积压裂复杂缝网支撑剂沉降规律的装置，其特征在于，所述的装置整体为有机玻璃材质，所述有机玻璃的抗压压力小于等于一个标准大气压。

3.根据权利要求1所述的一种模拟体积压裂复杂缝网支撑剂沉降规律的装置，其特征在于，所述模拟井筒射孔的直径为10mm；所述压裂液入口的模拟井筒射孔数量为4个；压裂液入口处模拟井筒射孔，射孔直径为10mm；所述压裂液出口的模拟井筒射孔数量为5个。

4.根据权利要求1所述的一种模拟体积压裂复杂缝网支撑剂沉降规律的装置，其特征在于，装置还包括封堵部件，所述封堵部件用于封堵二级裂缝或三级裂缝，使整个装置中的所有裂缝组成不同结构模拟缝网。

5.根据权利要求1所述的一种模拟体积压裂复杂缝网支撑剂沉降规律的装置，其特征在于，所述的主裂缝为1条，所述二级裂缝为包括对称设置在主裂缝两侧的6条次级裂缝，所述三级裂缝为2条，所述2条三级裂缝与主裂缝的间距相等。

6.根据权利要求1所述的一种模拟体积压裂复杂缝网支撑剂沉降规律的装置，其特征在于，所述主裂缝长50-70cm，二级裂缝长30-40cm，三级裂缝长50-70cm，所述主裂缝、二级裂缝和三级裂缝的缝高均为40-50cm；所述主裂缝、二级裂缝和三级裂缝的宽度均为1-10mm。

7.根据权利要求6所述的一种模拟体积压裂复杂缝网支撑剂沉降规律的装置，其特征在于，所述主裂缝长60cm，二级裂缝长30cm，三级裂缝长60cm，所述主裂缝、二级裂缝和三级裂缝的缝高均为40cm；所述主裂缝、二级裂缝和三级裂缝的宽度均为10mm。

8.一种如权利要求1-7任意一项所述装置在模拟体积压裂复杂缝网支撑剂沉降规律中的工作方法：

(1)根据实验方案要求配置携砂液；

(2)准备实验方案要求的支撑剂；

(2)检查所述装置内清洁度；

(4)根据实验方案要求，使用所述封堵部件封堵所述装置中的部***缝，使其形成实验方案要求的模拟缝网结构，密封所述装置的顶部；

(5)先用清水注入所述装置进行循环，检查所述装置的密封性，确认密封后，放空装置；

(6)将所述携砂液与所述支撑剂在混砂罐中均匀混合，形成混合液；根据实验方案要求的排量使用泵将所述混合液注入到所述装置中；

(7)实验过程中，观察砂堤的形成过程，记录该模拟体积压裂复杂缝网支撑剂沉降规律有关的相关实验现象和数据；

(8)实验结束后，清理所述装置，准备下一组实验。