CN104594871A - 一种模拟页岩复杂裂缝铺砂的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟支撑剂在复杂人工裂缝中铺置的实验装置及方法，实验装置由压裂液配制罐、液体注入泵、模拟井筒、若干调节阀门、流量计、压力计以及复杂的人工裂缝组成。人工裂缝由一条主裂缝和主裂缝周围的若干条次级裂缝组成，可以模拟不同的裂缝形态，人工裂缝采用透明有机玻璃制造，宽度和复杂程度可人为设置。本发明能够模拟不同裂缝宽度、携砂液砂比、压裂液滤失率、裂缝复杂程度等条件下，携砂液在复杂人工裂缝中的流动和支撑剂的铺置情况，实验过程中能实现复杂人工裂缝中支撑剂运移和沉降的可视化。

Description

一种模拟页岩复杂裂缝铺砂的装置和方法

技术领域

   本发明涉及一种模拟支撑剂在复杂裂缝中运移、流动以及铺设的装置，可以模拟裂缝宽度、携砂液砂比、压裂液滤失、裂缝的复杂程度条件下，支撑剂在人工主裂缝和次级裂缝的铺砂状态。

背景技术

   我国页岩气储量丰富、开发潜力大，但地质条件复杂、埋藏深，不易开采，长井段水平井和水平井水力压裂技术是高效低成本开发页岩气的关键技术之一。页岩储层天然裂缝发育，压裂过程中由于剪切滑移和张拉破坏的共同作用，压裂裂缝往往会形成一条主裂缝，主裂缝的周围形成多条复杂的次级裂缝，次级裂缝的宽度比较小。压裂裂缝要形成有效裂缝且对页岩气产能有较大的贡献，必须保证压裂裂缝能够被支撑剂填充，形成支撑裂缝，但是，页岩压裂过程中，主裂缝宽度大，次级裂缝的宽度较小，且由于裂缝的形状的复杂性，在压裂的携砂液阶段，各条裂缝的支撑剂浓度各不相同，次级裂缝的铺砂浓度比主裂缝要低。目前，页岩气复杂裂缝条件下的铺砂浓度分析是压裂裂缝导流能力评价、压裂效果分析的一个基础，对于产能的评价至关重要。

   目前在支撑剂铺砂浓度室内模拟的研究中，主要集中在常规油气藏、常规裂缝阶段，把裂缝假设为一条平直缝，模拟各种参数对铺砂浓度的影响。中国专利申请CNIO2590888A公开了一种模拟支撑剂在裂缝中铺置的实验装置及应用，其是为了模拟单裂缝中的铺砂浓度和铺砂方式，其核心部件是一个平板模拟单条裂缝，主要用于常规油气藏裂缝的铺砂评价。

   目前，油田现场压裂设计模拟支撑剂在裂缝中的运移及铺置规律时，常凭经验或理论计算，国外研究此规律的实验装置有同心圆筒装置和平板装置，但是其实验装置并没有按照相似性原则确定室内模拟参数，具有尺寸较小，只能对支撑剂的沉降进行简单研究,无法研究砂堤的堆积及铺置规律，此外，模型没考虑裂缝壁面的不光滑、压裂液在裂缝的滤失以及井筒射孔孔眼孔径、相位及密度，因此和实际情况有较大的出入。

发明内容

   针对以上的技术不足，本发明提供一种大尺度、可视化的模拟支撑剂在页岩复杂裂缝中铺置的实验装置，应用于页岩水力压裂时，该实验装置能确定支撑剂在主次级裂缝中的铺设和优选出适合不同裂缝的支撑剂、压裂施工参数及优化压裂设计等。

   技术术语解释：

    页岩气：赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附或游离状态为主要存在方式的非常规天然气；

    缝网压裂：页岩天然裂缝和层理发育，利用分段压裂和大排量施工，使压裂裂缝形成复杂的网络，从而增加页岩储层的产量；

    支撑剂：具有一定粒度和级配的天然砂或人造高强陶瓷颗粒，支撑剂由压裂液带入并支撑在压裂地层的裂缝中，从而有效地将油气导入油气井，大幅度提高油气产量和延长油井寿命。

    本发明的技术方案如下：

一种模拟支撑剂在复杂人工裂缝中铺置的实验装置，其由压裂液配制罐、、模拟井筒、废液回收罐、液体注入泵、复杂的人工裂缝以及若干流量调节阀、流量计、压力计等组成。

其中，复杂的人工裂缝由一条主裂缝和主裂缝周围的若干条次级裂缝组成，主裂缝和次级裂缝均由两块透明平板平行布置并通过包边框密封构成，即以透明平板围成两侧的壁，通过密封边框密封周边，主裂缝和次级裂缝之间通过接头连接并相互连通，次级裂缝与主裂缝的角度可通过连接接头控制；在主裂缝的左端竖直设置模拟井筒，模拟井筒的上端为携砂液进液口，下端设置卸料口，模拟井筒上分布有与主裂缝连通的喷射孔眼；主裂缝的右端和次级裂缝的末端有出液管。

所述两个主裂缝和次级裂缝的透明平板上分别分布设置有15～30个滤失孔眼，孔眼连接管线和流量调节阀，利用调节阀控制实验过程中的滤失量。

通过管线连接携砂液注入泵，携砂液注入泵通过管线连接井筒进液口，在连接井筒进液口的管线上安装流量计和压力表。

所述主裂缝和次级裂缝的出液管的上部分别通过管线连接至压裂液配制罐的回料口，在出液口至回料口之间的管线上均设置流量计、压力表和流量调节阀，适时监测出液的流量和压力，同时调节主裂缝和次级裂缝的流量。

实验装置还包括数据采集控制板和计算机，数据采集控制板各流量计和压力表的数据，所采集到的实验数据通过数据采集控制板传输至计算机。

采用本发明进行实验时，将人工裂缝中的主次级裂缝的宽度（即透明平板之间的距离）预先调整为实验方案设置的宽度尺寸；配制所需要粘度的压裂液；在实验过程中，按实验要求的向压裂液中搅拌加砂，配制成携砂压裂液；把配制好的携砂压裂液通过携砂液注入泵注入人工裂缝中，所述携砂液压裂液沿模拟井筒的进料口，筒壁上的筒壁射孔注入两个透明平板之间，最后沿出液管的筒壁孔眼、回料口循环流出；所述支撑剂经压裂液携带在流经所述透明平板之间时，会受重力、浮力、水平方向液体携带力和粘滞阻力的影响，通过透明平板可呈现出所选支撑剂的轨迹，工作人员可以人工或者通过数据采集控制板对支撑剂的沉降速度、运移轨迹、沉降砂堤进行分析。

   通过不同实验方案的对比，优选出最合适该尺寸裂缝的支撑剂、施工排量等多个参数。实验完毕，打开模拟井筒和出液管的卸料口对人工裂缝进行卸料。本发明还可通过计算机计算所需支撑剂量、压裂液体积、压裂液粘度和实验排量；根据采集到的实验数据计算、分析出相应的结果数据：例如计算支撑剂的垂直沉降速度及水平运移速度、支撑剂沉降所形成的砂堤的堆积速度和形态、沉降于人工裂缝中支撑剂所占总支撑剂的质量比等等。

本发明采用了复杂的人工裂缝，包括主裂缝和几条次级裂缝，裂缝的设置复杂，可以模拟页岩中复杂的人工裂缝对支撑剂铺砂浓度和次级裂缝中的砂量的确定，解决了主次级裂缝中支撑剂的铺设方式和进入次级裂缝中的支撑剂的重量的确定。

   本发明的优点具体如下：

    1.本发明所述实验装置中的复杂人工裂缝尺度大，模拟压裂现场施工中的裂缝更加真实，比小模型的实验模型更具代表性，测得数据更加可靠；

    2.本发明所述人工裂缝宽度可调，主裂缝大于次级裂缝的宽度，可模拟不同裂缝宽度下的支撑剂铺置规律；

    3.本发明的主裂缝和次级裂缝的角度可以调整，调整范围在30°～90°之间；

    4.本发明在人工裂缝内壁设置有可替换的粗糙表面，与压裂所致地层裂缝内表面相似，完全模拟现场施工的真实环境；

    5.本发明在人工裂缝进出口设置有压力表，可对主裂缝和次级裂缝内摩阻进行测定；

    6.本发明在人工裂缝的平板上设置有滤失孔眼，模拟地层在不同滤失系数条件下的支撑剂在主裂缝和次级裂缝内的沉降及铺设规律。

附图说明

    图1是本发明的结构示意图；

在图1中：1—压裂液进液口，2—支撑剂进口，3—混砂液搅拌机，4—压裂液配制罐，5—压裂液料回料口，6—管线，7—阀门，8—携砂液注入泵，9—流量调节阀，10—井筒卸料口，11—模拟井筒，12—携砂液进料口，13—模拟射孔，14—透明有机玻璃平板，15—包边框，16—人工裂缝模型底座，17—次级裂缝A，18—次级裂缝A出液管，19—次级裂缝B，20—次级裂缝B出液管，21—主裂缝出液口，22—主裂缝出液管，23—携砂液回收管线，24—压力计，25—携砂液出料口，26—携砂液混配罐液面观察窗，27—滤失孔眼，28—滤失孔眼流量调节阀，29—滤失孔眼连接管线，30—实验废液回收罐，31—主管线流量计，32—滤失孔眼流量计。

图2是本发明能够模拟的裂缝形态示意图

在图2中，左图表示主裂缝周围只有两条简单的次级裂缝，压裂裂缝的形态简单，右图表示主裂缝之间的次级裂缝较多，次级裂缝包含裂缝分支。33—主裂缝进液，34—主裂缝出液，35—次级裂缝出液，36—裂缝连接接头。

具体实施方式

    以下结合附图进一步说明本发明：

参见图1和图2，模拟支撑剂在裂缝中铺置的实验装置包括复杂的人工压裂裂缝，人工压裂裂缝可以模拟两种不同的裂缝形态，所述的复杂的人工裂缝包括主裂缝和次级裂缝17、19和36，主次级裂缝的两侧壁由相互平行设置的透明有机玻璃平板14组成，在两张透明有机玻璃平板的上下两端分别通过包边框15密封，在主裂缝透明有机玻璃平板的左端设置一个竖直的模拟井筒11，在主裂缝和次级裂缝的右端设置各自的出液管18、20和22，所述透明有机玻璃平板、包边框、模拟井筒的筒壁和出液管的筒壁共同围成一个密闭空间。所述模拟井筒顶部设置有携砂液进料口12，模拟井筒的底部设置有卸料口10，保证实验完成后能够清除模拟井筒底部的支撑剂，在模拟井筒壁上且朝向密闭空间内均匀设置有多个模拟射孔13，所述携砂液进料口12、卸料口10和模拟射孔13相互贯通。在模拟井筒的携砂液进料口12处的管线上设置有流量计和压力表。在出液管壁上且朝向密闭空间方向均匀设置有多个孔眼，每个滤失孔眼接有流量调节阀28和流量计32，利用回路管线29连接实验废料回收罐30。在出液管的携砂液回收管线23上设置有流量计和压力表。所述携砂液注入泵8的出口通过管线与人工裂缝的模拟井筒的进料口相连，所述压裂液配制罐的携砂液回收管线23与人工裂缝的出液管的实验废料回收罐30相连，废液管30的回收液经过简单处理后，进入压裂液配制罐4进行重复利用。

所述的实验装置还包括数据采集控制板和计算机，数据采集控制板与各流量计、压力表和流量计等通过数据线连接，所采集到的实验数据通过数据采集控制板传输至计算机。

所述主裂缝的透明有机玻璃平板的长度为3.0m，高度为1.0m，厚度为4.5cm，两透明平板的间距可调，间距调整范围为：4.0～16.0mm；所述透明平板内壁面粘贴有塑料膜，所述塑料膜的表面粗糙度与实际施工层的全直径岩心的断裂面的粗糙度相同。

在距离主裂缝左端1.0m和2.0m处设置次级裂缝，次级裂缝的长度1.0m，宽度1.0m，两透明板间的距离同样可调，设置距离为2.0mm～10.0mm，所述透明平板内壁面粘贴有塑料膜，所述塑料膜的表面粗糙度与实际施工层的全直径岩心的断裂面的粗糙度相同。

    次级裂缝与主裂缝之间通过连接接头36连接并相互连通，次级裂缝与主裂缝的角度可通过连接接头控制，角度可以调整，调整角度在30°～90°之间。

    所述主裂缝和次级裂缝的透明平板上分别分布设置有15～30个直径可调的滤失孔眼27，利用孔眼连接管线和流量调节阀，利用调节阀控制实验过程中的滤失量。

所述在模拟井筒上的筒壁射孔数目范围为3～14个；所述筒壁射孔的孔径为1.5cm，以上所述筒壁射孔的数目、相位角和孔径都是随实验的模拟环境不同而相应调整的，所述筒壁射孔的相位角是指：相邻设置的筒壁射孔的轴心在水平方向上投影所形成的夹角。

所述的透明平板上绘制有网格，所述网格中单个网格边长为10.0cm。

    所述的人工裂缝的底部设置有底座16，在所述底座下部安装万向轮。

所述模拟支撑剂在裂缝中铺置的实验装置还包括压裂液配制罐和压裂液携砂液注入泵13。

所述压裂液配制罐4包括进料口、罐体、搅拌机3、出料口25和回料口5，所述进料口和回料口设置在罐体的顶部，所述搅拌机3设置的罐体的内部，所述出料口25设置在罐体的底部。所述进料口分别与进水口1和进砂口2相连，所述进砂口采用球型阀控制进砂速度，最大注入速度为500ml/s，所述出料口通过管线与携砂液注入泵13的入口相连。

    所述携砂液注入泵13包括携砂液注入泵和变频控制器，可以动态控制注入排量，变频控制器与携砂液注入泵相连。

    利用上述实验装置进行模拟支撑剂在页岩复杂裂缝中铺置的实验方法步骤如下：

    （1）按现场施工中裂缝的宽度尺寸，计算实验所需支撑剂量、压裂液体积、压裂液粘度和实验排量；

   （2）根据步骤（1）所计算出实验所需支撑剂量、压裂液体积和实验排量，准备压裂液及多种支撑剂；

   （3）根据要求，调整次级裂缝与主裂缝的角度；设定主裂缝和次级裂缝的宽度，调整两个透明平板的距离，使其与现场施工中裂缝的宽度一致；

   （4）确定主裂缝和次级裂缝的流出液量，确定主裂缝和次级裂缝的阀门大小，确定裂缝面的滤失系数；

   （5）选取步骤（2）中的一种支撑剂与所述的页岩常用压裂液混合，搅拌成携砂液，利用平流泵向复杂裂缝中泵入携砂液，即主裂缝和次级裂缝中的两个透明平板之间，形成携砂液循环回路；

   （6）观测跟踪支撑剂在主裂缝和次级裂缝中的运移轨迹，计算支撑剂的主裂缝和次级裂缝中的沉降速度和水平运移速度；

   （7）停止向人工裂缝中泵入携砂液，用相机记录在人工裂缝中支撑剂沉降所形成的砂堤的形态；压裂液在实验***中循环流动时，把部分支撑剂携带出人工裂缝，因此沉积在人工裂缝中的支撑剂只占总量的一部分；

   （8）分别取出主裂缝和次级裂缝中的支撑剂，计算主次级裂缝的支撑剂占总的支撑剂的质量比；

   （9）调整主裂缝和次级裂缝的角度和宽度，更换支撑剂和压裂液，重复步骤（4）～（7）。

根据本发明，步骤（2）所述的支撑剂为页岩气压裂领域常规支撑剂；优选不同粒度的石英支撑剂的任意2种以上，例如16目～30目、20目～40目、40目～70目；

   根据本发明，步骤（2）所述的压裂液为页岩压裂领域中常用的清水压裂液；

   根据本发明，在步骤（3）中，主裂缝和次级裂缝角度的根据现场实际情况确定；主裂缝的宽度在4.0mm～16.0mm之间，次级裂缝的宽度在2.0mm～10.0mm之间；次级裂缝的宽度小于主裂缝的宽度；

  在步骤（4）中，还包括人工裂缝的透明平板内表面贴置塑料膜，所述塑料膜的表面粗糙度与实际施工层的全直径岩心的断裂面的粗糙度相同；

   根据本发明，在步骤（5）中，调整滤失量的大小和裂缝出口流量的大小；根据现场施工地层滤失系数进行调整；

   步骤（6）所述跟踪支撑剂在人工裂缝中的运移轨迹是采用高速摄像机对透明平板进行拍摄。

Claims (10)

1.一种模拟支撑剂在复杂人工裂缝中铺置的实验装置，其特征在于，由压裂液配制罐、模拟井筒、液体注入泵、若干调节阀门、流量计、压力计以及复杂的人工裂缝组成；

其中，复杂的人工裂缝由一条主裂缝和主裂缝周围的若干条次级裂缝组成，可以模拟不同的裂缝形态，主裂缝和次级裂缝均由两块透明平板平行布置并通过包边框密封构成，主裂缝和次级裂缝之间通过接头连接并相互连通，次级裂缝与主裂缝的角度可通过连接接头控制；在主裂缝的左端设置模拟井筒，模拟井筒的上端为携砂液进液口，下端设置卸料口，模拟井筒上分布有与主裂缝连通的喷射孔眼；主裂缝右端和次级裂缝末端有出液管；

所述主裂缝和次级裂缝的透明平板上分别分布有15～30个的滤失孔眼，孔眼连接管线、流量调节阀和小型流量计，利用流量调节阀控制实验过程中的滤失量；

压裂液配制罐通过管线连接液体注入泵，液体注入泵通过管线连接井筒进液口，在连接井筒进液口的管线上安装流量计和压力表；

所述主裂缝和次级裂缝的出液管上部分别通过管线连接至混液罐的回料口，在出液口至回料口间的管线上均设置流量计、压力表和流量调节阀，适时监测出液的流量和压力，同时调节主裂缝和次级裂缝的流量；

实验装置还包括数据采集控制板和计算机，进行流量、压力、滤失量数据采集，所采集的实验数据通过数据采集控制板传输至计算机。

2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述主裂缝的两侧透明平板的长度为3.0m，高度为1.0m，厚度为4.5cm，主裂缝两透明平板的间距可调，间距调整范围为：6.0～14.0mm；所述透明平板内壁面粘贴有塑料膜，所述塑料膜的表面粗糙度与实际施工层的全直径岩心的断裂面的粗糙度相同。

3.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述次级裂缝两侧透明平板的长度为1.0m，高度为1.0m，厚度为4.5cm，次级裂缝两透明平板的间距可调，间距调整范围为：2.0～10.0mm；所述透明平板内壁面粘贴有塑料膜，所述塑料膜的表面粗糙度与实际施工层的全直径岩心的断裂面的粗糙度相同；同时次级裂缝与主裂缝间的角度可以通过主裂缝和次级裂缝之间的连接接头进行调节，调节角度在30～90°之间，优选地，所述次级裂缝在设置在距离主裂缝左端1.0m和2.0m处。

4.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，在裂缝两侧的其中一面透明平板上绘制有网格，所述网格中单个网格边长为10.0cm。

5.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述在模拟井筒上的筒壁射孔数目范围为3～14个，用于携砂液通过井筒流向复杂裂缝中。

6.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述的人工裂缝的底部设置有底座，在所述底座下部安装万向轮。

7.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述压裂液配制罐包括进料口、罐体、搅拌机和所述回料口，所述进料口和回料口设置在罐体的顶部；所述搅拌机设置在罐体的内部，所述出料口设置在罐体的底部；所述进料口分别与进水口和进砂口相连，所述进砂口采用球型阀控制进砂速度，最大进砂速度为500ml/s，所述出料口通过管线与携砂液注入泵的入口相连。

8.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述携砂液注入泵包括螺杆泵和变频控制器，变频控制器与螺杆泵相连。

9.利用权利要求1所述的实验装置进行模拟支撑剂在复杂压裂裂缝中铺置的实验方法，其特征在于，步骤如下：

（1）根据现场要求和实验目的，确定实验中的各种参数，包括裂缝形态、主裂缝宽度、次级裂缝宽度、注入排量、支撑剂目数、支撑剂浓度等参数；

（2）确定支撑剂类型，计算出实验所需支撑剂量、压裂液体积，准备压裂液及多种支撑剂；

（3）调整主裂缝两个透明平板之间的距离，使其与现场施工和实验方案中裂缝的宽度一致；

（4）确定主裂缝和次级裂缝的流出液量，确定主裂缝和次级裂缝的阀门大小，确定裂缝面的滤失系数；

（4）选取步骤（2）中的一种支撑剂与所述压裂液在压裂液配制罐中混合，搅拌成携砂压裂液，通过携砂液注入泵向人工裂缝中泵入携砂压裂液，携砂压裂液流经主裂缝和次级裂缝，并通过出液口经管线回流到压裂液配制罐，形成循环回路；

（5）采用高分辨率摄像机对透明平板进行拍摄，跟踪支撑剂在人工裂缝中的运移轨迹，实验完成后，根据拍摄的不同时刻支撑剂在平板垂直方向的堆积高度和水平方向的铺设距离，计算支撑剂的垂直沉降速度及水平运移速度；

（6）停止向人工裂缝中泵入携砂压裂液，用相机记录在人工裂缝中支撑剂沉降所形成的砂堤的形态；

（7）清空并清洗人工裂缝，对沉降于人工裂缝中的支撑剂烘干称重，计算沉降于人工裂缝中支撑剂所占总支撑剂的质量比，单独更换其它支撑剂或压裂液，重复步骤(4)～(7)。

10.根据权利要求9所述的实验方法，其特征在于，步骤（2）所述的支撑剂为页岩水力压裂常规支撑剂，主要是石英或者低密度支撑剂；步骤（2）所述的压裂液为清水压裂液。