CN107288603A - 一种模拟裂缝转向压裂的实验装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
一种模拟裂缝转向压裂的实验装置，包括通过管线***相连的泵、中间容器部和压裂实验设备；在所述压裂实验设备内设置有模拟井筒和射孔，所述泵通过中间容器部、模拟井筒的射孔向压裂实验设备内注入压裂液或暂堵剂。针对缝内转向实验和暂堵剂铺置规律的研究较少，缺少必要室内实验装置。该发明以相关理论为基础，结合现场施工以及地下储层实际条件，基于相似性准则设计并制作“裂缝转向压裂实验装置”，使用该装置可进行不同类型暂堵剂性能评价、暂堵剂铺置规律以及裂缝转向规律等实验研究。使用该装置可以进行不同类型暂堵剂以及不同暂堵剂铺置方式对缝内转向的影响实验研究，研究结果对现场施工有一定借鉴意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟裂缝转向压裂的实验装置及其应用，属于油气田开发的技术领域。
背景技术
随着社会的不断发展，世界的石油需求量日益增加，大多数整装油田的开发已陆续步入高含水中后期，深层、超深层及非常规油气资源越来越成为勘探开发的新区域。我国低渗透油田的石油资源量占全国石油总资源量的30％，开发潜力巨大。水力压裂是通过在地层形成具有高导流能力裂缝，从而达到增产效果的一项技术，适用于低渗透油气藏，随着压裂井的长时间开发生产，被水力裂缝触及到的泄油区内原油采收率很高，但是泄油区外的原油动用程度很低，所以对储层进行转向压裂改造，形成多条具有高导流能力的裂缝显得至关重要。转向压裂的关键技术就是实现裂缝内转向，裂缝能够进入未开采区域，裂缝数目明显多于过去的常规压裂技术，其导流能力也大大增加。
近年来，随着水力压裂技术水平的提高，国内外各大油田逐渐把目光放在使水力裂缝最大程度地触及含油区的问题上，陆续采用段内多裂缝技术或者缝内转向压裂技术，以提高储层裂缝的复杂程度，使产量最大化。缝内转向压裂技术是通过在压裂过程中加入暂堵剂，在水力压裂的主裂缝通道产生桥堵，使后面注入的工作液不能继续深入地层深处，形成高于裂缝破裂压力的压差值。当地下压力达到地应力改变后的地层或交界面临界破裂压力时，会在主裂缝的纵向或横向上产生新的分支裂缝，可以连通油气层深处的未被动用泄油区或天然裂缝，缝内支撑剂的铺置也会发生变化，而且暂堵剂会在一定时间内自动解堵，不会对油层造成污染，会使储层内的缝网更加复杂化，增加了油水层泄流面积，提高了原油的采收率和注入水的利用率。
暂堵剂的正确选择和合理铺置是影响缝内暂堵转向压裂技术的关键因素。在转向压裂施工过程中，暂堵剂能否在主裂缝内形成足以产生新裂缝的有效封堵和能否在一定的时间内解堵，对整个转向压裂的施工及增产效果有非常重要的影响。目前国内缺少对于缝内暂堵转向压裂模拟研究的必要实验装置。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种模拟裂缝转向压裂的实验装置。
本发明还提供一种上述装置在模拟裂缝转向压裂的工作方法。
本发明设计了模拟暂堵剂在主裂缝内形成有效封堵进行转向压裂的实验装置，目的是对暂堵剂进行筛选，探究暂堵剂的不同铺置参数对转向压裂效果的影响，优选暂堵剂的铺置参数。这关系到能否实现缝内转向压裂，对预测暂堵剂的暂堵效果、设计转向压裂施工参数和方案分析有非常重要的作用，对现场施工也有一定的指导意义。
本发明的技术方案如下：
一种模拟裂缝转向压裂的实验装置，包括通过管线***相连的泵、中间容器部和压裂实验设备；在所述压裂实验设备内设置有模拟井筒和射孔，所述泵通过中间容器部、模拟井筒的射孔向压裂实验设备内注入压裂液或暂堵剂。
根据本发明优选的，所述泵为柱塞泵，耐压5-10MPa，排量为0-300L/h。此设计通过调节柱塞长度控制泵的排量。
根据本发明优选的，所述管线***包括管线，所述管线的内径为2-10mm；优选的，所述管线***还包括压力表、流量计和配电箱，所述压力表和流量计均为电子压力表和电子流量计，所述配电箱用于：当所述实验装置的压力超出承压能力10MPa时，对实验装置立即断电停止运行。
根据本发明优选的，所述中间容器部包括至少两个并联的中间容器，所述中间容器的进液口通过第一多通阀与泵相连；所述中间容器的出液口通过第二多通阀、高压接头与所述压裂实验设备相连。本发明中，所述管线连接至少两个中间容器，可优选不锈钢材质的中间容器，不同的中间容器分别用于盛放压裂液或暂堵剂，其工作原理主要是：泵入的液体通过管线进入中间容器，向所述中间容器内的活塞施加压力，受压后的活塞驱动中间容器内的液体进入压裂实验设备。当压裂实验设备需要泵入压裂液时，将盛放压裂液的中间容器的阀门打开，将盛放暂堵剂的中间容器的阀门关闭，驱动压裂液进入压裂实验设备；当需要加入暂堵剂时，将盛放压裂液的中间容器的阀门关闭，将盛放暂堵剂的中间容器的阀门打开，驱动暂堵剂进入压裂实验设备。本发明采用至少两个并联中间容器的主要优点有：(1)采用不锈钢材料，耐腐蚀，使用时间长；(2)压裂液和暂堵剂互不影响，中间容器分别盛放两种液体，可以随时转换注入的液体，同时也避免了泵内原有其他流体的预存量对实验结果产生影响；(3)柱塞泵泵入液体的主要作用是驱动中间容器内的活塞，该液体的性质对实验结果无影响，所以可以注入对压裂实验装置无腐蚀的液体，比如说清水，使柱塞泵的使用时间更长。
根据本发明优选的，所述压裂实验设备包括：密封腔体、在所述密封腔体内轴向设置有模拟井筒和射孔。本发明中，将待实验的模拟岩心置于所述密封腔体内，通过模拟井筒和射孔对出现裂缝的模拟岩心进行转向压裂。在使用本发明时，根据现场压裂情况来模拟实验，采用相似原则，可以选用水泥块为模拟岩心，用于模拟将要被压开的地层，密封腔体模拟整个密闭的大地环境。
根据本发明优选的，所述模拟井筒包括设置在所述密封腔体内的内筒和连接在所述高压接头和压裂实验设备之间的外筒，所述内筒和外筒通过螺纹相连。
根据本发明优选的，所述内筒和外筒分别通过螺纹与密封腔体的下盖相连。本发明中，整个模拟井筒可以通过螺纹与腔体下盖联接，两处螺纹联接可以实现井筒与整个腔体装置的密封。
根据本发明优选的，所述内筒和外筒的内径均为8-10mm，所述射孔直径为4-6mm。本发明中，为了使进入模拟井筒的压裂液从射孔处排出，将内筒顶端做成封闭的。整个模拟井筒的内径为8-10mm，射孔直径为4-6mm，在所述内筒的对称两侧设置多个射孔，轴向一侧相邻射孔的间距为10-20mm，且射孔处于密封腔体内部中心。
根据本发明优选的，在所述密封腔体的下盖的上部和下部分别设置有安装槽，所述内筒的下端和外筒的上端的横截面形状均与所述安装槽形状相适应。优选的，所述安装槽为六角棱形，内筒的六角棱柱配合下盖中心的安装槽的作用是将整个模拟井筒定位于密封腔体中心，外筒的六角棱柱是用于方便外筒与下盖的装配。
一种上述装置在模拟裂缝转向压裂的工作方法，包括：
1)密封压裂实验设备，将带有模拟井筒的水泥块放入密封腔体内并密封；
2)对所述水泥块轴向施压，并对所述水泥块进行施加围压；实验过程中通过调节密封腔体上盖法兰的松紧程度结合密封腔体下盖压力传感器数值来控制密封腔体内水泥块的轴向力，通过液压装置给水泥块施加围压；因为压开的裂缝方向垂直于最小主应力方向，所以在压裂前可以通过改变围压和轴向力来控制裂缝的方向；
3)向密封腔体内加入暂堵剂，然后，通过控制围压和轴向力改变水泥块的应力场，以模拟裂缝转向压裂。此步骤使裂缝转向的效果更加明显。
本发明的优势：
目前对于缝内转向压裂的研究主要集中在暂堵剂的合成、性能评价以及裂缝暂堵位置处应力场变化规律等几个方面。针对缝内转向实验和暂堵剂铺置规律的研究较少，缺少必要室内实验装置。该发明以相关理论为基础，结合现场施工以及地下储层实际条件，基于相似性准则设计并制作“裂缝转向压裂实验装置”，使用该装置可进行不同类型暂堵剂性能评价、暂堵剂铺置规律以及裂缝转向规律等实验研究。使用该装置可以进行不同类型暂堵剂以及不同暂堵剂铺置方式对缝内转向的影响实验研究，研究结果对现场施工有一定借鉴意义。
附图说明
图1是本发明实施例中所述水泥块裂缝图；
图2是本发明实施例中所述水泥块裂缝的原理示意图；
1、第一次压裂后的裂缝；2、铺置暂堵剂的位置；3、第二次压裂转向后的裂缝；4、水泥块；
图3是本发明所述实验装置的整体结构示意图；
5、泵；6、管线***；
7、中间容器部；7-1、盛放压裂液的中间容器；7-2、盛放暂堵剂的中间容器；7-3、第一三通阀；7-4、第二三通阀；
8、压裂实验设备；9、下盖；
10、模拟井筒；10-1、内筒；10-2、外筒；
11、射孔。
图4是本发明所述中间容器部的结构示意图；
12、高压接头；13、阀门；
图5是本发明所述压裂实验设备的***示意图；
21、上盖；22、密封垫；23、密封腔体；24-1、内筒与下盖相连的螺纹；24-2、外筒与所述下盖相连的螺纹；
图6是本发明所述压裂实验设备的整体结构图；
图7是本发明所述模拟井筒的整体结构示意图；
10-3、内筒的六棱柱；10-4、外筒的六棱柱；25、下盖的螺纹孔；
图8是本发明所述压裂液实验设备所用的法兰。
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。
如图1-8所示。
实施例1、
一种模拟裂缝转向压裂的实验装置，包括通过管线***6相连的泵5、中间容器部7和压裂实验设备8；在所述压裂实验设备8内设置有模拟井筒10和射孔11，所述泵5通过中间容器部7、模拟井筒的射孔11向压裂实验设备8内注入压裂液或暂堵剂。
所述泵5为柱塞泵，耐压5-10MPa，排量为0-300L/h。
所述管线***6包括管线，所述管线的内径为2-10mm；优选的，所述管线***还包括压力表、流量计和配电箱，所述压力表和流量计均为电子压力表和电子流量计，所述配电箱用于：当所述实验装置的压力超出承压能力10MPa时，对实验装置立即断电停止运行。
所述中间容器部7包括至少两个并联的中间容器7-1、7-2，所述中间容器的进液口通过第一多通阀与泵相连；所述中间容器的出液口通过第二多通阀、高压接头与所述压裂实验设备相连。此实施例中，所述第一多通阀为第一三通阀7-3，所述第二多通阀为第二三通阀7-4；
所述压裂实验设备8包括：密封腔体、在所述密封腔体内轴向设置有模拟井筒10和射孔11。
所述内筒10-1和外筒10-2的内径均为8-10mm，所述射孔11直径为4-6mm。
实施例2、
如实施例1所述的一种模拟裂缝转向压裂的实验装置，其区别在于，所述模拟井筒10包括设置在所述密封腔体内的内筒10-1和连接在所述高压接头12和压裂实验设备8之间的外筒10-2，所述内筒10-1和外筒10-2通过螺纹相连。
实施例3、
如实施例1所述的一种模拟裂缝转向压裂的实验装置，其区别在于，所述内筒10-1和外筒10-2分别通过螺纹与密封腔体的下盖9相连。
实施例4、
如实施例1所述的一种模拟裂缝转向压裂的实验装置，其区别在于，在所述密封腔体的下盖9的上部和下部分别设置有安装槽，所述内筒10-1的下端和外筒10-2的上端的横截面形状均与所述安装槽形状相适应。所述安装槽为六角棱形，内筒的六角棱柱配合下盖中心的安装槽的作用是将整个模拟井筒定位于密封腔体中心，外筒的六角棱柱是用于方便外筒与下盖的装配。
实施例5、
一种如实施例1-4所述装置在模拟裂缝转向压裂的工作方法，包括：
1)密封压裂实验设备8，将带有模拟井筒10的水泥块4放入密封腔体内并密封；
2)对所述水泥块4轴向施压，并对所述水泥块4进行施加围压；实验过程中通过调节密封腔体上盖法兰的松紧程度结合密封腔体下盖压力传感器数值来控制密封腔体内水泥块的轴向力，通过液压装置给水泥块施加围压；因为压开的裂缝方向垂直于最小主应力方向，所以在压裂前可以通过改变围压和轴向力来控制裂缝的方向；
3)向密封腔体内加入暂堵剂，然后，通过控制围压和轴向力改变水泥块的应力场，以模拟裂缝转向压裂。此步骤使裂缝转向的效果更加明显。
应用例、
如实施例1-5，其中，所述密封腔体包括上盖21、密封腔体23和下盖9，如果要模拟现场压裂施工，整个实验装置需满足密封和耐压两个要求。所述密封腔体的上盖21和下盖9都是通过密封垫22实现与密封腔体23密封，而且都是通过法兰来紧固承压。
实验过程中可以通过调节上盖21的法兰的松紧程度来控制腔体内水泥块4的轴向力，为了方便实验操作，在上盖21的外表面安装了两个提起上盖的把手。
密封腔体内部尺寸直径为300—600mm，高为100—400mm。腔体内侧装有通过液压给水泥块4施加围压的装置。为了满足不同的实验要求，水泥块4的高度可能有很大的差异，此时可以在水泥块4上面加一些厚胶皮，间接与上盖接触，通过紧固法兰，夹紧密封腔体内水泥块4，避免水泥块4在实验过程中由于受力晃动而影响实验效果。
下盖9与水泥块4接触的部分装有压力传感器，能及时读取水泥块所受压力值。由于模拟井筒10开口朝下，必须要支撑起整个实验设备，在下盖9上安装了对称的四个脚构成一个支架，支撑起实验设备，同时可以调节每个脚的高度，更好地保持设备的稳定性。安装在下盖9的阀门主要的作用是排液和释放压力，在泵入暂堵剂前可以排出密封腔体内多余的压裂液，实验完成后还可以释放整个实验装置的压力。此外在下盖9中心有安装槽，配合模拟井筒10在密封腔体内定位。
在本应用例中，所述实验装置的参数如表1：
表1实验装置的参数
利用本发明所述实验装置进行实验的举例：
(1)压裂液的类型
实验选取清水作为本实验的压裂液，与常规的线性胶压裂液相比，线性胶压裂液粘度高，容易携带支撑剂，在水泥块中滤失量较小。但是清水来源广、费用低、操作简单方便。考虑到该实验研究的是裂缝暂堵转向效果，对压裂液的粘度没有过多的要求，所以选择清水作为该实验的压裂液。
(2)实验排量
实验采用小排练泵注清水压裂液，假设压裂现场的施工排量为6m3/min，缝高30m，缝宽1cm，压裂实验设备内水泥块的缝宽大约为1mm，高20cm，根据公式(2-1)和公式(2-2)计算出现场施工的线速度为20m/min,根据实验的相似性原理，将泵的排量调节为4L/min。
Q＝Av (2-1)
A＝hw (2-2)
其中Q指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。
实验过程中采用流量计控制实验排量保持稳定，避免实验排量变化对实验结果产生影响。
为了使整个实验过程中的实验现象更明显，防止遗漏实验现象的每个细节，采取延长实验时间的方法进行实验，主要措施就是降低实验排量。
(3)水泥块的形状及非均质性
若水泥块的形状为正立方体，射孔11处位于水泥块4的几何中心，则各个面对射孔11处的影响均一样。但是立方体水泥块不易密封，圆柱体易密封且满足实验要求，因此将水泥块设计为圆柱体。
非均质性对实验的影响主要是裂缝的扩展方向，将水泥块制作成非均质性可以更好地控制裂缝扩展方向。
(4)暂堵剂的种类选择
目前暂堵剂的种类大概分为三种：化学颗粒类暂堵剂、聚合物冻胶类暂堵剂和纤维类暂堵剂。
化学颗粒类暂堵剂封堵原理主要是其遵循流体向最小阻力流动的原则，暂堵剂颗粒进入井筒炮眼，大部分流向高渗层，通过颗粒在炮眼处以及高渗层形成低渗透滤饼封堵住原来的通道，使裂缝内形成高于地层破裂的压力值，压开新的裂缝。
聚合物冻胶类暂堵剂被泵入到地层裂缝中时，与裂缝壁面粘附性较好，自身抗拉强度大，且随暂堵剂浓度的增加，胶体和壁面之间的粘附能力增强，对裂缝形成有效封堵。当缝内憋压高于地层破裂压力时，会促使新裂缝的产生。
纤维类暂堵剂的封堵原理就是纤维可以在裂缝中形成桥塞，桥塞的形成会使纤维大量聚集，对裂缝形成有效封堵，最终达到裂缝转向的效果。
本发明所述的实验装置通过选用不同类型的暂堵剂及不同材料配方的同种类型暂堵剂进行实验对比。
(5)要想使暂堵剂起到裂缝转向的作用，须将暂堵剂放到裂缝内，并且将裂缝封堵。该实验采用两种暂堵剂铺置方法，将暂堵剂铺置好后再进行压裂实验，观察转向压裂效果，总结暂堵剂铺置规律，指导缝内暂堵转向压裂施工。
第一种方法为：人工铺置暂堵剂方法。首先对放入压裂实验设备8内的水泥块4进行常规压裂，当水泥块4被压开第一次压裂后的裂缝1之后，将水泥块4从压裂实验设备8内拿出来，分开被压开的水泥块，暴露出水泥块的整个裂缝面，将准备好的暂堵剂均匀地铺置在模拟井筒10四周，然后把水泥块重新拼合，将整个水泥块放入压裂实验设备8内，对水泥块施加围压和轴向力，使暂堵剂在一定温度下对裂缝形成充分的封堵，最后再泵入压裂液，通过控制排量和施加在水泥块上面的压力进行转向压裂实验。该实验方法可以通过改变暂堵剂铺置的形状和厚度，进行对比实验。
第二种方法为：泵送暂堵剂的方法，通过压裂液的携带作用，将暂堵剂携带到裂缝中。首先对放入压裂实验设备8内的水泥块进行常规压裂，当水泥块被压开第一次压裂后的裂缝1之后，打开盛放暂堵剂的中间容器，将暂堵剂泵入到压裂实验设备内的水泥块裂缝内，当暂堵剂被加入到裂缝内后，对水泥块施加围压和轴向力，使暂堵剂在一定温度下对裂缝形成充分的封堵，再泵入压裂液，通过控制排量和施加在水泥块上面的压力进行转向压裂实验。该实验方法通过改变暂堵剂的泵送速度和浓度，进行对比实验。
根据上述实验方案，研究在压裂过程中裂缝转向规律。
实验结果分析
一种如实施例1-4所述装置在模拟裂缝转向压裂的工作方法，包括：
1)密封压裂实验设备8，将带有模拟井筒10的水泥块4放入密封腔体内并密封；
2)对所述水泥块4轴向施压，并对所述水泥块4进行施加围压；通过调解法兰和液压装置给水泥块施加相应的轴向力和围压；接通电源，将压裂液以9L/h的排量泵入模拟井筒，当泵的排量大于压裂液在水泥块中的滤失量时，在模拟井筒内迅速憋压，将水泥石压开一条裂缝；
3)向密封腔体内加入暂堵剂，用于封堵住原裂缝，然后，通过控制围压和轴向力改变水泥块的应力场，以模拟裂缝转向压裂。此步骤使裂缝转向的效果更加明显。
以30L/h的排量泵入压裂液，若暂堵剂能有效封堵，可以承受住更大压力，井筒内还可以迅速憋压，压开第二次压裂后的裂缝3，与此同时可以通过控制围压和轴向压力的大小来控制第一次压裂后的裂缝3的延展方向。
实验过程中，仔细观察裂缝在水泥块4中的起裂方式、扩展形态和管线压力的变化值，并记录相关的实验现象。
水泥块4中起裂缝后，将水泥块4从实验装置中提出，并对裂缝的起裂方式和扩展形态进行分析。
实验结束后，清理实验装置，制作水泥块，准备下一组实验。进行多组实验，绘制孔眼压力随时间变化图，综合分析裂缝转向规律。
进行实验得到实验结果进行处理，以人工铺置聚合物暂堵剂为例进行分析，实验结束后，水泥块裂缝如图1所示。
Claims (10)
1.一种模拟裂缝转向压裂的实验装置，其特征在于，该实验装置包括通过管线***相连的泵、中间容器部和压裂实验设备；在所述压裂实验设备内设置有模拟井筒和射孔，所述泵通过中间容器部、模拟井筒的射孔向压裂实验设备内注入压裂液或暂堵剂。
2.根据权利要求1所述的一种模拟裂缝转向压裂的实验装置，其特征在于，所述泵为柱塞泵，耐压5-10MPa，排量为0-300L/h。
3.根据权利要求1所述的一种模拟裂缝转向压裂的实验装置，其特征在于，所述管线***包括管线，所述管线的内径为2-10mm；优选的，所述管线***还包括压力表、流量计和配电箱，所述压力表和流量计均为电子压力表和电子流量计，所述配电箱用于：当所述实验装置的压力超出承压能力10MPa时，对实验装置立即断电停止运行。
4.根据权利要求1所述的一种模拟裂缝转向压裂的实验装置，其特征在于，所述中间容器部包括至少两个并联的中间容器，所述中间容器的进液口通过第一多通阀与泵相连；所述中间容器的出液口通过第二多通阀、高压接头与所述压裂实验设备相连。
5.根据权利要求1所述的一种模拟裂缝转向压裂的实验装置，其特征在于，所述压裂实验设备包括：密封腔体、在所述密封腔体内轴向设置有模拟井筒和射孔。
6.根据权利要求5所述的一种模拟裂缝转向压裂的实验装置，其特征在于，所述模拟井筒包括设置在所述密封腔体内的内筒和连接在所述高压接头和压裂实验设备之间的外筒，所述内筒和外筒通过螺纹相连。
7.根据权利要求6所述的一种模拟裂缝转向压裂的实验装置，其特征在于，所述内筒和外筒分别通过螺纹与密封腔体的下盖相连。
8.根据权利要求6所述的一种模拟裂缝转向压裂的实验装置，其特征在于，所述内筒和外筒的内径均为8-10mm，所述射孔直径为4-6mm。
9.根据权利要求7所述的一种模拟裂缝转向压裂的实验装置，其特征在于，在所述密封腔体的下盖的上部和下部分别设置有安装槽，所述内筒的下端和外筒的上端的横截面形状均与所述安装槽形状相适应。
10.一种如权利要求1-9任意一项所述装置在模拟裂缝转向压裂的工作方法，其特征在于，该方法包括：
1)密封压裂实验设备，将带有模拟井筒的水泥块放入密封腔体内并密封；
2)对所述水泥块轴向施压，并对所述水泥块进行施加围压；
3)向密封腔体内加入暂堵剂，然后，通过控制围压和轴向力改变水泥块的应力场，以模拟裂缝转向压裂。
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