CN108375513A - 一种射孔作业破岩实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于油井水力压裂技术领域，涉及一种射孔作业破岩实验方法，先向射孔实验容器中灌水并将装有水泥试样的靶套下放进去，将实验容器盖套在装有水泥试样的靶套上方后将射孔弹的***引出并与电子引火装置连接；再打开加压泵控制加压，进行第一组射孔实验，将围压逐步升到20.5Mpa并稳定后，摁下点火按钮，射孔完成后，逐渐卸掉压力，关闭水泵，打开高温高压射孔实验容器，取出装有水泥试样的靶套，横放在地面上，卸掉螺栓，打开靶套，将水泥试样取出，完成第一组射孔实验；并按照上述方法进行第二组射孔实验，将围压逐步上升到30MPa，其余过程相同，完成第二组射孔实验；其方法简单，操作方便，实验结果精确，误差小。

Description

一种射孔作业破岩实验方法

技术领域：

本发明属于油井水力压裂技术领域，涉及一种射孔作业破岩实验方法，用于分析射孔作业对其孔道周围岩石破坏的基本规律，从而对射孔弹穿透岩石后形成的损伤区域进行深入研究。

背景技术：

油井水力压裂技术是非常规油气开采的重要手段，水力压裂作业井大量选用射孔完井方式。聚能射孔弹射穿岩石，释放应力波和具有破坏性的应力，对孔壁周围岩石产生损伤破坏，产生大量微裂纹，导致孔道周围地层渗透率和孔隙度发生变化，这些变化会对油井水力压裂裂缝起裂、扩展造成一定的影响，进而影响油气流的产出。因此射孔对周围岩石作用而产生裂缝的规律以及裂缝对于压裂效果的影响值得深入研究。但目前相关方面的研究不够深入，特别是由于实验方法不当，造成对岩石的损伤规律不能进行详细研究，缺乏对射孔造成孔道周围岩石的损伤形式、范围、形成裂纹的形态、数目、缝宽等的详细描述。因此，需要寻求一种科学、完善的射孔作业破岩实验方法，用于研究射孔作业破碎岩石所产生裂缝的分布规律，从而对射孔弹穿透岩石后形成的损伤区域进行深入研究。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种射孔作业破岩实验方法，采用预制径向剖面的方法制备实验用的试样，便于实验后观察其剖面上的裂纹形态、数目和宽度等，以分析射孔作业对其孔道周围岩石破坏的基本规律。

为了实现上述目的，本发明采用现有高温高压射孔实验容器，设计专用实验用靶套，具体过程包括：

(一)制备试验材料

(1)模具的制作：采用“8 1/2”的套管切割为两半做成壁厚10mm 的圆柱形模具，使水泥试样凝固后便于取出，制备水泥试样时将套管用铁箍箍住；

(2)水泥试样的制备：选用胜潍G级水泥，水和水泥的重量比为0.44，养护时间28天，抗压强度达到35MPa，制备得到高度分别为200mm，300mm，500mm的水泥试样；

(3)制作靶套：水泥试样放入高温高压射孔实验容器前，需先安装在靶套中，靶套用于固定岩样，并使水泥试样接触面保持紧密；靶套上部开口，下部闭合，避免射孔过程中脱落的岩屑调入高压实验容器中，堵塞加压口；靶套的外表面设有小孔，流体通过小孔进入靶套对水泥试样施加围压，小孔的数量根据实际需要确定；靶套上部固定安装射孔装置；靶套能够悬挂，便于上提下放；

(二)实验准备

(1)安装射孔弹：将射孔装置安装在靶套上部，取一发型号为 SDDP41RDX32-1、含药量32g的深穿透射孔弹安装在射孔装置中，固定好并接好***，检查密封圈，保证整个实验装置的密封性，防止渗水情况的发生，安装过程中射孔弹要轻拿轻放；

(2)组装水泥试样和靶套：将水泥试样放入靶套中，由上到下依次放入200mm、300mm、500mm高度的水泥试样，并分别编号为 1、2、3，每个试样上表面标为A，下表面标为B；将靶套组合好并上好侧边螺栓，保证螺栓上下位置受力均匀；靶套和螺栓安装好后，在靶套上部安装垫圈，用螺栓上紧，用于压紧试样，减少试样接触面间的缝隙，并连接上部的射孔器，便于整个装置的上提、下放，完成实验准备；

(三)射孔实验

(1)放入高压容器：首先将装有水泥试样的靶套上部与桁吊的吊钩相连，利用桁吊将组装好的实验装置下放入地下室高温高压射孔实验容器中，先将装有水泥试样的靶套靠在一边，通过水泵向高温高压射孔实验容器中灌水，直至水面距离高温高压射孔实验容器上沿 20cm处，将装有水泥试样的靶套下放进去，将高温高压射孔实验容器盖套在装有水泥试样的靶套上方，用力把高温高压射孔实验容器盖压入高温高压射孔实验容器的上沿下端，旋转30°，将高温高压射孔实验容器盖与下沿卡死，使高温高压射孔实验容器处于密封状态，将射孔弹的***引出，并与电子引火装置连接；

(2)加围压、点火射孔：检查好后，工作人员撤离地下设备室，打开加压泵，到外部的控制室控制加压，进行射孔实验，将围压逐步升到20.5MPa，此时孔隙压力为20.6MPa，当压力逐渐稳定后，摁下点火按钮，射孔完成；

(3)取出试样：射孔完成后，将高温高压射孔实验容器中的压力逐渐卸掉，关闭水泵，打开高温高压射孔实验容器盖，取出装有水泥试样的靶套，横放在地面上，卸掉螺栓，打开靶套，将水泥试样取出，完成射孔实验。

本发明所述高温高压射孔实验容器采用现有设备，按照API RP 19B标准流程可模拟高温、井筒压力、岩石围压、孔隙压力、流体流动状态等储层环境，由三轴高压缸、液压动力泵组、伺服控制***、主控计算机、量测***五部分组成，在容器顶部、底部和侧壁均设有压力、温度测点，筒体上端部设有***片接口，起到安全保护作用，该实验设备控制***采用全数字控制器，控制精度高，可靠性强；该容器内径为400mm，有效空间高度为1000mm；设计最大压力为145 MPa，水压实验压力为181MPa，工作压力为80MPa；三腔压力状态下，孔隙压力＜围压≤80MPa，井筒压力≤145MPa；射孔弹最大允许装药量300g。

本发明所述水泥试样的具体制备过程为：

(1)用电子天平秤量水泥和水，确保水和水泥的重量比为0.44；

(2)将水放入搅拌机中，一边用搅拌机搅拌，一边向水中加入水泥，加入水泥后继续直搅拌至水泥与水混合均匀；

(3)在模具内表面抹上黄油，防止模具生锈且容易退模，将步骤(2)中混合均匀的水泥与水浇注到模具中，并将模具用铁箍箍好放在有机玻璃上，使水泥表面平整；

(4)浇筑完后轻轻晃动模具，清除水泥中气泡，避免试样表面出现裂缝，上部用有机玻璃盖住，防止表面水分过快蒸发，初凝过程要保持水泥表面湿润；

(5)常温下，8小时完成初凝后将水泥试样从模具中取出，放入水中进行常温养护28天，使其抗压强度达到35MPa，按照上述方法制备水泥试样，每组水泥试样的高度分别为200mm，300mm，500mm。

本发明所述靶套用于固定水泥试样，并使水泥试样接触面保持紧密，靶套的上部开口，下部闭合，避免射孔实验过程中脱落的岩屑调入高压容器中，堵塞加压口，靶套的上部固定安装射孔器，靶套的外表面有若干小孔，流体通过小孔进入靶套对岩样施加围压，小孔的数量根据实际需要确定。

本发明与现有技相比，具有以下优点：一是根据页岩性能参数选择相应水泥制作实验试样；二是模拟地下射孔的围压进行实验；三是采用预制剖面试样(利用靶套进行拼接、固定)，便于实验后对损伤情况进行详细深入分析；其方法简单，操作方便，实验结果精确，误差小。

附图说明：

图1为本发明所述高温高压射孔实验容器的主体结构原理示意图。

图2为本发明所述靶套的结构原理示意图。

图3为本发明实施例射孔实验完成后水泥试样的径向裂纹分布图，其中(a)为围压30MPa的水泥试样径向裂纹分布图，(b)为围压20MPa的水泥试样径向裂纹分布图。

图4为本发明实施例所述水泥试样与各同心圆相交的径向裂纹数目分别曲线图。

图5为本发明实施例所述F1B面上不同宽度裂缝数目变化图。

图6为本发明实施例所述F1B面损伤区域划分图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例：

本实验通过室***孔弹射流侵彻水泥石，来模拟井下射孔作业及其对孔壁周围岩石的损伤情况，实验试样采用预制剖面的方法，将3 个不同高度的圆柱形水泥试样拼接起来，实验时将水泥试样依次放入靶套中，然后吊装进高温高压射孔实验容器中，模拟地层压力施加围压，由一发射孔弹从最上部试样的上表面中心处射入试样，实验完成后卸压，取出观察水泥石试样横剖面的裂纹情况，选取射孔弹型号时，由于本次实验拟采用预制横剖面的方法，射孔弹所发出的金属流可能会在剖面处流失极少一部分，对下部分试样的冲击力也会一定减弱，所以推测实验结果要比完整试样射孔时形成的孔道深度短一些，经调研，28g深穿透射孔弹在贝雷砂岩靶上射孔深度约为600mm，32g深穿透射孔弹在砂岩靶上射孔深度约为750mm，所用贝雷砂岩靶的抗压强度约为45MPa，抗压强度略大于水泥试样，而随着岩石抗压强度的增大，射孔穿深是减小的，所以对水泥试样进行射孔实验的穿深应该会略大于贝雷砂岩靶，为使射孔弹的穿深在1m的范围内尽量大一些，拟选用含药量32g的深穿透射孔弹，射孔弹的型号为 SDDP41RDX32-1；进行试样参数设计时，高温高压射孔实验容器所要求的试样高度为1m，由于本次实验拟采用预制横剖面的方法进行研究，在多大高度处设制剖面，设计几个剖面是个关键问题，根据射孔弹型号，将贝雷砂岩靶射孔的深度作为参考，预测该型号射孔弹对完整水泥试样靶的穿深为800mm，如果试样被横向剖面，射孔弹的射流会在剖面处有部分损失，穿深可能有所降低，所以预测设置一个横剖面的情况下，穿深约为600mm，为尽可能多的观察到射孔横剖面处的损伤情况，拟设置两个横剖面，第一个横剖面的位置在距离射孔入口200mm，第二个横剖面的位置在距离射孔入口500mm处，这样可能观察到两个横剖面处的损伤情况，便于分析研究，因此一组射孔实验采用3种高度的水泥试样拼接起来，200mm，300mm，500mm 由上至下依次组合在一起进行射孔实验，试样各项参数如表1所示，表1：试样参数表

选取实验围压时，考虑到实际操作的方便性，拟选用20MPa和30MPa 的围压进行两次射孔实验，由于随着围压的增加，岩石的破坏强度、屈服应力及延性都会增加，所以推测同种射孔弹射孔的情况下，围压增大，试样的损伤减轻，所以分别在围压为30MPa和20MPa下做两组射孔弹射孔实验，用来对比在不同围压下，射孔损伤情况的不同；由于温度对射孔深度及射孔损害区域的影响较小，所以本次实验不考虑温度情况，在常温下进行射孔实验。

本实施例采用高温高压射孔实验容器实现，具体过程包括：

(一)准备主要实验材料工具：

(1)模具的制作：采用“8 1/2”的套管切割为两半做成壁厚10mm 的圆柱形模具，使水泥试样凝固后便于取出，制备水泥试样时将套管用铁箍箍住；

(2)水泥试样的制备：选用胜潍G级水泥，水和水泥的重量比为0.44，养护时间28天，抗压强度达到35MPa，制备得到高度分别为200mm，300mm，500mm的水泥试样；

(3)制作靶套：水泥试样放入高温高压射孔实验容器前，需先安装在靶套中，靶套用于固定岩样，并使水泥试样接触面保持紧密；靶套上部开口，下部闭合，避免射孔过程中脱落的岩屑调入高压实验容器中，堵塞加压口；靶套的外表面设有小孔，流体通过小孔进入靶套对水泥试样施加围压，小孔的数量根据实际需要确定；靶套上部固定安装射孔装置；靶套能够悬挂，便于上提下放；

(二)实验准备

(1)安装射孔弹：将射孔器安装在靶套上部，取一发型号为 SDDP41RDX32-1、含药量32g的深穿透射孔弹安装在射孔器中，固定好并接好***，检查密封圈，保证整个实验装置的密封性，防止渗水情况的发生，安装过程中射孔弹要轻拿轻放；

(2)组装水泥试样和靶套：将水泥试样放入靶套中，由上到下依次放入200mm、300mm、500mm高度的水泥试样，并分别编号为 1、2、3，每个试样上表面标为A，下表面标为B；将靶套组合好并上好侧边螺栓，保证螺栓上下位置受力均匀；靶套和螺栓安装好后，在靶套上部安装垫圈，用螺栓上紧，用于压紧试样，减少试样接触面间的缝隙，并连接上部的射孔器，便于整个装置的上提、下放，完成实验准备。

(三)射孔实验

(1)放入高压容器：首先将装有水泥试样的靶套上部与桁吊的吊钩相连，利用桁吊，将组装好的实验装置下放入地下室高温高压射孔实验容器中，先将装有水泥试样的靶套靠在一边，通过水泵向高温高压射孔实验容器中灌水，直至水面距离高温高压射孔实验容器上沿 20cm处，将装有水泥试样的靶套下放进去，将高温高压射孔实验容器盖套在试样靶上方，用力把高温高压射孔实验容器盖压入高压容器的上沿下端，旋转30°，将高温高压射孔实验容器盖与下沿卡死，使高温高压射孔实验容器处于密封状态，将射孔弹的***引出，并与电子引火装置连接；

(2)加围压、点火射孔：检查好后，人员撤离地下设备室，打开加压泵，到控制室控制加压，进行第一组射孔实验，将围压逐步升到20.5MPa，此时孔隙压力为20.6MPa，当压力逐渐稳定后，摁下点火按钮，射孔完成；

(3)取出试：射孔完成后，将高压容器中的压力逐渐卸掉，关闭水泵，打开高温高压射孔实验容器，取出装有水泥试样的靶套，横放在地面上，卸掉螺栓，打开靶套，将水泥试样取出，完成第一组射孔实验；并按照上述方法进行第二组射孔实验，将围压逐步上升到30MPa，其余过程相同，完成第二组射孔实验；

(四)实验结果分析

(1)横剖面宏观裂纹分布情况：对两个射孔弹金属流的穿出面进行观察，发现横剖面的裂纹以径向为主，对径向裂纹分布进行分析，为使试样表面的裂纹更加明显，用水润湿试样表面，有缝隙的地方会迅速渗透，并留下痕迹，以此方法可以明显的观察裂纹；以孔道中心为圆心，将试样表面分为8等份，依次数出与每个同心圆相交的径向裂纹数目，其中，F1B面(指围压30MPa的水泥试样下表面)半径最大的圆实际半径为8.5cm，所以相邻两个同心圆半径相差 1.0625cm；S1B面(指围压20MPa的水泥试样下表面)半径最大的圆实际半径为9.3cm，所以相邻两个同心圆半径相差1.1625cm；与各同心圆相交的径向裂纹数目分布如图4所示，从图中可以看出，两个面的分布规律大致相同，在第1、2个圆(2cm)的范围内，径向裂纹较少，分析原因是此范围内岩石受压，抗拉强度变大；从第3到第 6个圆区域内，裂纹数目增多，裂纹数目相对比较稳定；在试样边缘处，裂纹数目则明显降低；

(2)横剖面微观裂纹分布情况：为更加深入观察水泥试样横剖面的损伤情况，采用了显微镜来研究试样的微损伤扩展情况，并对距孔眼不同距离的裂纹缝宽进行了统计，分析变化规律，将横剖面的半径平均分为16等份，以孔道中心为圆心作16个同心圆，由孔道边缘处向外依次标为0号～15号圆，利用便携式数码显微镜(最高放大150 倍)对试样拍摄照片，结合现有的Nano Measurer软件，依次测出每个圆上与之相交的所有径向裂纹宽度，然后画出两个面上不同宽度裂缝数目变化图，以F1B面为例，结果如图5所示，半径最大的圆实际半径为8.5cm，所以相邻两个同心圆半径相差0.531cm，0～1号圆范围内(<1.3cm)裂纹较少，有两条较宽裂纹从孔道处起裂，说明孔道处岩石受到的拉伸应力较大，但由于射孔对孔道周围岩石产生压剪损伤作用，产生塑性变形，岩石强度增加，拉伸应力并没有造成较多的微裂纹，只是在相对的方向上产生了两条宽度较大的裂纹；2～11 号圆范围内(1.3～6.6cm)，各种宽度裂纹数目均有增加而后稳定扩展，出现了较多的微裂纹，短而窄，40μm以下的微裂纹增加最多，多在较宽裂纹周围产生；12～15号圆范围内(>6.6cm)，缝宽小于80μm的裂纹数目逐渐减少，但80μm以上的裂纹仍然较多，这说明较宽裂纹扩展稳定，是试样边缘的主要损伤形式；由此将F1B面的损伤区域划分为三部分，如图6所示，从孔道边缘到1.3cm处的区域属于压剪损伤区，裂纹数目较少；1.3～6.6cm的区域属于拉伸损伤严重区，裂纹较多，微裂纹增多明显，并且裂纹保持稳定扩展，裂纹宽度分布没有发生太大变化；6.6cm到试样边缘处属于拉伸损伤衰减区，裂纹逐渐减少，余下多为较宽裂纹。

本实施例所述高温高压射孔实验容器采用现有设备，按照API RP 19B标准流程可模拟高温、井筒压力、岩石围压、孔隙压力、流体流动状态等储层环境，由三轴高压缸、液压动力泵组、伺服控制***、主控计算机、量测***五部分组成，在容器顶部、底部和侧壁均设有压力、温度测点，筒体上端部设有***片接口，起到安全保护作用，该实验设备控制***采用全数字控制器，控制精度高，可靠性强；该容器内径为400mm，有效空间高度为1000mm；设计最大压力为145 MPa，水压实验压力为181MPa，工作压力为80MPa；三腔压力状态下，孔隙压力＜围压≤80MPa，井筒压力≤145MPa；射孔弹最大允许装药量300g。

本实施例所述水泥试样的具体制备过程为：

(1)用电子天平秤量水泥和水，确保水和水泥的重量比为0.44；

(2)将水放入搅拌机中，一边用搅拌机搅拌，一边向水中加入水泥，加入水泥后继续直搅拌至水泥与水混合均匀；

(3)在模具内表面抹上黄油，防止模具生锈且容易退模，将步骤 (2)中混合均匀的水泥与水浇注到模具中，并将模具用铁箍箍好放在有机玻璃上，使水泥表面平整；

(4)浇筑完后轻轻晃动模具，清除水泥中气泡，避免试样表面出现裂缝，上部用有机玻璃盖住，防止表面水分过快蒸发，初凝过程要保持水泥表面湿润；

(5)常温下，8小时完成初凝后将水泥试样从模具中取出，放入水中进行常温养护28天，使其抗压强度达到35MPa，按照上述方法制备两组水泥试样，每组水泥试样的高度分别为200mm，300mm， 500mm。

本实施例所述靶套用于固定水泥试样，并使水泥试样接触面保持紧密，靶套的上部开口，下部闭合，避免射孔实验过程中脱落的岩屑调入高压容器中，堵塞加压口，靶套的上部固定安装射孔器，靶套的外表面有若干小孔，流体通过小孔进入靶套对岩样施加围压，小孔的数量根据实际需要确定。

Claims (2)

1.一种射孔作业破岩实验方法，其特征在于具体过程包括：

(一)制备试验材料

(1)模具的制作：采用“8 1/2”的套管切割为两半做成壁厚10mm的圆柱形模具，使水泥试样凝固后便于取出，制备水泥试样时将套管用铁箍箍住；

(2)水泥试样的制备：选用胜潍G级水泥，水和水泥的重量比为0.44，养护时间28天，抗压强度达到35MPa，制备得到高度分别为200mm，300mm，500mm的水泥试样；

(3)制作靶套：水泥试样放入高温高压射孔实验容器前，需先安装在靶套中，靶套用于固定岩样，并使水泥试样接触面保持紧密；靶套上部开口，下部闭合，避免射孔过程中脱落的岩屑调入高压实验容器中，堵塞加压口；靶套的外表面设有小孔，流体通过小孔进入靶套对水泥试样施加围压，小孔的数量根据实际需要确定；靶套上部固定安装射孔装置；靶套能够悬挂，便于上提下放；

(二)实验准备

(1)安装射孔弹：将射孔装置安装在靶套上部，取一发型号为SDDP41RDX32-1、含药量32g的深穿透射孔弹安装在射孔装置中，固定好并接好***，检查密封圈，保证整个实验装置的密封性，防止渗水情况的发生，安装过程中射孔弹要轻拿轻放；

(2)组装水泥试样和靶套：将水泥试样放入靶套中，由上到下依次放入200mm、300mm、500mm高度的水泥试样，并分别编号为1、2、3，每个试样上表面标为A，下表面标为B；将靶套组合好并上好侧边螺栓，保证螺栓上下位置受力均匀；靶套和螺栓安装好后，在靶套上部安装垫圈，用螺栓上紧，用于压紧试样，减少试样接触面间的缝隙，并连接上部的射孔器，便于整个装置的上提、下放，完成实验准备；

(三)射孔实验

(1)放入高压容器：首先将装有水泥试样的靶套上部与桁吊的吊钩相连，利用桁吊将组装好的实验装置下放入地下室高温高压射孔实验容器中，先将装有水泥试样的靶套靠在一边，通过水泵向高温高压射孔实验容器中灌水，直至水面距离高温高压射孔实验容器上沿20cm处，将装有水泥试样的靶套下放进去，将高温高压射孔实验容器盖套在装有水泥试样的靶套上方，用力把高温高压射孔实验容器盖压入高温高压射孔实验容器的上沿下端，旋转30°，将高温高压射孔实验容器盖与下沿卡死，使高温高压射孔实验容器处于密封状态，将射孔弹的***引出，并与电子引火装置连接；

(2)加围压、点火射孔：检查好后，工作人员撤离地下设备室，打开加压泵，到外部的控制室控制加压，进行射孔实验，将围压逐步升到20.5MPa，此时孔隙压力为20.6MPa，当压力逐渐稳定后，摁下点火按钮，射孔完成；

(3)取出试样：射孔完成后，将高温高压射孔实验容器中的压力逐渐卸掉，关闭水泵，打开高温高压射孔实验容器盖，取出装有水泥试样的靶套，横放在地面上，卸掉螺栓，打开靶套，将水泥试样取出，完成射孔实验。

2.根据权利要求1所述射孔作业破岩实验方法，其特征在于所述水泥试样的具体制备过程为：

(1)用电子天平秤量水泥和水，确保水和水泥的重量比为0.44；

(2)将水放入搅拌机中，一边用搅拌机搅拌，一边向水中加入水泥，加入水泥后继续直搅拌至水泥与水混合均匀；

(3)在模具内表面抹上黄油，防止模具生锈且容易退模，将步骤(2)中混合均匀的水泥与水浇注到模具中，并将模具用铁箍箍好放在有机玻璃上，使水泥表面平整；

(4)浇筑完后轻轻晃动模具，清除水泥中气泡，避免试样表面出现裂缝，上部用有机玻璃盖住，防止表面水分过快蒸发，初凝过程要保持水泥表面湿润；

(5)常温下，8小时完成初凝后将水泥试样从模具中取出，放入水中进行常温养护28天，使其抗压强度达到35MPa，按照上述方法制备水泥试样，每组水泥试样的高度分别为200mm，300mm，500mm。