CN109869126A - 一种压裂示踪模拟实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种压裂示踪模拟实验装置及实验方法，实验装置包括压裂液正挤模拟***、压裂液返排模拟***；压裂液正挤模拟***包括注入泵、中间容器、储层模拟槽、高压液罐、气瓶；压裂液返排模拟***包括样品瓶、回压阀、储层模拟槽、高压液罐、注入泵；储层模拟槽包括模拟裂缝、模拟供给层、模拟储层；采用环氧树脂固结大粒径陶粒制作的模拟供给层位于储层模拟槽的边部，可模拟压裂返排阶段远井储层流体对近井地带的能量补充。本发明所述实验装置，包括可模拟压裂液挤入地层以及压裂液的返排过程，具有实验功能齐全、设备操作简便的优点，可满足压裂示踪技术的实验模拟的要求。

Description

一种压裂示踪模拟实验装置及实验方法

技术领域

本发明属于石油天然气的物理模拟实验技术领域，涉及一种压裂示踪模拟实验装置及实验方法。

背景技术

随着我国低渗、特低渗、致密等油气田的大规模开发，压裂改造是实现此类储层高效开发的关键技术，但由于地质因素和工程因素的多重影响，存在着压裂裂缝难以有效表征、实际形成缝网与模拟结果偏差大等问题。

目前矿场上已应用压裂示踪这一技术手段来进行对压裂效果的评价，但由于该技术复杂性较高，纯粹理论的研究往往难以与矿场实际相匹配。目前对不同裂缝形态、不同储层特征、不同返排制度下压裂液返排特征的认识尚处于起步阶段，难以根据压裂液返排特征来定量描述压裂缝形态，亟需开发专门的物理模拟实验装置来辅助压裂示踪技术的理论研究和矿场应用。

发明内容

针对现有技术的不足及欠缺，本发明提供一种压裂示踪模拟实验装置及实验方法，本发明能够根据压裂液返排特征来定量描述压裂缝形态。

本发明采用的技术方案如下：

一种压裂示踪模拟实验装置，包括注入***、储层模拟槽、回收装置和返排驱动***，注入***的出口与储层模拟槽的进口连接，注入***的出口设有阀门，注入***用于向储层模拟槽中注入压裂不同阶段所使用的流体，储层模拟槽用于模拟压裂及返排；

储层模拟槽的进口与回收装置连接，回收装置的入口设有阀门，回收装置用于回收从储层模拟槽中返排出的流体；

返排驱动***包括高压液罐、第一注入泵和气瓶，高压液罐内部安装有密闭活塞；高压液罐内部处于密闭活塞一侧的为第一密闭腔室，处于密闭活塞另一侧的为第二密闭腔室；第一密闭腔室与气瓶的出口连通，气瓶的出口设有阀门；第二密闭腔室与第一注入泵的出口及储层模拟槽的出口连通，第一注入泵的出口设有阀门。

注入***包括第二注入泵和若干中间容器，若干中间容器相互并联，第二注入泵的出口与中间容器的入口相连，中间容器的出口与储层模拟槽的入口相连；中间容器的出入口均设置有阀门。

储层模拟槽包括密闭的外壳以及设置于外壳内的模拟裂缝、模拟供给层和模拟储层，外壳上相对的两端分别设置出口和入口，出口和入口相对；模拟裂缝从外壳上设置入口的一端向外壳上设置出口的一端延伸；模拟供给层的形状为U型，模拟供给层的翼边设置于外壳上与模拟裂缝延伸方向相平行的内壁面上，模拟供给层的底边设置于外壳上设置出口一端的内壁面上；模拟裂缝与模拟供给层的翼边平行；模拟储层填充于外壳内；模拟裂缝的入口与外壳上的入口连通。

所述模拟裂缝和模拟供给层的材质均为采用环氧树脂固结的陶粒，模拟裂缝中的支撑剂为模拟的压裂施工中所使用的支撑剂；模拟储层为地层岩屑粉碎后的颗粒。

回收装置入口的阀门为阀门组，阀门组包括回压阀和关断阀，关断阀与回收装置的入口通过管路连接，回压阀设置于关断阀与回收装置入口之间的管路上。

回收装置包括样品瓶和称重装置，样品瓶设置于称重装置上。

一种压裂示踪模拟实验方法，采用本发明上述的装置进行，包括如下步骤：

S1：用模拟地层水饱和储层模拟槽；关闭注入***出口的阀门，向注入***中填充压裂不同阶段所使用的流体；打开气瓶，使第一密闭腔室内充满预设压力的气体，关闭气瓶出口以及第一注入泵出口的阀门；

S2：利用注入***依次向储层模拟槽中注入压裂不同阶段所使用的流体，注入完成后，关闭注入***出口的阀门；

S3：打开回收装置入口的阀门、第一注入泵以及第一注入泵出口的阀门，第一注入泵将模拟地层水注入至高压液罐的第二密闭腔室，使得储层模拟槽中的流体在压力的作用下以预设压力返排至回收装置中；

S4：根据回收装置中回收的流体来描述压裂缝形态。

第一密闭腔室内气体的压力小于注入***的注入压力；第一密闭腔室内气体的压力大于回收装置入口的阀门所能提供的返排压力；第一密闭腔室内气体的压力小于第一注入泵提供的压力。

本发明具有如下有益效果：

本发明的压裂示踪模拟实验装置利用注入***能够向储层模拟槽中注入压裂不同阶段所使用的流体，利用储层模拟槽能够模拟压裂及返排过程，利用返排驱动***能够驱动储层模拟槽中的流体进行返排，利用回收装置能够回收从储层模拟槽中返排出的流体，以描述压裂缝形态；高压液罐与储层模拟槽和第二注入泵相连接，能够模拟返排阶段压裂液在地层流体中的混合及分散。具体的，本发明的压裂示踪模拟实验装置在使用时：

首先，用模拟地层水饱和储层模拟槽；关闭注入***出口的阀门，向注入***中填充压裂不同阶段所使用的流体；打开气瓶，使第一密闭腔室内充满预设压力的气体，关闭气瓶出口以及第一注入泵出口的阀门；然后，利用注入***依次向储层模拟槽中注入压裂不同阶段所使用的流体，以模拟压裂液挤入地层的过程，注入完成后，关闭注入***出口的阀门；然后，打开回收装置入口的阀门、第一注入泵以及第一注入泵出口的阀门，第一注入泵将模拟地层水注入至高压液罐的第二密闭腔室，使得储层模拟槽中的流体在压力的作用下以预设压力返排至回收装置中；次此过程模拟了压裂液的返排过程；最后，根据回收装置中回收的流体来定量描述压裂缝形态。由上述可以看出，本发明的实验装置具有实验功能齐全、操作简便，具有能够满足压裂正挤过程及压裂返排过程的特点，解决了压裂示踪无法准确模拟的难题。

进一步的，本发明的注入***中包括若干中间容器，因此通过若干中间容器能够分别存储压裂不同阶段所使用的不同流体，在每个中间容器的出入口均设置阀门，因此便于压裂过程中不同流体的分别注入。

进一步的，本发明模拟裂缝从外壳上设置入口的一端向外壳上设置出口的一端延伸；模拟供给层的形状为U型，模拟供给层的翼边设置于外壳上与模拟裂缝延伸方向相平行的内壁面上，模拟供给层的底边设置于外壳上设置出口一端的内壁面上；模拟裂缝与模拟供给层的翼边平行；模拟储层填充于外壳内，因此通过模拟供给层能够模拟地层对近井地带的能量补充，模拟储层能够模拟拟示踪剂和压裂液在岩心孔喉的吸附和伤害的特点。该结构的储层模拟槽能够更好的模拟返排阶段压裂液在地层流体中的混合及分散。

进一步的，回收装置入口的阀门为阀门组，阀门组包括回压阀和关断阀，关断阀与回收装置的入口通过管路连接，回压阀设置于关断阀与回收装置入口之间的管路上，因此通过关断阀能够实现第一注入泵与第二密闭腔室流体的阻断与流通，通过回压阀可模拟不同生产压差下的压裂液返排规律。

由上述本发明压裂示踪模拟实验装置的有益效果可知，本发明的压裂示踪模拟实验方法流程清晰，操作过程简便，能够模拟压裂正挤过程及压裂返排过程，以及获取压裂正挤过程及压裂返排过程的特点，因此解决了压裂示踪无法准确模拟的难题。

附图说明

图1为本发明压裂示踪模拟实验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中储层模拟槽的简化结构示意图。

图中：1-第二注入泵，2-1-第一阀门，2-2-第二阀门，2-3-第三阀门，2-4-第四阀门，2-5-第五阀门，2-6-第六阀门，2-7-第七阀门，2-8-第八阀门，2-9-关断阀，3-1-第一中间容器，3-2-第二中间容器，3-3-第三中间容器，4-储层模拟槽，4-1-模拟裂缝，4-2-模拟储层，4-3-模拟供给层，4-4-进口，4-5-出口，5-高压液罐，6-第一注入泵，7-气瓶，8-回压阀，9-样品瓶，10-电子天平。

具体实施方式

下面将通过实施例对本发明作进一步的说明，需在此说明的是本实施例仅是本发明针对具体情况的一个实施方法，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质进行的任何简单修改、变更以及其他变化，均在本发明的保护范围内。

参照图1，本发明一实施例的压裂示踪模拟实验装置包括压裂液正挤模拟***以及压裂液返排模拟***；压裂液正挤模拟***包括第二注入泵1、第一中间容器3-1、第二中间容器3-2、第三中间容器3-3、储层模拟槽4、高压液罐5和气瓶7；压裂液返排模拟***包括样品瓶9、回压阀9、储层模拟槽4、高压液罐5和第一注入泵6；其中储层模拟槽4和高压液罐5为压裂液正挤模拟***和压裂液返排模拟***公用的装置；第二注入泵1的出口分别与第一中间容器3-1、第二中间容器3-1和第三中间容器3-3的入口相连接，且第一中间容器3-1、第二中间容器3-1和第三中间容器3-3的进口和出口均安装有阀门，该阀门采用关断阀；储层模拟槽4的进口4-4与第一中间容器3-1、第二中间容器3-1和第三中间容器3-3的出口相连，储层模拟槽4的出口4-5与高压液罐5的入口以及样品瓶9的入口相连接；样品瓶9的入口与储层模拟槽的出口4-4之间的管路上安装有回压阀8，回压阀8与储层模拟槽的出口4-4之间的管路上安装有关断阀2-9；样品瓶9放置于电子天平10上，电子天平10用于时时称量样品瓶9以及样品瓶9中流体的总重；高压液罐5中安装有密闭活塞，密闭活塞将高压液罐分为上部(即第二密封腔室)和下部(即第一密封腔室)，第二密封腔室中用于充填液体，第二密封腔室中用于充填气体；高压液罐5的第二密封腔室与第一注入泵6的出口相连接，高压液罐5的第二密封腔室与气瓶7的出口相连接，且高压液罐5与第一注入泵6之间管路上安装有第七阀门2-7，高压液罐5与气瓶7之间的管路上安装有第八阀门2-8，第七阀门2-7和第八阀门2-8均采用关断阀；储层模拟槽4包括密闭的外壳以及设置于外壳内的模拟裂缝4-1、模拟供给层4-3和模拟储层4-2；模拟供给层4-3设置于外壳内部的底部和侧壁，模拟裂缝4-1设置于模拟供给层4-3围成的空腔中，模拟储层4-2填充于模拟裂缝4-1和模拟供给层4-3之间；其中，模拟裂缝4-1的形状为长方体，采用环氧树脂固结的陶粒制作；模拟供给层4-3采用环氧树脂固结的大粒径陶粒固定成型，其具有较大的导流能力；模拟储层4-2采用地层岩屑粉碎后填充并压实于模拟裂缝4-1和模拟供给层4-3之间，模拟储层4-2的粒径小于100目。

本发明的压裂示踪模拟实验装置的压裂液正挤***可模拟压裂液挤入地层，压裂液返排***，可模拟压裂液的返排过程；本发明可采用多个中间容器，多个中间容器可用于存储压裂不同阶段所使用的不同流体；本发明的模拟储层使用粉碎并压实的岩屑模拟储层，具有与储层岩性相似、可模拟示踪剂和压裂液在岩心孔喉的吸附和伤害的特点，与实际储层相似度高；本发明的储层模拟槽的边部布有高导流能力的模拟供给层，与高压液罐结合可模拟地层对近井地带的能量补充；本发明的高压液罐与储层模拟槽和注入泵相连接，可模拟返排阶段压裂液在地层流体中的混合及分散；本发明的实验装置在模拟压裂的返排阶段在样品瓶处使用回压阀，可模拟不同生产压差下的压裂液返排规律。

作为本发明优选的实施方案，第一注入泵1和第二注入泵6排量可达到500ml/min，其最高工作压力为30MPa。

作为本发明优选的实施方案，第一中间容器3-1、第二中间容器3-2和第三中间容器3-3的容积均为2000ml。

作为本发明优选的实施方案，储层模拟槽4外壳的耐压压力为30MPa，如图2所示，外壳的形状为长方体，外壳在面AA’D’D的正中部设置入口，外壳在面BB’C’C的正中部设置出口；模拟裂缝4-1从面AA’D’D的中间位置向面BB’C’C方向延伸，模拟裂缝4-1与外壳上的入口连通，模拟裂缝4-1与面BB’C’C之间留有一定的距离；模拟裂缝4-1与面ABCD和面A’B’C’D’平行；

模拟供给层4-3共覆盖储层模拟槽4外壳的三个面，三个面分别是平行于裂缝延伸方向上的面ABCD和面A’B’C’D’，以及位于裂缝远端且垂直于裂缝延伸方向上的面BB’C’C；储层模拟槽中模拟裂缝4-1、模拟储层4-2和模拟供给层4-3在纵向(图2所示点B至点C方向)上与储层模拟槽有效容积的高度一致，模拟供给层4-3在闭合压力为20MPa时导流能力大于80D·cm。其中，模拟裂缝4-1和模拟供给层4-3均是采用环氧树脂固结陶粒制成，制备模拟裂缝4-1和模拟供给层4-3的原料中，陶粒的质量为原料质量的95％～97％，其余为环氧树脂，模拟裂缝(4-1)中的支撑剂为模拟的压裂施工中所使用的支撑剂，模拟供给层(4-3)中的陶粒粒径为20/40目。

作为本发明优选的实施方案，高压液罐5的耐压压力为30MPa。

作为本发明优选的实施方案，回压阀8的工作压力范围为0～30MPa。

本发明的压裂示踪实验方法，通过本发明上述实施例的实验装置进行，包括以下步骤：

S1、实验准备

按照实验设计，制作模拟裂缝4-1，模拟裂缝4-1的长度为0.6×模拟储层槽4的长度(图1所示的上下方向为模拟储层槽4的长度方向)，将粉碎并筛分后的100目的岩屑填充至模拟裂缝4-1和模拟供给层4-3之间，将储层模拟槽4密闭，并用模拟地层水饱和储层模拟槽4，计算出储层模拟槽的孔隙体积为1000ml；

配制压裂前置液、压裂液和顶替液，压裂前置液、压裂液和顶替液的体积之和为储层模拟槽4孔隙体积的2.0倍，压裂前置液、压裂液和顶替液的体积比为15：80：5，即压裂前置液、压裂液和顶替液的体积分别为300ml、1600ml、100ml，将镧系示踪剂放置于压裂液中，其在压裂液中的浓度为10ppm；

往第一中间容器3-1中加入压裂前置液，往第二中间容器3-2中加入压裂液，往第三中间容器3-3中加入顶替液；

将实验设备按照附图1连接，关闭所有阀门，电子天平10清零。

S2、压裂液泵入

首先打开气瓶7，以8MPa的压力将高压液罐5的第一密封腔室充满高压气体，关闭气瓶7上连接的第八阀门。

然后使用第二注入泵1以50ml/min的速度依次将第一中间容器3-1中的前置液、第二中间容器3-2中的压裂液和第三中间容器3-3中的顶替液注入至储层模拟槽4中。

S3、压裂液返排

待压裂前置液、压裂液和顶替液均注入至储层模拟槽4之后，首先关闭第二注入泵1及第一中间容器3-1、第二中间容器3-2和第三中间容器3-3的出口与储层模拟槽5进口之间的阀门(即关闭第四阀门2-4、第五阀门2-5和第六阀门2-6)；

然后将回压阀8增压6MPa，打开第一注入泵6及第七阀门2-7、关断阀2-9，第一注入泵6将模拟地层水以20ml/min注入至高压液罐5的第二密闭腔室中，使得储层模拟槽4中的流体在模拟地层水的压力的作用下返排至样品瓶9中。

S4、返排液采集

以5min/次的频率在样品瓶9中采集由储层模拟槽中返排出的流体，直至返排液中示踪剂浓度低于1ppm，在样品采集阶段做好实验记录，记录内容包括返排速度、样品编号。

其中，步骤S2中，第二注入泵1的注入压力高于气瓶7提供给高压液罐5第一密闭腔室的压力；步骤S3中气瓶7提供给高压液罐5第一密闭腔室的压力高于回压阀8设定的压力，且气瓶7提供给高压液罐5第一密闭腔室的压力低于注入泵6的工作压力(即第一密闭腔室中的气体压力要求第二密闭腔室中的液体的压力)；步骤S3中模拟地层水注入至高压液罐的上部(即第二密闭腔室中)，以此来实现远井地带对近井地带的能量补充的模拟，并实现压裂液在地层水中混合和分散的模拟。

本发明的压裂示踪模拟实验装置包括压裂液正挤***和压裂液返排***，可模拟压裂液挤入地层以及压裂液的返排过程，具有实验功能齐全、设备操作简便的优点，可满足压裂示踪技术的实验模拟的要求。

Claims (8)

1.一种压裂示踪模拟实验装置，其特征在于，包括注入***、储层模拟槽(4)、回收装置和返排驱动***，注入***的出口与储层模拟槽(4)的进口连接，注入***的出口设有阀门，注入***用于向储层模拟槽(4)中注入压裂不同阶段所使用的流体，储层模拟槽(4)用于模拟压裂及返排；

储层模拟槽(4)的进口与回收装置连接，回收装置的入口设有阀门，回收装置用于回收从储层模拟槽(4)中返排出的流体；

返排驱动***包括高压液罐(5)、第一注入泵(6)和气瓶(7)，高压液罐(5)内部安装有密闭活塞；高压液罐(5)内部处于密闭活塞一侧的为第一密闭腔室，处于密闭活塞另一侧的为第二密闭腔室；第一密闭腔室与气瓶(7)的出口连通，气瓶(7)的出口设有阀门；第二密闭腔室与第一注入泵(6)的出口及储层模拟槽(4)的出口连通，第一注入泵(6)的出口设有阀门。

2.根据权利要求1所述的一种压裂示踪模拟实验装置，其特征在于，注入***包括第二注入泵(1)和若干中间容器，若干中间容器相互并联，第二注入泵(1)的出口与中间容器的入口相连，中间容器的出口与储层模拟槽(4)的入口相连；中间容器的出入口均设置有阀门。

3.根据权利要求1所述的一种压裂示踪模拟实验装置，其特征在于，储层模拟槽(4)包括密闭的外壳以及设置于外壳内的模拟裂缝(4-1)、模拟供给层(4-3)和模拟储层(4-2)，外壳上相对的两端分别设置出口和入口，出口和入口相对；模拟裂缝(4-1)从外壳上设置入口的一端向外壳上设置出口的一端延伸；

模拟供给层(4-3)的形状为U型，模拟供给层(4-3)的翼边设置于外壳上与模拟裂缝(4-1)延伸方向相平行的内壁面上，模拟供给层(4-3)的底边设置于外壳上设置出口一端的内壁面上；

模拟裂缝(4-1)与模拟供给层(4-3)的翼边平行；

模拟储层(4-2)填充于外壳内；

模拟裂缝(4-1)的入口与外壳上的入口连通。

4.根据权利要求3所述的一种压裂示踪模拟实验装置，其特征在于，所述模拟裂缝(4-1)和模拟供给层(4-3)的材质均为采用环氧树脂固结的陶粒，模拟裂缝(4-1)中的支撑剂为模拟的压裂施工中所使用的支撑剂；模拟储层(4-2)为地层岩屑粉碎后的颗粒。

5.根据权利要求1所述的一种压裂示踪模拟实验装置，其特征在于，回收装置入口的阀门为阀门组，阀门组包括回压阀(8)和关断阀(2-9)，关断阀(2-9)与回收装置的入口通过管路连接，回压阀(8)设置于关断阀(2-9)与回收装置入口之间的管路上。

6.根据权利要求1所述的一种压裂示踪模拟实验装置，其特征在于，回收装置包括样品瓶(9)和称重装置，样品瓶(9)设置于称重装置上。

7.一种压裂示踪模拟实验方法，其特征在于，采用权利要求1-6任意一项所述的压裂示踪模拟实验装置进行，包括如下步骤：

S1：用模拟地层水饱和储层模拟槽(4)；关闭注入***出口的阀门，向注入***中填充压裂不同阶段所使用的流体；打开气瓶(7)，使第一密闭腔室内充满预设压力的气体，关闭气瓶(7)出口以及第一注入泵(6)出口的阀门；

S2：利用注入***依次向储层模拟槽(4)中注入压裂不同阶段所使用的流体，注入完成后，关闭注入***出口的阀门；

S3：打开回收装置入口的阀门、第一注入泵(6)以及第一注入泵(6)出口的阀门，第一注入泵(6)将模拟地层水注入至高压液罐(5)的第二密闭腔室，使得储层模拟槽(4)中的流体在压力的作用下以预设压力返排至回收装置中；

S4：根据回收装置中回收的流体来描述压裂缝形态。

8.根据权利要求7所述的一种压裂示踪模拟实验方法，其特征在于，第一密闭腔室内气体的压力小于注入***的注入压力；第一密闭腔室内气体的压力大于回收装置入口的阀门所能提供的返排压力；第一密闭腔室内气体的压力小于第一注入泵(6)提供的压力。