CN110608019B - 一种转向分层压裂实验模拟装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及转向分层压裂实验模拟装置，包括存储水箱、泵、投球器和套管；泵的输入端与存储水箱连接，泵的输出端与投球器的动力输入端通过第一管路连接，投球器的输出端与套管的顶端通过油管连接，套管的底端可拆卸连接有堵头，堵头远离套管底端的一端设置有凹槽，堵头的侧面设置有与凹槽连通的孔；储水箱上还设置有与套管连接的第二管路和第三管路，第二管路至套管顶端的距离小于第三管路至套管顶端的距离，第二管路上安装有气动阀，第三管路上安装有流量计，堵头与套管连接的装状态下，孔与第三管路连通。通过该装置实现了模拟观察动态封堵射孔炮眼并且能够模拟液体层间转向流动的过程，防止暂堵球颗粒参数选择不准确给油气开采带来损失。

Description

一种转向分层压裂实验模拟装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及压裂增产领域，特别涉及一种转向分层压裂实验模拟装置及其使用方法。

背景技术

目前国内大部分低渗特低渗油藏纵向上表现油层多、油层薄并且存在物性、岩性等方面差异。这些油层采取笼统压裂方式很难实现几个油层同时被充分改造，甚至出现物性差、破裂压力高的油层不能被压开的现象，直接影响其储量有效动用。当这些油层之间的泥岩隔层达到一定厚度或满足一定应力值时可借助机械分层工具一趟管柱实现对各油层自下而上逐层充分压裂改造。而对于泥岩隔层厚度或应力值达不到机械分层压裂工具应用条件时，国内油田提出采用暂堵转向分层压裂工艺来实现各油层的逐层改造。此外为有效开发页岩气等非常规资源，该工艺还可被应用到实现页岩气水平井段内多簇多缝体积压裂，大幅加快了国内涪陵等页岩气示范区建设。该工艺的关键是选择的用于暂堵转向分层压裂的暂堵球能够有效封堵已压裂的低破裂压力油层位置射孔炮眼，迫使井筒无进液通道造成井筒压力上涨进而压开破裂压力高的油层达到压裂液转向进行分层压裂目的。暂堵球颗粒参数选择需要借助实验仪器进行评价优选。但是目前实验模拟装置集中于评价暂堵剂封堵压裂裂缝过程，如专利CN207161044U《一种压裂用暂堵剂评价装置》、CN107288603A《一种模拟裂缝转向压裂的实验装置及其应用》和CN208137906U《一种暂堵转向性能评价用真三轴试验装置》，对于模拟观察动态封堵射孔炮眼并且能够模拟液体层间转向流动的过程未见有人研究。

而暂堵球颗粒参数选择不准确会导致无法有效封堵已压裂层射孔炮眼，从而导致暂堵转向分层压裂失败，导致损失数十上百万元的施工费用，严重的会导致无法实现对物性差、破裂压力高的油层进行储量动用，致使依托压裂来实现开采的储量损失，由此可见，研发一种模拟观察动态封堵射孔炮眼并且能够模拟液体层间转向流动的过程的装置的重要性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种转向分层压裂实验模拟装置及其使用方法，以解决上述的技术问题。

本申请的技术方案为一种转向分层压裂实验模拟装置，包括存储水箱、泵、投球器和套管；所述泵的输入端与所述存储水箱连接，所述泵的输出端与所述投球器的动力输入端通过第一管路连接，所述投球器的输出端与所述套管的顶端通过油管连接，所述套管的底端可拆卸连接有堵头，所述堵头远离套管底端的一端设置有凹槽，所述堵头的侧面设置有与所述凹槽连通的孔；所述储水箱上还设置有与所述套管连接的第二管路和第三管路，所述第二管路至套管顶端的距离小于所述第三管路至套管顶端的距离，所述第二管路上安装有气动阀，所述第三管路上安装有流量计，所述堵头与所述套管连接的装状态下，所述孔与所述第三管路连通。

优选的，所述第一管路上设置有旁通管，所述旁通管未与所述第一管路连接的一端安装有压力传感器；所述第一管路上连接有安全管路，所述安全管路未与所述第一管路连接的一端与所述水箱连接，所述安全管路上安装有安全阀。

优选的，所述套管为圆形套管，所述第二管路和第三管路均为三个，周向均匀设置；所述堵头为圆形堵头，所述孔与所述第三管路一一对应设置。

优选的，所述堵头为多个，且不同的堵头上的孔的大小不同，以便于模拟不同射孔炮眼大小下暂堵球的封堵效果。

优选的，所述堵头与所述套管螺纹连接，所述堵头与所述套管通过密封圈密封。

优选的，所述泵为射流泵。

优选的，所述第二管路和第三管路上均设置有闸阀。

优选的，所述套管为耐压大于等于2MPa的高强度材质做成的透明套管，以便于可视化观察套管内流体及暂堵球流动状态。

通过该装置实现了模拟观察动态封堵射孔炮眼并且能够模拟液体层间转向流动的过程，防止暂堵球颗粒参数选择不准确给开采带来损失。

本申请还提供了一种上述的转向分层压裂实验模拟装置的使用方法，使用包括以下步骤：

步骤1，程模拟先压裂低破裂压力油层过程：启动泵，使得存储水箱内预存的压裂液经第一管路、投球器和油管进入套管中，最后液体经第三管路回流至储存水箱中；

步骤2，模拟投暂堵球封堵低破裂压力油层射孔炮眼，迫使后续流体转向流动：投放暂堵球，暂堵球在流体的携带下进入套管，

其中，若投放的暂堵球能够实现全部有效封堵，在套管继续注入压裂液时会造成套管压力上升，达到打开第二管路对应气动阀打开压力值时，此时压裂液转而从第二管路回流至储存水箱中，证明通过投暂堵球封堵实现了转向分层压裂目的；

如果暂堵球不能实现有效封堵，不能引起套管压力上升打开上第二管路对应气动阀时，说明选择的暂堵球大小、用量不能满足施工暂堵转向要求，需要重新选择暂堵球粒径和用量，直至投放的暂堵球能够实现全部有效封堵；

步骤3，选择暂堵球的粒径：停止射流泵，观察封堵在第三管路入口处的暂堵球有无脱落现象，如果无脱落说明选择的暂堵球粒径合适，不会因施工排量波动导致暂堵球从射孔炮眼脱落情况发生，如果暂堵球脱落，说明暂堵球粒径选择不合适，需重新选择暂堵球粒径从第二步起再次重复后续步骤，直至暂堵球粒径合适。

通过该方法实现了模拟观察动态封堵射孔炮眼并且能够模拟液体层间转向流动的过程，防止暂堵球颗粒参数选择不准确造成转向分层压裂施工失败，无法有效动用各个油层储量，给油气开采带来损失。

附图说明

图1示出了本发明的一种转向分层压裂实验模拟装置的结构示意图；

图2示出了本发明的一种堵头的结构示意图；

图3示出了图2的一种剖面结构示意图；

图4示出了使用图1装置模拟先压裂低破裂压力油层过程中压裂液的流动方向的示意图；

图5示出了使用图1装置投放暂堵球的的过程中暂堵球的流动方向示意图；

图6示出了使用图1装置有效封堵状态下压裂液的流动方向示意图；

图中：存储水箱1、泵2、压力传感器3、安全阀4、投球器5、闸阀6、气动阀7、流量计9、凹槽10、孔11、堵头14、密封圈15、套管16、第一管路a、油管b、旁通管c、安全管路d、第二管路e、第三管路f。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1，本发明提供了一种转向分层压裂实验模拟装置，参见图1-图3，包括存储水箱1、泵2、投球器5和套管16，套管优选为耐压大于等于2MPa的高强度材质做成的透明套管，以便于可视化观察套管内流体及暂堵球流动状态，当然下面的第一管路、第二管路等所有管路最好也使用透明管路，所述泵一般可使用射流泵；所述泵的输入端与所述存储水箱连接，所述泵的输出端与所述投球器动力输入端通过第一管路a连接，所述投球器的输出端与所述套管的顶端通过油管b连接，所述套管的底端可拆卸连接有堵头14，一般的，所述堵头与所述套管螺纹连接，所述堵头与所述套管通过密封圈15密封，所述堵头远离套管底端的一端设置有凹槽10，所述堵头的侧面设置有与所述凹槽连通的孔11；所述储水箱上还设置有与所述套管连接的第二管路e和第三管路f，所述第二管路至套管顶端的距离小于所述第三管路至套管顶端的距离，所述第二管路上安装有气动阀7和闸阀6，所述第三管路上安装有流量计9和闸阀，所述堵头与所述套管连接的装状态下，所述孔与所述第三管路连通。作为一种优选的实施方式，所述第一管路上设置有旁通管c，所述旁通管未与所述第一管路连接的一端安装有压力传感器3；所述第一管路上连接有安全管路d，所述安全管路未与所述第一管路连接的一端与所述水箱连接，所述安全管路上安装有安全阀4，本申请中气动阀、压力传感器和安全阀可以使用智能气动阀、智能压力传感器和智能安全阀，也可以通过一个控制器控制，这是本领域技术人员熟知的。本申请中，所述套管一般为圆形套管，所述第二管路和第三管路均为三个，周向均匀设置；所述堵头为圆形堵头，所述孔与所述第三管路一一对应设置。所述堵头为多个，且不同的堵头上的孔的大小不同，通过换堵头的方式可以对不同的射孔炮眼大小的情况进行模拟。

本申请提供的转向分层压裂实验模拟装置，在模拟过程中，第三管路代表低破裂压力油层，第二管路代表高破裂压力油层，套管代表井筒，堵头的孔以及第三管路的入口、第二管路的入口代表射孔炮眼，使用过程如下：

第一步，打开装置的所有闸阀，启动泵，存储水箱内预存的压裂液经第一管路、投球器和油管进入套管中，最后液体经第三管路回流至储存水箱中，此过程模拟先压裂低破裂压力油层过程，参见图4，示出了此过程中压裂液的流动方向，如箭头所示；

第二步，投放暂堵球，暂堵球在流体的携带下进入套管，参见图5，示出了此过程中暂堵球的流动方向，如箭头所示，若投放的暂堵球能够实现全部有效封堵，即暂堵球恰好封堵住堵头的孔，在套管继续注入压裂液时会造成套管压力上升，达到打开第二管路对应气动阀打开压力值时，此时压裂液转而从第二管路回流至储存水箱中，证明通过投暂堵球封堵实现了转向分层压裂目的，参见图6，示出了此过程中压裂液的流动方向，如箭头所示，当然，如果暂堵球不能实现有效封堵，不能引起套管压力上升打开上第二管路对应气动阀时，说明选择的暂堵球大小、用量不能满足施工暂堵转向要求，需要重新选择暂堵球粒径和用量，直至投放的暂堵球能够实现全部有效封堵，此过程模拟投暂堵球封堵低破裂压力油层射孔炮眼，迫使后续流体转向流动；

第三步，停止射流泵，观察封堵在第三管路入口处的暂堵球有无脱落现象，如果无脱落说明选择的暂堵球粒径合适，不会因施工排量波动导致暂堵球从射孔炮眼脱落情况发生，如果暂堵球脱落，说明暂堵球粒径选择不合适，需重新选择暂堵球粒径从第二步起再次重复后续步骤，直至暂堵球粒径合适。

本申请中，闸阀可以用于开启和关闭管路以便于该装置更广泛的应用，比如只需要用第二管路或第三管路做实验的情况，本申请的投球器可以使用现有的投球器，也可以自己制作，制作时选择一个密闭容器，两端设置上液体进口和出口用于连接第一管路和油管，在设置一个投球口，投球口上安装一个密封盖即可，这种结构需要投球时再放置暂堵球即可，当然还可以在入口处安装过滤网，投球器内设置开关控制球体能否被冲走。

通过该装置实现了模拟观察动态封堵射孔炮眼并且能够模拟液体层间转向流动的过程，防止暂堵球颗粒参数选择不准确造成转向分层压裂施工失败，无法有效动用各个油层储量，给油气开采带来损失。

以下为该装置的两个实际应用举例：

实施案例1：

X井A、B两个油层，距离6m，根据测井解释A、B两个油层破裂压力相差1MPa，为了优选暂堵球参数，借助本发明实验装置开展实验评价。

1)按附图1连接管线，考虑该井为新投产井，采用1m射孔弹射孔，正常射孔炮眼约为φ10mm，采用φ10mm孔径的堵头封住套管底部，为套管第三管路提供对应φ10mm孔径大小通道。选用3颗φ12mm粒径的暂堵球放置于投球器内，将第二管路对应3个气动阀打开压力值设置为1MPa。注入***设置压力保护值为2MPa，当注入端压力高于2MPa，射流泵停止工作。实验工作流体采用0.4％粉比浓度的胍胶压裂液。

2)启动射流泵，胍胶压裂液流入套管，根据压裂设计方案给定的实际施工排量折算成实验装置对应的注入排量Q，(该设计方案给出的实际施工排量一般是压裂软件模拟得出的)折算原则：根据流体流动速率相等原则，实际施工排量/实际井筒截面积＝实验装置对应排量/实验装置井筒截面积，从第三管路3个入口流出并返回至水箱，通过流量计计量三个第三管路的液体流量大小(附图4过程)。

3)打开投球器，胍胶压裂液将投球器内3颗φ12mm暂堵球携带入套管，并流向第三管路的入口，观察3颗暂堵球能否将三个第三管路有效封堵，通过记录对应第三管路的流量变化来判断封堵效果(附图5过程)。

4)若能实现全部有效封堵，即3颗暂堵球恰好封堵在三个第三管道的入口处，在套管继续注入压裂液时会造成套管压力上升，达到打开第二管路对应气动阀打开压力值时，此时液体转而从第二管路的入口处流出，证明通过投暂堵球封堵实现了转向分层压裂目的(附图6过程)。

5)停止射流泵，观察封堵在第三管路入口处的暂堵球有无脱落现象，如果无脱落说明选择的暂堵球粒径合适，不会因施工排量波动导致暂堵球从射孔炮眼脱落情况发生。如果暂堵球脱落，说明暂堵球粒径选择不合适。从而达到指导暂堵球粒径大小优选目的。暂堵球粒径大小选择原则就是既要满足能够有效封堵射孔炮眼，又要保证不因施工排量等波动影响造成施工过程中从射孔炮眼脱落情况。

6)步骤4)中如果暂堵球不能实现有效封堵，不能引起套管压力上升打开第二管路对应气动阀时，说明选择的暂堵球大小、用量不能满足施工暂堵转向要求，需要重新选择暂堵球粒径和用量。

7)对于步骤1)中考虑油井生产时间较长，原射孔炮眼经生产过程冲刷腐蚀等会导致孔径变大，可采用φ12mm孔径的变径堵头封住套管底部，给第三管路提供φ12mm孔径的流出通道。

8)对于步骤1)中暂堵球选择可考虑不同粒径、用量、粒径组合，放置于投球器内，用于不同暂堵球参数下封堵能力对比优选。

9)实验结束后，关闭射流泵，卸载堵头，清洗套管及管线。

实例案例2

W井对A、B两个油层实施压裂，其中A油层:1174.1-1180.0m,渗透率187.6mD，B油层:1190.3-1195.9m，渗透率119.0mD，两个油层相距10.3m，根据测井解释A、B两个油层破裂压力相差0.8MPa，由于在1140.8-1170.3m为多个射开油层，且距离A油层上部位置仅3.8m，实施机械分层压裂工具安全风险高。结合压裂软件模拟结果显示如果笼统压裂，A油层因渗透率好，地层破裂压力低而被先压开，被充分改造，而B油层仅少部分进液，不能被充分改造，直接影响B油层储量动用，影响压裂效果。

为了实现A、B两个油层充分改造，提出应用暂堵转向分层压裂工艺。利用本发明装置开展暂堵球大小及用量优选。

1)按照附图1连接管线。该井采用1m射孔弹射孔，考虑该井已投产6年，射孔炮眼因磨损腐蚀变大，采用φ12mm孔径的变径堵头封住套管底部，并为套管第三管路提供对应φ12mm的孔径大小通道。选用3颗φ15mm粒径的暂堵球放置于投球器内，将第二管路对应3个气动阀打开压力值设置为0.8MPa。注入***设置压力保护值为2MPa，当注入端压力高于2MPa，射流泵停止工作。实验工作流体采用0.4％粉比浓度的胍胶压裂液。

2)启动射流泵，注入排量根据压裂设计方案给定的排量2m³/min，(该设计方案给出的排量一般是压裂软件模拟得出的)并折算为本实验装置对应排量Q，折算原则：根据流体流动速率相等原则，实际施工排量/实际井筒截面积＝实验装置对应排量/实验装置井筒截面积，胍胶压裂液流入套管，从套管第三管路3个射孔炮眼通道流出并返回至水箱，记录第三管路对应三个流出通道处的胍胶压裂液流量大小(附图4过程)。

3)打开投球器，胍胶压裂液将投球器内3颗φ15mm粒径的暂堵球携带入套管，并流向第三管路入口，观察3颗暂堵球其中仅有2颗有效封堵了两个射孔炮眼，另一颗球落入到套管底部，只实现了对3个射孔炮眼流出通道的部分封堵(附图5过程)。

4)继续往套管注入压裂液，发现第二管路对应气动阀打开，压裂液部分从第二管路流出。证明通过投暂堵球封堵实现了部分转向分层压裂目的，但是由于压裂液未全部经第二管路流出，认为实际施工时，通过φ15mm暂堵球实现了对A油层部分封堵，B油层通过转向压裂其改造程度得到了部分提高，但是未达到预期充分改造的理想值(附图6过程)。

5)停止射流泵，观察封堵在第三管路入口处的φ15mm暂堵球无脱落现象，说明暂堵球大小选择合适。

6)为了保证施工过程中有效封堵A油层，实现对B油层充分改造，实际施工时提高暂堵球的用量，根据射孔炮眼数*(10-20％)富余量来设计。结合实验装置模拟，该井最终设计暂堵球用量为110颗。

该井现场实际施工时按照设计要求，在完成对A油层压裂后，往井筒投入110颗φ15mm暂堵球，通过施工压力曲线反映，暂堵球到达射孔炮眼位置后施工压力迅速上涨，上涨了约5MPa，继续施工发现油压下降，显示B油层被压开并开始进液加砂。该井通过应用暂堵转向分层压裂工艺实现了对A、B两个油层的充分改造。

实施例2：本发明还提供了一种上述的转向分层压裂实验模拟装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1，程模拟先压裂低破裂压力油层过程：启动泵，使得存储水箱内预存的压裂液经第一管路、投球器和油管进入套管中，最后液体经第三管路回流至储存水箱中；

步骤2，模拟投暂堵球封堵低破裂压力油层射孔炮眼，迫使后续流体转向流动：投放暂堵球，暂堵球在流体的携带下进入套管，

其中，若投放的暂堵球能够实现全部有效封堵，在套管继续注入压裂液时会造成套管压力上升，达到打开第二管路对应气动阀打开压力值时，此时压裂液转而从第二管路回流至储存水箱中，证明通过投暂堵球封堵实现了转向分层压裂目的；

如果暂堵球不能实现有效封堵，不能引起套管压力上升打开上第二管路对应气动阀时，说明选择的暂堵球大小、用量不能满足施工暂堵转向要求，需要重新选择暂堵球粒径和用量，直至投放的暂堵球能够实现全部有效封堵；

步骤3，选择暂堵球的粒径：停止射流泵，观察封堵在第三管路入口处的暂堵球有无脱落现象，如果无脱落说明选择的暂堵球粒径合适，不会因施工排量波动导致暂堵球从射孔炮眼脱落情况发生，如果暂堵球脱落，说明暂堵球粒径选择不合适，需重新选择暂堵球粒径从第二步起再次重复后续步骤，直至暂堵球粒径合适。

通过该方法实现了模拟观察动态封堵射孔炮眼并且能够模拟液体层间转向流动的过程，防止暂堵球颗粒参数选择不准确给开采带来损失。。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，第一、第二等词语只是用于名称的区分，不是对技术术语的限制，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种转向分层压裂实验模拟装置，包括存储水箱(1)、泵(2)、投球器(5)和套管(16)；

所述泵的输入端与所述存储水箱连接，所述泵的输出端与所述投球器的动力输入端通过第一管路(a)连接，所述投球器的输出端与所述套管的顶端通过油管(b)连接，所述套管的底端可拆卸连接有堵头(14)，所述堵头远离套管底端的一端设置有凹槽(10)，所述堵头的侧面设置有与所述凹槽连通的孔(11)；

所述储水箱上还设置有与所述套管连接的第二管路(e)和第三管路(f)，所述第二管路至套管顶端的距离小于所述第三管路至套管顶端的距离，所述第二管路上安装有气动阀(7)，所述第三管路上安装有流量计(9)，所述堵头与所述套管连接的状态下，所述孔与所述第三管路连通。

2.根据权利要求1所述的一种转向分层压裂实验模拟装置，其特征在于，所述第一管路上设置有旁通管(c)，所述旁通管未与所述第一管路连接的一端安装有压力传感器(3)；

所述第一管路上连接有安全管路(d)，所述安全管路未与所述第一管路连接的一端与所述水箱连接，所述安全管路上安装有安全阀(4)。

3.根据权利要求1或2所述的一种转向分层压裂实验模拟装置，其特征在于，所述套管为圆形套管，所述第二管路和第三管路均为三个，周向均匀设置；

所述堵头为圆形堵头，所述孔与所述第三管路一一对应设置。

4.根据权利要求3所述的转向分层压裂实验模拟装置，其特征在于，所述堵头为多个，且不同的堵头上的孔的大小不同，以便于模拟不同射孔炮眼大小下暂堵球的封堵效果。

5.根据权利要求3或4所述的转向分层压裂实验模拟装置，其特征在于，所述堵头与所述套管螺纹连接，所述堵头与所述套管通过密封圈(15)密封。

6.根据权利要求1所述的一种转向分层压裂实验模拟装置，其特征在于，所述泵为射流泵。

7.根据权利要求1所述的一种转向分层压裂实验模拟装置，其特征在于，所述第二管路和第三管路上均设置有闸阀(6)。

8.根据权利要求1所述的一种转向分层压裂实验模拟装置，其特征在于，所述套管为耐压大于等于2MPa的高强度材质做成的透明套管，以便于可视化观察套管内流体及暂堵球流动状态。

9.一种权利要求1-8任一项所述的转向分层压裂实验模拟装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，程模拟先压裂低破裂压力油层过程：启动泵，使得存储水箱内预存的压裂液经第一管路、投球器和油管进入套管中，最后液体经第三管路回流至储存水箱中；

步骤2，模拟投暂堵球封堵低破裂压力油层射孔炮眼，迫使后续流体转向流动：投放暂堵球，暂堵球在流体的携带下进入套管，

其中，若投放的暂堵球能够实现全部有效封堵，在套管继续注入压裂液时会造成套管压力上升，达到打开第二管路对应气动阀打开压力值时，此时压裂液转而从第二管路回流至储存水箱中，证明通过投暂堵球封堵实现了转向分层压裂目的；

如果暂堵球不能实现有效封堵，不能引起套管压力上升打开上第二管路对应气动阀时，说明选择的暂堵球大小、用量不能满足施工暂堵转向要求，需要重新选择暂堵球粒径和用量，直至投放的暂堵球能够实现全部有效封堵；

步骤3，选择暂堵球的粒径：停止射流泵，观察封堵在第三管路入口处的暂堵球有无脱落现象，如果无脱落说明选择的暂堵球粒径合适，不会因施工排量波动导致暂堵球从射孔炮眼脱落情况发生，如果暂堵球脱落，说明暂堵球粒径选择不合适，需重新选择暂堵球粒径从第二步起再次重复后续步骤，直至暂堵球粒径合适。

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