CN206888968U - 一种模拟水平井多段分簇压裂支撑剂分流与展布的实验仪器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种模拟水平井多段分簇压裂支撑剂分流与展布的实验仪器，包括液体和支撑剂混合注入模块，其还包括水平井筒模拟模块和压裂裂缝模拟模块，所述水平井筒模拟模块包括多个射孔模拟管件和裂缝连接件，所述压裂裂缝模拟模块包括平面裂缝装置和连接法兰。本方案能够进行不同射孔簇数、射孔簇间距、射孔孔径、裂缝形态、压裂液注入参数等条件下的支撑剂分流和展布规律模拟，根据裂缝形态可模拟常规水平井单一平面裂缝的支撑剂分流与展布模拟，还可以进行页岩或者煤层气等非常规储层的复杂裂缝的支撑剂分流和展布模拟，解决了不同射孔簇数、射孔簇间距、注入排量、裂缝形态和裂缝扩展速度等实验条件下的研究问题。

Description

一种模拟水平井多段分簇压裂支撑剂分流与展布的实验仪器

技术领域

本实用新型涉及油气储存层水平井压裂实验，具体是一种模拟水平井多段分簇压裂支撑剂分流与展布的实验仪器。

背景技术

我国低渗透和非常规油气藏分布广泛，储层孔隙度和渗透率较低，开发井自然产能低且经济效益差，为了提高单井产量和经济效益，水力压裂成了开发低渗透油气藏的重要手段和必要的增产措施，前期主要以直井压裂开发为主，压裂改造体积和压裂规模有限，相应的开发井产量也较低。随着开发技术的发展和不断进步，长水平井段钻井和大规模水力压裂成为主要的改造措施，长水平井段一般分为多段压裂。为了尽可能的增加压裂改造体积和提升单井产量，在水平井多段压裂的基础上形成了水平井“多段分簇”压裂，水平井分成若干个压裂段，每个压裂段射多簇孔，力求压裂过程中形成多簇压裂裂缝。同时部分非常规油气藏例如页岩气等天然裂缝发育，压裂过程中可能形成复杂的网状裂缝，导致裂缝形态复杂多变且无法预测。

水平井“多段分簇”压裂过程中，每个压裂段的多簇射孔都可能形成压裂裂缝，导致压裂液在水平井筒中形成分流，支撑剂也相应的发生分流运移，支撑剂在水平井筒中的分流特性，决定了单簇复杂裂缝***中的支撑剂量。同时由于部分低渗透油气藏天然裂缝发育，可能导致复杂裂缝网络的形成，支撑剂在复杂裂缝的主次裂缝中同样存在分流现象，导致支撑剂的后续的运移和展布规律复杂多变。支撑剂在水平井筒中的分流特性，决定了各个射孔簇压裂裂缝的支撑剂量，导致压裂裂缝的支撑剂展布形态各不相同，同时压裂裂缝的主裂缝和次级裂缝中的支撑剂量也存在差异。支撑剂在水平井筒和复杂裂缝主次裂缝中的分流和展布规律，对于压裂裂缝导流能力和压裂裂缝的有效性评估至关重要，直接影响到压裂设计支撑剂的用量和压裂泵注程序的确定，关系到压裂后的产气量和产能评估，决定了能否经济高效的开发低渗透油气藏。

目前，对于支撑剂在水平井筒和复杂裂缝***的分流和展布问题，国内外相应的机理研究和仪器研究相对较少，还没有形成相应的评价体系和评价方法，支撑剂在水平井筒和复杂裂缝主次裂缝中的分流机理尚不明确，展布规律还不清楚，无法对单簇压裂裂缝和复杂裂缝主次裂缝中的支撑剂量进行量化和验证，从而限制了压后裂缝的导流能力评价和压 后产能评估。

本实用新型的目的在于设计一种室内实验仪器，可以进行水平井“多段分簇”压裂过程中的支撑剂分流和展布规律研究，可以探索支撑剂在水平井筒中的运动和分流特性，评价不同射孔簇裂缝、复杂裂缝主次裂缝的支撑剂运移和展布规律，形成的实验仪器可以为水平井“多段分簇”压裂设计、施工和支撑剂选择提供参考依据，可以为现场压裂施工和压后裂缝的支撑裂缝导流能力评估提供参考。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种模拟水平井多段分簇压裂支撑剂分流与展布的实验仪器，其能够用于水平井“多段分簇”压裂过程中支撑剂在水平井筒和压裂裂缝中的分流和展布规律实验研究，解决不同射孔簇数、射孔簇间距、注入排量、裂缝形态和裂缝扩展速度等实验条件下的研究问题。

本实用新型的技术方案如下：

一种模拟水平井多段分簇压裂支撑剂分流与展布的实验仪器，包括液体和支撑剂混合注入模块，其还包括水平井筒模拟模块和压裂裂缝模拟模块，所述水平井筒模拟模块包括多个射孔模拟管件和裂缝连接件。

所述射孔模拟管件在竖直方向上同轴分布且相邻两射孔模拟管件之间通过连接钢管连接，位于最上端的射孔模拟管件的顶端与所述液体和支撑剂混合注入模块的液体输出端连接，位于最下端的射孔模拟管件的底端密封，所述射孔模拟管件包括外层钢管和嵌套在所述外层钢管内的内层钢管，所述外层钢管的中部镂空，所述内层钢管的中部开设有射孔孔眼，所述外层钢管和内层钢管的两端均具有用于与所述连接钢管连接的第一法兰盘，所述射孔模拟管件同一端的两第一法兰盘重叠。

所述裂缝连接件包括水平布置的钢板，所述钢板从右侧面向内开设有用于模拟裂缝的裂缝槽，所述钢板的左侧部开设有上下贯穿的焊接孔，所述内层钢管的中部位于所述焊接孔中，所述外层钢管镂空部的上边缘与焊接孔的上端口边缘焊接，外层钢管镂空部的下边缘与焊接孔的下端口边缘焊接，所述焊接孔的右侧部贯通裂缝槽使得内层钢管与裂缝槽连通，所述钢板的右侧部设有第二法兰盘。

所述压裂裂缝模拟模块包括平面裂缝装置和连接法兰，所述平面裂缝装置水平朝右分布，平面裂缝装置与裂缝连接件的第二法兰盘通过连接法兰连接，相邻的平面裂缝装置之间通过连接法兰连接，平面裂缝装置的出口端安装有流量阀门和流量计。进一步的，还包 括液体回收及利用模块，所述液体回收及利用模块具有回收利用罐、液体汇集管线和滤失汇集管线，所述平面裂缝装置的出口端连接有裂缝出口连接管，所述裂缝出口连接管通过液体汇集管线与所述回收利用罐连接，所述平面裂缝装置上开设有滤失孔眼，所述滤失孔眼通过滤失汇集管线与所述回收利用罐连接。

进一步的，所述钢板由上钢板和下钢板上下相对焊接而成，所述裂缝槽中设置有用于调节裂缝高度的调节垫块。

进一步的，所述平面裂缝装置由有机玻璃板组装而成，其内设置有用于调节裂缝高度的有机玻璃垫片。

进一步的，所述液体和支撑剂混合注入模块包括混合罐、支撑剂添加装置和液体注入泵，所述混合罐具有清水注入口、支撑剂注入口、回收注入口和液体输出口，所述回收注入口与回收利用罐管路连接，所述支撑剂注入口与支撑剂添加装置管路连接，所述液体输出口与液体注入泵管路连接且管路上安装有流量阀门和流量计，所述液体注入泵与所述射孔模拟管件的上端管路连接且管路上安装有流量阀门和流量计。

进一步的，所述射孔孔眼的射孔簇数设计为二至四簇。

进一步的，所述连接法兰包括两通连接法兰、三通连接法兰和四通连接法兰。

本方案能够进行不同射孔簇数、射孔簇间距、射孔孔径、裂缝形态、压裂液注入参数等条件下的支撑剂分流和展布规律模拟，根据裂缝形态可模拟常规水平井单一平面裂缝的支撑剂分流与展布模拟，还可以进行页岩或者煤层气等非常规储层的复杂裂缝的支撑剂分流和展布模拟。本实用新型的仪器能够为支撑剂优选、支撑剂分流与展布形态的研究提供服务，同时能够为水平井压裂方案设计、压裂施工和支撑剂选择提供实验支撑。

本方案的优点在于：

(1)可以模拟不同射孔簇数、射孔簇间距、射孔孔径和射孔孔数条件下的水平井多段分簇压裂支撑剂分流和运动规律模拟。

(2)可以进行常规裂缝形态水平井多段分簇压裂支撑剂运移与展布模拟，也可以进行复杂裂缝形态支撑剂分流与展布模拟。

(3)仪器的水平井筒模拟和裂缝模拟采用模块化设计，可以根据需要进行模块化组装。

(4)可以设置不同射孔簇裂缝的出口流量，模拟不同的射孔簇裂缝的扩展速度，从而模拟裂缝扩展速度对支撑剂分流和展布的影响。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的水平井筒模拟模块的结构示意图；

图3为本实用新型的裂缝连接件的水平截面示意图；

图4为本实用新型的裂缝连接件的竖直截面示意图；

图5为本实用新型的连接法兰为两通连接法兰时的结构示意图；

图6为本实用新型的连接法兰为三通连接法兰时不同角度设置的对比图；

图7为本实用新型的连接法兰为四通连接法兰时不同角度设置的对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的描述。

一种模拟水平井多段分簇压裂支撑剂分流与展布的实验仪器，包括液体和支撑剂混合注入模块，其还包括水平井筒模拟模块和压裂裂缝模拟模块。所述水平井筒模拟模块包括多个射孔模拟管件9和裂缝连接件8。

其中，所述射孔模拟管件9在竖直方向上同轴分布且相邻两射孔模拟管件9之间通过连接钢管19连接，位于最上端的射孔模拟管件9的顶端与所述液体和支撑剂混合注入模块的液体输出端连接，位于最下端的射孔模拟管件9的底端密封，可以采用末端堵头23封闭。所述射孔模拟管件9包括外层钢管和嵌套在所述外层钢管内的内层钢管，

所述外层钢管的中部镂空，所述内层钢管的中部开设有射孔孔眼24，所述外层钢管和内层钢管的两端均具有用于与所述连接钢管19连接的第一法兰盘20，所述射孔模拟管件9同一端的两第一法兰盘20重叠。

所述射孔模拟管件9由两钢管内外嵌套而成，内外钢管的两端利用螺丝固定槽片进行固定。射孔模拟装置的中部设置不同尺寸和数量的孔眼，可以调节每个射孔簇裂缝的孔眼尺寸和孔数数量，同时射孔模拟装置可以方便的从连接装置拆卸，更加方便的模拟不同的射孔参数条件下的支撑剂分流规律。

所述裂缝连接件8包括水平布置的钢板21，所述钢板21从右侧面向内开设有用于模拟裂缝的裂缝槽25，所述钢板21的左侧部开设有上下贯穿的焊接孔，所述内层钢管的中部位于所述焊接孔中，所述外层钢管镂空部的上边缘与焊接孔的上端口边缘焊接，外层钢管镂空部的下边缘与焊接孔的下端口边缘焊接，所述焊接孔的右侧部贯通裂缝槽25使得内层钢管与裂缝槽25连通，所述钢板21的右侧部设有第二法兰盘17。

所述压裂裂缝模拟模块包括平面裂缝装置10和连接法兰12，所述平面裂缝装置10水 平朝右分布，平面裂缝装置10与裂缝连接件8的第二法兰盘17通过连接法兰12连接，相邻的平面裂缝装置10之间通过连接法兰12连接，平面裂缝装置10的出口端安装有流量阀门和流量计。

压裂裂缝模拟模块可以根据需要进行模块化组装，模拟不同的裂缝形态和裂缝条数。利用模块化组装，压裂裂缝模拟模块既可以模拟常规平面单一裂缝，又可以模拟适用于煤层气或者页岩气压裂裂缝的复杂裂缝形态。水平井“多段分簇”压裂过程中存在裂缝干扰和非均质性的影响，不同射孔簇裂缝的扩展速度可能存在差异，相应的各个射孔簇裂缝的进液量也各不相同，裂缝扩展速度快的裂缝进液量大。因此，本实用新型为了体现裂缝扩展速度对支撑剂分流和展布的影响，可利用每个射孔簇裂缝末端的流量调节阀门，确定不同射孔簇裂缝的流体流量，从而模拟不同的扩展速度的影响。

为了减少实验液体的用量，本实验装置还包括液体回收及利用模块，将实验液体回收及利用模块与液体和支撑剂混合注入模块相连接，可以实现实验压裂液体的重复利用。所述液体回收及利用模块具有回收利用罐16、液体汇集管线14和滤失汇集管线15，所述平面裂缝装置10的出口端连接有裂缝出口连接管13，所述裂缝出口连接管13通过液体汇集管线14与所述回收利用罐16连接，所述平面裂缝装置10上开设有滤失孔眼，所述滤失孔眼通过滤失汇集管线11与所述回收利用罐16连接。

所述钢板21由上钢板21和下钢板21上下相对焊接而成，所述裂缝槽25中设置有用于调节裂缝高度的调节垫块，实现模拟水平井筒装置的裂缝宽度可调。若裂缝槽25高度为15mm，可选调节垫块垫块的厚度分别为5mm和10mm，利用调节垫块嵌入裂缝连接装置中改变裂缝高度，使裂缝连接装置能形成5mm、10mm和15mm的裂缝高度，使之与压裂裂缝模拟模块的裂缝宽度相匹配。

所述平面裂缝装置10由有机玻璃板组装而成，玻璃四周包金属边框，其内设置有用于调节裂缝高度的有机玻璃垫片。平面裂缝装置10的有机玻璃板上钻有六个滤失孔眼，滤失孔眼连接裂缝滤失管线11且安装流量阀门和流量计，实验过程中可以控制滤失孔眼的流量以模拟裂缝面的滤失速度对支撑剂分流和展布的影响。

所述液体和支撑剂混合注入模块包括混合罐3、支撑剂添加装置4和液体注入泵7，所述混合罐3具有清水注入口1、支撑剂注入口2、回收注入口和液体输出口，所述回收注入口与回收利用罐16管路连接，所述支撑剂注入口2与支撑剂添加装置4管路连接，所述液体输出口与液体注入泵7管路连接且管路上安装有流量阀门5和流量计6，所述液体注入泵7与所述射孔模拟管件9的上端管路连接且管路上安装有流量阀门和流量计。

所述射孔孔眼24的射孔簇数设计为二至四簇，射孔簇间距可以设置500mm、1000mm、1500mm和2000mm，可根据需要设置任意长度。同时，可根据需要对不同的射孔簇射孔设置不同孔眼、孔密等射孔参数。

所述连接法兰12包括两通连接法兰12、三通连接法兰12和四通连接法兰12，可以连接不同角度和不同形态的裂缝***。为了满足裂缝宽度变化的需要，连接法兰12的裂缝宽度也可以利用垫块进行条件以满足不同的平行裂缝装置的需求。其中图5为两通连接法兰12，主要用于常规单一平面裂缝的连接和模拟。图6为不同角度的三通连接法兰12，主要用于模拟复杂裂缝，法兰的两端连接主裂缝，另外一端连接次级裂缝，其中次级裂缝的角度分别为30°、45°、60°和90°。图7为裂缝模拟装置的四通法兰，主要用于模拟页岩等复杂裂缝形态，装置的水平两端连接主裂缝，另外两端连接次级裂缝，模拟30-45°、30-60°、30-90°、45-60°、45-90°、60-90°的裂缝形态。

结合附图1-7，介绍本实用新型的实验流程：

(1)实验方案制定。1)压裂裂缝形态确定。根据储层特性确定需要模拟的裂缝形态，

如果需要研究的为常规低渗透油气藏考虑单一平面裂缝模拟，如果针对页岩或者煤层气水平井模拟，可选择复杂裂缝模块进行研究，确定射孔簇裂缝的宽度和复杂裂缝主次裂缝的宽度。2)压裂液类型选择。根据压裂现场的需求，确定现场压裂液的类型和粘度，确定实验液体用量和添加剂的用量。3)实验支撑剂的选择。根据现场的支撑剂类型和施工泵注程序的砂比变化等参数，确定支撑剂的类型、粒径和支撑剂量，将支撑剂添加至自动加砂装置。4)模拟射孔参数的确定。根据现场射孔和完井规律，确定实验的射孔簇数、射孔簇间距和射孔孔径等参数。5)实验排量的确定。利用相似准则原理，确定实验的施工总排量，确定单个射孔簇裂缝的出口排量。

(2)实验装置的管路连接。1)液体混合装置的连接。将清水注入管线连接液体和支撑剂的混合罐3，然后将混合罐3和支撑剂添加装置4利用管线连接。2)混合罐3与液体注入泵7连接，同时连接流量阀门5、流量计6和压力计等。3)水平井筒模拟模块的连接。将射孔模拟管件9和裂缝连接件8相互连接，组装成需要的射孔簇数和射孔参数，然后与液体注入泵7连接。4)压裂裂缝模拟模块。将平面裂缝装置10和连接法兰12相互连接组装成实验方案设计的裂缝形态，平面裂缝装置10的一端连接钢板21，另外一端连接连接法兰12，裂缝面上连接滤失汇集管线11、相应的滤失阀门和流量计。5)支撑剂添加装置4与混合罐3连接。将裂缝出口连接管13与回收利用罐16相互连接，同时将回收利用罐16与混合罐3连接。6)实验仪器试压。将连接好的实验仪器进行液体注入试压， 确保实验仪器能够满足实验需求。

(3)实验液体配置。根据实验方案的设计要求，将需要的各种添加剂置入混合罐3中，然后加注清水，利用搅拌装置进行液体的混合，获配置一定量的压裂液。

(4)支撑剂准备。按实验方案的支撑剂类型和重量置入支撑剂添加装置4中，同时根据方案设置加砂速度。

(5)支撑剂分流与展布实验模拟。所有准备工作完成后，按实验流程进行支撑剂分流和展布实验，调节液体注入泵7的排量、单簇裂缝的出口排量、滤失孔眼的滤失量达到设计值。实验过程中利用电脑记录实验仪器的所有流量计和压力计的数值。实验过程中，利用摄像机记录每簇裂缝的支撑剂展布变化情况。

(6)实验结果观测与分析。根据实验过程和实验最终的支撑剂展布情况，进行实验结果的分析，判断射孔簇数、射孔簇间距、裂缝形态和排量变化等对支撑剂分流和展布的影响。

(7)实验装置清洗。实验完成后，进行实验装置的清洗和拆卸工作。

本实用新型的实验仪器不仅可以进行常规低渗透油气藏的水平井“多段分簇”压裂支撑剂分流和展布规律模拟，也可以进行页岩和煤层气等水平井“多段分簇”压裂过程中的支撑剂在复杂裂缝形态中的支撑剂分流和展布模拟。

Claims (7)

1.一种模拟水平井多段分簇压裂支撑剂分流与展布的实验仪器，包括液体和支撑剂混合注入模块，其特征在于：还包括水平井筒模拟模块和压裂裂缝模拟模块，

所述水平井筒模拟模块包括多个射孔模拟管件和裂缝连接件；

所述射孔模拟管件在竖直方向上同轴分布且相邻两射孔模拟管件之间通过连接钢管连接，位于最上端的射孔模拟管件的顶端与所述液体和支撑剂混合注入模块的液体输出端连接，位于最下端的射孔模拟管件的底端密封，所述射孔模拟管件包括外层钢管和嵌套在所述外层钢管内的内层钢管，所述外层钢管的中部镂空，所述内层钢管的中部开设有射孔孔眼，所述外层钢管和内层钢管的两端均具有用于与所述连接钢管连接的第一法兰盘，所述射孔模拟管件同一端的两第一法兰盘重叠；

所述裂缝连接件包括水平布置的钢板，所述钢板从右侧面向内开设有用于模拟裂缝的裂缝槽，所述钢板的左侧部开设有上下贯穿的焊接孔，所述内层钢管的中部位于所述焊接孔中，所述外层钢管镂空部的上边缘与焊接孔的上端口边缘焊接，外层钢管镂空部的下边缘与焊接孔的下端口边缘焊接，所述焊接孔的右侧部贯通裂缝槽使得内层钢管与裂缝槽连通，所述钢板的右侧部设有第二法兰盘；

所述压裂裂缝模拟模块包括平面裂缝装置和连接法兰，所述平面裂缝装置水平朝右分布，平面裂缝装置与裂缝连接件的第二法兰盘通过连接法兰连接，相邻的平面裂缝装置之间通过连接法兰连接，平面裂缝装置的出口端安装有流量阀门和流量计。

2.根据权利要求1所述的一种模拟水平井多段分簇压裂支撑剂分流与展布的实验仪器，其特征在于：还包括液体回收及利用模块，所述液体回收及利用模块具有回收利用罐、液体汇集管线和滤失汇集管线，所述平面裂缝装置的出口端连接有裂缝出口连接管，所述裂缝出口连接管通过液体汇集管线与所述回收利用罐连接，所述平面裂缝装置上开设有滤失孔眼，所述滤失孔眼通过滤失汇集管线与所述回收利用罐连接。

3.根据权利要求1所述的一种模拟水平井多段分簇压裂支撑剂分流与展布的实验仪器，其特征在于：所述钢板由上钢板和下钢板上下相对焊接而成，所述裂缝槽中设置有用于调节裂缝高度的调节垫块。

4.根据权利要求3所述的一种模拟水平井多段分簇压裂支撑剂分流与展布的实验仪器，其特征在于：所述平面裂缝装置由有机玻璃板组装而成，其内设置有用于调节裂缝高度的有机玻璃垫片。

5.根据权利要求4所述的一种模拟水平井多段分簇压裂支撑剂分流与展布的实验仪器，其特征在于：所述液体和支撑剂混合注入模块包括混合罐、支撑剂添加装置和液体注入泵，所述混合罐具有清水注入口、支撑剂注入口、回收注入口和液体输出口，所述回收注入口与回收利用罐管路连接，所述支撑剂注入口与支撑剂添加装置管路连接，所述液体输出口与液体注入泵管路连接且管路上安装有流量阀门和流量计，所述液体注入泵与所述射孔模拟管件的上端管路连接且管路上安装有流量阀门和流量计。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种模拟水平井多段分簇压裂支撑剂分流与展布的实验仪器，其特征在于：所述射孔孔眼的射孔簇数设计为二至四簇。

7.根据权利要求6所述的一种模拟水平井多段分簇压裂支撑剂分流与展布的实验仪器，其特征在于：所述连接法兰包括两通连接法兰、三通连接法兰和四通连接法兰。