CN102606125A - 一种水力压裂效果研究模拟器 - Google Patents

Abstract

一种水力压裂效果研究模拟器，包括一模拟室，支撑剂填充层位于模拟室中央，支撑剂填充层上下由岩芯板夹持，岩芯板周围套有橡皮套，上下岩芯板另一表面分别与上活塞和下活塞及套在上下活塞上的方型密封圈接触，上活塞中开有3组上滤液出口/油气进口，下活塞中也开有3组下滤液出口/油气进口，模拟室左右两面开有测试进出口孔，模拟室前面开有压差输出口，压差输出口正对支撑剂填充层的前面中央，模拟室上还开有加热的长孔和温度测量孔，本发明能同时模拟水力压裂中压裂裂缝、地层岩石、压裂液滤失、压裂液对支撑裂缝和地层污染、石油或天然气及其携带物流经污染地带和支撑裂缝，用于分析研究水力压裂效果。

Description

一种水力压裂效果研究模拟器

技术领域

本发明涉及石油天然气工业领域的油气藏水力压裂开发生产，特别涉及一种水力压裂效果研究模拟器。

技术背景

水力压裂是通过水力憋压作用在地下含油气岩石中造出几十到几百米长的人工裂缝。水力压裂裂缝不但成为沟通井筒与油气藏的桥梁，还大大增加了油气井与油气藏的接触面积，提高了油气流入油气井的能力。目前，水力压裂是国际国内开发低渗透油气藏和非常规油气藏的必要手段，也是提高各种油气藏单井产量和采收率的有效技术。

水力压裂裂缝通过大大增加油气井与油气产层的接触面积、改变油气流入井筒的径向流动方式为流动能力大大增强的线性流入裂缝方式，从而大幅提高油气产量和采收率。为使水力压裂后压裂出的裂缝保持张开，裂缝中要充填高导流能力的支撑剂。支撑剂需用高粘度的压裂液携带进入裂缝并铺置于裂缝中。作为沟通油气井井筒与油气产层的桥梁，铺置有支撑剂的裂缝的导流能力必须远远大于油气层的导流能力。

除压开裂缝的几何尺寸(长、宽和高)外，水力压裂效果主要取决于三个方面：地层伤害、实际裂缝导流能力和生产时石油和天然气对污染地带和裂缝内部的清洗和作用。压裂时，携带支撑剂的压裂液会滤失入地层中、与地层矿物发生物理化学作用、造成油气进入裂缝困难，形成对产层的伤害(污染)。实际裂缝导流能力受支撑剂裂缝内铺置情况、支撑剂嵌入岩石、压裂液残渣、支撑剂破碎和岩削剥落等因素影响。生产时石油和天然气通过污染地带流入裂缝中，然后通过裂缝流入油气井井筒中，在这一过程中油或气及其携带物会造成对污染地层和裂缝的清洗、冲堵和填堵作用。遗憾的是，目前尚无模拟此过程的研究装置。

由于现场水力压裂实际压后效果常远低于估计，实验室研究显得至关重要。尽管水力压裂几乎已成为目前国内外石油与天然气开发的必要手段，但由于压裂时巨大的裂缝开启压力和地层温度、几十米以上的裂缝长度和几米的地层厚度、以及压裂时大量的压裂液与支撑剂，实验室全尺寸水力模拟无法实现。

迄今，国际上对水力压裂效果的实验研究把压裂液滤失、压裂液与地层配伍及对地层伤害(污染)、石油或天然气流经污染地带、以及裂缝支撑剂导流能力分割开来分别研究。

对压裂液滤失研究常用专用的动态或静态压裂液滤失仪进行，压裂液与地层配伍、对地层伤害和石油或天然气流经污染地带常借助于岩芯流动实验完成。

对裂缝导流能力的研究国际上现采用美国石油学会(API)于1989年制定的API RP-61标准。该标准基本模拟了压裂填砂裂缝情况，其核心为把支撑剂铺置于导流室内，上下用金属板夹持，在加压情况下测试2％KCL水通过时的压差。2006年国际标准化组织(ISO)发表了ISO 13503-5标准。该标准与API RP-61基本相同，仅把金属板换成了岩芯板和把夹持压力维持时间从15分钟换成了50小时。实验液体依然用含2％KCL的清水。

上述分割开来实验的主要缺点是岩芯形状为圆柱形而非夹持裂缝的形状，同时也常采用不同岩芯分别进行实验。此外，目前尚无能模拟石油或天然气及其携带物流经污染地带进入裂缝中，然后通过裂缝流入油气井井筒这一过程中对污染地层和裂缝的清洗、冲堵和填堵等作用的研究装置。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种水力压裂效果研究模拟器，能同时模拟水力压裂中压裂裂缝、地层岩石、压裂液滤失、压裂液对支撑裂缝和地层污染、石油或天然气及其携带物流经污染地带和支撑裂缝，用于分析研究水力压裂效果，包括分析研究支撑裂缝导流能力、压裂液滤失、压裂液对地层伤害、压裂液对支撑裂缝伤害，尤其是石油或天然气通过伤害岩石及支撑裂缝的能力分析和对伤害地层和支撑裂缝的清洗、冲堵及填堵等作用。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种水力压裂效果研究模拟器，包括一模拟室J，支撑剂填充层A位于模拟室J中央，支撑剂填充层A上下由岩芯板B夹持，岩芯板B周围套有橡皮套C，上下岩芯板B另一表面分别与上活塞E和下活塞D及套在上下活塞上的方型密封圈I接触，上活塞E中开有3组上滤液出口/油气进口H₂，该上滤液出口/油气进口H₂在整个上活塞E向下运动中始终露在模拟室J外面；下活塞D中也开有3组下滤液出口/油气进口H₁，下活塞D置于模拟室J内的最下端，下滤液出口/油气进口H₁正对开在模拟室J上的滤液出口/油气进口H，模拟室J左右两面开有测试进出口孔F，测试进出口孔F正对支撑剂填充层A的左右两端中央，模拟室J前面开有压差输出口G，压差输出口G正对支撑剂填充层A的前面中央，模拟室J上还开有给其加热的长孔M，同时还开有温度测量孔N。

本发明能模拟压裂裂缝、地层岩石、压裂液滤失、压裂液对支撑裂缝和地层污染、石油或天然气及其携带物流经污染地带和支撑裂缝。通过该实验装置完成上述各单因素、多因素和综合因素对压裂效果的评价研究；主要是针对压裂效果综合评估难点，采用观测在一定闭合压力下流体通过支撑裂缝、压裂液通过岩芯板滤失、油气通过岩芯板进入裂缝和进入裂缝的油气流经支撑裂缝的情况。计算支撑剂的导流能力、压裂液的滤失、地层伤害、油气流入裂缝和油气流过支撑裂缝的能力，从而评估、优选支撑剂和压裂液、指导压裂优化设计、最终提高油气井产量和采收率。

附图说明

图1是本发明的结构原理解剖图。

图2a为上下活塞到位后，沿模拟室J中间G和H孔中心的纵向剖面图，图2b是H-H₁间内部剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作详细叙述。

参照图1，一种水力压裂效果研究模拟器，包括一模拟室J，支撑剂填充层A位于模拟室J中央，支撑剂填充层A上下由岩芯板B夹持，岩芯板B周围套有橡皮套C，上下岩芯板B另一表面分别与上活塞E和下活塞D及套在上下活塞上的方型密封圈I接触，上活塞E在加在其上表面压力的作用下向下运动，并给模拟器J内支撑剂填充层A加压，上活塞E中开有3组上滤液出口/油气进口H₂，该上滤液出口/油气进口H₂在整个上活塞E向下运动中始终露在模拟室J外面；下活塞D中也开有3组下滤液出口/油气进口H₁，下活塞D置于模拟室J内的最下端时，下滤液出口/油气进口H₁正对开在模拟室J上的滤液出口/油气进口H，模拟室J左右两面开有测试进出口孔F，测试进出口孔F正对支撑剂填充层A的左右两端中央，模拟室J前面开有压差输出口G，压差输出口G正对支撑剂填充层A的前面中央，模拟室J上还开有给其加热的长孔M，同时还开有温度测量孔N。

参照图2，由于上活塞E中的上滤液出口/油气进口H₂露在外面，可通过接头直接与外面的滤液收集管路或油气注入管路连接，下活塞D的下滤液出口/油气进口H₁正对模拟室J中的滤液出口/油气进口H口，下活塞的下滤液出口/油气进口H₁处放置密封圈K，接头L穿过模拟室J上滤液出口/油气进口H进入下活塞的下滤液出口/油气进口H₁后通过其后端的螺纹把密封圈K压紧在下活塞孔H₁里的台阶上，流体通过接头L中的小孔进出。

(1)、上述各部件装在模拟室J内，模拟室J上开有加温的长孔M、压差输出口G和滤液出口/油气进口H、下滤液出口/油气进口H₁、上滤液出口/油气进口H₂。通过长孔M提高实验温度并通过孔N测量温度；在压差输出口G上接压力压差传感器后，测各点的压力和两点压差；通过进出流体孔F压入压裂液、油、气和水等测试流体，在别的进出流体孔检测流量；

(2)、支撑剂填充层A为上下岩芯板B夹持，支撑剂填充层A可泵送进加入，也可人工铺置。支撑剂填充层A和上下岩芯板B放置于模拟室J内；

(3)岩芯板B上下为活塞，下活塞D的全部和上活塞E的部分在模拟室J内。上活塞E在压力作用下向下移动，用于对支撑剂填充层A和岩芯板B加压；

(4)上活塞E和下活塞D分别开有上滤液出口/油气进口H₂和下滤液出口/油气进口H₁，下滤液出口/油气进口H₁一段开在下活塞D与岩芯板B接触端面的中央位置，另一端拐出下活塞D，上滤液出口/油气进口H₂一段开在上活塞D与岩芯板B接触端面的中央位置，另一端拐出上活塞E，下滤液出口/油气进口H₁和上滤液出口/油气进口H₂用于观察收集压裂滤失量。压裂液从模拟室J一端流入，通过岩芯板B滤失到上下活塞的滤液出口/油气进口，计量分析滤失液和滤失压差，滤液出口/油气进口可一起应用，也可单独应用；

(5)下滤液出口/油气进口H₁和上滤液出口/油气进口H₂可作为注入油或气使用。油或气通过下滤液出口/油气进口H₁和上滤液出口/油气进口H₂注入，通过岩芯板B后进入支撑剂，通过支撑剂填充层A后由模拟室J进出流体孔F流出。测量注入流体量、穿过岩芯板B压差和通过支撑剂填充层A压差。下滤液出口/油气进口H₁和上滤液出口/油气进口H₂可一起应用，也可单独应用。模拟室J上滤液出口/油气进口H可一起应用，也可单独应用。不用的孔由堵头封闭。

本发明的工作原理为：

一、由一定厚度的岩心板B上下夹持支撑剂填充层A，岩芯板B周围由橡胶套C密封、上下由方形密封圈I密封，流体可从上下活塞的滤液出口/油气进口经岩心板B流入或流出。当不用时，上下活塞与岩芯接触端面上的孔可由堵头堵上。

二、支撑剂充填A：该模拟室J可人工铺置支撑剂，铺置方法与常规裂缝导流实验相同(见ISO 13503-5)。该模拟J室也可动态铺置支撑剂，通过把携带支撑剂的压裂液由进出口孔F泵入岩芯板B之间缝隙实现。

三、裂缝导流能力实验：与常规裂缝导流实验相同(见ISO13503-5)，测试流体(油、气、水或压裂液)由进出口孔F一端进入，另一端流出。流体流量在流体注入前或后计量，支撑剂填充层A各段的压差由压差输出口G测量，不需要的压差输出口G可堵上。

四、压裂液滤失实验：压裂液由测试进出口孔F一端进入，测试进出口孔F的另一端封闭。通过上下活塞的滤液出口/油气进口采集滤失液体，滤失液量及成分由外部仪器测量，通过压差输出口G与滤液出口/油气进口外连管线上开孔测量通过上下岩芯板B的压差。上下活塞的滤液出口/油气进口可同时使用，也可堵上其一(如上活塞上的上滤液出口/油气进口H₂)仅使用另一(如下活塞上的下滤液出口/油气进口H₁)。

五、压裂液对地层伤害实验：由上下活塞的滤液出口/油气进口注入测试流体(油、气或水)，流体通过测试进出口孔F流出。流体流量在流体注入前或后计量，流体通过岩芯的压差由压差输出口G与滤液出口/油气进口外连管线上开孔测量。对比用该方法测试的无压裂液污染岩芯时的压差与流量，计算压裂液对地层伤害。不需要的压差输出口G可堵上，上下活塞的滤液出口/油气进口可同时使用，也可堵上其一(如下活塞上的下滤液出口/油气进口H₁)仅使用另一(如上活塞上的上滤液出口/油气进口H₂)。

六、流体对支撑裂缝作用：与(三)中裂缝导流能力实验相同。改变或逐步加大测试流体流量，测量各种流量下压裂液侵泡过的支撑剂填充层A的导流能力。注意，由于流体的清理、冲堵和填堵作用，本实验及以下实验与测试时间、次数和先后顺序有关。

七、流体对地层和支撑裂缝作用：与(五)中压裂液对地层伤害实验相似，对地层的作用主要测量流体流量与岩芯板B上下压差，对支撑剂的作用主要测量流体流量与支撑剂填充层A中间至左右两端压差。

本发明能模拟水力压裂中填砂裂缝、压裂液向地层滤失、生产中石油或天然气通过地层进入裂缝、以及石油或天然气流经裂缝进入井筒的室内分析器。通过该室内分析器能模拟研究填砂裂缝导流能力、压裂液滤失、压裂液对地层伤害、以及地层石油或天然气对伤害地层的清理。对于支撑剂和压裂液评价和优选、提高裂缝导流能力、优化压裂设计、以及最终提高油气井产量和采收率都有重要意义。

Claims (1)

1.一种水力压裂效果研究模拟器，其特征在于，包括一模拟室(J)，支撑剂填充层(A)位于模拟室(J)中央，支撑剂填充层(A)上下由岩芯板(B)夹持，岩芯板(B)周围套有橡皮套(C)，上下岩芯板(B)另一表面分别与上活塞(E)和下活塞(D)及套在上下活塞上的方型密封圈(I)接触，上活塞(E)中开有3组上滤液出口/油气进口(H₂)，该上滤液出口/油气进口(H₂)在整个上活塞(E)向下运动中始终露在模拟室(J)外面；下活塞(D)中也开有3组下滤液出口/油气进口(H₁)，下活塞(D)置于模拟室(J)内的最下端，下滤液出口/油气进口(H₁)正对开在模拟室(J)上的滤液出口/油气进口(H)，模拟室(J)左右两面开有测试进出口孔(F)，测试进出口孔(F)正对支撑剂填充层(A)的左右两端中央，模拟室(J)前面开有压差输出口(G)，压差输出口(G)正对支撑剂填充层(A)的前面中央，模拟室(J)上还开有给其加热的长孔(M)，同时还开有温度测量孔(N)。

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