CN103195417B - 一种模拟水平井限流分段压裂的实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及油田开采技术领域内一种模拟水平井限流分段压裂的实验方法，其中实验装置包括通过管线连接的若干个密封的模拟储层腔体，模拟储层腔体内设有水平井筒，水平井筒的腔体壁上设有若干可开关的射孔孔眼，相邻水平井筒之间通过管径可选的管线连接，各水平井筒的进液端通过混砂系统连通，各连接管线上还设有柱塞泵、流量计和阀门，模拟储层腔体和水平井筒内设有若干压力传感器，所述压力传感器分别通过电缆与数据采集控制面板连接，数据采集控制面板与计算机连接。本发明可以根据地下储层分布情况进行水平井分段压裂的模拟实验，研究水平井分段压裂施工中的孔眼摩蚀和沿程摩阻规律，优化射孔参数；以便于优化水平分段压裂施工参数。
Description
技术领域
发明涉及油田开采技术领域，特别涉及一种模拟水平井限流分段压裂的实验方法。
背景技术
水平井的开发已成为提高油田勘探开发综合效益的重要途径，大多数低渗透油田需要通过水平井压裂手段才能够实现油气藏的高效开发，而且在水平井限流分段压裂中在储层同时分段压裂施工。由于地下储层分布复杂，在储层的限流分段压裂施工中，无法进行重复多次的施工实验分析，以优化储层的分段压裂施工参数。因为需要在室内对限流压裂过程及参数模拟研究，再根据相似性原则对实际限流分段压裂施工参数进行优化。
目前的水平井限流分段压裂设计及施工工艺主要靠理论计算和压裂后测试来优化；但存在如下问题：一、没有一种专门模拟水平井限流分段压裂的实验装置及方法。二、缺乏有效实验数据来优化射孔参数、压裂液和不同砂比下携砂液的水平井段摩阻计算、对孔眼磨蚀规律研究和不同排量对每一段加砂量影响。三、缺乏调节两个射孔段地层压力的方法。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提供一种模拟水平井限流分段压裂的实验装置，旨在根据地下储层分布情况进行水平井限流分段压裂的模拟实验，以便于优化水平井限流分段压裂施工参数。
本发明的目的是这样实现的，一种模拟水平井限流分段压裂的实验装置，包括若干个密封的模拟储层腔体，模拟储层腔体壁设有加热套，模拟储层腔体内设有水平井筒，所述水平井筒的腔体壁上设有若干可开关的射孔孔眼，所述相邻水平井筒之间通过管径可选的管线连接，第一个水平井筒的进液端通过管线与混砂系统连通，并且管线上还设有柱塞泵、流量计三和阀门，所述模拟储层腔体壁上分别设有与腔体连通的回压泵和放液阀；所述模拟储层腔体和水平井筒内设有若干压力传感器，所述压力传感器分别通过电缆与数据采集控制面板连接，数据采集控制面板与计算机连接。
采用本发明的实验装置，可以对水平井限流分段压裂施工过程进行相似性模拟，以研究水平井的射孔孔眼摩蚀规律和不同井段水平井的管路沿程摩阻损失对不同井段压裂施工的影响，以便于优化水平井限流分段压裂施工的孔眼参数和水平井限流分段压裂的排量参数，同时，本发明的装置中，根据实验对比需要，多次实验中，各水平井筒射孔孔眼的开放数量可以通过开关射孔进行调整，以调整实验中各水平井筒的进砂量从而进一步研究孔眼摩蚀规律，为使实验过程中各模拟储层腔体内压力相同，可以根据数据采集控制系统采集的压力变化情况通过回压泵调节相应腔体的压力，使实验结果更接近实际。
为便于精确向水平筒内加注实验液体，所述混砂系统包括贮液罐、贮砂罐和混砂罐，所述贮液罐通过注入泵一、流量计一和控制阀与混砂罐连通，所述贮砂罐通过注入泵二、流量计二和控制阀与混砂罐连通，混砂罐内设有搅拌器。
作为本发明的优选方案，所述水平井筒和模拟储层腔体为两组或三组。
为方便研究不同管径的沿程摩阻变化，所述相邻水平井筒之间并列连接有三根不同管径的管线，所述管线分别通过开关阀控制通断。
作为本发明的优选方案，所述射孔孔眼沿水平井筒周向螺旋分布。
为精确测量实验过程中各处的压力分布，所述水平井筒与其对应的模拟储层之间还设有压差传感器一，相邻模拟储层之间设有压差传感器二。
为进一步实现本发明目的，本发明还包括一种采用上述装置模拟水平井限流分段压裂的实验方法，包括如下步骤；
1）根据需模拟的实际需要射孔段最小主应力差值、温度、实际的油井套管钢级，选定一定钢级、射孔孔径、射孔密度和射孔相位角的水平井筒，并将实验装置各部件通过管线连接，压力传感器、数据采集控制面板及计算机通过电缆依次连接；
2）开启数据采集系统，将模拟储层腔体加热至需模拟的储层温度，关闭贮砂罐与混砂罐管线之间的控制阀，开启注入泵一，向各模拟储层腔体内泵入一定量的介质，并检查系统的密封性合格后，继续注入液体至将各模拟储层腔体内的水平井筒完浸没在液面以下，并且使各模拟储层腔体内的压力达到模拟层设定压力时停止泵入液体，通过回压泵调节各模拟储层内压力差，使各模拟储层内的压差值小于0.1MPa；本步目的为使模拟储层的温度及压力分布与待模拟的地下储层相同，水平井筒浸没在模拟储层腔体内，使各射孔孔眼压力分布相同，提高实验相似性；
3）向贮液罐内添加一定粘度的压裂液，使水平井筒内注入压裂液，调节泵入压裂液的排量，使各水平井筒内同时进液；本步中通过调节压裂液的排量，使各水平井筒同时进液，以便于模拟水平井限流分段压裂施工中各井段同时造缝压裂；
4）开启贮砂罐与混砂罐之间的控制阀，开启搅拌器，通过注入泵一和注入泵二向混砂罐内适时泵入设定体积砂比的压裂液和砂混合而成的携砂液，使混砂罐内携砂液按设定的体积砂比适时混合，同时通过柱塞泵按步骤3）中的排量将相应砂比和体积的携砂液泵入水平井筒内，使各水平井筒同时进液，直至将上述设定体积的砂和压裂液混合而成的携砂液全部泵入各模拟储层腔体内；
5）通过计算机记录的各模拟储层腔体及管线的压力，并计算相邻水平井筒之间管线的沿程摩阻；上述两步可以模拟一定的携砂液砂比分段压裂施工过程，通过计算机记录施工过程中各位置的压力变化过程，并根据压力变化值和相关参数计算沿程摩阻损失；
其中，沿程摩阻按如下公式计算：
ΔPf=λLρu2/2d=2fLρu2/D
式中，λ为Darcy为摩阻系数，无因次，L管线长度，单位m，D管线直径，单位m，ρ为流体密度，单位kg/m3，u平均流速，m/s，f为Fanning摩阻系数；
6）通过各模拟储层腔体的放液阀将各腔体内的液体放出、过滤，并称量各模拟储层腔体内的砂量，取出水平井筒，测量各水平井筒的射孔孔径并计算各水平井筒的孔眼磨蚀和孔眼磨阻；本步可根据相关实验过程参数计算水平井筒的孔眼摩阻和在相应排量下各水平井筒携砂液的进液量；孔眼摩阻按如下公式计算：
Ppf=2.24×10-10Q2ρ/n2d4C2
式中，Q为压裂液注入排量，单位m3/min，ρ流体密度，J单位kg/m3，n为射孔孔眼数量，无因次，d为孔眼直径，单位m，C为流量系数；
7）改变各水平井筒的射孔数量，重复步骤1）—6），直到各模拟储层腔体内排出的砂量相同，据此确定相同沿程摩阻损失下，各水平井筒最佳的射孔孔眼参数，并分析各水平井筒的孔眼磨蚀规律；
8）改变步骤3）中的排量，重量步骤4）～6），计算分析不同排量下孔眼摩阻规律；
9）改变各水平井筒之间管线直径，调整步骤4）中的砂比参数，重复步骤2）～5）通过计算机记录的相关数据，计算不同管线直径下，相应砂比的沿程摩阻；
10）根据上述实验综合分析水平井筒的孔眼摩蚀规律和不同砂比的管线摩阻，确定合理的射孔参数和管线参数，优化水平井限流分段压裂工艺参数。
为便于控制模拟储层腔体的压力，所述步骤2）中的介质为质量浓度为1%的氯化钠溶液或煤油。
为进一步实现本发明的实验方法，模拟储层腔体加热的温度为80℃～90℃。
为进一步实现本发明的方法，在温度80℃～90℃，剪切速率170S-1下压裂液的粘度为50～100mPa·S。
附图说明
图1为本发明的实验装置的示意图。
其中，1贮砂罐；2贮液罐；3注入泵二；4注入泵一；5a流量计一；5b流量计二；5c流量计三；6混砂罐；7电缆；8管线；8a管线一；8b管线二；8c管线三；9数据采集控制面板；10计算机；11回压泵；12模拟储层腔体；13水平井筒；14射孔孔眼；15放液阀；16压差传感器二；17压差传感器一；18压力传感器。
具体实施方式
如图1所示为本发明的模拟水平井限流分段压裂的实验装置，包括若干个密封的模拟储层腔体12，模拟储层腔体12壁设有加热套，模拟储层腔体12内设有水平井筒13，为便于实验后取出水平井筒测量相关的参数，模拟储层腔体12为一带有可打开上盖的矩形密封腔体；水平井筒13的腔体壁上螺旋周向设有若干可开关的射孔孔眼14，实验中可根据需要选择开关射孔孔眼的数量，以调节各水平井筒13的进砂量，相邻水平井筒13之间通过管径可选的管线一8a或管线二8b或管线三8c连接，管线分别通过开关阀控制通断，第一个水平井筒13的进液端通过管线8与混砂系统连通，并且管线8上还设有柱塞泵、流量计三5c和阀门，模拟储层腔体12壁上分别设有与腔体连通的回压泵11和放液阀15；模拟储层腔体12和水平井筒13内设有若干压力传感器18，水平井筒13与其对应的模拟储层腔体12之间还设有压差传感器一17，相邻模拟储层之间设有压差传感器二16。压力传感器18和压差传感器分别通过电缆7与数据采集控制面板9连接，数据采集控制面板9与计算机10连接。
本发明的实验装置中，混砂系统包括贮液罐2、贮砂罐1和混砂罐6，贮液罐2通过注入泵一4、流量计一5a和控制阀与混砂罐6连通，贮砂罐1通过注入泵二3、流量计二5b和控制阀与混砂罐6连通，混砂罐6内设有搅拌器；为便于实验结果分析，水平井筒13和模拟储层腔体12为两组或三组。
采用本发明的实验装置，可以对水平井分段压裂施工过程进行相似性模拟，以研究水平井的射孔孔眼摩蚀规律和不同井段水平井的管路沿程摩阻损失对不同井段压裂施工的影响，以便于优化水平井分段压裂施工的孔眼参数和管路分布参数。
采用本发明的实验装置模拟水平井限流分段压裂实验方法，包括如下步骤；
1）根据需模拟的实际需要射孔段最小主应力差值、温度、实际的油井套管钢级，选定一定钢级、射孔孔径、射孔密度和射孔相位角的水平井筒13，并将实验装置各部件通过管线连接，压力传感器18、压差传感器一17和压差传感器二16、数据采集控制面板9及计算机10通过电缆7依次连接；实验中水平井筒13和模拟储层腔体12采用N80制作，模拟储层腔体12的长宽高尺寸为1.2m×0.3m×0.4m，水平井筒的直径φ50mm，长度为1.5m，射孔孔眼直径为φ6mm，射孔相位角为120°，整个水平井筒上共均匀螺旋设置12个射孔孔眼
2）开启数据采集系统，将各模拟储层腔体12加热至80℃～90℃，关闭贮砂罐1与混砂罐6管线之间的控制阀，开启注入泵一4，向各模拟储层腔体12内泵入一定量的质量浓度为1%的氯化钠溶液或煤油，并检查系统的密封性合格后，继续注入液体至将各模拟储层腔12体内的水平井筒13完浸没在液面以下，并且使各模拟储层腔体12内的压力达到模拟层设定压力时停止泵入液体，通过各回压泵11调节各模拟储层内压力差，使各模拟储层腔体12内的压差值小于0.1MPa；本步目的为使模拟储层的温度及压力分布与待模拟的地下储层相同，水平井筒13浸没在模拟储层腔体12内，使各射孔孔眼14压力分布相同，提高实验相似性；
3）向贮液罐2内添加温度在80℃～90℃剪切速率170S-1下粘度为50～100mPa·S的压裂液，并向各水平井筒内注入压裂液，调节泵入压裂液的排量，使各水平井筒13内同时进液；本步中通过调节压裂液的排量，使各水平井筒同时进液，以便于模拟水平井限流分段压裂施工中各井段同时造缝压裂；
4）开启贮砂罐1与混砂罐6之间的阀门，开启搅拌器，通过注入泵一4和注入泵二3向混砂罐6内适时泵入设定体积砂比的压裂液和砂混合而成的携砂液，使混砂罐6内携砂液按设定的体积砂比适时混合，同时通过柱塞泵按步骤3）中的排量将相应砂比和体积的携砂液泵入水平井筒13内，使各水平井筒13同时进液，直至将上述设定体积的砂和压裂液混合而成的携砂液全部泵入各模拟储层腔体12内；
5）通过计算机记录的各模拟储层腔体12及管线的压力，并计算相邻水平井筒13之间管线的沿程摩阻；上述两步可以模拟一定的携砂液砂比分段压裂施工过程；通过计算机记录施工过程中各位置的压力变化过程，并根据压力变化值和相关参数计算沿程摩阻损失；
其中，沿程摩阻的按如下公式计算：
ΔPf=λLρu2/2d=2fLρu2/D
式中，λ为Darcy为摩阻系数，无因次，L管线长度，单位m，D管线直径，单位m，ρ为流体密度，单位kg/m3，u平均流速，m/s，f为Fanning摩阻系数；
6）通过各模拟储层腔体12的放液阀将各腔体内的液体放出、过滤，并称量各模拟储层腔体12内的砂量，取出水平井筒13，测量各水平井筒13的射孔孔径并计算各水平井筒13的孔眼磨蚀和孔眼磨阻；本步可根据相关实验过程参数计算水平井筒的孔眼摩阻和在相应排量下各水平井筒携砂液的进液量；孔眼摩阻按如下公式计算：
Ppf=2.24×10-10Q2ρ/n2d4C2
式中，Q为压裂液注入排量，单位m3/min，ρ流体密度，J单位kg/m3，n为射孔孔眼数量，无因次，d为孔眼直径，单位m，C为流量系数；
7）改变各水平井筒13的射孔数量，重复步骤1）—6），直到各模拟储层腔体12内排出的砂量相同，据此确定相同沿程摩阻损失下，各水平井筒13最佳的射孔孔眼参数，并分析各水平井筒的孔眼磨蚀规律；
8）改变步骤3）中的排量，重量步骤4）～6），计算分析不同排量下孔眼摩阻规律；
9）改变各水平井筒13之间管线直径，调整步骤4）中的砂比参数，重复步骤2）～5）通过计算机记录的相关数据，计算不同管线直径下，相应砂比的沿程摩阻；
10）根据上述实验综合分析水平井筒13的孔眼摩蚀规律和不同砂比的管线摩阻，确定合理的射孔参数和管线参数，优化水平井限流分段压裂工艺参数。
Claims (4)
1.一种模拟水平井限流分段压裂的实验方法，采用模拟水平井限流分段压裂的实验装置进行，所述模拟水平井限流分段压裂的实验装置，包括若干个密封的模拟储层腔体，模拟储层腔体壁设有加热套，模拟储层腔体内设有水平井筒，所述水平井筒的腔体壁上设有若干可开关的射孔孔眼，相邻所述水平井筒之间通过管径可选的管线连接，第一个水平井筒的进液端通过管线与混砂系统连通，并且管线上还设有柱塞泵、流量计三和阀门；所述混砂系统包括贮液罐、贮砂罐和混砂罐，所述贮液罐通过注入泵一、流量计一和控制阀与混砂罐连通，所述贮砂罐通过注入泵二、流量计二和控制阀与混砂罐连通，混砂罐内设有搅拌器；所述模拟储层腔体壁上分别设有与腔体连通的回压泵和放液阀；所述模拟储层腔体和水平井筒内设有若干压力传感器，所述压力传感器分别通过电缆与数据采集控制面板连接，数据采集控制面板与计算机连接；所述水平井筒与其对应的模拟储层之间还设有压差传感器一，相邻模拟储层之间设有压差传感器二；实验方法包括如下步骤；
1）根据需模拟的实际需要射孔段最小主应力差值、温度、实际的油井套管钢级，选定一定钢级、射孔孔径、射孔密度和射孔相位角的水平井筒，并将实验装置各部件通过管线连接，压力传感器、数据采集控制面板及计算机通过电缆依次连接；
2）开启数据采集系统，将模拟储层腔体加热至需模拟的储层温度，关闭贮砂罐与混砂罐管线之间的控制阀，开启注入泵一，向各模拟储层腔体内泵入一定量的介质，并检查系统的密封性合格后，继续注入液体至将各模拟储层腔体内的水平井筒完全浸没在液面以下，并且使各模拟储层腔体内的压力达到模拟层设定压力时停止泵入液体，通过回压泵调节各模拟储层内压力差，使各模拟储层内的压差值小于0.1MPa；
3）向贮液罐内添加一定粘度的压裂液，使水平井筒内注入压裂液，调节泵入压裂液的排量，使各水平井筒内同时进液；
4）开启贮砂罐与混砂罐之间的控制阀，开启搅拌器，通过注入泵一和注入泵二向混砂罐内适时泵入设定体积砂比的压裂液和砂混合而成的携砂液，使混砂罐内携砂液按设定的体积砂比适时混合，同时通过柱塞泵按步骤3）中的排量将相应砂比和体积的携砂液泵入水平井筒内，使各水平井筒同时进液，直至将上述设定体积的砂和压裂液混合而成的携砂液全部泵入各模拟储层腔体内；
5）通过计算机记录的各模拟储层腔体及管线的压力，并计算相邻水平井筒之间管线的沿程摩阻；
6）通过各模拟储层腔体的放液阀将各腔体内的液体放出、过滤，并称量各模拟储层腔体内的砂量，取出水平井筒，测量各水平井筒的射孔孔径并计算各水平井筒的孔眼磨蚀和测定孔眼磨阻；
7）改变各水平井筒的射孔数量，重复步骤1）—6），直到各模拟储层腔体内排出的砂量相同，据此确定相同沿程摩阻损失下，各个水平井筒最佳的射孔孔眼参数，并分析各个水平井筒的孔眼磨蚀规律；
8）改变步骤3）中的排量，重量步骤4）～6），计算分析不同排量下孔眼摩蚀规律；
9）改变各水平井筒之间管线直径，调整步骤4）中的砂比参数，重复步骤2）～5）通过计算机记录的数据，计算不同管线直径下，相应砂比的沿程摩阻；
10）根据上述实验综合分析水平井筒的孔眼摩蚀规律和不同砂比的管线摩阻，确定合理的射孔参数和管线参数，优化水平井限流分段压裂工艺参数。
2.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于，所述步骤2）中的介质为质量浓度为1%的氯化钠溶液或煤油。
3.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于，模拟储层腔体加热的温度为80℃～90℃。
4.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于，在温度80℃～90℃，剪切速率170S-1下压裂液的粘度为50～100mPa·S。
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