CN104832169A - 水平井两井同步或异步多段分簇压裂室内实验井筒装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种页岩水平井两井同步或异步多段分簇压裂室内实验井筒装置及模拟方法，可以模拟页岩水平井两井同步或者异步分段压裂的室内实验模拟。设计加工的多段分簇压裂实验井筒，可以模拟水平井压裂段数、射孔簇数、射孔参数等对页岩水平井同步或异步压裂裂缝形态的影响。实验方案包括：实验方案制定、专用实验井筒加工、试件加工、压裂液制备、压裂裂缝扩展实验、实验结果CT扫描六个实验步骤。本发明方法为页岩储层压裂研究提供了一种新的压裂实验井筒和实验方法，具有能够模拟水平井两口水平井“多段分簇”同步压裂或者两口井一前一后多段分簇异步压裂时储层的缝网压裂裂缝分布，能够为页岩储层压裂实验研究和压裂施工提供理论支撑。

Description

水平井两井同步或异步多段分簇压裂室内实验井筒装置及方法

技术领域

本发明涉及页岩储层水力压裂增产的室内模拟技术，可以模拟页岩储层水平井两井同步压裂或异步“多段分簇”压裂的裂缝起裂、扩展，分析页岩物性、施工参数、 射孔参数等对页岩同步或异步压裂起裂和裂缝展布的影响，实验结果可以为页岩的现场压裂设计和施工提供基础数据。

背景技术

页岩气开发已经成为全球能源的开发重点，美国的页岩气的开发成功刺激了其它各国对于页岩气的开发热情。我国页岩气资源丰富，开发潜力大，但是页岩储层渗透率极低，开发比较困难，长井段水平井技术和“多段分簇”压裂施工技术，是页岩气经济有效开发的必要途径。随着压裂工艺和压裂工具的不断进步，水平井“多段分簇”压裂技术、多井同步压裂和异步压裂工艺逐步成为开发低渗透和非常规油气藏的主要的开发技术，这种技术能够获得很好的开发效果和经济效益。但是，目前由于缺乏较为系统的科学研究，各种压裂技术都处在机理缺乏、各种施工参数的确定还处在依靠现场经验来处理的阶段，裂缝的扩展形态还只能通过压裂地震解释资料来分析，不确定因素较多，无法真正的确定压裂裂缝的形态。因此，建立科学的页岩储层水力压裂实验模拟方法，深入探索页岩气储层的压裂机理，对该技术的研发与推广具有重要意义。

    页岩储层天然裂缝和水平层理发育，与常规储层的岩石力学参数和力学性能差别很大。压裂过程中，压裂裂缝的形态与常规储层的压裂裂缝有很大区别，页岩岩心在压裂过程中，可能形成复杂的体积裂缝，且根据储层性质和压裂施工参数的不同，形成网状裂缝的难易程度也不同。

    对于常规的油气藏的水力压裂室内模拟实验，压裂裂缝的确定主要根据敲开试件进行直接观测，但是页岩储层天然裂缝和水平层理发育，压裂过程中可能形成复杂的体积裂缝，且页岩储层脆性较大，直接敲开容易造成试件破碎成许多小块，无法观测压裂裂缝的分布情况。因此，页岩压裂实验后的裂缝形态确定方法的改进成为页岩压裂裂缝室内实验模拟的重要一环。

    目前，国内外已经有许多关于裂缝扩展的实验方法，但是针对页岩储层水平井“多段分簇”压裂、水平井两口井同步或异步压裂的室内实验方法未见相关报道。常规储层的压裂裂缝扩展室内实验方法存在以下缺点：

    1.由于现有的实验井筒只设计了单个流体通道，再加上实验井筒尺寸的限制，现场压裂类似的分隔和射孔装置无法在室内实验实现，因此，常规的水力压裂裂缝扩展模拟只能进行水平井单段射孔的裂缝扩展模拟，水平井“多簇射孔”的裂缝扩展实验无法进行。

    2.对于裂缝形态的确定只能经过实验压裂完成后，直接敲开试件进行肉眼观察，对于常规储层的双翼缝的观测比较有效，但是对于页岩储层形成的复杂的体积裂缝形态的确定无能为力。

3.不能模拟水平井多井同步压裂或者异步压裂，无法研究同步压裂和异步压裂对水平井压裂裂缝形态的影响。

4.压裂井筒的加工，以前的压裂井筒的加工主要是在井筒上钻小孔，在井筒锚固过程中容易发生堵塞，影响实验结果。

名词解释

 “多段分簇”压裂：水平井压裂过程中，把水平井分成若干个压裂段，每个压裂段设2-4簇射孔孔眼，以保证压裂过程中尽可能形成复杂裂缝；

同步压裂：指同时对2 口或2 口以上的邻近平行井进行压裂，利用压裂裂缝间的应力干扰作用，力争形成复杂裂缝；

异步压裂：也叫拉链式压裂，指针对相邻的2口或2口以上的水平井，在一口井的某个压裂段完成后，在另外1口井的相近的压裂段进行压裂，以保证形成复杂裂缝。

发明内容

    本发明提供一种水平井两井同步或异步多段分簇压裂室内实验井筒装置及模拟方法，能够模拟水平井两口水平井多段分簇同步压裂或者两口井多段分簇一前一后异步压裂时储层的缝网压裂裂缝分布，为页岩储层压裂实验研究和压裂施工提供理论支撑。

    本发明根据实验特点，设计了一种用于页岩水平井两井同步或异步多段分簇压裂实验的模拟井筒，可以模拟不同射孔簇数、射孔簇间距和射孔孔眼参数对页岩压裂裂缝形态的影响。

    该实验井筒由3段射孔井筒和1个井口装置组成，井筒和井口装置由下到上一次采用螺扣连接，3段井筒的长度10.0cm，外径3.0cm，内径2.5cm。

    最底段和中间段射孔井筒的上端分别利用外径3mm、内径2mm的钢管线连接至实验井筒的井口装置，钢管线通过它们上方的射孔井筒，并与其它井筒的上端用螺扣固定和密封；第3级井筒顶部通过钻孔与井口装置连接。

    所述每段射孔井筒均设置有射孔，所述射孔是由在井筒壁上的钻孔和在钻孔处焊接的短接钢管构成，所述射孔的短接钢管的端部切割十字形槽。每段井筒设计单簇、2簇或3簇射孔，射孔在井筒上为螺旋分布。

   在实验井筒置入试件时，用薄纸片包裹射孔孔眼，以防止射孔短接管线形成的射孔孔眼与短接管线胶结，保证压裂过程中压裂液流体能够在射孔处形成起裂。

    每个井筒的3根压裂液输入管线连接多通阀，利用液体增压系统和多通阀的开关进行每级压裂的压力和时间的控制。

进一步，本发明利用实验井筒装置设计了页岩水平井两井同步或异步多段分簇压裂的模拟方法， 所述方法包括以下步骤：

步骤1，试件加工：本发明的实验试件采用50.0cm的立方体人造岩心。试件加工前，进行研究储层的页岩的力学性能测试，获取页岩岩石的力学参数；利用水泥、细砂、页岩粉末和添加剂等材料，按照不同的配比，浇筑成小试件，然后钻取标准岩心，测定试件的力学性能；选取和研究储层页岩的力学性能相近的人造岩心配比，进行实验试件的浇筑，浇筑过程中，将实验井筒置入试件中进行胶结锚固，井筒射孔用薄纸包裹以防止混凝土堵塞射孔孔眼；在试件的浇筑过程中，在每个压裂段的周围，人为加入薄纸片以模拟页岩的天然裂缝；试件浇筑完后，实验试件自然风干一个月后进行裂缝扩展实验。

步骤2，压裂液制备：根据现场使用的压裂液的配方和粘度参数，配置室内实验需要的压裂液；选择浅色荧光粉作为示踪剂添加在压裂液中，并且对不同的压裂段和2个实验井筒装置，采用不同颜色的荧光粉以区分实验形成的压裂裂缝；

步骤3，压裂实验：将所述岩心试件安装到真三轴裂缝扩展模拟系统的实验框架中，根据实验参数进行模拟压裂实验；实验参数包括：压裂液注入排量及三向围压；利用每个实验井筒的3个分段的压裂液输入管线和多通阀，设定压裂裂缝扩展实验的压裂类型，如果模拟两井同步压裂，每个井筒的对应的压裂段同时开启，形成压裂裂缝扩展；如果模拟异步压裂，某一井筒的一段压裂完成后，另外一个实验井筒的相应的压裂段进行压裂；

步骤4，压裂结果观测：利用高能CT扫描，将整块实验后的试件放在扫描仪器上，三个方向每个2.0cm扫描一个面，然后，利用三维数字岩心技术，构建试件的三维CT扫描图，直观的分析裂缝扩展的结果。

本发明在实验前，要设计实验方案：即根据实际压裂方案确定实验的压裂方案，确定射孔簇数、三向水平主应力值、实验次数、井筒间距、实验井筒的射孔孔眼的间距、方位等参数。另外，还要根据实验方案进行压裂实验井筒加工。

 本发明的有益效果在于，对于页岩储层的裂缝扩展，可以通过室内实验很好的模拟现场的压裂过程，压裂结果能够为现场的施工提供指导；同时，利用大尺寸岩心的CT扫描技术和三维数字岩心技术，可以清晰的观测页岩储层室内实验的压裂裂缝分布情况，根据CT扫描结果可以很明确的确定压裂裂缝的改造体积，可以构建大尺度岩心的压裂裂缝的分布形态，研究各种参数对压裂分布体积的影响，这对于脆性极强的页岩室内裂缝扩展实验的观测尤为重要，可以显示出一般肉眼难以观测到的裂缝，保证了结果的可靠性，对于裂缝的观测和分析具有借鉴意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例：

图1是本发明涉及的水平井两井同步或异步多段分簇压裂的实验井筒结构示意图；

在图1中，1—第3级压裂的外部管线连接口；2—第2级压裂的外部管线连接口；3—第1级压裂的外部管线连接口；4—第1级压裂的井筒内部连接管线；5—第2级压裂的井筒内部连接管线；6—井口装置；7—第1级压裂井筒内部连接管线与第3级压裂井筒的密封扣；8—第2级压裂井筒内部连接管线与第3级压裂井筒的密封扣；9—第3级压裂井筒与井口装置的连接扣；10—第3级压裂井筒的射孔；11—第3级压裂井筒；12—第3级压裂井筒与第2级压裂井筒的连接扣；13—第2级压裂井筒与内部连通管线的接口装置；14—第2级压裂井筒的射孔；15—第2级压裂井筒；16—第2级压裂井筒与第1级压裂井筒的连接扣；17—第1级压裂井筒与内部连通管线的接口装置；18—第1级压裂井筒的射孔；19—第1级压裂井筒；20—第1级压裂井筒端部。

图2是本发明实验井筒装置的射孔孔眼的细部图

在图2中，101-射孔短接钢管，102-十字割槽

图3是本发明的模拟实验的示意图；

在图3中：21—实验井筒；22—实验试件；23—三向应力加载系统；24—实验井筒连接管线，每个井筒有3根管线；25—三向应力加载连接管线；26—三向应力加载系统；27—多通阀；28—油水隔离装置；29—水力压裂加载源；30—水力压裂加载源的压力数据传输线；31—数据记录计算机；32—油水隔离装置中的混有荧光粉的压裂液；33—油水隔离装置的增压液。

具体实施方式

    为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明的实施方案做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

    为了对页岩储层进行水力压裂模拟实验，并在实验后能够更有效的观察水力裂缝形态及几何尺寸，克服现有方法在压裂裂缝观测方面的不足，本发明提供一种页岩储层水平井两井同步、异步水力压裂室内实验模拟方法。

方法采用的室内实验井筒装置如图1所示，实验井筒由3段射孔井筒11、15和19，,1个井口装置6组成，3段射孔井筒和1个井口装置由下到上依次采用螺扣9、12、16连接，3段射孔井筒的长度为10.0cm，外径3.0cm，内径2.5cm，井口装置的长度为10cm，外径3.0cm，内径2.5cm。

最底段和中间段射孔井筒19和15的上端分别与外径3mm、内径2mm的钢管线4和5连接，连通至实验井筒装置的井口装置6，钢管线4和5通过它们上方的井筒，并与其它井筒的上端用螺扣固定和密封17、13、7、8；第3级射孔井筒顶部通过钻孔与井口装置连接。

所述每段射孔井筒均设置有射孔10、14、18。参见图2，所述射孔是由在井筒壁上的钻孔和在钻孔处焊接的短接钢101构成，所述射孔的短接钢管的端部切割十字形槽102。每段射孔井筒设计单簇、两簇或三簇射孔，射孔在井筒上呈螺旋分布，根据不同的实验要求，设定井筒的孔眼长度和外径，以模拟射孔深度和孔径对压裂的影响；

每个射孔井筒的压裂液输入管线连接多通阀，利用液体增压系统和多通阀的开关进行每级压裂的压力和时间的控制。

    在实验前，首先要对实验方案进行设计。所有的裂缝扩展实验前，必须做好详细的实验方案，必须考虑现场的施工方案和实验中可能出现的问题，对实验中可能发生的问题和将要得到的结果做一个详细的分析，这样在后续的实验过程中可以做到心中有数。要设计压裂射孔参数和每个压裂射孔段的簇数，确定实验的类型（同步压裂或异步压裂）等，本方法可以进行水平井两井“多段分簇”同步压裂或异步压裂的裂缝扩展模拟，因此，在实验前，做好实验方案，确定实验的方法。

     同时，本发明中的井筒对于压裂实验的结果至关重要，根据实验方案加工室内实验需要的井筒，井筒的加工根据实验方案各不相同，加工过程中要考虑射孔簇、射孔密度等参数。在模拟井筒的加工过程中，在射孔孔眼处焊接短接管线，短接管线端部要切割一个十字形槽，保证实验试件的井筒射孔处能形成孔眼，尽可能的接近实际压裂情况，加工好的模拟井筒的示意图如图2所示。本发明主要研究水平井射孔条件下的裂缝扩展规律，根据实验需要和现场射孔的布孔方式，每个实验井筒的孔眼直径、长度和布孔方式，需要进行综合考虑。

     在以上准备工作做完后，按下列步骤进行模拟实验：

步骤1：试件加工：本发明的实验试件采用50.0cm的立方体人造岩心。试件加工前，进行研究储层的页岩的力学性能测试，获取页岩岩石的力学参数；利用水泥、细砂、页岩粉末和添加剂等材料，按照不同的配比，浇筑成小试件，然后钻取标准岩心，测定试件的力学性能；选取和研究储层页岩的力学性能相近的人造岩心配比，进行实验试件的浇筑，浇筑过程中，将实验井筒置入试件中进行胶结锚固，井筒孔眼用薄纸包裹以防止混凝土堵塞射孔孔眼；在试件的浇筑过程中，在每个压裂段的周围，人为加入薄纸片以模拟页岩的天然裂缝；试件浇筑完后，实验试件自然风干一个月后进行裂缝扩展实验。水平井两井同步或异步压裂的试件示意图如图3所示；

步骤2：准备压裂液，压裂液的配方和现场施工的配方相同，更好的模拟现场的实际情况。由于页岩一般为灰色或者黑色，常规的染色剂示踪剂在页岩中使用效果不佳，无法在裂隙高度发育且基岩颜色较深的页岩中清晰显示水力裂缝，因此在本发明实施例中使用荧光粉作为示踪剂，同时，每段压裂连接的油水分隔装置的荧光粉的颜色不同，便于实验后区分不同井筒、不同压裂段形成的压裂裂缝的形态；

步骤3，压裂实验：将所述模拟试件安装到大尺寸真三轴实验架，根据实验参数进行模拟压裂实验，加载三向主应力至设计值，利用大排量增压系统进行压裂液注入，直至压裂裂缝延伸到试件的端面，然后停止压裂液注入。实验过程中，利用每个实验井筒的3个分段的连接管线和多通阀，控制每个井筒和压裂段的流体注入，使之模拟两井同步或者异步“多段分簇”压裂。具体可以设定压裂裂缝扩展实验的压裂类型，如果模拟两井同步压裂，每个井筒的分段同时开启，形成压裂裂缝扩展；如果模拟异步压裂，某一井筒的一段压裂完成后，另外一个实验井筒的相应的压裂段进行压裂；

   步骤4：压裂结果观测。页岩储层天然裂缝、层理发育且脆性很强，岩心容易发生破碎，室内裂缝扩展模拟后，如果按常规的裂缝结果观察方法，直接敲开观测，岩心试件可能碎成许多小块，导致无法观测裂缝扩展结果；利用高能CT扫描，将整块实验后的试件放在扫描仪器上，三个方向每个2.0cm扫描一个面，然后，通过CT 图像的三维重建和可视化处理分析，构建试件的三维CT扫描图，直观的分析裂缝扩展的结果。

      CT扫描完成后，可以将实验后的岩心敲开，用肉眼观测裂缝扩展的情况，将肉眼观测的结果和CT扫描的结果进行对比。

Claims (4)

1.一种页岩水平井两井同步或异步多段分簇压裂室内实验井筒装置，其特征在于：实验井筒由3段射孔井筒和1个井口装置组成，3段射孔井筒和1个井口装置由下到上依次采用螺扣连接，3段射孔井筒的长度为10.0cm，外径3.0cm，内径2.5cm，井口装置的长度为10cm，外径3.0cm，内径2.5cm；

最底段和中间段射孔井筒的上端分别与外径3mm、内径2mm的钢管线连接，连通至实验井筒装置的井口，钢管线通过它们上方的井筒，并与其它井筒的上端用螺扣固定和密封；第3级射孔井筒顶部通过钻孔与井口装置连接；

所述每段射孔井筒均设置有射孔，所述射孔是由在井筒壁上的钻孔和在钻孔处焊接的短接钢管构成，所述射孔的短接钢管的端部切割十字形槽；每段射孔井筒设计单簇、两簇或三簇射孔，射孔在井筒上呈螺旋分布，根据不同的实验要求，设定井筒的孔眼长度和外径，以模拟射孔深度和孔径对压裂的影响；

每个射孔井筒的压裂液输入管线连接多通阀，利用液体增压系统和多通阀的开关进行每级压裂的压力和时间的控制。

2. 利用权利要求1所述的实验井筒装置进行水平井两井同步或异步多段分簇压裂模拟方法，其特征在于，方法主要包括以下步骤：

步骤1，试件加工：实验试件采用50.0cm的立方体人造岩心，试件加工前，进行研究储层页岩的力学性能测试，获取页岩岩石的力学参数；利用水泥、细砂、页岩粉末和添加剂等材料，按照不同的配比，浇筑成小试件，然后钻取标准岩心，测定试件的力学性能；选取和研究储层页岩的力学性能相近的人造岩心配比，进行实验试件的浇筑，浇筑过程中，将实验井筒置入试件中进行胶结锚固，井筒射孔用薄纸包裹以防止混凝土堵塞射孔孔眼，保证压裂过程中压裂液流体能够在射孔处形成起裂；在试件的浇筑过程中，在每个压裂段的周围，人为加入薄纸片以模拟页岩的天然裂缝；试件浇筑完后，实验试件自然风干一个月后进行裂缝扩展实验； 

步骤2，压裂液制备：根据现场使用的压裂液的配方和粘度参数，配置室内实验需要的压裂液；选择多种浅色荧光粉作为示踪剂添加至6个油水隔离装置中，以确定实验后2个井筒不同压裂段形成的压裂裂缝形态；

步骤3，压裂实验：将所述岩心试件安装到真三轴实验框架中，根据实验参数进行模拟压裂实验；实验参数包括：压裂液注入排量及三向围压；利用两个实验井筒装置和多通阀，确定水力压裂裂缝扩展实验的类型，如果模拟两井同步压裂，两个井筒的对应的压裂段同时开启，形成压裂裂缝扩展；如果模拟异步压裂，某一井筒的一段压裂完成后，另一个实验井筒的相应的压裂段进行压裂；

步骤4，压裂结果观测：利用高能CT扫描，将整块实验后的试件放在扫描仪器上，三个方向每个2.0cm扫描一个面，然后，通过CT 图像的三维重建和可视化处理分析，构建试件的三维CT扫描图，直观的分析裂缝扩展的结果。

3. 根据权利要求2所述的实验方法，其特征在于，所述方法利用3套增压系统进行实验，1套系统进行实验的三向围压加载，2套增压系统分别连接2个实验井筒，模拟实验的水力压裂过程中的液体注入过程。

4. 根据权利要求3所述的实验方法，其特征在于，每个实验井筒连接3根外径3mm、内径2mm的注入管线，实验过程中，采用2个多通阀和液体增压泵，每个实验井筒的3根注入管线连接在相同的多通阀上，利用2个液体增压泵系统和多通阀的开关进行每个井筒的单级压裂的压力和时间的控制。