CN104895562B - 透明岩心中模拟水平井井筒的制备装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是透明岩心中模拟水平井井筒的制备装置及制备方法，其中的这种岩心制作过程中模拟水平井的实验装置包括岩体成型模具、造缝控制系统、岩体内充气装置、气体输送控制系统、运动控制系统、水平井模具嵌入系统，气体输送控制系统通过气体传输管连接岩体内充气装置，运动控制系统通过旋转螺杆连接滑动光杆，岩体内充气装置置于岩体成型模具中，岩体成型模具是由四块透明玻璃板组装而成的密封箱体；岩体内充气装置由密封盒、气体分布器、造缝针、滑动光杆构成，滑动光杆的内部设置有固定杆；水平井模具嵌入系统包括水平井模具安放槽、伸缩式模具固定装置、滑动型闸门、水平井筒模具；通过造缝控制系统控制固定杆，实现水平井筒模具水平段的任意方位布置。本发明提供了在水平井压裂过程中观察微裂缝演化规律的可视化方法。

Description

透明岩心中模拟水平井井筒的制备装置及制备方法

技术领域

本发明涉及的是致密油气、页岩油气、煤层气等非常规油气储层及相关含气岩体的制作的方法及制备装置，具体涉及的内容是透明岩心中模拟水平井井筒的制备装置及制备方法。

背景技术

在石油与天然气工程的开采过程中，尤其是诸如页岩油气、致密砂岩油气等非常规油气开采过程中多需用水平井体积压裂技术，通过模拟不同的水平井筒方位、水平井段的长度等描述裂缝的形成规律。如：设定的水平井筒的方位与天然裂缝发育方位夹角不同，形成的裂缝扩展行为与缝网演化规律存在明显的差异。对于水平井的压裂技术在油气田开采中已经得到了广泛的影响，但对于诸如非常规油气储层的水平井体积压裂裂缝的演化规律描述仍然是国际油气开采的难点与瓶颈问题，其主要是由于现场压裂的特殊性与压裂的缝网规律刻画与认识还存在很大的局限性。致使目前非常规油气开采中，产液低、产液递减快等多方面的问题无法给予清晰的解释。因此，通过室内试验手段揭示水平井压裂的缝网形成规律成为目前亟需解决的问题。为此，本发明专利针对水平井压裂的实际工艺。专门设计了一种透明岩心中制作模拟水平井井筒一套装置及制备的方法。

发明内容

本发明的目的是设计透明岩心中模拟水平井井筒的制备装置，它制备的透明岩心中模拟水平井井筒用于模拟岩心中不同方位水平井压裂裂缝缝网演化规律，分析水平井筒方位与天然裂隙发育方位不同情况下裂缝扩展与演化的差异性问题。本发明的另一个目的是提供这种透明岩心中模拟水平井井筒的制备装置制备模拟水平井井筒方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种透明岩心中模拟水平井井筒的制备装置包括岩体成型模具、造缝控制系统、岩体内充气装置、气体输送控制系统、运动控制系统、水平井模具嵌入系统，气体输送控制系统通过气体传输管连接岩体内充气装置，运动控制系统通过旋转螺杆连接滑动光杆，岩体内充气装置置于岩体成型模具中，岩体成型模具是由四块透明的高硬度有机玻璃板组装而成的密封箱体；岩体内充气装置包括密封盒、气体分布器、造缝针、滑动光杆，气体分布器设置在密封盒的中心，气体分布器的分气管位于密封盒内，造缝针阵盘安装于密封盒的下端，造缝针阵盘的底面设置有密封隔层，造缝针呈阵列状布置在造缝针阵盘下面，分气管分别与造缝针连接，气体分布器连接气体传输管，滑动光杆与密封盒固定连接，滑动光杆的内部设置有固定杆，固定杆的下端设置有外螺纹，固定杆由造缝控制系统控制；造缝控制系统通过控制线分别与造缝针阵盘、造缝针连接；水平井模具嵌入系统包括水平井筒模具安放槽、伸缩式模具固定装置、滑动型闸门、水平井筒模具，滑动型闸门安装在岩体成型模具的侧壁处，水平井筒模具安放槽设置于岩体成型模具的侧面并将滑动型闸门封闭在内，水平井筒模具为空心直角形弯曲圆管，水平井筒模具的水平段的末端封死，竖直段上端有与固定杆配合的内螺纹，水平段四周分布不同相位的圆形孔眼，圆形孔眼用锡箔纸密封；伸缩式模具固定装置卡固在水平井筒模具的竖直段处，水平井筒模具通过伸缩式模具固定装置移动到相应位置；固定杆下端外螺纹与水平井筒模具垂直段上端内螺纹丝扣连接，并通过造缝控制系统控制固定杆，调整水平井筒模具不同方位，实现水平井筒模具水平段的任意方位布置。

上述方案中滑动型闸门由滑动型闸门控制面板控制其侧向移动；伸缩式模具固定装置由伸缩杆控制面板控制，可进行外推、收缩、夹紧、松开四种操作，在制作岩心的过程中控制水平井筒模具移动并实现水平井筒模具垂直段上端与固定杆下端丝扣连接。

上述方案中气体输送控制系统由气体存储罐、气体输入泵、流量控制仪、压力控制仪、速度控制阀通过相应管线连接组成，气体控制操作系统安装在计算机中，计算机分别连接流量控制仪、压力控制仪、速度控制阀，通过气体流量控制，控制孔裂隙尺寸。

上述方案中的运动控制系统由旋转螺杆、变速箱、传动电机、运动控制台、运动操作系统连接组成，主要控制光杆上行与下行移动，并带动造缝控制系统上行与下行移动。

上述透明岩心中模拟水平井井筒的制备装置制备模拟水平井井筒方法：

在密封的条件下，在制备透明岩心样品过程中，岩心制备材料通过配套使用的岩心材料混合控制系统输送到岩心制造成型模具中，岩体内充气装置通过造缝控制系统带动运动控制系统控制光杆下行移动，并实现造缝针插入岩心中，通过充气装置对实现岩心内充气造孔裂隙，孔裂隙由造缝针阵盘组合形成不同的形态。当本次孔裂隙造缝结束后，造缝控制系统带动光杆上行，继续实施岩心材料输送，并再次造孔裂隙。当岩心材料制作高度达到水平井模具嵌入系统底端时，停止岩心材料输送。滑动型闸门由控制面板控制侧向移动、打开。伸缩杆控制面板控制伸缩式模具固定装置，带动水平井筒模具经模具嵌入系统移动到岩心成型模具中，当移动到相应位置时，水平井筒模具垂直段上端螺纹与固定杆螺纹通过丝扣相连、固定。并调整水平井筒方位。伸缩式模具固定装置释放水平井筒模具，并由伸缩式控制面板控制，反向移动退回模具嵌入系统中。并关闭滑动闸门。继续重复岩心制作与充气过程，制作透明充气岩心，直至透明岩心制作完成为止。

更进一步的，上述透明岩心中模拟水平井井筒的制备装置制备模拟水平井井筒方法：

（1）分析岩心内部孔裂隙的结构，通过天然岩心模拟或者计算机数值模拟，在计算机中进行岩心三维建模，并划分网格；模拟结果输出到造缝控制系统、气体控制系统、配套使用的岩心材料混合控制系统；

（2）根据模拟数据，依据模拟数据选择适合造缝针，造缝针阵盘；

（3）模拟结果输出到造缝控制系统、气体控制系统、配套使用的岩心材料混合控制系统，运行设备开始制作试验岩心，岩心制备到水平井筒模具安放槽底部后自动暂停；

（4）打开滑动型闸门，控制水平井筒模具进入岩体成型模具，对齐后旋动固定杆，固定水平井筒模具，松开后收回伸缩式模具固定装置，闭合滑动型闸门，继续启动设备，由计算机完成透明岩心的制作，并由检测设备进行检测；

（5）实验结束够，将数据导出，清洗模具和承载气体和液体设备，关闭电源。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供了一种在水平井压裂过程中观察微裂缝演化规律的可视化方法，解决了无法直观研究水平井在储层中压裂裂缝演化规律的问题。

2、本发明提供了一套制备内含不同孔隙特征可水平井压裂的岩心装置，在较真实的模拟地层岩石中存在的天然裂缝与孔隙的同时，通过水平井模具实现观察研究水平井压裂裂缝演化规律。

附图说明

图1是本发明装置总体结构示意图；

图2是本发明中水平井模具嵌入系统主视图；

图3是本发明中水平井模具嵌入系统侧视图；

图4是本发明中水平井筒模具示意图；

图5是本发明中造缝针阵盘中轴连接示意图；

图6是本发明中岩体内充气装置结构示意图。

图中：1-气体控制操作系统；2-气体存储罐；3-岩体成型模具；4-旋转螺杆；5-滑动光杆；6-变速箱；7-电机；8-电机控制系统；9-密封盒；10-气体分布器；11-造缝针；12-造缝针阵盘；13-分气管；14-固定杆；15-安放槽；16-伸缩式模具固定装置；17-滑动型闸门；18-伸缩杆控制面板；19-滑动型闸门控制面板；20-水平井筒模具；21-孔眼；22-锡箔纸；23-岩心材料混合控制系统；24-水浴槽；25-造缝控制系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

如图1所示，这种透明岩心中模拟水平井井筒的制备装置包括岩体成型模具3、造缝控制系统25、岩体内充气装置、气体输送控制系统、运动控制系统、水平井模具嵌入系统，气体输送控制系统通过气体传输管连接岩体内充气装置，运动控制系统通过旋转螺杆4连接滑动光杆5，运动控制系统由旋转螺杆4、变速箱6、传动电机7、运动控制台、电机控制系统8连接组成，电机控制系统8安装于计算机中。岩体内充气装置置于岩体成型模具3中，岩体成型模具3是由四块具有一定强度的透明高硬度有机玻璃板组装而成的透明密封箱体，玻璃板通过内嵌凹槽组装而成，岩心制作时，岩体成型模具3置于配套装置水浴箱24中。

制作透明岩心时，制作岩心的原材料可选择由环氧树脂及相关固化剂组成，根据需求调整不同原料配比及养护环境，制作不同硬度、脆性、力学参数与物性参数等多重组合特征的可视化岩心。

如图6所示，岩体内充气装置包括封盒9、气体分布器10、造缝针11、滑动光杆5，气体分布器10设置在密封盒9的中心，气体分布器10的分气管13位于密封盒9内，造缝针阵盘12安装于密封盒9的下端，造缝针阵盘12的底面设置有密封隔层，造缝针11呈阵列状布置在造缝针阵盘12下面，分气管13分别与造缝针11连接，气体分布器10连接气体传输管，滑动光杆5与密封盒9固定连接，参阅图5，滑动光杆5的内部设置有固定杆14，固定杆14的端部设置有外螺纹；滑动光杆5可控制阵盘的上行与下行移动，在岩心中制造所需的孔裂隙。内部固定杆14不与外部控制杆同时移动，可以单独控制固定杆14进行旋转，固定杆14下端部设有外螺纹，可以在水平井筒模具20达到特定位置后通过旋转固定杆14使其与水平井筒模具20丝扣连接在一起。有色气体存储罐2经气体输送控制系统将气体输送至造缝针阵盘12中，同时电机控制系统8控制电机7带动滑动光杆5下行，将气体造缝针11插入至岩心材料中，并通过气体输送控制系统对岩心材料进行充气，充气后快速拔出，在岩心材料中形成了具有含气特征的孔裂隙。

结合图2、图3所示水平井模具嵌入系统包括水平井筒模具安放槽15、伸缩式模具固定装置16、滑动型闸门17、水平井筒模具20，滑动型闸门17安装在岩体成型模具3的侧壁处，滑动型闸门17由滑动型闸门控制面板19控制其侧向移动；水平井筒模具安放槽15设置于岩体成型模具3的侧面并通过滑动型闸门17封闭，水平井筒模具安放槽15用以初期承载水平井筒模具20，通过伸缩式模具固定装置16固定起来，由滑动型闸门17隔离。伸缩式模具固定装置16主要用以固定水平井筒模具20，并在需要的时候通过伸缩杆的控制，将模具推入到岩体成型模具3中，由造缝控制系统25控制固定杆14下端与水平井筒垂直段上端丝扣连接；伸缩式模具固定装置16由伸缩杆控制面板18控制，可进行外推、退回、夹持、释放四类操作。

如图4所示，水平井筒模具20为空心直角形弯曲圆管，水平段的末端密封，防止注入压裂液后液体从底端部流出；水平井筒垂直段上端有内螺纹，与固定杆14下端外螺纹丝扣连接固定；水平段周围根据需求设置不同的圆形孔眼结构，用以压裂液注入时液体进入透明岩心内部，实施压裂；水平段孔眼21通过锡箔纸22包覆密封。当岩心制作过程中，防止岩心材料进入水平井筒中，致使压裂实验失败。水平井筒水平段孔眼21排列与分布可调整。孔眼尺寸、孔眼排列密度与排列相位可根据实际工况设定与调整。

气体输送控制系统由气体存储罐2、气体输入泵、流量控制仪、压力控制仪、速度控制阀通过相应管线连接组成，气体控制操作系统1安装在计算机中，计算机分别连接流量控制仪、压力控制仪、速度控制阀，通过气体流量控制，控制孔裂隙长度。

与本发明配套使用的岩心材料混合控制系统23包括分级原材料存储容器、掺混搅拌装置、流量控制仪，分级原材料存储容器包含几个盛装不同原材料的存储容器，各存储容器通过分级管线汇集到总管线，总管线伸入到掺混搅拌装置中，每条分管线上设置流量控制阀，掺混搅拌装置出口通过输送管线连接岩体成型模具3，该输送管线上设置流量控制仪。掺混搅拌装置包括原料混合容器、搅拌器、控制仪，搅拌器通过传动装置连接原料搅拌机组。原材料存储容器中原材料经流量控制阀控制，形成具有不同配比的混合材料，混合材料经通过搅拌器搅拌形成具有透明特征的试验岩体制备材料，岩体制备材料经外输管线由输送控制系统控制输送到岩体成型模具3形成了岩心材料。

岩体内充气装置与运动控制系统连接，由运动控制系统控制可自行上下移动。在岩心制备过程中，首先将岩体成型模具3按照设计要求进行组装，并通过真空抽气装置将密封岩体成型模具3内的空气抽空。而后，通过配套使用的岩心材料掺混搅拌装置按照预定方法配制岩心材料并将配制完成的岩心制备材料分批次经输送装置输送至由玻璃板密封岩心模具中。

本发明是能制作一种具备孔裂隙结构特征的透明岩心，并且能通过此岩心模拟水平井段缝网压裂特征的方法及装置。

这种透明岩心中模拟水平井井筒的制备装置制备模拟水平井井筒方法：

1、分析岩心内部孔裂隙的结构，通过天然岩心模拟或者计算机数值模拟，在计算机中进行岩心三维建模，并划分网格。模拟结果输出到造缝针控制系统、气体控制系统和配套的岩心材料混合控制系统23等其他系统。

2、根据模拟数据，选择适合造缝针11，造缝针阵盘12。组装好岩体内造缝针设备。连接输气设备、岩体成型模具3和监控设备等其他设备

3、模拟结果输出到造缝针控制系统、气体控制系统和配套的岩心材料混合控制系统23等其他系统。运行设备开始制作试验岩心，岩心制备到水平井筒模具安放槽15底部后自动暂停。

4、打开滑动型闸门17，控制水平井筒模具20进入岩体成型模具3，对齐后旋动内部固定杆14，固定水平井筒模具20，释放后收回伸缩式模具固定装置16，关闭滑动型闸门17，继续启动设备，由计算机完成透明岩心的制作，并由检测设备进行检测。

5、实验结束后，将数据导出，清洗模具和承载气体和液体设备，关闭电源。

Claims (5)

1.一种透明岩心中模拟水平井井筒的制备装置，其特征在于：这种透明岩心中模拟水平井井筒的制备装置包括岩体成型模具（3）、造缝控制系统（25）、岩体内充气装置、气体输送控制系统、运动控制系统、水平井模具嵌入系统，气体输送控制系统通过气体传输管连接岩体内充气装置，运动控制系统通过旋转螺杆（4）连接滑动光杆（5），岩体内充气装置置于岩体成型模具（3）中，岩体成型模具（3）是由四块透明的高硬度有机玻璃板组装而成的密封箱体；岩体内充气装置包括密封盒（9）、气体分布器（10）、造缝针（11）、滑动光杆（5），气体分布器（10）设置在密封盒（9）的中心，气体分布器（10）的分气管（13）位于密封盒（9）内，造缝针阵盘（12）安装于密封盒（9）的下端，造缝针阵盘（12）的底面设置有密封隔层，造缝针（11）呈阵列状布置在造缝针阵盘（12）下面，分气管（13）分别与造缝针（11）连接，气体分布器（10）连接气体传输管，滑动光杆（5）与密封盒（9）固定连接，滑动光杆的内部设置有固定杆（14），固定杆（14）下端设置有外螺纹，固定杆（14）由造缝控制系统（25）控制；造缝控制系统（25）通过控制线分别与造缝针阵盘（12）、造缝针（11）连接；水平井模具嵌入系统包括水平井筒模具安放槽（15）、伸缩式模具固定装置（16）、滑动型闸门（17）、水平井筒模具（20），滑动型闸门（17）安装在岩体成型模具（3）的侧壁处，水平井筒模具安放槽（15）设置于岩体成型模具（3）的侧面并将滑动型闸门（17）封闭在内，水平井筒模具（20）为空心直角形弯曲圆管，水平井筒模具（20）的水平段末端封死，竖直段上端有与固定杆配合的内螺纹，水平段四周分布不同相位的圆形孔眼（21），圆形孔眼（21）用锡箔纸（22）密封；伸缩式模具固定装置（16）卡固在水平井筒模具（20）的竖直段处，水平井筒模具（20）通过伸缩式模具固定装置（16）移动到相应位置；固定杆（14）下端外螺纹与水平井筒模具（20）垂直段上端内螺纹丝扣连接，并通过造缝控制系统（25）控制固定杆（14），调整水平井筒模具不同方位，实现水平井筒模具水平段的任意方位布置。

2.根据权利要求1所述的透明岩心中模拟水平井井筒的制备装置，其特征在于：所述的上述方案中滑动型闸门（17）由滑动闸门控制面板（19）控制其侧向移动；伸缩式模具固定装置（16）由伸缩杆控制面板（18）控制，在制作岩心的过程中控制水平井筒模具（20）移动并实现水平井筒模具垂直段上端与固定杆下端丝扣连接。

3.根据权利要求2所述的透明岩心中模拟水平井井筒的制备装置，其特征在于：所述的气体输送控制系统由气体存储罐（2）、气体输入泵、流量控制仪、压力控制仪、速度控制阀通过相应管线连接组成，气体控制操作系统（1）安装在计算机中，计算机分别连接流量控制仪、压力控制仪、速度控制阀，通过气体流量控制，控制孔裂隙尺寸。

4.根据权利要求3所述的透明岩心中模拟水平井井筒的制备装置，其特征在于：运动控制系统由旋转螺杆（4）、变速箱（6）、传动电机（7）、运动控制台、运动操作系统连接组成，主要控制光杆上行与下行移动，并带动造缝控制系统（25）上行与下行移动。

5.一种权利要求4所述的透明岩心中模拟水平井井筒的制备装置制备模拟水平井井筒方法，其特征在于：在密封的条件下，在制备透明岩心样品过程中，岩心制备材料通过配套使用的岩心材料混合控制系统（23）输送到岩心制造成型模具中，岩体内充气装置通过造缝控制系统（25）带动运动控制系统控制光杆下行移动，并实现造缝针（11）插入岩心中，通过充气装置实现岩心内充气造孔裂隙，孔裂隙由造缝针阵盘（12）组合形成不同的形态；当本次孔裂隙造缝结束后，造缝控制系统（25）带动光杆上行，继续实施岩心材料输送，并再次造孔裂隙；当岩心材料制作高度达到水平井筒模具嵌入系统底端时，停止岩心材料输送；滑动型闸门（17）由控制面板控制侧向移动、打开；伸缩杆控制面板（18）控制伸缩式模具固定装置（16），带动水平井筒模具（20）经模具嵌入系统移动到岩心成型模具中，当移动到相应位置时，水平井筒模具垂直段上端螺纹与固定杆螺纹通过丝扣连接，用于调整水平井筒方位，伸缩式模具固定装置（16）释放水平井筒模具（20），并由伸缩杆控制面板（18）控制，反向移动退回模具嵌入系统中，并关闭滑动型闸门（17），继续重复岩心制作与充气过程，制作透明充气岩心，直至透明岩心制作完成为止。