CN104989359B - 一种分质分注定向压裂的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分质分注定向压裂实验装置，该实验装置不仅解决了驱替过程中定向压裂的问题，还解决了压裂程度和压裂方向可控的问题，提高了室内实验技术的精确性和全面性。该分质分注定向压裂实验装置包括圆筒、耐压密封胶套、密封压环、带有通道的可调节堵头、岩心压裂器、和堵头调节器；岩心压裂器旋入可调节堵头的通道中，岩心压裂器的压裂头与裸露岩心模型中的岩心表面接触，岩心压裂器的压裂程度可调，岩心压裂器压裂头的倾斜角度可调。

Description

一种分质分注定向压裂的实验装置

技术领域

本发明属于油气田开发模拟设备技术领域，具体涉及一种分质分注且定向压裂的实验装置。

背景技术

油田的开采中笼统注入技术已经出现了一系列的不适应性，高分高浓化学剂容易堵塞相对较低储层造成开采困难，针对这一问题，目前矿场出现了分质分注技术，即在多层非均质油藏开发过程中针对储层的非均质性针对性的单层注入匹配的化学剂，通过精细化分层系，针对不同储层筛选化学剂，进行分层分质注入分质分注技术已经在实际矿场试验中得到实践并中取得了较好的效果，试验证明分层分质注入技术能够减少对储层的伤害的同时更有效的挖掘化学剂的潜力，驱油效果明显好于笼统注入。鉴于化学剂的分子回旋半径远远大于普通清水或污水，储层渗透率下降情况在所难免，实际储层在开发过程中常常伴有压裂措施，以提高非均质储层的波及体积，从而提高采收率。

针对层内非均质储层分质分注技术的实验模拟目前尚处于起步阶段，现有的实验装置，如CN103592213A“一种适应多渗透率级差分流酸化实验装置及评价方法”公开的岩心夹持器虽然满足多个岩心同时实验的要求，但是岩心夹持器并没有压裂的功能，不能全面、准确的评价 各渗透层驱替情况。现有技术CN103556993A“低渗透油田平面五点法井网二氧化碳驱仿真实验模拟方法”公布的模拟实验中需要将驱替实验停止，对岩心进行压裂后再重复上述实验。实际矿场试验往往在分层注入过程中对中、低渗层实施定向压裂等措施，压裂措施与分层注入是连续进行的，而上述现有技术公开的实验方案，破坏了实验方案的连续性、整体性，不能模拟矿场试验实际的压裂开采，无法为现场实践给予提供指导与帮助。

因此，解决在室内实验注入化学剂的过程中实现定向压裂措施的问题是开展分层分质分注技术实验研究的关键。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种新的分质分注定向压裂实验装置，该装置能够在注入化学剂的过程中实现定向压裂，杜绝了单独压裂时对整体实验的影响，并可以控制压裂程度和压裂角度，提高实验模拟的精确度，增强室内实验对矿场试验的指导意义。

本发明的具体技术方案如下：

一种分质分注定向压裂实验装置，包括圆筒、耐压密封胶套、密封压环、可调节堵头、堵头调节器和岩心压裂器；耐压密封胶套嵌在圆筒中，岩心模型置于耐压密封胶套中；两个可调节堵头分别插入耐压密封胶套两端形成注入端可调节堵头和采出端可调节堵头；可调节堵头外安装有堵头调节器；可调节堵头内设有若干个相互平行的通道；岩心压裂器旋入注入端可调节堵头的通道中，岩心压裂器的压裂头与岩心表面接 触。

进一步地，所述圆筒上端设有压力源接头，用于连接为圆筒控制环压的控制阀门。

进一步地，所述耐压密封胶套为圆筒状结构，其前段和后段外径大于中间段外径；中间段内部设有方形岩心槽；前段和后段开口端设有胶套密封压头。

进一步地，所述可调节堵头主体为一长方体，其上、下端面设有长方卡堵，卡堵与耐压密封胶套内壁相抵。

进一步地，所述堵头调节器为带有上下扣栓的圆环部件，堵头调节器圆环部插入耐压密封胶套与可调节堵头的间隙中，并与可调节堵头的卡堵相抵；堵头调节器上下扣栓端与圆筒外径螺纹连接。

进一步地，所述注入端可调节堵头通道旁设有标尺。

进一步地，所述可调节堵头的外侧即通道旁设有标尺，用来标定岩心压裂器的旋入程度。

进一步地，所述岩心压裂器，包括调节杆和压裂部；调节杆为“T”型柱状部件，包括前段、中段和后段，中段直径与可调节堵头的通道的直径一致；后段直径大于中段直径；中段直径大于前段直径。

进一步地，所述的调节杆的大直径段的外径与分层注入实验装置中的可调节堵头内的通道的直径保持一致，使得岩心压裂器旋入可调节堵头通道后可以实现密封。

进一步的，所述岩心压裂器调节杆内设有“L”形的驱替液通道。

本发明的有益效果：

(1)本发明的实验装置解决了室内实验的分注分采并且可实现分层压裂后继续开采问题，实现了驱替过程中的定向压裂，对矿场试验的分质分注、现场实施措施调整进行了有效模拟，解决了室内实验与矿场试验有效连接的问题。

(2)本发明的实验装置，能够实现裂纹长度、压裂方向的有效控制，充分考虑压裂开采的各个影响因素，进而，能够给出准确驱油效果评价，实现对各渗透层的有效调控与监测，能够为矿场中的精细分层开采在室内模拟实验中提供技术支持。

附图说明

图1分质分注定向压裂实验装置内部结构示意图；

图2实验装置用不锈钢圆筒结构示意图；

图3a实验装置用耐用密封胶套剖视图；

图3b实验装置用耐用密封胶套左视图；

图4a实验装置用裸露岩心模型结构示意图；

图4b实验装置用裸露岩心模型电木板结构示意图；

图5a实验装置用密封压环剖面图；

图5b实验装置用密封压环主视图；

图6a实验装置用可调节堵头的剖面图；

图6b实验装置用可调节堵头的主视图；

图7a实验装置用堵头调节器剖面图；

图7b实验装置用堵头调节器主视图；

图8a岩心压裂器的剖面图；

图8b岩心压裂头示意图；

图9a底座的主视图；

图9b底座的仰视图；

图中：1、压力源外接头 2、环形面 3、圆筒形容器主体 4、接口螺纹 5、密封胶套方形槽 6、密封胶套内壁 7、胶套密封压头 8、耐压密封胶套主体 9、电木板内壁 10、电木板外壁 11、密封压环内壁 12、与不锈钢圆筒接口螺纹 13、密封压环外壁 14、密封压环主体15、标尺 16、卡堵 17、带内螺纹的通道 18、填充的橡胶垫片 19、可调节堵头主体 20、堵头调节器内壁 21、堵头调节器的扣栓 22、固定螺纹 23、堵头调节器主体 24、用于外接管线的螺纹 25、用于旋入驱替通道的螺纹 26、锥形压裂头 27、驱替液通道 28、岩心压裂器主体 29、六棱柱旋入端 30、带螺纹的接头 31、定向压裂头 32、环形固定架 33、螺栓 34、三角支架 35、底盘 36、底座主体 37、控制阀门 38、裸露岩心模型。

具体实施方式

下面将结合附图对本本发明作进一步说明：

分质分注定向压裂实验装置结构如图1所示，包括不锈钢圆筒3、堵头调节器23、耐压密封胶套8、密封压环14、带有驱替通道的可调节堵头19、岩心压裂器28、底座36。耐压密封胶套8嵌在不锈钢圆筒3中，不锈钢圆筒3和耐压密封胶套8的两端用密封压环14压紧；裸露岩心模型置于耐压密封胶套8中；

两个可调节堵头19分别插在耐压密封胶套8两端，可调节堵头外安装有堵头调节器23，通过调节堵头调节器23与不锈钢圆筒3的拧入程度保持可调节堵头19与裸露岩心模型两端充分接触；

所述岩心压裂器28装入可调节堵头19的通道中，岩心压裂器28的压裂头与裸露岩心模型中的岩心表面接触。

不锈钢圆筒如图2所示，不锈钢圆筒上表面中心处设有压力源接头用于连接为不锈钢圆筒内加环压的控制阀门37；圆柱钢筒两头表面均有螺纹，便于密封压环和堵头调节器的固定。不锈钢圆筒其长度可为800mm，直径为135mm，壁厚为5mm，

耐压密封胶套如图3a和图3b所示，为直径变化的圆筒状结构，其前段和后段外径大且相同，中间段外径小，在前、后端与中间段之间设有过渡段；中间段内部设有方形岩心槽结构，方形岩心槽的尺寸与岩心模型的宽度与高度保持一致。前段和后段内径的尺寸与可调节堵头的总高度保持一致，前段和后段开口端设有胶套密封压头7；耐压密封胶套由耐压耐腐蚀的橡胶制成，其中前段和后段的长度可为360mm、外径可为135mm、内径可为115mm，过度端可为10mm，方形岩心槽的长度可为440mm，整个耐压密封胶套的长度可为810mm。将用于固定岩心模型的耐压密封胶套镶嵌在不锈钢圆筒中使得耐压密封胶套前、后段密封压头7压在不锈钢圆筒两端口处。耐压密封胶套中间段与不锈钢圆筒内壁间形成环状空间，通过控制阀门37控制不锈钢圆筒内环压。

如图5a和5c所示，密封压环为环形部件，其外径设有连接端，连接端内径与不锈钢圆筒的外径一致，并设有内螺纹，用于与不锈钢圆筒连接。不锈钢圆筒两端的耐压密封胶套密封压头7通过密封压环压实，以使得耐压密封胶套和不锈钢圆筒间形成密封。密封压环为不锈钢材料制成，其外径可为145mm，内径与耐压密封胶套的内径保持一致可为 115mm，密封压环连接端螺纹长度可为20mm。

裸露岩心模型为多层状结构，岩心两端的注采口位于裸露岩心模型每一层的中心点处，并且每一层的注采口均设有带圆形小通道的电木板。电木板通过密封胶在岩心表面固定。如图4a和4b所示，裸露岩心模型的尺寸可为宽60mm×厚100mm×长400mm，为3层非均质结构。电木板通道的直径为14mm，电木板的直径为17mm。

将制作的裸露岩心模型放入耐压密封胶套后，使用密封压环将耐压密封胶套两端密封，两个可调节堵头分别通过密封压环从耐压密封胶套的两端插入形成注入端可调节堵头和采出端可调节堵头。可调节堵头主体为一长方体，其上、下端面设有卡堵，卡堵为一长方体，卡堵与耐压密封胶套内壁相抵；可调节堵头内部均匀分布多条相互平行的通道，通道内设有内螺纹。注入端可调节堵头通道用于旋入岩心压裂器；采出端可调节堵头通道用于连接外接管线。可调节堵头与裸露岩心模型接触的一侧粘贴有橡胶垫片；可调节堵头三条通道直径与裸露岩心模型的电木板外径的尺寸一致。在注入端可调节堵头通道旁设有标尺，用来标定岩心压裂器的旋入程度。如图6a和6b所示，可调节堵头主体的尺寸可以为60mm×100mm×200mm的矩形不锈钢材料制成，在可调节堵头内部设有三条带有内螺纹并且直径为17mm相互平行的通道，可调节堵头上、下两端面上的卡堵，高均可为7.5mm、长和宽均可为8mm，卡堵的位于距可调节堵头注入端(或采出端)60mm处，两卡堵的高度和可调节堵头的高度相加的总高度正好等于耐压密封胶套两端的内径。可调节堵头一侧粘贴的橡胶垫片的宽度可为25mm。

如图7a和7b所示，堵头调节器为带有上下两扣栓的圆环部件，堵头调节器圆环部插入耐压密封胶套与可调节堵头的间隙中，并与可调节堵头的卡堵相抵；堵头调节器上下两扣栓端与不锈钢圆筒外径螺纹连接，通过调整堵头调节器扣栓与不锈钢圆筒的旋紧程度，堵头调节器圆环部推动可调节堵头移动，以保持可调节堵头与裸露岩心模型表面相抵。堵头调节器圆环部内直径可为100mm、长度可为60mm，外直径可为155mm，扣栓的长度可为110mm，本部件采用不锈钢制成。

如图8a所示，岩心压裂器包括调节杆和压裂部两部分。调节杆为直径阶梯变化的“T”字型柱状部件，包括前段、中段和后段，中段直径大于前段直径，其中段为带有外螺纹的圆柱形不锈钢管柱，直径与可调节堵头的通道的直径保持一致，使得岩心压裂器旋入可调节堵头通道后可以实现密封；后段为不锈钢圆柱，后段直径大于中段直径，其顶端的旋入端为六棱柱，六棱柱中带有深度为10mm螺纹接口，用于外接驱替管线。前段直径小于中段直径，其前端有螺纹接口用于与岩心压裂头连接。调节杆内设有“L”形的驱替液通道，整个“L”形通道长度可为145mm。压裂部有头部和连接杆部，连接杆部带有外螺纹用于与调节杆前段的螺纹接口相连；压裂部头部可以根据室内实验的不同要求更换不同尺寸和不同倾角方向的压裂头。如图8b所示，压裂头的倾角可以为0°，也可以为30°。一般分质分注实验过程中，压裂头的倾角范围选择在0～40°之间，在这个范围内可实现岩心的定向压裂，且不同的压裂头产生的压裂效果不同。调节杆前段直径可为17mm、长度可为45mm；后段直径可为10mm、长度可为175mm，调节杆内的“L”型通 道长度可为145mm、直径为2mm。岩心压裂器调节杆和压裂部旋入注入端可调节堵头的通道中，岩心压裂器的压裂头和裸露岩心模型表面接触，以实施机械压裂。

不锈钢圆筒通过底座固定，底座如图9a和9b所示，底座包括环形固定架、三角支架和底盘，环形固定架下端与三角支架固定连接，三角支架又与底盘固定连接。环形固定架包括上半环和下半环，不锈钢圆筒放置在上半环和下半环之间，上半环和下半环通过螺栓固定连接。

本发明提供的分质分注实验装置的工作过程如下：

岩心经过砂岩粒度筛选、分层压制、烘干等制作工艺，采用三注三采的注采方式制作出裸露岩心模型。将制作的裸露岩心模型放入耐压密封胶套(8)后将两个可调节堵头(19)分别从耐压密封胶套(8)的两端插入形成注入端可调节堵头和采出端可调节堵头；分别在注入端可调节堵头和采出端可调节堵头外侧安装堵头调节器，调节堵头调节器扣栓与不锈钢圆筒的旋紧程度，带动可调节堵头移动，使注入端可调节堵头和采出端可调节堵头与裸露岩心模型表面接触。根据分质分注实验要求，安装岩心压裂器压裂头，并将岩心压裂器旋入注入端可调节堵头通道内，调节岩心压裂器调节杆，控制调节杆前段旋入注入端可调节堵头通道的旋入深度，从而控制岩心压裂器对岩心的机械压裂程度，进而控制岩心压裂裂纹的长度。注入驱替液，驱替液通过岩心压裂器的驱替液通道流入注入端可调节堵头通道中，进而进入裸露岩心模型中，从岩心驱替的原油经采出端可调节堵头通道流出，从而实现对岩心的驱替过程。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明公开的内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且根据附图描述了实施例，但本发明不限于由附图示例的描述，在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (10)

1.一种分质分注定向压裂实验装置，其特征在于：包括圆筒、耐压密封胶套、密封压环、可调节堵头、堵头调节器和岩心压裂器；耐压密封胶套嵌在圆筒中，岩心模型置于耐压密封胶套中；两个可调节堵头分别插入耐压密封胶套两端形成注入端可调节堵头和采出端可调节堵头；可调节堵头外安装有用于带动可调节堵头移动的堵头调节器；可调节堵头内设有若干个相互平行的通道；岩心压裂器旋入注入端可调节堵头的通道中，岩心压裂器的压裂头与岩心表面接触。

2.根据权利要求1所述的分质分注定向压裂实验装置，所述圆筒上端设有压力源接头，用于连接为圆筒控制环压的控制阀门。

3.根据权利要求1或2所述的分质分注定向压裂实验装置，所述耐压密封胶套为圆筒状结构，其前段和后段外径大于中间段外径；中间段内部设有方形岩心槽；前段和后段开口端设有胶套密封压头。

4.根据权利要求1所述的分质分注定向压裂实验装置，所述可调节堵头主体为一长方体，其上、下端面设有长方卡堵，卡堵与耐压密封胶套两端的内壁相抵。

5.根据权利要求4所述的分质分注定向压裂实验装置，所述堵头调节器为带有上下扣栓的圆环部件，堵头调节器圆环部插入耐压密封胶套与可调节堵头的间隙中，并与可调节堵头的卡堵相抵；堵头调节器上下扣栓端与圆筒外径螺纹连接。

6.根据权利要求1所述的分质分注定向压裂实验装置，所述注入端可调节堵头通道旁设有标尺。

7.根据权利要求1所述的分质分注定向压裂实验装置，所述岩心压裂器，包括调节杆和压裂部；调节杆为“T”型柱状部件，包括前段、中段和后段，中段直径与可调节堵头的通道的直径一致；后段直径大于中段直径；中段直径大于前段直径。

8.根据权利要求7所述的分质分注定向压裂实验装置，所述岩心压裂器调节杆内设有“L”形的驱替液通道。

9.根据权利要求7或8所述的分质分注定向压裂实验装置，所述岩心压裂器包括压裂部，所述压裂部以可更换的方式设置有不同倾角方向的压裂头。

10.根据权利要求9所述的分质分注定向压裂实验装置，所述岩心压裂器与注入通路连接。