CN105332680B - 用于模拟水平井压裂的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于模拟水平井压裂的装置和方法。装置包括模拟舱，模拟舱的一个侧壁构造为注入面板；空心的注入管柱，包括主体部和带有进液口的端部；以及与注入管柱相连并用于向注入管柱中注入液体的注液管线。其中，在注入面板的内壁上设有狭长的容纳槽，注入管柱安装在容纳槽中，使得注入管柱的端部和注液管线均处于容纳槽内。由于容纳槽可以贯穿注入面板的整个内壁或者以其他的形式设置，因此当井口的位置发生变化或者同时设置有多个水平井时，方便调节注入管柱的位置，从而使得模拟实验简单方便。

Description

用于模拟水平井压裂的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于模拟水平井压裂的装置，并且还涉及一种用于模拟水平井压裂的方法。

背景技术

现有技术中用于模拟水平井压裂的装置包括模拟舱和注入管柱，以及与注入管柱的进液口连通的注液管线。其中，注入管柱的进液口设置在注入管柱的端部，并通过注液管线向注入管柱中注入液体。在注入面板上设置有贯穿其内壁和外壁的容纳槽。进行模拟实验时，将注入管柱和注液管线放入容纳槽中，以防止在实验过程中，压裂样品对注液管线产生挤压。但是，当井口的位置改变时，需要重新开设容纳槽，从而使得不方便调节注入管柱和管线的位置，进而使得模拟井口位置不同的压裂实验时较为费事费力。

因此，如何解决模拟井口位置不同的压裂实验时较为费事费力的技术问题，是本领域技术人员需要解释的技术问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种模拟多种不同的压裂实验时，较为方便的装置。

本发明的用于模拟水平井压裂的装置，包括模拟舱，所述模拟舱的一个侧壁构造为注入面板；空心的注入管柱，包括主体部和带有进液口的端部；以及与所述注入管柱相连并用于向所述注入管柱中注入液体的注液管线。其中，在所述注入面板的内壁上设有狭长的容纳槽，所述注入管柱安装在所述容纳槽中，使得所述注入管柱的端部和所述注液管线均处于所述容纳槽内。

在一个实施例中，所述注入管柱的进液口构造成贯穿所述注入管柱的侧壁的径向孔。

在一个实施例中，所述注入面板构造成能够朝向模拟舱的外侧移动。

在一个实施例中，在所述注入面板的内壁上设有多个平行但间隔开的容纳槽。

在一个实施例中，所述容纳槽的一端穿设所述注入面板的内壁，并且在所述注入面板的侧壁上设有能够使所述注液管线与外界连通的管线通道。

在一个实施例中，所述模拟舱的底板构造成能够沿水平方向滑动。

在一个实施例中，还包括能够对置于模拟舱内的压裂样品进行三向加压的加压单元，并且所述加压单元中的X向加压部分用于带动所述底板运动。

在一个实施例中，还包括用于经所述注液管线向所述注入管柱中注入液体的泵注单元，其中所述泵注单元包括若干个用于盛放液体并彼此独立的中间容器，以及用于将所述中间容器中的液体排入到所述注入管柱的泵。

本发明的使用根据上述中任一项所述的装置模拟水平井压裂的方法，包括下述步骤：步骤一.制备岩样，在岩样上进行完井处理。步骤二.根据完井模拟方式选择对应的注入管柱，将注入管柱安装在注入面板上，并连接注液管线和注入管柱。步骤三.进行空载运行检查，并在检查完毕后断开注入管柱和注液管线。步骤四.将岩样放在底板上，然后将注入管柱放入井筒内并连接注入管柱和注液管线。步骤五.启动加压单元，将岩样送入模拟舱内并对岩样进行加压。步骤六.压力加载到位并稳定后，进行压裂实验。

在一个实施例中，在上述步骤六中包括下述步骤：启动自动控制单元，并实时监测实验数据。设定泵注单元的排量并启动泵注单元。在观测到明显的破裂压力点后再持续注入液体2-3分钟，然后停止泵注单元，同时停止加压单元，停止数据采集并保存。使加压单元反向运动到初始位置。断开注入管柱与注液管线，并分析水平井的压裂效果。

在一个实施例中，在所述岩样上设有至少两个彼此平行的水平井，其中每个水平井内均设有一个注入管柱。

在一个实施例中，所述完井模拟方式为裸眼完井模拟方式，其中，钻孔时先用直径较大的钻头钻入，距孔底45mm-55mm时，再用直径较小的钻头钻至孔底。

在一个实施例中，所述完井模拟方式为套管完井模拟方式，其中钻孔时用一个钻头钻至孔底。

在一个实施例中，所述岩样为天然岩心。

本发明的用于模拟水平井压裂的装置包括模拟舱、注入管柱及注液管线。其中，模拟舱的一个侧壁为注入面板。在注入面板的内壁上设有狭长的容纳槽。注入管柱为空心的，并包括主体部和带有进液口的端部。注液管线与注入管柱连接并用于向注入管柱中注入液体。并且在将注入管柱安装在容纳槽中时，注入管柱的端部和注液管线均位于容纳槽中。由于容纳槽可以贯穿注入面板的整个内壁或者以其他的形式设置，因此当井口的位置发生变化或者同时设置有多个水平井时，方便调节注入管柱的位置，从而使得模拟实验简单方便。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。在图中：

图1为本发明的装置中的模拟舱和加压单元部分的结构示意图。

图2为本发明中的注入管柱的结构示意图。

图3为本发明中的注入面板的结构示意图。

图4为本发明中的装置的整体结构示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例描绘。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的用于模拟水平井压裂的装置包括模拟舱1和注入管柱5。在一个实施例中，模拟舱1包括形状大致为矩形的顶板、四个形状大致为矩形的侧板，以及形状大致为矩形并且长边长度大于顶板的长边长度的底板3。其中，三个侧板与顶板固定连接。另外一个侧板可以直接放置在底板3上，从而能够作为注入面板2使用。固定在顶板上并相对设置的两个侧板的下方分别设有水平导轨，底板3直接设置在水平导轨中。这样，当进行模拟实验时，方便将压裂样品放入到模拟舱1中。

此外，可以在底板3的一端固定设置一竖直挡板6。将注入面板2放置在底板3上时，使注入面板2靠紧竖直挡板6，从而提高注入面板2的稳固性。另外，将注入面板2和压裂样品分别放在底板3上时，注入面板2和压裂样品之间可以留有间隙。当压裂样品与模拟舱1的侧壁抵接后，注入面板2一直移动至与压裂样品抵接。例如，可以在与注入面板2相对的侧板下方设有供底板3穿过的空隙，从而能够实现压裂样品静止时，注入面板2移动。

进一步地，如图3所示，在注入面板2的内壁上，即朝向模拟舱1内的一侧，开设有至少两个彼此大致平行并间隔开的容纳槽21。这样，当位于不同压裂样品上的水平井的位置变化时，或者在一个压裂样品上设置多个水平井时，均能够使用此注入面板2，从而增加了注入面板2的实用性，同时也省事省力。此外，如此设置，可以在压裂样品上设置多个水平井，从而能够模拟对多个水平井同步行压裂的模拟实验，增加了该装置的实用性。另外，容纳槽21的一端穿设注入面板2的内壁。并且在注入面板2的侧壁上开设有用于使注液管线8穿过并能够设置在模拟舱1内的管线通道22。具体地，管线通道22可以为贯穿注入面板2的内壁和外壁的凹槽。优选地，每个容纳槽21对应一个管线通道22，以方便布置注液管线8。

此外，如图2所示，注入管柱5包括主体部和设有进液口的端部。注入管柱5的端部能够卡在容纳槽21中，以防止注入管柱5产生晃动。注入管柱5的进液口51为贯穿注入管柱5的侧壁的径向孔。这样，在实验过程中，便于将注入管柱的端部和位于模拟舱1内的注液管线部分均设置在容纳槽21中，从而防止压裂样品对注液管线8产生挤压，进而破坏注液管线8。

进一步地，注入管柱5的端部直径较大，以能够将注入管柱5更好地卡在容纳槽21中，从而减少注入管柱5的晃动。此外，注入管柱的出液口52设置在主体部的端壁上，以能更好的完成实验。在靠近出液口52的侧壁上开设有周向凹槽，用于放置封隔器9。

当然，也可以将注入管柱的进液口51设置在注入管柱5的端部的端壁上。此时，注液管线8包括侧壁设有开口的连接管段以及与侧壁开口连接的注液管段。连接管段的一端密封，一端开口，并且开口的一端与注入管柱的进液口51相连接。

该装置还包括能够对压裂样品进行三向加压的加压单元4。具体地，沿竖直方向的为Z向加压部分，平行于底板3长边方向的为X向加压部分，垂直于Z向加压部分和X向加压部分的为Y向加压部分。在一个实施例中，加压单元4包括X向液压加载轴41、Y向液压加载轴42和Z向液压加载轴43。上述三个液压加载轴可以通过设置在模拟舱1外侧的固定板7固定在模拟舱1上。并且在模拟舱1的顶板、底板3和侧板上分别设有用于供液压加载轴穿过的通孔，从而便于对压裂样品进行加压。

进一步地，如图1所示，X向液压加载轴41可以与模拟舱1的竖直挡板6固定连接。这样，X向液压加载轴41即可以对压裂样品进行加压，又可以带动底板3沿水平导轨移动，结构简单，而且省事省力。

在一个具体的实施例中，压裂样品的尺寸为300mm×300mm×300mm。则模拟舱1的沿X方向的内舱尺寸为300mm，沿Y方向的内舱尺寸为300mm，沿Z方向的内舱尺寸为350mm。Y向液压加载轴42和Z向液压加载轴43的行程均为30mm，并且其加载应力为0-10MPa。X向液压加载轴41的行程为400mm，并且其加载应力为0-10MPa。此外，与Y向液压加载轴42和Z向液压加载轴43的接触的侧板的长度和宽度均为300mm，而厚度为80mm。模拟舱1的底板3的长度和宽度均为300mm，厚度为50mm。

进一步地，注入面板2的长度和宽度均为300mm，而壁厚为100mm。在其上设有三个均沿水平方向延伸的容纳槽21。容纳槽21的厚度为50mm，宽度为30mm，长度为280mm。设置在注入面板2侧壁的管线通道22深度为10mm。注入管柱的端部的外径尺寸为30mm，该段的长度为50mm。注入管柱5的主体部的外径尺寸为10mm。

如图4所示，该装置还包括泵注单元，以能够向注入管柱5中注入液体。在一个实施例中，泵注单元包括恒流泵和若干个用于存放液体的中间容器。这些中间容器彼此不连通，并且一个中间容器与一个注入管柱5连通。这样，当在实验中使用多个注入管柱5时，可以向不同的注入管柱5中注入相同的液体，也可以注入不同的液体，以增加实验的多样性。液体可以为加入显影剂的清水或压裂液等。

这些中间容器可以通过一个恒流泵控制所有的中间容器，也可以通过不同的恒流泵控制不同的中间容器。此处优选选用一个恒流泵，以能够对中间容器提供相同的压力，从而进一步提高实验时的准确性。

该装置还可以设置自动控制系统，例如计算机。可以通过计算机控制加压单元4的应力加载，以保证应力加载的精确性和安全性。同时还可以控制液压加载轴的双向移动。此外，还可以通过计算机控制液体的注入速度，以及记录压裂过程中的压力变化等。当然，也可以手动控制加压单元4的应力加载，等。

具体的实验过程可以分为以下几个步骤：

(1)压前的准备工作

①岩样的准备工作

a.钻前处理。将天然岩心露头进行规则化处理成所需体积的立方体，并根据采集时地质认识划分X、Y、Z面。其中，X面是指与X向液压加载轴41平行的面。Y面是指与Y向液压加载轴42平行的面。Z面是指与Z向液压加载轴43平行的面。

b.钻孔处理。根据实验目标，划出多个水平井井筒的钻孔圆及圆心位置。针对裸眼和套管完井两种不同完井方式分别采用不同尺寸钻头钻孔。例如，针对裸眼完井模拟方式，首先利用直径为12mm的钻头钻入Lmm，直至距设计深度约45mm-55mm时为止。然后再利用直径为10mm的钻头钻至设计位置。其中，设计的孔底距钻入的X面的垂直距离应小于280mm。

针对套管完井模拟方式，在钻孔时采用直径为15mm的钻头直接钻至设计深度。其中，设计的孔底距钻入的X面的垂直距离应小于280mm。这样，可以通过不同钻井长度的设计和钻取，来控制压裂模拟时的起裂位置的空间位置差。

c.完井及井口处理。针对裸眼完井模拟方式，采用直径为10mm，长度为300mm的钢管进行通井检验，确认裸眼水平段井筒壁通畅后，取出。将外径为12mm，内径为10mm，长度为Lmm的钢管(外表面设有环形沟槽)的外表面涂上强力胶，插入井口，并在钢管与井筒形成的缝隙中注入胶。完成后放置24小时以上，以保证胶体固化，从而密封钢管与井壁。

针对套管完井模拟方式，根据设计起裂位置，在外径为12mm，内径为10mm，长度与井筒的长度一致的钢管上进行射孔处理，以能够模拟射孔。具体的射孔孔眼的尺寸、个数及相互位置关系可根据模拟目标和现场射孔的实际情况进行对比设置。完成射孔处理后，在孔眼处插入外径与孔眼的直径相同的空心管柱，并采用强力胶将该空心管柱与孔眼粘接。待胶固节后，下入井筒。最后利用水泥对钢管与井壁之间的空隙进行填充，并候凝24小时以上以保证固化。

②实验装置的准备工作

a.管线连接和空载运行检查。按照流程设计，连接好各个管线和注入管柱5，并确认各个管线和注入管柱5的连接准确性。然后开启计算机的应力加载控制系统并控制加压单元4运行，观察加压单元4的运转有效性。确认无误后，停止各个液压加载轴的移动。

然后将实验用的液体配制好并放入中间容器。并在确认密封后，开启恒流泵，在低压(0.1MPa)条件下，驱动液体流动，观察注入管柱的出液口52的出液情况。同时开启计算机的数据采集系统，察看此过程中的压力数据。在确定注入管柱5的出液口52出液正常后，轻顶注入管柱的出液口52，并观察数据采集系统采集到的压力变化。确定数据采集系统工作正常后，停止恒流泵，并断开与注入管柱5连接的注液管线8。

b.水平井的注入口密封准备。将已完成固结的岩样放在模拟舱1的底板3上。针对裸眼完井模拟方式，选择长度为Lmm(即与孔径较大的井筒部分的长度相同)的注入管柱5。针对套管完井模拟方式，注入管柱5的长度应小于模拟深刻位置到水平井的注入口的长度，即注入管柱5的长度小于井筒的长度。在一个实施例中，注入管柱5的外径为9mm。套设在注入管柱5上的封隔器9的材质为密封胶皮。并且并排设有两个封隔器9，每个封隔器9的外径均为10.5mm。注入管柱5放入井筒后，连接注入管线。

(2)实验过程操作

a.加载三向应力。首先，通过计算机上的应力加载控制系统控制X向液压加载轴41运行，从而将岩样推进模拟舱1内。待岩样进入模拟舱1后，停止X向液压加载轴41。然后在计算机上设定三向应力的加载目标值，再次启动加压单元4，并按照设定目标进行三向应力加载。

b.开启数据采集系统。在压力加载到位并稳定后，开启计算机的数据采集系统，实时显示并监测压力、三向应力值、注入排量、液量等数据。

c.启动液体注入。启动泵注单元，按照设计方案，在计算机上设定注入排量，并运行。

d.观察泵注时的压力变化，观测到明显的破裂压力点后(即压力产生突变后)，再持续注入液体2-3分钟后停泵。

e.停止应力加载。停止泵注单元后，关闭计算机上的应力加载控制系统从而停止加压单元4。

f.存取数据。停止数据采集并保存。

g.在计算机的应力加载控制系统上设定X向液压加载轴41、Y向液压加载轴42和Z向液压加载轴43的反向运动模式，并控制Y向液压加载轴42和Z向液压加载轴43反向移动。观察Y向液压加载轴42和Z向液压加载轴43在加载应力时的位移，并在确定Y向液压加载轴42和Z向液压加载轴43移动到所需距离后，停止Y向液压加载轴42和Z向液压加载轴43。随即启动X向液压加载轴41反向移动，直至将岩样从模拟舱1移出后，停止X向液压加载轴41，并停止应力加载控制系统。

(3)实验后处理

将注入管柱5与注液管线8分开，将岩样移出底板3。放置并固定岩样，观察岩样裂缝的效果，判断裂缝的主体方位和尺寸。然后对岩样进行CT扫描，确定裂缝的具体形态等特征。最后配合采集到的监测数据分析水平井同步压裂效果。

在一个更为具体的实施例中，对水平井单井进行压裂，测试目的为验证装置和方法的有效性。

1)压前准备

压裂样品加工为300×300×300mm的立方体。采用裸眼完井方式进行，在划定好的X面上，以直径为12mm的钻头垂直钻入200mm，再以直径为10mm的钻头沿同一钻入孔眼底面同轴钻入50mm。先采用直径10mm，长度为300m的钢管进行通井检验，确认裸眼水平段井筒壁通畅后取出。将外径为12mm，内径为10mm，长度为200mm的钢管外表面涂上强力胶，插入井筒，并沿钢管与井筒缝隙注入胶，固化密封钢管与井壁空隙。待凝固后，将压裂岩样放在模拟舱1的底板3上，选择长度为200mm的注入管柱5并插入到水平井筒，同时连接注入管线。

2)实验操作

待岩样进入模拟舱1后，三向应力加载分别为10MPa(Z方向)、7MPa(Y方向)和1MPa(X方向)。待三向应力加载稳定后，开启计算机的数据采集系统进行全程的数据采集工作。以排量设置在20ml/min的恒流开始注入，同时观察实验过程。观察到明显的破裂压力出现(34.6MPa)时，继续注液2分钟后停泵。同时停止数据采集并保存数据。

3)实验后处理

将岩样取出并对岩样进行观察。观察到岩样表面出现明显的压裂裂缝，裂缝面为垂直于水平井筒的垂直裂缝，基本与X面平行。裂缝以井筒为中心，基本成对称状态。

在另外一个具体实施例中，对两口水平井进行同步压裂。测试目的为研究裸眼完井条件下，同步压裂的裂缝起裂和扩展延伸的规律，并检验装置在同步压裂时的有效性。

1)压前准备

将压裂样品加工为300×300×300mm的立方体。采用裸眼完井方式进行，在划定好的X面上，画出两口水平井筒的待钻孔位置，其中两者之间的距离为100mm。对两口水平井的水平段钻孔时其中一口井A1首先以直径为12mm的钻头垂直钻入200mm，再以直径为10mm的钻头沿同一钻入孔眼底面同轴钻入50mm。另外一口井A2以直径为12mm的钻头垂直钻入170mm，再以直径为10mm的钻头沿同一钻入孔眼底面同轴钻入50mm。

然后采用为10mm，长度为300mm的钢管对井A1和井A2进行通井检验，确认裸眼水平段井筒壁通畅后，取出。将外径为12mm，内径为10mm，长度为200mm的钢管外表面涂上强力胶，插入井A1的井筒。将外径为12mm，内径为10mm，长度为170mm的钢管外表面涂上强力胶，插入井A2的井筒。然后沿钢管与井筒的缝隙注入胶，固化密封钢管与井壁空隙。最后将压裂岩样放在模拟舱1的底板3上，分别选择长度200mm和170mm的注入管柱5插入水平井筒A1和A2，并分别连接注入管线。

2)实验操作

通过计算机的应力加载控制系统控制X向液压加载轴向模拟舱1方向移动，将岩样推进模拟舱1内。待岩样进入模拟舱1后，分别加载三向应力至10MPa(Z方向)、7MPa(Y方向)和1MPa(X方向)。待三向应力加载稳定后，开启计算机的数据采集系统进行全程的数据采集工作。采用清水作为泵注液体，以排量设置在20ml/min的恒流开始注入，同时观察实验过程。观察到明显的破裂压力出现(35.4MPa和33.7MPa)时，继续注液2分钟后停泵。同时停止数据采集并保存数据。

3)实验后处理

将岩样取出并对岩样进行观察。观察到岩样表面出现1条明显的压裂裂缝。两口井的裂缝起裂点沿水平井筒方向间隔距离在10mm左右。两口水平井筒之间裂缝呈现扭曲形态，外测延伸垂直于井筒。这说明两口水平井井筒之间的裂缝扩展受到压裂过程中应力变化的影响，发生连通。

上述实验结果说明水平井单井压裂和多井同步压裂操作流程可行且成功。实验结果也反映出较好的规律性。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (14)

1.一种用于模拟水平井压裂的装置，包括：

模拟舱，所述模拟舱的一个侧壁构造为注入面板；

空心的注入管柱，包括主体部和带有进液口的端部；以及

与所述注入管柱相连并用于向所述注入管柱中注入液体的注液管线，

其中，在所述注入面板的内壁上设有狭长的容纳槽，

所述注入管柱安装在所述容纳槽中，使得所述注入管柱的端部和所述注液管线均处于所述容纳槽内。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述注入管柱的进液口构造成贯穿所述注入管柱的侧壁的径向孔。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述注入面板构造成能够朝向模拟舱的外侧移动。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，在所述注入面板的内壁上设有多个平行但间隔开的容纳槽。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述容纳槽的一端穿设所述注入面板的内壁，并且在所述注入面板的侧壁上设有能够使所述注液管线与外界连通的管线通道。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述模拟舱的底板构造成能够沿水平方向滑动。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括能够对置于模拟舱内的压裂样品进行三向加压的加压单元，并且所述加压单元中的X向加压部分用于带动所述底板运动。

8.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，还包括用于经所述注液管线向所述注入管柱中注入液体的泵注单元，其中所述泵注单元包括若干个用于盛放液体并彼此独立的中间容器，以及用于将所述中间容器中的液体排入到所述注入管柱的泵。

9.一种使用根据权利要求1-8中任一项所述的装置模拟水平井压裂的方法，包括下述步骤：

步骤一.制备岩样，在岩样上进行完井处理，

步骤二.根据完井模拟方式选择对应的注入管柱，将注入管柱安装在注入面板上，并连接注液管线和注入管柱，

步骤三.进行空载运行检查，并在检查完毕后断开注入管柱和注液管线，

步骤四.将岩样放在底板上，然后将注入管柱放入井筒内并连接注入管柱和注液管线，

步骤五.启动加压单元，将岩样送入模拟舱内并对岩样进行加压，

步骤六.压力加载到位并稳定后，进行压裂实验。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在上述步骤六中包括下述步骤：

启动自动控制单元，并实时监测实验数据，

设定泵注单元的排量并启动泵注单元，

在观测到明显的破裂压力点后再持续注入液体2-3分钟，然后停止泵注单元，同时停止加压单元，停止数据采集并保存，

使加压单元反向运动到初始位置，并断开注入管柱与注液管线，

分析水平井的压裂效果。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，在所述岩样上设有至少两个彼此平行的水平井，其中每个水平井内均设有一个注入管柱。

12.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述完井模拟方式为裸眼完井模拟方式，其中，钻孔时先用直径较大的钻头钻入，距孔底45mm-55mm时，再用直径较小的钻头钻至孔底。

13.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述完井模拟方式为套管完井模拟方式，其中钻孔时用一个钻头钻至孔底。

14.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述岩样为天然岩心。