CN106568637A - 一种用于定面射孔岩石试样的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于定面射孔岩石试样的制备方法，其包括：根据岩石试样中定面射孔的参数通过3D打印机直接得到多簇定面射孔装配模型，定面射孔装配模型固定于井筒钢管外表面，沿射孔孔道方向钻取井筒壁孔眼；向定面射孔装配模型的射孔孔道内灌注可溶型芯材料；可溶型芯材料硬化后拆除定面射孔装配模型；井筒钢管放入岩石试样成型模具中，浇筑成型并进行恒温恒湿养护后，向井筒钢管内注入循环水洗剂，将射孔处可溶型芯材料溶解，得到定面射孔岩石试样。保证了定面射孔孔道之间的夹角，孔道与井筒轴线之间夹角与设计方案一致，以准确符合实际工程的情况，可灵活对射孔孔道的形状、尺度、间距等关键参数进行设定。

Description

一种用于定面射孔岩石试样的制备方法

技术领域

本发明涉及油气藏开发中物理模拟实验的技术领域，尤其涉及一种用于定面射孔岩石试样的制备方法。

背景技术

油气藏开发过程中，射孔是井筒与储集层之间的导引荷载通道，作为勘探开发的“临门一脚”，在提高储量动用率及采收率中的作用日渐突出。射孔与致密储层压裂改造相配合从而获得更高的油气井产能，是当今射孔新技术的主要研究方向。

定面射孔是针对致密储层水力压裂改造的而产生一种新型完井措施。与常规射孔螺旋布弹方式不同，定面射孔采用分簇布弹，每簇3发超大孔径射孔弹，通过调整射孔弹的布弹方式使射流方向形成扇面，进而在井筒轴向同一横截面产生多个射孔孔道，改变近井筒的地应力分布，以控制近井筒裂缝的走向。为了探究定面射孔对近井筒水力压裂裂缝形态的影响机理，需要在实验室中进行大尺度水力压裂模拟实验。

目前关于含定面射孔的岩石试样制作是一个难点，成为制约定面射孔岩石实验研究进步的瓶颈。采用射孔枪对浇筑好的水泥试样射孔，射孔后样品容易破碎，无法进行下步压裂实验；采用硬壳纸卷等介质形成射孔孔道形态的浇筑岩石试样，由于介质与孔道的界面效应，影响水力压裂实验裂缝的起裂及扩展。

目前国内相关水力压裂物理模拟实验的射孔装置及方法的研究现状如下：

公开号为CN104563978A的中国发明专利申请，公开了一种用于水力压裂物理模拟实验的射孔装置及方法，该方法用可溶性的固体材料从侧壁带有贯穿开孔的钢管中固定，待模型材料凝固成型后，用将可溶性固体材料溶解，形成联通井筒和模型材料的射孔孔道，该方法是将可溶性固体从侧面贯穿井筒钢管，然后形成相应射孔。定面射孔要求分簇布弹，每簇3发射孔弹，一发射孔弹的轴线垂直于射孔装置所在井筒轴线，其余射孔弹的轴线与井筒轴线呈预定的角度。上述过程需要预先在钢管上穿孔，然后再将可溶性固体贯穿在钢管上，可见，采用上述方法无法实现岩石试样中对3个射孔弹与井筒轴线的不同角度进行调整，也无法实现对定面射孔的精准控制。

公开号为CN105178922A的中国发明专利申请，公开了一种用于水力压力物理模拟试验的射孔完井方法，该方法用可弯折的韧性细条状材料从井筒一端伸入，从射孔处弯折伸出，待岩样试样达到预设强度时抽拔出韧性细条状材料，获得以射孔完井方式制备的模型。由于定面射孔形成的孔道与井筒轴线呈预定角度，采用上述方法后韧性材料容易与岩样形成钩状锁定，难以拔出，无法对定面射孔不同角度进行有效模拟，并且在拔出韧性材料的过程中，容易损伤射孔，导致射孔数据出现误差，无法实现对定面射孔的精准控制。

公开号为CN102778552B的中国发明专利申请，公开了一种定向射孔与压裂裂缝转向规律的实验方法，该方法通过在套管内下入水力喷射器实现定向射孔和压裂联作，做过下入水力喷射器在边长为1.5米的大尺度岩心上实现定向射孔。采用上述方法实验费用昂贵，只能进行现场直接测试，且对于通常实验室尺度岩石试样(边长小于0.5m)不具有可操作性，无法重复实验，也无法实现对定面射孔的精准控制。

现有射孔岩石力学试样制作方法无法对定面射孔孔道夹角、孔道与井筒轴线夹角、孔道尺寸等参数进行精确控制；并且现有模拟射孔孔道均假设为圆柱形，而现场射孔打靶实验观察射孔孔道存在圆台形及其它非规则几何形状。在进行定面射孔对压裂井近井区域裂缝启裂及扩展形态影响的研究中，必须精准控制定面射孔的角度、孔道尺寸、孔道形态等关键几何参数，从而为现场定面射孔水力压裂提供基础数据和理论参考。因此，通过实验方法研究定面射孔对水力裂缝形态的影响，需要进一步研究定面射孔岩石试样的制作方法。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于定面射孔岩石试样的制备方法，能够在浇筑的岩石试样内模拟实际油气井中的定面射孔状态，实现了对定面射孔的精准控制。

为解决上述技术问题，本发明方案包括：

一种用于定面射孔岩石试样的制备方法，其包括以下步骤：

A、根据岩石试样中定面射孔的参数通过3D打印机直接得到多簇定面射孔装配模型；

B、将相应定面射孔装配模型固定于井筒钢管外表面，并沿射孔孔道方向在井筒钢管壁上钻取孔眼，然后向定面射孔装配模型的射孔孔道内灌注可溶型芯浇筑材料，可溶型芯浇筑材料充填于射孔孔道、孔眼内；

C、可溶型芯浇筑材料在空气中干燥硬化后，拆除定面射孔装配模型，在井筒钢管壁上形成用于模拟射孔孔道的可溶性模拟棒；

D、将带有可溶性模拟棒的井筒钢管放入岩石试样成型模具中，浇筑适当配比的水泥砂浆、振捣成型，然后再将岩石试样进行恒温恒湿养护；

E、向定型后岩石试样中的井筒钢管内注入循环水洗剂，将岩石试样内的可溶性模拟棒溶解，溶解液从井筒钢管口处返排，得到定面射孔岩石试样。

所述的制备方法，其中，上述步骤A具体的包括：

A1、根据油田现场完井施工中的射孔方案，确定定面射孔岩石试样中的射孔簇数量、射孔间距、射孔之间的夹角、射孔轴线与井筒轴线夹角、射孔孔道形状、射孔孔径以及射孔穿深的参数；

A2、将射孔实验设定的参数输入电脑，利用solidworks建模软件建立定面射孔计算机三维数字模型；数字模型中射孔孔道的轴线与井筒轴线夹角，射孔孔道之间夹角按设定数值输入，射孔孔道内径与岩石试样射孔外径一致，井筒处内径尺寸与实验用井筒钢管外径一致，射孔间距、射孔长度、射孔穿深数据、孔道形态与定面射孔实验设定值一致；

A3、将步骤A2中建立的定面射孔计算机三维数字模型输出，利用3D打印机设备制作上述定面射孔装配模型。

所述的制备方法，其中，上述步骤C具体的还包括：同一簇的可溶性模拟棒在井筒钢管壁上呈螺旋上升状态布置，位于最下方的可溶性模拟棒向井筒钢管上方倾斜，位于中部的可溶性模拟棒呈水平布置，位于最上方的可溶性模拟棒向井筒钢管下方倾斜，同一簇的可溶性模拟棒在空间形成扇面。

所述的制备方法，其中，上述步骤C具体的还包括：上述可溶性模拟棒为柱形、圆台形或其它根据现场射孔孔道形态确定的特殊形状。

所述的制备方法，其中，上述步骤B具体的包括：上述可溶型浇筑材料的包括硅溶胶粘结剂、云母粉填料与增塑剂，其中所述增塑剂为聚乙烯；所述硅溶胶粘结剂和云母的质量配比为20：80，增塑剂占硅溶胶粘结剂与云母填料总质量的3％。

所述的制备方法，其中，上述步骤D具体的包括：岩石试样成型模具为钢模具，其表面平整度≤0.1mm/100mm。

所述的制备方法，其中，上述步骤D具体的包括：将岩石试样放入恒温恒湿养护箱，在温度为20±2℃，相对湿度95％以上，定型28天。

所述的制备方法，其中，上述步骤E具体的包括：上述循环水洗剂为2％的盐酸水溶液。

本发明提供的一种用于定面射孔岩石试样的制备方法，具有如下有益效果：

1、保证了定面射孔孔道与井筒轴线之间夹角、射孔孔道之间夹角、孔道形态、孔道尺寸等射孔参数与设计方案一致，制备完成后的岩石试样的射孔空间排布准确符合油田现场实际工程的情况；

2、可灵活对射孔孔道的形状、尺度、间距等关键参数进行设定，通过3D打印形成定面射孔装配模型，操作方法简单、灵活高效，装配模型可重复利用，节约了实验成本；

3、按定面装配模型孔道方向钻取井筒壁孔眼的方法，确保了井筒壁孔眼的位置、方向与定面射孔设计参数一致，避免了现有含射孔岩石试样制作过程中在井筒壁预先钻取孔眼的缺点。

该方法通过建立定面射孔数字化模型，利用3D打印机设备制作装配模型，将装配模型用于实际定面射孔岩石试样加工，实现了定面射孔相关参数的精准控制，节约了特殊模型制备时间和成本。该发明方法可广泛应用于能源、矿山等领域含孔洞类岩体力学性质研究，是现有技术的极大进步。

附图说明

图1为本发明中制备方法的结构示意图；

图2为本发明中定面射孔装配模型的装配部件；

图3为本发明中定面射孔装配模型固定于井筒钢管外表面的示意图；

图4为本发明中向定面射孔装配模型的射孔孔道内灌注可溶型芯材料形成可溶性模拟棒的结构示意图；

图5为本发明中定面射孔岩石试样的剖面示意图；

其中，1为井筒钢管；2为定面射孔装配模型；3为射孔孔道；4为可溶性模拟棒；5为水泥砂浆。

具体实施方式

本发明提供了一种用于定面射孔岩石试样的制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种用于定面射孔岩石试样的制备方法，如图1所示的，其包括以下步骤：

A、根据岩石试样中定面射孔的参数通过3D打印机直接得到多簇定面射孔装配模型；

B、将相应定面射孔装配模型固定于井筒钢管外表面，并沿射孔孔道方向在井筒钢管壁上钻取孔眼，然后向定面射孔装配模型的射孔孔道内灌注可溶型芯浇筑材料，可溶型芯浇筑材料充填于射孔孔道、孔眼内；

C、可溶型芯浇筑材料在空气中干燥硬化后，拆除定面射孔装配模型，在井筒钢管壁上形成用于模拟射孔孔道的可溶性模拟棒；

D、将可溶性模拟棒的井筒钢管放入岩石试样成型模具中，浇筑适当配比的水泥砂浆、振捣成型，然后再将岩石试样进行恒温恒湿养护；

E、向定型后岩石试样中的井筒钢管内注入循环水洗剂，将岩石试样内的可溶性模拟棒溶解，溶解液从井筒钢管口处返排，得到定面射孔岩石试样。

在本发明的另一较佳实施例中，上述步骤A具体的包括：

A1、根据油田现场完井施工中的射孔方案，确定定面射孔岩石试样中的射孔簇数量、射孔间距、射孔之间的夹角、射孔轴线与井筒轴线夹角、射孔孔道形状、射孔孔径以及射孔穿深的参数；

A2、将射孔实验设定的参数输入电脑，利用solidworks建模软件建立定面射孔计算机三维数字模型；数字模型中射孔孔道的轴线与井筒轴线夹角，射孔孔道之间夹角按设定数值输入，射孔孔道内径与岩石试样射孔外径一致，井筒处内径尺寸与实验用井筒钢管外径一致，射孔间距、射孔长度、射孔穿深数据、孔道形态与定面射孔实验设定值一致；

A3、将步骤A2中建立的定面射孔计算机三维数字模型输出，利用3D打印机设备制作上述定面射孔装配模型。

更进一步的，上述步骤B具体的包括：上述可溶型芯材的包括硅溶胶粘结剂、云母粉填料、增塑剂。上述步骤D具体的包括：岩石试样成型模具为尺寸为300mm×300mm×300mm的钢模具，其表面平整度≤0.1mm/100mm。上述步骤D具体的包括：将岩石试样成型模具放入恒温恒湿养护箱，在温度为20±2℃，相对湿度95％以上，定型28天。上述步骤E具体的包括：上述循环水洗剂为2％的盐酸水溶液。

在本发明的另一较佳实施例中，如图4所示的，上述步骤C具体的还包括：同一簇的可溶性模拟棒在井筒钢管1壁上呈螺旋上升状态布置，位于最下方的可溶性模拟棒向井筒钢管上方倾斜，位于中部的可溶性模拟棒呈水平布置，位于最上方的可溶性模拟棒向井筒钢管下方倾斜，同一簇的可溶性模拟棒在空间形成扇面。而且上述可溶性模拟棒4为柱形、圆台形或其它特殊形状。由于现有技术中均是预先在井筒钢管钻孔，然后再布置相应固体棒，因此可溶性模拟棒4为圆台型或其他特殊形状时，则现有技术中的预设孔直径要与固体棒的最大直径相近似，进而导致在可溶型材料溶解后，造成射孔孔道与预设孔不相匹配，从而无法完成实验。

为了更进一步描述本发明，以下列举更为详尽的实施例进行说明。

(1)、确定岩石试样中定方位定射角射孔方案及参数。根据油田现场完井施工中定方位定射角射孔方案，确定定面射孔岩石试样中的射孔簇数量、射孔间距、射孔之间的夹角、射孔轴线与井筒轴线夹角、射孔孔道形状、射孔孔径以及射孔穿深的参数等实验设定值。

例如：确定定面射孔岩石试样中射孔簇数量为3段，井筒钢管外径16mm，射孔间距10mm，射孔之间的夹角60°，所有射孔孔道轴线与井筒轴线夹角分别为35°，90°，145°，射孔孔道为圆柱形，射孔孔径2.5mm，射孔穿深20mm，定面射孔装配模型壁厚2mm。

(2)、建立定方位定射角射孔的计算机数字模型。将射孔实验设定的参数输入电脑，利用solidworks建模软件建立定面射孔计算机三维数字模型；数字模型中射孔孔道的轴线与井筒轴线夹角，射孔孔道之间夹角按设定数值输入，射孔孔道内径与岩石试样射孔外径一致，井筒处内径尺寸与实验用井筒钢管外径一致，射孔间距、射孔长度、射孔穿深数据、孔道形态与定面射孔实验设定值一致。

(3)、利用3D打印机制作定面射孔装配模型2。将步骤(2)中建立的定面射孔数字模型输出，利用3D打印机设备制作定面射孔装配模型2，如图2所示的。

(4)、定面射孔装配模型2固定于井筒钢管1外表面，如附图3所示，沿射孔孔道3方向钻取井筒钢管壁上孔眼。

(5)、向定面射孔装配模型的射孔孔道内灌注可溶型芯材料。可溶型芯材料充注井筒钢管壁上孔眼和定面射孔装配模型的射孔孔道，可溶型芯的主要成分包括硅溶胶粘结剂、云母粉填料、活性剂、增塑剂。按硅溶胶粘结剂与云母粉填料的比例20：80。加入增塑剂，所述增塑剂为聚乙烯，增塑剂占硅溶胶粘结剂与云母填料总质量的3％。

(6)、可溶性模拟棒4在空气中干燥硬化后，如图4所示的，拆除定面射孔装配模型2。

(7)、井筒钢管1放入岩石试样成型模具中，浇筑适当配比的水泥砂浆5、振捣成型。岩石试样成型模具采用尺寸为300mm×300mm×300mm的钢模具，试样表面平整度≤0.1mm/100mm。

(8)、定面射孔岩石试样恒温恒湿养护。将定面射孔岩石试样放入恒温恒湿养护箱养护28天，养护条件为温度20±2℃，相对湿度95％以上。

(9)、井筒钢管1内注入循环水洗剂，将定面射孔岩石试样孔道内的可溶性模拟棒4溶解掉，从井口处返排。注入的循环水洗剂为2％左右的盐酸水溶液。

(10)、得到定面射孔岩石试样，如图5所示的，用于岩石力学物理模拟试验研究。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (8)

1.一种用于定面射孔岩石试样的制备方法，其包括以下步骤：

A、根据岩石试样中定面射孔的参数通过3D打印机直接得到多簇定面射孔装配模型；

B、将相应定面射孔装配模型固定于井筒钢管外表面，并沿射孔孔道方向在井筒钢管壁上钻取孔眼，然后向定面射孔装配模型的射孔孔道内灌注可溶型芯浇筑材料，可溶型芯浇筑材料充填于射孔孔道、孔眼内；

C、可溶型芯浇筑材料在空气中干燥硬化后，拆除定面射孔装配模型，在井筒钢管壁上形成用于模拟射孔孔道的可溶性模拟棒；

D、将带有可溶性模拟棒的井筒钢管放入岩石试样成型模具中，浇筑适当配比的水泥砂浆、振捣成型，然后再将岩石试样进行恒温恒湿养护；

E、向定型后岩石试样中的井筒钢管内注入循环水洗剂，将岩石试样内的可溶性模拟棒溶解，溶解液从井筒钢管口处返排，得到定面射孔岩石试样。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，上述步骤A具体的包括：

A1、根据油田现场完井施工中的射孔方案，确定定面射孔岩石试样中的射孔簇数量、射孔间距、射孔之间的夹角、射孔轴线与井筒轴线夹角、射孔孔道形状、射孔孔径以及射孔穿深的参数；

A2、将射孔实验设定的参数输入电脑，利用solidworks建模软件建立定面射孔计算机三维数字模型；数字模型中射孔孔道的轴线与井筒轴线夹角，射孔孔道之间夹角按设定数值输入，射孔孔道内径与岩石试样射孔外径一致，井筒处内径尺寸与实验用井筒钢管外径一致，射孔间距、射孔长度、射孔穿深数据、孔道形态与定面射孔实验设定值一致；

A3、将步骤A2中建立的定面射孔计算机三维数字模型输出，利用3D打印机设备制作上述定面射孔装配模型。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，上述步骤C具体的还包括：同一簇的可溶性模拟棒在井筒钢管壁上呈螺旋上升状态布置，位于最下方的可溶性模拟棒向井筒钢管上方倾斜，位于中部的可溶性模拟棒呈水平布置，位于最上方的可溶性模拟棒向井筒钢管下方倾斜，同一簇的可溶性模拟棒在空间形成扇面。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，上述步骤C具体的还包括：上述可溶性模拟棒为柱形、圆台形或其它根据现场射孔孔道形态确定的特殊形状。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，上述步骤B具体的包括：上述可溶型浇筑材料的包括硅溶胶粘结剂、云母粉填料与增塑剂，其中所述增塑剂为聚乙烯；所述硅溶胶粘结剂和云母的质量配比为20：80，增塑剂占硅溶胶粘结剂与云母填料总质量的3％。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，上述步骤D具体的包括：岩石试样成型模具为钢模具，其表面平整度≤0.1mm/100mm。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，上述步骤D具体的包括：将岩石试样放入恒温恒湿养护箱，在温度为20±2℃，相对湿度95％以上，定型28天。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，上述步骤E具体的包括：上述循环水洗剂为2％的盐酸水溶液。