CN106593384A - 具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法，包括以下步骤：在模拟井筒的井壁上设置不同参数组合的螺旋射孔孔眼，并在孔眼内插入螺旋射孔孔道；在试件模具的底面中心位置开设圆孔，将模拟井筒的井筒头朝下放置在圆孔中；将水泥、石英砂和水混合搅拌形成混合物，将混合物浇注到试件模具中，制备人造岩心试件；翻转人造岩心试件，使模拟井筒的井筒头朝上，然后将人造岩心试件放置在真三轴水力压裂试验机上，开展水力压裂物理模拟试验。该模拟方法符合实际压裂情况，可用于模拟非常规页岩气、煤层气和常规低渗透储层水力压裂情况，能够提供不同的螺旋射孔参数组合，为现场水力压裂的螺旋射孔参数设计提供基础数据和理论支撑。

Description

具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法

技术领域

本发明属于油气藏开发技术领域，具体涉及一种具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法。

背景技术

由于低渗透储层具有低孔低渗的地质特征，这将导致其开发难度大，对开发技术要求高，因此水力压裂成为高效开发低渗透储层的重要手段。油田现场通过进行大规模水力压裂作业，在低渗透储层中形成复杂的、具有高导流能力的人工裂缝，改善低渗透储层的渗透率，有效增大储层油气的泄流体积，提高油井产能。采用具有螺旋射孔的井筒进行水力压裂能够获得较好的压裂效果，其中螺旋射孔参数的设计是最关键的环节。

螺旋射孔参数的设计往往决定水力压裂效果的好坏，不同的射孔参数组合导致岩石具有不同的破裂压力，裂缝起裂特征和扩展形态也不同。目前，对螺旋射孔参数的研究主要集中在数值模拟和物模实验上，然而数值模拟简化的计算模型并不能有效的反应出真实地层间的非均质性和各项同性，计算预测结果存在一定误差，所以室内物理模拟实验作为一种最为直观有效的方法成为国内外科研人员倍受青睐的研究手段。

授权公告号为CN201627577U的实用新型专利，公开了一种真三轴钻井堵漏模拟评价装置，该装置能够模拟真实地层中三轴受力情况，为研究裂缝型地层和孔隙地层的堵漏力学机理提供了有效保证，但是该专利并没有公开具体物理模拟方法，也没有说明不同射孔参数对水力压裂的影响规律。申请公布号为CN104060976A的发明专利，公开了一种对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，该方法可对不同储层选择不同井型进行水力压裂模拟实验，对非常规和复杂断块油气藏的水力压裂工艺设计和方案优化提供了理论依据，但是该专利仅研究了不同井型对水力压裂的影响，而没有研究不同射孔参数组合对水力压裂的影响。

因此，急需开发一种具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法，设计不同参数组合的螺旋射孔，为现场施工提供理论依据和指导。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法，按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：加工模拟井筒，并在模拟井筒的井壁上设置不同参数组合的螺旋射孔孔眼；制作螺旋射孔孔道，并将螺旋射孔孔道插入螺旋射孔孔眼中；

步骤二：加工试件模具，在试件模具的底面中心位置开设圆孔，将模拟井筒的井筒头朝下放置在圆孔中，此时模拟井筒竖直地放置在试件模具中；

步骤三：将水泥和石英砂进行混合搅拌，再向其中加入水搅拌均匀，形成混合物；将混合物浇注到试件模具中，待干燥成型后将试件模具拆卸下来，即可得到人造岩心试件；

步骤四：翻转人造岩心试件，使模拟井筒的井筒头朝上，然后将人造岩心试件放置在真三轴水力压裂试验机上，开展水力压裂物理模拟试验，试验结束后观察水力压裂的起裂特征和扩展形态。

优选的是，步骤一中，所述模拟井筒为水平井的水平段井筒，其包括井筒头和井身，模拟井筒的底部密封。

在上述任一方案中优选的是，所述井筒头的外径为20mm、内径为18mm、高度为30mm。

在上述任一方案中优选的是，所述井身的外径为14mm、内径为12.8mm、长度为230mm。

在上述任一方案中优选的是，步骤一中，螺旋射孔的射孔段位于模拟井筒的中间部位，确保射孔段处于人造岩心试件的中心部位。

在上述任一方案中优选的是，所述射孔段包括两簇螺旋射孔孔眼，每一簇螺旋射孔孔眼的数量为6-9个，射孔段上共有12-18个孔眼。

在上述任一方案中优选的是，第一簇螺旋射孔孔眼中最后一个孔眼与第二簇螺旋射孔孔眼中第一个孔眼之间的距离为20-40mm，即簇间距为20-40mm。

在上述任一方案中优选的是，每一簇螺旋射孔孔眼中相邻两个孔眼的垂向距离为1cm，相邻两个孔眼之间的夹角为60-90°，即相位为60-90°。

在上述任一方案中优选的是，所述螺旋射孔孔眼的直径为2-4mm。

在上述任一方案中优选的是，步骤一中，所述螺旋射孔孔道由纸或塑料制成。

在上述任一方案中优选的是，所述螺旋射孔孔道的长度为20-40mm。

在上述任一方案中优选的是，步骤二中，所述试件模具为立方体形无盖容器，其边长为30cm。

在上述任一方案中优选的是，所述试件模具由不锈钢材料制成。

在上述任一方案中优选的是，步骤三中，所述人造岩心试件为立方体形，其边长为30cm。水泥与石英砂的体积配比为1:1，水泥为复合硅酸盐水泥，石英砂的粒度为60目。向试件模具内浇注混合物前，需要在试件模具的内表面涂覆一层润滑油。使用石英砂搅拌机搅拌15-30min；采用自然晾干的方式干燥，持续干燥15-30天。

在上述任一方案中优选的是，步骤四中，所述真三轴水力压裂试验机包括围压系统、注入系统和真三轴试验架，所述围压系统和所述注入系统与所述真三轴试验架连接，所述真三轴试验架内放置人造岩心试件，所述注入系统和所述围压系统与计算机连接，所述注入系统包括压裂液容器Ⅰ、压裂液容器Ⅱ和活塞容器，所述压裂液容器Ⅱ内安装搅拌机构，所述搅拌机构与计算机连接，所述活塞容器内设置活塞片挡板Ⅰ和活塞片挡板Ⅱ，两个活塞片挡板的中部均开口。

本发明使用的真三轴水力压裂试验机，其压裂液容器和推注容器（即活塞容器）分开设计，这样便于更换压裂液。当需要更换压裂液时，只需在压裂液容器中操作即可，将压裂液容器下端的放液阀门打开，使容器内的压裂液排出，然后在容器上端的开口处注入新的压裂液即可，也可以先清洗容器，再注入新的压裂液。而现有技术中，压裂液容器和推注容器由一个装置（油水隔离器）实现，当需要更换压裂液时，将油水隔离器拆开，倒出容器内的水、油，然后手动或使用工具将容器内的活塞片向容器底部推压，再在活塞片上部腔体内注入新的压裂液，操作困难，容器不易清洗干净，并且每次更换压裂液都要拆卸油水隔离器，经过几次拆卸后，将导致油水隔离器的密封性变差，部件连接松动，也会导致注入液体的精度降低，压裂状态不稳定。

在上述任一方案中优选的是，所述压裂液容器Ⅰ的上端通过管线与高压气瓶连接，管线上安装开关阀门Ⅰ；所述压裂液容器Ⅰ的下端通过管线与活塞容器的中部腔体连接，管线上安装开关阀门Ⅱ。

在上述任一方案中优选的是，所述压裂液容器Ⅰ的底部设置放液阀门Ⅰ。

在上述任一方案中优选的是，所述压裂液容器Ⅱ的上端通过管线与高压气瓶连接，管线上安装开关阀门Ⅲ；所述压裂液容器Ⅱ的下端通过管线与活塞容器的上部腔体连接，管线上安装开关阀门Ⅳ。

在上述任一方案中优选的是，所述压裂液容器Ⅱ的底部设置放液阀门Ⅱ。

在上述任一方案中优选的是，所述活塞片挡板Ⅰ和所述活塞片挡板Ⅱ将所述活塞容器分为三个腔体。

在上述任一方案中优选的是，所述活塞容器内设置活塞片Ⅰ和活塞片Ⅱ，两个活塞片可上下移动。

在上述任一方案中优选的是，所述活塞片Ⅰ在所述活塞片挡板Ⅰ的上方，所述活塞片Ⅱ在所述活塞片挡板Ⅱ的上方。

在上述任一方案中优选的是，所述活塞容器的上部腔体通过管线与所述人造岩心试件连接，管线上安装开关阀门Ⅴ；所述活塞容器的中部腔体通过管线与所述人造岩心试件连接，管线上安装开关阀门Ⅵ；所述活塞容器的下部腔体通过管线与水槽连接。

在上述任一方案中优选的是，所述水槽通过管线分别与恒压恒速柱塞泵Ⅰ和恒压恒速柱塞泵Ⅱ连接。

在上述任一方案中优选的是，所述恒压恒速柱塞泵Ⅰ和所述恒压恒速柱塞泵Ⅱ与计算机连接。

在上述任一方案中优选的是，所述围压系统包括高压平流泵Ⅰ、高压平流泵Ⅱ和高压平流泵Ⅲ，三个泵体均与计算机连接。

在上述任一方案中优选的是，所述高压平流泵Ⅰ通过管线与所述人造岩心试件的前后两个面连接，管线上安装背压阀Ⅰ；所述高压平流泵Ⅱ通过管线与所述人造岩心试件的左右两个面连接，管线上安装背压阀Ⅱ；所述高压平流泵Ⅲ通过管线与所述人造岩心试件的上下两个面连接，管线上安装背压阀Ⅲ。当产生的围压超过设定值时，背压阀自动打开，卸压至设定值。

本发明还提供一种真三轴水力压裂试验方法，使用上述任一种真三轴水力压裂试验机，其按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：关闭所有的开关阀门和放液阀门，将压裂液和支撑剂按一定比例注入到压裂液容器Ⅱ中，设定搅拌时间，并启动搅拌机构进行搅拌，形成均匀的携砂压裂液；先打开开关阀门Ⅲ和开关阀门Ⅳ，再打开高压气瓶，此时携砂压裂液进入活塞容器的上部腔体内；待携砂压裂液全部进入后，先关闭高压气瓶，再关闭开关阀门Ⅲ和开关阀门Ⅳ；

步骤二：向压裂液容器Ⅰ中注入前置压裂液，先打开开关阀门Ⅰ和开关阀门Ⅱ，再打开高压气瓶，此时前置压裂液进入活塞容器的中部腔体内；待前置压裂液全部进入后，先关闭高压气瓶，再关闭开关阀门Ⅰ和开关阀门Ⅱ；

步骤三：根据试验要求设定围压值，并通过高压平流泵Ⅰ、高压平流泵Ⅱ和高压平流泵Ⅲ分别给人造岩心试件的三个轴向同时施加围压；

步骤四：打开开关阀门Ⅵ，并启动恒压恒速柱塞泵Ⅰ和恒压恒速柱塞泵Ⅱ，若两个柱塞泵内腔中的水没有满，则两个柱塞泵通过管线分别从水槽中吸满水，然后进行压裂作业；若两个柱塞泵内腔中的水已满，则直接进行压裂作业；

步骤五：根据试验要求设定排水量，当排水量小于等于50ml/min时，只有恒压恒速柱塞泵Ⅰ向活塞容器的下部腔体内排水，此时恒压恒速柱塞泵Ⅱ处于待命状态，当恒压恒速柱塞泵Ⅰ中的水全部排完后，恒压恒速柱塞泵Ⅱ开始向活塞容器的下部腔体内排水，此时恒压恒速柱塞泵Ⅰ从水槽中吸水；当排水量大于50ml/min时，恒压恒速柱塞泵Ⅰ和恒压恒速柱塞泵Ⅱ同时向活塞容器的下部腔体内排水；

步骤六：随着恒压恒速柱塞泵Ⅰ和/或恒压恒速柱塞泵Ⅱ的排水工作，前置压裂液注入到人造岩心试件中，当前置压裂液的注入量达到试验要求时，关闭开关阀门Ⅵ，同时打开开关阀门Ⅴ，此时携砂压裂液注入到人造岩心试件中，当携砂压裂液的注入量达到试验要求时，关闭开关阀门Ⅴ，同时打开开关阀门Ⅵ，此时替置压裂液驱替管线中的携砂压裂液，并最终注入到人造岩心试件中；

步骤七：随着恒压恒速柱塞泵Ⅰ和/或恒压恒速柱塞泵Ⅱ的排水工作，前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液依次注入到人造岩心试件中，同时观察计算机上显示的入口压力与时间的变化关系曲线，当入口压力降到低点，并处于平稳状态时，判断压裂过程结束，保存计算机记录的数据；

步骤八：关闭恒压恒速柱塞泵Ⅰ和恒压恒速柱塞泵Ⅱ，并确定入口压力为零，同时确定两个柱塞泵的内腔压力均为零，若内腔压力不为零，需要重新启动相应的柱塞泵，启动的瞬间再停止即可使内腔压力变为零；同时打开背压阀Ⅰ、背压阀Ⅱ和背压阀Ⅲ，卸载人造岩心试件三个轴向上的围压；

步骤九：从真三轴试验架内取出人造岩心试件，观察裂缝扩展情况。

优选的是，所述活塞容器的体积为2000ml。

在上述任一方案中优选的是，向人造岩心试件注入的前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液的总体积为500-800ml。

在上述任一方案中优选的是，向人造岩心试件注入的前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液分别为总体积的40%、50%和10%。

前置压裂液中不含有支撑剂，用于压开人造岩心试件的底层，延伸拓展裂缝，为裂缝准备充裕的填砂空间，等待支撑剂的到来；配制携砂压裂液时，可根据储集层特征和工艺要求选用不同的压裂液体系，用于进一步扩展裂缝；替置压裂液即为前置压裂液，只是二者的作用不同，替置压裂液用于在缝中输送和铺置支撑剂，形成具有设计要求的导流能力和几何形状的支撑剂填充裂缝，将井筒中的携砂压裂液全部替入储集层裂缝，以免井底沉砂或砂卡井下工具。

在本发明的真三轴水力压裂试验中，活塞容器的上部腔体用于注入携砂压裂液，其容积为500ml；活塞容器的中部腔体用于注入前置压裂液，其容积为1000ml；活塞容器的下部腔体用于注入水，其容积为500ml。每次注入的携砂压裂液都必须是500ml，即将活塞容器的上部腔体填满，注入的前置压裂液的体积至少是前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液的总量。具有以下两点原因：（1）首先注入前置压裂液，前置压裂液从活塞容器中部腔体的右上方（即活塞片挡板Ⅰ的右下方）注入到人造岩心试件内部，活塞片Ⅱ往上升的体积即为所注入的前置压裂液体积；然后注入携砂压裂液，此时活塞片Ⅰ和活塞片Ⅱ同时往上升（将两个活塞片视为一个整体），上升的体积即为注入携砂压裂液的体积；最后注入替置压裂液，此时恒压恒速柱塞泵Ⅰ和恒压恒速柱塞泵Ⅱ推着活塞片Ⅱ往上升，上升的体积即为替置压裂液的体积。整个过程中活塞片Ⅱ都是往上升的，而且上升的体积即为前置压裂液、携砂压裂液、替置压裂液三者之和，因为在整个压裂过程中，液体会有一定的压缩，所以注入到活塞容器中部腔体的前置压裂液至少是三者之和。（2）向活塞容器的上部腔体内注满携砂压裂液，即注入500ml，如果不注满，那么在驱替携砂压裂液时，最开始被挤出去的是上部腔体内的空气，然后再开始注入携砂压裂液，此时所消耗的前置压裂液是携砂压裂液和空气的体积之和，而加入中部腔体内的前置压裂液等于前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液三者之和，空气可能会导致前置压裂液的注入量不足。

在上述任一方案中优选的是，步骤二中，搅拌时间至少为20min。

在上述任一方案中优选的是，步骤三中，对人造岩心试件施加三轴围压：X方向为水平最大主应力，即向人造岩心试件的前后两个面施加围压；Y方向为垂向应力，即向人造岩心试件的左右两个面施加围压；Z方向为水平最小主应力，即向人造岩心试件的上下两个面施加围压。

在上述任一方案中优选的是，步骤五中，排水量设定范围为0-100ml/min。

在上述任一方案中优选的是，所述替置压裂液采用前置压裂液，其作用是将管线内的携砂压裂液驱替至岩心中。

本发明使用的真三轴水力压裂试验机，其围压系统由三个单独的压力系统组成，每个系统之间可以同时加压也可分步加压，三面围压既能等压又能存在差压。每个单独的围压系统由硅油容器、平流泵、背压阀和管线等组成。围压介质采用硅油，由于硅油具有卓越的耐热性、电绝缘性、耐候性、疏水性、生理惰性和较小的表面张力，此外还具有较低的粘温系数和较高的抗压缩性，所以硅油作为加压介质具有效率高、安全性能好、无干扰等特点。高压输液泵采用双柱塞往复泵，一个为主吸液柱塞，另一个为辅助柱塞，由计算机控制的高效精密输液泵系统，能够确保在各种使用条件下都具有较高的输液精度和较好的重复性指标。注入系统由活塞容器、注入介质容器、压裂液搅拌容器和推注系统组成。活塞容器由不锈钢材料制成，其额定安全压力为100MPa、容积为2000ml；活塞容器由两个活塞片分隔成三个腔体，上部腔体和中部腔体内注入压裂液，下部腔体内推注液体。注入介质容器由不锈钢材料制成，其额定安全压力为2MPa、容积为2L。该容器带有刻度为1000ml的溶液调配罐，根据实验要求在调配罐中调配不同的压裂液，调配完成后打开调配罐下方的阀门注入容器中，然后关闭溶液调配罐阀门。打开高压气瓶或空气压缩泵，利用气压将注入介质压入活塞容器内。压裂液搅拌容器由不锈钢材料制成，其额定安全压力为2MPa、容积为2L，内设电机搅拌机构，可调节转速。压裂液搅拌容器上有支撑剂注入口和液体注入口，根据试验比例注入清水和支撑剂，由计算机控制搅拌机构，调节至需要的转速和搅拌时间，搅拌均匀后利用气压将压裂液注入活塞容器内。助推系统由双缸恒压恒速柱塞泵泵和助推液体容器组成。双缸恒压恒速柱塞泵的压力为100MPa、流速为0-100ml/min、精度为0.01ml/min。该柱塞泵的特点是启动、停止、流量等均通过计算机程序实现自动控制。该系统设计紧凑，方便且完全封闭，并采用进口伺服电机配合可编程控制器和智能显示屏对柱塞泵的进、退、调速、调压等进行精确控制，利用动画演示指示柱塞泵的运行状态和故障，曲线显示液体流速、流量以及压力的实时变化，具有操作简单、方便的人机接口界面。双缸恒压恒速柱塞泵既可以单缸独立工作，也可以双缸联动不间断地工作。单缸、双缸工作，均有恒压、恒流、跟踪三种工作模式，满足不同操作和试验的需求。在安全系统方面，本发明的试验机为高压装置，为确保试验安全，在围压系统和注入系统的入口都配置了安全阀，该安全阀灵敏度高、操作便捷、安全可靠，当围压或注入压力超过安全设定值时，安全阀会自动打开释放压力，同时在计算机上设置上限压力值，当压力超过设定值时，计算机发出命令自动停泵，以保证管路和操作人员的安全。在计算机采集和控制系统方面，数据采集系统可采集压力、温度、流量、恒速恒压柱塞泵的压力等即时数值。为保证测量精度和控制的可靠性，采用C168H数字采集控制卡，从而实现数字化采集传输。软件在Windows7/XP环境下运行，具有气体参数转化、数据分析功能。试验操作流程显示在界面上，可实现人机对话，操作人员设定好参数后，试验机即可独自工作，计算机可自动采集所有压力、流速等数值。计算机采集的数据经过处理后可生成原始数据报表、分析报表以及曲线图，同时生成数据库文件以便备份查询。

本发明的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法，操作简单，符合实际压裂情况，模拟结果准确，可用于模拟非常规页岩气、煤层气和常规低渗透储层水力压裂情况，该模拟方法能够提供不同的螺旋射孔参数组合，为现场水力压裂的螺旋射孔参数设计提供基础数据和理论支撑。

利用本发明的模拟方法可有效指导现场施工，具体包括以下几个方面：（1）通过物理模拟试验，确定不同射孔参数（孔道长度、孔眼直径、射孔密度、射孔相位、射孔簇间距）对水力裂缝起裂形态的影响；（2）水力压裂后，沿着水力裂缝打开人造岩心试件，观察并分析裂缝扩展形态和转向特征；（3）对比不同组的试验结果，优化螺旋射孔参数。

附图说明

图1为按照本发明的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法的一优选实施例的模拟井筒结构示意图，螺旋射孔参数：螺旋射孔孔道长度30mm、螺旋射孔孔眼直径2mm、孔眼数量12个、相位60°、簇间距20mm；

图2为按照本发明的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法的图1所示实施例的模拟井筒实物图；

图3为按照本发明的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法的另一优选实施例的模拟井筒结构示意图，螺旋射孔参数：螺旋射孔孔道长度40mm、螺旋射孔孔眼直径2mm、孔眼数量12个、相位60°、簇间距20mm；

图4为按照本发明的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法的图3所示实施例的模拟井筒实物图；

图5为按照本发明的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法的另一优选实施例的模拟井筒结构示意图，螺旋射孔参数：螺旋射孔孔道长度30mm、螺旋射孔孔眼直径4mm、孔眼数量12个、相位60°、簇间距20mm；

图6为按照本发明的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法的图5所示实施例的模拟井筒实物图；

图7为按照本发明的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法的另一优选实施例的模拟井筒结构示意图，螺旋射孔参数：螺旋射孔孔道长度30mm、螺旋射孔孔眼直径2mm、孔眼数量18个、相位60°、簇间距20mm；

图8为按照本发明的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法的图7所示实施例的模拟井筒实物图；

图9为按照本发明的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法的另一优选实施例的模拟井筒结构示意图，螺旋射孔参数：螺旋射孔孔道长度30mm、螺旋射孔孔眼直径2mm、孔眼数量12个、相位90°、簇间距20mm；

图10为按照本发明的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法的图9所示实施例的模拟井筒实物图；

图11为按照本发明的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法的另一优选实施例的模拟井筒结构示意图，螺旋射孔参数：螺旋射孔孔道长度30mm、螺旋射孔孔眼直径2mm、孔眼数量12个、相位60°、簇间距40mm；

图12为按照本发明的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法的图11所示实施例的模拟井筒实物图；

图13为按照本发明的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法的图1所示实施例的人造岩心试件实物图；

图14为按照本发明的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法的图1所示实施例的真三轴水力压裂试验机的结构示意图；

图15为按照本发明的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法的图1所示实施例的真三轴水力压裂试验机的注入系统结构示意图；

图16为按照本发明的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法的图1所示实施例的真三轴水力压裂试验机的活塞容器内部结构示意图；

图17为按照本发明的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法的图1所示实施例的真三轴水力压裂试验机的围压系统结构示意图。

图中标注说明：1-围压系统，101-高压平流泵Ⅰ，102-高压平流泵Ⅱ，103-高压平流泵Ⅲ，104-背压阀Ⅰ，105-背压阀Ⅱ，106-背压阀Ⅲ；

2-注入系统，201-压裂液容器Ⅰ，202-压裂液容器Ⅱ，203-活塞容器，204-搅拌机构，205-高压气瓶，206-开关阀门Ⅰ，207-开关阀门Ⅱ，208-放液阀门Ⅰ，209-开关阀门Ⅲ，210-开关阀门Ⅳ，211-放液阀门Ⅱ，212-开关阀门Ⅴ，213-开关阀门Ⅵ，214-活塞片挡板Ⅰ，215-活塞片挡板Ⅱ，216-活塞片Ⅰ，217-活塞片Ⅱ，218-活塞容器的上部腔体，219-活塞容器的中部腔体，220-活塞容器的下部腔体，221-水槽，222-恒压恒速柱塞泵Ⅰ，223-恒压恒速柱塞泵Ⅱ；

3-真三轴试验架，4-人造岩心试件，5-计算机；

6-模拟井筒，61-井筒头，62-井身，63-第一簇螺旋射孔孔眼，64-第二簇螺旋射孔孔眼，65-螺旋射孔孔眼，66-螺旋射孔孔道。

具体实施方式

为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本发明。

实施例一：

如图1、图2和图13所示，按照本发明的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法的一实施例，按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：加工模拟井筒6，并在模拟井筒6的井壁上设置不同参数组合的螺旋射孔孔眼65；制作螺旋射孔孔道66，并将螺旋射孔孔道66插入螺旋射孔孔眼65中；

步骤二：加工试件模具，在试件模具的底面中心位置开设圆孔，将模拟井筒6的井筒头61朝下放置在圆孔中，此时模拟井筒6竖直地放置在试件模具中；

步骤三：将水泥和石英砂进行混合搅拌，再向其中加入水搅拌均匀，形成混合物；将混合物浇注到试件模具中，待干燥成型后将试件模具拆卸下来，即可得到人造岩心试件4；

步骤四：翻转人造岩心试件4，使模拟井筒6的井筒头61朝上，然后将人造岩心试件4放置在真三轴水力压裂试验机上，开展水力压裂物理模拟试验，试验结束后观察水力压裂的起裂特征和扩展形态。

步骤一中，所述模拟井筒6为水平井的水平段井筒，其包括井筒头61和井身62，模拟井筒6的底部密封。所述井筒头61的外径为20mm、内径为18mm、高度为30mm；所述井身62的外径为14mm、内径为12.8mm、长度为230mm。螺旋射孔的射孔段位于模拟井筒6的中间部位，确保射孔段处于人造岩心试件的中心部位。所述射孔段包括两簇螺旋射孔孔眼65，每一簇螺旋射孔孔眼65的数量为6个，射孔段上共有12个孔眼；第一簇螺旋射孔孔眼63中最后一个孔眼与第二簇螺旋射孔孔眼64中第一个孔眼之间的距离为20mm，即簇间距为20mm；每一簇螺旋射孔孔眼65中相邻两个孔眼的垂向距离为1cm，相邻两个孔眼之间的夹角为60°，即相位为60°；螺旋射孔孔眼65的直径为2mm；螺旋射孔孔道66的长度为30mm。所述螺旋射孔孔道由纸或塑料制成。

步骤二中，所述试件模具为立方体形无盖容器，其边长为30cm，试件模具由不锈钢材料制成。

步骤三中，所述人造岩心试件为立方体形，其边长为30cm。水泥与石英砂的体积配比为1:1，水泥为复合硅酸盐水泥，石英砂的粒度为60目。向试件模具内浇注混合物前，需要在试件模具的内表面涂覆一层润滑油。使用石英砂搅拌机搅拌15-30min；采用自然晾干的方式干燥，持续干燥15-30天。

如图14和图15所示，步骤四中，所述真三轴水力压裂试验机包括围压系统1、注入系统2和真三轴试验架3，所述围压系统1和所述注入系统2与所述真三轴试验架3连接，所述真三轴试验架3内放置人造岩心试件4，所述注入系统2和所述围压系统1与计算机5连接，所述注入系统2包括压裂液容器Ⅰ201、压裂液容器Ⅱ202和活塞容器203，所述压裂液容器Ⅱ202内安装搅拌机构204，所述搅拌机构204与计算机5连接，所述活塞容器203内设置活塞片挡板Ⅰ214和活塞片挡板Ⅱ215，两个活塞片挡板的中部均开口。

所述压裂液容器Ⅰ201的上端通过管线与高压气瓶205连接，管线上安装开关阀门Ⅰ206；所述压裂液容器Ⅰ201的下端通过管线与活塞容器的中部腔体219连接，管线上安装开关阀门Ⅱ207。所述压裂液容器Ⅰ201的底部设置放液阀门Ⅰ208。所述压裂液容器Ⅱ202的上端通过管线与高压气瓶205连接，管线上安装开关阀门Ⅲ209；所述压裂液容器Ⅱ202的下端通过管线与活塞容器的上部腔体218连接，管线上安装开关阀门Ⅳ210。所述压裂液容器Ⅱ202的底部设置放液阀门Ⅱ211。

所述活塞容器的上部腔体218通过管线与所述人造岩心试件4连接，管线上安装开关阀门Ⅴ212；所述活塞容器的中部腔体219通过管线与所述人造岩心试件4连接，管线上安装开关阀门Ⅵ213；所述活塞容器的下部腔体220通过管线与水槽221连接。所述水槽221通过管线分别与恒压恒速柱塞泵Ⅰ222和恒压恒速柱塞泵Ⅱ223连接。所述恒压恒速柱塞泵Ⅰ222和所述恒压恒速柱塞泵Ⅱ223与计算机5连接。

如图16所示，所述活塞片挡板Ⅰ214和所述活塞片挡板Ⅱ215将所述活塞容器203分为三个腔体。所述活塞容器203内设置活塞片Ⅰ216和活塞片Ⅱ217，两个活塞片可上下移动。所述活塞片Ⅰ216在所述活塞片挡板Ⅰ214的上方，所述活塞片Ⅱ217在所述活塞片挡板Ⅱ215的上方。

如图17所示，所述围压系统1包括高压平流泵Ⅰ101、高压平流泵Ⅱ102和高压平流泵Ⅲ103，三个泵体均与计算机5连接。所述高压平流泵Ⅰ101通过管线与所述人造岩心试件4的前后两个面连接，管线上安装背压阀Ⅰ104；所述高压平流泵Ⅱ102通过管线与所述人造岩心试件4的左右两个面连接，管线上安装背压阀Ⅱ105；所述高压平流泵Ⅲ103通过管线与所述人造岩心试件4的上下两个面连接，管线上安装背压阀Ⅲ104。当产生的围压超过设定值时，背压阀自动打开，卸压至设定值。

使用本实施例的真三轴水力压裂试验机进行压裂试验，其按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：关闭所有的开关阀门和放液阀门，将压裂液和支撑剂按一定比例注入到压裂液容器Ⅱ中，设定搅拌时间，并启动搅拌机构进行搅拌，形成均匀的携砂压裂液；先打开开关阀门Ⅲ和开关阀门Ⅳ，再打开高压气瓶，此时携砂压裂液进入活塞容器的上部腔体内；待携砂压裂液全部进入后，先关闭高压气瓶，再关闭开关阀门Ⅲ和开关阀门Ⅳ；

步骤二：向压裂液容器Ⅰ中注入前置压裂液，先打开开关阀门Ⅰ和开关阀门Ⅱ，再打开高压气瓶，此时前置压裂液进入活塞容器的中部腔体内；待前置压裂液全部进入后，先关闭高压气瓶，再关闭开关阀门Ⅰ和开关阀门Ⅱ；

步骤三：根据试验要求设定围压值，并通过高压平流泵Ⅰ、高压平流泵Ⅱ和高压平流泵Ⅲ分别给人造岩心试件的三个轴向同时施加围压；

步骤四：打开开关阀门Ⅵ，并启动恒压恒速柱塞泵Ⅰ和恒压恒速柱塞泵Ⅱ，若两个柱塞泵内腔中的水没有满，则两个柱塞泵通过管线分别从水槽中吸满水，然后进行压裂作业；若两个柱塞泵内腔中的水已满，则直接进行压裂作业；

步骤五：根据试验要求设定排水量，当排水量小于等于50ml/min时，只有恒压恒速柱塞泵Ⅰ向活塞容器的下部腔体内排水，此时恒压恒速柱塞泵Ⅱ处于待命状态，当恒压恒速柱塞泵Ⅰ中的水全部排完后，恒压恒速柱塞泵Ⅱ开始向活塞容器的下部腔体内排水，此时恒压恒速柱塞泵Ⅰ从水槽中吸水；当排水量大于50ml/min时，恒压恒速柱塞泵Ⅰ和恒压恒速柱塞泵Ⅱ同时向活塞容器的下部腔体内排水；

步骤六：随着恒压恒速柱塞泵Ⅰ和/或恒压恒速柱塞泵Ⅱ的排水工作，前置压裂液注入到人造岩心试件中，当前置压裂液的注入量达到试验要求时，关闭开关阀门Ⅵ，同时打开开关阀门Ⅴ，此时携砂压裂液注入到人造岩心试件中，当携砂压裂液的注入量达到试验要求时，关闭开关阀门Ⅴ，同时打开开关阀门Ⅵ，此时替置压裂液驱替管线中的携砂压裂液，并最终注入到人造岩心试件中；

步骤七：随着恒压恒速柱塞泵Ⅰ和/或恒压恒速柱塞泵Ⅱ的排水工作，前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液依次注入到人造岩心试件中，同时观察计算机上显示的入口压力与时间的变化关系曲线，当入口压力降到低点，并处于平稳状态时，判断压裂过程结束，保存计算机记录的数据；

步骤八：关闭恒压恒速柱塞泵Ⅰ和恒压恒速柱塞泵Ⅱ，并确定入口压力为零，同时确定两个柱塞泵的内腔压力均为零，若内腔压力不为零，需要重新启动相应的柱塞泵，启动的瞬间再停止即可使内腔压力变为零；同时打开背压阀Ⅰ、背压阀Ⅱ和背压阀Ⅲ，卸载人造岩心试件三个轴向上的围压；

步骤九：从真三轴试验架内取出人造岩心试件，观察裂缝扩展情况。

所述活塞容器的体积为2000ml。向人造岩心试件注入的前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液的总体积为500ml，其中前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液分别为总体积的40%、50%和10%，即注入的前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液分别为200ml、250ml、50ml。

步骤二中，搅拌时间至少为20min。步骤三中，对人造岩心试件施加三轴围压：X方向为水平最大主应力，即向人造岩心试件的前后两个面施加围压；Y方向为垂向应力，即向人造岩心试件的左右两个面施加围压；Z方向为水平最小主应力，即向人造岩心试件的上下两个面施加围压。步骤五中，排水量设定范围为0-100ml/min。所述替置压裂液采用前置压裂液，其作用是将管线内的携砂压裂液驱替至岩心中。

本实施例使用的真三轴水力压裂试验机，其围压系统由三个单独的压力系统组成，每个系统之间可以同时加压也可分步加压，三面围压既能等压又能存在差压。每个单独的围压系统由硅油容器、平流泵、背压阀和管线等组成。围压介质采用硅油，由于硅油具有卓越的耐热性、电绝缘性、耐候性、疏水性、生理惰性和较小的表面张力，此外还具有较低的粘温系数和较高的抗压缩性，所以硅油作为加压介质具有效率高、安全性能好、无干扰等特点。高压输液泵采用双柱塞往复泵，一个为主吸液柱塞，另一个为辅助柱塞，由计算机控制的高效精密输液泵系统，能够确保在各种使用条件下都具有较高的输液精度和较好的重复性指标。注入系统由活塞容器、注入介质容器、压裂液搅拌容器和推注系统组成。活塞容器由不锈钢材料制成，其额定安全压力为100MPa、容积为2000ml；活塞容器由两个活塞片分隔成三个腔体，上部腔体和中部腔体内注入压裂液，下部腔体内推注液体。注入介质容器由不锈钢材料制成，其额定安全压力为2MPa、容积为2L。该容器带有刻度为1000ml的溶液调配罐，根据实验要求在调配罐中调配不同的压裂液，调配完成后打开调配罐下方的阀门注入容器中，然后关闭溶液调配罐阀门。打开高压气瓶或空气压缩泵，利用气压将注入介质压入活塞容器内。压裂液搅拌容器由不锈钢材料制成，其额定安全压力为2MPa、容积为2L，内设电机搅拌机构，可调节转速。压裂液搅拌容器上有支撑剂注入口和液体注入口，根据试验比例注入清水和支撑剂，由计算机控制搅拌机构，调节至需要的转速和搅拌时间，搅拌均匀后利用气压将压裂液注入活塞容器内。助推系统由双缸恒压恒速柱塞泵泵和助推液体容器组成。双缸恒压恒速柱塞泵的压力为100MPa、流速为0-100ml/min、精度为0.01ml/min。该柱塞泵的特点是启动、停止、流量等均通过计算机程序实现自动控制。该系统设计紧凑，方便且完全封闭，并采用进口伺服电机配合可编程控制器和智能显示屏对柱塞泵的进、退、调速、调压等进行精确控制，利用动画演示指示柱塞泵的运行状态和故障，曲线显示液体流速、流量以及压力的实时变化，具有操作简单、方便的人机接口界面。双缸恒压恒速柱塞泵既可以单缸独立工作，也可以双缸联动不间断地工作。单缸、双缸工作，均有恒压、恒流、跟踪三种工作模式，满足不同操作和试验的需求。在安全系统方面，本发明的试验机为高压装置，为确保试验安全，在围压系统和注入系统的入口都配置了安全阀，该安全阀灵敏度高、操作便捷、安全可靠，当围压或注入压力超过安全设定值时，安全阀会自动打开释放压力，同时在计算机上设置上限压力值，当压力超过设定值时，计算机发出命令自动停泵，以保证管路和操作人员的安全。在计算机采集和控制系统方面，数据采集系统可采集压力、温度、流量、恒速恒压柱塞泵的压力等即时数值。为保证测量精度和控制的可靠性，采用C168H数字采集控制卡，从而实现数字化采集传输。软件在Windows7/XP环境下运行，具有气体参数转化、数据分析功能。试验操作流程显示在界面上，可实现人机对话，操作人员设定好参数后，试验机即可独自工作，计算机可自动采集所有压力、流速等数值。计算机采集的数据经过处理后可生成原始数据报表、分析报表以及曲线图，同时生成数据库文件以便备份查询。

实施例二：

如图3和图4所示，按照本发明的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法的另一实施例，其工艺步骤、原理和有益效果等均与实施例一相同。

本实施例中，螺旋射孔参数组合如下：射孔段包括两簇螺旋射孔孔眼65，每一簇螺旋射孔孔眼65的数量为6个，射孔段上共有12个孔眼；第一簇螺旋射孔孔眼63中最后一个孔眼与第二簇螺旋射孔孔眼64中第一个孔眼之间的距离为20mm，即簇间距为20mm；每一簇螺旋射孔孔眼65中相邻两个孔眼的垂向距离为1cm，相邻两个孔眼之间的夹角为60°，即相位为60°；螺旋射孔孔眼65的直径为2mm；螺旋射孔孔道66的长度为40mm。

本实施例中，使用真三轴水力压裂试验机进行试验，其工艺参数如下：向人造岩心试件注入的前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液的总体积为800ml，其中前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液分别为总体积的40%、50%和10%，即注入的前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液分别为320ml、400ml、80ml。

实施例三：

如图5和图6所示，按照本发明的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法的另一实施例，其工艺步骤、原理和有益效果等均与实施例一相同。

本实施例中，螺旋射孔参数组合如下：射孔段包括两簇螺旋射孔孔眼65，每一簇螺旋射孔孔眼65的数量为6个，射孔段上共有12个孔眼；第一簇螺旋射孔孔眼63中最后一个孔眼与第二簇螺旋射孔孔眼64中第一个孔眼之间的距离为20mm，即簇间距为20mm；每一簇螺旋射孔孔眼65中相邻两个孔眼的垂向距离为1cm，相邻两个孔眼之间的夹角为60°，即相位为60°；螺旋射孔孔眼65的直径为4mm；螺旋射孔孔道66的长度为30mm。

本实施例中，使用真三轴水力压裂试验机进行试验，其工艺参数如下：向人造岩心试件注入的前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液的总体积为600ml，其中前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液分别为总体积的40%、50%和10%，即注入的前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液分别为240ml、300ml、60ml。

实施例四：

如图7和图8所示，按照本发明的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法的另一实施例，其工艺步骤、原理和有益效果等均与实施例一相同。

本实施例中，螺旋射孔参数组合如下：射孔段包括两簇螺旋射孔孔眼65，每一簇螺旋射孔孔眼65的数量为9个，射孔段上共有18个孔眼；第一簇螺旋射孔孔眼63中最后一个孔眼与第二簇螺旋射孔孔眼64中第一个孔眼之间的距离为20mm，即簇间距为20mm；每一簇螺旋射孔孔眼65中相邻两个孔眼的垂向距离为1cm，相邻两个孔眼之间的夹角为60°，即相位为60°；螺旋射孔孔眼65的直径为2mm；螺旋射孔孔道66的长度为30mm。

本实施例中，使用真三轴水力压裂试验机进行试验，其工艺参数如下：向人造岩心试件注入的前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液的总体积为700ml，其中前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液分别为总体积的40%、50%和10%，即注入的前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液分别为280ml、350ml、70ml。

实施例五：

如图9和图10所示，按照本发明的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法的另一实施例，其工艺步骤、原理和有益效果等均与实施例一相同。

本实施例中，螺旋射孔参数组合如下：射孔段包括两簇螺旋射孔孔眼65，每一簇螺旋射孔孔眼65的数量为6个，射孔段上共有12个孔眼；第一簇螺旋射孔孔眼63中最后一个孔眼与第二簇螺旋射孔孔眼64中第一个孔眼之间的距离为20mm，即簇间距为20mm；每一簇螺旋射孔孔眼65中相邻两个孔眼的垂向距离为1cm，相邻两个孔眼之间的夹角为90°，即相位为90°；螺旋射孔孔眼65的直径为2mm；螺旋射孔孔道66的长度为30mm。

实施例六：

如图11和图12所示，按照本发明的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法的另一实施例，其工艺步骤、原理和有益效果等均与实施例一相同。

本实施例中，螺旋射孔参数组合如下：射孔段包括两簇螺旋射孔孔眼65，每一簇螺旋射孔孔眼65的数量为6个，射孔段上共有12个孔眼；第一簇螺旋射孔孔眼63中最后一个孔眼与第二簇螺旋射孔孔眼64中第一个孔眼之间的距离为40mm，即簇间距为40mm；每一簇螺旋射孔孔眼65中相邻两个孔眼的垂向距离为1cm，相邻两个孔眼之间的夹角为60°，即相位为60°；螺旋射孔孔眼65的直径为2mm；螺旋射孔孔道66的长度为30mm。

本领域技术人员不难理解，本发明的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法包括上述本发明说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法，按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：加工模拟井筒，并在模拟井筒的井壁上设置不同参数组合的螺旋射孔孔眼；制作螺旋射孔孔道，并将螺旋射孔孔道插入螺旋射孔孔眼中；

步骤二：加工试件模具，在试件模具的底面中心位置开设圆孔，将模拟井筒的井筒头朝下放置在圆孔中，此时模拟井筒竖直地放置在试件模具中；

步骤三：将水泥和石英砂进行混合搅拌，再向其中加入水搅拌均匀，形成混合物；将混合物浇注到试件模具中，待干燥成型后将试件模具拆卸下来，即可得到人造岩心试件；

步骤四：翻转人造岩心试件，使模拟井筒的井筒头朝上，然后将人造岩心试件放置在真三轴水力压裂试验机上，开展水力压裂物理模拟试验，试验结束后观察水力压裂的起裂特征和扩展形态。

2.如权利要求1所述的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法，其特征在于：步骤一中，所述模拟井筒为水平井的水平段井筒，其包括井筒头和井身，模拟井筒的底部密封。

3.如权利要求2所述的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法，其特征在于：所述井筒头的外径为20mm、内径为18mm、高度为30mm。

4.如权利要求2所述的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法，其特征在于：所述井身的外径为14mm、内径为12.8mm、长度为230mm。

5.如权利要求1所述的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法，其特征在于：步骤一中，螺旋射孔的射孔段位于模拟井筒的中间部位。

6.如权利要求5所述的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法，其特征在于：所述射孔段包括两簇螺旋射孔孔眼，每一簇螺旋射孔孔眼的数量为6-9个。

7.如权利要求6所述的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法，其特征在于：第一簇螺旋射孔孔眼中最后一个孔眼与第二簇螺旋射孔孔眼中第一个孔眼之间的距离为20-40mm。

8.如权利要求6所述的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法，其特征在于：每一簇螺旋射孔孔眼中相邻两个孔眼的垂向距离为1cm，相邻两个孔眼之间的夹角为60-90°。

9.如权利要求6所述的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法，其特征在于：所述螺旋射孔孔眼的直径为2-4mm。

10.如权利要求1所述的具有螺旋射孔水平井的水力压裂物理模拟方法，其特征在于：步骤一中，所述螺旋射孔孔道由纸或塑料制成。