CN108843297B - 一种致密储层体积压裂裂缝的闭锁增能模拟装置及方法 - Google Patents

一种致密储层体积压裂裂缝的闭锁增能模拟装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种致密储层体积压裂裂缝的闭锁增能模拟装置及方法，其特征在于，该闭锁增能模拟装置包括支架、闭锁腔室、液压机、位移传感器、第一液压泵、第二液压泵、储液容器和天平；支架内固定设置闭锁腔室，闭锁腔室内放置开设有充液腔和闭锁裂缝的实验岩块，闭锁腔室顶部固定连接液压机，液压机进液口连接第一液压泵出液口；闭锁腔室顶部设置有用于实时采集闭锁裂缝位移量的位移传感器；闭锁腔室进液口连接第二液压泵出液口，第二液压泵用于向充液腔内通入带压液体；位于闭锁腔室两侧的出液口分别连接一用于储存从闭锁裂缝流出的带压液体的储液容器，每一储液容器底部均设置有天平，本发明可广泛应用于非常规油气田开发及储层改造技术领域中。

Description

一种致密储层体积压裂裂缝的闭锁增能模拟装置及方法
技术领域
本发明是关于一种致密储层体积压裂裂缝的闭锁增能模拟装置及方法，属于非常规油气田开发及储层改造技术领域。
背景技术
中国非常规油气资源储量丰富，开采潜力巨大，体积压裂是非常规油气资源开发的关键技术之一，压裂过程中注入的大量压裂液返排率通常较低。压裂液不仅具有造缝的作用，滞留在裂缝内的液体能够增加储层的能量。实践表明，压后地层能量整体提升且临井产量增加，这是增能最有效的证据之一。通过微地震、返排现场数据和生产数据等多种途径可以认识到，不同于常规压裂中所形成的双侧对翼裂缝，体积压裂形成的缝网较复杂，具有分支裂缝和微裂隙发育，复杂的缝网对压裂液的返排率有着重要影响。压裂液低返排的机理和影响因素尚不明确，滞留在裂缝中还是渗吸进入基质中认识不充分，给压裂方案的设计和优化带来一系列问题，滞留压裂液能否起到增能的作用证据不充分。研究致密储层体积压裂裂缝“闭锁”增能机理和因素，能够认清存地压裂液对于补充地层能量的作用，进一步优化压裂方案。
目前，对于致密储层体积压裂增能作用研究的设备较少，部分学者通过成熟的商业软件进行模拟，使用压裂液注入裂缝之后压力的重新分布对比值来表征增能的效果。真三轴水力压裂装置能够较好的模拟压裂过程，同时收集到压裂过程中压力波动数据和裂缝的破裂数，主要包括三轴围压加载系统、水利压力加载系统、压力以及裂缝监测系统。实验过程中将物理模型放入围压加载系统模拟地下的真实受力情况，可以在不同水平地应力、不同上覆压力下进行实验。岩石受到外力挤压后，通过水力压力系统向岩石中注入带压液体，当带压液体提供的压力高于岩石破裂压力时，水压使得岩石破裂。同时，裂缝监测系统能够记录下岩石的破裂事件数，通过岩石的破裂事件数来反映裂缝的密度。
然而，上述装置和方法仍然存在一定的问题：1)通过数值模拟方法进行模拟研究与现场实际情况差别较大，数值模拟中各个参数均为结合现场情况进行假设或计算而得，用一定适用的模型运算后得到的结果，证据不够充分，不能有效评价存地压裂液增能的效率。2)真三轴水力压裂装置中的围压加载系统是三向的，在压裂形成裂缝的过程中形成了较复杂的裂缝系统，不便于控制每条裂缝的形态和开度，无法通过控制变量的方法对影响增能的因素进行研究。3)裂缝监测系统用于记录裂缝的开裂情况以及裂缝的复杂程度，当所研究的对象为单一裂缝时，可以不需要该裂缝监测系统。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够有效评价存地压裂液增能效率且能够控制裂缝的形态和开度的致密储层体积压裂裂缝的闭锁增能模拟装置及方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种致密储层体积压裂裂缝的闭锁增能模拟装置，其特征在于，该闭锁增能模拟装置包括支架、闭锁腔室、液压机、位移传感器、第一液压泵、第二液压泵、储液容器和天平；所述支架内固定设置所述闭锁腔室，所述闭锁腔室内放置开设有充液腔和闭锁裂缝的实验岩块，所述闭锁腔室顶部固定连接所述液压机，所述液压机的进液口连接所述第一液压泵的出液口；所述闭锁腔室顶部设置有用于实时采集所述闭锁裂缝位移量的所述位移传感器；所述闭锁腔室的进液口连接所述第二液压泵的出液口，所述第二液压泵用于向所述充液腔内通入带压液体；位于所述闭锁腔室两侧的出液口分别连接一所述储液容器，所述储液容器用于储存从所述闭锁裂缝流出的带压液体，每一所述储液容器底部均设置有一所述天平。
优选地，所述闭锁腔室包括壳体、进液管线、进液阀、集液阀、出液管线和出液阀；所述壳体顶部开设有进液口，所述壳体两侧分别开设有出液口，所述进液口通过所述进液管线连接所述第二液压泵的出液口，所述进液管线上设置有所述进液阀；两所述出液口处分别设置有所述集液阀；两所述出液口分别通过所述出液管线连接一所述储液容器，两所述出液管线上均设置有出液阀；所述壳体内壁还涂设有接触密封层。
优选地，所述闭锁腔室顶部固定连接一传压板，所述传压板顶部固定连接所述位移传感器。
优选地，所述支架是由底座、第一～第三支撑板和支撑杆固定连接而成的框架结构，位于所述第一支撑板、第二支撑板和支撑杆构成的容纳空间内设置有所述闭锁腔室，位于所述第二支撑板、第三支撑板和支撑杆构成的容纳空间内设置有所述液压机，所述液压机顶部与所述第三支撑板接触，所述液压机底部穿出所述第二支撑板与所述传压板接触。
优选地，所述第一支撑板上设置有用于实时确定所述闭锁腔室是否保持水平的水平仪。
优选地，所述实验岩块的中心纵向开设有所述充液腔，所述实验岩块上横向开设有所述闭锁裂缝。
优选地，所述充液腔采用圆柱结构，所述充液腔的直径为25mm。
优选地，所述位移传感器的精度为0.01mm。
优选地，所述第二液压泵的压力范围为0～100MPa。
一种致密储层体积压裂裂缝的闭锁增能模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：将岩样平行于长宽平面造缝，并在岩样中心纵向钻取出一圆柱体，加工得到包括充液腔和闭锁裂缝的所需实验岩块；对闭锁裂缝进行扫描，得到实验前实验岩块的缝面粗糙度参数；在闭锁腔室内壁涂设接触密封层，并将实验岩块放入闭锁腔室内；启动第一液压泵，向液压机施加压力，通过液压机为闭锁腔室加压；打开进液阀和出液阀，启动第二液压泵，将带压液体通入充液腔，并逐级增加第二液压泵的压力，直至储液容器开始储存从闭锁裂缝流出的带压液体；通过位移传感器实时采集闭锁裂缝的位移量，通过天平实时采集储液容器内带压液体的质量；对闭锁裂缝进行扫描，得到实验后实验岩块的缝面粗糙度参数；根据实验前实验岩块的缝面粗糙度参数、实验后实验岩块的缝面粗糙度参数、闭锁裂缝的位移量和储液容器内带压液体的质量，得到对应裂缝性质、裂缝开度和正压力下实验岩块的蓄能压力。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明采用液压机对闭锁腔室内的实验岩块进行加压，通过位移传感器实时采集闭锁裂缝的位移量，能够根据实验需要控制闭锁裂缝的形态和开度，操作简单方便，同时，采用第二液压泵向闭锁腔室内的实验岩块通入带压液体，能够对施加在闭锁腔室内实验岩块的闭锁裂缝上的正应力和充液腔内的带压液体进行有效及时的调节，以真实模拟致密储层体积压裂裂缝的闭锁增能，协同性较好，能够提高致密储层单井动用效率、最终采收率以及致密储层开发的效率，填补了增能机理研究实验的空白，能够进一步验证和深化对体积压裂裂缝闭锁增能的研究，有效评价存地压裂液增能的效率，为压裂施工设计和返排方案的优化提供理论支持，可以广泛应用于非常规油气田开发及储层改造技术领域中。
附图说明
图1是本发明闭锁增能模拟装置的结构示意图；
图2是本发明中实验岩块的结构示意图；
图3是本发明中闭锁腔室的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1～3所示，本发明提供的致密储层体积压裂裂缝的闭锁增能模拟装置包括支架1、闭锁腔室2、传压板3、位移传感器4、液压机5、第一液压泵6、第二液压泵7、储液容器8、天平9和水平仪10，其中，支架1是由底座1-1、第一～第三支撑板1-2～1-4和支撑杆1-5固定连接而成的框架结构。
位于第一支撑板1-2、第二支撑板1-3和支撑杆1-5构成的容纳空间内设置有闭锁腔室2，闭锁腔室2内放置开设有充液腔11-1和闭锁裂缝11-2的实验岩块11。闭锁腔室2顶部固定连接传压板3，传压板3顶部固定连接位移传感器4，位移传感器4用于实时采集闭锁裂缝11-2的位移量。位于第二支撑板1-3、第三支撑板1-4和支撑杆1-5构成的容纳空间内设置有液压机5，液压机5顶部与第三支撑板1-4接触，液压机5底部穿出第二支撑板1-3与传压板3接触，液压机5的进液口连接第一液压泵6的出液口，用于通过传压板3为闭锁腔室2顶部加压。闭锁腔室2的顶部进液口连接第二液压泵7的出液口，第二液压泵7用于向充液腔11-1内通入带压液体。位于闭锁腔室2两侧的出液口分别连接一储液容器8，用于储存从闭锁裂缝11-2流出的带压液体。每一储液容器8底部均设置有一天平9，用于实时采集带压液体的质量。第一支撑板1-2上还设置有水平仪10，用于实时确定闭锁腔室2在实验过程中是否保持水平。
如图3所示，闭锁腔室2包括壳体2-1、进液管线2-2、进液阀2-3、集液阀2-4、出液管线2-5和出液阀2-6。壳体2-1内放置有实验岩块11，壳体2-1顶部开设有进液口，壳体2-1两侧分别开设有出液口，壳体2-1的进液口固定连接进液管线2-2的一端，进液管线2-2的另一端连接第二液压泵7的出液口，进液管线2-2上设置有进液阀2-3，用于控制带压液体向充液腔11-1内流入。壳体2-1的两出液口处分别设置有一集液阀2-4。壳体2-1的两出液口分别固定连接一出液管线2-5的一端，两出液管线2-5的另一端分别连接一储液容器8，通过储液容器8储存和显示从闭锁裂缝11-2中流出的带压液体。两出液管线2-5上均设置有出液阀2-6，用于控制带压液体从闭锁裂缝11-2流出。壳体2-1内壁还涂设有接触密封层，用于保证进入充液腔11-1内的带压液体只从闭锁裂缝11-2流过。
在一个优选的实施例中，实验岩块11的中心纵向开设有直径为2.5mm的圆柱形充液腔11-1；实验岩块11上横向开设有闭锁裂缝11-2，闭锁裂缝11-2上设置有若干闭锁点11-3，在带压液体流过时可以对带压液体产生闭锁作用。
在一个优选的实施例中，位移传感器4的精度为0.01mm。
在一个优选的实施例中，第二液压泵7的压力范围为0～100MPa。
在一个优选的实施例中，第一液压泵6和第二液压泵7底部均设置有一液压泵底座12。
下面通过具体实施例详细说明本发明致密储层体积压裂裂缝的闭锁增能模拟方法：
1)将300mm×300mm×50mm的立方体岩样放置在造缝机上，平行于长宽平面造缝，并在岩样中心纵向钻取出直径为25mm的圆柱体，加工得到包括充液腔11-1和闭锁裂缝11-2的所需实验岩块11，并对闭锁裂缝11-2进行扫描，得到实验前实验岩块11的缝面粗糙度参数。
2)在壳体2-1内壁涂上环氧树脂进行密封，将实验岩块11放入壳体2-1内，完成前期准备。
3)启动第一液压泵6，向液压机5施加一定的压力，通过液压机5为闭锁腔室2加压。
4)打开进液阀2-3和出液阀2-6，启动第二液压泵7，将带压液体通入充液腔11-1，并逐级增加第二液压泵7的压力，每级的压力均稳定30min，直至储液容器8开始储存带压液体。
5)通过位移传感器4实时采集闭锁裂缝11-2的位移量，通过天平9实时采集储液容器8内带压液体的质量。
6)对闭锁裂缝11-2进行扫描，得到实验后实验岩块11的缝面粗糙度参数，并根据实验前实验岩块11的缝面粗糙度参数、实验后实验岩块11的缝面粗糙度参数、储液容器8内带压液体的质量和闭锁裂缝11-2的位移量，得到对应裂缝性质、裂缝开度、正压力下实验岩块11的充液腔11-1压力即蓄能压力，完成裂缝闭锁增能的模拟实验研究。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种致密储层体积压裂裂缝的闭锁增能模拟装置，其特征在于，该闭锁增能模拟装置包括支架、闭锁腔室、液压机、位移传感器、第一液压泵、第二液压泵、储液容器和天平；
所述支架内固定设置所述闭锁腔室，所述闭锁腔室内放置开设有充液腔和闭锁裂缝的实验岩块，所述闭锁腔室顶部固定连接所述液压机，所述液压机的进液口连接所述第一液压泵的出液口；所述闭锁腔室顶部设置有用于实时采集所述闭锁裂缝位移量的所述位移传感器；
所述闭锁腔室包括壳体、进液管线、进液阀、集液阀、出液管线和出液阀；所述壳体顶部开设有进液口，所述壳体两侧分别开设有出液口，所述进液口通过所述进液管线连接所述第二液压泵的出液口，所述第二液压泵用于向所述充液腔内通入带压液体，所述进液管线上设置有所述进液阀；两所述出液口处分别设置有所述集液阀；两所述出液口分别通过所述出液管线连接一所述储液容器，所述储液容器用于储存从所述闭锁裂缝流出的带压液体，两所述出液管线上均设置有出液阀，每一所述储液容器底部均设置有一所述天平；所述壳体内壁还涂设有接触密封层。
2.如权利要求1所述的一种致密储层体积压裂裂缝的闭锁增能模拟装置，其特征在于，所述闭锁腔室顶部固定连接一传压板，所述传压板顶部固定连接所述位移传感器。
3.如权利要求2所述的一种致密储层体积压裂裂缝的闭锁增能模拟装置，其特征在于，所述支架是由底座、第一～第三支撑板和支撑杆固定连接而成的框架结构，位于所述第一支撑板、第二支撑板和支撑杆构成的容纳空间内设置有所述闭锁腔室，位于所述第二支撑板、第三支撑板和支撑杆构成的容纳空间内设置有所述液压机，所述液压机顶部与所述第三支撑板接触，所述液压机底部穿出所述第二支撑板与所述传压板接触。
4.如权利要求3所述的一种致密储层体积压裂裂缝的闭锁增能模拟装置，其特征在于，所述第一支撑板上设置有用于实时确定所述闭锁腔室是否保持水平的水平仪。
5.如权利要求1所述的一种致密储层体积压裂裂缝的闭锁增能模拟装置，其特征在于，所述实验岩块的中心纵向开设有所述充液腔，所述实验岩块上横向开设有所述闭锁裂缝。
6.如权利要求5所述的一种致密储层体积压裂裂缝的闭锁增能模拟装置，其特征在于，所述充液腔采用圆柱结构，所述充液腔的直径为25mm。
7.如权利要求1至6任一项所述的一种致密储层体积压裂裂缝的闭锁增能模拟装置，其特征在于，所述位移传感器的精度为0.01mm。
8.如权利要求1至6任一项所述的一种致密储层体积压裂裂缝的闭锁增能模拟装置，其特征在于，所述第二液压泵的压力范围为0～100MPa。
9.一种致密储层体积压裂裂缝的闭锁增能模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
将岩样平行于长宽平面造缝，并在岩样中心纵向钻取出一圆柱体，加工得到包括充液腔和闭锁裂缝的所需实验岩块；
对闭锁裂缝进行扫描，得到实验前实验岩块的缝面粗糙度参数；
在闭锁腔室内壁涂设接触密封层，并将实验岩块放入闭锁腔室内；
启动第一液压泵，向液压机施加压力，通过液压机为闭锁腔室加压；
打开进液阀和出液阀，启动第二液压泵，将带压液体通入充液腔，并逐级增加第二液压泵的压力，直至储液容器开始储存从闭锁裂缝流出的带压液体；
通过位移传感器实时采集闭锁裂缝的位移量，通过天平实时采集储液容器内带压液体的质量；
对闭锁裂缝进行扫描，得到实验后实验岩块的缝面粗糙度参数；
根据实验前实验岩块的缝面粗糙度参数、实验后实验岩块的缝面粗糙度参数、闭锁裂缝的位移量和储液容器内带压液体的质量，得到对应裂缝性质、裂缝开度和正压力下实验岩块的蓄能压力。
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