CN110160877A - 六边形边界的水力压裂物理模拟试验装置及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种六边形边界的水力压裂物理模拟试验装置及使用该装置进行水力压裂物理模拟试验的方法，六边形边界的水力压裂物理模拟试验装置包括六边形设计的承压釜桶、釜桶顶盖、安全控制系统和支架系统，桶盖和桶壁均设有单向液压活塞；本发明的试验装置及试验方法能够使得模拟结果更接近实际工程地质情况，更好地适用于地下深层围压条件，对于认知低渗透储层压裂缝真实发育规律、指导现场压裂施工具有很好地促进意义，而且可操作性强，便于技术推广。
Description
技术领域
本发明涉及石油开发领域，具体地涉及能够逼近真实地层环境的一种六边形边界的水力压裂物理模拟试验装置以及使用该六边形边界的装置进行水力压裂物理模拟试验的方法。
背景技术
随着油气勘探与开发的不断深入，低渗透储层逐渐成为国内外油气勘探与开发的重要对象，有着分布广泛、埋藏深度大、储层变化大、渗透率低、非均质性强、油水关系复杂、储量难以动用等特点。因此，在进行低渗透油藏开采时，常常需要对储层进行增产改造。水力压裂技术是当前有效开发低渗透油气藏的必不可少且行之有效的增产工艺技术。为了深入掌握油田水力压裂过程、从机理上认识影响水力压裂过程的因素，必须进行大量的水力压裂物理模拟试验，所以水力压裂物理模拟试验的装置以及试验的方法至关重要。中国矿业大学、中国石油研究院廊坊分院、中国石油大学(北京)等科研院所均组建有大尺寸真三轴模拟试验系统，可以对压裂试件提供压裂所需的地应力及压裂过程中的数据监测与记录工作，但是该模拟装置仍存在不足，未能全面监测裂缝的延伸过程，如压裂实验过程中围压的设定很难达到地下实际应力条件，只是停留在简化条件下施加双向不等围压的层面上，未能体现地下由最大主应力逐渐向最小主应力过渡的特点，所获得的压裂缝形态及产状与实际效果很难吻合。
发明内容
本发明目的是克服上述技术中的不足，提供一种更接近地下实际应力、模拟真实性强、实用性强的水力压裂物理模拟试验装置以及水力压裂物理模拟试验方法。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
一种六边形边界的水力压裂物理模拟试验装置,包括釜桶顶盖、承压釜桶、安全控制系统和支架系统，所述的承压釜桶为六边形设计，分为上桶壁、下桶壁，两部分通过卡槽式合在一起，中间通过拧紧螺丝拧紧，承压釜桶的底盖的开口与安全控制系统相连接。
作为本发明水力压裂物理模拟试验装置的一种优选，所述的承压釜桶的桶壁设有单向液压活塞共36个，垂直向上等间距排列，在平面上围绕桶壁的六个边固定，单向液压活塞的控制管线直接穿过桶壁；所述的釜桶顶盖下部连接6个单向液压活塞，活塞的压头呈等边三角形形状，顶盖与承压釜桶之间垫有密封胶套,其中，6个单向液压活塞呈两排排列，每排3个。
作为本发明水力压裂物理模拟试验装置的进一步优选，所述的釜桶顶盖还包括活塞控制管线和稳压水力压裂泵，所述的活塞控制管线与单向活塞相连接并穿过顶盖，所述的连续注入水管向上穿过固定螺丝与顶盖的开孔焊接在一起，外接稳压水力压裂泵，所述的釜桶顶盖和承压釜桶壁之间通过6个拧紧螺丝、固定螺丝固定密封在一起。
作为本发明水力压裂物理模拟试验装置的更进一步优选，所述的承压釜桶内放置六边形实验岩样，岩样周围用高强度胶囊封闭，岩样内插入模拟井筒，所述的模拟井筒分为金属井筒和裸眼井段，所述的模拟井筒与连续注入水管之间通过密封螺丝拧紧后连接在一起，在顶盖与岩样相连接的部位安装单向阀门，以保证裸眼段注入液的瞬时起裂压力。
作为本发明水力压裂物理模拟试验装置的更进一步优选，所述的安全控制系统包括出水口、传导管线和温压测量计，依次排列安置在承压釜桶底盖上，所述的出水口装有安全阀门，用于试验结束后释放液体，稳压测量计可直接实时监测釜桶内机油液压和温度，所述的传导管线内接岩石样品外围的探头，外接声发射接收仪，以保证压裂过程中的实施监测。
作为本发明水力压裂物理模拟试验装置的更进一步优选，所述的支架系统包括固定螺丝和固定支架，固定支架的高度可通过围绕承压桶等间距排列的6个固定螺丝调整以保证承压釜桶的平稳放置。
作为本发明水力压裂物理模拟试验装置的更进一步优选，所述稳压水力压裂泵为一高压水泵，前端安装有稳压增压器，可控制注入液量、速度和压力，压裂液中含有示踪剂黄色荧光粉。
作为本发明水力压裂物理模拟试验装置另一种优选，所述的连接管道是高强度压力管，受压力大于50MPa；所述的单向活塞所能提供压力大于50MPa；所述的桶壁为高压釜，受压力大于100MPa；所述的承压釜桶的壁、顶盖、底盖厚20cm；所述的釜桶内部边与边之间的垂直距离为30cm。
为解决本发明的技术问题，本发明的一种水力压裂物理模拟试验方法，使用前面所述的本发明的一种六边形边界的水力压裂物理模拟试验装置来实现，包括以下步骤：
1)设计实验方案，通过现场压裂测试、岩石声发射测试、差应变测试、声速各向异性测试，获取最大主应力方向及主应力值，通过力的合成分解求取六边形边界上的应力大小，同时求取不同深度段的梯度应力值，获取真实低渗透储层的压力和含水性数据，并根据拟获得的实验效果，选取压裂液、浓度及压裂所需压力，加入荧光粉；
2)按照相似材料比例系数配置岩石样品材料，并压制成低渗透岩样，边界切割成六边形柱状体，周围涂上高强度胶体，封闭制成模拟实验样品，顶部中间设置好模拟井筒和裸眼段；
3)打开承压釜桶顶盖，把岩样放置在底盖的卡槽内，启动桶内36个单向液压活塞，将压头对准岩样侧面，根据测试分析结果调整不同深度的压力数据，以模拟真实地层的垂向梯度应力；
4)将机油注入承压釜桶，将连续水管和模拟井筒拧紧，并安装单向阀门，封闭上盖，立即启动单向活塞和压头，以达到垂向应力条件；
5)启动稳压水力压裂泵、温压测量计和外接声发射接收仪，当达到实验方案设定压力时，关闭压裂泵，提取声发射资料，便于后期研究；
6)按照实验方案要求静置直到设定时间；
7)打开出水阀门，放空釜桶内机油和压裂液，取出实岩样，进行剖开研究或CT扫描，统计分析压裂缝的形态、产状及组合规律。
本发明具有如下有益效果：与传统的四边形水力压裂装置相比，本发明采用六边形框架设计理念，将地下两向主应力状态转换为三向应力状态即最大主应力、过渡主应力和最小主应力，并通过在多面设置单向活塞的方式实现应力之间的过渡，符合“泥裂六边形理论”。本发明采用垂向设置活塞等间距排列的方式，将梯度力加载到压裂岩样上，实现地下随深度主应力不断增大的相似模拟条件，也避免了常规压裂模拟中单一应力状态造缝形态单一的缺点，由于平面上应力呈过渡状态，剖面上应力状态呈梯度变化状态，使得模拟结果更接近实际工程地质情况，造成了体积压裂的效果，更好地适用于地下深层围压条件，对于认知低渗透储层压裂缝真实发育规律、指导现场压裂施工具有很好地促进意义，而且结构简单、可操作性强，便于技术推广。
附图说明
图1为本发明六边形边界的水力压裂物理模拟试验装置纵剖面结构示意图；
图2为本发明六边形边界的水力压裂物理模拟试验装置外部结构示意图；
图3为本发明六边形边界的水力压裂物理模拟试验装置承压斧桶平面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例和实施方式对本发明的技术方案作进一步阐述。
实施例：如图1至图3所示，本实施例是一种六边形边界的水力压裂物理模拟试验装置，包括釜桶顶盖、承压釜桶、安全控制系统和支架系统。所述釜桶顶盖包括顶盖11、拧紧螺丝12、固定螺丝13、连续注入水管14、单向活塞15、压头16、17-活塞控制管线17和稳压水力压裂泵18，所述单向活塞15、压头16组合为一体，安装在顶盖下端，6个单向液压活塞15呈两排排列，每排3个。6个压头为等边三角形，工作提供给岩样垂向应力来源，单向活塞15与活塞控制管线17相连接并穿过顶盖11，连续注入水管14外接稳压水力压裂泵18，下接模拟井筒210，连续注入水管14和模拟井筒210之间通过密封螺丝拧紧后连接在一起，连续注入水管14向上穿过固定螺丝13，顶盖11和承压釜桶壁21-22之间通过拧紧螺丝12、固定螺丝13固定密封在一起。所述承压釜桶包括上桶壁21、下桶壁22、拧紧螺丝23、底盖24、拧紧螺丝25、拧紧螺丝26、单向活塞27、压头28和活塞控制管线212，桶内放置六边形实验岩样214，岩样周围用高强度胶囊213封闭，岩样内插入模拟井筒210，并设置裸眼段211，模拟井筒210与连续注入水管14中间安装单向阀门29，以保证裸眼段注入液的瞬时起裂压力。所述安全控制系统包括出水口31、传导管线32和温压测量计33，依次排列安置在承压釜桶底盖24上，出水口31装有安全阀门，用于试验结束后释放流体，温压测量计33可直接实时监测釜桶内机油液压和温度，传导管线32向里面与岩石样品外围的探头相连接，外面与其他声发射接收仪配合使用，以保证压裂进程的实时监测。支架系统包括固定螺丝41和固定支架42，固定支架42的高度可通过螺丝41调整以保证承压釜桶的平稳放置。
本实施例使用的连管道均为高强度压力管，受压力大于50MPa，以满足模拟深层、超深层储层压力实验需求，所使用的桶壁为高压釜，受压力大于100MPa，单向活塞所能提供压力大于50MPa。承压釜桶的壁、顶盖、底盖均厚20cm，釜桶内部边与边之间的垂直距离为30cm。
具体实施方式：本实施方式是一种水力压裂物理模拟试验方法，使用前面的实施例一种六边形边界的水力压裂物理模拟试验装置来实现，包括以下步骤：
1)设计实验方案，通过现场压裂测试、岩石声发射测试、差应变测试、声速各向异性测试，获取最大主应力方向及主应力值，通过力的合成分解求取六边形边界上的应力大小，同时求取不同深度段的梯度应力值，获取真实低渗透储层的压力和含水性数据，并根据拟获得的实验效果，选取压裂液、浓度及压裂所需压力，加入荧光粉；
2)按照相似材料比例系数配置岩石样品材料，并压制成低渗透岩样，边界切割成六边形柱状体，周围涂上高强度胶体213，封闭制成模拟实验样品214，顶部中间设置好模拟井筒210和裸眼段211；
3)打开承压釜桶顶盖11，把岩样214放置在底盖24的卡槽内，启动桶内36个单向液压活塞27，将压头28对准岩样侧面，根据测试分析结果调整不同深度的压力数据，以模拟真实地层的垂向梯度应力；
4)将机油注入承压釜桶，将连续水管14和模拟井筒210拧紧，并安装单向阀门29，封闭上盖11，立即启动单向活塞15和压头16，以达到垂向应力条件；
5)启动稳压水力压裂泵18、温压测量计33和外接声发射接收仪，当达到实验方案设定压力时，关闭压裂泵18，提取声发射资料，便于后期研究；
6)按照实验方案要求静置直到设定时间；
7)打开出水阀门31，放空釜桶内机油和压裂液，取出实岩样24，进行剖开研究或CT扫描，统计分析压裂缝的形态、产状及组合规律。
最后应说明的是：以上实施方式实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种六边形边界的水力压裂物理模拟试验装置,包括釜桶顶盖、承压釜桶、安全控制系统和支架系统，其特征在于，所述的承压釜桶为六边形设计，分为上桶壁(21)、下桶壁(22)，两部分通过卡槽式合在一起，中间通过拧紧螺丝(23)拧紧，承压釜桶的底盖(24)的开口与安全控制系统相连接。
2.根据权利要求1所述的一种六边形边界的水力压裂物理模拟试验装置，其特征在于，所述的承压釜桶的桶壁设有单向液压活塞(27)共36个，垂直向上等间距排列，在平面上围绕桶壁的六个边固定，单向液压活塞(27)的控制管线(212)直接穿过桶壁；所述的釜桶顶盖(11)下部连接6个单向液压活塞(15)，活塞的压头(16)呈等边三角形形状，顶盖与承压釜桶之间垫有密封胶套，其中，6个单向液压活塞(15)呈两排排列，每排3个。
3.根据权利要求2所述的一种六边形边界的水力压裂物理模拟试验装置，其特征在于，所述的釜桶顶盖还包括活塞控制管线(17)和稳压水力压裂泵(18)，所述的活塞控制管线(17)与单向活塞(15)相连接并穿过顶盖(11)，所述的连续注入水管(14)向上穿过固定螺丝(13)与顶盖(11)的开孔焊接在一起，外接稳压水力压裂泵(18)，所述的釜桶顶盖(11)和承压釜桶壁(21)(22)之间通过6个拧紧螺丝(12)、固定螺丝(13)固定密封在一起。
4.根据权利要求3所述的一种六边形边界的水力压裂物理模拟试验装置，其特征在于，所述的承压釜桶内放置六边形实验岩样(214)，岩样周围用高强度胶囊(213)封闭，岩样内插入模拟井筒(210)，所述的模拟井筒(210)分为金属井筒和裸眼井段(211)，所述的模拟井筒(210)与连续注入水管(14)之间通过密封螺丝拧紧后连接在一起，在顶盖(11)与岩样(214)相连接的部位安装单向阀门(29)。
5.根据权利要求4所述的一种六边形边界的水力压裂物理模拟试验装置，其特征在于，所述的安全控制系统包括出水口(31)、传导管线(32)和温压测量计(33)，依次排列安置在承压釜桶底盖(24)上，所述的出水口(31)装有安全阀门，所述的传导管线(32)内接岩石样品外围的探头，外接声发射接收仪。
6.根据权利要求5所述的一种六边形边界的水力压裂物理模拟试验装置，其特征在于，所述的支架系统包括固定螺丝(41)和固定支架(42)，固定支架(42)的高度可通过围绕承压桶等间距排列的6个固定螺丝(41)调整以保证承压釜桶的平稳放置。
7.根据权利要求6所述的一种六边形边界的水力压裂物理模拟试验装置，其特征在于，所述稳压水力压裂泵(18)为一高压水泵，前端安装有稳压增压器，压裂液中含有示踪剂黄色荧光粉。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的一种六边形边界的水力压裂物理模拟试验装置，其特征在于，所述的连接管道是高强度压力管，受压力大于50MPa；所述的单向活塞所能提供压力大于50MPa；所述的桶壁为高压釜，受压力大于100MPa；所述的承压釜桶的壁、顶盖、底盖厚20cm；所述的釜桶内部边与边之间的垂直距离为30cm。
9.一种水力压裂物理模拟试验方法，使用权利要求1至8中任一项所述的六边形边界的水力压裂物理模拟试验装置来实现，其特征在于，包括以下步骤：
1)设计实验方案，通过现场压裂测试、岩石声发射测试、差应变测试、声速各向异性测试，获取最大主应力方向及主应力值，通过力的合成分解求取六边形边界上的应力大小，同时求取不同深度段的梯度应力值，获取真实低渗透储层的压力和含水性数据，并根据拟获得的实验效果，选取压裂液、浓度及压裂所需压力，加入荧光粉；
2)按照相似材料比例系数配置岩石样品材料，并压制成低渗透岩样，边界切割成六边形柱状体，周围涂上高强度胶体(213)，封闭制成模拟实验样品(214)，顶部中间设置好模拟井筒(210)和裸眼段(211)；
3)打开承压釜桶顶盖(11)，把岩样(214)放置在底盖(24)的卡槽内，启动桶内36个单向液压活塞(27)，将压头(28)对准岩样侧面，根据测试分析结果调整不同深度的压力数据，以模拟真实地层的垂向梯度应力；
4)将机油注入承压釜桶，将连续水管(14)和模拟井筒(210)拧紧，并安装单向阀门(29)，封闭上盖(11)，立即启动单向活塞(15)和压头(16)，以达到垂向应力条件；
5)启动稳压水力压裂泵(18)、温压测量计(33)和外接声发射接收仪，当达到实验方案设定压力时，关闭压裂泵(18)，提取声发射资料，便于后期研究；
6)按照实验方案要求静置直到设定时间；
7)打开出水阀门(31)，放空釜桶内机油和压裂液，取出实岩样(24)，进行剖开研究或CT扫描，统计分析压裂缝的形态、产状及组合规律。
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