CN110617045B - 裂缝起裂扩展与支撑裂缝应力敏感性评价装置及方法 - Google Patents

裂缝起裂扩展与支撑裂缝应力敏感性评价装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110617045B
CN110617045B CN201910954853.1A CN201910954853A CN110617045B CN 110617045 B CN110617045 B CN 110617045B CN 201910954853 A CN201910954853 A CN 201910954853A CN 110617045 B CN110617045 B CN 110617045B
Authority
CN
China
Prior art keywords
core
shaft
pressure
triaxial
permeability
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910954853.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110617045A (zh
Inventor
陈波
李勇明
江有适
刘福建
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southwest Petroleum University
Original Assignee
Southwest Petroleum University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southwest Petroleum University filed Critical Southwest Petroleum University
Priority to CN201910954853.1A priority Critical patent/CN110617045B/zh
Publication of CN110617045A publication Critical patent/CN110617045A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110617045B publication Critical patent/CN110617045B/zh
Priority to US16/879,156 priority patent/US11313775B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
    • G01N3/10—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces generated by pneumatic or hydraulic pressure
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/24—Earth materials
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/25—Methods for stimulating production
    • E21B43/26—Methods for stimulating production by forming crevices or fractures
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/25—Methods for stimulating production
    • E21B43/26—Methods for stimulating production by forming crevices or fractures
    • E21B43/267—Methods for stimulating production by forming crevices or fractures reinforcing fractures by propping
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B49/00—Testing the nature of borehole walls; Formation testing; Methods or apparatus for obtaining samples of soil or well fluids, specially adapted to earth drilling or wells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/02—Details
    • G01N3/06—Special adaptations of indicating or recording means
    • G01N3/062—Special adaptations of indicating or recording means with mechanical indicating or recording means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/02—Details
    • G01N3/06—Special adaptations of indicating or recording means
    • G01N3/068—Special adaptations of indicating or recording means with optical indicating or recording means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
    • G01N3/10—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces generated by pneumatic or hydraulic pressure
    • G01N3/12—Pressure testing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0058—Kind of property studied
    • G01N2203/006—Crack, flaws, fracture or rupture
    • G01N2203/0067—Fracture or rupture
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/025—Geometry of the test
    • G01N2203/0256—Triaxial, i.e. the forces being applied along three normal axes of the specimen

Abstract

本发明涉及裂缝起裂扩展与支撑裂缝应力敏感性评价装置及方法。该装置包括岩心部分、围压加载部分、压裂液泵注部分、应力敏感测试部分、裂缝监测部分。该方法包括：步骤1、设置X、Y、Z三轴压力，对岩心施加三轴载荷；步骤2、计算井筒向储层流动或是储层向井筒流动的岩心单轴渗透率或三轴整体渗透率；步骤3、将压裂液加入中间容器一作为前置液，将压裂液与支撑剂加入中间容器二作为携砂液；步骤4、将前置液注入岩心内，待压开岩心后将携砂液注入岩心内；步骤5、向井筒或是三轴渗流板注水或注气，计算压裂后井筒向储层流动或是储层向井筒流动的岩心单轴渗透率或三轴整体渗透率。本发明能够指导水力压裂施工参数的优化，有效提高油气井产能。

Description

裂缝起裂扩展与支撑裂缝应力敏感性评价装置及方法
技术领域
本发明属于油气田开发领域，具体涉及一种裂缝起裂扩展与支撑裂缝应力敏感性评价一体化装置及方法。
背景技术
在非常规油气资源的勘探开发过程中，水力压裂技术一直发挥着至关重要的作用，由于非常规储层的孔渗等物性普遍较差，绝大部分生产井在投产前都会实施一定的增产改造措施。水力压裂技术作为高效提高单井产能的常用手段，其增产的核心正是通过水力裂缝的导流能力，提供油气流入井筒的高速通道、增强井筒与储层的连通性。
水力裂缝的起裂、扩展路径以及水力裂缝的应力敏感性都直接影响着水力压裂的改造效果。目前研究水力裂缝起裂、扩展的主要手段是数值模拟和室内岩心压裂模拟试验，而研究裂缝应力敏感性的主要手段是测试柱状小岩心(直径一般小于10cm)渗透率随应力的变化量，这些方法都存在着一定的不足和局限性：
(1)数值模拟能够很好地模拟并直观地显示水力裂缝起裂和扩展的完整过程，但其受到边界条件、初始条件以及参数设定的影响很大，再加上模拟中许多过于理想化的假设条件，不能真实地反映出储层岩石这一非均质性、随机性极强的多孔介质中的裂缝起裂和扩展状态。
(2)室内岩心压裂模拟试验采用大尺寸正方体岩心、施加真三轴围压，能够很好地模拟地下应力条件下岩心的水力裂缝扩展状态，而监测水力压裂试验中裂缝扩展的路径和压裂前后渗透率变化量是表征水力压裂效果和优化施工参数的重要手段。
(3)裂缝应力敏感性测试具有以下问题：岩心尺寸和裂缝尺寸过小；一般采用人工劈裂的方法制造裂缝，并非真实的水力裂缝；裂缝内的支撑剂是预先添加的，并非通过压裂液携带进入；只能模拟单向渗流，不能模拟井筒周围的渗流模式；施加围压的方式是将岩心整个柱面进行包裹加压，而没有做到真三轴加压，故而局限性较大。
发明内容
本发明的目的在于提供裂缝起裂扩展与支撑裂缝应力敏感性评价装置，该装置通过对大尺寸岩心施加三轴围压、注入液态二氧化碳或压裂液模拟压开并支撑水力裂缝的过程，通过声发射装置、高速摄像机监测水力裂缝的扩展状态，通过气体或液体流量监测岩心压裂前后以及不同围压下岩心的渗透率变化，评价压裂改造效果和支撑裂缝的应力敏感性。
本发明的另一目的还在于提供利用上述装置对裂缝起裂扩展与支撑裂缝应力敏感性进行评价的方法，该方法原理可靠，操作简便，能够更好地指导水力压裂的应用和施工参数的优化，达到提高油气井产能的目的。
为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。
本发明的技术思路在于：通过液压泵对正方体岩心施加三轴围压，模拟储层的三向地应力条件，通过恒速恒压泵将液态二氧化碳、酸液、压裂液或携砂液注入岩心内的人工井筒，压开并支撑起水力裂缝；在压裂的过程中通过声发射装置配合高速摄像机来监测岩心中裂缝的起裂和扩展，并在压裂后将岩心剖开加以验证；通过对压裂并注入支撑剂的岩心施加不同的三轴围压，测试不同围压条件下含有支撑裂缝岩心的三轴整体渗透率或单轴渗透率，用以评价其支撑裂缝的应力敏感程度。
裂缝起裂扩展与支撑裂缝应力敏感性评价装置，包括岩心部分、围压加载部分、压裂液泵注部分、应力敏感测试部分、裂缝监测部分：
所述岩心部分由井筒套管、井筒密封胶、裸眼井筒、岩心托板、岩心组成：通过井筒密封胶将井筒套管固定在岩心上的钻孔内，并在钻孔下端留有裸眼部分作为起裂部位，岩心位于岩心托板上，通过岩心托板及配套的螺栓等将岩心装入围压底座内。
所述围压加载部分由X、Y、Z三轴液压泵、油箱、围压盖板、围压底座、X轴垫板、X轴油缸、Y轴垫板、Y轴油缸、Z轴上垫板、Z轴下垫板、Z轴油缸组成。其中各轴液压泵连接各轴油缸，XY轴油缸连接XY轴垫板，Z轴油缸连接Z轴下垫板，岩心位于各轴垫板中。
所述压裂液泵注部分由CO2单流阀、CO2中间容器、低温浴槽、CO2调压阀、CO2气瓶、恒速恒压泵、储水罐一、中间容器一、中间容器二组成：通过低温浴槽将二氧化碳液化后装入CO2中间容器内，再利用恒速恒压泵提供驱替压力，设置定压或定排量将液态二氧化碳从中间容器驱出流经单流阀后注入人工井筒，通过憋压在岩心内井筒裸眼部位形成人工裂缝；同样可通过恒速恒压泵从储水罐一吸水并驱入中间容器上端提供驱替压力，将中间容器下端的酸液、压裂液或携砂液注入人工井筒，在岩心内井筒裸眼部位形成人工裂缝，并将支撑剂带入缝内形成具有一定导流能力的人工支撑裂缝；并且2个中间容器下端均安装有搅拌机，用于将染色剂、支撑剂和压裂液混合均匀。
所述应力敏感测试部分由储水罐一、恒速恒压泵、中间容器一、中间容器二以及电子天平、储水罐二、N2单流阀、流量控制器、N2调压阀、N2气瓶、X轴渗流板、Z轴渗流板、Y轴渗流板、密封胶皮套组成：通过密封胶皮套将渗流板与岩心固定并密封，可测定气测和液测渗透率；利用调压阀和流量控制器将恒定体积流量的氮气或利用恒速恒压泵将中间容器内液体注入井筒，并从X、Y、Z轴渗流板中的某个或全部流出，或是将氮气、液体注入X、Y、Z轴渗流板中的某个或全部，并从井筒流出；从而模拟气体或液体从井筒向储层的流动，以及气体或液体从储层向井筒的流动。
通过5个快拆接口之间的转换连接能够灵活自如地实现不同压裂液、液态二氧化碳或是酸液等工作液的交替注入进行压裂模拟，选择是从井筒向储层注气注液或是从储层向井筒注气注液，极大地提高了实验效率。
所述裂缝监测部分由计算机一、电子天平、恒速恒压泵、三轴液压泵、流量控制器以及计算机二、声发射接收装置、声发射探头、带光源的高速摄像机组成：声发射探头最多可安装16个，前后左右4个面可各安装4个，探头连接信号放大器后汇总到声发射接收装置，之后连接计算机二；4个带光源的高速摄像机分别位于X、Y轴垫板中，摄像机与计算机二相连；计算机二负责监测岩心内的裂缝扩展，计算机一负责控制恒速恒压泵、三轴液压泵、搅拌机、二氧化碳的液化、氮气流量以及监测记录管线各处压力、天平质量等。
进一步地，所述恒速恒压泵为双缸泵，可交替连续注液，不会出现单缸泵卸载时压裂管线内无法维持憋压的情况，保证了压裂过程的流畅，最大排量为300mL/min、最高泵压为100MPa，并设有泄压阀，超过额定泵压后自动泄压。
进一步地，当需要使用本装置模拟岩心的酸化或酸压时，直接接触到酸液的部分如中间容器、阀门和沿程管线等均为耐酸材料，选用哈氏合金或具备耐酸腐蚀涂层(如聚四氟乙烯、聚苯硫醚等)的金属等。
进一步地，所述二氧化碳中间容器的容积为5L，所述低温浴槽的容积为5L，低温浴槽可将液化后的二氧化碳注入二氧化碳中间容器内，所述2个液体中间容器的容积均为8L，所述储水罐一和储水罐二的容积均为10L，所述液压油箱的容积为10L。
进一步地，该装置可适应的最大岩心尺寸为50cm×50cm×50cm，通过调整垫板大小可适应尺寸更小的岩心，如30cm×30cm×30cm、10cm×10cm×10cm等。
进一步地，该装置可施加的X、Y、Z任一方向最大单轴压力为35MPa(50cm立方体)、70MPa(30cm立方体)、80MPa(10cm立方体)。
进一步地，声发射系统最大通道数为16，可在除上下面以外的4个面各自安装4个探头，解释图样几何精度误差不超过1cm。
进一步地，所述密封胶皮套为优质橡胶，厚度不小于3cm，井筒套管、密封胶皮套和渗流板的尺寸可根据岩心尺寸进行相应调整。
进一步地，该装置可通过人工井筒或是X、Y、Z三轴渗流板向岩心供气，从而模拟气体从井筒向储层的流动或是从储层向井筒的流动，通过气体体积流量、岩心尺寸、进出口端压差等计算X、Y、Z任意单轴的气测渗透率，其计算公式如下(唐洪俊.油层物理.石油工业出版社，2014年)：
Figure BDA0002226948360000041
进一步地，该装置可通过人工井筒或是XYZ三轴渗流板向岩心供液，从而模拟液体从井筒向储层的流动或是从储层向井筒的流动，通过液体质量流量和密度、岩心尺寸、进出口端压差等计算XYZ任意单轴的液测渗透率，其计算公式如下：
Figure BDA0002226948360000042
进一步地，测定岩心的三轴整体渗透率时，XYZ三轴渗流板同时打开，可以模拟储层气体向井筒流动、储层液体向井筒流动、井筒气体向储层流动、井筒液体向储层流动，得到气测和液测的三轴整体渗透率，其计算公式如下：
Figure BDA0002226948360000043
式中：Kg,d1为单轴气测渗透率，μm2；D为岩心长度，cm；A为岩心截面积，cm2；Qg为设定的气体流量，mL/s；p1为注入端压力，10-1MPa；μg为气体粘度，mPa·s；L为岩心边长，cm；h为岩心高度，cm；re为供给半径，cm；rw为人工井筒半径，cm；p2为流出端压力，10-1MPa；Kl,d1为单轴液测渗透率，μm2；Ql为流出端的液体流量，mL/s；μl为液体粘度，mPa·s；Kg,d3为三轴气测渗透率，μm2；Kl,d3为三轴液测渗透率，μm2。
利用上述装置对裂缝起裂扩展与支撑裂缝应力敏感性进行评价的方法，依次包括如下步骤：
步骤1、设置X、Y、Z三轴压力，对岩心施加三轴载荷；
步骤2、使用清水或氮气测试压裂前岩心的渗透率，计算井筒向储层流动或是储层向井筒流动的岩心单轴渗透率或三轴整体渗透率；
步骤3、配制所需压裂液并称取支撑剂，将压裂液加入中间容器一作为前置液，将压裂液与支撑剂加入中间容器二作为携砂液，并将其搅拌均匀；
步骤4、设置恒定排量将前置液注入岩心内，并通过摄像画面、声发射信号和井筒入口处压力判断岩心内裂缝起裂和扩展情况，待压开岩心后将携砂液注入岩心内(若中间容器一内仍有足量压裂液，可将其作为顶替液将管线中剩余携砂液挤入裂缝中)，压裂完成后卸载压裂管线压力；也可以使用液态二氧化碳对岩心进行压裂；
步骤5、使用清水或氮气测试压裂后岩心支撑裂缝的应力敏感性，设置恒定排量向井筒或是三轴渗流板注水或注气，并监测电子天平质量、进出口端压力表变化，判断是否达到稳定渗流，计算井筒向储层流动或是储层向井筒流动的岩心单轴渗透率或三轴整体渗透率；通过调整三轴压力，测试不同围压下支撑裂缝的渗透率变化情况，用以评价支撑裂缝的应力敏感程度。
实验结束后，剖开岩心观察裂缝扩展情况和缝内支撑剂铺置情况，验证声发射解释图像和摄影图像。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
(1)本发明通过恒速恒压泵、二氧化碳液化装置和带搅拌器的中间容器，在三轴液压油泵模拟储层中岩石所受的三向地应力条件的同时，可实现压裂液压裂、液态二氧化碳压裂、携砂液压裂或酸化压裂，并模拟前置液、携砂液、顶替液等不同的泵注流程；
(2)本发明具备16通道声发射装置和4台带光源的高速摄像机，同时监测并记录岩心中裂缝的起裂和扩展过程；
(3)本发明解决了同类设备只能模拟单一压裂作业、缺乏压裂效果评价方法的问题，通过气测或液测方法评价岩心压裂前后渗透率的变化以及评价支撑剂进入岩心后形成的支撑裂缝在不同围压下的应力敏感程度，可模拟储层气体向井筒流动、储层液体向井筒流动、井筒气体向储层流动、井筒液体向储层流动的渗流过程；
(4)本发明解决了目前裂缝应力敏感性测试中岩心和裂缝尺寸过小、人工劈裂裂缝和缝内支撑剂需要人为添加不符合压裂实际、围压加载不符合三向地应力条件、只能模拟单向渗流，不能模拟井筒渗流模式的一系列问题，完善了水力压裂支撑裂缝应力敏感性测试的方法；
(5)本发明能够模拟不同压裂液的水力压裂和支撑裂缝的应力敏感性测试两个流程的一体化作业，将裂缝的起裂扩展与压裂效果评价结合起来，为水力压裂机理研究、施工参数优选和压裂效果评价提供了相应技术指导。
附图说明
图1为裂缝起裂扩展与支撑裂缝应力敏感性评价装置结构示意图。
图2为围压底座的X-Z截面结构示意图。
图3为围压底座的X-Y截面结构示意图。
图4为岩心部分的结构示意图。
图5为实施例中岩心支撑裂缝渗透率的应力敏感性曲线。
附图标记：1-CO2单流阀，2-CO2中间容器，3-低温浴槽，4-CO2调压阀，5-CO2气瓶，6-恒速恒压泵，7-储水罐一，8-中间容器一，9-中间容器二，10-计算机一，11-电子天平，12-储水罐二，13-N2单流阀，14-流量控制器，15-N2调压阀，16-N2气瓶，17-声发射接收装置，18-Z轴液压泵，19-Y轴液压泵，20-X轴液压泵，21-油箱，22-计算机二，23-围压盖板，24-井筒套管，25-井筒密封胶，26-带光源的高速摄像机，27-裸眼井筒，28-X轴渗流板，29-Z轴渗流板，30-围压底座，31-Z轴下垫板，32-Z轴油缸，33-Z轴上垫板，34-X轴垫板，35-声发射探头，36-密封胶皮套，37-X轴油缸，38-岩心托板，39-Y轴垫板，40-Y轴渗流板，41-Y轴油缸，42-岩心，A、B、C、D、E-快拆接口。
具体实施方式
下面根据附图和实例进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均在保护之列。
参看图1至图4。
裂缝起裂扩展与支撑裂缝应力敏感性评价装置，包括岩心部分、围压加载部分、压裂液泵注部分、应力敏感测试部分、裂缝监测部分。
所述岩心部分包括岩心42、井筒套管24、裸眼井筒27、岩心托板38，岩心位于岩心托板上，岩心内安装至多16个声发射探头35，岩心中间位置有钻孔，钻孔上端为井筒套管(通过井筒密封胶25将井筒套管固定在岩心钻孔内)，下端为裸眼井筒。
所述围压加载部分包括三轴液压泵、油箱21、围压盖板23、围压底座30，三轴液压泵入口端与油箱21相连，出口端分别与三轴油缸相连，且出口端装有压力表和泄压阀，用于显示压力和卸载压力。岩心部分位于围压盖板23、围压底座30形成的空间内，该空间由外向内分别是油缸、垫板、渗流板、岩心，通过密封胶皮套36将渗流板与岩心固定并密封，三轴液压泵分别在X、Y、Z方向通过油缸、垫板、渗流板向岩心施加三轴围压。
所述三轴液压泵包括X轴液压泵20、Y轴液压泵19、Z轴液压泵18，三轴油缸包括X轴油缸37、Y轴油缸41、Z轴油缸32；X轴液压泵通过X轴油缸37、X轴垫板34、X轴渗流板28，Y轴液压泵通过Y轴油缸41、Y轴垫板39、Y轴渗流板40，Z轴液压泵通过Z轴油缸32、Z轴上垫板33或Z轴下垫板31、Z轴渗流板29向岩心施加三轴围压。
所述压裂液泵注部分包括CO2单流阀1、CO2中间容器2、低温浴槽3、CO2调压阀4、CO2气瓶5、恒速恒压泵6、储水罐一7、中间容器一8、中间容器二9。低温浴槽将CO2液化后排入CO2中间容器，恒速恒压泵提供驱替压力，将液态二氧化碳从中间容器驱出流经CO2单流阀后注入岩心，在裸眼部位起裂形成人工裂缝；或恒速恒压泵从储水罐一吸水并提供驱替压力，将中间容器一的前置液、中间容器二的携砂液注入岩心，在裸眼部位起裂形成人工裂缝，并将支撑剂携带进裂缝内，实现对裂缝的支撑。
所述应力敏感测试部分包括恒速恒压泵6、储水罐一7、中间容器一8、中间容器二9以及电子天平11、储水罐二12、N2单流阀13、流量控制器14、N2调压阀15、N2气瓶16、X轴渗流板28、Y轴渗流板40、Z轴渗流板29。X轴渗流板28、Y轴渗流板40、Z轴渗流板29位于岩心三个方向，通过密封胶皮套36将渗流板与岩心固定并密封，测定岩心的气测渗透率和液测渗透率。
利用N2调压阀和流量控制器将恒定体积流量的氮气通过N2单流阀注入裸眼井筒，气体从X、Y、Z轴渗流板流出，或是气体注入X、Y、Z轴渗流板、从井筒流出；利用恒速恒压泵将中间容器一或中间容器二内的液体注入井筒、从X、Y、Z轴渗流板流出，或是将液体注入X、Y、Z轴渗流板、再从井筒流出，从而评价压裂后岩心裂缝填充支撑剂的渗透率随三轴应力变化的敏感程度，以及压裂前后岩心裂缝填充支撑剂的渗透率变化。
所述裂缝监测部分包括计算机一10、电子天平11、恒速恒压泵6、三轴液压泵、流量控制器14以及计算机二22、声发射接收装置17、声发射探头35、带光源的高速摄像机26。计算机一连接电子天平、恒速恒压泵、三轴液压泵、流量控制器，用于压力、流量数据的采集和记录。计算机二连接声发射接收装置、带光源的高速摄像机，声发射接收装置接收声发射探头传递的信号，带光源的高速摄像机分别位于X轴垫板、Y轴垫板中，计算机二通过声发射接收装置、带光源的高速摄像机来监测和分析岩心内水力裂缝的起裂扩展以及声发射信号。
需要指出的是：当需要模拟储层向井筒的流动时，注入端为快拆接口C、出口端为A；当需要模拟井筒向储层的流动时，注入端为快拆接口A、出口端为C；注入液体或液态二氧化碳时注入端连接快拆接口B，注入氮气或其他气体时注入端连接快拆接口E；需要计量出口端液体流量时出口端连接快插接口D，气体出口端则不需要连接任何接口。
实施例1
利用该装置对50cm×50cm×50cm的露头岩心进行压裂和支撑裂缝应力敏感性评价，具体的操作步骤为：
步骤1、在天然岩心顶部钻取直径2cm、深30cm井眼，之后将井筒套管用胶水固定在井眼内，并在岩心四面钻取安装声发射探头所需的孔眼，依次安装好16个声发射探头、渗流板和密封胶皮套，胶皮套边缘处使用胶水进行密封加固。
步骤2、通过图4所示装置将岩心装入围压底座内，并安装Z轴上垫板和围压盖板，旋紧螺栓，将井筒管线、压裂液注入管线、渗流管线、声发射数据线、摄像机数据线连接好。
步骤3、设置X轴压力20MPa、Y轴压力25MPa、Z轴压力30MPa，对岩心施加三轴载荷模拟地层三向地应力条件，并在达到指定压力后维持30分钟以上。
步骤4、使用清水测试压裂前岩心渗透率，连接快拆接口B-C和A-D，在中间容器一内装入6L清水，分别设置50、100、150mL/min三种恒定排量向三轴渗流板注水，并监测电子天平质量、注入端和井筒端压力表变化，判断是否达到稳定渗流，通过电子天平质量流量得到体积流量、岩心尺寸、井筒半径、压力，按照如下公式计算储层向井筒流动条件下的岩心三轴整体渗透率：
Figure BDA0002226948360000081
步骤5、配制胍胶压裂液12L，并称取40/60目陶粒支撑剂1200g，将6L压裂液加入中间容器一作为前置液用于压开裂缝，将6L压裂液与支撑剂加入中间容器二作为携砂液用于支撑裂缝，在压裂液中均添加染色剂并打开搅拌机将其搅拌均匀。
步骤6、连接快拆接口A-B和C-D，设置100mL/min的恒定排量将前置液注入井筒内，并通过摄像画面、声发射解释图像和井筒入口处压力判断岩心内裂缝起裂和扩展情况，待压开岩心后设置60mL/min的恒定排量将携砂液注入井筒内，若中间容器一仍有足量压裂液，可将其作为顶替液将管线中剩余携砂液挤入裂缝中，压裂完成后卸载压裂管线压力。
步骤7、使用清水测试压裂后岩心支撑裂缝应力敏感性，连接快拆接口B-C和A-D，在中间容器一装入6L清水，分别设置50、100、150mL/min三种恒定排量向三轴渗流板注水，并监测电子天平质量、注入端和井筒端压力表变化，判断是否达到稳定渗流，通过电子天平质量流量得到体积流量、岩心尺寸、井筒半径、压力，按照公式计算储层向井筒流动条件下的岩心三轴整体渗透率；依次调整XYZ轴压力为18MPa-23MPa-30MPa、16MPa-21MPa-30MPa和26MPa-28MPa-30MPa，测试不同围压下支撑裂缝的渗透率变化情况，用以评价支撑裂缝的应力敏感程度。
步骤8、完成相应测试后，卸去管线和三轴压力，剖开岩心观察裂缝扩展情况和缝内支撑剂铺置情况，用于验证声发射解释图像和摄影图像等，清理设备结束试验。
通过上述试验得到岩心中液体向井筒流动的三轴整体渗透率变化情况如表1所示。
表1岩心支撑裂缝的三轴整体渗透率应力敏感性测试结果
Figure BDA0002226948360000082
Figure BDA0002226948360000091
将上述试验数据绘制成曲线如图5所示，该岩心的初始渗透率仅为3.15×10-3μm2，通过加砂压裂改造，在岩心内制造出支撑裂缝，该岩心的渗透率增加到27.64×10-3μm2，并且随着X、Y轴围压的逐渐降低，岩心的渗透率存在小幅增加，表明支撑裂缝在围压降低的过程中有张开的趋势；但当X、Y轴围压升高后，岩心的渗透率降低到比压开后初始渗透率还低的水平22.06×10-3μm2，表明支撑裂缝在围压升高的过程中有闭合的趋势，即该岩心的支撑裂缝渗透率存在明显的应力敏感性。
需要指出的是：在本实施例中所进行的全部测试，包括压裂前、压裂后、压裂后进行的其他三种围压，都是模拟储层液体向井筒流动的模式，且都采用了50、100、150mL/min三种排量，待一种排量下的流量和压力数据稳定后再采用其他排量，计算出三种排量下的渗透率，最后取三者平均值作为某一围压条件下的渗透率用于评价岩心支撑裂缝的应力敏感性。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出适当变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.利用装置对裂缝起裂扩展与支撑裂缝应力敏感性进行评价的方法，该装置包括岩心部分、围压加载部分、压裂液泵注部分、应力敏感测试部分、裂缝监测部分，所述岩心部分包括岩心（42）、井筒套管（24）、裸眼井筒（27）、岩心托板（38），岩心位于岩心托板上，岩心内安装至多16个声发射探头（35），岩心中间位置有钻孔，钻孔上端为井筒套管，下端为裸眼井筒；所述围压加载部分包括三轴液压泵、油箱（21）、围压盖板（23）、围压底座（30），三轴液压泵入口端与油箱（21）相连，出口端分别与三轴油缸相连，岩心部分位于围压盖板、围压底座形成的空间内，该空间由外向内分别是油缸、垫板、渗流板、岩心，通过密封胶皮套（36）将渗流板与岩心固定并密封，三轴液压泵分别在X、Y、Z方向通过油缸、垫板、渗流板向岩心施加三轴围压；所述压裂液泵注部分包括CO2单流阀（1）、CO2中间容器（2）、低温浴槽（3）、CO2调压阀（4）、CO2气瓶（5）、恒速恒压泵（6）、储水罐一（7）、中间容器一（8）、中间容器二（9）；所述应力敏感测试部分包括恒速恒压泵（6）、储水罐一（7）、中间容器一（8）、中间容器二（9）以及电子天平（11）、储水罐二（12）、N2单流阀（13）、流量控制器（14）、N2调压阀（15）、N2气瓶（16）、X轴渗流板（28）、Y轴渗流板（40）、Z轴渗流板（29），X轴渗流板、Y轴渗流板、Z轴渗流板位于岩心的三个方向，通过密封胶皮套（36）将渗流板与岩心固定并密封，测定岩心的气测渗透率和液测渗透率；所述裂缝监测部分包括计算机一（10）、电子天平（11）、恒速恒压泵（6）、三轴液压泵、流量控制器（14）以及计算机二（22）、声发射接收装置（17）、声发射探头（35）、带光源的高速摄像机（26），计算机一连接电子天平、恒速恒压泵、三轴液压泵、流量控制器，用于压力、流量数据的采集和记录，计算机二连接声发射接收装置、带光源的高速摄像机，声发射接收装置接收声发射探头传递的信号，带光源的高速摄像机分别位于X轴垫板、Y轴垫板中，计算机二监测和分析岩心内水力裂缝的起裂扩展以及声发射信号，其特征在于，该方法依次包括如下步骤：
步骤1、设置X、Y、Z三轴压力，对岩心施加三轴载荷；
步骤2、使用清水或氮气测试压裂前岩心的渗透率，计算井筒向储层流动或是储层向井筒流动的岩心单轴渗透率或三轴整体渗透率；
步骤3、配制所需压裂液并称取支撑剂，将压裂液加入中间容器一作为前置液，将压裂液与支撑剂加入中间容器二作为携砂液，并将其搅拌均匀；
步骤4、设置恒定排量将前置液注入岩心内，并通过摄像画面、声发射信号和井筒入口处压力判断岩心内裂缝起裂和扩展情况，待压开岩心后将携砂液注入岩心内；或使用液态二氧化碳对岩心进行压裂；
步骤5、使用清水或氮气测试压裂后岩心支撑裂缝的应力敏感性，设置恒定排量向井筒或是三轴渗流板注水或注气，并监测电子天平质量、进出口端压力表变化，计算井筒向储层流动或是储层向井筒流动的岩心单轴渗透率或三轴整体渗透率；通过调整三轴压力，测试不同围压下支撑裂缝的渗透率变化情况，用以评价支撑裂缝的应力敏感程度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，低温浴槽将CO2液化后排入CO2中间容器，恒速恒压泵提供驱替压力，将液态二氧化碳从中间容器驱出流经CO2单流阀后注入岩心，在裸眼部位起裂形成人工裂缝；或恒速恒压泵从储水罐一吸水并提供驱替压力，将中间容器一的前置液、中间容器二的携砂液注入岩心，在裸眼部位起裂形成人工裂缝，并将支撑剂携带进裂缝内，实现对裂缝的支撑。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用N2调压阀和流量控制器将恒定体积流量的氮气通过N2单流阀注入裸眼井筒，气体从X、Y、Z轴渗流板流出，或是气体注入X、Y、Z轴渗流板、从井筒流出；利用恒速恒压泵将中间容器一或中间容器二内的液体注入井筒、从X、Y、Z轴渗流板流出，或是将液体注入X、Y、Z轴渗流板、再从井筒流出，从而评价压裂后岩心裂缝填充支撑剂的渗透率随三轴应力变化的敏感程度，以及压裂前后岩心裂缝填充支撑剂的渗透率变化。
CN201910954853.1A 2019-10-09 2019-10-09 裂缝起裂扩展与支撑裂缝应力敏感性评价装置及方法 Active CN110617045B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910954853.1A CN110617045B (zh) 2019-10-09 2019-10-09 裂缝起裂扩展与支撑裂缝应力敏感性评价装置及方法
US16/879,156 US11313775B2 (en) 2019-10-09 2020-05-20 Device and method for evaluating fracture initiation and propagation, and stress sensitivity of propped fracture

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910954853.1A CN110617045B (zh) 2019-10-09 2019-10-09 裂缝起裂扩展与支撑裂缝应力敏感性评价装置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110617045A CN110617045A (zh) 2019-12-27
CN110617045B true CN110617045B (zh) 2020-05-05

Family

ID=68925007

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910954853.1A Active CN110617045B (zh) 2019-10-09 2019-10-09 裂缝起裂扩展与支撑裂缝应力敏感性评价装置及方法

Country Status (2)

Country Link
US (1) US11313775B2 (zh)
CN (1) CN110617045B (zh)

Families Citing this family (35)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111272632A (zh) * 2020-03-09 2020-06-12 成都理工大学 一种基于应力敏感系数预测裂缝宽度的方法
CN111579382A (zh) * 2020-04-10 2020-08-25 中国石油大港油田勘探开发研究院 一种可模拟径向压力的真三轴实验装置及方法
CN111610100B (zh) * 2020-04-13 2021-11-30 中国石油天然气股份有限公司 一种水力压裂模拟实验装置及实验方法
CN111734376B (zh) * 2020-06-05 2022-12-20 西安科技大学 井下高压液态co2压裂增透煤岩成套装备设计方法
CN111537549B (zh) * 2020-06-08 2021-04-13 北京大学 一种相态连续变化的二氧化碳驱油封存与压裂装置和实验方法
CN111707555B (zh) * 2020-06-24 2023-05-30 重庆大学 颗粒试件水力压裂裂隙扩展可视化的实验方法及实验装置
CN114112831B (zh) * 2020-08-31 2024-01-30 中国石油天然气股份有限公司 火山岩油气储层开发方法及火山岩可压性获取装置
CN112345324A (zh) * 2020-11-02 2021-02-09 东北石油大学 一种岩心中天然裂缝的制备方法
CN112683748B (zh) * 2020-12-09 2022-02-18 中国矿业大学 一种压裂物理模拟过程中煤岩动态渗透率测试装置及方法
CN113029898B (zh) * 2021-02-22 2022-04-15 西南石油大学 一种裂缝动态导流能力、基岩供气能力的测试装置及方法
CN113006759B (zh) * 2021-03-16 2022-10-11 中国石油大学(华东) 页岩油压裂同步增能模拟实验装置与方法
CN115324548A (zh) * 2021-05-11 2022-11-11 中国石油化工股份有限公司 一种裸眼水平井暂堵分段压裂实验装置
CN113295537B (zh) * 2021-05-25 2022-07-22 中国科学院武汉岩土力学研究所 一种非常规储层压裂缝渗流能力评价的试验方法
CN113447420B (zh) * 2021-06-30 2022-05-13 西南石油大学 一种页岩应力敏感检测装置及方法
CN113670731B (zh) * 2021-07-13 2023-10-31 长安大学 一种液压破岩加载装置及方法
CN113758805B (zh) * 2021-08-17 2024-02-09 中海石油(中国)有限公司 模拟裂缝扩展与储层伤害评价的室内装置及方法
CN114034565B (zh) * 2021-09-24 2023-11-28 中国海洋石油集团有限公司 一种用于化学固砂剂固砂效果在线评价装置及其评价方法
CN114062142B (zh) * 2021-11-30 2022-08-19 重庆大学 高压电脉冲原位增透含气储层两相渗流试验方法
CN114166649B (zh) * 2021-12-08 2024-03-12 中南大学 模拟原位深层页岩钻进与水力压裂的实验装置及实验方法
CN114166726B (zh) * 2022-02-14 2022-04-29 西南石油大学 一种岩心渗透率张量敏感性损伤测试设备与评价方法
CN114718516B (zh) * 2022-03-18 2024-02-27 贵州省油气勘查开发工程研究院 一种复合煤层合层/分层压裂模拟的实现方法
CN114660224A (zh) * 2022-03-29 2022-06-24 西南石油大学 一种用于高粘液体酸岩反应动力学参数的测定装置及方法
CN114837645B (zh) * 2022-04-28 2023-07-07 西南石油大学 用于研究水力裂缝内暂堵剂运移-封堵过程的装置及方法
CN115248151B (zh) * 2022-06-24 2023-02-28 东北石油大学 真三轴储层原位状态水力压裂实验岩心固定装置
CN115683869A (zh) * 2022-08-25 2023-02-03 安徽理工大学 大尺寸真三轴煤岩体多场渗流耦合系统实验装置
CN115096714A (zh) * 2022-08-25 2022-09-23 中国长江三峡集团有限公司 压裂物理模拟实验装置及其使用方法
CN115753543B (zh) * 2022-11-05 2024-01-23 西南石油大学 考虑概率分布的页岩支撑裂缝相对渗透率测定装置及方法
CN116046519B (zh) * 2022-11-25 2023-08-11 中南大学 岩石三轴气力耦合单/双裂纹起裂扩展试验装置及方法
CN116059938B (zh) * 2023-01-21 2024-01-09 江苏联友科研仪器有限公司 一种支撑剂导流与酸蚀导流一体式模拟釜结构
CN116181317B (zh) * 2023-02-23 2023-11-14 西南石油大学 一种粗糙裂缝面堵漏凝胶驱替效果的测试装置及方法
CN116163699B (zh) * 2023-04-21 2023-06-30 太原理工大学 一种粘弹性表面活性剂压裂液井下配制装置及方法
CN116579263B (zh) * 2023-05-17 2024-01-30 中国石油大学(北京) 基于油气井排采动态数据的综合分析方法
CN116539413B (zh) * 2023-06-27 2023-11-07 中国矿业大学(北京) 基于声发射计数非线性演化的岩石特征应力确定方法
CN116927746A (zh) * 2023-07-27 2023-10-24 中国石油大学(北京) 加砂压裂模拟实验方法及实验装置
CN116930462B (zh) * 2023-09-18 2024-01-26 东北石油大学三亚海洋油气研究院 用于研究压裂页岩油储层改造的实验装置和方法

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4635719A (en) * 1986-01-24 1987-01-13 Zoback Mark D Method for hydraulic fracture propagation in hydrocarbon-bearing formations
US4733567A (en) * 1986-06-23 1988-03-29 Shosei Serata Method and apparatus for measuring in situ earthen stresses and properties using a borehole probe
US5963508A (en) * 1994-02-14 1999-10-05 Atlantic Richfield Company System and method for determining earth fracture propagation
US20060219402A1 (en) * 2005-02-16 2006-10-05 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Hydraulic fracturing
US20120000662A1 (en) * 2010-06-02 2012-01-05 Liskowitz Michael J Viscosity differential fracturing for enhanced application of amendments to ground and groundwater
US11066911B2 (en) * 2010-12-21 2021-07-20 Saudi Arabian Oil Company Operating hydrocarbon wells using modeling of immiscible two phase flow in a subterranean formation
US9618652B2 (en) * 2011-11-04 2017-04-11 Schlumberger Technology Corporation Method of calibrating fracture geometry to microseismic events
CA2915625C (en) * 2011-03-11 2021-08-03 Schlumberger Canada Limited Method of calibrating fracture geometry to microseismic events
CN106404549B (zh) * 2016-10-31 2019-11-12 中国石油大学(北京) 一种超临界二氧化碳压裂模拟实验装置
CN108386177B (zh) * 2018-04-17 2023-07-21 唐山合众启航科技有限公司 一种三维多层多井压裂支撑裂缝实时监测实验系统与方法
CN208137925U (zh) * 2018-04-17 2018-11-23 东营市鼎晟宸宇油气科技有限公司 一种三维多层多井压裂支撑裂缝实时监测实验系统
CN209145580U (zh) * 2018-11-27 2019-07-23 安阳工学院 一种三轴多裂纹水力压裂实验装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20210088429A1 (en) 2021-03-25
CN110617045A (zh) 2019-12-27
US11313775B2 (en) 2022-04-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110617045B (zh) 裂缝起裂扩展与支撑裂缝应力敏感性评价装置及方法
CN108386177B (zh) 一种三维多层多井压裂支撑裂缝实时监测实验系统与方法
US11054405B2 (en) Testing device and method for simulating the flowback in the shut-in period of fractured wells
CN111272576A (zh) 一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法
RU2331057C2 (ru) Способ и устройство для оценки физических параметров подземного месторождения полезных ископаемых на основе исследования отобранных из этого месторождения фрагментов горной породы
CN208137925U (zh) 一种三维多层多井压裂支撑裂缝实时监测实验系统
CN103775070B (zh) 一种全尺寸井壁稳定模拟器
CN106644871A (zh) 超临界二氧化碳压裂液对油气储层渗流影响评价装置与方法
CN209542309U (zh) 一种大尺寸真三轴水力压裂模拟试验装置
CN110924933A (zh) 一种动态模拟页岩压裂缝网可视化实验方法
CN111366472B (zh) 用于可变岩心尺寸的真三轴水力压裂物理模拟设备及方法
CN105738252A (zh) 一种裂缝内稠油可流动开度界限的测量方法
CN109163980A (zh) 大尺度真三轴岩石水力压裂试验系统及方法
CN203849930U (zh) 一种测试压裂裂缝摩阻的装置
CN106370524B (zh) 一种确定沿隔层第二胶结面窜流的极限注入压力的方法以及验证装置
CN114352238A (zh) 一种天然气水合物增产缝导流能力测试装置及方法
CN116517517B (zh) 一种拟三轴下水合物原位合成压裂驱替一体化装置
CN108843297B (zh) 一种致密储层体积压裂裂缝的闭锁增能模拟装置及方法
CN102322247B (zh) 一种评价高温高压下岩石润湿相驱替能力的装置及方法
CN115110931A (zh) 一种低渗油藏压驱注水增渗程度表征方法
CN107621535A (zh) 超临界二氧化碳压裂液的悬砂性的测试装置和方法
CN110411906B (zh) 三维可调式高承压大动水注浆系统及试验方法
CN210427300U (zh) 一种可施加单向围压的岩石裂隙渗透率测试装置
CN112610203A (zh) 一种天然裂缝地层呼吸效应的模拟装置和方法
CN113790042A (zh) 一种多轮次热复合化学吞吐的实验系统及实验方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant