CN111119831A - 一种水平井分段压裂室内模拟试验装置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平井分段压裂室内模拟试验装置及其操作方法，它解决了现有水力压裂试验存在的操作复杂、灵活性差、精度不高的问题；结构简单且操作方便，能有效降低试验成本，提高试验效率，为水平井分段压裂裂缝扩展机理研究提供试验条件。其技术方案为：包括：三轴加载单元、压裂控制单元和液压加载单元，三轴加载单元，包括试验架和安装于试验架内侧用于提供三向轴压的加载缸；压裂控制单元，包括井筒套管、注液丝杆、承压板和连接座；井筒套管两端分别与一个注液丝杆采用螺纹方式连接，所述注液丝杆穿过承压板，并与连接座相连，形成注液通道；液压加载单元，用于向模拟水平井内泵入压裂液。

Description

一种水平井分段压裂室内模拟试验装置及其操作方法

技术领域

本发明涉及水力压裂理论与技术研究领域，尤其涉及一种水平井分段压裂室内模拟试验装置及其操作方法。

背景技术

水平井分段压裂是一种广泛应用于页岩气开发的水力压裂技术，其基本原理是通过调节分段方式、优化射孔参数等，逐段实施水力压裂，在储层中产生错综复杂的裂缝网络，进而达到页岩气增产的目的。以往研究与实践表明，分段压裂方式、地层应力场分布特征和射孔间距等因素直接影响水力压裂的总体效果。

在实际工程中，由于页岩储层埋深较大且应力场分布极为复杂，通常难以对压裂效果进行直接评价。因此，国内外学者大多采用室内试验方法开展水力压裂的理论、控制技术及评价方法研究。试验装置是开展试验研究的必要前提。然而，发明人发现，现有试验装置主要用于常规水力压裂试验，而水平井分段压裂的真三轴模拟试验装置较为少见。同时，现有装置常采用多个注液管控制井筒的分段压裂，其操作复杂，射孔间距与数量的调整极为困难，在研究多射孔工况时，井筒尺寸通常较大，进而影响试验精度。此外，现有装置的压裂方式单一且灵活性较差，在单个井筒内无法实现多段单簇裂缝与多段多簇裂缝的依次压裂、交错压裂及同步压裂等多种压裂方式，难以为水平井分段压裂机理与技术研究提供强力支撑。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种水平井分段压裂室内模拟试验装置及其操作方法，用于水平井分段压裂的裂缝扩展机理研究，可实现水平井多段单簇裂缝与多段多簇裂缝的依次压裂、交错压裂及同步压裂等多种压裂方式，具有较强的灵活性；本发明结构简单，操作方便，能有效降低试验成本，提升试验效率，为水平井分段压裂裂缝扩展机理与控制技术研究提供试验条件。

本发明的实施例采用下述技术方案：

一种水平井分段压裂室内模拟试验装置，包括：

三轴加载单元，包括试验架和安装于试验架内侧用于提供三向轴压的加载缸；

压裂控制单元，包括井筒套管、注液丝杆、承压板和连接座；在试件内部钻孔形成孔道，以模拟水平井；所述井筒套管固定于孔道内侧，井筒套管两端分别与一个注液丝杆连接；所述注液丝杆穿过承压板，并与连接座相连，形成注液通道；

液压加载单元，用于向模拟水平井内泵入压裂液。

作为进一步的限定，安装于试验架顶部和底部的加载缸通过连接座对承压板施加垂向压力，安装于试验架侧面的加载缸与承压板直接接触，以施加侧向压力。

作为进一步的限定，所述连接座内部设有孔道，且外侧设有高压泵接口，所述高压泵接口连接液压加载单元。

作为进一步的限定，所述液压加载单元包括高压泵和注液管，高压泵通过注液管与连接座相连。

作为进一步的限定，所述井筒套管沿竖直方向设置，且井筒套管间隔开设若干个射孔。

作为进一步的限定，所述井筒套管与注液丝杆采用螺纹方式连接。所述注液丝杆内部中空，外表面设有螺纹。

作为进一步的限定，所述井筒套管通过高强粘结胶与孔道内壁固定。

作为进一步的限定，所述压裂液掺入有色颜料。

一种水平井分段压裂室内模拟试验装置的操作方法，包括：

沿试件中轴线钻孔，形成预制孔道，用于模拟水平井；

在井筒套管上预制射孔，并将井筒套管涂抹高强胶后插入孔道，在孔道两端粘贴密封圈；

待高强胶硬化后，根据试验要求的压裂方式，将注液丝杆一端旋入井筒套管预定位置，另一端通过承压板插入连接座，使试件与承压板紧密贴合；

开启加载缸，使试件侧面的加载缸端部与承压板、试件紧密贴合，使上、下加载缸与连接座紧密贴合；根据试验要求，调节三向压力至目标值；启动高压泵，准备试验；

通过调整注液丝杆的相对位置，并改变两个注液丝杆之间射孔的个数与位置，以开展水平井多段单簇水力裂缝依次压裂试验、水平井多簇水力裂缝同步压裂试验、水平井多段单簇水力裂缝交错压裂试验或水平井多段多簇水力裂缝依次压裂试验。

与现有技术相比，本发明的实施例有益效果是：

(1)本发明的一个或多个实施方式提出的水平井分段压裂室内模拟试验装置及其操作方法，具有较强的针对性，可用于水平井多条水力裂缝依次压裂、同步压裂、交错压裂及多段多簇裂缝依次压裂等多种分段压裂试验，可根据试验要求选择不同压裂方式，具有较强的灵活性；

(2)本发明的一个或多个实施方式采用两注液丝杆在井筒套管中移动变化的方式进行分段压裂区间的定位，无需多条注水管分别控制，能有效减小模拟井筒的尺寸，提高试验精度；当试验要求改变射孔间距时，只需更换井筒套管；

(3)本发明的一个或多个实施方式操作方法简单、省时省力，符合室内试验要求，可为页岩气水力压裂科学研究与技术研发提供试验条件。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明一个或多个实施方式的整体结构示意图；

图2为本发明一个或多个实施方式的连接座剖面结构示意图；

图3为本发明一个或多个实施方式的试件结构示意图；

图4为本发明一个或多个实施方式的试件剖面结构示意图；

图5为本发明一个或多个实施方式的水平井多段单簇压裂试验试件剖面结构示意图；

图6为本发明一个或多个实施方式的水平井多段两簇压裂试验试件剖面结构示意图；

其中，1、试验架；2、加载缸；3、承压板；4、高压泵；5、注液管；6、试件；7、井筒套管；8、注液丝杆；9、连接座；10、密封橡胶圈；11、射孔；12、高压泵接口。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

加载缸，用于加载压力的液压缸。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在操作复杂、成本较高、试验精度不高的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种水平井分段压裂室内模拟试验装置及其操作方法。

实施例一：

下面结合附图1-图6对本发明进行详细说明，具体的，结构如下：

本实施例提供了一种水平井分段压裂室内模拟试验装置，包括三轴加载单元、压裂控制单元、液压加载单元，所述三轴加载单元用于提供试件所受压力，所述液压加载单元用于向模拟水平井内泵入压裂液，所述压裂控制单元用于调节控制压裂方式，其与液压加载单元相连。

三轴加载单元包括试验架1、多个加载缸2和承压板3，试验架1用于提供反作用力，其呈框架结构；加载缸2通过连接件与试验架1固定连接。本实施例中，加载缸2有六个，用于为试件6提供三向压力；所述承压板3有6块，使试件6受力均匀。

所述液压加载单元包括高压泵4和注液管5，所述高压泵4与注液管5连接，可采用恒定排量或恒定压力的方式向试件6泵入压裂液。

所述压裂控制单元包括试件6、井筒套管7、注液丝杆8和连接座9，试件6为正方体岩样，如图3-图6所示，试件6中心位置开设有孔道，井筒套管7通过高强胶粘结于孔道内。井筒套管7为一圆柱形中空钢管，且其内部设有螺纹；井筒套管7内壁开有射孔11，射孔11数量与排列方式可根据试验方案设计。

注液丝杆8有两个，注液丝杆8一端与井筒套管7螺纹连接，另一端和承压板3、连接座9相连，形成注液通道。所述注液丝杆8为内部中空的丝杆，外部设有螺纹。所述注液丝杆8长度略小于试件6棱长，所述井筒套管7长度等于试件6棱长。连接座9为内部中空且一端开口、另一端封闭的圆柱形结构，注液丝杆8伸入连接座9的开口端，且与连接座9连接。

如图2所示，所述连接座9对应于内部中空位置开设高压泵接口12，所述高压泵接口12通过注液管5连接高压泵4。压裂液通过高压泵4、注液管5、连接座9、注液丝杆8进入井筒套管7中，通过射孔11高压射入试件6，从而进行压裂。所述压裂液内掺入红色颜料，方便试验结束后观察裂缝扩展情况。

所述承压板3分为两种，侧部的承压板3为立方体钢板，其用于与安装在试验架1侧面的加载缸2接触。上部与下部的承压板3中间处有一圆形开口，用于注液丝杆8穿过，且圆形开口两侧均放置密封橡胶圈10。安装于试验架1上部和下部的加载缸2用于与连接座9接触。

本实施例水平井分段压裂室内模拟试验装置的操作方法为：

根据试验需要，在井筒套管7上预制射孔11，本实施例中预制7个射孔11，且射孔11排列呈直线均匀分布并从上至下依次编号，将胶纸粘贴于射孔11外侧，以免高强胶进入井筒套管7内。

将试件6中部预制一贯穿孔道，将井筒套管7外部均匀涂抹高强胶后插入孔道，孔道两端部分别粘贴两密封橡胶圈10，待高强胶硬化生效后方可用于试验。

进行水平井多段单簇水力裂缝依次压裂试验时，将两注液丝杆8分别从试件6两端旋入，调整注液丝杆8，使上侧的注液丝杆8下端部位于射孔I上部，使下侧注液丝杆8上端部位于射孔I下部且位于射孔II上部。注液丝杆8的外露端分别穿过上、下承压板3插入连接座9中，通过调节，使试件6与上、下承压板3及连接座9紧密贴合。开启全部加载缸2，使试件6侧面的加载缸2端部通过承压板3与试件6紧密贴合，使上、下两个加载缸2与连接座9紧密贴合；根据试验要求，调节三向应力至目标值；启动高压泵4，准备试验。

根据试验要求的压裂液参数，使压裂液泵入井筒套管7中进行压裂；第一段压裂完成后，卸载压力，调整注液丝杆8位置，使上侧注液丝杆8下端部位于射孔II上部，使下侧注液丝杆8上端部位于射孔II下部且位于射孔III上部。重复上述压裂操作，以此类推，直至完成全部段压裂后取出试件6进行观察、记录，从而进行水平井多段单簇水力裂缝依次压裂缝间干扰机制与缝网形成机理研究。

进行水平井多簇水力裂缝同步压裂试验时，如三条裂缝同步压裂试验，调整注液丝杆8位置，使上侧注液丝杆8下端部位于射孔III上部，使下侧注液丝杆8上端部位于射孔V下部且位于射孔VI上部；根据试验要求的压裂液参数，使压裂液泵入井筒套管7中进行压裂；压裂完成后取出试件6进行观察、记录，从而进行水平井多簇水力裂缝同步压裂缝间干扰机制与缝网形成机理研究。

进行水平井多段单簇水力裂缝交错压裂试验时，调整注液丝杆8位置，使上侧注液丝杆8下端部位于射孔I上部，使下侧注液丝杆8上端部位于射孔I下部且位于射孔II上部；根据试验要求的压裂液参数，使压裂液泵入井筒套管7中进行压裂。第一段压裂完成后，调整注液丝杆8位置，使上侧注液丝杆8下端部位于射孔III上部，使下侧注液丝杆8上端部位于射孔III下部且位于射孔IV上部。根据试验要求的压裂液参数，使压裂液泵入井筒套管7中进行压裂；第二段压裂完成后，调整注液丝杆8位置，使上侧注液丝杆8下端部位于射孔II上部，使下侧注液丝杆8上端部位于射孔II下部且位于射孔III上部。重复上述压裂操作，以此类推，直至完成全部段压裂后取出试件6进行观察、记录，从而进行水平井多段单簇水力裂缝交错压裂缝间干扰机制与缝网形成机理研究。

进行水平井多段多簇水力裂缝依次压裂试验时，如多段两簇压裂试验，调整注液丝杆8位置，使上侧注液丝杆8下端部位于射孔I上部，使下侧注液丝杆8上端部位于射孔II下部且位于射孔III上部；根据试验要求的压裂液参数，使压裂液泵入井筒套管7中进行压裂。第一段压裂完成后，调整注液丝杆8位置，使上侧注液丝杆8下端部位于射孔III上部，使下侧注液丝杆8上端部位于射孔IV下部且位于射孔V上部；重复上述压裂操作，以此类推，直至完成全部段压裂后取出试件6进行观察、记录，从而进行水平井多段多簇水力裂缝依次压裂缝间干扰机制与缝网形成机理研究。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水平井分段压裂室内模拟试验装置，其特征在于，包括：

三轴加载单元，包括试验架和安装于试验架内侧用于提供三向轴压的加载缸；

压裂控制单元，包括井筒套管、注液丝杆、承压板和连接座；在试件内部钻孔形成孔道，以模拟水平井；所述井筒套管固定于孔道内侧，井筒套管两端分别与一个注液丝杆连接；所述注液丝杆穿过承压板，并与连接座相连，形成注液通道；

液压加载单元，用于向模拟水平井内泵入压裂液。

2.根据权利要求1所述的一种水平井分段压裂室内模拟试验装置，其特征在于，安装于试验架顶部和底部的加载缸通过连接座对承压板施加垂向压力，安装于试验架侧面的加载缸与承压板直接接触，以施加侧向压力。

3.根据权利要求2所述的一种水平井分段压裂室内模拟试验装置，其特征在于，所述连接座内部设有孔道，且外侧设有高压泵接口，所述高压泵接口连接液压加载单元。

4.根据权利要求1或3所述的一种水平井分段压裂室内模拟试验装置，其特征在于，所述液压加载单元包括高压泵和注液管，高压泵通过注液管与连接座相连。

5.根据权利要求1所述的一种水平井分段压裂室内模拟试验装置，其特征在于，所述井筒套管沿竖直方向设置，且井筒套管间隔开设若干个射孔。

6.根据权利要求1所述的一种水平井分段压裂室内模拟试验装置，其特征在于，所述井筒套管与注液丝杆采用螺纹方式连接。

7.根据权利要求6所述的一种水平井分段压裂室内模拟试验装置，其特征在于，所述注液丝杆内部中空，外表面设有螺纹。

8.根据权利要求1所述的一种水平井分段压裂室内模拟试验装置，其特征在于，所述井筒套管通过高强粘结胶与孔道内壁固定。

9.根据权利要求1所述的一种水平井分段压裂室内模拟试验装置，其特征在于，所述压裂液掺入有色颜料。

10.根据权利要求1-9任一所述的一种水平井分段压裂室内模拟试验装置的操作方法，其特征在于，包括：

沿试件中轴线钻孔，形成预制孔道，用于模拟水平井；

在井筒套管上预制射孔，并将井筒套管涂抹高强胶后插入孔道，在孔道两端粘贴密封圈；

待高强胶硬化后，根据试验要求的压裂方式，将注液丝杆一端旋入井筒套管预定位置，另一端通过承压板插入连接座，使试件与承压板紧密贴合；

开启加载缸，使试件侧面的加载缸端部与承压板、试件紧密贴合，使上、下加载缸与连接座紧密贴合；根据试验要求，调节三向压力至目标值；启动高压泵，准备试验；

通过调整注液丝杆的相对位置，并改变两个注液丝杆之间射孔的个数与位置，以开展水平井多段单簇水力裂缝依次压裂试验、水平井多簇水力裂缝同步压裂试验、水平井多段单簇水力裂缝交错压裂试验或水平井多段多簇水力裂缝依次压裂试验。

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