CN111948099B - 一种基于水化作用评价压裂液返排时机的测试装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水化作用评价压裂液返排时机的测试装置与方法，所述装置包括包括导流室，所述导流室内设有温度控制器和方形岩块，所述岩块内部设有人造裂缝，所述人造裂缝包括一条从左至右贯穿岩样的主裂缝，所述人造裂缝内铺设有支撑剂，所述岩块左右两端均设有压力垫板，所述压力垫板上设有液压块，所述液压块与液压油罐相连；所述主裂缝的左右两端分别与主裂缝注入口和出口相连，所述主裂缝注入口分别与压裂液罐和返排固液回收罐相连，且相连的管道上依次设有压力表和流量计；所述主裂缝出口通过管道与氮气罐相连，且相连的管道上也设有压力表。本发明考虑到了储层条件下水化作用对支撑剂嵌入的影响，由此确定的返排时机更加精确。

Description

一种基于水化作用评价压裂液返排时机的测试装置与方法

技术领域

本发明涉及水力压裂技术领域，特别涉及一种基于水化作用评价压裂液返排时机的测试装置与方法。

背景技术

非常规油气资源的有效开发是我国各大石油公司当前的紧迫任务，而压裂改造是非常规储层得到商业化开发的主要技术手段，近些年来，研究人员发现，非常规油气井的压裂液返排率较低，多数低于50％，甚至在一些区块的返排率低至10％，而压裂改造所需要耗费的液量较大，通常每口井所需的液量达到上万方，这就意味着有大量的压裂液滞留在储层中，有学者认为压裂液的滞留能够促进油水或者气水之间的渗吸置换作用，助于提高油气采收率。相反，也有学者认为，压裂液的渗吸置换作用并没有预期的效果那么好，更应该关注于压裂滞留期间的水岩相互作用，有研究表明，页岩和致密砂岩在压裂液滞留期间能够发生相应的水化作用，岩石中所含的矿物成分在水化的作用下能够使岩石发生软化作用，过晚的返排易于使泵入的支撑剂发生严重嵌入的现象，降低已形成裂缝网络的有效导流能力，不利于油气的生产，然而过早的返排会使支撑剂发生回流的现象，导致降低已压开裂缝的支撑效果。由此可见，适当的支撑剂嵌入是有必要的，需要对压后的返排时机进行评估，以既要避免过多的支撑剂回流，又要避免支撑剂发生严重的嵌入，以此获取最佳的裂缝导流能力。

现有技术中，大多关注在压裂液的返排率方面，对于支撑剂的回流关注较少，但是也存在着少数对该方面的研究，然而当前关于压裂液返排时间测试装置在一些方面仍然存在着不足之处，其中郭天魁(CN 108104788 B)的装置实验方法中，未能考虑到储层条件的影响，包括温度和水平地应力。同时，其关注的是支撑剂的回流量，实际上，考虑到水化的软化作用和支撑剂的嵌入效果，返排时支撑剂的回流量并非越少越好，赵金洲(CN 106593429B)所公布的致密储层体积裂缝导流能力测试方法中，仅考虑了单方向的裂缝，未能考虑到缝网形态下的裂缝导流能力，同时，仅考虑了裂缝的闭合压力，并未结合实际储层的水平应力和温度状况。因此有必要结合储层的真实条件研究水化作用下压裂液的返排时机，为获得最优的有效裂缝导流能力提供指导作用。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种基于水化作用评价压裂液返排时机的测试装置与方法。

本发明的技术方案如下：

一方面，提供一种基于水化作用评价压裂液返排时机的测试装置，包括导流室，所述导流室内设有温度控制器和方形岩块，所述岩块内部设有人造裂缝，所述人造裂缝包括一条从左至右贯穿岩样的主裂缝，所述人造裂缝内铺设有支撑剂，所述岩块左右两端分别设有与岩块匹配的左压力垫板和右压力垫板，所述左压力垫板和右压力垫板的外表面中心分别与左液压块和右液压块相连，所述左液压块和所述右液压块上分别设有左液压块注入口和右液压块注入口，所述岩块前后两端分别设有与岩块匹配的前活塞室和后活塞室，所述前活塞室和后活塞室上分别设有前活塞室注入口和后活塞室注入口，所述前活塞室和后活塞室的外表面中心分别与前液压块和后液压块相连，所述前液压块和所述后液压块上分别设有前液压块注入口和后液压块注入口，所述左液压块注入口、右液压块注入口、前液压块注入口、以及后液压块注入口分别通过管道与液压油罐相连；

所述主裂缝的左右两端分别与主裂缝注入口和主裂缝出口相连，所述主裂缝注入口通过三通分别与压裂液罐和返排固液回收罐相连，所述三通与所述压裂液罐和返排固液回收罐之间的管道上分别设有阀门一和阀门二，所述三通与所述主裂缝注入口之间的管道上依次设有主裂缝注入口压力表和流量计；所述主裂缝出口通过管道与氮气罐相连，且相连的管道上设有主裂缝出口压力表，所述主裂缝出口压力表与所述氮气罐之间设有阀门三，所述主裂缝出口压力表与所述主裂缝出口之间设有阀门四，所述阀门四与所述主裂缝出口压力表之间的管道上还通过两个三通或一个四通分别与前活塞室注入口和后活塞室注入口相连，且相连的管道上分别设有阀门五和阀门六。

作为优选，所述人造裂缝还包括多条与所述主裂缝连通且向侧面延展的分支缝，所述分支缝的另一端与所述前活塞室或后活塞室相通。

作为优选，还包括计算机，所述计算机分别与所述液压油罐、氮气罐、主裂缝注入口压力表、流量计、主裂缝出口压力表相连。

作为优选，所述压裂液块采用软胶制成。

另一方面，还提供一种基于水化作用评价压裂液返排时机的测试方法，采用上述任意一项所述的基于水化作用评价压裂液返排时机的测试装置进行测试，包括以下步骤：

S1：选取实验测试的岩块，根据测试所需的裂缝网络形态对岩块进行加工，形成人造裂缝；

S2：根据测试所需的支撑剂浓度，将支撑剂铺置所述人造裂缝内，然后将所述岩块装入导流室，按照所述装置的结构连接好各个部件；

S3：打开温度控制器模拟地层温度，通过液压油罐分别向左液压块、右液压块、前液压块、后液压块中注入液压油，所述左液压块和右液压块均加载最大水平地应力，所述前液压块和后液压块均加载最小水平地应力；

S4：打开压裂液罐和阀门一，关闭其余阀门，通过主裂缝注入口向岩块的人造裂缝注入压裂液，

若所述人造裂缝包括分支缝，则当所述分支缝对应的活塞室充满压裂液，且所述活塞室对应的液压块的压力数据等于最大水平地应力时，关闭阀门一；

若所述人造裂缝只包括主裂缝，则当压裂液流入主裂缝出口与阀门四之间的管道时，关闭阀门一；

S5：维持压裂液在人造裂缝中的状态一段时间，即水化时间；

S6：打开阀门二、阀门三、阀门四，若有分支缝，则还对应打开阀门五和/或阀门六，在模拟生产压差的情况下，通过氮气罐向所述岩块注入气体，模拟关井后的返排作业；返排过程中，若有分支缝，则其对应的活塞室的液压块通过补充液压油维持水平主应力的加载；

S7：当所述流量计读数维持稳定，且返排固液回收罐的液量和支撑剂量不再增加时，计算此时的表观导流能力；

S8：选取具有同样物性的岩块，重复步骤S1-S4，改变步骤S5的水化时间，再重复步骤S6-S7，当计算得到的表观导流能力开始呈下降趋势时，进入步骤S9；

S9：以水化时间为横坐标，表观导流能力为纵坐标，绘制表观导流能力随着水化时间的变化趋势示意图，选择表观导流能力最大值所对应的水化时间即为压裂液的最佳返排时机。

作为优选，所述表观导流能力的计算方法为：

式中：

C为表观导流能力，D·cm；

Q_g为稳定时的气体流量，mL/s；

P₀为大气压，MPa；

μ_g为气体粘度，mPa·s；

L为岩块的长度，cm；

w为主裂缝入口处的宽度，cm；

P₁、P₂分别为主裂缝出口压力表和主裂缝注入口压力表测得的压力，MPa。

作为优选，所述测试方法还能测得压裂液返排率。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明考虑到了储层条件下水化作用对支撑剂嵌入的影响，还考虑了温度和水平地应力，能够量化不同的返排时机对表观导流能力的影响，由此确定的返排时机更加准确，能够对生产实际中的返排时机选择提供有效的指导。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明测试装置的结构示意图；

图2为本发明测试方法的示意图。

图中：

1-压裂液罐、2-返排固液回收罐、3-氮气罐、4-计算机、5-导流室、6-流量计、701-阀门一、702-阀门二、703-阀门三、704-阀门四、705-阀门五、706-阀门六、8-主裂缝注入口压力表、9-主裂缝出口压力表、10-液压油罐、11-后液压块、12-前液压块、13-左液压块、14-右液压块、15-前液压块注入口、16-后液压块注入口、17-后活塞室、18-前活塞室、19-岩块、20-左压力垫板、21-右压力垫板、22-后活塞室注入口、23-前活塞室注入口、24-温度控制器、25-右液压块注入口、26-左液压块注入口、27-主裂缝注入口、28-主裂缝出口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。除非另外定义，本发明公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明公开使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

一方面，如图1所示，本发明提供一种基于水化作用评价压裂液返排时机的测试装置，包括导流室5，所述导流室5内设有温度控制器24和方形岩块19，所述岩块19内部设有人造裂缝，所述人造裂缝包括一条从左至右贯穿岩样的主裂缝，以及四条与所述主裂缝连通且向侧面延展的分支缝，其中两条分支缝的另一端与前活塞室18相通，另外两条分支缝的另一端与后活塞室17相通，所述人造裂缝内铺设有支撑剂，所述岩块19左右两端分别设有与岩块19匹配的左压力垫板20和右压力垫板21，所述左压力垫板20和右压力垫板21的外表面中心分别与左液压块13和右液压块14相连，所述左液压块13和所述右液压块14上分别设有左液压块注入口26和右液压块注入口25，所述岩块19前后两端分别设有与岩块19匹配的前活塞室18和后活塞室17，所述前活塞室18和后活塞室17上分别设有前活塞室注入口23和后活塞室注入口22，所述前活塞室18和后活塞室17的外表面中心分别与前液压块12和后液压块11相连，所述前液压块12和后液压块11采用软胶制成，所述前液压块12和所述后液压块11上分别设有前液压块注入口15和后液压块注入口16，所述左液压块注入口26、右液压块注入口25、前液压块注入口15、以及后液压块注入口16分别通过管道与液压油罐10相连；

所述主裂缝的左右两端分别与主裂缝注入口27和主裂缝出口28相连，所述主裂缝注入口27通过三通分别与压裂液罐1和返排固液回收罐2相连，所述三通与所述压裂液罐1和返排固液回收罐2之间的管道上分别设有阀门一701和阀门二702，所述三通与所述主裂缝注入口27之间的管道上依次设有主裂缝注入口压力表8和流量计6；所述主裂缝出口28通过管道与氮气罐3相连，且相连的管道上设有主裂缝出口压力表9，所述主裂缝出口压力表9与所述氮气罐3之间设有阀门三703，所述主裂缝出口压力表9与所述主裂缝出口28之间设有阀门四704，所述阀门四704与所述主裂缝出口压力表9之间的管道上还通过两个三通或一个四通分别与前活塞室注入口23和后活塞室注入口22相连，且相连的管道上分别设有阀门五705和阀门六706。

为了提高实验的精确性，压力表和流量计6的数据通过计算机4实时监控，液压油罐10、氮气罐也通过计算机4进行控制，使加液量或加气量更加精准。

在另一个具体的实施例中，所述氮气罐可以替换为页岩气罐或二氧化碳气罐。

在另一个具体的实施例中，可以通过改变岩块的人造裂缝缝网形态，研究不同缝网形态对导流能力的影响极其相应的返排时间。

另一方面，本发明还提供一种基于水化作用评价压裂液返排时机的测试方法，采用上述任意一项所述的基于水化作用评价压裂液返排时机的测试装置进行测试，包括以下步骤：

S1：选取实验测试的岩块19，根据测试所需的裂缝网络形态对岩块19进行加工，形成人造裂缝；

S2：根据测试所需的支撑剂浓度，将支撑剂铺置所述人造裂缝内，然后将所述岩块19装入导流室5，按照所述装置的结构连接好各个部件；

S3：打开温度控制器24模拟地层温度，通过液压油罐10分别向左液压块13、右液压块14、前液压块12、后液压块11中注入液压油，所述左液压块13和右液压块14均加载最大水平地应力，所述前液压块12和后液压块11均加载最小水平地应力；

S4：打开压裂液罐1和阀门一701，关闭其余阀门，通过主裂缝注入口27向岩块19的人造裂缝注入压裂液，

若所述人造裂缝包括分支缝，则当所述分支缝对应的活塞室充满压裂液，且所述活塞室对应的液压块的压力数据等于最大水平地应力时，关闭阀门一701；

若所述人造裂缝只包括主裂缝，则当压裂液流入主裂缝出口28与阀门四704之间的管道时，关闭阀门一701；

S5：维持压裂液在人造裂缝中的状态一段时间，即水化时间；

S6：打开阀门二702、阀门三703、阀门四704，若有分支缝，则还对应打开阀门五705和/或阀门六706，在模拟生产压差的情况下，通过氮气罐3向所述岩块19注入气体，模拟关井后的返排作业；返排过程中，若有分支缝，则其对应的活塞室的液压块通过补充液压油维持水平主应力的加载；

S7：当所述流量计6读数维持稳定，且返排固液回收罐2的液量和支撑剂量不再增加时，通过式(1)计算此时的表观导流能力；

S8：选取具有同样物性的岩块，重复步骤S1-S4，改变步骤S5的水化时间，再重复步骤S6-S7，当计算得到的表观导流能力开始呈下降趋势时，进入步骤S9；

S9：以水化时间为横坐标，表观导流能力为纵坐标，绘制如图2所示的表观导流能力随着水化时间的变化趋势示意图，选择表观导流能力最大值所对应的水化时间即为压裂液的最佳返排时机。

本发明还可通过计量压裂液罐注入的压裂液量，以及返排固液回收罐回收得到的液量，测得压裂液返排率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，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做出些许更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 (7)

1.一种基于水化作用评价压裂液返排时机的测试装置，其特征在于，包括导流室，所述导流室内设有温度控制器和方形岩块，所述岩块内部设有人造裂缝，所述人造裂缝包括一条从左至右贯穿岩样的主裂缝，所述人造裂缝内铺设有支撑剂，所述岩块左右两端分别设有与岩块匹配的左压力垫板和右压力垫板，所述左压力垫板和右压力垫板的外表面中心分别与左液压块和右液压块相连，所述左液压块和所述右液压块上分别设有左液压块注入口和右液压块注入口，所述岩块前后两端分别设有与岩块匹配的前活塞室和后活塞室，所述前活塞室和后活塞室上分别设有前活塞室注入口和后活塞室注入口，所述前活塞室和后活塞室的外表面中心分别与前液压块和后液压块相连，所述前液压块和所述后液压块上分别设有前液压块注入口和后液压块注入口，所述左液压块注入口、右液压块注入口、前液压块注入口、以及后液压块注入口分别通过管道与液压油罐相连；

所述主裂缝的左右两端分别与主裂缝注入口和主裂缝出口相连，所述主裂缝注入口通过三通分别与压裂液罐和返排固液回收罐相连，所述三通与所述压裂液罐和返排固液回收罐之间的管道上分别设有阀门一和阀门二，所述三通与所述主裂缝注入口之间的管道上依次设有主裂缝注入口压力表和流量计；所述主裂缝出口通过管道与氮气罐相连，且相连的管道上设有主裂缝出口压力表，所述主裂缝出口压力表与所述氮气罐之间设有阀门三，所述主裂缝出口压力表与所述主裂缝出口之间设有阀门四，所述阀门四与所述主裂缝出口压力表之间的管道上还通过两个三通或一个四通分别与前活塞室注入口和后活塞室注入口相连，且相连的管道上分别设有阀门五和阀门六。

2.根据权利要求1所述的基于水化作用评价压裂液返排时机的测试装置，其特征在于，所述人造裂缝还包括多条与所述主裂缝连通且向侧面延展的分支缝，所述分支缝的另一端与所述前活塞室或后活塞室相通。

3.根据权利要求1所述的基于水化作用评价压裂液返排时机的测试装置，其特征在于，还包括计算机，所述计算机分别与所述液压油罐、氮气罐、主裂缝注入口压力表、流量计、主裂缝出口压力表相连。

4.根据权利要求1所述的基于水化作用评价压裂液返排时机的测试装置，其特征在于，所述压裂液块采用软胶制成。

5.一种基于水化作用评价压裂液返排时机的测试方法，其特征在于，采用权利要求1-4中任意一项所述的基于水化作用评价压裂液返排时机的测试装置进行测试，包括以下步骤：

S1：选取实验测试的岩块，根据测试所需的裂缝网络形态对岩块进行加工，形成人造裂缝；

S2：根据测试所需的支撑剂浓度，将支撑剂铺置所述人造裂缝内，然后将所述岩块装入导流室，按照所述装置的结构连接好各个部件；

S3：打开温度控制器模拟地层温度，通过液压油罐分别向左液压块、右液压块、前液压块、后液压块中注入液压油，所述左液压块和右液压块均加载最大水平地应力，所述前液压块和后液压块均加载最小水平地应力；

S4：打开压裂液罐和阀门一，关闭其余阀门，通过主裂缝注入口向岩块的人造裂缝注入压裂液，

若所述人造裂缝包括分支缝，则当所述分支缝对应的活塞室充满压裂液，且所述活塞室对应的液压块的压力数据等于最大水平地应力时，关闭阀门一；

若所述人造裂缝只包括主裂缝，则当压裂液流入主裂缝出口与阀门四之间的管道时，关闭阀门一；

S5：维持压裂液在人造裂缝中的状态一段时间，即水化时间；

S6：打开阀门二、阀门三、阀门四，若有分支缝，则还对应打开阀门五和/或阀门六，在模拟生产压差的情况下，通过氮气罐向所述岩块注入气体，模拟关井后的返排作业；返排过程中，若有分支缝，则其对应的活塞室的液压块通过补充液压油维持水平主应力的加载；

S7：当所述流量计读数维持稳定，且返排固液回收罐的液量和支撑剂量不再增加时，计算此时的表观导流能力；

S8：选取具有同样物性的岩块，重复步骤S1-S4，改变步骤S5的水化时间，再重复步骤S6-S7，当计算得到的表观导流能力开始呈下降趋势时，进入步骤S9；

S9：以水化时间为横坐标，表观导流能力为纵坐标，绘制表观导流能力随着水化时间的变化趋势示意图，选择表观导流能力最大值所对应的水化时间即为压裂液的最佳返排时机。

6.根据权利要求5所述的基于水化作用评价压裂液返排时机的测试方法，其特征在于，所述表观导流能力的计算方法为：

式中：

C为表观导流能力，D·cm；

Q_g为稳定时的气体流量，mL/s；

P₀为大气压，MPa；

μ_g为气体粘度，mPa·s；

L为岩块的长度，cm；

w为主裂缝入口处的宽度，cm；

P₁、P₂分别为主裂缝出口压力表和主裂缝注入口压力表测得的压力，MPa。

7.根据权利要求5所述的基于水化作用评价压裂液返排时机的测试方法，其特征在于，所述测试方法还能测得压裂液返排率。

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