CN112343568A - 一种耐高温高压地热井压裂模拟试验井筒及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种耐高温高压地热井压裂模拟试验井筒及应用，属于地热井压裂模拟试验领域。该耐高温高压地热井压裂模拟试验井筒安装在岩样的模拟井口处，其包括：井筒体和密封圈；所述井筒体从上至下包括依次连接成一体的三个部分:连接部、压紧部和密封部；在所述连接部、压紧部和密封部的中心均开有中心通孔，三者的中心通孔的直径相同，且依次连通形成井筒体的中心通孔；所述密封圈安装在所述井筒体的密封部上。本发明的模拟试验井筒固结良好，在250度的高温下未发生压裂液渗漏现象，能够成功憋起40MPa的泵压，并最终将岩样压开一条垂直于最小主应力方向的裂缝。
Description
技术领域
本发明属于地热井压裂模拟试验领域，具体涉及一种耐高温高压地热井压裂模拟试验井筒及应用。
背景技术
水力压裂是油气井增产的一项重要技术措施。随着地热井的开发，水力压裂技术逐渐成为地热井开发中必不可少的技术手段。压裂过程起始于高压流体诱发的孔壁破裂，但压裂的最终效果更主要地取决于此后裂缝的扩展过程。这一过程的物理背景是极其复杂的，它是关于岩石力学和流体力学的一个复杂耦合问题。由于对水力压裂产生的微震信号认识的局限性，压裂所产生的裂缝实际形态难于直接观察，人们往往只能借助于建立在种种假设和简化条件基础上的数值模型进行间接分析。但这些简化模型不能正确的反映地层压裂裂缝的扩展规律。压裂模拟试验是认识裂缝扩展机制的重要手段，通过模拟地层条件下的压裂试验，可以对裂缝扩展的实际物理过程进行监测，并且对形成的裂缝进行直接观察。前人对大尺寸真三轴压裂模拟试验装置进行了广泛的研究，在地热井的压裂试验中，模拟试验井筒作为压裂液的注入装置，要能够承受地热井压裂试验对高温高压的要求，模拟试验井筒对压裂试验的成功与否有着至关重要的作用。因此，对于地热井的压裂试验，模拟试验井筒的设计成为关键。
模拟常温条件下的水力压裂时，采用传统的井筒固结方法，利用环氧树脂胶水将模拟试验井筒固定到所钻的模拟井口中，并静置两天，等待环氧树脂完全固化进行实验。但是根据实验测试，在进行150度以上的高温模拟压裂实验时，该种井筒固结方法无法满足实验要求。造成该井筒固结方式失效，其原因主要是由于岩石和固化后的环氧树脂胶水的热膨胀系数不匹配，岩石升温后，胶水和岩石间的胶结面受到破坏，从而无法满足井口密封要求。
前人多数研究集中在常温条件下压裂试验的井筒装置研究，在应对高温高压地热井压裂试验时，往往由于传统的利用环氧树脂胶水固结井筒的方法在高温环境下极易造成井筒固结失效，而导致试验失败。
具体的，中国专利公开文献CN107893652公开了一种干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置及方法，该装置由于密封胶无法在较长时间保持好的密封效果，因此实验只能在岩石试件加热到一定温度后，进行钻孔插入模拟试验井筒，由于加热温度达到200度，在这个温度下钻孔会受到影响，所以很难保证井筒完全垂直；中国专利公开文献CN105628506公开了一种岩石压裂模拟试样和制备方法、该模拟试验装置和方法，属于较低温度下的实验，所用的密封物质粘结剂无法满足高温环境；中国文献“煤层气井真三轴压裂实验”(科技导报2015，33(1))公开了一种实验系统，同样属于较低温度下实验，所用环氧树脂无法满足长时间高温环境下密封。
目前国内外干热岩的储藏温度在180℃-250℃之间，青海共和盆地干热岩在3700米处花岗岩温度是环境是236℃。目前在高温下裂缝起裂与扩展规律不清楚，只有在真实的200℃左右的温度下进行室内压裂实验，才能掌握上述规律，为现场压裂设计与实施提供参考和依据。
而现有的压裂模拟试验井筒，无论是用环氧树脂或者其他密封物质粘接剂进行密封的均无法在150℃高温下完成长时间密封，在高温下实验时，所采用的环氧树脂胶水固结无法保持好的密封性，多次尝试发现均出现密封失效导致钻井液溢出情况。因此，之前很多干热岩压裂的室内实验都是在常温25℃或者在低温120℃下完成的，无法满足大于200度的高温要求。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种耐高温高压地热井压裂模拟试验井筒及应用，避免了地热井高温环境下模拟试验井筒的密封失效，为合理设计地热井压裂试验、保证试验压裂效果提供了很好的技术手段。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种耐高温高压地热井压裂模拟试验井筒，安装在岩样的模拟井口处，其包括：井筒体和密封圈；
所述井筒体从上至下包括依次连接成一体的三个部分:连接部、压紧部和密封部；
在所述连接部、压紧部和密封部的中心均开有中心通孔，三者的中心通孔的直径相同，且依次连通形成井筒体的中心通孔；
所述密封圈安装在所述井筒体的密封部上。
所述连接部的外壁上设置有螺纹，用于连接压裂液输送管线。
所述压紧部为开有中心通孔的实心圆柱体金属块，其外径大于连接部、密封部的外径；
所述压紧部的长度大于连接部的长度。
优选的，所述压紧部的外径是密封部的外径的2倍；
所述压紧部的长度是连接部的长度的2倍。
在所述密封部的外壁上从上至下加工有至少2个与其同轴线的环形凹槽；
所述密封圈安装在所述环形凹槽内。
所述密封圈采用氟胶O型圈；
所述氟胶O型圈与环形凹槽的壁面、模拟井口的内壁面形成密封。
本发明还提供了一种应用上述耐高温高压地热井压裂模拟试验井筒进行实验的方法，所述方法包括：
(1)，在岩样上钻出模拟井口，并将密封圈从井筒体的底端套入，安装在密封部的环形凹槽内；将岩样包裹在真三轴压裂装置中的金属板内，并在金属板内设置多个加热棒；
(2)，将所述井筒体的密封部充分压入模拟井口内，并使得压紧部的下端面与岩样的上表面充分接触；
(3)，盖上真三轴压裂装置的上端盖，使上端盖的下表面与压紧部的上表面充分接触，然后将压裂液输送管线与连接部连接；
(4)，启动加热棒对岩样进行加热，当岩样的温度达到设定温度后保持恒温；启动循环泵，将循环泵中的压裂液泵入压裂液输送管线，压裂液经过井筒体的中心通孔进入模拟井口内，然后进入岩样中；
(5)，记录并存储每个时间点的循环泵的压力值；
(6)，判断岩石是否被压开，如果否，则返回步骤(5)，如果是，则结束实验。
所述步骤(1)中的在岩样上钻出模拟井口的操作包括：
钻出的所述模拟井口的直径大于井筒体的外径而小于环形凹槽内放置O型密封圈后的外径，且更接近环形凹槽内放置密封圈后的外径；所述密封圈的内径小于环形凹槽的直径；
钻出的所述模拟井口的深度比井筒体的密封段的长度大1-2cm，多出的部分形成裸眼段。
所述步骤(4)中的设定温度大于等于200度。
所述步骤(6)中的判断岩石是否被压开的操作包括：
以压力值为纵坐标，时间点为横坐标绘制压裂曲线；
当压裂曲线突然降低且不再继续升高时，判定岩石被压开。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的模拟试验井筒固结良好，在250度的高温下未发生压裂液渗漏现象，成功憋起40MPa的泵压，并最终将岩样压开一条垂直于最小主应力方向的裂缝。
附图说明
图1本发明耐高温高压地热井压裂模拟试验井筒中的标准井筒体的结构示意图；
图2本发明耐高温高压地热井压裂模拟试验井筒中的氟胶O型圈的结构示意图。
图3利用本发明耐高温高压地热井压裂模拟试验井筒进行压裂试验得到的压裂曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
本发明耐高温高压地热井压裂模拟试验井筒包括：井筒体和密封圈。
如图1所示，所述井筒体从上至下包括依次连接成一体的三个部分，分别为连接部1、压紧部2和密封部4。在所述连接部1、压紧部2和密封部4的中心均开有中心通孔，三者的中心通孔的直径相同，且依次连通形成井筒体的中心通孔。
具体的，所述连接部1的外壁设置有螺纹，用于连接压裂液的输送管线。
所述压紧部2为圆柱体结构，其外径大于连接部1、密封部4的外径，优选为密封部4的外径的2倍。其长度大于连接部1的长度，优选为连接部1的长度的2倍。所述压紧部2为开有中心通孔的实心圆柱体金属块，用于承受岩石三轴压裂装置上端盖的压力，并且固定井筒下入深度，防止加压时井筒体从井口窜出。
所述密封部4的外壁上从上至下加工有数个与其同轴线的环形凹槽3，环形凹槽3用于安置密封圈。所述密封圈采用O型圈，O型圈的位置和数量根据实际的井筒体的情况进行设置。在保证井筒强度的前提下可以在密封部4的外壁上多加工一些环形凹槽3，但是如果O型圈放置过多，将井筒体插入模拟井口中会比较困难，也很容易导致O型圈损坏，放置过少，无法起到好的密封效果，实际使用时可以通过多次实验放入不同数量的O型圈来确定最优的O型圈的数量和安装位置，确保密封效果最好。
另外，环形凹槽3的位置尽量要在井筒上分散一些，而且密封部4靠近最上端和最下端一定要开凹槽并放置O型圈，而且上端可以尽量多放置O型圈，如果岩样的压裂裂缝或者自身带有的天然裂缝沟通到岩样的上边部分时，如果上部井筒没有安置O型圈，那么从裂缝中窜出的压裂液就会顺着井筒体的外壁从岩石顶部渗出，导致压裂失败。
在所述环形凹槽3内放置的O型圈为氟胶O型圈，如图2所示。氟胶O型圈具有耐油、耐高温、耐压的特性。其可以承受250℃的高温和40MPa的高压，完全可以满足地热井压裂试验所设置的温度和压力环境。本发明中的氟胶O型圈与环形凹槽3的壁面、模拟井口的壁面的共同作用下抵抗来自钻井液的压力，而且能够更加贴近壁面确保达到最好的密封效果。该模拟试验井筒通过氟胶O型圈进行密封，避免了地热井高温环境造成的密封失效，为合理设计地热井压裂试验、保证试验压裂效果提供了很好的技术手段。
应用上述耐高温高压地热井压裂模拟试验井筒进行实验的方法如下：
(1)，在岩样上钻出合适的孔径和深度(模拟井口的直径位于井筒体的外径与凹槽处放置密封圈后的外径之间，而且更接近放置密封圈后的外径；所述密封圈的内径略小于凹槽处的井筒的直径)的模拟井口(模拟井口的长度比井筒体的密封段4的长度大1-2cm,即当井筒体压入模拟井口后，密封段4的底端面比模拟井口的底部高出1-2cm，模拟井口低于密封段4的底端面的部分形成裸眼段，裸眼段能够存储一定量的钻井液以达到憋压)，并将密封圈从井筒体的底端套入，安装在密封部的环形凹槽内；将岩样包裹在真三轴压裂装置中的金属板内，并在金属板内放置多个加热棒(金属板是真三轴压裂装置的一个部件，本发明在金属板与岩样之间放置了多个加热棒，用于对岩样进行加热。)；
(2)，将井筒体的密封部4充分压入模拟井口内，并使得压紧部2的下端面与岩样的上表面充分接触；
(3)，盖上真三轴压裂装置的上端盖，使得上端盖的下表面与压紧部2的上表面充分接触，将压裂液输送管线与连接部连接，完成安装；
(4)通过井筒体的中心通孔向岩样内泵入压裂液，同时记录每个时间点的压力值：连接输送管线完成安装后，启动加热棒对岩样进行加热，直到温度传感器测温达到设定温度(设定温度超过200℃)，保持恒温；启动循环泵，将循环泵中的压裂液泵入输送管线，压裂液经过井筒体的中心通孔进入模拟井口内，然后进入岩样中；
(5)记录每个时间点的循环泵的压力值，并存储每个时间点的压力值；时间点可以根据实际需要设置固定的时间间隔，例如每30秒记录一次。
(6)判断岩石是否被压开，如果否，则返回步骤(5)，如果是，则结束实验并输出压力值。
所述步骤(6)中的判断岩石是否被压开的操作包括：
以压力值为纵坐标，时间点为横坐标绘制压裂曲线；
当压裂曲线突然降低且不再继续升高时，判定岩石被压开。
本发明的实施例如下：
采用花岗岩岩样在真三轴压裂装置上加高温进行模拟地热井压裂试验。利用本发明提供的模拟试验井筒安装压裂装置，通过在真三轴压裂装置中的包裹岩石的金属板内放置多个加热棒实现加温达到超过200度的温度。岩石尺寸可以是30*30*30cm，也可以是40*40*40。
试验中，模拟试验井筒固结良好，未发生压裂液渗漏现象，能够成功憋起40MPa的泵压，并最终将岩样压开一条垂直于最小主应力方向的裂缝。
图3为压裂试验的压裂曲线，曲线的纵坐标为泵压，即输入压裂液的压力值，随着压裂液体积的增大，模拟井口的裸眼段的液体压力不断增大，当达到岩石的起裂压力时，岩石就被压开一条一条的裂缝，直到注入的液体能够保证裂缝一直扩展直到岩石整个被压开，曲线突然降低且不会继续升高说明压裂结束，岩石被压开。如果在压裂过程中出现压裂液漏失，则无法憋压。图3中的曲线的纵坐标达到了20甚至30以上，说明能够憋压，也就是说采用本发明提供的耐高温高压模拟试验井筒密封效果良好，未出现压裂液漏失现象，从试验后的岩石观察到压出一条垂直于最小主应力方向的裂缝。
现有模拟试验井筒仅仅是通过环氧树脂胶水固结，而要实现长时间高温环境下的实验，环氧树脂是无法满足密封要求的。如果采用现有的井筒进行实验，得到的结果如下：当压力曲线升高至十到二十兆帕左右，就会出现迅速的降低，说明压力憋到十几二十兆帕就无法继续憋压了。而当把岩石取出后，可以发现井筒处有很多压裂液，这就是由于密封效果不好，压裂并没有将岩石压开，实验是失败的。现有的模拟试验井筒在这样的高温高压实验时，无法成功憋起40MPa的高压，实验开始没多久压裂液就会因为井筒的密封问题从井口直接流出而不是将岩石压开裂缝。
而本发明能够憋压到40MPa，且成功将岩石压开，本发明适用于高温高压的地热井压裂模拟试验，可以为合理设计地热井压裂试验、保证试验压裂效果提供很好的技术手段。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
Claims (10)
1.一种耐高温高压地热井压裂模拟试验井筒，其特征在于：所述耐高温高压地热井压裂模拟试验井筒安装在岩样的模拟井口处，其包括：井筒体和密封圈；
所述井筒体从上至下包括依次连接成一体的三个部分:连接部、压紧部和密封部；
在所述连接部、压紧部和密封部的中心均开有中心通孔，三者的中心通孔的直径相同，且依次连通形成井筒体的中心通孔；
所述密封圈安装在所述井筒体的密封部上。
2.根据权利要求1所述的耐高温高压地热井压裂模拟试验井筒，其特征在于：所述连接部的外壁上设置有螺纹，用于连接压裂液输送管线。
3.根据权利要求2所述的耐高温高压地热井压裂模拟试验井筒，其特征在于：所述压紧部为开有中心通孔的实心圆柱体金属块，其外径大于连接部、密封部的外径；
所述压紧部的长度大于连接部的长度。
4.根据权利要求3所述的耐高温高压地热井压裂模拟试验井筒，其特征在于：所述压紧部的外径是密封部的外径的2倍；
所述压紧部的长度是连接部的长度的2倍。
5.根据权利要求1所述的耐高温高压地热井压裂模拟试验井筒，其特征在于：在所述密封部的外壁上从上至下加工有至少2个与其同轴线的环形凹槽；
所述密封圈安装在所述环形凹槽内。
6.根据权利要求5所述的耐高温高压地热井压裂模拟试验井筒，其特征在于：所述密封圈采用氟胶O型圈；
所述氟胶O型圈与环形凹槽的壁面、模拟井口的内壁面形成密封。
7.一种应用如权利要求1-6任一项所述的耐高温高压地热井压裂模拟试验井筒进行实验的方法，其特征在于：所述方法包括：
(1)，在岩样上钻出模拟井口，并将密封圈从井筒体的底端套入，安装在密封部的环形凹槽内；将岩样包裹在真三轴压裂装置中的金属板内，并在金属板内设置多个加热棒；
(2)，将所述井筒体的密封部充分压入模拟井口内，并使得压紧部的下端面与岩样的上表面充分接触；
(3)，盖上真三轴压裂装置的上端盖，使上端盖的下表面与压紧部的上表面充分接触，然后将压裂液输送管线与连接部连接；
(4)，启动加热棒对岩样进行加热，当岩样的温度达到设定温度后保持恒温；启动循环泵，将循环泵中的压裂液泵入压裂液输送管线，压裂液经过井筒体的中心通孔进入模拟井口内，然后进入岩样中；
(5)，记录并存储每个时间点的循环泵的压力值；
(6)，判断岩石是否被压开，如果否，则返回步骤(5)，如果是，则结束实验。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的在岩样上钻出模拟井口的操作包括：
钻出的所述模拟井口的直径大于井筒体的外径而小于环形凹槽内放置密封圈后的外径，且更接近环形凹槽内放置密封圈后的外径；所述密封圈的内径小于环形凹槽的直径；
钻出的所述模拟井口的深度比井筒体的密封段的长度大1-2cm，多出的部分形成裸眼段。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中的设定温度大于等于200度。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤(6)中的判断岩石是否被压开的操作包括：
以压力值为纵坐标，时间点为横坐标绘制压裂曲线；
当压裂曲线突然降低且不再继续升高时，判定岩石被压开。
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