CN112814642B - 一种页岩水平井分段压裂物理模拟实验的井筒装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种页岩气水平井分段多簇压裂物理模拟实验的井筒装置及方法，应用于页岩气储层增产改造技术领域，针对现有的技术中存在的分段压裂物理模拟实验装置重复利用率低，操作复杂的问题，本发明模拟套管由多个套管短节通过螺纹连接组成，每个套管短节包含多个射孔簇；注液活塞预留与套管短节匹配的射孔簇，并通过活塞上、下端橡胶密封圈在模拟套管内部形成独立的进液通道；空心丝杠内置压裂液导流管，并与注液活塞顶部连接，旋转丝杠连接手柄可对注液活塞位置进行调节，进而实现不同压裂段射孔孔眼的相互连通，分别对不同压裂段进行压裂。
Description
技术领域
本发明属于页岩气储层增产改造技术领域，特别涉及一种用于页岩气水平井分段多簇压裂物理模拟实验的井筒装置及方法。
背景技术
当前，随着社会对清洁能源需求的不断增加以及美国页岩气革命的成功，页岩气作为重要的油气战略接替资源，正越来越受到各国政府的重视。页岩气是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附或游离为主要存在方式的非常规天然气，具有分布广泛、开采周期长的特点，是一种清洁、高效的绿色能源。但与常规天然气储层不同，页岩气藏属于典型的超低孔—超低渗储层，一般无自然产能，必须借助于大规模体积压裂才能获得商业开发。现阶段，水平井分段多簇压裂技术已成为页岩气高效开发的核心技术之一，它利用封隔器或桥塞分隔井筒各段，然后采用多簇射孔、逐段压裂的施工工艺，在地层中形成多条水力裂缝，极大增加油气泄流通道，显著提高气井产能。然而，诸多生产测井资料表明，30％甚至更多的射孔簇未能形成有效的水力裂缝，对产能缺乏贡献。已有的研究表明，这主要是由于在页岩水平井分段多簇压裂过程中存在较强的缝间应力干扰，即“应力阴影”效应，其对水力裂缝扩展路径及缝宽具有重要的影响，集中体现在以下两个方面：首先，在同一压裂段内，中间射孔簇由于受到两侧裂缝附加应力场的影响，裂缝宽度减小，甚至会出现停止扩展或聚并，造成水力裂缝的非均匀扩展，降低储层改造效率；其次，先压开裂缝会对后续压裂段的水力裂缝扩展产生严重干扰，使得后压裂缝不再沿着垂直于井筒方向扩展，裂缝发生偏转，甚至沿着平行于井筒方向扩展，导致缝长减小，缝网波及体积缩小。因此，如何确定最佳的压裂段间距和射孔簇间距成为页岩气水平井分段压裂优化设计的关键所在。特别是，当前随着四川盆地及周缘3500m～4500m深层页岩气开采技术的不断进步，逐渐形成了以密切割分段、短簇射孔、组合压裂液+高强度加砂为代表的第三代压裂技术。与中浅层压裂工艺不同，深层页岩气压裂过程中一般选择更小的射孔簇间距和更大的射孔簇数，其中单段射孔簇数由原来的平均2～3簇，增加到6～8簇；簇间距由20m～30m缩小为5m～12m。因此，必须深入研究页岩水平井分段压裂过程中多裂缝同步起裂及竞争扩展机制。现阶段，室内大尺寸压裂物理模拟实验依然是研究页岩水力裂缝起裂及扩展机理的重要手段，其主要依据相似准则，模拟岩石在地层三向应力状态下，泵注不同粘度压裂液或支撑剂后的裂缝起裂压力及扩展形态。但是在现有的页岩压裂物理模拟实验中，绝大部分采用在井眼底部预留一裸眼段作为裂缝起裂位置的制样方式，理论上该方法仅能模拟单一射孔簇裂缝的起裂问题，裂缝实际起裂位置及条数无法控制。事实上，要实现对页岩水平井分段压裂的模拟，必须在模拟井筒内部形成多个相对密闭的进液通道，保证水力裂缝在预设位置处起裂，且能够方便调节各压裂段的压裂次序。目前，国内外对页岩水平井分段压裂物理模拟实验的报道较少，已有的研究采用的井筒结构复杂，可重复使用性差，操作流程繁琐。因此，急需一种能够实现上述功能的实验装置及方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种页岩气水平井分段多簇压裂物理模拟实验的井筒装置及方法，该装置可方便的用于研究页岩气水平井分段压裂多裂缝同步扩展过程中的缝间应力干扰问题，有助于分析不同段间距、射孔簇数量和间距、压裂顺序、水平应力差以及水平段固井质量等对页岩水平井分段压裂多裂缝扩展形态的影响规律，可为页岩水平井分段压裂施工方案决策，施工参数设计提供理论依据和技术支撑。
本发明采用的技术方案之一为：一种页岩水平井分段压裂物理模拟实验的井筒装置，包括模拟套管、注液管汇以及位置调节机构；
模拟套管包括多个套管短节，所述多个套管短节通过螺纹连接，每个套管短节包含多个射孔簇；
注液管汇包括压裂液导流管和注液活塞，注液活塞预留与套管短节相同数量的射孔簇，且注液活塞的射孔簇与套管短节的射孔簇对应，注液活塞通过其上端与下端还设置的橡胶密封圈在模拟套管内部形成独立的进液通道；
位置调节机构包括空心丝杠、手柄，空心丝杠内置压裂液导流管，并与注液活塞顶部通过卡簧进行连接，通过旋转丝杠连接的手柄对注液活塞位置进行调节。
距离手柄最远的那个套管短节末端密封。
还包括：法兰盘，所述法兰盘与空心丝杆配合将旋转运动转换成直线运动。
还包括加载板，所述法兰盘通过螺栓与加载板连接。
所述模拟套管外壁包括螺纹凹槽，所述相邻螺纹凹槽间隔2mm。
所述单个螺纹凹槽深度为1mm、宽度为2mm。
本发明采用的方案之二为：采用上述井筒装置进行页岩水平井分段多簇压裂物理模拟实验的方法，包括：
S1、选取初步的试样，并将其加工成的标准立方体试样，对立方体试样表面进行观察，记录层理及天然裂缝分布形态；
S2、在立方体试样中部沿着平行于层理面的方向，钻取盲孔作为模拟井眼，并用酒精清洗干净；
S3、将井筒装置置于立方体试样盲孔内，并进行分段密封，
S4、采用经步骤S3制备后的试样进行实验，具体过程为：
S41、将经步骤S3制备后的试样置于三轴加载装置内，根据实验方案对试样施加三向地应力，保证井眼方向与最小水平地应力方向平行；
S42、开启注液系统，以恒定排量向井筒内泵注压裂液，同时利用压力传感器记录井口压力变化，直至完成单段压裂实验，停泵，关闭注液管线阀门；还包括向压裂液中添加示踪剂，得到压裂液示踪剂显示；
S43、旋转空心丝杠手柄，调节注液活塞移动至下一压裂段，执行步骤S42；
S44、重复步骤S42-S43，直至压开所有压裂段；
步骤S4还包括将声发射探头粘贴在加载板上，用于同步监测不同压裂段压裂过程中的声发射信号；
S5、实验结束后，取出试样，对其表面进行拍照，记录不同压裂段裂缝扩展路径，并用线切割机对试样进行剖切，重点分析近井筒附近多裂缝起裂及扩展形态；
S6、综合步骤S1得到的实验前页岩层理/天然裂缝分布形态、步骤S4得到的压裂液示踪剂显示结果、压力传感器记录井口压力变化得到的泵压曲线、声发射探头探测得到的声发射定位、以及步骤S5得到的试样剖切结果，完成页岩水平井分段多簇压裂缝间应力干扰机制的综合分析。
步骤S3采用卡夫特K-9741环氧树脂灌封胶进行分段密封，固化剂和环氧树脂质量比为1:5，静置时间为48h以上。
步骤S3还包括在模拟套管射孔段与井眼环空利用尿素进行充填，防止灌封胶阻塞射孔孔眼。
本发明的有益效果：本发明的一种页岩水平井分段多簇压裂物理模拟实验的井筒装置及实验方法，该装置模拟深层原地应力条件下页岩水平井分段压裂多裂缝同步扩展问题，通过丝杠传动灵活调节各压裂段压裂次序，具有操作简单，定位精度高的特点；有助于揭示页岩水平井分段压裂过程中的缝间诱导应力形成机制，可分析研究不同段间距、射孔簇数量和压裂段间距、压裂顺序、水平应力差以及水平段固井质量等对页岩水平井分段压裂多裂缝扩展形态的影响规律，为页岩水平井分段压裂施工方案决策，施工参数设计提供理论依据和技术支撑。
附图说明
图1为本发明所述模拟井筒示意图；
图2为本发明所述注液管汇和位置调节机构装配图；
图3为本发明所述套管短节示意图。
附图标号说明：
1-岩样；2-法兰盘；3-空心丝杆；4-手柄；5-加载板；6-导流管；7-套管短节；8-套管射孔簇；9-密封胶塞；10-注液活塞；11-密封圈；12-卡簧；13-井眼盲孔。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
为了对页岩进行水平井分段多簇压裂物理模拟实验，研究多裂缝同步扩展过程中的缝间应力干扰机制，克服现有技术无法保证多簇裂缝同步起裂的不足，本发明提供了一种用于页岩水平井分段多簇压裂物理模拟实验的井筒装置及方法，如图1所示，该装置包括模拟套管、注液管汇以及位置调节机构。
模拟套管由多个套管短节7通过螺纹依次连接组成，每个套管短节7包含多个射孔簇8，套管外壁与井眼分段密封，在岩样1钻孔内部形成多个压裂段.
注液管汇用于向井筒内部泵送高压流体，主要包括压裂液导流管6和注液活塞，注液活塞预留与套管短节相同数量的射孔簇，且保证两者孔眼位置一一对应，活塞上、下端安装橡胶密封圈11，实现分割器的作用，在模拟套管内部形成多个独立的进液通道。
位置调节机构用于调节不同压裂段压裂次序，主要包括法兰盘2和空心丝杠3，空心丝杠3内置压裂液导流管6，并与注液活塞10顶部通过卡簧12进行连接，旋转空心丝杠3连接手柄4可对注液活塞10位置进行调节，进而实现不同压裂段射孔孔眼的相互连通，分别对不同压裂段进行压裂。
在本实施例中，套管短节7为一段外径3.5cm、壁厚0.45cm、长度8.0cm的不锈钢管，采用单段4簇的射孔方案，射孔间距为1.5cm，单一射孔簇由4个相位角呈90°，直径4mm的射孔组成。套管外壁间隔2mm，加工深度1mm、宽度2mm的螺纹凹槽，以提高岩样与套管的黏结强度。根据岩样1钻孔深度，选用3个套管短节7，自下而上依次通过螺纹连接，构成模拟井筒，其中第一段套管短节末端密封。
在本实施例中，压裂液导流管6选用304高压不锈钢密封管，外径3mm、内径2mm，最高耐压50MPa，其内嵌于空心丝杠3中，导流管6一端与注液活塞10相连接，另一端通过高压螺纹管与压裂液柱塞泵相连接。
在本实施例中，注液活塞10为外径2.58cm、长度7.8cm的不锈钢圆柱体，注液活塞10内部中空，并在与套管短节7射孔簇对应位置处钻取相同数量直径为4mm的出液孔，活塞上、下端采用橡胶圈11进行密封，以模拟井筒封隔器的作用，在模拟套管内构建起多个独立的进液通道。
在本实施例中，位置调节机构主要由法兰盘2和空心丝杠3构成，法兰盘2通过螺栓与加载板5连接，其与空心丝杠3配合使用，可将旋转运动转换成直线运动。空心丝杠3内嵌压裂液导流管6，空心丝杠3一端与注液活塞10顶部通过卡簧12进行连接，另一端与旋转手柄4相连。旋转手柄4可对注液活塞10位置进行精确调节，实现不同压裂段射孔孔眼的相互连通，分别对不同压裂段进行压裂。空心丝杠传动机构具有高精度、可逆性和高效率的特点。
采用上述实施例的井筒装置进行页岩水平井分段多簇压裂物理模拟实验，包括以下步骤：
步骤一：试样制备及描述，选取四川盆地龙马溪组黑色页岩天然露头为研究对象，将其加工成300mm×300mm×300mm的标准立方体试样，对试样表面进行观察，记录层理及天然裂缝分布形态；
步骤二：在立方体试样中部沿着平行于层理面的方向，钻取直径为50mm，深度250mm的盲孔作为模拟井眼，并用酒精清洗干净；
步骤三：将模拟井筒置于岩样盲孔内，采用卡夫特K-9741环氧树脂灌封胶进行分段密封，固化剂和环氧树脂质量比为1:5，静置时间为48h以上，模拟套管射孔段与井眼环空利用尿素进行充填，防止灌封胶阻塞射孔孔眼；
步骤四：将制备好的试样，置于三轴加载装置内，根据实验方案对试样施加三向地应力，保证井眼方向与最小水平地应力方向平行，开启注液系统，以恒定排量向井筒内泵注压裂液，同时利用压力传感器记录井口压力变化，从而得到泵压曲线，直至完成单段压裂实验，停泵，关闭注液管线阀门；接着旋转空心丝杠手柄，调节注液活塞移动至下一压裂段，开启注液管线阀门，开泵压裂；重复上述步骤直至压开所有压裂段。实验过程中，将声发射探头粘贴在加载板5上，同步监测不同压裂段压裂过程中的声发射信号；还包括向压裂液中添加例如荧光示踪剂，得到压裂液示踪剂显示结果；
步骤五：待实验结束后，取出试样，对其表面进行拍照，记录不同压裂段裂缝扩展路径，并用线切割机对试样进行剖切，重点分析近井筒附近多裂缝起裂及扩展形态；
步骤六：综合实验前层理面/天然裂缝分布形态、压裂液示踪剂显示、泵压曲线、声发射定位及试样剖切结果，完成页岩水平井分段多簇压裂缝间应力干扰机制的综合分析。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (8)
1.一种页岩水平井分段压裂物理模拟实验的井筒装置，其特征在于，包括：模拟套管、注液管汇以及位置调节机构；
模拟套管包括多个套管短节，所述多个套管短节通过螺纹连接，每个套管短节包含多个射孔簇；单一射孔簇包括4个相位角呈90°，直径4mm的射孔；
注液管汇包括压裂液导流管和注液活塞，注液活塞预留与套管短节相同数量的射孔簇，且注液活塞的射孔簇与套管短节的射孔簇对应；注液活塞其上端与下端设置有橡胶密封圈，实现分割器的作用，在模拟套管内部形成独立的进液通道；
位置调节机构包括空心丝杆、手柄，空心丝杆内置压裂液导流管，并与注液活塞顶部通过卡簧进行连接，通过旋转丝杠连接的手柄对注液活塞位置进行调节；还包括：法兰盘，所述法兰盘与空心丝杆配合将旋转运动转换成直线运动。
2.根据权利要求1所述的一种页岩水平井分段压裂物理模拟实验的井筒装置，其特征在于，距离手柄最远的那个套管短节末端密封。
3.根据权利要求2所述的一种页岩水平井分段压裂物理模拟实验的井筒装置，其特征在于，还包括加载板，所述法兰盘通过螺栓与加载板连接。
4.根据权利要求3所述的一种页岩水平井分段压裂物理模拟实验的井筒装置，其特征在于，所述模拟套管外壁包括螺纹凹槽，相邻螺纹凹槽间隔2mm。
5.根据权利要求4所述的一种页岩水平井分段压裂物理模拟实验的井筒装置，其特征在于，单个螺纹凹槽深度为1mm、宽度为2mm。
6.一种页岩水平井分段多簇压裂物理模拟实验的方法，其特征在于，采用权利要求1-5任意一项权利要求所述的井筒装置进行实验，包括以下步骤：
S1、选取初步的试样，并将其加工成的标准立方体试样，对立方体试样表面进行观察，记录层理及天然裂缝分布形态；
S2、在立方体试样中部沿着平行于层理面的方向，钻取盲孔作为模拟井眼，并用酒精清洗干净；
S3、将井筒装置置于立方体试样盲孔内，并进行分段密封，
S4、采用经步骤S3制备后的试样进行实验，具体过程为：
S41、将经步骤S3制备后的试样置于三轴加载装置内，根据实验方案对试样施加三向地应力，保证井眼方向与最小水平地应力方向平行；
S42、开启注液系统，以恒定排量向井筒内泵注压裂液，同时利用压力传感器记录井口压力变化，直至完成单段压裂实验，停泵，关闭注液管线阀门；还包括向压裂液中添加示踪剂，得到压裂液示踪剂显示；
S43、旋转空心丝杆的手柄，调节注液活塞移动至下一压裂段，执行步骤S42；
S44、重复步骤S42-S43，直至压开所有压裂段；
步骤S4还包括将声发射探头粘贴在加载板上，用于同步监测不同压裂段压裂过程中的声发射信号；
S5、实验结束后，取出试样，对其表面进行拍照，记录不同压裂段裂缝扩展路径，并用线切割机对试样进行剖切，重点分析近井筒附近多裂缝起裂及扩展形态；
S6、综合步骤S1得到的实验前页岩层理/天然裂缝分布形态、步骤S4得到的压裂液示踪剂显示结果、压力传感器记录井口压力变化得到的泵压曲线、声发射探头探测得到的声发射定位、以及步骤S5得到的试样剖切结果，完成页岩水平井分段多簇压裂缝间应力干扰机制的综合分析。
7.根据权利要求6所述的一种页岩水平井分段多簇压裂物理模拟实验的方法，其特征在于，步骤S3采用卡夫特K-9741环氧树脂灌封胶进行分段密封，固化剂和环氧树脂质量比为1:5，静置时间为48h以上。
8.根据权利要求7所述的一种页岩水平井分段多簇压裂物理模拟实验的方法，其特征在于，步骤S3还包括在模拟套管射孔段与井眼环空利用尿素进行充填，防止灌封胶阻塞射孔孔眼。
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