CN113250671A - 干热岩水平井分段顺序压裂或同时压裂的模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种干热岩水平井分段顺序压裂或同时压裂的模拟装置及方法，所述干热岩水平井分段顺序压裂或同时压裂的模拟装置包括预制岩样、水平井组、压裂装置、恒温流体高压注入装置以及温度监测系统，水平井组包括外井筒、内井筒以及定位结构，所述外井筒的一端封闭且安装至所述预制岩样内，另一端具有第一敞口端，所述外井筒的内壁沿轴向间隔设置多个沿周向延伸的环形凹槽，所述多个环形凹槽的数量与分段压裂簇数量匹配且每个环形凹槽内设有间隔设置的两条割缝，所述内井筒设于所述外井筒内且具有封闭端以及与所述封闭端相对设置的开口端，且所述内井筒的外侧壁与所述外井筒的内侧壁通过螺纹结构密封连接。

Description

干热岩水平井分段顺序压裂或同时压裂的模拟装置及方法

技术领域

本发明实施例涉及油气田开发技术领域，特别涉及一种干热岩水平井分段顺序压裂或同时压裂的模拟装置及方法。

背景技术

目前国内对能源消费的需求量极大，但不匹配的是，我国能源供应存在缺口，2020年，我国石油和天然气的进口依存度已经上升至73％和43％，对我国能源安全提出了重大挑战。地热能是一种分布广泛、低碳环保且具有竞争力的可持续利用的清洁能源，而我国具有世界上最丰富的地热资源，其中干热岩作为一种新兴的地热资源越来越受到人们的关注，利用干热岩发电具有不受季节、气候制约和成本低的特点。干热岩岩性以花岗岩为主，具有低孔隙度、低渗透率的性质，难以直接钻井注水开发其中的热能，此时就需要利用石油工程中的水力压裂技术，在地下热储层中压裂形成裂缝或者缝网，形成增强型地热系统(Enhanced Geothermal System，EGS)，通过注入低温冷水和采出高温热水对地热能进行开发利用。干热岩具有巨大的开发潜力，成功开发地热能具有显著的经济效益、环境效益，对干热岩实施有效的开发是利国利民的事业。

干热岩地热能高效开发的关键在于形成有效的裂缝网络，国内外相关技术通过数值模拟方法分析了增强型地热系统的开发情况，结果表明水平井多段压裂的开发效果最佳。在常规油气储层中，已经开展了一系列水平井多段压裂物理实验和数值模拟研究，对其已经有了比较充分的认识。但是在干热岩地层中，由于其特殊的高温高压环境以及不同于油气储层的低孔、低渗和不含水的岩石特征，水平井多段压裂裂缝起裂及扩展的控制机制尚不明确。与直井压裂相比，水平井多段压裂存在着各段裂缝间的应力干扰现象，不同压裂施工方式(顺序压裂或同时压裂)产生的裂缝形态不同，因此，有必要展开干热岩水平井多段顺序压裂和同时压裂的研究。而目前我国尚未拥有整套成熟的干热岩水平井多段压裂物理模拟方法，特别是对于高温高压环境下干热岩顺序压裂和同时压裂的室内实验方法尚不完善。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供一种干热岩水平井分段顺序压裂或同时压裂的模拟装置及方法，旨在解决现有技术中缺乏对干热岩水平井多段压裂物理模拟方法的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种干热岩水平井分段顺序压裂或同时压裂的模拟装置，包括：

预制岩样；

水平井组，包括外井筒、内井筒以及定位结构，所述外井筒的一端封闭且安装至所述预制岩样内，另一端具有第一敞口端，所述外井筒的内壁沿轴向间隔设置多个沿周向延伸的环形凹槽，所述多个环形凹槽的数量与分段压裂簇数量匹配且每个环形凹槽内设有间隔设置的两条割缝，所述内井筒设于所述外井筒内且具有封闭端以及与所述封闭端相对设置的开口端，且所述内井筒的外侧壁与所述外井筒的内侧壁通过螺纹结构密封连接；其中，所述内井筒分别与每个所述环形凹槽对应位置设有四个沿周向分布的第一通孔，所述定位结构安装在所述内井筒，以使所述第一通孔与对应的所述环形凹槽相连通；或者，所述内井筒在靠近所述封闭端设置四个沿周向分布的第一通孔，所述定位结构安装在所述内井筒，以使所述第一通孔分别与所述多个环形凹槽连接；

压裂装置，具有压裂腔体、应力加载装置、以及加热装置，所述压裂腔体内容置所述预制岩样，所述应力加载装置用于对所述预制岩样施加X、Y以及Z轴方向的环境应力，所述加热装置设于所述压力腔体的内壁，用于所述预制岩样进行加热；

恒温流体高压注入装置，与所述内井筒的开口端连接，用于模拟压裂高压流体的注入；以及，

温度监测系统，与所述压裂腔体连接，用于对所述预制岩样的温度实时监控。

优选地，所述内井筒分别与每个所述环形凹槽对应位置设有四个沿周向分布的第一通孔时，所述开口端设有用于安装所述定位结构的至少两个定位孔；

所述内井筒在靠近所述封闭端设置四个沿周向分布的第一通孔时，所述内井筒自所述开口端设有沿轴向间隔分布的多级定位孔，所述多级定位孔分别用于设置定位结构，以使所述第一通孔分别与所述多个环形凹槽连接。

优选地，所述定位结构为定位挡片。

优选地，所述温度监测系统为分布式光纤测温技术对岩样的温度实时监测；

还包括挡板，所述挡板贯设有供外井筒穿过的让位孔，所述挡板盖设在压裂腔体的开口处，以使所述预制岩样设于封闭的压裂腔体内。

优选地，所述预制岩样为天然花岗岩露头或水泥浇筑的人工岩样，岩样尺寸为300*300*400mm。

为了实现上述目的，本发明还提供一种利用上述的干热岩水平井分段顺序压裂或同时压裂的模拟装置进行干热岩水平井分段顺序压裂或同时压裂的模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S210，将水平井组设于预制岩样中；

步骤S220，开启加热装置对预制岩样加热至预设温度，并对预制岩样的内部温度进行实时监测；

步骤S230，在预制岩样的内部温度达到预设温度时，对预制岩样进行X、Y以及Z轴方向分别加载垂向应力、水平最小主应力以及水平最大主应力；

步骤S240，待环境应力加载完后，确保恒温流体高压注入装置与所述内井筒的开口端连接，并以预设注入流量开始泵注流体进行压裂模拟，记录压裂过程中压力和预制岩样的温度变化；

其中，在模拟水平分段顺序压裂时在每一段压裂完成后，将旋转内井筒旋进或旋出一级以进行下一段的压裂。

优选地，所述步骤S210包括：将水平井组安装在预制岩样的安装盲孔中；

所述步骤S210的步骤之前，还包括：

加工直径为25mm-30mm、长度为240mm-350mm、具有3-5个环形凹槽的外井筒，环形凹槽宽度为15mm-20mm。

优选地，所述步骤S210的步骤之前，还包括：

将天然花岗岩露头切割成300*300*400mm的长方体，在300*300mm面中心位置沿横向钻长230mm-340mm、直径为26mm-32mm的安装盲孔；或者，

配制水泥浆，将水平井组的外井筒和温度监测系统的感温光纤放入浇筑模具中，浇筑出300*300*400mm的人工岩样；经过10-15天的养护并将岩样表面打磨光滑平整，以形成所述预制岩样。

优选地，所述步骤S210具体包括：

将外井筒和温度监测系统的感温光纤放入安装盲孔中，并将外井筒与预制岩样密封固定；

在所述外井筒的每个所述环形凹槽割出间隔设置的两条割缝；

将所述预制岩样放入压裂腔体内并封闭所述压裂腔体，将所述内井筒旋入所述外井筒；

将恒温流体高压注入装置与所述内井筒连接；

将感温光纤接入温度监测系统。

优选地，间隔设置的所述两条割缝之间的距离为60mm-120mm；或者，所述预设温度为80-500℃。

本发明提出的干热岩水平井顺序压裂和同时压裂的物理模拟方法，可以模拟大尺寸岩样在高温高压环境下的水平井分段压裂情形，以辅助研究干热岩水平井分段压裂裂缝起裂和扩展控制机制，通过应力加载装置分别对X、Y以及Z进行独立加载，可以更真实模拟应力状态，通过加热装置对预制岩样持续加热，使腔体处于高温环境模拟干热岩压裂，通过设置温度监测系统实时监测压裂过程中岩样的温度变化，可以有效分析温度在干热岩水平井压裂中起到的作用，设置螺纹结构通过螺纹密封、以及水平井组中环形凹槽、第一通孔、定位孔的配合，第一通孔与外井筒的环形凹槽相连通并由螺纹联接密封分隔，以解决水平井分段压裂，可以模拟水平井顺序压裂或同步压裂等不同压裂工况，环形凹槽具有一定宽度，通过在环形凹槽不同位置处割缝，可仅使用同一个内井筒实现不同簇间距条件下的干热岩水平井分段压裂模拟，如此避免了每组实验都要加工一整套水平井组，能够减少加工内井筒的成本。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1为本发明提供的干热岩水平井分段顺序压裂或同时压裂的模拟装置一实施例的示意图；

图2为本发明干热岩水平井分段顺序压裂或同时压裂的模拟装置中压裂腔体的示意图；

图3为图1中外井筒的结构示意图；

图4为图3中外井筒的透视图；

图5为图1中用于模拟干热岩水平井分段同时压裂的内井筒一实施例的结构示意图；

图6为图5的一剖视图；

图7为图1中用于模拟干热岩水平井分段顺序压裂的内井筒另一实施例的结构示意图；

图8为图7的一剖视图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

图1至图8示出了本发明干热岩水平井分段顺序压裂或同时压裂的模拟装置的实施例。本发明提供一种干热岩水平井分段顺序压裂或同时压裂的模拟装置，请参阅图1和图2，该干热岩水平井分段顺序压裂或同时压裂的模拟装置包括预制岩样11、水平井组、压裂装置、恒温流体高压注入装置9以及温度监测系统，水平井组包括外井筒1、内井筒2以及定位结构，所述外井筒1的一端封闭且安装至所述预制岩样11内，另一端具有第一敞口端，请参阅图3和图4，所述外井筒1的内壁沿轴向间隔设置多个沿周向延伸的环形凹槽4(其中图4中环形凹槽4为4个，包括第一级环形凹槽4.1、第二级环形凹槽4.2、第三级环形凹槽4.3以及第四级环形凹槽4.4)，所述多个环形凹槽4的数量与分段压裂簇数量匹配且每个环形凹槽4内设有间隔设置的两条割缝8(以图4为例，图4中环形凹槽4的数量为4个，故设置了四级割缝，分别为第一级割缝8.1、第二级割缝8.2、第三级割缝8.3、以及第四级割缝8.4)，所述内井筒2设于所述外井筒1内且具有封闭端以及与所述封闭端相对设置的开口端，且所述内井筒2的外侧壁与所述外井筒1的内侧壁通过螺纹结构3密封连接(即内井筒2的外侧壁设有外螺纹，外井筒1的内侧壁设有与之配合的内螺纹)；其中，请参阅图5和图6，图5和图6示出了用于模拟干热岩水平井分段同时压裂的内井筒，所述内井筒2分别与每个所述环形凹槽4对应位置设有四个沿周向分布的第一通孔5(图5和图6中，每个环形凹槽4分别设置4个第一通孔5，例如第一级环形凹槽4.1包括四个第一级第一通孔5.1，第二级环形凹槽4.2包括四个第二级第一通孔5.2，第三级环形凹槽4.3包括四个第三级第一通孔5.3，第四级环形凹槽4.4包括四个第四级第一通孔5.4)，所述定位结构安装在所述内井筒2，以使所述第一通孔5与对应的所述环形凹槽4相连通；或者，请参阅图7和图8，所述内井筒2在靠近所述封闭端设置四个沿周向分布的第一通孔5，所述定位结构安装在所述内井筒2，以使所述第一通孔5分别与所述多个环形凹槽4连接，压裂装置具有压裂腔体15、应力加载装置12、以及加热装置，所述压裂腔体15内容置所述预制岩样11，所述应力加载装置12用于对所述预制岩样11施加X、Y以及Z轴方向的环境应力，所述加热装置设于所述压力腔体的内壁，用于所述预制岩样11进行加热，恒温流体高压注入装置9与所述内井筒2的开口端连接(具体地，恒温流体高压注入装置9与所述内井筒2的开口端通过流体注入管线10连接)，用于模拟压裂高压流体的注入；温度监测系统，与所述压裂腔体15连接，用于对所述预制岩样11的温度实时监控。在本实施例中，所述预制岩样11为天然花岗岩露头或水泥浇筑的人工岩样，岩样尺寸为300*300*400mm。

具体地，多个环形凹槽4是在外井筒1沿轴向每间隔一段距离将螺纹切除形成一环形凹槽4，环形凹槽4的数量与分段压裂簇数量对应。

优选地，请参阅图6，所述内井筒2分别与每个所述环形凹槽4对应位置设有四个沿周向分布的第一通孔5时，所述开口端设有用于安装所述定位结构的至少两个定位孔6；所述内井筒2在靠近所述封闭端设置四个沿周向分布的第一通孔5时，请参阅图7和图8，所述内井筒2自所述开口端设有沿轴向间隔分布的多级定位孔6(以图7和图8为例，包括第一级定位孔6.1、第二级定位孔6.2、第三级定位孔6.3、以及第四级定位孔6.4，在本实施例中，每级定位孔6包括至少两个沿周向分布的定位孔6)，所述多级定位孔6用于设置定位结构，以使所述第一通孔5分别与所述多个环形凹槽4连接。在本实施例中，所述定位结构为定位挡片7。

具体地，内井筒2的两种设置形式，其中，一种是所述内井筒2分别与所述环形凹槽4对应位置设有四个沿周向分布的第一通孔5，所述开口端(靠近内井筒2开口处)设有用于安装所述定位结构的至少两个定位孔6，在定位孔6处安装定位挡片7，以使所述第一通孔5与对应的所述环形凹槽4相连通，用于模拟水平井同时压裂；另一种是所述内井筒2在靠近所述封闭端设置四个沿周向分布的第一通孔5，所述内井筒2自所述开口端设有沿轴向间隔分布的多级定位孔6，每级所述定位孔6用于安装定位挡片7，以使所述第一通孔5分别与所述多个环形凹槽4连接(即内井筒2的第一通孔5分别与外井筒1的每一级环形凹槽4连通)，用于模拟水平井顺序压裂。

应力加载装置12可以为包括由三个独立的液压应力加载装置12，对预制岩样11施加两个水平正交方向和一个垂直方向的环境应力。请参阅图2，应力加载装置12包括用于加载水平最小主应力的水平最小主应力加载装置12.1、用于加载水平最大主应力的水平最大主应力加载装置12.2、以及用于加载垂向应力的垂向应力加载装置12.3。

在本实施例中，加热装置包括抗高压的电加热板13和温度控制器，电加热板13分布在压裂腔体15四周并与预制岩样11直接接触，所述温度控制器能够控制电加热板13输出温度恒定为预设值。

压裂腔体15为压裂预制岩样11的腔体，三个液压应力加载装置12、电加热板13设于压裂腔体15的内壁，电加热板13与压裂腔体15的其余零件之间(除预制岩样11外)设有隔热层14。该干热岩水平井分段顺序压裂或同时压裂的模拟装置还包括挡板，所述挡板贯设有供外井筒1穿过的让位孔，所述挡板盖设在压裂腔体15的开口处，以使所述预制岩样11设于封闭的压裂腔体15内，如此可以使预制岩样11在压裂模拟过程中处于一个相对封闭的高温高压环境。

所述温度监测系统为分布式光纤测温技术(DTS)对预制岩样11的温度实时监测。该温度监测系统包括激光光源18、信号接收器17以及感温光纤19；所述感温光纤19为分布式铠装抗压抗拉型光纤，采用两头安装方式以提高精度和分辨率，所述感温光纤19随外井筒1一起置入预制岩样11中。

为了实现上述发明目的，本发明还提供一种利用上述的干热岩水平井分段顺序压裂或同时压裂的模拟装置进行干热岩水平井分段顺序压裂或同时压裂的模拟方法，该干热岩水平井分段顺序压裂或同时压裂的模拟装置包括如下步骤：

步骤S210，将水平井组安装至预制岩样11中；

具体地，所述步骤S210具体包括：

步骤S2101，将外井筒1和温度监测系统的感温光纤19放入安装盲孔中，并将外井筒1与预制岩样11密封固定；

具体实现时，外井筒1与预制岩样11通过耐高温的环氧树脂胶密封固定。

步骤S212，在所述外井筒1的每个所述环形凹槽4割出间隔设置的两条割缝8；

具体实现时，在外井筒1和预制岩样11密封固定后，在在所述外井筒1的每个所述环形凹槽4割出间隔设置的两条割缝8，间隔设置的两条割缝8之间的距离(即簇间距)为60mm-120mm。切割时不要损坏外井筒1里的螺纹，否则将影响密封效果。

步骤S2103，将所述预制岩样11放入压裂腔体15内并封闭所述压裂腔体15，将所述内井筒2旋入所述外井筒1；

具体实现时，将预制岩样11放入压裂腔体15内，装上压裂腔挡板16，通过压裂腔挡板16开口处将水平井内井筒2旋入外井筒1。

步骤S2104，将恒温流体高压注入装置9与所述内井筒2连接；

步骤S2105，将感温光纤19接入温度监测系统。

所述步骤S210还可以是包括：

配置水泥浆，将水平井组的外井筒1和温度监测系统的感温光纤19放入浇筑磨具中，浇筑出预设尺寸的人工岩样，养护10-15天后将人工岩样表面打磨平整，形成设于预设岩样和安装在其中的水平井组。

步骤S220，开启加热装置对预制岩样11加热至预设温度，并对预制岩样11的内部温度进行实时监测；

具体实现时，在确定压裂腔挡板16和内井筒2已经安装固定，调整加热板与预制岩样11相接触，打开加热装置并设置加热预设温度(所述预设温度为80-500℃)，同时打开温度监测系统，实时监测岩样内部温度，保持预制岩样11加热一段时间，直到预制岩样11内部温度达到预设温度。

步骤S230，在预制岩样11的内部温度达到预设温度时，对预制岩样11进行X、Y以及Z轴方向分别加载垂向应力、水平最小主应力以及水平最大主应力；

预制岩样11的内部温度达到预设温度后，保持岩样加热系统温度不变，并对岩样分别加载垂向应力、水平最小主应力和水平最大主应力(可加载应力范围为0-50MPa)，注意加载应力时尽量保持三个方向的应力均匀同步增大。

步骤S240，待环境应力加载完后，确保恒温流体高压注入装置9与所述内井筒2的开口端连接，并以预设注入流量开始泵注流体进行压裂模拟，记录压裂过程中压力和预制岩样11的温度变化；

其中，在模拟水平分段顺序压裂时在每一段压裂完成后，将旋转内井筒2旋进或旋出一级以进行下一段的压裂。

具体实现时，环境应力加载完毕后，确保恒温流体高压注入装置9与内井筒2相连，打开高压注入泵并设置注入流量大小(流量范围为0-20ml/min)，开始泵注流体进行压裂模拟，注意记录压裂过程中的压力和预制岩样11温度变化。模拟水平井分段同时压裂时按照上述操作进行即可，而在模拟水平井分段顺序压裂时还需要在每一段压裂完成后，将内井筒2旋进或旋出一级以进行下一段的压裂。

还包括步骤S250，在实验结束后，压裂完成后关闭高压注入泵，关闭岩样加热系统，卸载三向应力，旋出内井筒2，放置一段时间进行散热，然后打开压裂腔挡板16取出预制岩样11，观察并记录压裂效果，操作时注意自身防护避免烫伤。

所述步骤S210的步骤之前，还包括：

步骤S211，加工直径为25mm-30mm、长度为240mm-350mm、具有3-5个环形凹槽4的外井筒1，环形凹槽4宽度为15mm-20mm。

进行水平井顺序压裂时，所述内井筒2在靠近所述封闭端设置四个沿周向分布的第一通孔5，所述内井筒2自所述开口端设有沿轴向间隔分布的多级定位孔6，每级所述定位孔6用于安装定位挡片7，以使所述第一通孔5分别与所述多个环形凹槽4连接进行水平井同时压裂时，所述内井筒2分别与所述环形凹槽4对应位置设有四个沿周向分布的第一通孔5，所述开口端(靠近内井筒2开口处)设有用于安装所述定位结构的至少两个定位孔6，在定位孔6处安装定位挡片7，以使所述第一通孔5与对应的所述环形凹槽4相连通。内井筒与外井筒密封螺纹相匹配，井筒具体尺寸根据实验研究目的确定。所述步骤S210的步骤之前，还包括：

步骤S212，将天然花岗岩露头切割成300*300*400mm的长方体，在300*300mm面中心位置沿横向钻长230mm-340mm、直径为26mm-32mm的安装盲孔，加工时需要保证岩样形状规整和表面光滑，以使岩样在应力加载时受力均匀；或者，配制水泥浆，将水平井组的外井筒1和温度监测系统的感温光纤19放入浇筑模具中，浇筑出300*300*400mm的人工岩样；经过10-15天的养护并将岩样表面打磨光滑平整，以形成所述预制岩样11。

实施例1

干热岩水平井分段顺序压裂的模拟方法，其中实验基本参数如表1。

表1实验基本参数设置

步骤S211，加工外部直径为30mm、外部长度为340mm、内部直径为24mm、内部长度为330mm的外井筒1(外井筒1井口凸台宽度10mm，外井筒1井底封闭端宽度10mm)，在外井筒1内壁上从井底起始切削出4个宽度为16mm、深度为2mm、间隔为64mm的环形凹槽4，并在外井筒1内壁其他位置上加工出密封螺纹；加工直径为24mm、长度为340mm的内井筒2，在内井筒2外壁加工出与外井筒1相配合的密封螺纹，在距内井筒2井口10mm、90mm、170mm、250mm处分别加工出一对定位孔6，在距内井筒2井口332mm处加工出环绕一周的4个第一通孔5；

步骤S212，将天然花岗岩露头切割300*300*400mm的长方体，在300*300mm面中心位置向岩样内部钻出一个直径为32mm、长度为330mm的垂直盲孔；注意保证岩样形状规整和表面光滑，以使岩样在应力加载时受力均匀；

步骤S210，将水平井组的外井筒1和感温光纤19放入盲孔中，用耐高温的环氧树脂胶将外井筒1与预制岩样11密封固定，在外井筒1的第1、2、3、4级环形凹槽4上每隔80mm切割出一对割缝8(在本实施例中，该水平井组进行4级分段压裂模拟时，簇间距可以取75-85mm之间的任意值)，注意切割时不要损坏外密封螺纹，否则将影响密封效果；然后将预制岩样11放入压裂腔体15内，装上压裂腔挡板16，通过压裂腔挡板16的开口将内井筒2旋入外井筒1(在距内井筒2井口10mm处辅以定位挡片7使内井筒2的通孔与外井筒1的第4级环形凹槽4连通)，将内井筒2与恒温流体高压注入装置9相连，将感温光纤19接入温度监测系统。

步骤S220，在确定压裂腔挡板16和内井筒2已经安装固定，调整加热板与预制岩样11相接触，打开加热装置并设置加热温度200℃)，同时打开温度监测系统，实时监测岩样内部温度，保持预制岩样11加热一段时间，直到预制岩样11内部温度达到200℃。

步骤S230，预制岩样11的内部温度达到200℃后，保持岩样加热系统温度不变，并对岩样分别加载垂向应力27MPa、水平最小主应力25MPa和水平最大主应力32MPa，注意加载应力时尽量保持三个方向的应力均匀同步增大。

步骤S240，环境应力加载完毕后，确保恒温流体高压注入装置9与内井筒2相连，打开高压注入泵并设置注入流量大小为2ml/min，开始泵注流体进行水平井第4级的压裂模拟，注意记录压裂过程中的压力和岩样温度变化，然后在第4级压裂完成后，将内井筒2旋出一级(在距内井筒2井口90mm处辅以定位挡片7使内井筒2的第一通孔5与外井筒1第3级环形凹槽4连通)，进行水平井第3级的压裂模拟；同理，借助距内井筒2井口170mm和250mm处的定位孔6完成水平井第2级和第1级的压裂模拟。

步骤S250，压裂完成后，关闭高压注入泵，关闭岩样加热系统，卸载三向应力，旋出内井筒2，放置一段时间进行散热，然后打开压裂腔体15挡板取出岩样，观察并记录压裂效果，操作时注意自身防护避免烫伤。

实施例2

干热岩水平井分段同时压裂的模拟方法，其中实验基本参数如表1。

表1实验基本参数设置

步骤S211，加工外部直径为30mm、外部长度为340mm、内部直径为24mm、内部长度为330mm的外井筒1(外井筒1井口凸台宽度10mm，外井筒1井底封闭端宽度10mm)，在外井筒1内壁上从井底起始切削出4个宽度为16mm、深度为2mm、间隔为64mm的环形凹槽4，并在外井筒1内壁其他位置上加工出密封螺纹；加工直径为24mm、长度为340mm的内井筒2，在内井筒2外壁加工出与外井筒1相配合的密封螺纹，在距内井筒2井口10mm处分别加工出一对定位孔6，在距内井筒2井口92mm、172mm、252mm、332mm处分别加工出环绕一周的4个第一通孔5；

步骤S212，将天然花岗岩露头切割300*300*400mm的长方体，在300*300mm面中心位置向岩样内部钻出一个直径为32mm、长度为330mm的垂直盲孔；注意保证岩样形状规整和表面光滑，以使岩样在应力加载时受力均匀；

步骤S210，将水平井组的外井筒1和感温光纤19放入盲孔中，用耐高温的环氧树脂胶将外井筒1与预制岩样11密封固定，在外井筒1的第1、2、3级环形凹槽4上每隔80mm切割出一对割缝8(在本实施例中，该水平井组进行3级分段压裂模拟时，簇间距可以取72-88mm之间的任意值)，注意切割时不要损坏外密封螺纹，否则将影响密封效果；然后将预制岩样11放入压裂腔体15内，装上压裂腔挡板16，通过压裂腔挡板16的开口将内井筒2旋入外井筒1(在距内井筒2井口10mm处辅以定位挡片7使内井筒2的第一通孔5与外井筒1的环形凹槽4连通)，将内井筒2与恒温流体高压注入装置9相连，将感温光纤19接入温度监测系统。

步骤S220，在确定压裂腔挡板16和内井筒2已经安装固定，调整加热板与预制岩样11相接触，打开加热装置并设置加热温度300℃)，同时打开温度监测系统，实时监测岩样内部温度，保持预制岩样11加热一段时间，直到预制岩样11内部温度达到300℃。

步骤S230，预制岩样11的内部温度达到300℃后，保持岩样加热系统温度不变，并对岩样分别加载垂向应力22MPa、水平最小主应力16MPa和水平最大主应力20MPa，注意加载应力时尽量保持三个方向的应力均匀同步增大。

步骤S240，环境应力加载完毕后，确保恒温流体高压注入装置9与内井筒2相连，打开高压注入泵并设置注入流量大小为6ml/min，开始泵注流体进行水平井分段同时压裂模拟，注意记录压裂过程中的压力和岩样温度变化。

步骤S250，压裂完成后，关闭高压注入泵，关闭岩样加热系统，卸载三向应力，旋出内井筒2，放置一段时间进行散热，然后打开压裂腔体15挡板取出岩样，观察并记录压裂效果，操作时注意自身防护避免烫伤。

实施例3

干热岩水平井分段顺序压裂的模拟方法，其中实验基本参数如表1。

表1实验基本参数设置

步骤S211，加工外部直径为30mm、外部长度为330mm、内部直径为24mm、内部长度为320mm的外井筒1(外井筒1井口凸台宽度10mm，外井筒1井底封闭端宽度10mm)，在外井筒1内壁上从井底起始切削出3个宽度为20mm、深度为2mm、间隔为80mm的环形凹槽4，并在外井筒1内壁其他位置上加工出密封螺纹；加工直径为24mm、长度为330mm的内井筒2，在内井筒2外壁加工出与外井筒1相配合的密封螺纹，在距内井筒2井口10mm、110mm、210mm处分别加工出一对定位孔6，在距内井筒2井口320mm处加工出环绕一周的4个第一通孔5；

步骤S212，配制合适的水泥浆，将水平井组的外井筒1和温度监测系统的感温光纤19放入浇筑模具中，浇筑出300*300*400mm的人工岩样，然后养护10天左右并将岩样表面打磨光滑平整；

步骤S210，在外井筒1的第1、2、3级环形凹槽4上每隔100mm切割出一对割缝8(进行3级分段压裂模拟时，簇间距可以取90-110mm之间的任意值)，注意切割时不要损坏外密封螺纹，否则将影响密封效果，然后将岩样放入压裂腔体15内，装上压裂腔挡板16，通过压裂腔挡板16的开口将内井筒2旋入外井筒1(在距内井筒2井口10mm处辅以定位挡片7使内井筒2的第一通孔5与外井筒1的第3级环形凹槽4连通)，将内井筒2与恒温流体高压注入装置9相连，将感温光纤19接入温度监测系统。

步骤S220，在确定压裂腔挡板16和内井筒2已经安装固定，调整加热板与预制岩样11相接触，打开加热装置并设置加热温度300℃)，同时打开温度监测系统，实时监测岩样内部温度，保持预制岩样11加热一段时间，直到预制岩样11内部温度达到300℃。

步骤S230，预制岩样11的内部温度达到300℃后，保持岩样加热系统温度不变，并对岩样分别加载垂向应力17MPa、水平最小主应力15MPa和水平最大主应力20MPa，注意加载应力时尽量保持三个方向的应力均匀同步增大。

步骤S240，环境应力加载完毕后，确保恒温流体高压注入装置9与内井筒2相连，打开高压注入泵并设置注入流量大小为2.5ml/min，开始泵注流体进行水平井第3级的压裂模拟，注意记录压裂过程中的压力和岩样温度变化，然后在第3级压裂完成后，将内井筒2旋出一级(在距内井筒2井口110mm处辅以定位挡片7使内井筒2的第一通孔5与外井筒1第2级环形凹槽4连通)，进行水平井第2级的压裂模拟；同理，借助距内井筒2井口210mm处的定位孔6完成水平井第1级的压裂模拟。

步骤S250，压裂完成后，关闭高压注入泵，关闭岩样加热系统，卸载三向应力，旋出内井筒2，放置一段时间进行散热，然后打开压裂腔体15挡板取出岩样，观察并记录压裂效果，操作时注意自身防护避免烫伤。

实施例4

干热岩水平井分段同时压裂的模拟方法，其中实验基本参数如表1。

表1实验基本参数设置

步骤S211，加工外部直径为30mm、外部长度为330mm、内部直径为24mm、内部长度为320mm的外井筒1(外井筒1井口凸台宽度10mm，外井筒1井底封闭端宽度10mm)，在外井筒1内壁上从井底起始切削出3个宽度为20mm、深度为2mm、间隔为80mm的环形凹槽4，并在外井筒1内壁其他位置上加工出密封螺纹；加工直径为24mm、长度为330mm的内井筒2，在内井筒2外壁加工出与外井筒1相配合的密封螺纹，在距内井筒2井口10mm处分别加工出一对定位孔6，在距内井筒2井口120mm、220mm、320mm处分别加工出环绕一周的4个第一通孔5；

步骤S212，配制合适的水泥浆，将水平井组的外井筒1和温度监测系统的感温光纤19放入浇筑模具中，浇筑出300*300*400mm的人工岩样，然后养护10天左右并将岩样表面打磨光滑平整；

步骤S210，在外井筒1的第1、2、3级环形凹槽4上每隔100mm切割出一对割缝8(进行3级分段压裂模拟时，簇间距可以取90-110mm之间的任意值)，注意切割时不要损坏外密封螺纹，否则将影响密封效果，然后将岩样放入压裂腔体15内，装上压裂腔挡板16，通过压裂腔挡板16的开口将内井筒2旋入外井筒1(在距内井筒2井口10mm处辅以定位挡片7使内井筒2的第一通孔5与外井筒1的环形凹槽4连通)，将内井筒2与恒温流体高压注入装置9相连，将感温光纤19接入温度监测系统。

步骤S220，在确定压裂腔挡板16和内井筒2已经安装固定，调整加热板与预制岩样11相接触，打开加热装置并设置加热温度300℃)，同时打开温度监测系统，实时监测岩样内部温度，保持预制岩样11加热一段时间，直到预制岩样11内部温度达到300℃。

步骤S230，预制岩样11的内部温度达到300℃后，保持岩样加热系统温度不变，并对岩样分别加载垂向应力17MPa、水平最小主应力15MPa和水平最大主应力20MPa，注意加载应力时尽量保持三个方向的应力均匀同步增大。

步骤S240，环境应力加载完毕后，确保恒温流体高压注入装置9与内井筒2相连，打开高压注入泵并设置注入流量大小为8ml/min，开始泵注流体进行水平井分段同时压裂模拟，注意记录压裂过程中的压力和岩样温度变化。

步骤S250，压裂完成后，关闭高压注入泵，关闭岩样加热系统，卸载三向应力，旋出内井筒2，放置一段时间进行散热，然后打开压裂腔体15挡板取出岩样，观察并记录压裂效果，操作时注意自身防护避免烫伤。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种干热岩水平井分段顺序压裂或同时压裂的模拟装置，其特征在于，包括：

预制岩样；

水平井组，包括外井筒、内井筒以及定位结构，所述外井筒的一端封闭且安装至所述预制岩样内，另一端具有第一敞口端，所述外井筒的内壁沿轴向间隔设置多个沿周向延伸的环形凹槽，所述多个环形凹槽的数量与分段压裂簇数量匹配且每个环形凹槽内设有间隔设置的两条割缝，所述内井筒设于所述外井筒内且具有封闭端以及与所述封闭端相对设置的开口端，且所述内井筒的外侧壁与所述外井筒的内侧壁通过螺纹结构密封连接；其中，所述内井筒分别与每个所述环形凹槽对应位置设有四个沿周向分布的第一通孔，所述定位结构安装在所述内井筒，以使所述第一通孔与对应的所述环形凹槽相连通；或者，所述内井筒在靠近所述封闭端设置四个沿周向分布的第一通孔，所述定位结构安装在所述内井筒，以使所述第一通孔分别与所述多个环形凹槽连接；

压裂装置，具有压裂腔体、应力加载装置、以及加热装置，所述压裂腔体内容置所述预制岩样，所述应力加载装置用于对所述预制岩样施加X、Y以及Z轴方向的环境应力，所述加热装置设于所述压力腔体的内壁，用于所述预制岩样进行加热；

恒温流体高压注入装置，与所述内井筒的开口端连接，用于模拟压裂高压流体的注入；以及，

温度监测系统，与所述压裂腔体连接，用于对所述预制岩样的温度实时监控。

2.如权利要求1所述的干热岩水平井分段顺序压裂或同时压裂的模拟装置，其特征在于，所述内井筒分别与每个所述环形凹槽对应位置设有四个沿周向分布的第一通孔时，所述开口端设有用于安装所述定位结构的至少两个定位孔；

所述内井筒在靠近所述封闭端设置四个沿周向分布的第一通孔时，所述内井筒自所述开口端设有沿轴向间隔分布的多级定位孔，所述多级定位孔分别用于设置定位结构，以使所述第一通孔分别与所述多个环形凹槽连接。

3.如权利要求2所述的干热岩水平井分段顺序压裂或同时压裂的模拟装置，其特征在于，所述定位结构为定位挡片。

4.如权利要求1所述的干热岩水平井分段顺序压裂或同时压裂的模拟装置，其特征在于，所述温度监测系统为分布式光纤测温技术对岩样的温度实时监测；

还包括挡板，所述挡板贯设有供外井筒穿过的让位孔，所述挡板盖设在压裂腔体的开口处，以使所述预制岩样设于封闭的压裂腔体内。

5.如权利要求1所述的干热岩水平井分段顺序压裂或同时压裂的模拟装置，其特征在于，所述预制岩样为天然花岗岩露头或水泥浇筑的人工岩样，岩样尺寸为300*300*400mm。

6.一种利用权利要求1至5任意一项所述的干热岩水平井分段顺序压裂或同时压裂的模拟装置进行干热岩水平井分段顺序压裂或同时压裂的模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S210，将水平井组设于至预制岩样中；

步骤S220，开启加热装置对预制岩样加热至预设温度，并对预制岩样的内部温度进行实时监测；

步骤S230，在预制岩样的内部温度达到预设温度时，对预制岩样进行X、Y以及Z轴方向分别加载垂向应力、水平最小主应力以及水平最大主应力；

步骤S240，待环境应力加载完后，确保恒温流体高压注入装置与所述内井筒的开口端连接，并以预设注入流量开始泵注流体进行压裂模拟，记录压裂过程中压力和预制岩样的温度变化；

其中，在模拟水平分段顺序压裂时在每一段压裂完成后，将旋转内井筒旋进或旋出一级以进行下一段的压裂。

7.如权利要求6所述的干热岩水平井分段顺序压裂或同时压裂的模拟方法，其特征在于，所述步骤S210的步骤之前，还包括：

加工直径为25mm-30mm、长度为240mm-350mm、具有3-5个环形凹槽的外井筒，环形凹槽宽度为15mm-20mm。

8.如权利要求6所述的干热岩水平井分段顺序压裂或同时压裂的模拟方法，其特征在于，

所述步骤S210包括：将水平井组安装在预制岩样的安装盲孔中；

所述步骤S210的步骤之前，还包括：

将天然花岗岩露头切割成300*300*400mm的长方体，在300*300mm面中心位置沿横向钻长230mm-340mm、直径为26mm-32mm的安装盲孔；或者，

配制水泥浆，将水平井组的外井筒和温度监测系统的感温光纤放入浇筑模具中，浇筑出300*300*400mm的人工岩样；经过10-15天的养护并将岩样表面打磨光滑平整，以形成所述预制岩样。

9.如权利要求6所述的干热岩水平井分段顺序压裂或同时压裂的模拟方法，其特征在于，所述步骤S210具体包括：

将外井筒和温度监测系统的感温光纤放入预制岩样的安装盲孔中，并将外井筒与预制岩样密封固定；

在所述外井筒的每个所述环形凹槽割出间隔设置的两条割缝；

将所述预制岩样放入压裂腔体内并封闭所述压裂腔体，将所述内井筒旋入所述外井筒；

将恒温流体高压注入装置与所述内井筒连接；

将感温光纤接入温度监测系统。

10.如权利要求9所述的干热岩水平井分段顺序压裂或同时压裂的模拟方法，其特征在于，间隔设置的所述两条割缝之间的距离为60mm-120mm；或者，所述预设温度为80-500℃。

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