CN113565482B - 一种用于模拟水平井暂堵压裂的模拟装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于模拟水平井暂堵压裂的模拟装置，包括：用于制备压裂液的配制罐；注入泵；与注入泵连接的水平井筒，水平井筒的出液口通过回收管线与配制罐连通；至少3个彼此间隔开设置在水平井筒中的模拟井筒，模拟井筒设有多个射孔；投球装置；其中，模拟井筒设有出液孔，出液孔通过第一管线与回收管线连通，从而使注入泵、水平井筒、模拟井筒和回收管线形成压裂液循环回路，投球装置投入的暂堵球能够随压裂液进入模拟井筒，并封堵射孔，从而模拟井下暂堵作业，透过水平井筒和模拟井筒能够观测并记录暂堵球的运移轨迹、运移速度和对射孔的封堵情况，进而能够得到暂堵球的封堵效果。本发明还提供了一种用于模拟水平井暂堵压裂的模拟方法。

Description

一种用于模拟水平井暂堵压裂的模拟装置和方法

技术领域

本发明属于油气田开发领域，具体涉及一种用于模拟水平井暂堵压裂的模拟装置。本发明还涉及一种用于模拟水平井暂堵压裂的方法。

背景技术

在水平井开采中，水平井分段分簇压裂技术是实现致密油气储层高效开发的关键技术之一。现场生产剖面监测结果显示，对产量具有贡献的压裂簇仅占20～40％，这表明压裂过程中存在严重的非均匀扩展现象。储层的非均质性和多裂缝扩展产生的应力干扰等因素，都是造成水力裂缝非均匀扩展的重要原因。因此，对于促进压裂段内各簇裂缝的均衡扩展，提高水平井段水力裂缝覆盖率在水平井开采工程中尤为重要。

现有技术中有研究人员提出采用非均匀的射孔簇或射孔参数来减少诱导应力的干扰、促进多裂缝均匀延伸的控制方法。然而，实际射孔布置方案的优化由于受到压前储层非均质性认识与现场施工工序等其他因素的限制，工程实践过程存在较大难度。相比之下，投球暂堵工艺由于其具有施工简单、成本低、储层伤害小等优势，目前在水平井分段多簇压裂中得到广泛应用。暂堵球能够通过对优势扩展簇的孔眼进行封堵，从而提高水平段的均匀改造程度。微地震监测结果表现，投球后显示出更多的破裂信号。

然而，现有的暂堵球投球装置虽然涉及投球暂堵相关的压裂方法与工艺，但是并未提到暂堵球投球数量、投球时机等优化方法，因而，并没有详细的暂堵球投球工艺与优化描述，导致压裂现场缺少投球工艺优化与模拟手段。

发明内容

针对如上所述的技术问题，本发明旨在提供一种用于模拟水平井暂堵压裂的模拟装置，该模拟装置能够模拟在不同暂堵球数量、暂堵球尺寸、压裂簇数、射孔参数、压裂液类型、排量等条件下，暂堵球在井筒中的流动和对射孔的封堵情况，并能在实验过程中实现对暂堵球运移和封堵射孔孔眼过程的可视化。

本发明还提供了一种用于模拟水平井暂堵压裂的模拟方法。

为此，根据本发明的第一方面，提供了一种用于模拟水平井暂堵压裂的模拟装置，包括：用于制备压裂液的配制罐；用于泵送压裂液的注入泵；与所述注入泵连接的水平井筒，所述水平井筒的出液口通过回收管线与所述配制罐连通；至少3个彼此间隔开设置在所述水平井筒中的模拟井筒，所述模拟井筒设有多个射孔；以及设置在所述注入泵的出口端的投球装置；其中，所述模拟井筒设有出液孔，所述出液孔通过第一管线与所述回收管线连通，从而使所述注入泵、所述水平井筒、所述模拟井筒和所述回收管线形成压裂液循环回路，所述投球装置投入的暂堵球能够随压裂液进入所述模拟井筒，并封堵所述射孔，从而模拟井下暂堵作业，透过所述水平井筒和所述模拟井筒能够观测并记录暂堵球的运移轨迹、运移速度和对所述射孔的封堵情况，进而能够得到暂堵球的封堵效果。

在一个实施例中，所述模拟井筒包括外管和同心布置在所述外管的内部的内管，且在所述外管和所述内管的径向之间形成有密封环空。

在一个实施例中，所述射孔分布在所述内管的侧壁上，所述出液孔设置在所述外管的侧壁上。

在一个实施例中，所述射孔采用螺旋式布控方式或定向布控方式设置在所述内管上，且所述射孔的直径设置成处于0.5-1.3cm的范围内。

在一个实施例中，所述内管的轴向长度设置成大于所述外管的轴向长度，且所述内管的两端设有用于与所述水平井筒固定连接的外螺纹。

在一个实施例中，在各个所述模拟井筒的所述出液孔与所述第一管线之间均设有流量调节阀、流量计和第一阀门，所述第一阀门用于控制所述出液孔开启或关闭。

在一个实施例中，在所述外管的侧壁上还设有排水口，所述排水口通过第二管线与所述回收管线连通，且在所述第二管线中设有用于控制所述排水口开启或关闭的第二阀门。

在一个实施例中，在所述回收管线中设有回料口，所述回料口用于回收压裂液和暂堵球。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于模拟水平井暂堵压裂的模拟方法，包括以下步骤：

步骤一：提供如上所述的模拟装置；

步骤二：通过所述配制罐制备压裂液；

步骤三：关闭所述水平井筒的出液口和所述模拟井筒的排水口，打开所述模拟井筒的出液孔，并通过所述注入泵向所述水平井筒中泵入压裂液，从而形成压裂液循环回路；

步骤四：通过所述投球装置向所述水平井筒中投入暂堵球，暂堵球随压裂液进入所述模拟井筒，并封堵所述射孔，从而模拟井下暂堵作业；

步骤五：采用高速摄像机对所述水平井筒和所述模拟井筒进行拍摄并记录暂堵球的运移轨迹、运移速度和对所述射孔的封堵情况，并分析计算模拟实验下暂堵球的封堵效率；

步骤六：更换压裂液和暂堵球，重复步骤三至步骤五进行多次模拟实验。

在一个实施例中，在通过所述投球装置投入暂堵球之前，根据各模拟井筒的初始流量分配要求通过对应的流量调节阀调节控制各个模拟井筒的出液量，从而能够模拟各模拟井筒在均衡出液量与非均衡出液量条件下的堵球运移和封堵情况。

与现有技术相比，本发明的优点之处在于：

根据本发明的用于模拟水平井暂堵压裂的模拟装置能够模拟在不同暂堵球数量、暂堵球尺寸、压裂簇数、射孔参数、压裂液类型、排量等条件下，暂堵球在井筒中的流动和对射孔的封堵情况，并能在实验过程中实现对暂堵球运移和封堵射孔孔眼过程的可视化，从而能够在实验过程中直接观察暂堵球在井筒中的流动和对射孔的封堵情况，这显著提高了模拟实验的检测观察效率，增强了模拟实验结果的可靠性。此外，模拟装置结构简单，操作方便，成本低。根据本发明的用于模拟水平井暂堵压裂的模拟方法得到的模拟实验结果能够真实有效地反映、出较好的规律性，从而反映出暂堵球的暂堵情况，且模拟实验效率高，实验结构可靠性高。

附图说明

下面将参照附图对本发明进行说明。

图1显示了根据本发明的用于模拟水平井暂堵压裂的模拟装置的结构。

图2示意性地显示了图1所示模拟装置中的模拟井筒的结构。

图3和图4示意性地显示了所述模拟井筒中的射孔的不同分布方式。

在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。

具体实施方式

下面通过附图来对本发明进行介绍。

需要说明的是，本申请中使用的方向性用语或限定词“左”、“右”、等均是针对所参照的附图1而言。它们并不用于限定所涉及零部件的绝对位置，而是可以根据具体情况而变化。

图1显示了根据本发明的用于模拟水平井暂堵压裂的模拟装置100的结构。如图1所示，模拟装置100包括配制罐3，配制罐3用于制备压裂液。在一个实施例中，模拟实验采用的压裂液采用减阻剂与清水混合制备的减阻水。配制罐3还设有进液口1，用于向配制罐3中添加用减阻剂与清水。在配制罐3中设有搅拌机2，用于搅拌混合减阻剂和清水。通过配制罐3可根据现场施工中的采用的压裂液制备满足粘度要求的模拟实验用压裂液。配制罐1能够有效保证压裂液的制备效率和粘度要求，有利于增强模拟实验的可靠性。

如图1所示，模拟装置100还包括注入泵5。注入泵5通过油液管路4连接与配制罐3连通，用于泵送制备完成的压裂液。

根据本发明，模拟装置100还包括水平井筒8。水平井筒8的一端(图1中的左端)与注入泵5的出口连通。水平井筒8用于过流压裂液，以进行模拟实验。水平井筒8的另一端(图1中的右端)设有出液口15，且出液口15通过回收管线17与配制罐3连通。在出液口15处设有控制阀门14，用于控制出液口15打开或关闭。

为了测量水平井筒8内的压裂液的压力，在水平井筒8的靠近出液口的一端设有压力计。该压力计能够监测水平井筒8内的压裂液的泵送压力。

在本实施例中，在水平井筒8的下方设有底座16，底座16均匀间隔开设置，用于对水平井筒8进行支撑，并保持水平井筒8处于水平状态。

如图1所示，在水平井筒8上设有投球装置6，投球装置6用于向水平井筒8中投入暂堵球。投球装置6设置在水平井筒8的靠近注入泵5的一端。这样有利于投入水平井筒8内的暂堵球随压裂液运动，从而增强模拟实验效果。在水平井筒8的处于投球装置6和最靠近投球装置6的模拟井筒9之间设有压力计7，压力计7能够测量注入泵5的泵送压力，从而能够实时检测水平井筒8内的压裂液的泵送压力。

根据本发明，模拟装置100还包括多个模拟井筒9，多个模拟井筒9彼此间隔开连接在水平井筒8中。模拟井筒9至少设有3个。优选地，多个模拟井筒9沿水平井筒8的轴向均匀间隔开设置。模拟井筒9用于模拟暂堵作业。

图2示意性地显示了模拟井筒9的结构。如图2所示，模拟井筒9包括外管92和同心设置在外管92的内部的内管91。在外管92的两端设有固封壁面94，从而在外管92与内管91的径向之间形成密封环空。密封环空包裹内管91的设有射孔95(见下文)的区域，压裂液通过射孔95流入密封环空，密封环空能够模拟近井筒附近开启的水力裂缝。内管91的轴向长度设置成大于外管92的轴向长度，从而使内管91的两端轴向向外延伸而形成连接部。内管91的两端的外侧壁上设有外螺纹，模拟井筒9通过外螺纹与水平井筒连接，从而将模拟井筒9固定连接到水平井筒8中。

根据本发明，模拟井筒9设有多个射孔95，用于模拟井下裂缝。多个射孔95分布在内管91的侧壁上。通过设置不同数量的射孔95能够模拟不同压裂簇数。如图3所示，多个射孔95可采用螺旋式布控方式。如图4所示，多个射孔95＇也可采用定向布控方式设置在内管91上。射孔95直径设置成处于0.5-1.3cm的范围内。模拟井筒9能够真实有效地模拟实际施工地层工况，从而进一步增强了模拟实验的可靠性。

如图2所示，模拟井筒9还设有出液孔96，出液孔96设置在外管92的侧壁上。各个模拟井筒9的出液孔96均通过第一管线13与回收管线17连通，从而使配制罐3、注入泵5、水平井筒8、模拟井筒9和回收管线17共同形成压裂液循环回路。在各个模拟井筒9的出液孔96连接的第一管线13上对应设有流量调节阀10、流量计11和第一阀门12，第一阀门12用于控制出液孔96开启或关闭。流量计11用于检测模拟井筒9的出液流量，流量调节阀10能够根据流量计11控制调节模拟井筒9的出液流量。

根据本发明，模拟井筒9还设有排水口97。排水口97设置在外管92的侧壁上。各个模拟井筒9的排水口97分别通过对应的第二管线18与回收管线17连通，且在第二管线18中设有第二阀门19，第二阀门19用于控制排水口97开启或关闭。在模拟实验结束后，打开排水口97，能够将实验装置100中的压裂液排空。

另外，在回收管线17中设有回料口20，回料口20用于在实验结束后回收模拟实验中使用的压裂液和暂堵球，并将压裂液回收至配制罐3中。同时，回料口20还可以作为实验后清洗管路使用的流体与固体物质(暂堵球)的出口。在回收管线17的靠近回料口20处还设有压力计，该压力计能够检测压裂液流经水平井筒8和模拟井筒9并产生分流后流入回收管线17中的压力。并且，在关闭所有模拟井筒9的射孔95后，压裂液仅在水平井筒8中流动的情况下，通过该该压力计的测量数据能够计算压裂液在水平井筒8内的流动摩阻。

根据本发明，水平井筒8和模拟井筒9均采用透明有机玻璃制成，从而能够在实验过程中直接观察暂堵球在井筒中的流动和对射孔的封堵情况，实现了井筒中暂堵球运移和封堵射孔孔眼过程的可视化。这样显著提高了模拟实验的检测观察效率，增强了模拟实验结果的可靠性。

在模拟实验中，通过投球装置6投入的暂堵球能够随注入泵5泵送的压裂液进入模拟井筒9中，并封堵模拟井筒9中的射孔95，从而模拟井下暂堵作业，并透过水平井筒8和模拟井筒9能够观测并记录暂堵球的运移轨迹、运移速度和对射孔95的封堵情况，从而能够得到暂堵球的封堵效果。在一个实施例中，暂堵球为柔性暂堵球，且暂堵球的直径设为1.2mm。

本发明还提供了一种用于模拟水平井暂堵压裂的模拟方法，该模拟方法采用根据本发明的模拟装置100进行模拟实验。下面详细介绍该模拟方法的模拟实验过程。

首先，提供模拟装置100，并根据现场施工中井筒尺寸、压裂液粘度、压裂液排量等参数，计算模拟实验所需的暂堵球量、压裂液粘度以及模拟实验中压裂液的排量。之后，通过配制罐3制备满足粘度要求的压裂液，并选用满足模拟实验需求的暂堵球。之后，根据现场施工中射孔簇分布情况，将模拟井筒9(射孔簇)连接安装到水平井筒8中，从而使模拟实验中模拟的射孔簇与现场施工中射的孔簇的一致，以模拟实验的模拟工况更接近实际工况。之后，关闭水平井筒8的出液口15和模拟井筒9的排水口97，同时打开模拟井筒9的出液孔96，并通过注入泵5向水平井筒8中泵入压裂液，压裂液从配制罐3中紧固注入泵5泵送，依次经过水平井筒8、回收管线17、回料口20后，回到配制罐3，从而形成压裂液循环回路。

之后，根据各模拟井筒9的初始流量分配要求通过对应的流量调节阀10调节控制各个模拟井筒9的出液量，从而能够模拟各模拟井筒9在均衡出液量与非均衡出液量条件下的堵球运移和封堵情况。

之后，通过投球装置6向水平井筒8中投入暂堵球，暂堵球随压裂液进入模拟井筒9，并封堵射孔95，从而模拟井下暂堵作业。同时，采用高速摄像机对透明的水平井筒8和模拟井筒9进行拍摄，从而记录、观测、跟踪暂堵球的运移轨迹、运移速度和对射孔95的封堵情况，并记录各井筒9的射孔95的封堵数量，全程监测各模拟井筒9出口流量，从而获取暂堵球对流量的影响。

之后，关闭注入泵5以停止向水平井筒8中泵入压裂液，同时，开启模拟井筒9的排水口97和水平井筒8的出液口15，从而将模拟装置100中的压裂液排空。拆分水平井筒8、模拟井筒9，记录模拟实验条件下暂堵球在水平井筒8内的滞留比例，以及暂堵球在模拟井筒9的射孔95中的封堵情况(即暂堵球与射孔95的咬合情况)，从而评价模拟实验下暂堵球的封堵效率与封堵效果。

之后，更换暂堵球和压裂液，重复以上投球模拟暂堵试验，从而得到多组模拟实验结果。最后，对多组模拟实验结果进行分析，从而得到最终模拟实验结果，非常有利于增强实验结果的真实可靠性，这能够真实反映暂堵球在水平井多簇压裂过程中暂堵球在井筒中的运移与封堵孔眼规律。

根据本发明的用于模拟水平井暂堵压裂的模拟装置100能够模拟在不同暂堵球数量、暂堵球尺寸、压裂簇数、射孔参数、压裂液类型、排量等条件下，暂堵球在井筒中的流动和对射孔的封堵情况，并能在实验过程中实现对暂堵球运移和封堵射孔孔眼过程的可视化，从而能够在实验过程中直接观察暂堵球在井筒中的流动和对射孔的封堵情况，这显著提高了模拟实验的检测观察效率，增强了模拟实验结果的可靠性。此外，模拟装置100结构简单，操作方便，成本低。根据本发明的用于模拟水平井暂堵压裂的模拟方法得到的模拟实验结果能够真实有效地反映、出较好的规律性，从而反映出暂堵球的暂堵情况，且模拟实验效率高，实验结构可靠性高。

最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于模拟水平井暂堵压裂的模拟方法，包括以下步骤：

步骤一：提供用于模拟水平井暂堵压裂的模拟装置，所述模拟装置包括：

用于制备压裂液的配制罐（3），其设有进液口（1），用于向配制罐中添加减阻剂与清水，在配制罐中设有搅拌机，用于搅拌混合减阻剂和清水以制备满足粘度要求的模拟实验用压裂液；

用于泵送压裂液的注入泵（5）；

与所述注入泵连接的水平井筒（8），所述水平井筒的出液口通过回收管线（17）与所述配制罐连通；

至少3个彼此间隔开套设在所述水平井筒上的模拟井筒（9），所述模拟井筒设有多个射孔（95），所述模拟井筒包括外管（92）和同心布置在所述外管的内部的内管（91），在外管的两端设有固封壁面，从而在外管与内管的径向之间形成密封环空，所述密封环空能够模拟近井筒附近开启的水力裂缝，从而模拟暂堵球在近井筒附近开启的水力裂缝中的运移轨迹；以及

设置在所述注入泵的出口端的投球装置（6）；

其中，所述模拟井筒设有出液孔（96），所述射孔分布在所述内管的侧壁上，所述出液孔设置在所述外管的侧壁上，所述出液孔通过第一管线（13）与所述回收管线连通，从而使所述注入泵、所述水平井筒、所述模拟井筒和所述回收管线形成压裂液循环回路，所述投球装置投入的暂堵球能够随压裂液进入所述模拟井筒，并封堵所述射孔，从而模拟井下暂堵作业，透过所述水平井筒和所述模拟井筒能够观测并记录暂堵球的运移轨迹、运移速度和对所述射孔的封堵情况，进而能够得到暂堵球的封堵效果，在各个所述模拟井筒的所述出液孔与所述第一管线之间均设有流量调节阀（10）、流量计（11）和第一阀门（12），所述第一阀门用于控制所述出液孔开启或关闭；

步骤二：通过所述配制罐制备压裂液；

步骤三：关闭所述水平井筒的出液口和所述模拟井筒的排水口，打开所述模拟井筒的出液孔，并通过所述注入泵向所述水平井筒中泵入压裂液，从而形成压裂液循环回路；

步骤四：通过所述投球装置向所述水平井筒中投入暂堵球，暂堵球随压裂液进入所述模拟井筒，并封堵所述射孔，从而模拟井下暂堵作业；

步骤五：采用高速摄像机对所述水平井筒和所述模拟井筒进行拍摄并记录暂堵球的运移轨迹、运移速度和对所述射孔的封堵情况，并分析计算模拟实验下暂堵球的封堵效率；

步骤六：更换压裂液和暂堵球，重复步骤三至步骤五进行多次模拟实验。

2.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，在通过所述投球装置投入暂堵球之前，根据各模拟井筒的初始流量分配要求通过对应的流量调节阀调节控制各个模拟井筒的出液量，从而能够模拟各模拟井筒在均衡出液量与非均衡出液量条件下的堵球运移和封堵情况。

3.根据权利要求1或2所述的模拟方法，其特征在于，所述射孔采用螺旋式布控方式或定向布控方式设置在所述内管上，且所述射孔的直径设置成处于0.5-1.3cm的范围内。

4.根据权利要求1或2所述的模拟方法，其特征在于，所述内管的轴向长度设置成大于所述外管的轴向长度，且所述内管的两端设有用于与所述水平井筒固定连接的外螺纹。

5.根据权利要求1或2所述的模拟方法，其特征在于，在所述外管的侧壁上还设有排水口（97），所述排水口通过第二管线（18）与所述回收管线连通，且在所述第二管线中设有用于控制所述排水口开启或关闭的第二阀门（19）。

6.根据权利要求1或2所述的模拟方法，其特征在于，在所述回收管线中设有回料口（20），所述回料口用于回收压裂液和暂堵球。