CN114922598A - 一种疏松砂岩制样与压裂模拟的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种疏松砂岩制样与压裂模拟的实验装置及方法，其中，实验装置包括井筒柱和试验机；实验方法包括：井筒柱套在内滑管上形成内外两层管结构，再将内外两层管结构装配在试验机上；井筒柱压裂液流出孔被内滑管封闭；向装载疏松砂岩的环形空间填砂；压实疏松砂岩形成人造岩样；向人造岩样注入压裂液。本发明公开的疏松砂岩制样与压裂模拟的实验装置及方法，可用于模拟定向压裂后的疏松砂岩压裂物理模拟实验，且在相同时间内，更高效快速地进行疏松砂岩压裂模模拟实验，不仅提高了疏松砂岩室内模拟实验效率，还能保证压裂模拟效果，利于分析和研究裂缝在疏松砂岩储层的起裂与延伸规律。
Description
技术领域
本发明涉及疏松砂岩储层的压裂充填防砂完井实验模拟，具体涉及一种疏松砂岩制样与压裂模拟的实验装置及方法。
背景技术
我国海上和陆地油田存在大量疏松砂岩储层，这类疏松砂岩储层在开发过程中极易出砂，需要进行防砂完井。为了达到增产和防砂的目的，通常采用压裂充填防砂完井技术，即在疏松砂岩储层中压裂形成短宽缝并用高砂比充填，使地层流体在高导流裂缝附近形成双线性流动。压裂充填防砂完井技术已经成为疏松砂岩油藏开发中一种非常重要的完井方法，在国内外大量疏松砂岩油藏中得到应用。成功实施压裂充填防砂的关键是通过压裂造缝在疏松砂岩储层中形成平整的短、宽裂缝。疏松砂岩普遍具有较高的孔隙度和渗透率，胶结程度差、强度低、塑性变形显著，与常规致密砂岩相比，其裂缝起裂与延伸机理更为复杂，可能涉及拉伸、剪切甚至压实等多种岩石变形破坏机制，裂缝形态受储层物性、压裂液特性以及施工参数影响显著，难以造缝。目前国内外对于疏松砂岩压裂裂缝起裂与扩展的机理和规律认识尚不深入，而且压裂工艺参数对裂缝形态的影响规律还未掌握清楚。因此，需要针对不同疏松砂岩储层的特性开展室内模拟实验，观察不同压裂液体系、不同注液排量条件下的裂缝起裂、延伸规律，进而为现场压裂液的选择和施工参数的制定提供参考。
在疏松砂岩压裂室内模拟实验中，岩样的制造方法有两种：第一种是先利用不同粒径的石英砂辅以黏土等粘结剂，在液压试验机上压制疏松砂岩岩样，待岩样固结后再在适当位置钻孔并安装井筒作为压裂液通道；第二种是将配置好的石英砂和粘结剂置入安装井筒的模具中，直接在压裂模拟设备上加载压实，压实一段时间后在不卸载的情况下直接向井筒注入压裂液进行压裂模拟实验。采用第二种在压裂模拟设备上原位制造岩样并进行压裂的方法能够大幅提高实验效率，但面临的主要问题是石英砂和粘结剂等材料在疏松砂岩制样过程中容易堵塞井筒，造成后续压裂过程中压裂液流动不畅，严重影响压裂效果。总之，现有的原位制样的井筒容易被堵塞，疏松砂岩室内模拟实验效率低下，且压裂模拟的效果得不到保证。
发明内容
本发明的目的在于提供一种疏松砂岩制样与压裂模拟的实验装置及方法，用以解决现有的原位制样的井筒容易被堵塞，疏松砂岩室内模拟实验效率低下，且压裂模拟的效果得不到保证的问题。
本发明提供一种疏松砂岩制样与压裂模拟的实验装置，包括试验机和井筒柱，其中，试验机包括疏松砂岩容器，井筒柱设置于疏松砂岩容器内并与试验机对接；井筒柱的外壁与疏松砂岩容器的内壁之间形成环形空间，疏松砂岩装载于所述环形空间内；试验机不仅能够压实疏松砂岩形成人造岩样，还能向井筒柱提供压裂液，压裂液通过井筒柱后压裂所述人造岩样模拟压裂实验。
优选地，所述井筒柱为至少底端开口的中空管状结构，其底端配置试验机对接接头，所述试验机还包括底座，所述疏松砂岩容器固定连接在所述底座上，所述底座内设置有试验机对接接头安装孔，所述试验机对接接头安装孔的内壁设置有内螺纹，所述井筒柱的底端外壁设置有外螺纹，所述试验机对接接头通过螺纹连接安装在所述试验机对接接头安装孔内，实现井筒柱与试验机的对接。
优选地，所述试验机还包括顶盖和压头，所述顶盖设置于所述疏松砂岩容器的上端口内，所述压头设置在所述顶盖上；当所述压头承受外压时，通过下压所述顶盖压制所述疏松砂岩形成人造岩样；当试验机向所述井筒柱注入压裂液时，压裂液从井筒柱的试验机对接接头流入并从井筒柱的侧面流出后压裂人造岩样模拟压裂实验。
优选地，所述井筒柱为上下两端开口的中空管状结构，其顶端配置有井帽形成第一盲端，所述井帽的内壁分别设置有内螺纹，所述井筒柱的顶端外壁设置有外螺纹，井筒柱的顶端与井帽通过螺纹连接。
优选地，所述井筒柱的上部设置有至少一个井筒柱压裂液流出孔，装载疏松砂岩的环形空间通过所述井筒柱压裂液流出孔与井筒柱内部相连通。
优选地，所述井筒柱压裂液流出孔的数量为两个，对称设置在所述井筒柱上部的两侧。
优选地，还包括防堵塞滑动机构，所述防堵塞滑动机构包括内滑管和井筒柱固定块，所述内滑管的底端开口且顶端为第二盲端，所述内滑管上设置有内滑管滑槽，所述井筒柱固定块设置于井筒柱上，所述井筒柱套在所述内滑管上形成内外两层管结构，且所述内滑管的内滑管滑槽挂设于所述井筒柱的井筒柱固定块上，所述内滑管通过内滑管滑槽在井筒柱内且靠着井筒柱固定块上下滑动。
优选地，所述井筒柱固定块为螺钉。
优选地，所述井筒柱上部的两侧对称设置有两个井筒柱压裂液流出孔，所述内滑管上对称设置两个内滑管压裂液流出孔，且当所述内滑管在所述井筒柱内且位于最高位置时，所述井筒柱的两个井筒柱压裂液流出孔与所述内滑管的两个内滑管压裂液流出孔分别相对；其中，当井筒柱的盲端与内滑管的盲端重合时，所述内滑管在所述井筒柱内且位于最高位置，此时井筒柱压裂液流出孔与内滑管压裂液流出孔完全重合，内滑管与装载疏松砂岩的环形空间相连通；反之，内滑管压裂液流出孔与井筒柱压裂液流出孔相互错开，内滑管与装载疏松砂岩的环形空间不能连通。
本发明还公开了一种疏松砂岩制样与压裂模拟的实验方法，采用上述的实验装置，该实验方法包括如下步骤：
步骤S1：井筒柱套在内滑管上形成内外两层管结构，再将内外两层管结构装配在试验机上；
步骤S2：内滑管在重力作用下，相对于井筒柱向下滑动，直至滑至最低点，内滑管压裂液流出孔与井筒柱压裂液流出孔相互错开，使得井筒柱压裂液流出孔被内滑管封闭；
步骤S3：向环形空间填砂形成疏松砂岩；
步骤S4：压实疏松砂岩形成人造岩样；
步骤S5：向人造岩样注入压裂液，模拟压裂实验，具体包括以下步骤：
压裂液从井筒柱底部注入至内滑管，直至压裂液充满内滑管；
继续注入压裂液，内滑管内的压裂液的压力增大，当注入压裂液的压力上升至大于或等于内滑管的重力时，压裂液顶起内滑管在井筒柱内且靠着井筒柱固定块向上滑动，直至所述内滑管在所述井筒柱内上升至最高位置，所述井筒柱的两个井筒柱压裂液流出孔与所述内滑管的两个内滑管压裂液流出孔分别相对，内滑管与装载疏松砂岩的环形空间相连通，压裂液进入装载疏松砂岩的环形空间，模拟定向压裂。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明公开了一种疏松砂岩制样与压裂模拟的实验装置及方法，在该实验装置中，井筒柱设置于疏松砂岩容器内并与试验机对接，井筒柱的外壁与疏松砂岩容器的内壁之间形成环形空间，疏松砂岩预设在环形空间内，试验机不仅能够压实疏松砂岩形成人造岩样，还能向井筒柱提供压裂液，压裂液从井筒柱流出后压裂人造岩样模拟压裂实验，提高了疏松砂岩室内模拟实验效率和压裂模拟的效果；井筒柱上的井筒柱固定块与内滑管上的内滑管滑槽共同组成了防堵塞滑动机构，能够防止内滑管在井筒柱内的转动，并能将内滑管在井筒柱内的运动限定为上下滑动，能够有效防止疏松砂岩原位制样过程中堵塞井筒，避免因井筒堵塞导致压裂失败。本发明公开的疏松砂岩制样与压裂模拟的实验装置及方法，可用于模拟定向压裂后的疏松砂岩压裂物理模拟实验，且在相同时间内，更高效快速地进行疏松砂岩压裂模模拟实验，不仅提高了疏松砂岩室内模拟实验效率，还能保证压裂模拟效果，利于分析和研究裂缝在疏松砂岩储层的起裂与延伸规律。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的疏松砂岩制样与压裂模拟的实验装置的纵向剖视图；
图2为本发明实施例1提供的内滑管装设于井筒柱内的纵向剖视图；
图3为本发明实施例1提供的井筒柱的纵向剖视图；
图4为本发明实施例1提供的内滑管的纵向剖视图；
图5为本发明实施例1提供的内滑管的俯视图。
附图标记说明：1-试验机，11-底座，12-疏松砂岩容器，13-顶盖，14-压头；2-井筒柱，21-井帽，22-试验机对接接头，23-外螺纹，24-井筒柱压裂液流出孔；3-内滑管，31-内滑管滑槽，32-井筒柱固定块，33-内滑管压裂液流出孔；100-疏松砂岩。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
需要说明的是，附图中的实线箭头指的是压头14承受外压的压力方向，虚线箭头指的是压裂液流动方向。
本发明公开了一种疏松砂岩制样与压裂模拟的实验装置及方法，其中实验装置包括试验机1，试验机1包括疏松砂岩容器12，井筒柱2设置于疏松砂岩容器12内并与试验机1对接，井筒柱2的外壁与疏松砂岩容器12的内壁之间形成环形空间，疏松砂岩100装载于环形空间内，试验机1不仅能够压实疏松砂岩100形成人造岩样，还能向井筒柱2提供压裂液，压裂液从井筒柱2流出后压裂人造岩样模拟压裂实验。井筒柱2上的井筒柱固定块32与内滑管3上的内滑管滑槽31共同组成了防堵塞滑动机构，能够防止内滑管3在井筒柱2内的转动，并能将内滑管3在井筒柱2内的运动限定为上下滑动。
实施例1
实施例1提供一种疏松砂岩制样与压裂模拟的实验装置，下面结合附图对其结构进行详细描述。
参考图1，该实验装置包括试验机1和井筒柱2。
其中，试验机1作为压裂模拟设备，可以是现有的原位制样压裂设备，不仅能够加载压实疏松砂岩100形成人造岩样，还能够向井筒柱2注入压裂液进行压裂模拟实验，试验机1包括底座11、疏松砂岩容器12、顶盖13和压头14。
疏松砂岩容器12固定连接在底座11上；
顶盖13设置于疏松砂岩容器12的上端口内，压头14设置在顶盖13上。
井筒柱2为上下两端开口的中空管状结构，其底端配置试验机对接接头22，底座11内设置有试验机对接接头安装孔，试验机对接接头安装孔的内壁设置有内螺纹，井筒柱2的底端外壁设置有外螺纹23，试验机对接接头22通过螺纹连接安装在试验机对接接头安装孔内，实现井筒柱2与试验机1的对接；
井筒柱2外壁与疏松砂岩容器12内壁之间形成环形空间，用于装载疏松砂岩100；
试验机1不仅能够压实疏松砂岩100形成人造岩样，还能向井筒柱2提供压裂液，压裂液通过井筒柱2后压裂人造岩样模拟压裂实验。
其中，当压头14承受外压时，通过下压顶盖13压制疏松砂岩100形成人造岩样，如图1实线箭头所示；当试验机1向井筒柱2注入压裂液时，压裂液从试验机对接接头22的底端流入并从井筒柱2的侧面流出后压裂人造岩样模拟压裂实验，如图1虚线箭头所示。
为了防止压裂液井筒柱2的顶端喷出，井筒柱2顶端配置有井帽21形成第一盲端，如图2所示，井帽21的内壁分别设置有内螺纹，井筒柱2的顶端外壁设置有外螺纹23，井筒柱2的顶端与井帽21通过螺纹连接。
为了使从井筒柱2流出后的压裂液能够压裂疏松砂岩100制样，井筒柱2的上部设置有至少一个井筒柱压裂液流出孔24，装载疏松砂岩100的环形空间通过井筒柱压裂液流出孔24与井筒柱2内部连通。优选地，井筒柱压裂液流出孔24的数量为两个，对称设置在井筒柱2上部的两侧，如图3所示。
具体地，井筒柱2总长度约150mm，井筒柱2的顶端与井帽21通过螺纹连接形成第一盲端，两个井筒柱压裂液流出孔24对称设置于距离第一盲端约35mm处，井筒柱压裂液流出孔24的长度约20mm、宽度约5mm。
为了防止石英砂和粘结剂等材料在疏松砂岩100制样过程中容易堵塞井筒柱2，该实验装置还包括防堵塞滑动机构，防堵塞滑动机构包括内滑管3和井筒柱固定块32，内滑管3的底端开口，顶端为第二盲端，内滑管3上设置有内滑管滑槽31，如图4和图5所示，井筒柱2上设置有井筒柱固定块32，如图3所示；
内滑管3的内滑管滑槽31挂设于井筒柱2的井筒柱固定块32上，且内滑管3通过内滑管滑槽31在井筒柱2内且靠着井筒柱固定块32上下滑动，如图2所示。
具体地，井筒柱固定块32为螺钉。
为了保证压裂液从内滑管3流出后顺利流入井筒柱2，井筒柱2上部的两侧对称设置有两个井筒柱压裂液流出孔24，内滑管3上对称设置两个内滑管压裂液流出孔33，如图4所示，且当内滑管3在井筒柱2内且位于最高位置时，井筒柱2的两个井筒柱压裂液流出孔24与内滑管3的两个内滑管压裂液流出孔33分别相对。
其中，当井筒柱2的第一盲端与内滑管3的第二盲端重合时，内滑管3在井筒柱2内且位于最高位置，此时井筒柱压裂液流出孔24与内滑管压裂液流出孔33完全重合，内滑管3与装载疏松砂岩100的环形空间相连通；
反之，内滑管压裂液流出孔33与井筒柱压裂液流出孔24相互错开，内滑管3与装载疏松砂岩100的环形空间不能连通。
井筒柱2上的井筒柱固定块32与内滑管3上的内滑管滑槽31共同组成了防堵塞滑动机构，能够防止内滑管3在井筒柱2内的转动，并能将内滑管3在井筒柱2内的运动限定为上下滑动。
更具体地，内滑管3外径略小于井筒柱2内径，且长度比井筒柱2短约60mm，在距离内滑管3的第二盲端约35mm处对称开设两个内滑管压裂液流出孔33，内滑管压裂液流出孔33的长度约20mm、宽度约5mm。
内滑管滑槽31位于内滑管压裂液流出孔33至内滑管3的第二盲端之间，宽度约3mm，
优选地，井筒柱2内径与内滑管3外径相近，使得压裂液不会从内滑管3外壁与井筒柱2内壁之间的孔隙直接流走。
为了减小实验误差，井筒柱2内壁与内滑管3外壁光滑，内滑管3仅靠重力与压裂液的压力所驱动。
实施例2
实施例2提供一种疏松砂岩制样与压裂模拟的实验方法，采用实施例1提供的实验装置，该实验方法包括如下步骤：
步骤S1：井筒柱2套在内滑管3上形成内外两层管结构，再将内外两层管结构装配在试验机1上；
步骤S2：内滑管3在重力作用下，相对于井筒柱2向下滑动，直至滑至最低点，内滑管压裂液流出孔33与井筒柱压裂液流出孔24相互错开，使得井筒柱压裂液流出孔24被内滑管3封闭；
步骤S3：向装载疏松砂岩100的环形空间填砂形成疏松砂岩100；
步骤S4：压实疏松砂岩100形成人造岩样；
步骤S5：向人造岩样注入压裂液，模拟压裂实验，具体包括以下步骤：
压裂液从井筒柱2底部注入至内滑管3，直至压裂液充满内滑管3；
继续注入压裂液，内滑管3内的压裂液的压力增大，当注入压裂液的压力上升至大于或等于内滑管3的重力时，压裂液顶起内滑管3在井筒柱2内且靠着井筒柱固定块32向上滑动，直至内滑管3在井筒柱2内上升至最高位置，井筒柱2的两个井筒柱压裂液流出孔24与内滑管3的两个内滑管压裂液流出孔33分别相对，内滑管3与装载疏松砂岩100的环形空间相连通，压裂液进入装载疏松砂岩100的环形空间，模拟定向压裂。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种疏松砂岩制样与压裂模拟的实验装置，其特征在于，包括试验机(1)和井筒柱(2)，
其中，试验机(1)包括疏松砂岩容器(12)，井筒柱(2)设置于疏松砂岩容器(12)内并与试验机(1)对接；
井筒柱(2)的外壁与疏松砂岩容器(12)的内壁之间形成环形空间，疏松砂岩(100)装载于所述环形空间内；
试验机(1)不仅能够压实疏松砂岩(100)形成人造岩样，还能向井筒柱(2)提供压裂液，压裂液通过井筒柱(2)后压裂所述人造岩样模拟压裂实验。
2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，
所述井筒柱(2)为至少底端开口的中空管状结构，其底端配置试验机对接接头(22)，
所述试验机(1)还包括底座(11)，所述疏松砂岩容器(12)固定连接在所述底座(11)上，
所述底座(11)内设置有试验机对接接头安装孔，所述试验机对接接头安装孔的内壁设置有内螺纹，所述井筒柱(2)的底端外壁设置有外螺纹(23)，所述试验机对接接头(22)通过螺纹连接安装在所述试验机对接接头安装孔内，实现井筒柱(2)与试验机(1)的对接。
3.根据权利要求2所述的实验装置，其特征在于，
所述试验机(1)还包括顶盖(13)和压头(14)，
所述顶盖(13)设置于所述疏松砂岩容器(12)的上端口内，所述压头(14)设置在所述顶盖(13)上；
当所述压头(14)承受外压时，通过下压所述顶盖(13)压制所述疏松砂岩(100)形成人造岩样；当试验机(1)向所述井筒柱(2)注入压裂液时，压裂液从井筒柱(2)的试验机对接接头(22)流入并从井筒柱(2)的侧面流出后压裂人造岩样模拟压裂实验。
4.根据权利要求3所述的实验装置，其特征在于，
所述井筒柱(2)为上下两端开口的中空管状结构，其顶端配置有井帽(21)形成第一盲端，所述井帽(21)的内壁分别设置有内螺纹，所述井筒柱(2)的顶端外壁设置有外螺纹(23)，井筒柱(2)的顶端与井帽(21)通过螺纹连接。
5.根据权利要求4所述的实验装置，其特征在于，
所述井筒柱(2)的上部设置有至少一个井筒柱压裂液流出孔(24)，装载疏松砂岩(100)的环形空间通过所述井筒柱压裂液流出孔(24)与井筒柱(2)内部相连通。
6.根据权利要求5所述的实验装置，其特征在于，
所述井筒柱压裂液流出孔(24)的数量为两个，对称设置在所述井筒柱(2)上部的两侧。
7.根据权利要求6所述的实验装置，其特征在于，还包括防堵塞滑动机构，
所述防堵塞滑动机构包括内滑管(3)和井筒柱固定块(32)，
所述内滑管(3)的底端开口且顶端为第二盲端，所述内滑管(3)上设置有内滑管滑槽(31)，
所述井筒柱固定块(32)设置于井筒柱(2)上，
所述井筒柱(2)套在所述内滑管(3)上形成内外两层管结构，且所述内滑管(3)的内滑管滑槽(31)挂设于所述井筒柱(2)的井筒柱固定块(32)上，
所述内滑管(3)通过内滑管滑槽(31)在井筒柱(2)内且靠着井筒柱固定块(32)上下滑动。
8.根据权利要求7所述的实验装置，其特征在于，
所述井筒柱固定块(32)为螺钉。
9.根据权利要求7所述的实验装置，其特征在于，
所述井筒柱(2)上部的两侧对称设置有两个井筒柱压裂液流出孔(24)，所述内滑管(3)上对称设置两个内滑管压裂液流出孔(33)，且当所述内滑管(3)在所述井筒柱(2)内且位于最高位置时，所述井筒柱(2)的两个井筒柱压裂液流出孔(24)与所述内滑管(3)的两个内滑管压裂液流出孔(33)分别相对；
其中，当井筒柱(2)的盲端与内滑管(3)的盲端重合时，所述内滑管(3)在所述井筒柱(2)内且位于最高位置，此时井筒柱压裂液流出孔(24)与内滑管压裂液流出孔(33)完全重合，内滑管(3)与装载疏松砂岩(100)的环形空间相连通；
反之，内滑管压裂液流出孔(33)与井筒柱压裂液流出孔(24)相互错开，内滑管(3)与装载疏松砂岩(100)的环形空间不能连通。
10.一种疏松砂岩制样与压裂模拟的实验方法，采用如权利要求1至9任一所述的实验装置，其特征在于，该实验方法包括如下步骤：
步骤S1：井筒柱(2)套在内滑管(3)上形成内外两层管结构，再将内外两层管结构装配在试验机(1)上；
步骤S2：内滑管(3)在重力作用下，相对于井筒柱(2)向下滑动，直至滑至最低点，内滑管压裂液流出孔(33)与井筒柱压裂液流出孔(24)相互错开，使得井筒柱压裂液流出孔(24)被内滑管(3)封闭；
步骤S3：向环形空间填砂形成疏松砂岩(100)；
步骤S4：压实疏松砂岩(100)形成人造岩样；
步骤S5：向人造岩样注入压裂液，模拟压裂实验，具体包括以下步骤：
压裂液从井筒柱(2)底部注入至内滑管(3)，直至压裂液充满内滑管(3)；
继续注入压裂液，内滑管(3)内的压裂液的压力增大，当注入压裂液的压力上升至大于或等于内滑管(3)的重力时，压裂液顶起内滑管(3)在井筒柱(2)内且靠着井筒柱固定块(32)向上滑动，直至所述内滑管(3)在所述井筒柱(2)内上升至最高位置，所述井筒柱(2)的两个井筒柱压裂液流出孔(24)与所述内滑管(3)的两个内滑管压裂液流出孔(33)分别相对，内滑管(3)与装载疏松砂岩(100)的环形空间相连通，压裂液进入装载疏松砂岩(100)的环形空间，模拟定向压裂。
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