一种基于分布式光纤测温(DTS)的压裂水平井裂缝诊断模拟实验装置及其方法与流程

本发明属于油气开采技术领域，具体涉及一种基于分布式光纤测温(DTS)的压裂水平井裂缝诊断模拟实验装置及其方法。

背景技术：

目前，低渗油气藏开发已成为关注的焦点，压裂水平井被普遍应用于各油气田进行低渗油气储层开采，通过水力压裂对低渗储层进行改造以获取具有经济价值的油气产量，水力压裂压开储层所形成的人工裂缝是压裂改造效果的直接体现，也是评价压裂水平井产能的重要参考。

随着分布式光纤测温(DTS)技术在石油行业中应用的发展，DTS已经能够实现石油行业中包括：测量温度剖面、识别产层流体、判断出液出气位置、监测气举阀工作状态、判断裂缝位置等多方面的应用。DTS技术的主要原理是利用光纤的反射原理和光纤的反向Roman散射的温度敏感性，依靠光在光纤中传播时与光纤介质周围温度变化的定量关系来确定光纤介质所在位置处的温度。由于DTS技术具有抗电磁干扰、耐腐蚀、精度高、可实时监测温度、信号稳定，成本较低等特点，使得其在适合应用于石油行业中的井下温度剖面监测。

对于低渗油气藏而言，压裂形成的人工裂缝是向井筒供液的主要通道，随着地层流体流入井筒，储层热量也随着流体向井筒散失，在水平井筒中，由于人工裂缝处产液量占据主导，裂缝之间的井筒段产液较少，正是由于这种产液差异导致了压裂水平井的产液剖面差异，从而使得压裂水平井的温度剖面存在差异，高产液的裂缝处温度将会稍高于裂缝之间的水平井筒。通过DTS技术可以识别压裂水平井温度剖面这微小的温度差，从而可以实现人工裂缝位置判定。若能测量不同裂缝参数下的温度差异，通过定量分析便可找到温度差异与人工裂缝参数的关系，这也为利用DTS技术进行压裂水平井裂缝诊断提供了理论依据。目前，通常采用微地震监测、生产测井等方式进行压裂改造效果测试和人工裂缝诊断，但这些常规手段费用较高，操作较为复杂，且不能直接得出较为准确的人工裂缝参数。并且，DTS技术在国内石油行业中的应用多为定性判断和温度剖面监测，DTS技术用以定量分析压裂水平井人工裂缝参数(人工裂缝的长度、高度和宽度)与温度剖面的关系以及相应的实验研究鲜有涉及。

因此，建立一套基于分布式光纤测温(DTS)的压裂水平井裂缝诊断模拟实验装置及其方法用以理论研究压裂水平井温度剖面与人工裂缝参数关系显得尤为必要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于分布式光纤测温(DTS)的压裂水平井裂缝诊断模拟实验装置及其方法，以弥补上述现有技术和理论研究的不足。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于分布式光纤测温(DTS)的压裂水平井裂缝诊断模拟实验装置，该实验装置包括DTS系统、模拟生产管柱、模拟井控储层系统、供液系统和储液池，其特征在于：所述DTS系统通过感温光纤与模拟生产管柱、模拟井控储层系统相连，模拟生产管柱通过模拟油管与模拟井控储层系统相连，模拟井控储层系统经供液管线与供液系统相连，供液系统通过进液管线与储液池相连，储液池通过出液管线与模拟生产管柱相连。

所述DTS系统中使用的感温光纤为高精度多模光纤，采用双头安装的方式，感温光纤从模拟井口进入模拟生产管柱，经模拟油管内部下至模拟井筒底部，在模拟井筒中，感温光纤两端对称布置、紧贴于模拟井筒壁面。

所述模拟生产管柱包括的模拟油管上设有模拟井口安全阀和模拟井口防喷器用于防止模拟实验时工作液经模拟井口喷出实验装置，所述模拟井口防喷器可用，但不限于高弹性橡胶制成，中心设有仅能穿过多模光纤的细小通孔，安装时，模拟井口防喷器卡在模拟油管上，防止工作液从模拟井口流动，模拟油管通过筒体盖板中心的通孔与模拟井控储层系统相连。

所述模拟井控储层系统包括筒体和模拟储层岩体，筒体和模拟储层岩体之间形成供液腔用于储存经恒温槽加热后的工作液，模拟储层岩体为中心设有通孔空腔作为模拟井筒的圆柱体，且所述模拟井筒直径应远小于模拟储层岩体的直径；供液腔中的工作液可以沿模拟储层岩体圆周面任意方向向模拟井筒中渗流，用以模拟实际油藏流体向井筒中径向渗流的情况。

所述筒体包括外筒盖板、外筒、隔板和外筒底板，筒体的所有组成部分均由具有一定强度的隔热材料制成，两块隔板之间、隔板与外筒盖板之间、隔板与外筒底板之间均为一个压裂段，隔板用以防止相邻两条模拟人工裂缝之间的干扰，外筒用以防止工作液热量向模拟井控储层系统外散失，模拟油藏中的热量仅能向井筒中散失的实际情况；每个压裂段中设有一级模拟储层岩体，除了各压裂段的模拟人工裂缝尺寸可以根据实验需要分别设置之外，每个压裂段的其余组成部分和组成部分的尺寸完全一样。

所述外筒、模拟储层岩体与外筒盖板、隔板、外筒底板之间均采用密封粘结，以保证供液腔中的工作液仅能沿模拟储层岩体圆周面径向渗流进入模拟井筒，模拟油藏流体径向向水平井筒渗流的过程，安装时应保证外筒、模拟储层岩体、外筒盖板、隔板、外筒底板的圆心处在同一水平直线上。

所述隔板和外筒盖板中心设有圆孔，隔板中心的圆孔直径与模拟井筒的直径、模拟油管的内径相同，外筒盖板中心的圆孔直径与模拟油管的外径相同。

所述模拟储层岩体可用，但不限于油田现场露头岩石打磨而成或用井下取芯岩样碎屑固结而成用以更为真实地模拟油藏储层岩石，每个压裂段由两块模拟储层岩体拼接而成，其中一块模拟储层岩体端面中间位置设有用于模拟人工裂缝的矩形细槽，矩形细槽的长度、宽度、深度分别代表模拟人工裂缝的长度、高度、宽度，模拟人工裂缝壁面与模拟井筒相垂直，模拟人工裂缝的长度、高度、宽度根据具体实验需要而定。

实验时，所述模拟人工裂缝中均匀铺置支撑剂，然后将两块模拟储层岩体沿设有矩形细槽的端面拼接，拼接时应保证支撑剂充分压紧，防止随流体流入模拟井筒，用以模拟实际油井支撑裂缝的渗流情况，且相邻两条模拟人工裂缝之间的间距应大于感温光纤的空间分辨率。

所述供液系统包括多个供液单元，每个供液单元独立为一个压裂段供液。

所述供液单元包括恒流泵和恒温槽，恒流泵通过进泵管线和出泵管线分别与进液管线和恒温槽相连，恒流泵用以将储液池中的工作流体以稳定流量注入模拟井控储层系统中，恒流泵出口处设有流量计，恒温槽用以加热工作液从而模拟油藏加热，工作液通过供液管线、经外筒上的供液孔进入供液腔，在供液孔入口处设有温度计用以监测注入工作液的初始温度，该温度为模拟油藏温度，供液系统中所有的管线连接均为防水密封连接。

所述储液池为一由耐温玻璃制成的大方槽，用于储存工作液，储液池通过进液管线和出液管线分别与供液系统和模拟生产管柱相连，可实现工作液的循环使用，实验时，出液管线出水端放置于储液池内内部即可，模拟实验采用的工作液可为但不限于清水、原油或清水与原油的混合物。

所述基于分布式光纤测温(DTS)的压裂水平井裂缝诊断模拟实验装置的方法，具体步骤包括：

(如图1、图3所示的仅为本发明所涉及模拟实验装置模拟三个压裂段的示意图，此处仅以三个模拟压裂段为例，但本发明并不限于模拟三个压裂段，对本发明所涉及的模拟实验装置的方法及其实施步骤进行详细说明)

(1)安装一种基于分布式光纤测温(DTS)的压裂水平井裂缝诊断模拟实验装置，安装模拟井控储层系统时，将三个模拟压裂段中模拟人工裂缝的长度由大到小依次设置为L_f1、L_f2、L_f3，裂缝高度均为H_f0，裂缝宽度均为W_f0，连接该模拟实验装置中的管线，向储液池中加入适量工作液，然后将出液管线出口末端和进液管线入口端放入储液池工作液液面以下；

(2)打开出液口阀门、恒流泵，开启恒温槽加热，设置恒流泵的初始流量为Q₀，注意观察流量计，确保各个压裂段的工作液注入流量一致，设置恒温槽的加热温度为T₀，观察流量计，确保各个压裂段注入工作液的初始温度一致；

(3)待温度计和流量计读数稳定后，打开DTS系统、打开激光光源，观察信号接收器测得的温度剖面数据，待温度剖面数据稳定后，读出三个模拟人工裂缝处的井筒温度T₁₀、T₂₀、T₃₀；

(4)增加恒流泵的流量至Q₁，注意观察流量计，确保各个压裂段的工作液注入流量一致，恒温槽的加热温度仍然为T₀保持不变，观察流量计，确保各个压裂段注入工作液的初始温度一致；

(5)待温度计、流量计读数、信号接收器显示的温度剖面数据稳定后，读出三个模拟人工裂缝处的井筒温度T₁₁、T₂₁、T₃₁；

(6)重复步骤(4)和步骤(5)，得到单个压裂段注入流量为Q₀～Q_i时，三个模拟人工裂缝处(即三个不同模拟人工裂缝长度)对应的井筒温度T₁₀～T_1i、T₂₀～T_2i、T₃₀～T_3i，至此，第一组裂缝长度数据测试已完成；

(7)关闭恒流泵，恒温槽停止加热，更换三个模拟压裂段中的模拟储层岩体，模拟人工裂缝的长度由大到小依次设置为L_f4、L_f5、L_f6(其中：L_f4<L_f3)，裂缝高度均为H_f0，裂缝宽度均为W_f0，重复步骤(2)～步骤(6)，即可完成第二组裂缝长度数据测试，测得Q₀～Q_i时，三个模拟人工裂缝处(即三个不同模拟人工裂缝长度)对应的井筒温度T₄₀～T_4i、T₅₀～T_5i、T₆₀～T_6i；

(8)重复步骤(7)，测出Q₀～Q_i时，n个不同模拟人工裂缝长度(L_f1、L_f2、L_f3、L_f4、…、L_fn，n根据具体实验需要而定)对应的井筒温度T₁₀～T_1i、T₂₀～T_2i、T₃₀～T_3i、T₄₀～T_4i、…、T_n0～T_ni；

(9)将步骤(8)所采集的数据绘制成如图5所示的模拟人工裂缝长度诊断综合图版，根据温度剖面和单个压裂段的流量，便可直接读出模拟人工裂缝的长度，即实现了基于温度剖面和单个压裂段流量对模拟人工裂缝长度进行诊断。

(10)类似地，模拟人工裂缝宽度和模拟人工裂缝高度诊断的实施步骤与模拟人工裂缝长度诊断的实施步骤一致，重复步骤(1)～步骤(9)，建立起模拟人工裂缝宽度、高度诊断综合图版，即实现了基于温度剖面和单个压裂段流量对模拟人工裂缝高度、宽度进行诊断。

本发明的特点和有益效果为：

1、本发明可以模拟多级压裂水平井生产的情况，采用本发明中的DTS系统可以实时、准确地监测模拟压裂水平井的温度剖面。

2、本发明可以模拟随人工裂缝参数(人工裂缝长度、高度和宽度)变化的温度剖面变化情况，得到模拟人工裂缝参数诊断综合图版，实现根据压裂水平井温度剖面和流量诊断模拟人工裂缝，为实际生产过程中的压裂改造评价和人工裂缝参数识别提供技术思路。

附图说明

图1为本发明中基于分布式光纤测温(DTS)的压裂水平井裂缝诊断模拟实验装置结构示意图。

图2为本发明中模拟井口防喷器的结构示意图。

图3为本发明中模拟井控储层系统的剖面示意图。

图4为本发明中沿着图3的线A-A的截面示意图。

图5为本发明中模拟人工裂缝长度诊断综合图版示意图。

图中：

1-DTS系统，11-激光光源，12-信号接收器，13-感温光纤；

2-模拟生产管柱，21-模拟油管，22-模拟井口防喷器，23-模拟井口安全阀，24-模拟井口，25-出液口阀门，26-出液管线；

3-模拟井控储层系统，31-筒体，311-外筒盖板，312-外筒，313-隔板，314-外筒底板，315-供液孔，32-供液腔，33-模拟储层岩体，331-模拟人工裂缝，34-模拟井筒；

4-供液系统，41-供液单元，411-恒流泵，412-流量计，413-恒温槽，414-温度计，415-进泵管线，415-出泵管线，417-供液管线；

5-储液池，51-进液管线。

具体实施方式

实施例1

一种基于分布式光纤测温(DTS)的压裂水平井裂缝诊断模拟实验装置，如图1所示，包括：DTS系统1、模拟生产管柱2、模拟井控储层系统3、供液系统4和储液池5；所述DTS系统1由激光光源11，信号接收器12，感温光纤13构成，由于实际生产中水平井段温度差异较小，所述感温光纤13应为高灵敏度多模感温光纤，精度要求±0.01℃，为了进一步提高测量精度，采用双头安装的方式，感温光纤13两端均为激光信号输入端，同时作为信号传输介质，将反射信号传输到信号接收器12，通过转换，可以从信号接收器12上读出沿感温光纤13的温度分布数据，感温光纤13从模拟井口24处进入模拟生产管柱2。

所述模拟井筒34和模拟油管内部，感温光纤13通过模拟井口24进入模拟生产管柱2，经模拟油管21内部下至模拟井筒34底部，在模拟井筒34段，感温光纤13两端对称布置、紧贴于模拟井筒24壁面。

所述模拟生产管柱2主要用于工作液的流出通道和感温光纤13与模拟井控储层系统3的连接通道；实验时，从模拟井控储层系统3中流出的工作液经出液管线26进入储液池5，所述模拟油管21上设有模拟井口安全阀23和模拟井口防喷器22用于防止模拟实验时由于流量过大导致工作液经模拟井口24喷出实验装置。

所图2所示，所述模拟井口防喷器22可由，但不限于高弹性耐温橡胶制成，中心设有仅能穿过感温光纤13的细小通孔，安装时，模拟井口防喷器22卡在模拟油管21上，防止工作液从模拟井口24流出，为防止模拟井口防喷器22失效，工作液喷出实验装置，在模拟井口24处设有模拟井口安全阀23，实验时若有工作液喷出，应及时关闭模拟井口安全阀23；所述模拟油管21通过筒体盖板311中心的通孔与模拟井控储层系统3相连。

如图3、图4所示，所述模拟井控储层系统3包括筒体31和模拟储层岩体33，筒体31和模拟储层岩体33之间形成供液腔32用于储存经恒温槽413加热后的工作液，模拟储层岩体33为中心设有通孔空腔作为模拟井筒34的圆柱体，所述模拟井筒34直径应远小于模拟储层岩体33的直径；供液腔32中的工作液可以沿模拟储层岩体33圆周面任意方向向模拟井筒34中渗流，用以模拟实际油藏流体向井筒中径向渗流的情况。

所述筒体31包括外筒盖板311、外筒312、隔板313和外筒底板314，筒体31的所有组成部分均由具有一定强度的隔热材料制成，两块隔板313之间、隔板313与外筒盖板311之间、隔板313与外筒底板314之间均为一个压裂段，隔板313用以防止相邻两条模拟人工裂缝331之间因工作液渗流引起的干扰，外筒312用以封闭供液腔32中的工作液、防止工作液热量向模拟井控储层系统3外散失，模拟油藏中的热量仅能向井筒中散失的实际情况；所述模拟井控储层系统3中设有3个压裂段，每个压裂段中设有一级模拟储层岩体33，除了各压裂段的模拟人工裂缝331尺寸可以根据实验需要分别设置之外，每个压裂段的其余所有组成部分和组成部分的尺寸完全一样；相邻两条模拟人工裂缝331之间的间距应大于感温光纤13的空间分辨率，隔板313和外筒盖板311中心设有圆孔，隔板313中心的圆孔直径与模拟井筒34的直径、模拟油管21的内径相同，外筒盖板311中心的圆孔直径与模拟油管21的外径相同。

所述外筒312、模拟储层岩体33与外筒盖板311、隔板313、外筒底板314之间均采用密封粘结，防止工作液沿粘结面直接进入模拟井筒34，以保证供液腔32中的工作液仅能沿模拟储层岩体33圆周面径向渗流进入模拟井筒34，模拟实际油藏流体径向向水平井筒渗流的过程，安装时应保证外筒312、模拟储层岩体33、外筒盖板311、隔板313、外筒底板314的圆心处在同一水平直线上，以确保建立的模拟井筒34为一个井壁光滑的圆柱形井筒；所述模拟油管21通过筒体盖板311中心的通孔与模拟井控储层系统3相连，井筒盖板311的中心通孔出设有一定高度的倒角凸台便于固定、密封安装模拟油管21；所述外筒312上设有供液孔315用以连接供液管线47。

所述模拟储层岩体33可由，但不限于油田现场露头岩石打磨而成或用井下取芯岩样碎屑固结而成用以更为真实地模拟油藏储层岩石，每个模拟压裂井段由两块模拟储层岩体33拼接而成，其中一块模拟储层岩体33端面中间位置设有用于模拟人工裂缝331的矩形细槽，矩形细槽的长度、宽度、深度分别代表模拟人工裂缝331的长度、高度、宽度，模拟人工裂缝331壁面与模拟井筒34相垂直，模拟人工裂缝331的长度、高度、宽度根据具体实验需要而定；

实验时，将支撑剂均匀铺置于矩形细槽中，所述支撑剂选用油田常用的陶粒或石英砂支撑剂即可，粒径根据模拟裂缝规模的需要，可选用，但不限于40-70目、100-120目等相对较小的粒径；然后将两块模拟储层岩体33沿设有矩形细槽的端面拼接，拼接时应保证支撑剂充分压紧，防止随流体流入模拟井筒34，用以模拟实际压裂水平井的支撑裂缝渗流情况。

所述供液系统4包括多个供液单元41，每个供液单元41独立为一个模拟压裂段供液，每个供液单元41的组成完全一样，包括恒流泵411和恒温槽413；恒流泵411通过进泵管线415和出泵管线416分别与进液管线51和恒温槽413相连，恒流泵411用以将储液池5中的工作流体以稳定流量注入模拟井控储层系统3中，恒流泵411出口处设有流量计412，恒温槽413用以加热经恒流泵411流出的工作液，从而模拟油藏加热；工作液通过供液管线47、经外筒312上的供液孔315进入供液腔32，在供液孔315入口处设有温度计414用以监测注入工作液的初始温度，该温度为模拟油藏温度，供液系统中所有的管线连接均为防水密封连接。

所述储液池5为一由耐温玻璃制成的大方槽，用于储存工作液，储液池通过进液管线51和出液管线26分别与供液系统4和模拟生产管柱2相连，可实现工作液的循环使用；实验时进液管线51和出液管线26无需密封连接于储液池5上，进液管线51入口端和出液管线26的出口末端放置于储液池5中工作液液面以下即可；模拟实验时采用的工作液可为，但不限于清水、原油或清水与原油的混合物。

实施例2

实施例1所述一种基于分布式光纤测温(DTS)的压裂水平井裂缝诊断模拟实验装置的方法，具体包括以下实施步骤：

(如图1、图3所示的仅为本发明所涉及模拟实验装置模拟三个压裂段的示意图，此处仅以三个模拟压裂段为例，但本发明并不限于模拟三个压裂段，对本发明所涉及的模拟实验装置的方法及其实施步骤进行详细说明)

(1)安装一种基于分布式光纤测温(DTS)的压裂水平井裂缝诊断模拟实验装置，安装模拟井控储层系统3时，三个模拟压裂段中模拟人工裂缝331的长度由大到小依次设置为L_f1、L_f2、L_f3，裂缝高度均为H_f0，裂缝宽度均为W_f0，连接该模拟实验装置中的管线，向储液池5中加入适量工作液，然后将出液管线26出口末端和进液管线51入口端放入储液池5工作液液面以下；

(2)打开出液口阀门25、恒流泵41和恒温槽43，设置恒流泵41的初始流量为Q₀，注意观察流量计42，确保各个压裂段的工作液注入流量一致，设置恒温槽43的加热温度为T₀，观察流量计44，确保各个压裂段注入工作液的初始温度一致；

(3)待温度计42和流量计44读数稳定后，打开DTS系统1、打开激光光源11，观察信号接收器12测得的温度剖面数据，待温度剖面数据稳定后，读出三个模拟人工裂缝331处的井筒温度T₁₀、T₂₀、T₃₀；

(4)增加恒流泵41的流量至Q₁，注意观察流量计42，确保各个压裂段的工作液注入流量一致，恒温槽43的加热温度仍然为T₀保持不变，观察流量计44，确保各个压裂段注入工作液的初始温度一致；

(5)待温度计42、流量计44读数、信号接收器12显示的温度剖面数据稳定后，读出三个模拟人工裂缝331处的井筒温度T₁₁、T₂₁、T₃₁；

(6)重复步骤(4)和步骤(5)，测出单个压裂段注入流量为Q₀～Q_i时，三个模拟人工裂缝331处(即三个不同模拟人工裂缝长度)对应的井筒温度T₁₀～T_1i、T₂₀～T_2i、T₃₀～T_3i，至此，第一组裂缝长度数据测试已完成；

(7)停泵、关闭恒温槽，更换三个模拟压裂段中的模拟储层岩体33，模拟人工裂缝331的长度由大到小依次设置为L_f4、L_f5、L_f6(其中：L_f4<L_f3)，裂缝高度均为H_f0，裂缝宽度均为W_f0，重复步骤(2)～步骤(6)，即可完成第二组裂缝长度数据测试，测得Q₀～Q_i时，三个模拟人工裂缝331处(即三个不同模拟人工裂缝长度)对应的井筒温度T₄₀～T_4i、T₅₀～T_5i、T₆₀～T_6i；

(8)重复步骤(7)，测得Q₀～Q_i时，n个不同模拟人工裂缝长度(L_f1、L_f2、L_f3、L_f4、…、L_fn，n应大于10)对应的井筒温度T₁₀～T_1i、T₂₀～T_2i、T₃₀～T_3i、T₄₀～T_4i、…、T_n0～T_ni；

(9)将步骤(8)所采集的数据绘制成如图5所示的模拟人工裂缝长度诊断综合图版，根据建立的模拟人工裂缝长度诊断综合图版，便可通过DTS系统1实时监测的温度剖面和单个压裂段的流量，便可直接读出模拟人工裂缝331的长度，即实现了基于温度剖面和单个压裂段流量对模拟人工裂缝长度进行诊断；

(10)类似地，实现模拟人工裂缝宽度和模拟人工裂缝高度诊断的实施步骤与本实施例中实现模拟人工裂缝长度诊断的实施步骤一致，重复步骤(1)～步骤(9)，即可建立起模拟人工裂缝高度、宽度诊断综合图版，即实现了基于温度剖面和单个压裂段流量对模拟人工裂缝高度、宽度进行诊断。

在实际生产过程中，低渗油气藏需要通过水力压裂改造方可获得具有经济价值的产量，压裂改造效果直接决定油气井产能，人工裂缝是评价压裂改造效果的重要指标和直观体现，目前测试人工裂缝参数的微地震监测、生产测井等常规手段费用较高、操作较为复杂且不能直接得出准确的人工裂缝参数，因此需要找出一种简便、经济的方法来准确获取人工裂缝参数；利用本实施例中的模拟实验装置可以很好地模拟压裂水平井生产和水平井段温度剖面随模拟人工裂缝参数变化的情况，可以获得模拟人工裂缝参数(模拟人工裂缝的长度、高度和宽度)诊断综合图版，实现了基于温度剖面和单个压裂段流量对模拟人工裂缝参数进行诊断，为实际生产过程中的压裂改造评价和人工裂缝参数识别提供技术思路。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围；任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，包括模拟压裂级数、所用材料、实施步骤等，达到相同的目的，均应属于本发明保护的范围。