一种分段压裂装置的制作方法

本实用新型涉及水平井分段压裂技术领域，尤其是涉及一种分段压裂装置。

背景技术：

随着近些年页岩油气、致密砂岩油气等非常规油气的大力开采，水平井分段压裂作为低渗透率储层改造的关键技术，有利于在储层中形成复杂缝网，增大裂缝和油气层的接触面积，提高储层渗透率，因此被广泛应用于油气田生产中。水平井分段压裂是指针对水平井中不同位置的地层进行分段，各段之间通过化学或机械方式封隔，然后使用压裂液对各段分别压裂的工艺技术。然而，水平井分段压裂形成的裂缝之间相互影响，裂缝形态复杂，人们对水力裂缝扩展机制的认识还十分有限，在生产中很难控制最终形成的缝网形态。在实验室开展水平井分段压裂模拟试验，尤其是模拟在真实地层应力作用下水平井分段压裂的试验，试验时能实时监测裂缝的扩展过程，试验后能直接观测到裂缝几何形态，有助于促进对裂缝扩展和裂缝之间相互作用规律的认识，进而为现场地层深处分段压裂工艺优化提供理论指导。

实验室模拟水平井压裂主要有两种方式，一种是在正方体或圆柱体岩样中钻孔，仅孔口封隔，向孔内注入压裂液将整个孔段直接压裂；另一种是将分段模拟井筒预制在试件中，通过注液管线向井筒中注入压裂液实现分段水力压裂，这两种方式都存在严重的技术缺陷。整段直接压裂的试验操作简单，容易实现，但与实际生产过程中的分段压裂工艺不符，不能模拟分段压裂形成的复杂缝网形态和裂缝相互作用机制。预制井筒分段压裂试验所用的试件只能是人工材料试件，如水泥、石膏等，而人工材料与储层天然岩样的物理力学性质相差较大，尤其是像页岩等储层天然裂缝和水平层理发育，人工材料却是均匀和各向同性的，因此导致试验结果也很难反映实际生产情况；再之，套管与试件之间采用胶封的方式，套管难以拆卸回收。

基于此，本实用新型提供了一种分段压裂装置以解决上述的技术问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种分段压裂装置，以解决现有技术中存在的压裂装置模拟分段压裂的结果不准确，且难以拆卸回收的技术问题。

基于上述目的，本实用新型提供了一种分段压裂装置，包括密封杆和球头杆；

所述密封杆的一个端面上设置有安装孔，所述球头杆插装在所述安装孔中；

所述密封杆沿着自身轴向分隔为多个密封段；所述密封段设置有一条与其自身的外表面相连通的注液管线；

所述球头杆上设置有入液管线，以及与所述入液管线连通的多条分液管线；多条所述分液管线能够与多条所述注液管线一一对应连通。

可选的，上述分段压裂装置，所述球头杆通过旋转的方式使至少一条所述分液管线与对应的所述注液管线连通。

可选的，上述分段压裂装置，所述球头杆包括杆部和球头部；

所述球头部设置在所述杆部的一端；

所述入液管线设置在所述杆部的内部；多条所述分液管线设置在所述球头部的内部。

可选的，上述分段压裂装置，所述球头部包括一个与所述杆部连接的第一球体；

所述第一球体设置在靠近所述杆部的第一个所述密封段中；所述第一球体的球心与所述杆部的旋转轴共轴；

所述入液管线由所述杆部的另一端端面沿着所述杆部的旋转轴延伸至所述第一球体的球心；多条所述分液管线在所述第一球体的球心位置与所述入液管线连通，并分别由所述第一球体的径向延伸至所述第一球体的外壁。

可选的，上述分段压裂装置，所述球头部包括多个顺序连接的第二球体；

多个所述第二球体一一对应设置在多个所述密封段中；多个所述第二球体的球心均与所述杆部的旋转轴共轴；

所述入液管线由所述杆部的另一端端面沿着所述杆部的旋转轴延伸至远离所述杆部的所述第二球体的球心；多条所述分液管线分别在对应的所述第二球体的球心位置与所述入液管线连通，并分别由所述第二球体的径向延伸至所述第二球体的外壁。

可选的，上述分段压裂装置，相邻两个所述密封段之间通过密封圈密封。

可选的，上述分段压裂装置，相邻两个所述密封段之间设置有环形槽，所述密封圈设置在所述环形槽中。

可选的，上述分段压裂装置，所述密封圈为o型密封圈。

可选的，上述分段压裂装置，所述环形槽的槽底设置有环形气道；

所述密封杆插装所述球头杆的端面上设置有进气口；所述进气口与所述环形气道连通。

可选的，上述分段压裂装置，还包括旋转拨杆；

所述球头部设置在所述杆部的一端，所述旋转拨杆设置在所述杆部的另一端。

本实用新型提供的所述分段压裂装置，包括密封杆和球头杆；所述密封杆的一个端面上设置有安装孔，所述球头杆插装在所述安装孔中；所述密封杆沿着自身轴向分隔为多个密封段；所述密封段设置有一条与其自身的外表面相连通的注液管线；所述球头杆上设置有入液管线，以及与所述入液管线连通的多条分液管线；多条所述分液管线能够与多条所述注液管线一一对应连通。已有的分段压裂设备，独立的管线结构和密封形式使得设备本身尺寸很大，限制它们只能适用于大尺寸的人造试件或露天开挖的天然岩块。本实用新型提供的分段压裂装置能够模拟真实地层条件下储层岩石分段压裂过程，一方面其能使用深部储层钻取的天然岩石作为试件；另一方面其与试件之间采用方便装卸的插拔式连接，实验操作方便。

基于此，本实用新型较之原有技术，具有模拟分段压裂的结果更准确，且能够拆卸回收的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例一提供的分段压裂装置的结构示意图；

图2为图1所示的分段压裂装置a-a处的剖视图；

图3为图1所示的分段压裂装置b-b处的剖视图；

图4为图1所示的分段压裂装置c-c处的剖视图；

图5为图1所示的分段压裂装置d-d处的剖视图；

图6为图1所示的分段压裂装置e-e处的剖视图；

图7为本实用新型实施例一提供的分段压裂装置中密封结构的示意图；

图8为本实用新型实施例一提供的分段压裂装置的安装示意图；

图9为本实用新型实施例二提供的分段压裂装置的结构示意图；

图10为图9所示的分段压裂装置a-a处的剖视图；

图11为图9所示的分段压裂装置b-b处的剖视图；

图12为图9所示的分段压裂装置c-c处的剖视图；

图13为图9所示的分段压裂装置d-d处的剖视图；

图14为本实用新型实施例二提供的分段压裂装置的安装示意图。

图标：100-密封杆；101-注液管线；102-密封圈；103-环形槽；104-进液口；105-环形流道；200-球头杆；201-球头部；202-杆部；203-入液管线；204-分液管线；300-旋转拨杆；400-试件。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

已有的分段压裂设备，它们独立的管线结构和密封形式使得设备本身尺寸很大，限制它们只能适用于大尺寸的人造试件或露天开挖的天然岩块。本实用新型的分段压裂装置，结构紧凑，管线、密封件与装置主体结构一体化，故所述分段压裂实验装置无大小限制，可根据试验设计做成所需要的尺寸且不影响其压裂性能。因此，本装置既适用于露天开挖的大尺寸天然岩块或根据不同材料配比浇筑而成的人工试件，也适用于深部储层钻孔获得的标准岩心试件。

实施例一

图1为本实用新型实施例一提供的分段压裂装置的结构示意图；图2为图1所示的分段压裂装置a-a处的剖视图；图3为图1所示的分段压裂装置b-b处的剖视图；图4为图1所示的分段压裂装置c-c处的剖视图；图5为图1所示的分段压裂装置d-d处的剖视图；图6为图1所示的分段压裂装置e-e处的剖视图；图7为本实用新型实施例一提供的分段压裂装置中密封结构的示意图；图8为本实用新型实施例一提供的分段压裂装置的安装示意图。

如图1所示，在本实施例中提供了一种分段压裂装置，所述分段压裂装置包括密封杆100和球头杆200；

所述密封杆100的一个端面上设置有安装孔，所述球头杆200插装在所述安装孔中；

所述密封杆100沿着自身轴向分隔为多个密封段；所述密封段设置有一条与其自身的外表面相连通的注液管线101；

所述球头杆200上设置有入液管线203，以及与所述入液管线203连通的多条分液管线204；多条所述分液管线204能够与多条所述注液管线101一一对应连通。

具体的，每一个密封段内均设置有一条与其自身的外表面相连通的注液管线101，分液管线204的数量与注液管线101的数量相等，并能够一一对应连通，当分液管线204与注液管线101连通时，压裂液能够由入液管线203的入口进入，流经分液管线204和注液管线101，最后由所在密封段的外表面流出。

本实用新型提供的所述分段压裂装置，呈杆状的密封杆100能够直接插入到试件400中或从试件400中拔出。实验前，将上述分段压裂装置插入到试件400中，由于密封杆100被分隔为多个密封段，每个密封段两端的密封节点与试件400内壁密封连接，形成一个压裂段；需要对其中一个或多个压裂段进行压裂时，操作球头杆200，使对应的分液管线204与注液管线101连通，压裂液从入液管线203进入对试件400进行压裂；实验后，将上述分段压裂装置从试件400中拔出。

基于此，本实用新型较之原有技术，具有模拟分段压裂的结果更准确，且能够拆卸回收的优点。

如图1至图6所示，本实施例的可选方案中，所述球头杆200通过旋转的方式使至少一条所述分液管线204与对应的所述注液管线101连通。

在上述技术方案中，进一步的，所述球头杆200包括杆部202和球头部201；

所述球头部201设置在所述杆部202的一端；

所述入液管线203设置在所述杆部202的内部；多条所述分液管线204设置在所述球头部201的内部。

在上述技术方案中，进一步的，所述球头部201包括一个与所述杆部202连接的第一球体；

所述第一球体设置在靠近所述杆部202的第一个所述密封段中；所述第一球体的球心与所述杆部202的旋转轴共轴；

所述入液管线203由所述杆部202的另一端端面沿着所述杆部202的旋转轴延伸至所述第一球体的球心；多条所述分液管线204在所述第一球体的球心位置与所述入液管线203连通，并分别由所述第一球体的径向延伸至所述第一球体的外壁。

本实施例的可选方案中，相邻两个所述密封段之间通过密封圈102密封。

在上述技术方案中，进一步的，相邻的两个所述密封段之间设置有环形槽103，所述密封圈102设置在所述环形槽103中。

在上述技术方案中，进一步的，所述环形槽103的槽底设置有环形流道105；

所述密封杆100插装所述球头杆200的端面上设置有进液口104；所述进液口104与所述环形流道105连通。

如图7所示，本实施例采用加压密封的方式，对密封件施加可调节的压力，使其与试件400紧密接触，从而各压裂段充分密封，提高了密封效果。安装与拆卸时将密封压力卸载，使分段压裂装备易于装卸。

在上述技术方案中，进一步的，还包括旋转拨杆300；

所述球头部201设置在所述杆部202的一端，所述旋转拨杆300设置在所述杆部202的另一端。

如图8所示，采用本例中的分段压裂装置对直径50mm、高100mm的圆柱形标准页岩岩心试件400进行分段压裂的方法包括：

1.试件加工：深部页岩储层钻取的岩心经切割、磨光和干燥后加工成直径50mm、高100mm的标准试件400。用台钻将页岩试件400的某一端面钻出预定直径和深度的盲孔，即盲孔的直径、深度和分段压裂装置尺寸相匹配。可根据是否模拟射孔，选择是否对钻孔切槽。例如，盲孔的直径可以是10mm，深度可以是50mm，相匹配地，分段密封杆100的直径也应是10mm或略小于10mm，长度则略大于50mm，可以是55mm或60mm。钻孔完毕后，若模拟射孔，则需要对钻孔进行环形切槽。所切环形凹槽的个数、深度和厚度根据试验设计选取。例如，选取压裂段数为5段，每个压裂段的长度为8mm，各压裂段内中部设置1条环形凹槽，环形凹槽的宽度和深度均为1mm。切环形凹槽可选用尺寸与设计匹配的内切槽刀进行。

2.装入加载设备：将加工完毕的试件400在105℃烘箱中烘烤24小时，冷却后装入热缩套管。之后将分段压裂装置插入页岩试件400的盲孔底部，并将分段压裂装置和试件400装入外部加载设备，以模拟页岩在地层深部应力作用下的分段压裂过程。圆柱形试件400的外部加载设备可选用三轴压力室结构施加主动应力，也可选用夹具固定试件400施加被动应力。以三轴压力室为例，打开三轴压力室结构，将分段压裂装置和试件400放置于试件400下压头上，并将试件400上压头部分装入热缩套管中。通过热风机加热使热缩套管收缩，直至各组件紧密接触，液压油被热缩套管阻隔，不会浸入试件400中。

3.准备压裂液：根据试验设计，按照一定的配比准备压裂液，并确定压裂液相关参数，如压裂液温度、黏度、携砂量等。将配制完成的压裂液存于贮液罐中，以便于进行分段压裂试验。

4.加压密封：开启密封加压泵，液压油从进液口104到达压裂装置的各个环形流道105，对密封圈102施加压力，使其与试件400紧密接触，从而使各压裂段充分密封。同时，密封压力可以根据实际情况进行调节，对于突破压力较高的岩石，可适当提高密封压力，进而提高密封效果。加压密封后，可通过预压裂的方式对密封效果进行检验。检验操作如下，调节旋转拨杆300，使a-a处注液管线101通过分液管线204与入液管线203连通，其它压裂段的注液管线101与入液管线203不连通；开启注液泵，将压裂液注入a-a所在压裂段，达到一定压力后(注意压力不能太大，保证试件400完整性，不对后续分段压裂试验造成干扰)停止注液；观察压裂液压力是否随时间稳定，以检验该段的密封性；同理，可对第b-b、c-c、d-d、e-e所在压裂段依次检验。

5.分段压裂：分段压裂前，根据试验需要，设计轴压、围压、分段压裂次序、注液排量、注液压力等。第4步加压密封成功后，开启三轴压力室的围压泵，对试件400加载围压至目标值后，关闭围压阀门，再开启轴压泵，对试件400加载轴压至目标值，并关闭轴压阀，完成试件400的外部加载。然后，进行试件400分段压裂，按照设计的分段压裂次序，调节旋转拨杆300，使第一压裂段的注液管线101通过分液管线204与入液管线203连通，其它压裂段的注液管线101与入液管线203不连通。开启注液泵，按照设定的注液排量、注液压力泵入压裂液。可以根据分段压裂装置检测到的压力曲线判断压裂程度，如当试件400内部压裂液压力有突降，说明试件400破裂，该段压裂试验结束。若搭载声发射等其他检测装置，也可以根据声发射事件数等其他实验数据判断压裂试验进行程度。该压裂段试验结束后，关闭注液泵，调节旋转拨杆300，按照设计的分段分别进行第二、三、四压裂段的压裂试验，压裂步骤同上。

6.取出试件：全部压裂段试验结束后，关闭注液泵，卸载三轴压力室的轴压和围压，并关闭密封加压泵，卸载密封压力。打开三轴压力室结构，取出试件400及分段压裂装置。由于已经卸载密封压力，能够较容易地将分段压裂装置从试件400中拔出分离，而不需要施加较大的外力，避免对压裂后的试件400进一步破坏，影响对压裂结果的观测。

7.压裂结果观测：压裂过程中，可采用声发射对裂纹数据进行实时采集。压裂完成后，可采用多种方式试件400进行观测。例如，可用肉眼观察和素描的方式对试件400表面各压裂段宏观裂缝的形态和数量进行统计；可用大型工业ct对试件400进行逐层线阵扫描，观察各压裂段裂缝内部的扩展形态；可用sem扫描观察试件400水力裂缝的细观特征和次级裂缝的发育情况；试件400整体观测后，还可将试件400剖分，观察内部各压裂段的水力裂缝。

实施例二

图9为本实用新型实施例二提供的分段压裂装置的结构示意图；图10为图9所示的分段压裂装置a-a处的剖视图；图11为图9所示的分段压裂装置b-b处的剖视图；图12为图9所示的分段压裂装置c-c处的剖视图；图13为图9所示的分段压裂装置d-d处的剖视图；图14为本实用新型实施例二提供的分段压裂装置的安装示意图。

如图9所示，在本实施例中提供了一种分段压裂装置，所述分段压裂装置包括密封杆100和球头杆200；

所述密封杆100的一个端面上设置有安装孔，所述球头杆200插装在所述安装孔中；

所述密封杆100沿着自身轴向分隔为多个密封段；所述密封段设置有一条与其自身的外表面相连通的注液管线101；

所述球头杆200上设置有入液管线203，以及与所述入液管线203连通的多条分液管线204；多条所述分液管线204能够与多条所述注液管线101一一对应连通。

具体的，每一个密封段内均设置有一条与其自身的外表面相连通的注液管线101，分液管线204的数量与注液管线101的数量相等，并能够一一对应连通，当分液管线204与注液管线101连通时，压裂液能够由入液管线203的入口进入，流经分液管线204和注液管线101，最后由所在密封段的外表面流出。

如图9至图13所示，本实施例的可选方案中，所述球头杆200通过旋转的方式使至少一条所述分液管线204与对应的所述注液管线101连通。

在上述技术方案中，进一步的，所述球头杆200包括杆部202和球头部201；

所述球头部201设置在所述杆部202的一端；

所述入液管线203设置在所述杆部202的内部；多条所述分液管线204设置在所述球头部201的内部。

在上述技术方案中，进一步的，所述球头部201包括多个顺序连接的第二球体；

多个所述第二球体一一对应设置在多个所述密封段中；多个所述第二球体的球心均与所述杆部202的旋转轴共轴；

所述入液管线203由所述杆部202的另一端端面沿着所述杆部202的旋转轴延伸至远离所述杆部202的所述第二球体的球心；多条所述分液管线204分别在对应的所述第二球体的球心位置与所述入液管线203连通，并分别由所述第二球体的径向延伸至所述第二球体的外壁。

本实施例中，相邻两个密封段之间可以采用o型密封圈102进行密封，也能够采用加压方式进行密封，采用加压方式进行密封的结构具体参见实施例一所描述的密封结构。

在上述技术方案中，进一步的，还包括旋转拨杆300；

所述球头部201设置在所述杆部202的一端，所述旋转拨杆300设置在所述杆部202的另一端。

如图14所示，本实施例以对直径50mm、高100mm的圆柱形标准页岩岩心试件400进行分段压裂为例，具体包括如下步骤：

1.试件加工：将从深部储层钻取的页岩岩心切割、磨光成直径50mm、高100mm的圆柱形标准试件400。在试件400端面中心钻一个直径10mm，深度为试件400高度一半的孔，用于安装分段压裂设备。根据试验需要，还可对钻孔分段切环形凹槽，用于模拟射孔。

2.装入加载设备：将分段压裂装置安置于常规三轴压力室底座上，嵌入到试件400下压头中，旋转拨杆300通过压力室底座预留孔露出。将加工完毕的试件400在105℃烘箱中烘烤24小时，冷却后装入热缩套管。然后把带有热缩套管的试件400安装在分段压裂装置上，钻孔底部与分段密封杆100顶部接触，钻孔侧壁与分段密封杆100四周紧密贴合。将试件400上压头和试件400下压头嵌入到热缩套管中。通过热风机加热使热缩套管收缩，使各组件之间紧密接触，隔绝液压油。

3.准备压裂液：根据需要设计压裂液相关参数，将配制完成的压裂液存于贮液罐中，并用注液管将注液泵与入液管线203连接。

4.分段压裂：开启常规三轴试验机，对试件400施加围压和轴压至目标值，完成试件400的外部加载，以模拟储层岩石地层应力。调节旋转拨杆300，按照设计的压裂次序，使第一压裂段的注液管线101通过分液管线204与入液管线203连通，其它压裂段的注液管线101与入液管线203不连通。开启注液泵，按照设定的注液排量、注液压力泵入压裂液。当压裂液压力突降，说明试件400破裂，该段压裂试验结束。该压裂段试验结束后，关闭注液泵，调节旋转拨杆300，按照设计的压裂次序分别进行其余压裂段的压裂试验，压裂步骤同上。

5.取出试件：全部压裂段试验结束后，关闭注液泵，卸载常规三轴试验机加载的围压和轴压，将试件400从压力室中取出。

6.压裂结果观测：可采用便携式电子显微镜、sem、三维激光扫描仪等对试件400表面水力裂缝观测；可采用工业ct、声发射等对试件400内部水力裂缝观测。

实施例三

本实施例采用了实施例二中的分段压裂装置，对300mm×300mm×300mm的大尺寸立方体页岩进行分段压裂，具体包括如下步骤：

1.试件400加工：大尺寸天然岩块不能够从深部储层直接获得，可在露天开挖同样类型的岩石材料，其物理力学性能与储层岩石相近。将开挖获得的大块页岩用大尺寸锯片岩石切割机先切割成300mm×300mm×300mm的块状，再打磨试件400的边角使其平整以适配真三轴试验机机舱。根据试验需要，还可对钻孔分段切环形凹槽，用于模拟射孔。

2.装入加载设备：将分段压裂装置一部分嵌入到真三轴试验机某一块加载板内部。页岩试件400干燥后，安装在分段压裂装置上，钻孔底部与分段密封杆100顶部接触，钻孔侧壁与分段密封杆100四周紧密贴合。加载板围绕整个试件400放置，试验机三向轴力可以通过油缸传递给加载板，再传递给试件400，保证试件400受力均衡。加载板上还可安装声发射探头，用以获取压裂过程中的裂纹扩展数据。最后，封闭真三轴试验机机舱。

3.准备压裂液：根据需要设计压裂液相关参数，将配制完成的压裂液存于贮液罐中，并用注液管将注液泵与入液管线203连接。

4.分段压裂：开启真三轴试验机，对试件400施加三向围压至目标值。调节旋转拨杆300，按照设计的压裂次序，使第一压裂段的注液管线101通过分液管线204与入液管线203连通，其它压裂段的注液管线101与入液管线203不连通。开启注液泵，按照设定的注液排量、注液压力泵入压裂液。当压裂液压力突降，说明试件400破裂，该段压裂试验结束。该压裂段试验结束后，关闭注液泵，调节旋转拨杆300，按照设计的压裂次序分别进行其余压裂段的压裂试验，压裂步骤同上。

5.取出试件：全部压裂段试验结束后，关闭注液泵，卸载真三轴试验机围压，将试件400从压力室中取出。

6.压裂结果观测：可采用便携式电子显微镜、sem、三维激光扫描仪等对试件400表面水力裂缝观测；可采用工业ct、声发射等对试件400内部水力裂缝观测。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。