一种用于模拟水平井裂缝同步扩展实验的井筒装置及方法

本发明属于致密砂岩储层增产改造技术领域，特别涉及一种物理模拟实验的井筒装置设计技术。

背景技术：

随着油气勘探开发的不断深入，深层、超深层储层逐渐成为油气资源增储上产的重要领域。致密砂岩储层埋藏深、物性差，传统油气开采手段不能满足生产需求，必须对这类储层进行水平分段多簇压裂改造才能使其进行工业化开采。水平井分段多簇压裂技术通过在同一压裂段内进行多簇射孔，一次性压开多簇裂缝，减小油气到水力裂缝的渗流距离，增大改造体积，降低施工时间和施工成本，但是现场压裂施工和压后生产数据均表明部分射孔簇未能形成有效裂缝。已有的研究表明，这主要是由于在压裂过程中水平井分段多簇压裂过程中存在较强的缝间应力干扰，即“应力阴影”效应，其对水力裂缝扩展路径及缝宽具有重要的影响，集中体现在以下两个方面：首先，在同一压裂段内，中间射孔簇由于受到两侧裂缝附加应力场的影响，裂缝宽度减小，甚至会出现停止扩展或聚并，造成水力裂缝的非均匀扩展，降低储层改造效率；其次，先压开裂缝会对后续压裂段的水力裂缝扩展产生严重干扰，使得后压裂缝不再沿着垂直于井筒方向扩展，裂缝发生偏转，甚至沿着平行于井筒方向扩展，导致缝长减小，缝网波及体积缩小。因此，为了揭示分段多簇压裂过程中多裂缝非均匀延伸机制，综合考虑缝间应力干扰和簇间流量动态分配过程，有诸多问题需要研究，比如：(1)每一段内是否所有射孔簇都能起裂；(2)裂缝同步扩展是否是设计预期的裂缝形态(3)每一段内最优射孔簇是多少，等等。但是目前针对致密砂岩储层水平井段内多裂缝扩展形态的研究模式相对单一，且现有研究采用的井筒结构较为复杂，操作较为繁琐。因此，急需一种能够实现上述功能的实验装置及方法。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提出一种用于模拟水平井裂缝同步扩展实验的井筒装置及方法，有助于分析不同段间距、射孔簇数量和间距、压裂顺序、水平应力差以及水平段固井质量等对致密砂岩水平井分段压裂多裂缝同步扩展形态的影响规律。

本发明采用的技术方案之一为：一种用于模拟水平井裂缝同步扩展实验的井筒装置，包括：模拟井眼、模拟井筒、注液管线以及密封圈；所述模拟井筒置于模拟井眼中，模拟井筒包括多个不同外径的井筒段，每一个井筒段对应一个密封压裂段，具体采用环氧树脂灌封胶进行密封；

所述注液管线置于井筒中，各压裂段对应一套独立的注入管线，一套注液管线包括压裂注液管、压裂液导流管和射孔簇，射孔簇位于对应压裂段的井筒段中部，压裂液导流管从模拟井筒端部延伸至对应井筒段中与射孔簇相连；压裂液导流管另一端通过高压螺纹接头与压裂注液管相连。

各密封压裂段中的井筒段外壁与模拟井眼之间填充尿素。

还包括密封垫圈，所述密封垫圈内径与井筒段之间连接处外径匹配，用于装载环氧树脂灌封胶。

射孔簇间距为模拟井筒最大外径井筒段外壁到模拟井眼内壁距离3～7倍。

本发明采用的技术方案之二为：一种用于模拟水平井裂缝同步扩展实验的方法，包括：

s1、选取致密砂岩天然露头，加工成标准立方体试样，拍照并记录试样周面的层理及天然裂缝的状态；

s2、在试样中部沿着平行层理方向钻取盲孔作为模拟井眼；

s3、将模拟井筒置于模拟井眼中，采用环氧树脂灌封胶进行分段密封，分段后的模拟井筒外壁与井眼之间采用尿素进行填充；

s4、将经步骤s3制备好的试样，置于三轴加载装置内，根据实验方案对试样施加三向地应力，保证井眼方向与最小水平地应力方向平行，开启注液系统，以恒定排量向井筒内泵注压裂液，同时利用压力传感器记录井口压力变化，直至完成多段同步压裂，裂缝同步扩展的实验，停泵，关闭注液管线阀门；

s5、实验结束后，取出试样，对其表面进行拍照，记录不同压裂段裂缝扩展路径，并用线切割机对试样进行剖切，分析近井筒附近多裂缝起裂及扩展形态；

s6、综合实验前层理面/天然裂缝扫描结果、压裂液示踪剂显示、泵压曲线、声发射定位及试样剖切结果，完成致密砂岩水平井段内多裂缝同步扩展机制的综合分析。

射孔簇间距为井筒外壁到井眼内壁距离3～7倍。

本发明的有益效果：本发明的一种用于致密砂岩水平井段内多裂缝同步扩展物理模拟实验的井筒装置及实验方法，该装置模拟深层原地应力条件下砂岩水平井分段压裂多裂缝同步扩展问题，根据实验方案设计间距为60mm的射孔簇对试样进行同步压裂，具有操作简单，定位精度高的特点；有助于揭示致密砂岩水平井分段压裂过程中的缝间诱导应力形成机制，可定量化研究不同段间距、射孔簇数量和间距、压裂顺序、水平应力差以及水平段固井质量等对页岩水平井分段压裂多裂缝扩展形态的影响规律，为砂岩水平井分段压裂施工方案决策，施工参数设计提供理论依据和技术支撑。

附图说明

图1为本发明所述模拟井筒示意图；

图2为本发明所述模拟井筒注液管汇装配图；

图3为本发明所述套管注液管汇密封示意图。

附图标记说明：1-岩样；2-加载板；3-注液管线；4-射孔簇；5-模拟井筒；6-密封垫圈；7-尿素；8-环氧树脂。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

为了对致密砂岩进行水平井分段压裂物理模拟实验，研究多裂缝同步扩展过程中的压裂裂缝同步开启后缝间应力干扰机制，克服现有技术无法保证多簇裂缝同时开启、同步扩展的不足，本发明提供了一种用于致密砂岩储层水平井段内多裂缝同步扩展物理模拟实验的井筒装置及方法，如图1所示，该装置包括模拟井筒、注液管线以及密封垫圈。

模拟井筒由主要采用高强度钢管5、钢管内部的三根导流管线及射孔簇4组成，三个射孔簇与各自的导流管相连并对应着不同压裂段，同时不同压裂段所对应井筒的外径也不相同，不同的井筒外径的节点处可以放置与之匹配内径的密封垫圈6，用来分隔不同的压裂段，井筒外壁与井眼通过在不同外径的节点处放置密封垫圈6，用以承载环氧树脂8然后再放置一个密封垫圈6分隔环氧树脂8和尿素7，这样可以防止环氧树脂8渗漏入尿素7中，两个密封垫圈6及两个密封垫圈6之间的环氧树脂8可以分隔各个压裂段防止在压裂过程中压裂液窜流影响实验效果，尿素7用于填充井筒与井壁之间的环空，模拟现场大型压裂施工的实际情况；注液管线3用于向不同压裂段的井筒内部注入高压流体，各注入管线3通过高压螺纹接头与不同压裂段的导流管线相连形成独立的进液通道，这样在岩样1中形成多个压裂段，分别对不同压裂段进行同步压裂，实现多裂缝同步扩展的实验。

独立的进液通道即从注液管线3注入的高压流体，在各压裂段，通过射孔簇流入该密封压裂段中进行压裂，本发明通过独立进液通道以及分段密封的压裂段，避免了压裂过程中压裂液窜流影响实验效果的问题，可以分别对不同压裂段进行同步压裂，实现多裂缝同步扩展的实验。

在本实例中，模拟井筒采用的是外径为30mm、内径为15mm的304高强度钢管，最高耐压50mpa，其中不同压裂段井筒的外径分别为30mm、28mm、26mm、24mm，这里也对应不同内径的密封垫圈别为30mm、28mm、26mm、24mm，本实施例中模拟井眼直径为50mm，本实例中取井筒到井壁的最小距离设置射孔簇间距，一般实际压裂施工所设计的射孔间距为井筒到井壁3～7倍，本实施例中设置射孔簇间距为60mm为井筒到井壁距离的6倍；导流管线及注入管线3采用304高强度钢管外径为3mm、内径为2mm，最高耐压50mpa，通过同时注入高压流体，对不同压裂段同步压裂，实现裂缝的同步扩展。

试样制备过程中井筒可直接置入井眼中浇筑密封，实验完成后通过对试样的剖切可以将井筒完整取出，对于相同条件下的实验井筒可以重复利用。可见本发明的井筒具有安装便利、可逆性高和高效率的特点。

采用上述实施例的井筒装置进行页岩水平井分段多簇压裂物理模拟实验，包括以下步骤：

步骤一：试样制备及描述，选取致密砂岩天然露头为研究对象，加工成300mm×300mm×300mm的标准立方体，拍照并记录试样周面的层理及天然裂缝的状态。

步骤二：在试样中部沿着平行层理方向钻取直径50mm，深度为250mm的盲孔作为模拟井眼，并用无水乙醇擦拭干净。

步骤三：将包括若干压裂段的模拟井筒置于岩样盲孔内，采用两个密封垫圈并在两个密封垫圈之间加入卡夫特k-9741环氧树脂灌封胶对不同压裂段进行密封；固化剂和环氧树脂质量比为1:5，静置时间为48h以上，模拟套管射孔段与井眼环空利用尿素进行充填，防止灌封胶阻塞射孔孔眼；

步骤四：将制备好的试样，置于三轴加载装置内，根据实验方案对试样施加三向地应力，保证井眼方向与最小水平地应力方向平行，开启注液系统，以恒定排量向井筒内泵注压裂液，同时利用压力传感器记录井口压力变化，直至完成多段同步压裂，裂缝同步扩展的实验，停泵，关闭注液管线阀门。实验过程中，将声发射探头粘贴在加载板2上，同步监测不同压裂段压裂过程中的声发射信号；

步骤五：待实验结束后，取出试样，对其表面进行拍照，记录不同压裂段裂缝扩展路径，并用线切割机对试样进行剖切，重点分析近井筒附近多裂缝起裂及扩展形态；

步骤六：综合实验前层理面/天然裂缝扫描结果、压裂液示踪剂显示、泵压曲线、声发射定位及试样剖切结果，完成致密砂岩水平井段内多裂缝同步扩展机制的综合分析。

步骤五与步骤六的具体分析方法为现有已知技术，具体的分析方法可以参考“《页岩水力压裂物理模拟与裂缝表征方法研究》郭印同等”，本实施例中不做详细阐述。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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权利要求范围之内。