一种水平井压裂物理模拟样品及其制作方法与流程

本发明涉及油气工程领域，特别涉及一种水平井压裂物理模拟样品及其制作方法。

背景技术：

目前，我国低渗透油气采用水平井分段压裂技术进行增产作业。水平井分段压裂技术应用的最为广泛也最为有效，在不同的油气储层取得了不同程度的效果。但是，由于对储层认识差异，水平井分段压裂技术在不同储层的应用过程中，裂缝扩展的规律和相关影响等方面的认识尚不明确。物理模拟压裂是认识压裂裂缝延伸规律的重要手段，因此，针对不同储层的物理模拟试件制备形成了很多成果。现有的压裂试件制备技术按材质可分为两类：

一类是以水泥等材料制作的人造岩样压裂试件制备方法。采用人造岩样的方式开展压裂样品的制备，其特点在于可在层内形成均质样品，如在科学文献《水力压裂多裂缝起裂模拟实验与分析》(作者：刘洪)以及专利文献《一种用于水力压裂物理模拟试验的层状模型的制作方法》(CN103234791A)中分别采用纯水泥与石英砂按比例混合，模型原料与水搅拌等方式进行了人造岩样试件的制作。

另一类是以天然岩样进行加工制作压裂试件的方法。这样使得压裂试件更加接近真实的储层岩性，如在科学文献《页岩气储层水力压裂物理模拟试验研究》(作者：张旭等)、《煤岩水力裂缝扩展规律试验研究》(作者：杨焦生)、以及专利文献《一种煤层气井水力压裂物理模拟试件制作方法》(CN103883302A)中，分别针对煤岩和页岩压裂，采用天然岩样和页岩露头加工方式进行模拟制样。

但是这些方法都存在一些问题。首先，采用水泥、树脂等材料制作的压裂试件，与实际岩样物性和岩石力学性质相差较大，不能真实的模拟出裂缝延伸规律。其次，以往的压裂试件主要是针对模拟直井的试验，直井的井筒竖直设置且通常垂直于层理面，根据这些压裂试件所得到的试验结果不能反应水平井的压裂裂缝 延伸规律。再次，简单考虑岩性差异的试件制作方法，没有设计层面对应的处理方法，无法在实验中明显反应出裂缝延伸在层面的相关规律。此外，以往试件大多采用注入管柱直接固结在井筒里，这样既不够真实模拟压裂时注入管柱的液体注入，也不能较好的模拟不同尺寸井筒对压裂裂缝眼神的影响。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题为提供一种水平井压裂物理模拟样品及其制作方法，这种水平井压裂物理模拟样品可以模拟层面的力学性质以及在进行压裂模拟试验时可以获得判断裂缝延伸到层面时的响应。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种水平井压裂物理模拟样品及其制作方法。该水平井压裂物理模拟样品包括：管柱以及依次层叠的下岩块、下胶结层、压裂岩块、上胶结层、上岩块，其中，压裂岩块包括从压裂岩块的侧面延伸至压裂岩块的中心的盲孔，管柱的一端插入盲孔且不抵接于盲孔的底端，管柱的外周壁与所压盲孔的内周壁之间密封，上胶结层包括设置在上岩块与压裂岩块之间的且位于压裂岩块的上底面中部的上垫圈、设置在上垫圈内的支撑剂、以及设置在上岩块和压裂岩块之间的且位于上垫圈外侧的密封胶，下胶结层包括设置在下岩块与压裂岩块之间的且位于压裂岩块的下底面中部的下垫圈、设置在下垫圈内的支撑剂、以及设置在下岩块和压裂岩块之间的且位于下垫圈外侧的密封胶。

在一个具体的实施例中，下岩块、压裂岩块以及上岩块均为立方体。

在一个具体的实施例中，管柱平行于压裂岩块的上底面且垂直于侧面，并贯穿侧面的中心。

在一个具体的实施例中，下岩块、压裂岩块、上岩块的每个底面均为边长等于a的正方形，下岩块、压裂岩块、上岩块、上胶结层、下胶结层的厚度依次分别为b、c、d、e、f，其中

$e+f=\frac{a}{30},b+c+d=\frac{29a}{30},\frac{29a}{30}>c\≥\frac{a}{6},$

a、b、c、d、e、f的长度单位均相同。

在一个具体的实施例中，从管柱插入压裂岩块内的端部到盲孔的底端的长度范围为

在一个具体的实施例中，a＝300mm。

在一个具体的实施例中，盲孔从管柱插入压裂岩块的端部到盲孔的底端的部 分的直径小于管柱外径。

在一个具体的实施例中，上岩块、压裂岩块以及下岩块均由天然岩样制成。

在一个具体的实施例中，上岩块的层理面、压裂岩块的层理面和下岩块的层理面均与压裂岩块的上底面平行。

本发明还提出了一种制作水平井压裂物理模拟样品的方法，其包括以下步骤：

根据实验所需要模拟的目标层位、目标层位的上覆岩层、目标层位的下覆岩层的力学性质来选取三块天然岩样，并分别对应切割成层状的压裂岩块、上岩块、下岩块；

在压裂岩块的侧面钻取盲孔，将管柱插入孔中，并在盲孔的周壁与管柱的外周壁之间形成密封；

在压裂岩块的上底面的中部设置填充满支撑剂的上垫圈，在上垫圈的外侧涂布密封胶层，将上岩块的下底面覆盖在上垫圈内的支撑剂上；

在下岩块的上底面的中部设置填充满支撑剂的下垫圈，在下垫圈的外侧涂布密封胶层，将压裂岩块的下底面覆盖在下垫圈内的支撑剂上。

这种水平井压裂物理模拟样品设置了上、下胶结层，并且上、下胶结层内的支撑剂处形成高渗区域。在对水平井压裂物理模拟样品进行穿层压裂时可以获得穿层压裂在上胶结层和下胶结层处的响应。为研究不同储层厚度、不同井筒尺寸、不同压裂液体、不同水平段长度、不同起裂位置等对水平井穿层压裂裂缝扩展的影响提供了有效的模拟样品。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了本发明一种实施方式的水平井压裂物理模拟样品的结构示意图；

图2显示了图1中压裂岩块的立体示意图。

图3显示了在水力压裂模拟试验过程中，压裂液的注入速率、压裂液的注入压力与时间的关系图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，水平井压裂物理模拟样品10包括上岩块1、上胶结层2、压裂岩块3、下胶结层4、下岩块5以及管柱8。管柱8优选为金属管。

在制作水平井压裂物理模拟样品10时，首先，根据实验所需要模拟的目标层位、目标层位的上覆岩层、目标层位的下覆岩层的力学性质来选取与各个岩层的力学性质相同或相近的三块天然岩样。

与目标层位的力学性质相同或相近的天然岩样用于制作压裂岩块3，与上覆岩层的力学性质相同的天然岩样用于制作上岩块1，与下覆岩层力学性质相同的天然岩样用于制作下岩块5。上岩块1、压裂岩块3、下岩块5分别用于模拟上覆岩层、目标层位、下覆岩层。

将三块天然岩样切割成型，形成正棱柱体状的上岩块1、压裂岩块3和下岩块5。上岩块1、压裂岩块3和下岩块5的底面形状和尺寸相同。下岩块5、压裂岩块3、上岩块1的厚度之比等于下覆岩层、目标层位、上覆岩层的厚度之比。

从压裂岩块3的侧面31向压裂岩块3中心钻孔。如图2所示，这样就在压裂岩块3中形成从该侧面31延伸至压裂岩块3中心的盲孔32。盲孔32用于模拟裸井井眼。

将密封胶涂布在管柱8的外周壁上，然后将管柱8插入盲孔32中，管柱8不抵接于盲孔32的底端。这样，在密封胶凝固以后，管柱8的外周壁与盲孔32的内周壁之间形成密封。

在压裂岩块3的上底面35的中部位置放置上垫圈6。上垫圈6可以是弹性垫圈，上垫圈6例如是橡胶圈。在上垫圈6内部填充满支撑剂。支撑剂例如可以是石英砂、陶粒、有机支撑剂、核桃壳中的任意一种。在压裂岩块3位于上垫圈6的外侧的上底面上涂布密封胶并形成上密封胶层。将上岩块1平放到支撑剂和上密封胶层上，上岩块1的下底面抵接于支撑剂和上密封胶层。上岩块1的下底面与压裂岩块3的上底面平行。上岩块1的各个侧面与压裂岩块3的各个侧面对应对齐。测量上岩块1与压裂岩块3之间的距离，并将其调整到预设的上胶结层厚度e，即：若该距离小于预设的上胶结层厚度e，则增加上垫圈6内的支撑剂，同时增加上密封胶层的厚度；若该距离大于预设的上胶结层的厚度e，则减少上垫圈6内的支撑剂。这样，在上密封胶层内的密封胶凝固后，形成上胶结层2，上胶结层2的厚度等于预设的上胶结层厚度e。上胶结层2包括设置在压裂岩块3 的上底面中部位置的且位于上岩块1与压裂岩块3之间的上垫圈6、设置在上垫圈6内的支撑剂、以及设置在上岩块1和压裂岩块3之间的且位于上垫圈6外侧的密封胶。

在下岩块5的上底面中部放置下垫圈7。下垫圈7可以是弹性垫圈，下垫圈7例如是橡胶圈。在下垫圈7内部填充满支撑剂。在下岩块5位于下垫圈7的外侧的上底面上涂布密封胶并形成下密封胶层。将压裂岩块3平放到支撑剂和下密封胶层上，压裂岩块3的下底面抵接于支撑剂和下密封胶层。下岩块5的上底面与压裂岩块3的下底面平行。下岩块5的各个侧面与压裂岩块3的各个侧面对应对齐。测量下岩块5与压裂岩块3之间的距离，并将其调整到预设的下胶结层4厚度f，即：若该距离小于预设的下胶结层4厚度f，则增加下垫圈7内的支撑剂，同时增加下密封胶层的厚度；若该距离大于预设下胶结层厚度f，则减少下垫圈7内的支撑剂。这样，在下密封胶层内的密封胶凝固后，形成下胶结层4，下胶结层4的厚度等于预设的下胶结层厚度f。下胶结层4包括设置在压裂岩块3的下底面中部位置的且位于下岩块5与压裂岩块3之间的下垫圈7、设置在下垫圈7内的支撑剂、以及设置在下岩块5和压裂岩块3之间的且位于下垫圈7外侧的密封胶。

由此，下岩块5、下胶结层4、压裂岩块3、上胶结层2、上岩块1从下到上依次层叠。上胶结层2将上岩块1和压裂岩块3粘合在一起，下胶结层4将下岩块5和压裂岩块3粘合在一起，这样就制成了水平井压裂物理模拟样品10。

在压裂模拟试验中，模拟加压装置对水平井压裂物理模拟样品10的侧面和上、下面进行模拟加压，压裂泵的出液口连接管柱8未插入压裂岩块3的一端。开启压裂泵后，压裂泵将压裂液注入压裂岩块3内，压裂岩块3被压裂，压裂液顺着压裂岩块3的裂缝进入到支撑剂的缝隙内，然后再将上岩块1和下岩块5压裂。管柱8用于模拟套管完井井筒。盲孔32的从管柱8插入压裂岩块3的端部到盲孔32的底端的部分用于模拟裸眼井段。上胶结面用于模拟目标层位与上覆岩层之间的层面，下胶结面用于模拟目标层位与下覆岩层之间的层面。由于支撑剂的粒径较大，支撑剂颗粒之间具有间隙，这样，上胶结层2和下胶结层4在支撑剂处均形成高渗区，在对水平井压裂物理模拟样品10进行穿层压裂时可以获得穿层压裂在上胶结层2和下胶结层4处的响应，即当压裂液体进入时，管柱8的入口处的注入压力会出现波动，帮助压裂模拟实验判断穿层。另外，支撑剂填 充满上垫圈6和下垫圈7，防止模拟加压装置对水平井压裂物理模拟样品10进行模拟加压时由于空隙存在导致岩石剪切破坏。还可通过选用强度不同密封胶来模拟不同岩性的岩层之间的胶结特性。

图3显示了在水力压裂模拟试验过程中，压裂液的注入速率、压裂液的注入压力与时间的关系图。在本次试验中，采用煤沿制作上岩块1和下岩块5，采用砂岩制作压裂岩块3。采用压裂泵向管柱8中注入压裂液，记录压裂液的注入速率与时间的关系，记录压裂液的注入压力与时间的关系。在试验完成后，可以明显观察到从盲孔32口向上和向下延伸的，并贯穿上岩块1、下岩块5和压裂岩块3的裂缝。同时，在图3中也可以看到压裂岩块3上的裂缝贯穿到支撑剂处而形成的注入压力的压降。然后压裂液继续在支撑剂处积蓄能量，当裂缝在上岩块1和下岩块5中扩张时，再次显现出明显的注入压力的压降。证明了本发明在进行压裂模拟试验时可以获得判断裂缝延伸到层面时的响应。

优选地，在切割过程中，将岩块、压裂岩块3、上岩块1均切割成立方体。这样制成的水平井压裂物理模拟样品10也是立方体结构，这样更容易在水平井压裂物理模拟样品10的三个相互垂直的方向进行模拟加压，而使得应力分布均匀。更优选地，下岩块5、压裂岩块3、上岩块1的每个底面均为边长等于a的正方形。下岩块5、压裂岩块3、上岩块1、上胶结层2、下胶结层4的厚度依次分别为b、c、d、e、f，其中

$e+f=\frac{a}{30},b+c+d=\frac{29a}{30},\frac{29a}{30}>c\≥\frac{a}{6},$

并且a、b、c、d、e、f的均具有相同的长度单位。这样形成了一个棱长为a的正方体形的水平井压裂物理模拟样品10。对下岩块5、压裂岩块3、上岩块1、上胶结层2、下胶结层4的厚度进行限定后可以得到上胶结层2、下胶结层4的厚度之和与下岩块5、压裂岩块3、上岩块1的厚度之和的关系，这样的水平井压裂物理模拟样品10模拟出所模拟的各个岩层的厚度与相邻两个岩层的层面力学性质的之间关系。更优选地，管柱8平行于压裂岩块3的上底面35且垂直于压裂岩块3的侧面31，并贯穿该侧面31的中心。

更优选地，盲孔32从管柱8插入压裂岩块3的端部到盲孔32的底端的长度范围为在对水平井压裂物理模拟样品10进行穿层压裂时，以该处起裂并作为起裂点，这样能保证压裂岩块3生成的裂缝能最大程度的延伸到其上、下 底面，并且压裂液作用于在上、下胶结界面，实现实验穿层压裂的目的。若其长度超过该范围，则容易使得压裂岩块3生成的裂缝先延伸出其侧面，压裂液从该裂缝流出而使试验失败。更优选地，管柱8伸入压裂岩块3内的部分的长度范围为

在一个优选地实施例中，a＝300mm。

优选地，盲孔32从管柱8插入压裂岩块3的端部到盲孔32的底端的直径小于管柱8外径。在钻取这种盲孔32时，先在压裂岩块3的侧壁上钻取直径比管柱8的外径小的小孔眼34，再钻取与小孔眼34同轴的、长度小于小孔眼的且外径大于或等于管柱8外径的大孔眼33，这种钻孔方法容易控制大孔眼33和小孔眼34同轴，在密封管柱8时容易保持管柱8与大孔眼之间的环空中分布均匀从而使得密封胶分布均匀。这样就在盲孔32中形成台阶，管柱8插入到盲孔32后抵接于台阶，台阶起到限位作用。同时，在钻取时控制大孔眼的长度，可以更精确的控制管柱8插入盲孔32的长度。

优选地，密封胶在涂布到管柱8、压裂岩块3和下岩块5之前为半液态或膏状，或者说制作水平井压裂物理模拟样品10的密封胶为半液态或膏状。这样，密封胶在涂布到岩石上后，可以避免其大量渗入到岩石的孔隙里面而导致岩性改变。同时还能避免在于密封管柱8的同时密封胶流入盲孔32的底端。更优选地，密封胶为AB胶。

优选地，制作上岩块1的天然岩样与上覆岩层的岩石种类相同，制作下岩块5的天然岩样与下覆岩层的岩石种类相同，制作压裂岩块3的天然岩样的种类与目标层位的岩石种类相同。采用种类相同的岩石模可以贴近相应岩层的岩石结构，使得上岩块1、下岩块5以及裂压岩块的力学性质更贴近于其所模拟岩层的力学性质。

优选地，目标层位的层理面与水平面的之间的夹角等于压裂岩块3的层理面与压裂岩块3的底面的夹角，和/或下覆岩层的层理面与水平面的之间的夹角等于下岩块5的层理面与下岩块5的底面的夹角，和/或上覆岩层的层理面与水平面的之间的夹角等于上岩块1的层理面与上岩块1的底面的夹角。这样，切割出来的天然岩样的力学性质更接近于所模拟的岩层，采用这样的水平井压裂物理模拟样品10来进行试验也会更精确。

优选地，上岩块1、压裂岩块3、下岩块5的层理面与压裂岩块3的上底面 平行。水平井压裂物理模拟样品10可以更精确模拟绝大多数层理面平行于水平面的下覆岩层、目标层位和上覆岩层的力学特性。

然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。