一种模拟支撑剂铺置的真三轴压裂模拟装置及其工作方法与流程

本发明涉及一种模拟支撑剂铺置的真三轴压裂模拟装置及其工作方法，属于油气田开发的技术领域。

背景技术：

我国的非常规油气藏分布广泛，由于其低孔、低渗等特征，油、气在储层基质中的渗流阻力极大，通常依赖压裂增产改造技术以实现低渗油气藏的经济有效开采。水力压裂是一个非常复杂的油气井增产改造工艺，利用地面高压泵组，以超过地层吸收能力的排量将压裂液泵入井内，在井底憋起高压，当泵注压力克服井壁附近地应力达到岩石抗张强度后，在井底产生裂缝；继续泵入压裂液与支撑剂的混合液体，可在地层中形成足够长、有一定导流能力的填砂裂缝，提供储层流体渗流通道。

为了更好地研究压裂裂缝在储层内的起裂/扩展规律，实验室通常使用混凝土、水泥、砂岩、煤岩等材料制作压裂岩样模拟实际储层，岩样内部安装井筒装置，液体通过井筒泵入岩样，在岩样内部憋起高压，直至达到压裂的破裂压力使岩样致裂。

根据水力压裂原理，井筒与岩样接触面间的密封是实验成败的关键，一旦密封不严，泵入岩样的液体将沿井筒与岩样的交界面溢出，从而无法在井底憋起高压，导致岩样无法致裂。为了避免上述问题，实验室通常采用缩小井筒直径至3～10mm(内径1～8mm)的方法减小胶结界面来提高井筒与岩样的密封性，从而导致了井筒太细而不能模拟泵注支撑剂的压裂过程。此外，岩样破裂所需的压力范围20～80mpa，要求配套的压裂泵为能够提供较高压的高精度设备，因支撑剂颗粒易磨损泵的工作叶片或活塞，降低压裂泵使用寿命，所以不适合泵送支撑剂材料(压裂用支撑剂材料为粒径为0.1～1.5mm的石英砂或陶粒颗粒)。

目前，由于井筒与岩样间的密封技术难题与高压泵易磨损的问题，导致了真三轴压裂室内实验成功率低，且无法实现岩样内部裂缝起裂/扩展和压裂携砂过程的同时模拟。

技术实现要素：

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种模拟支撑剂铺置的真三轴压裂模拟装置及其工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种模拟支撑剂铺置的真三轴压裂模拟装置，其特征在于通过主管线依次连接有压裂液搅拌罐、压裂泵、支撑剂搅拌罐、裂缝扩展模拟组件，其中所述支撑剂搅拌罐并联有可控制连通与切断的支管路；

所述压裂液搅拌罐内部包括搅拌机，上部设置压裂液进料口，侧面底部设置出料口连入主管线；

所述支撑剂搅拌罐内部包括搅拌机，侧面分别设置与主管线相连的压裂液进料口和混砂液出料口，优选的压裂液进料口位置高于混砂液出料口；

所述裂缝扩展模拟组件外围为压裂模拟容器，内部具有压裂模拟岩样，压裂模拟岩样内部安装有穿过压裂模拟容器的上盖与主管线相通的井筒，所述井筒与所述压裂模拟岩样接触表面分布有射孔孔眼，所述压裂模拟岩样前、后、左、右、上五个方向分别连接有千斤顶；

还包括集成控制系统。

优选的所述压裂液搅拌罐的内壁面设置实时观察罐内的压裂液液面位置的测位仪；所述压裂液进料口可采用螺纹密封；所述压裂液搅拌罐直径1～80cm，高度1～80cm；其侧面设置的出料口位置距罐底0.1～30cm。

优选的所述支撑剂搅拌罐直径1～80cm，高度1～80cm；其侧面的混砂液出料口位置距离支撑剂搅拌罐底部0.1～30cm；压裂液进料口位置高于混砂液出料口的高度差为0.1～50cm。

优选的所述压裂泵为柱塞泵，扬程0.1～10⁴kpa；所述压裂泵出口处安装电磁流量计。

优选的所述支管线与主管线的连接处设置有转向开关。

优选的所述压裂模拟岩样的原材料包括纤维，所述纤维长度0.1～10cm,纤维含量为1～60％。

优选的所述井筒为表面具有螺纹的金属井筒，井筒横截面为圆形或轴向具有扭曲的椭圆形，轴向扭曲角度为0～360°；井筒末端设置密封盖；所述圆形横截面井筒半径1～150mm；所述椭圆形横截面井筒短半径1～75mm，长轴与短轴比值1～2；井筒表面螺纹的大径d与小径d的差值0.1～5cm，螺纹螺距0.1～15cm；所述井筒数量1～5个，井筒类型为垂直井筒和/或水平井筒，井筒长度5～400cm。

优选的所述井筒表面均匀或分簇分布射孔孔眼，孔眼直径1～20mm，孔眼相位0～180°，孔眼密度8～96个/m，通过螺母密封的方式来调节孔眼数量。

优选的所述集成控制系统控制压裂泵、电动搅拌机、千斤顶装置的电源开关；所述集成控制系统的系统控制面板上设置压裂泵的频率调节按钮、千斤顶的压力调节按钮、排量显示器与压力显示器。

前述述模拟装置的工作方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)装配井筒装置，安装末端密封盖，确定孔眼密度；优选的使用螺母密封多余孔眼，同时在井筒顶部安装转换接头；

(2)准备包括纤维、以及水泥和/或混凝土和/或煤岩的岩样制作所需的原材料，与井筒一起固结制作储层模拟岩样，晾干岩样至实验所需状态；

(3)安装岩样与井筒至压裂模拟容器的内部，并固定千斤顶于岩样前、后、左、右、上5个壁面；

(4)配制实验用压裂液体系，准备压裂用支撑剂材料；

(5)布置实验室，移动实验设备到合适的位置，连接所述设备的所有实验管线，并检查管线的密封性；

(6)将压裂液材料倒入压裂液搅拌罐，使液体体积占罐体积的80～90％；将支撑剂材料装入支撑剂搅拌罐，使支撑剂体积占罐体积的3～25％；

(7)启动千斤顶装置，设置前后、左右与上下方向的围压大小；

(8)切断主管线与支撑剂搅拌罐的连通，连通支管线，启动压裂液电动搅拌机；

(9)启动压裂泵并调节频率至所需排量，压裂液经压裂泵泵入井筒，在岩样内部憋起高压使岩样致裂；

(10)观察集成控制显示界面的岩样压力变化曲线，根据曲线判断岩样是否致裂；

(11)岩样压裂后，启动支撑剂电动搅拌机；

(12)连通支撑剂搅拌罐，关闭支管线，压裂液进入支撑剂搅拌罐，与支撑剂混合形成混砂液后，经转换接头流入井筒，进入岩样内的人工裂缝；

(13)重复步骤(8～12)，模拟现场实际压裂过程；

(14)实验结束，关闭压裂泵、电动搅拌机、卸载千斤顶压力；

(15)保存实验数据并拷贝，关闭集成控制系统；

(16)取出模拟岩样，观察压裂裂缝扩展形态，分析支撑剂在裂缝中的铺置规律，整理实验仪器与材料，清理打扫实验室。

本发明的效果如下：

(1)本发明增加单独的支撑剂添加装置以及可通过转向开关控制的支管线，可以控制主管线与支撑剂搅拌罐的连通与切断；当主管线与支撑剂搅拌罐连通时，压裂液流入所述支撑剂搅拌罐与支撑剂混合形成携砂液后，一起被泵入井筒，流入岩样内部形成的人工裂缝；反之，压裂液单独泵入井筒压开裂缝。可在真三轴压裂实验过程中实现岩样内部裂缝起裂/扩展与压裂携砂过程、支撑剂铺置的同时模拟，并且能够模拟支撑剂段塞的压裂施工过程。

(2)本发明的实验装置，通过改进井筒形状(由光滑的圆柱井筒改进成有一定旋转角度的螺纹椭圆形柱体)和在岩样中添加纤维材料，可有效地改善井筒与岩样界面的密封强度，提高真三轴压裂室内实验的成功率。根据经典的锚固理论，金属棒与混凝土之间的粘结力主要包括四类，具有不同表面特征的金属棒受力不同，光滑金属棒受化学胶结力与摩擦力，螺纹金属棒因表面凹凸不平与混凝土产生咬合力，而冷轧钢筋除上述3种力外，因表面突起、歪曲或截面几何形状变化而产生机械锚固力，因此冷轧钢可显著增强与混凝土的粘结强度；此外，将分散的纤维采用机械、气压或水压等方式随机地均匀掺入水泥或混凝土中，纤维在混合料中呈网状分布，能够有效地承受试件内部因轴向荷载作用而产生的拉应力与阻止结构的侧向变形，从而提高金属棒与混凝土之间的密封效果。

(3)本发明的实验装置，可实现设备开关、参数调节、数据显示与数据处理集成控制，提高实验操作安全性。

(4)本发明的实验装置，通过安装不同类型(垂直或水平)、不同数量的井筒，可实现“井工厂”压裂工艺模拟，更好的理解支撑剂在压裂裂缝(尤其是复杂缝网)中的铺置运移规律，对现场压裂施工方案的优化设计具有重要的指导意义。

附图说明

图1是本发明所述设备的整体结构示意图；

图中各标号列示如下：

1压裂液搅拌罐；2电动搅拌机；3测位计；4压裂液进料口；5压裂泵；6电磁流量计；7支撑剂搅拌罐；8支撑剂进料口；9主管线；10转向开关；11支管线；12转换接头；13压裂模拟容器；14压裂模拟岩样；15千斤顶；16井筒；17密封螺母；18万向轮；19集成控制系统。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明。

实施例1

本实施例的一种模拟支撑剂铺置的真三轴压裂模拟装置，如图1所示，通过主管线9依次连接有压裂液搅拌罐1、压裂泵5、支撑剂搅拌罐7、裂缝扩展模拟组件，其中所述支撑剂搅拌罐并联有支管路，并联接口处为转向开关10；所述压裂液搅拌罐1顶部设置压裂液进料口4，侧面底部设置出料口连入主管线9；所述支撑剂搅拌罐7内部包括搅拌机2，轴向侧面分别设置与主管线相连的压裂液进料口和混砂液出料口，且压裂液进料口位置高于混砂液出料口，顶部具有支撑剂进料口8；所述裂缝扩展模拟组件外围为压裂模拟容器13，内部具有压裂模拟岩样14，压裂模拟岩样14内部安装有穿过压裂模拟容器的上盖与主管线9相通的井筒16，所述井筒16与所述压裂模拟岩样14接触表面分布有射孔孔眼，所述压裂模拟岩样14前、后、左、右、上五个方向分别连接有千斤顶15；还包括集成控制系统19。

井筒16表面分布螺纹，并且井筒截面为椭圆，在轴向施加一个120°扭曲度，使其增加胶结强度。

通过增加单独的支撑剂添加装置7和管线转向开关10，与改进井筒16形状，可有效地改善井筒与岩样界面的密封强度，实现岩样内部裂缝起裂/扩展和压裂携砂过程的同时模拟与提高真三轴压裂室内实验成功率的目的。

所述压裂液搅拌罐1与支撑剂搅拌罐7内部中心安装电动搅拌机2，贴近内壁面设置测位仪3实时观察罐内的压裂液液面位置；根据本实施例所优选的，压裂液搅拌罐1与支撑剂搅拌罐7的直径40cm，高度60cm；其侧面设置的出料口位置距罐底10cm，支撑剂搅拌罐侧面的压裂液进料口位置高于混砂液出料口，高度差10cm。

所述压裂泵5为高精度柱塞泵，扬程0.1～10⁴kpa，出口处安装电磁流量计6；所述压裂泵5与支撑剂搅拌罐7之间设置有管线转向开关10以控制支管线与支撑剂搅拌罐7主管线的连通与切断；当主管线9与支撑剂搅拌罐7连通时，压裂液流入支撑剂搅拌罐7与支撑剂混合形成混砂液后，泵入井筒16，流入岩样内部形成的人工裂缝；反之，压裂液单独泵入井筒压开裂缝。

所述压裂模拟容器13为长方体容器，箱体与上盖采用螺母17连接，所述螺母数量为4-8个，优选6个；所述压裂模拟容器长度200cm，宽度100cm，高度200cm；容器底部安装4个万向轮18，方便设备的移动与运输。

所述压裂模拟岩样14形状为长方体，长度80cm，宽度范围60cm，高度80cm；安装于压裂模拟容器13的内部，其前、后、左、右、上五个方向分别连接千斤顶15装置，利用千斤顶装置为储层提供围压以模拟地下储层受力状态，前后、左右与上下方向的围压非必须相同。所述压裂模拟岩样可由混凝土、硅酸盐类水泥、铝酸盐类水泥、砂砾、砂岩、煤岩等等材料中的一种或多种材料配合纤维制作而成，分别模拟不同岩性或非均质的多种岩性的储层。

所述压裂模拟岩样14内部安装井筒装置，所述井筒为金属螺纹井筒16，轴向扭曲角度为0～360°；所述井筒横截面为椭圆，井筒末端设置密封盖以调节射孔孔眼的流量。

根据本实施例所优选的，所述井筒16表面螺纹的大径d与小径d的差值3cm，螺纹螺距10cm；所述井筒横截面短半径50mm，长轴与短轴比值1.5；所述井筒数量1个，井筒类型为垂直井筒，井筒长度200cm。

根据本实施例所优选的，所述井筒16表面均匀分布射孔孔眼，孔眼直径5mm，孔眼相位0～180°，孔眼密度20个/m，并可通过螺母密封的方式来调节孔眼数量。

所述井筒装置顶部安装转换接头12，所述转换接头12与井筒相连的一端横截面为椭圆形，与井筒采用螺纹连接；所述转换接头与主管线相连的一端横截面为圆形，与管线采用螺纹连接；

所述集成控制系统19控制压裂泵5、电动搅拌机2、千斤顶装置15的电源开关；所述集成控制系统控制面板上设置压裂泵的频率调节按钮、排量显示器与岩样内部压力变化显示器；所述集成控制系统控制面板上设置千斤顶的压力调节按钮与压力显示器。

实施例2

本实施例为上述设备的工作方法，包括步骤如下：

(1)装配井筒装置16，安装末端密封盖，确定孔眼密度，需要的话使用螺母密封多余孔眼，同时在井筒顶部安装转换接头12；

(2)准备水泥、混凝土、煤岩、纤维等岩样制作所需的原材料，与井筒一起固结制作一定尺寸的储层模拟岩样14，晾干岩样至实验所需状态；

(3)安装岩样14与井筒16至压裂模拟容器13的内部，并固定千斤顶15于岩样前、后、左、右、上5个壁面；

(4)配制实验用压裂液体系，准备压裂用支撑剂材料；

(5)布置实验室，移动实验设备到合适的位置，连接所述设备的所有实验管线9，并检查管线的密封性；

(6)将压裂液材料倒入压裂液搅拌罐1，使液体体积占罐体积的80～90％；将支撑剂材料装入支撑剂搅拌罐7，使支撑剂体积占罐体积的3～25％；

(7)启动千斤顶装置15，设置前后、左右与上下方向的围压大小；

(8)旋转管线转向开关10，切断主管线与支撑剂搅拌罐的连通，启动压裂液电动搅拌机2；

(9)启动压裂泵5并调节频率至所需排量，启动电磁流量计6，压裂液经压裂泵泵注进入井筒16在岩样内部憋起高压使岩样致裂；

(10)观察集成控制19显示界面的岩样压力变化曲线，根据曲线判断岩样是否致裂；

(11)岩样压裂后，启动支撑剂电动搅拌机2；

(12)旋转管线转向开关10，连通管线与支撑剂搅拌罐，压裂液进入支撑剂搅拌罐，与支撑剂混合形成混砂液后，经转换接头12流入井筒16，进入岩样内的人工裂缝；

(13)重复步骤(8～12)，模拟现场实际压裂过程；

(14)实验结束，依次关闭压裂泵5、电动搅拌机2、卸载千斤顶15压力；

(15)保存实验数据并拷贝，关闭集成控制系统19；

(16)取出模拟岩样，观察压裂裂缝扩展形态，分析支撑剂在裂缝中的铺置规律，整理实验仪器与材料，清理打扫实验室。

以上实施例中关于尺寸、材料等仅为示例，并不限于此。可进一步的在下述范围内进一步优选，均可实现本发明的效果：压裂液搅拌罐直径30～80cm，高度30～80cm；其侧面设置的出料口位置距罐底0.1～30cm；优选的所述支撑剂搅拌罐直径30～80cm，高度30～80cm；其侧面的混砂液出料口位置距离支撑剂搅拌罐底部0.1～30cm；压裂液进料口位置高于混砂液出料口的高度差为5～50cm；所选用的裂缝扩展容器，其三维尺寸30～300cm；所用的裂缝扩展模拟岩样，三维尺寸5～100cm；所用的井筒装置为金属螺纹井筒，轴向扭曲角度为0～360°；井筒横截面短半径1～75mm，长轴与短轴比值1～2；井筒表面分簇或均匀射孔，孔眼直径1～20mm，孔眼密度16～48个/m，孔眼相位0～90°；所述井筒数量1～5个，井筒类型为垂直井筒或水平井筒，井筒长度5～400cm；所用支撑剂粒径20～100目；压裂液采用活性水压裂液等。