专利名称：一种压裂充填防砂模型的制作方法
技术领域：
本发明涉及压裂充填防砂技术领域，是一种实验装置，具体涉及一种模拟在不同 闭合压力下，压裂充填后的地层裂缝形态，针对不同流体和地层砂进行不同粒径支撑剂及 其组合的防砂实验、嵌入实验及导流能力测试实验的压裂充填防砂模型。
背景技术：
随着我国陆上大部分主力油田进入中高含水期，加快勘探、开发海上油气资源已 逐渐成为我国未来石油工业发展的战略目标之一。但由于海上油藏普遍具有渗透性好、胶 结性差的显著特点，在开采过程中油井出砂是经常遇到的工程问题之一。油井出砂具有很 大的危害性，可以使油井减产或停产、腐蚀地面和井下设备以及损环油套管，甚至可以使油 井报废。因此，在中高渗透油藏的开发过程中，必须采取防砂措施。其中最常用的防砂方法 为机械防砂中的管内井下砾石充填。虽然该方法具有良好的防砂效果，但由于其增大了油 藏流体向井流动时射孔孔眼和筛套环空的渗流阻力，因此降低了油井产能。为了克服管内 井下砾石充填完井的不足，同时为提高整个油藏的产能水平，人们便将管内井下砾石充填 与水力压裂结合起来，发展形成了压裂充填技术。国外已将压裂充填技术应用到生产实际 中，并取得了成功。为了掌握此种新型的完井技术，促进完井技术的发展，有必要深入研究 压裂充填。这项技术的发展将会提高防砂完井的成功率和延长防砂的有效期，产生良好的 经济和社会效益。压裂产生的高导流能力裂缝对地层出砂趋势的控制作用体现在三个关键的环节 上1、防止或降低岩石结构的破坏；2、降低流体对地层微粒的冲刷和携带能力；3、填砂裂 缝对地层微粒的桥堵作用。三种作用结合形成压裂裂缝的综合防砂原理，此防砂机理完全 不同于砾石充填防砂。对于砾石充填技术，通常采用填砂管进行研究。但对于压裂充填工 艺，目前并没有一种仪器设备可以较完整逼真的进行模拟研究。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种研究压裂充填防砂工艺的模型，模拟压裂充填 后的裂缝形态，即在地层条件下，流体的渗流状态、裂缝端部和壁面的砂侵状况、支撑剂在 软地层中的嵌入。通过研究，确定裂缝内充填支撑剂的粒径或粒径组合的标准，影响支撑剂 嵌入的各种因素，地层砂在充填层内的运移状态、充填层的导流能力等。本发明采取的技术方案为一种压裂充填防砂模型，包括槽室和顶盖，所述顶盖密 封地嵌在所述槽室顶部；所述槽室包括框架、底部和前、后、左、右四个侧壁，在所述顶盖、底 部、前侧壁上都开设有若干进液孔，在所述后侧壁上开设有若干出液孔，在所述左侧壁或右 侧壁上分前、后设置有两测压孔；在所述模型内部，模拟地层条件，在底部放置下岩板，所述 下岩板上面铺置支撑剂，支撑剂前端放置前岩板，所述支撑剂上面放置上岩板，所述上、下、 前岩板和支撑剂充满整个模型空腔。所述顶盖、底部、前侧壁均为空腔结构，朝向模型内部的一侧面上均开设有所述进
3液孔，各空腔结构内布置有网格通道，所述进液孔通过网格通道汇集到与外部连通的相应 进液管上。所述顶盖、底部、前侧壁上的进液管设置在同一侧。所述后侧壁为空腔结构，朝向模型内部的一侧面上开设有所述出液孔，所述出液 孔通过空腔结构汇集到与外部连通的出液管上。所述出液管位于后侧壁的靠下位置。所述出液孔为单排孔，所述出液孔具有不同孔密和孔径规格。所述框架和底部连为一体，所述前、后、左、右四个侧壁可拆卸，四个侧壁上都有楔 块结构，与框架呈嵌入式配合，配合处有密封圈密封。所述前、后、左、右四个侧壁可与框架在周边上通过螺栓连接。各所述进液管上连接有进液阀门；所述出液管上安装流量控制阀。本发明采取以上技术方案，所获得的技术效果是1、完整的模拟了地层裂缝形态， 包括裂缝的端部、裂缝壁面和缝口 ；模拟了来自裂缝端部和裂缝两侧壁面的砂侵和支撑剂 的嵌入；模拟地层的闭合压力，来自端部和两侧壁面的液体的渗流状态。2、可以测试支撑剂 的无嵌入、嵌入、嵌入加砂侵条件下的导流能力。3、仪器结构设计合理，组装拆卸方便，实验 后便于观察、清洗，系统各部件具有良好的耐压密封性。4、配置了高标准的配套仪器设备， 确保实验测试的准确度。
图1是模型的外观示意图；图2是模型槽室拆掉四壁后的示意图，底部与框架连为一体，底部布置有进液孔；图3是槽室前侧壁示意图，布置有进液孔；图4是槽室右侧壁示意图；图5是槽室左侧壁示意图，带有前、后两个测压孔；图6是槽室后侧壁示意图，布置有出液口。图7是模型顶盖示意图，布置有进液孔。
具体实施例方式以下实例用于更具体的说明本发明，但本发明并不限于这些实施例。从图1可知，模型分为槽室1和顶盖2两部分，均为不锈钢材料制作，槽室1尺寸 为460mmX ^OmmX 110mm，顶盖2尺寸为390mmX 190mmX 20mm，呈嵌入式配合结构。模型与 大流量的中压恒流泵、液压泵、差压传感器、提供平稳液流的气囊水罐装置、位移传感器、激 光粒度仪和标准筛、离心机、天平等一起，形成一套完整的实验体系。从图2 6可知，槽室1为可拆分式结构，包括框架11、底部12和前、后、左、右四 个侧壁13、14、15、16，其中底部12与框架11可连为一体，前、后、左、右四个侧壁13、14、15、 16可拆卸，便于实验后观察，清洗，四个侧壁上都有楔块结构，与框架11呈嵌入式安装。各 侧壁以及顶盖2与槽室框架11之间都有密封圈密封。在顶盖2、底部12、前侧壁13上都开 设有进液孔；在后侧壁14上开设有出液孔；在左侧壁15或右侧壁16上开设有测压孔。具体地，如图2所示，底部12与框架11连为一体。在框架11的周边上设置有用于安装各侧壁的螺栓孔17。底部12为空腔式结构，在其上底板上均勻布满进液孔18，各进液 孔通过空腔内的网格通道汇集到底部总进液管19上。如图3所示，前侧壁13上除有与框 架11对应的螺栓孔17外，还在楔块上设置有若干进液孔20，楔块也为空腔式结构，在空腔 中设置有网格通道，各进液孔20通过网格通道汇集到前面板上的前壁总进液管21上。如 图4、5所示，左、右侧壁15、16结构类似，只是在左侧壁15或右侧壁16的其中一个上开设 有前、后两个测压孔22，另一个上没有测压孔。两个测压孔22贯通内外，前、后设置的目的 是为测定流体流过模型时前、后的压差。如图6所示，后侧壁14与前侧壁的结构类似，为模 拟射孔结构，所以出液孔23设置为单排孔。出液孔23也是设置在后侧壁14的楔块上，楔 块内部为空腔结构，各出液孔23通过空腔汇集到后壁总出液管M上。后壁总出液管M位 于后侧壁的靠下位置。如图7所示，同样的，顶盖2也为一空腔式结构，在朝向槽室1的一侧面有若干个 进液孔25，各进液孔25通过空腔中的网格通道汇集到顶盖总进液管沈上。上述的各进液管、出液管均相应的与外部设备相连。较佳地，底部总进液管19、前 壁总进液管21和顶盖总进液管沈设置在同一侧，方便管线连接。进一步地，根据美观设计的要求，上述的底部总进液管19通过前侧壁13穿出在 外。进一步地，后侧壁14上的出液孔23具有不同孔密和孔径规格，用以研究支撑剂的 回流等。测试导流能力时，需要在后壁总出液管M上安装流量控制阀；测试出砂效果时，将 其拆卸，安装软管即可。在模型内部，模拟地层条件，按照实际地层的地层砂粒度组成，配制模拟地层砂， 用模具制作岩板。首先在压裂充填防砂模型室内底部放置下岩板，前端放置前岩板，然后铺 置一定铺砂浓度，一定目数的支撑剂，用平砂器整平，最后放置上岩板，上、下、前岩板形成 一个半包围结构，包围住支撑剂，上、下、前岩板与支撑剂充满整个模型空腔。然后将压裂充 填模型放置在液压机上，施加所需的闭合压力，外部连接泵和差压传感器，开通进液阀门， 在一定的流量下进行实验；同时在出口收集流出物，沉淀，离心机分离固液，烘干称其砂的 质量，利用激光粒度仪或标准筛，获取砂粒径大小。将前侧进液阀门同提供平稳液流的氮气 驱气囊水罐装置相连，后端出口处安装流量控制阀后，可测试充填层的导流能力。通过系列 的实验，可分析确定防砂效果好、导流能力高的支撑剂粒径等。我们通常选用流量为0 lL/min的大流量恒流柱塞泵，压力范围为0 5. OMPa, 针对地层条件可以进行不同流量下的实验测试。为了能准确测量出模室前后两端较小的压差，特别配置了高精度罗斯蒙特3051S1 和3051⑶两种型号的差压传感器，量程分别为0 200Pa，0 6KPa ；精度分别为0. 025% 和 0. 075%。测试充填层的导流能力时，采用氮气驱的气囊水罐供液，确保提供平稳液流，差压 测试准确。为模拟地层压力，将压裂充填模型室放于液压机上，最大可提供IlMI^a左右的闭 合压力。为测试出砂量、缝宽变化和分析出砂粒径，也配备了离心机、高精度天平、位移传 感器和激光粒度仪、标准筛等仪器设备。
利用上述模型体系进行实验，能够实现针对不同种类的液体，在足够的流量范围 和恒流条件下进行实验研究，对其上、下两侧和前端的岩板均勻供液，具有测试出砂量和出 砂粒径的功能。可以测试支撑剂的无嵌入、嵌入、嵌入加砂侵条件下的导流能力。出液口安 装流量调节阀门，能控制流量大小。为了能使液体充满槽室，使得压差测量准确，需要在出 口处能提供一定的背压，是通过流量调节阀门，减小流量增大压力提供的。为确保压差测量 准确，差压传感器的精度要足够高，性能足够好。该模型结构设计合理，尺寸合适，组装拆卸 方便，实验后便于观察、清洗，能够对其施加所需的闭合压力，模型各组件都具有较高的承 压能力，模型具有较好的密封性，高压条件下无液体渗出。上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所 变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的 保护范围之外。
权利要求
1.一种压裂充填防砂模型，其特征在于包括槽室和顶盖，所述顶盖密封地嵌在所述 槽室顶部；所述槽室包括框架、底部和前、后、左、右四个侧壁，在所述顶盖、底部、前侧壁上 都开设有若干进液孔，在所述后侧壁上开设有若干出液孔，在所述左侧壁或右侧壁上分前、 后设置有两测压孔；在所述模型内部，模拟地层条件，在底部放置下岩板，所述下岩板上面 铺置一层支撑剂，所述支撑剂前端放置前岩板，所述支撑剂上面放置上岩板，上、下、前岩板 与支撑剂充满整个模型空腔。
2.如权利要求1所述的一种压裂充填防砂模型，其特征在于所述顶盖、底部、前侧壁 均为空腔结构，各空腔结构朝向模型内部的一侧面上均开设有所述进液孔，各空腔结构内 布置有网格通道，所述进液孔通过网格通道汇集到与外部连通的进液管上。
3.如权利要求2所述的一种压裂充填防砂模型，其特征在于所述顶盖、底部、前侧壁 上的进液管设置在同一侧。
4.如权利要求1所述的一种压裂充填防砂模型，其特征在于所述后侧壁为空腔结构， 朝向模型内部的一侧面上开设有所述出液孔，所述出液孔通过空腔结构汇集到与外部连通 的出液管上。
5.如权利要求4所述的一种压裂充填防砂模型，其特征在于所述出液管位于后侧壁 的靠下位置。
6.如权利要求1所述的一种压裂充填防砂模型，其特征在于所述出液孔为单排孔，所 述出液孔具有不同孔密和孔径规格。
7.如权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种压裂充填防砂模型，其特征在于 所述框架和底部连为一体，所述前、后、左、右四个侧壁可拆卸，四个侧壁上都有楔块结构， 与框架呈嵌入式配合，配合处有密封圈密封。
8.如权利要求7所述的一种压裂充填防砂模型，其特征在于所述前、后、左、右四个侧 壁可与框架在周边上通过螺栓连接。
9.如权利要求1或2或3或4或5或6或8所述的一种压裂充填防砂模型，其特征在 于各所述进液管上连接有进液阀门；所述出液管上安装流量控制阀。
10.如权利要求7所述的一种压裂充填防砂模型，其特征在于各所述进液管上连接有 进液阀门；所述出液管上安装流量控制阀。
全文摘要
本发明涉及一种压裂充填防砂模型，包括槽室和顶盖，顶盖密封盖在槽室上；在顶盖和槽室底部、前侧壁上开设有进液孔，在后侧壁上开设有出液孔，在左侧或右侧壁上设置有两测压孔；在模型内部模拟地层依次放置下岩板、前岩板、支撑剂、上岩板，充满整个模型空腔。它与液压机、大流量恒流柱塞泵、差压传感器、气囊水罐装置、激光粒度仪、离心机等形成一整套体系，可针对不同闭合压力、不同流体，模拟地层内裂缝前端和两侧壁面流体渗流和地层砂侵入状况，且可模拟不同射孔孔径和孔密条件下的出砂和支撑剂回流情况，测试出砂量、出砂粒径、裂缝导流能力、裂缝缝宽的变化，进而进行压裂充填防砂支撑剂粒径的优选，同时也可以进行无嵌入导流能力测试和压裂液动态滤失实验。
文档编号E21B49/00GK102094641SQ201010610120
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月28日 优先权日2010年12月28日
发明者张士诚, 彭成勇, 房茂军, 曹砚锋, 曾祥林, 梁丹, 武广瑷, 郭天魁 申请人:中国海洋石油总公司, 中国石油大学(北京), 中海石油研究中心