水平井螺旋射孔逐层压裂的物理模拟实验装置及其方法与流程

本发明属于油气田开发技术领域，具体涉及一种水平井螺旋射孔逐层压裂的物理模拟实验装置及其方法。

背景技术：

我国页岩油气、煤层气、致密油气等非常规油气藏分布广泛，远景储量巨大，高效开发此类油气藏是石油工业长期关注的焦点。非常规油气藏具有低孔低渗的特点，高效开发此类非常规油气藏需要大规模的水力压裂作业，旨在储层形成具有高导流能力的多条甚至网状裂缝，从而改善油气运移条件。

多级水力压裂是常用于水平井中的一种压裂完井方式，它能在同一储层中的不同位置形成多条水力裂缝，进而增加非常规油气藏油气泄油体积和减小油气运移的阻力。然而，多级水力裂缝之间的应力干扰以及多个裂缝之间的沟通情况关系到油田水力压裂施工的成功率和水力裂缝的有效率，直接影响后续油气藏的开采速率和经济效益。目前，国内外科研院所正在积极寻求表征多裂缝间相互作用的力学机理，通过室内物理模拟方法研究裂缝间的应力干扰，以及有效利用这种干扰形成复杂裂缝网络。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种水平井螺旋射孔逐层压裂的物理模拟实验装置，包括外井筒和内井筒，所述内井筒设置在所述外井筒的内部；该实验装置还包括电机、定位外壳和位移转换器，所述电机设置在所述定位外壳的内部，所述外井筒的一端与所述定位外壳连接；所述位移转换器的一端与所述电机连接，所述位移转换器的另一端与所述内井筒的一端连接；所述外井筒上设置至少三层螺旋射孔，所述内井筒上设置至少三层通孔。

优选的是，所述位移转换器由连接杆和d字形空心腔组成，所述连接杆与所述d字形空心腔相连接的部位设置螺纹。

位移转换器上的外螺纹要多余3圈备用；外井筒的内螺纹长度大于内井筒移动的最大距离；外井筒最下边的孔底部到外井筒内螺纹顶端的距离大于位移转换器上边的连接杆的长度加最后一个密封圈到内井筒底部的距离。

在上述任一方案中优选的是，所述外井筒的一端设置井口，所述外井筒的另一端设置凸台，所述凸台的外表面上设置螺纹；所述外井筒在所述凸台一端的内表面上设置螺纹。

在上述任一方案中优选的是，所述内井筒的封闭端设置卡槽，所述内井筒的开口端与所述外井筒的井口连通；所述卡槽与所述连接杆的一端配合连接。

在上述任一方案中优选的是，所述电机上设置电机轴，所述电机轴为d字形轴，所述电机轴与所述d字形空心腔配合连接。

在上述任一方案中优选的是，所述定位外壳的底部设置两个对称的限位平台，所述定位外壳的连接部位设置螺纹，所述限位平台与所述连接部位之间形成收容腔。定位外壳既可以固定电机，又可以与外井筒螺纹连接，起到密封的作用。

在上述任一方案中优选的是，所述定位外壳的连接部位与所述外井筒一端的凸台螺纹连接。

在上述任一方案中优选的是，所述电机固定在所述定位外壳底部的两个限位平台之间。

在上述任一方案中优选的是，所述收容腔内安装遥控电路板和电池。遥控电路板可以实现电机的开启、关闭以及正反转功能。

在上述任一方案中优选的是，所述收容腔内容纳电机、电机轴和位移转换器的d字形空心腔部分。

在上述任一方案中优选的是，所述d字形空心腔的长度为内井筒移动的距离、电机轴与d字形空心腔的最小配合长度、电机轴与d字形空心腔封闭端的最小间隙三者之和。

电机轴与位移转换器的d字形空心腔配合连接，进而带动位移转换器移动，位移转换器的连接杆与内井筒封闭端的卡槽配合连接，进而带动内井筒移动。电机轴的长度大于内井筒的最大移动距离，电机轴与d字形空心腔的初始配合长度最短为2mm，以保证扭矩的传递，并且保证电机轴顶部与d字形空心腔的封闭端至少有1mm的间隙。电机的开启、关闭以及正反转都可以通过遥控远程控制，电机转动的时间可以通过计时器确定。

在上述任一方案中优选的是，所述外井筒上设置三层螺旋射孔，所述内井筒上设置三层通孔。

在上述任一方案中优选的是，所述三层螺旋射孔自凸台向井口方向依次布置，分别为第一螺旋射孔层、第二螺旋射孔层和第三螺旋射孔层；所述三层通孔自内井筒的封闭端向其开口端方向依次布置，分别为第一通孔层、第二通孔层和第三通孔层。

在上述任一方案中优选的是，在外井筒的每一个螺旋射孔层的射孔段内至少模拟一圈螺旋射孔，每一圈上至少设置三个通孔；所述螺旋射孔的直径不小于1mm。

在上述任一方案中优选的是，所述外井筒上相邻两个螺旋射孔层之间的距离l≥20mm。在外井筒的每一个螺旋射孔层的射孔段上，自凸台向井口方向，射孔呈螺旋方式排布，第一个射孔为该射孔段的起点，最后一个射孔为该射孔段的终点。相邻两个螺旋射孔层之间的距离为相邻两个射孔段终点之间的距离。

在上述任一方案中优选的是，在内井筒的每一个通孔层上设置两个通孔，两个通孔均布在通孔层上；所述通孔的高度不小于0.5mm。

在上述任一方案中优选的是，在每一个通孔层的通孔的两侧分别设置一个凹槽，凹槽内安装密封胶圈；所述密封胶圈、内井筒、外井筒三者之间围成环形空腔。通孔用于沟通内井筒的内部与外井筒的螺旋射孔，也即沟通内井筒的内部与地层；密封胶圈可用于模拟现场的封隔器或者可钻桥塞。

o形密封圈的密封原理：o形密封圈简称o形圈，是一种截面为圆形的橡胶圈。o形密封圈是液压、气动系统中使用最广泛的一种密封件。o形圈有良好的密封性，既可用于静密封，也可用于往复运动密封中;不仅可单独使用，而且是许多组合式密封装置中的基本组成部分。它的适用范围很宽，如果材料选择得当，可以满足各种运动条件的要求，工作压力可从1.333×105pa的真空到400mpa高压;温度范围可从-60℃到200℃。与其它密封型式相比，o形密封圈具有以下特点：1)结构尺寸小，装拆方便。2)静、动密封均可使用，用作静密封时几乎没有泄漏。3)使用单件o形密封圈，有双向密封作用。4)动摩擦阻力较小。5)价格低廉。o形密封圈是一种挤压型密封，挤压型密封的基本工作原理是依靠密封件发生弹性变形，在密封接触面上造成接触压力，接触压力大于被密封介质的内压，则不发生泄漏，反之则发生泄漏。

在上述任一方案中优选的是，所述内井筒上每一个通孔层的两个密封胶圈外侧之间的距离h＞h+2a，其中，h为射孔段的高度，h≥5mm；a为密封胶圈的厚度，a≥2mm。

在上述任一方案中优选的是，所述内井筒上相邻两个通孔层之间的距离l´≥l+h，其中，l为外井筒上相邻两个螺旋射孔层之间的距离，h为内井筒上每一个通孔层的两个密封胶圈外侧之间的距离。在内井筒的每一个通孔层的通孔的两侧分别设置密封胶圈，自内井筒的封闭端向开口端方向，分别称为第一密封胶圈和第二密封胶圈。相邻两个通孔层之间的距离为相邻两个通孔层的第二个密封胶圈的外侧之间的距离。

在上述任一方案中优选的是，内井筒上第一通孔层的第一密封胶圈的外侧到外井筒内表面的螺纹的距离不小于2h，h为通孔层的两个密封胶圈外侧之间的距离。

本发明的技术方案需要综合考虑外井筒上相邻螺旋射孔层之间的距离、内井筒上相邻通孔层之间的距离、密封胶圈的厚度、射孔段的高度等各个参数，才能够实现依次螺旋射开不同的岩层裂缝。

本发明还提供一种水平井螺旋射孔逐层压裂的物理模拟实验方法，按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：根据实验要求，在外井筒上设置螺旋射孔，在内井筒上设置通孔，并在通孔两侧安装密封胶圈；将外井筒、内井筒、电机、电机外壳和位移转换器组装在一起，形成水平井多级水力压裂的物理模拟实验装置；检查实验装置，确保密封良好；

步骤二：在外井筒的螺旋射孔内填充海绵；将实验装置固定在模具内，向模具内浇筑预先配制好的水泥浆料，待水泥浆料凝固后，从模具内取出混凝土试件，将其作为岩心试件；将外井筒一端的井口与压裂设备连接，即可启动模拟实验；

步骤三：通过遥控方式确定内井筒的初始位置，即内井筒的第一通孔层对准外井筒的第一螺旋射孔层；向内井筒内注入压裂液，压裂液通过第一层通孔和第一层螺旋射孔打开岩心试件的第一层裂缝；

步骤四：通过遥控方式开启电机，使位移转换器带动内井筒向定位外壳的收容腔内移动，待内井筒的第二通孔层对准外井筒的第二螺旋射孔层后，继续向内井筒内注入压裂液，压裂液通过第二层通孔和第二层螺旋射孔打开岩心试件的第二层裂缝；

步骤五：通过遥控方式开启电机，继续使位移转换器带动内井筒向定位外壳的收容腔内移动，待内井筒的第三通孔层对准外井筒的第三螺旋射孔层后，继续向内井筒内注入压裂液，压裂液通过第三层通孔和第三层螺旋射孔打开岩心试件的第三层裂缝。

优选的是，所述实验装置为上述任一种水平井螺旋射孔逐层压裂的物理模拟实验装置。

本发明的水平井螺旋射孔逐层压裂的物理模拟实验装置及其方法，是在真三轴水力压裂设备的基础上，设计一种能够进行水力压裂的双层井筒，可以通过遥控与位移转换器连接的电机来控制内井筒在外井筒内移动，进而沟通外井筒的螺旋射孔和内井筒上与螺旋射孔相对应的通孔，以实现螺旋射开不同的岩层。将外井筒固结在岩心内部，采用遥控方式控制电机带动位移转换器，进而带动内井筒运动到不同位置就可以压裂不同的岩层，这样即可实现在井口压力不泄压的情况下无限极地压裂岩层。外井筒的螺旋射孔排布形式可根据实验需求调整。

与现有技术相比，本发明存在如下有益效果：（1）可以在井口不泄压的情况下实现多种形式的多级压裂；（2）采用螺旋射孔的方式依次打开不同岩层进行压裂的操作过程简单，只需通过遥控方式控制电机即可；（3）多级压裂只需在一个井筒内完成；（4）在室内实验条件下，能够更真实的模拟现场压裂情况，给现场施工提供更可靠的参考。

附图说明

图1为按照本发明的水平井螺旋射孔逐层压裂的物理模拟实验装置的一优选实施例的整体结构示意图；

图2为按照本发明的水平井螺旋射孔逐层压裂的物理模拟实验装置的图1所示实施例的剖面示意图；

图3为按照本发明的水平井螺旋射孔逐层压裂的物理模拟实验装置的图1所示实施例的外井筒结构示意图；

图4为按照本发明的水平井螺旋射孔逐层压裂的物理模拟实验装置的图1所示实施例的外井筒剖面示意图；

图5为按照本发明的水平井螺旋射孔逐层压裂的物理模拟实验装置的图1所示实施例的内井筒结构示意图；

图6为按照本发明的水平井螺旋射孔逐层压裂的物理模拟实验装置的图1所示实施例的内井筒的另一结构示意图；

图7为按照本发明的水平井螺旋射孔逐层压裂的物理模拟实验装置的图1所示实施例的内井筒剖面示意图；

图8为按照本发明的水平井螺旋射孔逐层压裂的物理模拟实验装置的图1所示实施例的电机结构示意图；

图9为按照本发明的水平井螺旋射孔逐层压裂的物理模拟实验装置的图1所示实施例的定位外壳结构示意图；

图10为按照本发明的水平井螺旋射孔逐层压裂的物理模拟实验装置的图1所示实施例的定位外壳剖面示意图；

图11为按照本发明的水平井螺旋射孔逐层压裂的物理模拟实验装置的图1所示实施例的定位外壳的另一剖面示意图；

图12为按照本发明的水平井螺旋射孔逐层压裂的物理模拟实验装置的图1所示实施例的位移转换器结构示意图；

图13为按照本发明的水平井螺旋射孔逐层压裂的物理模拟实验装置的图1所示实施例的岩心试件示意图。

图中标注说明：1-外井筒，2-内井筒，3-电机，4-定位外壳，5-位移转换器，6-d字形空心腔，7-连接杆，8-螺旋射孔，9-通孔，10-井口，11-凸台，12-卡槽，13-密封胶圈，14-电机轴，15-限位平台，16-连接部位，17-收容腔，18-岩心试件。

具体实施方式

为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本发明。

实施例一：

如图1-13所示，按照本发明的水平井螺旋射孔逐层压裂的物理模拟实验装置，包括外井筒1和内井筒2，所述内井筒2设置在所述外井筒1的内部；该实验装置还包括电机3、定位外壳4和位移转换器5，所述电机3设置在所述定位外壳4的内部，所述外井筒1的一端与所述定位外壳4连接；所述位移转换器5的一端与所述电机3连接，所述位移转换器5的另一端与所述内井筒2的一端连接；所述外井筒1上设置三层螺旋射孔8，所述内井筒2上设置三层通孔9。

所述位移转换器5由连接杆7和d字形空心腔6组成，所述连接杆7与所述d字形空心腔6相连接的部位设置螺纹。所述外井筒1的一端设置井口10，所述外井筒1的另一端设置凸台11，所述凸台11的外表面上设置螺纹；所述外井筒1在所述凸台11一端的内表面上设置螺纹。所述内井筒2的封闭端设置卡槽12，所述内井筒2的开口端与所述外井筒1的井口10连通；所述卡槽12与所述连接杆7的一端配合连接。所述电机3上设置电机轴14，所述电机轴14为d字形轴，所述电机轴14与所述d字形空心腔6配合连接。

所述定位外壳4的底部设置两个对称的限位平台15，所述定位外壳4的连接部位16设置螺纹，所述限位平台15与所述连接部位16之间形成收容腔17。所述定位外壳4的连接部位16与所述外井筒1一端的凸台11螺纹连接。所述电机3固定在所述定位外壳4底部的两个限位平台15之间。所述收容腔17内安装遥控电路板和电池。所述收容腔17内容纳电机3、电机轴14和位移转换器5的d字形空心腔6部分。所述d字形空心腔的长度为内井筒移动的距离、电机轴与d字形空心腔的最小配合长度、电机轴与d字形空心腔封闭端的最小间隙三者之和。

电机轴与位移转换器的d字形空心腔配合连接，进而带动位移转换器移动，位移转换器的连接杆与内井筒封闭端的卡槽配合连接，进而带动内井筒移动。电机轴的长度大于内井筒的最大移动距离，电机轴与d字形空心腔的初始配合长度最短为2mm，以保证扭矩的传递，并且保证电机轴顶部与d字形空心腔的封闭端至少有1mm的间隙。电机的开启、关闭以及正反转都可以通过遥控远程控制，电机转动的时间可以通过计时器确定。

所述三层螺旋射孔自凸台向井口方向依次布置，分别为第一螺旋射孔层、第二螺旋射孔层和第三螺旋射孔层；所述三层通孔自内井筒的封闭端向其开口端方向依次布置，分别为第一通孔层、第二通孔层和第三通孔层。

在外井筒的每一个螺旋射孔层的射孔段内模拟一圈螺旋射孔，每一圈上设置三个射孔；所述螺旋射孔的直径为1mm。

所述外井筒上相邻两个螺旋射孔层之间的距离l＝20mm。在外井筒的每一个螺旋射孔层的射孔段上，自凸台向井口方向，射孔呈螺旋方式排布，第一个射孔为该射孔段的起点，最后一个射孔为该射孔段的终点。相邻两个螺旋射孔层之间的距离为相邻两个射孔段终点之间的距离。

在内井筒的每一个通孔层上设置两个通孔，两个通孔均布在通孔层上；所述通孔的高度为0.5mm。

在每一个通孔层的通孔9的两侧分别设置一个凹槽，凹槽内安装密封胶圈13；所述密封胶圈13、内井筒2、外井筒1三者之间围成环形空腔。通孔用于沟通内井筒的内部与外井筒的螺旋射孔，也即沟通内井筒的内部与地层；密封胶圈可用于模拟现场的封隔器或者可钻桥塞。

所述内井筒上每一个通孔层的两个密封胶圈外侧之间的距离h＞h+2a，其中，h为射孔段的高度，h＝5mm；a为密封胶圈的厚度，a＝2mm。

所述内井筒上相邻两个通孔层之间的距离l´≥l+h，其中，l为外井筒上相邻两个螺旋射孔层之间的距离，h为内井筒上每一个通孔层的两个密封胶圈外侧之间的距离。在内井筒的每一个通孔层的通孔的两侧分别设置密封胶圈，自内井筒的封闭端向开口端方向，分别称为第一密封胶圈和第二密封胶圈。相邻两个通孔层之间的距离为相邻两个通孔层的第二个密封胶圈的外侧之间的距离。

内井筒上第一通孔层的第一密封胶圈的外侧到外井筒内表面的螺纹的距离不小于2h，h为通孔层的两个密封胶圈外侧之间的距离。

本实施例的技术方案需要综合考虑外井筒上相邻螺旋射孔层之间的距离、内井筒上相邻通孔层之间的距离、密封胶圈的厚度、射孔段的高度等各个参数，才能够实现依次螺旋射开不同的岩层裂缝。

本实施例还提供一种水平井螺旋射孔逐层压裂的物理模拟实验方法，使用上述水平井螺旋射孔逐层压裂的物理模拟实验装置，按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：根据实验要求，在外井筒1上设置螺旋射孔8，在内井筒2上设置通孔9，并在通孔9两侧安装密封胶圈13；将外井筒1、内井筒2、电机3、电机外壳4和位移转换器5组装在一起，形成水平井多级水力压裂的物理模拟实验装置；检查实验装置，确保密封良好；

步骤二：在外井筒1的螺旋射孔8内填充海绵；将实验装置固定在模具内，向模具内浇筑预先配制好的水泥浆料，待水泥浆料凝固后，从模具内取出混凝土试件，将其作为岩心试件18；将外井筒一端的井口与压裂设备连接，即可启动模拟实验；

步骤三：通过遥控方式确定内井筒2的初始位置，即内井筒的第一通孔层对准外井筒的第一螺旋射孔层；向内井筒内注入压裂液，压裂液通过第一层通孔和第一层螺旋射孔打开岩心试件18的第一层裂缝；

步骤四：通过遥控方式开启电机，使位移转换器5带动内井筒2向定位外壳4的收容腔17内移动，待内井筒的第二通孔层对准外井筒的第二螺旋射孔层后，继续向内井筒内注入压裂液，压裂液通过第二层通孔和第二层螺旋射孔打开岩心试件18的第二层裂缝；

步骤五：通过遥控方式开启电机，继续使位移转换器5带动内井筒2向定位外壳4的收容腔17内移动，待内井筒的第三通孔层对准外井筒的第三螺旋射孔层后，继续向内井筒内注入压裂液，压裂液通过第三层通孔和第三层螺旋射孔打开岩心试件18的第三层裂缝。

本实施例的水平井螺旋射孔逐层压裂的物理模拟实验装置及其方法，是在真三轴水力压裂设备的基础上，设计一种能够进行水力压裂的双层井筒，可以通过遥控与位移转换器连接的电机来控制内井筒在外井筒内移动，进而沟通外井筒的螺旋射孔和内井筒上与螺旋射孔相对应的通孔，以实现螺旋射开不同的岩层。将外井筒固结在岩心内部，采用遥控方式控制电机带动位移转换器，进而带动内井筒运动到不同位置就可以压裂不同的岩层，这样即可实现在井口压力不泄压的情况下无限极地压裂岩层。外井筒的螺旋射孔排布形式可根据实验需求调整。

与现有技术相比，本实施例存在如下有益效果：（1）可以在井口不泄压的情况下实现多种形式的多级压裂；（2）采用螺旋射孔的方式依次打开不同岩层进行压裂的操作过程简单，只需通过遥控方式控制电机即可；（3）多级压裂只需在一个井筒内完成；（4）在室内实验条件下，能够更真实的模拟现场压裂情况，给现场施工提供更可靠的参考。

实施例二：

按照本发明的水平井螺旋射孔逐层压裂的物理模拟实验装置及其方法的另一实施例，其各部件之间的连接关系、工作原理、有益效果等均与实施例一相同，不同的是各个参数之间的合理设计，具体如下：

在外井筒的每一个螺旋射孔层的射孔段内模拟两圈螺旋射孔，每一圈上设置三个射孔；所述螺旋射孔的直径为1mm。所述外井筒上相邻两个螺旋射孔层之间的距离l＝40mm。在内井筒的每一个通孔层上设置两个通孔，两个通孔均布在通孔层上；所述通孔的高度为1.0mm。

所述内井筒上每一个通孔层的两个密封胶圈外侧之间的距离h＞h+2a，其中，h为射孔段的高度，h＝6mm；a为密封胶圈的厚度，a＝3mm。

所述内井筒上相邻两个通孔层之间的距离l´≥l+h，其中，l为外井筒上相邻两个螺旋射孔层之间的距离，h为内井筒上每一个通孔层的两个密封胶圈外侧之间的距离。

实施例三：

按照本发明的水平井螺旋射孔逐层压裂的物理模拟实验装置及其方法的另一实施例，其各部件之间的连接关系、工作原理、有益效果等均与实施例一相同，不同的是各个参数之间的合理设计，具体如下：

在外井筒的每一个螺旋射孔层的射孔段内模拟三圈螺旋射孔，每一圈上设置三个射孔；所述螺旋射孔的直径为1mm。所述外井筒上相邻两个螺旋射孔层之间的距离l＝50mm。在内井筒的每一个通孔层上设置两个通孔，两个通孔均布在通孔层上；所述通孔的高度为1.0mm。

所述内井筒上每一个通孔层的两个密封胶圈外侧之间的距离h＞h+2a，其中，h为射孔段的高度，h＝8mm；a为密封胶圈的厚度，a＝2mm。

所述内井筒上相邻两个通孔层之间的距离l´≥l+h，其中，l为外井筒上相邻两个螺旋射孔层之间的距离，h为内井筒上每一个通孔层的两个密封胶圈外侧之间的距离。

本领域技术人员不难理解，本发明的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置及其方法包括上述本发明说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。