一种体积压裂动态返排模拟装置及模拟方法与流程

本发明涉及一种体积压裂动态返排模拟装置及模拟方法，属于页岩气及煤层气等非常规油气藏改造开发、压裂液返排、压裂增产的技术领域。

背景技术：

我国非常规油气储量巨大，随着探明储量的不断增加，合理有效的开发手段受到越来越广泛的关注。以页岩油气藏、煤层气藏、致密砂岩气藏为代表的复杂油藏，具有储层致密、连通性差、渗透率极低、渗流阻力大等特点。体积压裂是经济有效地开采此类非常规油气藏关键技术之一，这项技术能够使储层产生复杂的裂缝网络系统，使储层整体渗透率得以提升，储层动用程度大幅度提高，实现了对页岩油气藏、煤层气藏、致密砂岩气藏等复杂油层的三维压裂改造。

然而，压裂液动态返排过程影响压后产能效果。由于复杂的储层条件，大量压裂液滞留于地层，导致其返排率极低。同时，返排过程中出现的支撑剂回流、裂缝出砂、排液速度变慢等复杂问题，不利于储层保护，造成产能损失。油气地质与采收率2017年第24卷中，记载了司志梅等人发表的《致密油藏压裂液滤液返排率影响因素室内实验》一文，文章中指出压裂液返排是影响页岩油藏、致密及低渗透油气藏压裂效果的主要因素。胜利油区压裂资料表明，一般致密油藏压裂液滤液返排率小于30％～40％，页岩油藏小于20％，大量压裂液滞留于地层，造成地层水锁严重，严重影响了压裂改造的效果。石油化工应用2009年第28卷中，记载了赖海涛等人发表的《气田防支撑剂防回流压裂液快速返排研究》一文，文章中指出低孔低渗储层应重视压裂液返排问题。压裂后压裂液必须快速返排出地层，同时不能产生支撑剂回流，否则会在排液测试过程中出砂，降低排液速度，延长压裂残液的滞留时间，不利于储层保护。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种体积压裂动态返排模拟装置及模拟方法，所述装置可以模拟煤岩及页岩等体积压裂形成的缝网，并且可以实现后续的压裂液滤液动态返排过程；本发明可实现裂缝动态变化过程与现场实际的压裂返排过程相匹配，可深入研究压裂液动态返排过程中遇到的等各种复杂问题，为煤层气及页岩气等现场压裂施工提供合理的返排制度及指导方法。

本发明模拟装置能够承受较大的压力(0～90mpa)，通过煤岩及页岩等三维岩心模型中压裂液注入和返排系统来模拟体积压裂动态返排过程，从而与现场的实际压裂返排过程相匹配，具有操作简单、安全性能强、稳定性良好的特点。

本发明模拟装置的整体尺寸可为：长：120～150cm，宽：120～150cm，高：45～60cm。

具体地，本发明所提供的体积压裂动态返排模拟装置，包括由密闭壳体、上钢板和下钢板围成的密闭腔体；

所述密闭腔体由移动式密封板分隔为高温高压工作腔体和动态控制腔体；

所述移动式密封板在所述高温高压工作腔体与所述动态控制腔体之间可移动；

所述高温高压工作腔体内设有三维岩心模型，所述三维岩心模型内设有携砂液注入管；

所述动态控制腔体的上钢板上设有液体注入管，在所述液体注入管上设置有流量控制阀，其作用是调整所述动态控制腔体气液比进而控制压缩系数，进而达到控制体系压力，模拟体积压裂过程中压力的动态变化的目的。

上述的模拟装置中，所述密闭壳体、所述上钢板和所述下钢板均可采用15mnvr钢板，厚度可为16～20cm；

所述移动式密封板可采用15mnvr钢板，厚度可为10～15cm。

上述的模拟装置中，所述三维岩心模型可为采集的天然露头岩心，所述天然露头岩心的尺寸如下：

长为15～45cm，宽为15～45cm，高为7～23cm；

所述三维岩心模型为模拟煤岩及页岩等的岩心模型。

上述的模拟装置中，所述移动式密封板通过一滑轨(近似半圆形的凹槽式固定轨道)移动；所述滑轨可以保证所述移动式密封板沿着确定的轨迹移动，避免在较大压力下，所述移动式密封板发生歪斜、漏压等事故；

所述移动式密封板的边缘(四周和凸起部分)设置有胶套，一是确保实验的密闭性；二是减小所述移动式密封板的磨损程度。

上述的模拟装置中，所述密闭腔体由四个所述移动式密封板分隔为一个所述高温高压工作腔体和四个所述动态控制腔体。

上述的模拟装置中，所述动态控制腔体的一端由法兰密封；

所述法兰与所述动态控制腔体之间设有防砂网和胶套，所述防砂网的作用是过滤掉压裂液中的颗粒，减小所述胶套的磨损程度。

上述的模拟装置中，所述携砂液注入管设于所述三维岩心模型的中心位置，用于注入和返排压裂液，模拟体积压裂及压裂液动态返排过程；

所述三维岩心模型的内部均匀布置若干含油饱和度传感器，用于监测煤岩及页岩等基质及裂缝内含油饱和度的变化；

所述三维岩心模型的边缘及中心位置处设有温度压力传感器，用于监测煤岩及页岩等三维岩心模型内温度和压力的变化。

上述的模拟装置中，于所述三维岩心模型的边缘的中间位置处设有4个所述温度压力传感器，以精确监测压裂液动态返排压力降时，所述三维岩心模型四周的温度和压力的变化；

所述三维岩心模型的中心位置处设置有1个所述温度压力传感器，精确监测压裂液注入压力增大时和压裂液动态返排压力减小时，所述三维岩心模型注入端附近的温度和压力的变化；

所述温度压力传感器的测温点和测压点在同一位置。

上述的模拟装置中，所述三维缝网模型包括压裂主裂缝和压裂缝网，由石英砂或陶粒支撑。

上述的模拟装置中，所述携砂液注入管上沿携砂液的注入方向依次设有压力表和加砂器。

本发明还提供了一种体积压裂动态返排模拟方法，包括如下步骤：

将压裂基液由所述体积压裂动态返排模拟装置的所述携砂注入管注入所述三维岩心模型中，对所述三维岩心模型(如天然露头岩心)进行体积压裂，使其形成三维缝网模型，此时所述高温高压工作腔体的压力大于所述动态控制腔体的压力，促使所述三维缝网模型中裂缝扩张，进而推动所述移动式密封板向外扩张，用于模拟体积压裂过程；

注入压裂基液后，卸载压力，使所述高温高压工作腔体的压力小于所述动态控制腔体的压力，则所述移动式密封板进行收缩，进而压缩所述三维缝网模型中的流体，使注入的压裂基液开始返排，用于模拟压裂液动态返排过程。

上述模拟方法中，在模拟体积压裂过程之前，还包括如下试压步骤：

将所述体积压裂动态返排模拟装置中的所述携砂液注入管连接到装配阀门的压裂用高压管线上，开启阀门，向所述体积压裂动态返排模拟装置中通入压裂液基液，进行憋压处理，维持最高工作压力30～40min，试压合格标准为不刺不漏。可根据具体的施工现场确定最高工作压力；

上述模拟方法中，在模拟体积压裂过程和模拟压裂液动态返排过程中，按照下述步骤控制体系压力，实现对模拟体积压裂过程和模拟压裂液动态返排过程中压力的动态变化：

由所述液体注入管向所述动态控制腔体中注入液体，通过控制气液比进而控制压缩系数，进而控制体系压力，达到模拟体积压裂及动态返排过程中压力的动态变化的目的。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明实现了与现场实际动态返排过程相匹配，可模拟体积压裂动态返排过程，具有操作简单、实验数据准确可靠的特点，这有利于深入研究返排过程中支撑剂回流、低返排率、储层伤害、裂缝出砂等复杂问题，有利于制定合理的返排制度，提供现场压裂施工指导方法。

(2)本发明压裂液动态返排模拟装置，采用凹槽式固定轨道设计，有效地避免了在较大压力下发生歪斜、漏压等事故，达到稳定性良好、安全性能强的目的。

(3)本发明通过动态控制腔体，及动态移动式密闭钢板的设计，可控制气液比进而控制压缩系数，进而达到控制体系压力，模拟体积压裂过程中压力动态变化的目的。

(4)本发明实现了动态返排过程中实验参数的监测，可实时监测煤岩及页岩等基质裂缝内的温度、压力和含油饱和度，这有利于分析动态返排的影响因素。

(5)本发明通过设计动态控制腔体，控制煤岩及页岩等体积裂缝内的压力变化，并且壳体及上下板采用厚度为16～20cm的高强度钢板材料和密闭材料，使其所能承受的压力高达90mpa，达到耐高压的目的。

(6)本发明采用模拟压裂三维岩心模型，及动态控制腔体控压的设计，可研究煤层气藏和页岩气藏等缝网形成机理，及微裂缝扩展因素。

(7)本发明通过设计与现场压裂施工相匹配的体积压裂动态返排系统，可研究压裂液滞留对煤岩及页岩等三维岩心模型的物性作用规律。

附图说明

图1为本发明体积压裂动态返排模拟装置的整体结构示意图(俯视图)；

图2为本发明体积压裂动态返排模拟装置中煤岩及页岩等三维岩心模型的结构示意图；

图3为本发明体积压裂动态返排模拟装置的主视图；

图4是图1中ⅰ-ⅰ剖视图；

图5是图4中ⅱ-ⅱ剖视图；

图6是图1中ⅲ-ⅲ剖视图；

图中各标记如下：

1、上(下)钢板；2、防砂网；3胶皮套；4、螺栓；5、垫圈；6、移动式密封板；7、法兰；8、动态控制腔体；9、高温高压工作腔体；10-1、10-2、10-3、10-4温度压力传感器(主要监测煤岩及页岩等三维岩心模型的四周)；11、温度压力传感器(主要监测煤岩及页岩等三维岩心模型的注入端)；12、液体注入管；13、含油饱和度传感器；14、携砂液注入管；15、滑轨；16、煤岩及页岩等三维岩心模型；17、压裂主裂缝；18、压裂缝网；19、密闭壳体；20、上(下)钢板与移动式密封钢板之间的胶皮套；21、上(下)钢板与壳体之间的胶皮套；22、密封轨道的胶皮套。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对发明做详细的说明，但不限于此。

实施例1、体积压裂动态返排模拟装置

本发明体积压裂动态返排模拟装置，其整体结构示意图(俯视图)如图1所示，该体积压裂动态返排模拟装置的尺寸为：长：120～150cm，宽：120～150cm，高：45～60cm。该模拟装置包括密闭壳体19、实验腔体，其中，实验腔体由移动式密封钢板6(厚度为10～15cm，耐压值为0～90mpa)分隔成高温高压工作腔体9和动态控制腔体8。移动式密封钢板6通过滑轨15与密闭壳体19(厚度为16～20cm，耐压值为0～90mpa)和上(下)钢板1(厚度为16～20cm，耐压值为0～90mpa)密封连接，滑轨15能确保移动式密封钢板6沿着确定的轨迹移动，避免在较大压力下移动式密封钢板6发生歪斜、漏压等安全事故。在动态控制腔体8一侧由法兰7(厚度为16～20cm，耐压值为0～90mpa)密闭封堵(由螺栓4连接)，另一侧为移动式密封钢板6。高温高压工作腔体9内设置模拟压裂裂缝结构的煤岩及页岩等三维岩心模型16，其压裂后结构示意图如图2所示，包括压裂主裂缝17和压裂缝网18，由石英砂或陶粒形成，其中，煤岩及页岩等三维岩心模型16的尺寸为：长：15～45cm，宽为15～45cm，高为7～23cm。如图1、图3和图6所示，在煤岩及页岩等三维岩心模型16的中心位置设置有携砂液注入管14，在携砂液注入管14上沿携砂液注入方向依次设置有压力表、加砂器；在煤岩及页岩等三维岩心模型16的内部均匀设置有含油饱和度传感器13，中心和边缘位置设置有温度压力传感器11、10-1、10-2、10-3、10-4，在煤岩及页岩等三维岩心模型16中心位置处设置有一个温度压力传感器11，在煤岩及页岩等三维岩心模型16的边缘上的中间位置处设置有四个温度压力传感器10-1、10-2、10-3和10-4。

在动态控制腔体8的上钢板处设置有液体注入管12，其上还设有流量控制阀，其作用是调整动态控制腔体8气液比进而控制压缩系数，进而达到控制体系压力，模拟体积压裂过程中压力的动态变化的目的。

如图4所示，在移动式密封钢板6的四周和凸起部分设置有胶皮套(上(下)钢板与移动式密封钢板之间的胶皮套20和上(下)钢板与密闭壳体之间的胶皮套21)，一是确保实验的密闭性；二是减小移动式密封钢板6的磨损程度。如图5所示，在移动式密封钢板6的凸起部分设置有密封轨道的胶皮套22，胶皮套22的高度略高于移动式密封钢板6的凸起部分，一是确保实验的密闭性；二是减小移动式密封钢板凸起部分的磨损程度。

如图1所示，在动态控制腔体8与法兰7对应的一侧依次设置有防砂网2和胶皮套3，此处设计防砂网2的作用是过滤掉压裂液中的颗粒，减小胶皮套3的磨损程度。

使用本发明装置模拟体积压裂和反排的过程如下：

通过携砂液注入管14向煤岩及页岩等三维岩心模型16中注入压裂液，对天然露头岩心进行体积压裂，使其形成三维缝网模型。此时高温高压工作腔体9的压力大于动态控制腔体8的压力，流体推动移动式密封钢板6向外扩张，此过程模拟体积压裂过程；当缓慢卸载压力时，高温高压工作腔体9的压力小于动态控制腔体8的压力，此时向外扩张的移动式密封钢板6压缩煤岩及页岩等三维缝网模型16中的流体，使注入的压裂液开始返排，此过程模拟压裂液动态返排过程。

实施例2、体积压裂动态返排模拟装置的使用方法

按照下述步骤使用本发明体积压裂动态返排模拟装置：

(1)组装上述模拟装置中所包含的所有零件；

(2)试压：

将体积压裂动态返排模拟装置的携砂液注入管14连接到装配阀门的压裂用高压管线上，开启阀门，向体积压裂动态返排模拟装置中通入压裂液基液，进行憋压处理，维持最高工作压力30～40min，试压合格标准为不刺不漏。根据具体的施工现场确定最高工作压力。

(3)控制体系压力：

由液体注入管12向动态控制腔体8中注入液体，通过控制气液比进而控制压缩系数，进而控制体系压力，模拟体积压裂及动态返排过程中压力的动态变化。

(4)体积压裂：

将压裂基液由携砂注入管14注入煤岩及页岩等三维岩心模型16中，对天然露头岩心进行体积压裂，使其形成三维缝网模型。进而调整高温高压工作腔体9的压力，此时高温高压工作腔体9的压力大于动态控制腔体8的压力，移动式密封钢板6开始向法兰7方向扩张，以此模拟体积压裂过程中，压裂液所流经的裂缝尺寸的变化，进行缝网的动态调整，待缝网尺寸调整结束后，开始向煤岩及页岩等三维岩心模型中注入携砂液；

(5)动态返排：

压裂基液注入实验结束后，缓慢卸载压力，由于动态控制腔体8压力大于高温高压工作腔体9压力，处于扩张状态的移动式密封钢板6开始自动收缩，进而携砂液由携砂注入管14返排出煤岩及页岩等三维岩心模型16，以此模拟体积缝网中携砂液的动态返排过程；

(6)卸压清洁：

将体积压裂动态返排模拟装置卸去压力，打开密封钢板，排出支撑剂及残余液体。