一种水平井多角度、多孔密螺旋射孔测试装置及测试方法

本发明涉及油气藏开发范畴，具体为一种水平井多角度、多孔密螺旋射孔测试装置及测试方法。

背景技术：

1、目前，页岩油、致密油等非常规油气储层需要进行大规模的水力压裂作业改造储层后才能有良好的产能，进行水力压裂作业之前需要先进行射孔作业提供压裂液流通通道，但是由于地下储层条件较为复杂，很难将射孔方向精准定位到较为理想的情况即射孔方向沿着水平最大主应力方向，故现场多采用螺旋射孔方式进行射孔作业，螺旋射孔方向与水平最大主应力方向越接近，后续裂缝越容易延伸，储层改造效果越好。因此，在室内试验模拟下准确获得螺旋射孔后裂缝起裂分布走向对压裂方案设计以及现场压裂施工具有重要的指导意义。

2、在地下射孔作业时，压裂液流量分布并不相等，每个射孔之间的压裂液流量是随机分配的，射孔之间由于射孔参数的不同存在一定的竞争行为，每个射孔所获得的压裂液流量不同，所获得的能量也不相同，从而影响射孔后裂缝扩展情况。目前室内实验中模拟螺旋射孔作业采用将注入管中钻出洞眼后再粘帖上塑料管当作射孔孔眼的方法，采用压裂机泵入高压压裂液使岩心破裂，从而形成裂缝延伸。目前的室内螺旋射孔模拟实验是默认螺旋射孔中的每个孔眼的压裂液量相同，同时向各个孔眼注入压裂液致使岩心试样破裂。目前的室内模拟螺旋射孔作业实验不能不均分配压裂液量，无法模拟地下真实情况，在目前的室内模拟螺旋射孔作业模拟实验中要想改变射孔簇间距、螺旋射孔相位角以及射孔数需要重新制作注入管，实验结束后不能将螺旋射孔后的裂缝扩展结果考虑到地下储层岩石的裂缝扩展情况，存在着一定的局限性。

3、因此，急需研究一种能够同时考虑压裂液随机分配的存在竞争行为的、考虑不同射孔参数的室内螺旋射孔模拟装置，为射孔作业设计提供可靠的试验依据，对石油工程等领域有重要的价值。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是提供一种水平井多角度、多孔密螺旋射孔测试装置，这种水平井多角度、多孔密螺旋射孔测试装置用于解决目前的室内模拟螺旋射孔作业实验不能不均分配压裂液量，以及改变射孔簇间距、螺旋射孔相位角以及射孔数需要重新制作注入管的问题；本发明的另一个目的是提供这种水平井多角度、多孔密螺旋射孔测试装置的测试方法。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种水平井多角度、多孔密螺旋射孔测试装置包括操作系统、液压装置和多角度、多孔密螺旋射孔装置，液压装置包括x方向液压机、y方向液压机、z方向液压机和a、b泵；多角度、多孔密螺旋射孔装置包括承重架、多个圆环试样夹持器、井筒、长度调节伸缩杆、角度调节控制器和加载腔室，井筒水平安装在承重架上，井筒上安装间隔设置长度调节伸缩杆和角度调节控制器，角度调节控制器调节岩心试样与井筒之间的角度，长度调节伸缩杆调节相邻两个岩心试样之间的距离，模拟不同螺旋射孔相位角和螺旋射孔密度对岩心试样裂缝起裂情况；角度调节控制器与长度调节伸缩杆连接处内部为一储液空腔，储液空腔与井筒相通，角度调节器上安装有圆环试样夹持器，圆环试样夹持器上安装有加载腔室，加载腔室内放置岩心试样，圆环试样夹持器上安装两个薄型千斤顶，两个薄型千斤顶相对于加载腔室对称，加载腔室的前后安装薄型千斤顶；x方向液压机、y方向液压机、z方向液压机分别通过输油管线为各岩心试样提供围压，输油管线上设置液压传感器，a、b泵通过输液管线连接井筒，井筒通过各储液空腔与各岩心试样相通，输液管线上安装液压传感器，各液压传感器均连接操作系统，x方向液压机、y方向液压机、z方向液压机和a、b泵均与操作系统连接，操作系统实时监测液压数据，所记录的压力数据与时间实时形成压力-时间曲线。

3、上述方案中x方向液压机通过输油管线连接x方向平衡管，y方向液压机通过输油管线连接y方向平衡管，z方向液压机通过输油管线连接z方向平衡管12，三个平衡管在井筒下方呈阶梯形放置，每个圆环试样夹持器上连接一组输油管线，每组输油管线有3根输油管线，每根输油管线连接一个方向的平衡管，平衡管中液压油通过每组输油管道向薄型千斤顶施加液压，推动薄型千斤顶向该组输油管线对应的岩心试样施加相等平衡的围压； x方向平衡管、y方向平衡管、z方向平衡管与相应的输油管线连接处分别安装一个液压传感器，x方向液压机、y方向液压机、z方向液压机与相应的输油管线相连接处分别连接一个液压传感器。

4、上述方案中岩心上固定安装一个输液筒，角度调节控制器上安装有一个空心管，岩心试样放入加载腔室时，输液筒与相对应的角度调节控制器的空心管连接固定，为压裂液提供流动通道；a、b泵连接在中间容器上，中间容器充满压裂液，通过施加泵压，中间容器中的压裂液不断向井筒中泵入压裂液，压裂液经各角度调节控制器的储液空腔和空心管进入岩心试样。

5、上述方案中圆环试样夹持器内部中空，圆环试样夹持器中空位置充满液压油，转动圆环试样夹持器改变射孔相位角；圆环试样夹持器设置多根支撑杆和两根水平加载导向杆，多根支撑杆呈辐射状，加载腔室与其两侧的薄型千斤顶之间各设置一根水平加载导向杆，当圆环试样夹持器中充满液压油时，支撑杆支撑起圆环试样夹持器的重量防止圆环试样夹持器变形，在施加水平围压时，水平加载导向杆随着薄型千斤顶向岩心试样方向移动，为施加水平围压起到导向作用。

6、上述方案中加载腔室包括固定器，固定器是由上部分刚性固定器和下部分固定器形成的筒状夹持体，上部分刚性固定器和下部分固定器一方面通过销轴活动连接，上部分刚性固定器和下部分固定器另一方面又通过长螺栓可拆卸紧固，筒状夹持体前后两个端面均匀设置螺栓孔，两个薄型千斤顶分别通过螺栓固定在筒状夹持体前后两个端面处，液压油驱动薄型千斤顶为岩心试样施加围压，在加载腔室内形成钳式夹持结构；放入岩心试样时，打开上部分刚性固定器，将岩心试样固定在加载腔室内，放下上部分刚性固定器，将前后两个薄型千斤顶通过多个螺栓拧紧固定，再将上部分刚性固定器与下部分刚性固定器通过长螺栓拧紧固定。

7、上述方案中加载腔室内的圆环试样夹持器的末端安装有两个加载垫块，圆环试样夹持器的末端与加载腔室滑动连接，加载垫块的大小与岩心试样的大小相同，使得岩心试样受围压均匀。

8、上述方案中承重架分为左右两个，承重架上安装有井筒，承重架为三角形，支撑井筒与圆环试样夹持器的重量。

9、上述方案中井筒上设置6个完全相同的圆环试样夹持器，井筒通过输液管线连接操作系统。

10、上述水平井多角度、多孔密螺旋射孔测试装置的测试方法：

11、（1）依据试验方案要求，调节各长度调节伸缩杆和各角度调节控制器，使岩心试样与井筒之间的夹角和长度达到试验方案要求；

12、（2）安装第一个岩心试样，打开上部分刚性固定器，将岩心试样放入加载腔室内与空心管相连接，岩心试样由钳式结构夹紧，使加载固定垫块与岩心试样对齐，关闭上部分刚性固定器，拧紧长螺栓的螺母和固定螺栓固定加载腔室；

13、（3）重复步骤（2），将多个岩心试样分别放置到不同的圆环试样夹持器中；

14、（4）开启x方向液压机、y方向液压机和z方向液压机，向x方向平衡管、y方向平衡管和z方向平衡管泵入液压油，通过操作系统控制液压机泵入液压油体积以控制在各岩心试样上所施加的围压大小，同时观测操作系统上的压力数据，当压力数据为与试验方案所要求的压力数据相等时停止注入液压油待围压稳定不变；

15、（5）启动a、b泵向井筒内泵入压裂液，在泵压的驱动下压裂液分别进入各角度调节控制器储液空腔，对各岩心试样泵入压裂液，同时在操作系统中开启试验数据监测系统，记录各时间点的压力变化数据，监测压力-时间变化曲线，待曲线达到峰值并跌落，岩心试样破裂，取出岩心试样观察裂缝起裂情况，根据试验数据获取岩心试样起裂压力。

16、上述方案步骤（5）中启动a、b泵向井筒内泵入压裂液时，先使用a泵泵入压裂液，当a泵储存气体消耗完后，b泵开始工作，随之循环交替工作，实现稳定连续向井筒内泵入压裂液。

17、有益效果

18、1、在现场射孔作业时，射孔之间存在着竞争行为，现有的室内螺旋射孔模拟装置中默认每个射孔的压裂液流量是相等的。本发明模拟方法与现场射孔作业施工方式相类似，依据压裂液流量不均匀分配至各个岩心试样中，通过不同的流量分配模拟现场射孔作业施工中的射孔竞争行为，这是现有常规压裂装置所不具备的，准确的模拟地下螺旋射孔作业，能够为采矿工程、储层改造工程提供重要的应用价值。

19、2、螺旋射孔作业中，针对不同储层条件采用不同射孔密度和不同射孔相位角，现有的室内模拟螺旋射孔试验中改变射孔密度、射孔数和射孔相位角，需要重新制作注入管。本发明添加圆环试样夹持器、长度调节伸缩杆和角度调节控制器，实现了室内螺旋射孔模拟试验中在装置上依据试验方案自由调节射孔密度、射孔相位角和射孔数，这是常规压裂机所不具备的，多角度、多孔密螺旋射孔装置在装置上自由调节射孔参数，方便快捷的模拟了射孔施工参数对射孔裂缝扩展的影响，为现场螺旋射孔作业提供了重要的参数指导。

20、3、本发明的模拟方法与现场施工射孔作业射孔方式相类似，可有效指导现场施工，包括：通过物理模拟试验，确定不同的射孔密度以及射孔相位角对水力裂缝起裂形态的影响；水力压裂后，可以沿着水力裂缝打开岩心试样，将6块岩心试样放在一起观察并分析裂缝起裂形态以及裂缝转向特征从而可以分析得出地下储层射孔后裂缝扩展延伸情况；通过对比不同射孔参数的试验结果，优化螺旋射孔参数。

21、4、本发明还原岩心在地下所受应力状态，测试不同围压下、不同射孔角度下以及不同射孔孔密条件下螺旋射孔后裂缝起裂情况，为非常规油气资源水平井压裂工程设计提供了重要的参数支持。