一种模拟水平井爆燃压裂的实验装置及其实验方法与流程

本发明涉及一种模拟水平井爆燃压裂的实验装置及其实验方法，属于油气井开发技术领域。

背景技术：

随着我国油气勘探开发事业的发展，我国油气开发事业已逐步将重点转移到低渗透油藏上。低渗透油藏在我国分布广泛、储量丰富，但由于储层类型多、渗透性差等原因，大部分低渗透油藏难以动用。对于此类油藏，在水平井内进行爆燃压裂，与其他压裂方式相比，具有较大的优点：作用时间短、有助于沟通人造裂缝与近井带的天然裂缝、操作限制少、污染小、施工成本较低。综上所述，水平井爆燃压裂技术在今后的低渗透油藏开发中前景广阔。

爆燃压裂技术又称为高能气体压裂技术(hegf)，国外自上个世纪60年代便开展了对此项技术的研究，我国从1985年开始了此项技术的研究，该技术发展迅速并开始逐步应用于现场。它的基本作用机理如下：当火药或推进剂在井下爆燃后会在毫秒级的时间内产生较大的峰值压力，由于这一过程产生了较高的加压速率，在地层中会产生径向的多条裂缝，能够在有效地穿透污染带的同时沟通天然裂缝，提高油藏的渗透能力。在这一过程中，由于火药或推进剂的燃烧放出一定的热量、以及燃烧产生的气体遇水形成酸液，可以清除堵塞并提升产量。

对于低渗透油藏，水平井增大了储层的生产面积，提升了油藏的生产效率，有效的动用了不方便钻井地区的储层资源。目前对于水平井进行储层改造主要运用水力压裂的方法，相关理论及实验研究日趋完善。但是，针对我国的实际情况，水力压裂适用度并不太高，这主要是由于：一是水力压裂作业所需水量巨大，但我国水资源有限；二是水力压裂存在较大的污染隐患，容易对当地人民群众的生产生活产生较大的威胁。

虽然爆燃压裂技术在直井方面的研究及应用较为广泛，但对于水平井储层改造方面涉猎较少，在我国，有关于这一技术的研究更少之又少。水平井自身独特的结构决定了水平井爆燃压裂技术不同于直井，这一技术要满足施工过程简单、对近井带无污染、生成的裂缝能够长期不闭合等多个条件，但有关研究比较滞后，制约了这一技术在油田的应用。

目前，对于岩石在受到瞬间冲击后相关应变量的研究主要通过霍普金森压杆(shpb)实验和相关的垂直损伤装置实现，但是，前者无法实现在岩心孔眼内部加压，而后者则是在竖直方向上对岩心进行冲击，无法实现对岩心的水平冲击。

由此，本发明将提供一种室内模拟水平井爆燃压裂实验装置及其实验方法，可通过选择劲度系数不同的拉伸弹簧、扭转弹簧、及不同型号的摆锤头进行组合，以及改变摆锤的旋转角度从而改变水平冲击的相关参数。实验过程中，摆锤在受到拉伸弹簧、扭转弹簧、及自身重力的作用绕滚轮轴转动撞击活动柱塞，活动柱塞向模拟井眼内的流体加压，从而模拟水平井爆燃压裂过程；通过不同位置的压力传感器记录实验过程中岩心内压及围压的变化，并通过回压阀等装置收集并记录岩石在受到水平冲击作用前后渗流出的液体的流量及压力的变化，从而探究岩石在受到水平冲击作用前后的相关的物性变化规律。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种容易操作、实施安全且模拟效果较好的模拟水平井爆燃压裂的实验装置。

本发明还提供上述模拟水平井爆燃压裂的实验装置的实验操作方法。

本发明的技术方案如下：

一种模拟水平井爆燃压裂的实验装置，包括岩样夹持装置、摆锤冲击装置和控制分析装置；

其中，所述岩样夹持装置包括一缸体，缸体两端设有左岩心塞和右岩心塞，缸体的内腔设有橡胶套筒，橡胶套筒的内壁圆周上贴合有钢丝网套筒，钢丝网套筒内的空心区域为岩心腔，左岩心塞外侧设有一井眼内压进压口与岩心腔相通，右岩心塞内设有一活动柱塞与岩心腔相通，缸体上设有围压进压口、围压泄压口和出气口，钢丝网套筒连接一向外渗流的渗流通道出口；

所述摆锤冲击装置包括l形支架、滚轮、滚轮轴承、电动机、摆锤、高弹性绳索和弹簧，滚轮轴承通过连接于l形支架的固定支柱和固定横梁进行固定设置，滚轮套装在滚轮轴承上，电动机与滚轮轴承传动连接，高弹性绳索一端连接滚轮、另一端连接弹簧，弹簧的一端连接在l形支架上，摆锤与滚轮连接，摆锤用于撞击活动柱塞；

所述控制分析装置包括计算机、第一压力变送器、第二压力变送器、第三压力变送器、回压阀、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第一阀门、第二阀门、第三阀门、加压泵和手摇加压泵，其中第一压力传感器设置在缸体内表面，第二压力传感器设置在井眼内压进压口处；第一压力传感器依次连接第一压力变送器、计算机，第二压力传感器依次连接第二压力变送器、计算机，井眼内压进压口依次连接第一阀门、加压泵，渗流通道出口依次连接第二阀门、回压阀、第三压力传感器、第三压力变送器、计算机，围压进压口依次连接第三阀门、手摇加压泵；计算机还与电动机电连接。

优选的，所述左岩心塞的一端插入橡胶套筒及钢丝网套筒内，另一端通过夹持器左钢盖封装且夹持器左钢盖与缸体固定连接。

优选的，所述右岩心塞的一端插入橡胶套筒及钢丝网套筒内，另一端贯穿夹持器右钢盖且夹持器右钢盖与缸体固定连接。

优选的，所述橡胶套筒的两端还通过加紧钢圈固定于缸体的内腔。

优选的，所述l形支架为可折叠支架，包括相铰接的底部基座和竖直支撑板。

优选的，所述固定支柱的一端与底部基座垂直连接、另一端与滚轮轴承连接，所述固定横梁的一端与竖直支撑板水平连接、另一端与滚轮轴承连接。

优选的，所述滚轮轴承上设置有齿轮，电动机通过链条与齿轮传动连接。此设计的好处在于，电动机通过链条齿轮传动带动滚轮轴承转动，进而带动滚轮转动。

优选的，所述摆锤冲击装置包括两组直径不同的滚轮，其中每组滚轮包括两个相同直径的滚轮单元，两组滚轮分别位于滚轮轴承的两端，在每组滚轮一侧设置有电磁铁，摆锤可与电磁铁相吸合，电磁铁与计算机电连接。此设计的好处在于，摆锤与电磁铁相吸合，使得摆锤在下落时被电磁铁以及滚轮整体推动，从而更加充分的利用弹簧的弹性势能。

优选的，所述滚轮上设置有旋转角度刻度值。

优选的，所述摆锤包括摆锤臂和摆锤头，摆锤头可拆卸式设置在摆锤臂一端，摆锤臂的另一端连接在滚轮轴承上。

优选的，所述摆锤冲击装置还包括固定钢索，在滚轮轴承的两端各设置两条固定钢索，两条固定钢索对称布置在滚轮轴承的两侧且两条固定钢索的一端连接滚轮轴承、另一端连接底部基座。

一种模拟水平井爆燃压裂的实验装置的操作方法，包括以下步骤：

(1)根据实验要求，制作不同岩性的岩样，将制得的岩样晾干后钻取岩心，随后将岩心进行打磨处理，打磨处理后将岩心放入岩心腔内；

(2)启动计算机，运行相关软件，在实验开始前进行零点检测；

(3)打开围压进压口和出气口，并打开第三阀门，利用手摇加压泵给岩心加载围压，待出气口有施压液体流出，表明围压已加满，关闭出气口和围压进压口；

(4)打开第一阀门，通过加压泵给实验岩心加载内压，当加载到实验要求内压时，关闭加压泵及第一阀门，保持内压不变；

(5)打开第二阀门、回压阀，通过计算机相关软件进行试验前岩心渗流性质的测试和计算；

(6)运行计算机中的相关软件，通过电动机带动滚轮旋转，同时观察滚轮上刻有的角度刻度，当摆锤旋转到预定角度时，通过计算机相关软件控制电动机停止转动，摆锤顺时针转动，撞击活动柱塞；并通过计算机软件记录岩心在受到水平冲击后，围压及内压的变化过程；

(7)当计算机软件采集完围压及内压的变化过程后，再通过计算机相关软件进行试验后岩心渗流性质的测试和计算；

(8)打开围压泄压口，卸载岩心围压，取出岩心，观察开裂情况。

本发明的有益效果在于：

本发明实验装置，可用于探究水平井筒内爆燃冲击对于不同岩性、不同长度的岩心破坏响应，同时可实现精确的实验控制操作并能够进行有效的数据分析和统计，实验效果良好，作用明显。

附图说明

图1为本发明中岩样夹持装置的结构示意图；

图2为本发明中摆锤冲击装置的结构示意图；

图3为本发明整个实验装置的连接关系示意图；

其中：1-1活动柱塞，1-2右岩心塞，1-3岩心塞盖，1-4加固螺钉，1-5夹持器右钢盖，1-6加紧钢圈，1-7岩心腔，1-8出气口，1-9围压进压口，1-10围压泄压口，1-11支撑座，1-12左岩心塞，1-13夹持器左钢盖，1-14井眼内压进压口，1-15缸体，1-16内支撑座，1-17橡胶套筒，1-18钢丝网套筒，1-19渗流通道出口；

2-1旋转轴承，2-2底部基座，2-3竖直支撑板，2-4固定钢索，2-5固定支柱，2-6岩心夹持器，2-7固定横梁，2-8弹簧，2-9高弹性绳索，2-10滚轮轴承，2-11滚轮，2-12摆锤头，2-13摆锤臂，2-14电动机，2-15链条；

3-1计算机，3-2第一压力变送器，3-3第二压力变送器，3-4第三压力变送器，3-5回压阀，3-6第一压力传感器，3-7第二压力传感器，3-8第三压力传感器，3-9第一阀门，3-10第二阀门，3-11第三阀门，3-12加压泵，3-13手摇加压泵，3-14支持座。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

如图1至图3所示，本实施例提供一种模拟水平井爆燃压裂的实验装置，该实验装置主要包括岩样夹持装置、摆锤冲击装置和控制分析装置三大部分；岩样夹持装置用于放置不同特性的岩心，摆锤冲击装置用于提供外力加载给岩样夹持装置使岩心处于不同的模拟环境下，控制分析装置用于分析岩心处于不同模拟环境下的各种数据。

其中，岩样夹持装置包括一圆柱形缸体(1-15)，缸体水平横置，缸底的底部设有两个支撑座(1-11)用于撑托缸体，缸体两端设有左岩心塞和右岩心塞，缸体的内腔设有橡胶套筒(1-17)，橡胶套筒(1-17)的内壁圆周上贴合有钢丝网套筒(1-18)，钢丝网套筒内的空心区域为岩心腔(1-7)，岩心腔长度为30cm，岩心腔内可放置不同特性的岩心，橡胶套筒(1-17)两端通过加紧钢圈(1-6)固定于缸体内腔，钢丝网套筒(1-18)的左端连接左岩心塞(1-12)，左岩心塞(1-12)的一端插入橡胶套筒(1-17)内通过台阶结构支撑钢丝网套筒(1-18)，左岩心塞(1-12)的另一端穿出缸体通过夹持器左钢盖(1-13)封装且夹持器左钢盖(1-13)借助加固螺钉(1-4)与缸体(1-15)固定连接；钢丝网套筒(1-18)的右端连接右岩心塞(1-2)，右岩心塞(1-2)的一端插入橡胶套筒(1-17)内通过台阶结构支撑钢丝网套筒(1-18)，右岩心塞(1-2)的另一端穿出缸体和夹持器右钢盖(1-5)且夹持器右钢盖(1-5)借助加固螺钉(1-4)与缸体(1-15)固定连接，右岩心塞(1-2)内设有一活动柱塞(1-1)，活动柱塞(1-1)的一端伸出右岩心塞(1-2)穿过岩心塞盖(1-3)，岩心塞盖(1-3)与右岩心塞(1-2)端部固定连接用于封堵右岩心塞(1-2)。左岩心塞(1-12)中心处开有通道与岩心腔(1-7)相通并与夹持器左钢盖(1-13)顶部的井眼内压进压口(1-14)相通，右岩心塞(1-2)中心处开有通道与岩心腔(1-7)相通并与夹持器右钢盖(1-5)内的活动柱塞(1-1)相通，缸体(1-15)顶部设有与内腔相通的围压进压口(1-9)和出气口(1-8)，缸体(1-15)底部设有与内腔相通的围压泄压口(1-10)，钢丝网套筒(1-18)连接一向外渗流的渗流通道并在夹持器左钢盖(1-13)底部设有渗流通道出口(1-19)。

摆锤冲击装置包括l形支架、两组滚轮、滚轮轴承、电动机、摆锤、高弹性绳索和弹簧。l形支架为可折叠支架，由底部基座(2-2)和竖直支撑板(2-3)通过旋转轴承(2-1)铰接在一起，竖直支撑板(2-3)可绕旋转轴承(2-1)转动，当竖直支撑板(2-3)逆时针旋转到90度时竖直支撑板(2-3)垂直于底部基座(2-2)设置，底部基座(2-2)和竖直支撑板(2-3)均为一个边长较大的正方形面的长方体。在l形支架上连接有两个固定支柱(2-5)和两个固定横梁(2-7)，两个固定支柱(2-5)和两个固定横梁(2-7)对称设置在l形支架上两侧，其中固定支柱(2-5)垂直于底部基座，固定横梁(2-7)水平垂直于竖直支撑板，固定支柱和固定横梁相交于一点用于支撑滚轮轴承(2-10)，滚轮轴承(2-10)为钢质圆柱状轴承，内钢柱每端比外钢柱长8cm，两侧的固定支柱(2-5)和固定横梁(2-7)相交点连接内钢柱的两端，两组滚轮(2-11)套装在滚轮轴承(2-10)上，两组滚轮直径不同，每组滚轮包括两个相同直径的滚轮单元，在每组滚轮靠近摆锤的一侧设置有电磁铁，电磁铁为一长方体，电磁铁底部开有凹槽，可用于吸合摆锤。摆锤包括摆锤头(2-12)和摆锤臂(2-13)，摆锤头(2-12)用于撞击活动柱塞(1-1)，摆锤臂(2-13)的一端连接在滚轮轴承(2-10)上且摆锤臂可与电磁铁相吸合使摆锤臂置于电磁铁的凹槽内，高弹性绳索(2-9)绑在每一个滚轮单元上、另一端连接弹簧(2-8)的一端，弹簧(2-8)的另一端固定在竖直支撑板(2-3)上。滚轮轴承(2-10)的外钢柱上设置有齿轮，齿轮通过链条(2-15)与电动机(2-14)传动连接，通过电动机带动滚轮转动。滚轮(2-11)上设置有刻度，在电动机(2-14)带动滚轮旋转时，可通过观察滚轮(2-11)上刻有的旋转角度刻度，从而指示摆锤的旋转角度。

控制分析装置包括计算机(3-1)、第一压力变送器(3-2)、第二压力变送器(3-3)、第三压力变送器(3-4)、回压阀(3-5)、第一压力传感器(3-6)、第二压力传感器(3-7)、第三压力传感器(3-8)、第一阀门(3-9)、第二阀门(3-10)、第三阀门(3-11)、加压泵(3-12)和手摇加压泵(3-13)，其中第一压力传感器(3-6)设置在缸体(1-15)内表面s1处，第二压力传感器(3-7)设置在井眼内压进压口v1处；第一压力传感器(3-6)依次连接第一压力变送器(3-2)、计算机(3-1)，第二压力传感器(3-7)依次连接第二压力变送器(3-3)、计算机(3-1)，井眼内压进压口(1-14)依次连接第一阀门(3-9)、加压泵(3-12)，渗流通道出口(1-19)依次连接第二阀门(3-10)、回压阀(3-5)、第三压力传感器(3-8)、第三压力变送器(3-4)、计算机(3-1)，围压进压口(1-9)依次连接第三阀门(3-11)、手摇加压泵(3-13)，手摇加压泵(3-13)放置在支撑座(3-14)上。计算机(3-1)还与电动机(2-14)、电磁铁电连接，实现自动化控制。

本发明实验装置的工作原理如下：

本实验装置可对外径30-110mm、长50-300mm、中心孔眼直径为5-15mm的岩心进行水平井爆燃压裂模拟实验，从而探究岩心在受到水平冲击作用前后模拟井眼内压、岩心围压以及渗流性质的变化规律。其中，出气口用于放出橡胶套筒与缸体之间的气体，当围压进压口的阀门打开时，出气口的阀门开启，当出气口中有液体溢出，表明围压已加满；围压进压口用于给模拟岩心加载围压，施压液体为水或其他液体；围压泄压口用于在实验结束后卸载围压，井眼内压进压口用于给模拟井眼施加内压，施压液体为水或者其他液体，橡胶套筒用于隔绝给实验岩心施加围压的液体，防止实验过程中由于岩心与施压液体相接触致使岩心物性发生变化；钢丝网套筒由细密的钢丝网制成，环绕在岩心周围，可以减少岩心在受到水平冲击发生变形时对橡胶套的冲击力，钢丝网套筒中间有渗流通道，用于将岩心渗流出的液体引出；渗流通道出口另一端连接回压阀，用于收集岩心受到水平冲击前后渗流出的流体。同时，可通过使用不同劲度系数的拉伸弹簧和不同型号的摆锤头相互组合以及改变摆锤臂的旋转角度，从而实现了大范围改变水平冲击加载速率(37.38mpa/ms-298.85mpa/ms)(较小的加载速率条件：摆锤旋转角度为30度，所用拉伸弹簧种类为半圆钩环型，材料为碳素弹簧钢丝，材料直径为6mm,弹簧中径为65mm,有效圈数为43.25，自由长度为338mm，劲度系数为1030n/m；较大的加载速率条件：摆锤旋转角度为120度，所用拉伸弹簧种类为半圆钩环型，材料为碳素弹簧钢丝，材料直径为8mm,弹簧中径为50mm,有效圈数为35.25，自由长度为334mm，劲度系数为9180n/m)；同时，缸体的岩心腔中可放置长度不同、岩性不同的岩心数块，用于探究水平井筒内爆燃冲击对于不同岩性、不同长度的岩心破坏响应，后续通过控制分析装置中的计算机相关软件进行相应数据的采集、分析、计算和统计。

实施例2：

一种模拟水平井爆燃压裂的实验装置，结构如实施例1所述，其不同之处在于：橡胶套筒(1-17)还通过四个等间距分布的内支撑座(1-16)固定于缸体(1-15)内腔。内支撑座主要起加固作用，为橡胶套筒提供更大的支撑力，避免过重的实验岩心压垮橡胶套筒。

实施例3：

一种模拟水平井爆燃压裂的实验装置，结构如实施例1所述，其不同之处在于：在滚轮轴承(2-10)的两端各设置两条固定钢索(2-4)，在滚轮轴承同一端的两条固定钢索(2-4)对称布置在滚轮轴承(2-10)的两侧且两条固定钢索(2-4)的一端连接滚轮轴承(2-10)的内钢柱、另一端连接底部基座(2-2)，两条固定钢索(2-4)和底部基座(2-2)构成等腰三角形。固定钢索可以增加滚轮轴承的支撑可靠性，保障摆锤旋转冲击活动柱塞时的稳定性。

实施例4：

一种模拟水平井爆燃压裂的实验操作方法，利用实施例1所述的实验装置，采用重量为4kg的正方形摆锤头，劲度系数为3100n/m(材料为钢丝，弹簧丝直径为8.0mm，弹簧中径为80mm,有效圈长度为212mm，有效圈数为25.5圈)的拉伸弹簧4根。探究岩石在水平冲击作用下的应变量以及开裂情况。

具体操作过程如下：

(1)根据实验要求，制作不同岩性的岩样，将制得的岩样晾干后利用岩心钻取机钻取岩心，随后将岩心进行打磨处理，打磨处理后，将制得的岩心进行饱和处理。

(2)将橡胶套筒(1-17)套在左岩心塞(1-12)未刻有螺纹处，在橡胶套筒内安装钢丝网套筒(1-18)，将这一整体放入缸体内腔中，当左岩心塞与内支撑座(1-16)接触时，将实验岩心放入钢丝网套筒(1-18)中，在橡胶套筒(1-17)另一端套上右岩心塞(1-2)，随后安装两端加紧钢圈(1-6)，之后安装夹持器左钢盖(1-13)，并用加固螺钉(1-4)进行加固。

(3)将竖直支撑板(2-3)从水平位置逆时针转动至图2所示位置，将摆锤头(2-12)安装在摆锤臂(2-13)上，将高弹性绳索(2-9)分别缠绕在相应的滚轮(2-11)上，分别将弹簧(2-8)安装到竖直支撑板(2-3)的相应位置上，将固定横梁(2-7)与滚轮轴承(2-10)紧密连接在一起，转动滚轮(2-11)至合适的位置，连接相应的弹簧(2-8)及高弹性绳索(2-9)，随后，用链条(2-15)将电动机(2-14)与滚轮轴承(2-10)上的齿轮连接。

(4)在橡胶套筒(1-17)右端安装右岩心塞(1-2)，并依次安装活动柱塞(1-1)、岩心塞盖(1-3)，安装夹持器右钢盖(1-5)，并用加固螺钉(1-4)加固。

(5)打开计算机(3-1)，运行相关软件，在实验开始前进行零点检测。

(6)打开缸体上的围压进压口(1-9)和出气口(1-8)，并打开第三阀门(3-11)，利用加压手摇泵(3-13)给岩心加载围压，待出气口(1-8)有施压液体流出，表明围压已加满，关闭出气口(1-8)和围压进压口(1-9)。

(7)打开第一阀门(3-9)，通过加压泵(3-12)，给实验岩心加载内压。加载到设计内压时，关闭加压泵(3-12)及第一阀门(3-9)，保持内压不变。

(8)打开计算机(3-1)相关软件、回压阀(3-5)、第二阀门(3-10)，进行试验前岩心渗流性质的测试和计算。

(9)运行计算机(3-1)中的相关软件，通过电动机带动摆锤旋转，同时观察滚轮(2-11)上刻有的角度刻度，当摆锤旋转到预定角度时，点击计算机(3-1)中软件的“开始”按钮，电动机不再转动，摆锤在拉伸弹簧和滚轮的带动下顺时针转动，撞击活动柱塞(1-1)。

(10)实验开始，利用计算机(3-1)内的软件记录岩心在受到水平冲击后，围压及内压的变化过程。

(11)点击计算机(3-1)内软件的“结束”按钮，终止相关数据的采集。

(12)利用计算机(3-1)内的软件、回压阀(3-5)、第二阀门(3-10)，进行实验结束后岩心渗透性质的测试与计算。

(13)打开围压泄压口(1-10)，卸载岩心围压，卸下加固螺钉(1-4)、夹持器右钢盖(1-5)、加紧钢圈(1-6)，卸载岩心内压，取出岩心，观察开裂情况。

(14)整理实验器材，处理实验数据。