一種模擬體積壓裂複雜縫網支撐劑沉降規律的裝置製造方法
2023-05-28 13:11:06 4
一種模擬體積壓裂複雜縫網支撐劑沉降規律的裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種模擬體積壓裂複雜縫網支撐劑沉降規律的裝置，包括圍擋組成的主裂縫、與主裂縫垂直相連的二級裂縫、與主裂縫平行並通過二級裂縫相連的三級裂縫。該裝置整體結構能夠充分模擬地下儲層不同類型的裂縫網絡，增加裝置的多功能性。裝置的可視化有助於跟蹤觀察實驗現象並記錄數據，極大地提高了實驗效率，也方便裝置的維修保養。使用該裝置進行實驗得到的研究成果對體積壓裂理論研究和現場應用具有一定的參考價值。
【專利說明】一種模擬體積壓裂複雜縫網支撐劑沉降規律的裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種模擬體積壓裂複雜縫網支撐劑沉降規律的裝置，屬於油氣田開發的【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著社會的進一步發展，世界對於石油的需求日益增加。在大型整裝油田、高滲區塊開發進入高含水中後期時，開發低滲、特低滲油氣藏顯得十分必要，而水力壓裂作為一項增產技術，在開發低滲油氣藏過程中能起到非常重要的作用。水力壓裂在地層中能形成具有超高導流能力的裂縫，進而增加油井的產量。作為水力壓裂的新工藝，體積壓裂適合於開發頁巖、緻密砂巖等非常規儲層。體積壓裂在這些非常規儲層中，藉助於天然裂縫的發育，能形成具有一定空間體積的縫網結構，相比常規壓裂技術，導流能力大大地增加，能更好的提高壓裂效果。支撐劑在複雜縫網中的支撐決定著縫網的形態和導流能力，影響著壓裂增產的效果。因此研究裂縫中支撐劑的充填十分必要。
[0003]隨著水力壓裂技術的發展，國內外學者對水力壓裂在地層中形成的裂縫的認識由雙翼對稱裂縫逐漸轉變為具有一定空間體積的複雜縫網結構。壓裂施工參數不同，在地層中形成的縫網結構複雜程度也各有不同。在一些特定的儲層條件下，例如特低滲透、低孔隙度、低壓等，儲層與裂縫之間的導流能力很低，只有簡單的一條主裂縫很難達到良好的增產效果。為了在地層中形成具有高導流能力的複雜縫網結構，必須採用壓裂措施，改進壓裂施工參數。在壓裂施工過程中，當兩個水平主應力差達到某一個值或者當裂縫延伸壓力大於儲層中天然裂縫或者膠結弱面張開所需要的臨界壓力時，在主裂縫中就會產生分支縫或者能在巖石的本體上直接形成分支縫，形成初步的縫網；分支縫在延伸一定距離後會以主裂縫為主體又回到原來的裂縫方位，或者成一定的角度，最終形成以主裂縫為主體的空間裂縫網狀系統，這種技術稱為縫網壓裂技術。
[0004]而壓裂形成的複雜縫網中支撐劑的充填和鋪置是影響壓裂作業成功與否的關鍵因素，壓裂施工過程中，支撐劑能否在主裂縫和各級次生裂縫中形成有效的支撐對於整個複雜縫網的導流能力和壓裂的增產效果有非常重要的影響，目前在國內對於支撐劑在複雜縫中的運移規律的研究較少缺乏必要的實驗裝置。本文針對這一問題，設計模擬地層中裂縫結構的複雜縫網實驗裝置研究支撐劑在複雜縫網中的運移規律，目的是為了探究壓裂液在一定條件下攜砂進入不同類型的縫網結構中時支撐劑的運移規律，這對於能否成功的實施縫網壓裂有非常重要的意義。同時根據支撐劑在複雜縫網中的運移規律預測壓裂形成的縫網中砂堤的形態和支撐劑在裂縫中的支撐效果對於設計縫網壓裂施工參數和方案分析有非常重要的作用，對於現場施工也有一定的指導意義。
實用新型內容
[0005]針對現有技術的不足，本實用新型提供一種模擬體積壓裂複雜縫網支撐劑沉降規律的裝置。
[0006]本實用新型的技術方案如下:
[0007]—種模擬體積壓裂複雜縫網支撐劑沉降規律的裝置，包括圍擋組成的主裂縫、與主裂縫垂直相連的二級裂縫、與主裂縫平行並通過二級裂縫相連的三級裂縫。本實用新型根據壓裂形成的縫網結構，複雜縫網中的裂縫類型主要包括一條或者幾條主裂縫，與主裂縫成一定角度的次生裂縫以及與次生裂縫又成一定角度的分支裂縫，另外還包括若干垂直於主裂縫的水平裂縫。複雜縫網中裂縫與裂縫之間的交點稱之為「裂縫節點」或者「節點」。而支撐劑在裂縫中運移的過程中，由主裂縫進入次生裂縫的過程稱之為支撐劑的「轉向」。主裂縫稱為一級裂縫，主裂縫上的分支裂縫稱為次生裂縫或者二級裂縫，而在二級裂縫上形成的分支裂縫稱之為三級裂縫，其他的分支裂縫依次命名。實際儲層中的複雜縫網形態可將其離散化，得到固定角度的裂縫，而垂直關係作為固定角度的一個特殊值，研究支撐劑在該角度下由主裂縫進入次生裂縫時的運移規律具有一定的代表性。以垂直角度關係作為依據，可以類比分析地下儲層裂縫角度關係複雜多變時的支撐劑鋪置情況。
[0008]根據本實用新型優選的，所述的裝置整體為有機玻璃材質，所述有機玻璃的抗壓壓力小於等於一個標準大氣壓。該裝置主體部分即模擬縫網結構部分由一定厚度的透明有機塑料板組成，其優點主要有:(I)彈性特徵較弱，長時間範圍內不會發生變形進而導致實驗設備的尺寸發生變化；(2)通透性好，方便跟蹤觀察實驗現象以及後期處理實驗數據；(2)以透明有機塑料板為零件組成該實驗設備，有利於設備的長期維護和清洗。另一方面透明有機塑料板的缺點是塑料強度較小，為防止實驗裝置爆裂或出現其他超過裝置承壓極限後的問題，在該裝置中進行的實驗只能在低壓範圍內進行。
[0009]根據本實用新型優選的，在該裝置的主裂縫的兩端分別設置有壓裂液入口和壓裂液出口，所述壓裂液入口與外部的壓裂液管路或混砂液管路相連；在所述壓裂液入口和壓裂液出口分別設置有壓力表和閥門。
[0010]根據本實用新型優選的，所述壓裂液入口和所述壓裂液出口均為模擬井筒射孔。
[0011]根據本實用新型優選的，所述模擬井筒射孔的直徑為10_ ;所述壓裂液入口的模擬井筒射孔數量為4個；壓裂液入口處模擬井筒射孔，射孔直徑為10mm。入口處包括四個入口閥，可以模擬自由調節射孔的數量、位置以及注入排量的大小。針對泵注程序，設置了人工注入和泵注兩種方式，滿足實驗過程中不同排量的要求。人工注入方式是指壓裂液和支撐劑按一定的比例分別從兩個接口處進入裝置，模擬壓裂液攜砂，人工注入的排量較小；泵注方式是指壓裂液和支撐劑按一定的比例混合後經泵加壓注入裝置中，泵注方式排量大而且可調節，攜砂液與人工注入方式相比，相對均勻；
[0012]所述壓裂液出口的模擬井筒射孔數量為5個。裝置的壓裂液出口包括5個閥門，可以自由調節出口排量，方便裝置的清理工作。
[0013]根據本實用新型優選的，裝置還包括封堵部件，所述封堵部件用於封堵二級裂縫或三級裂縫，使整個裝置中的所有裂縫組成不同結構模擬縫網。所述的封堵部件包括一定長度、寬度和厚度的相同透明塑料板，可以封堵裝置中的裂縫，形成不同的裂縫結構，滿足實驗方案的要求。實驗裝置的原理圖、實物圖如圖2-1至圖2-5所示。
[0014]根據本實用新型優選的，所述的主裂縫為I條，所述二級裂縫為包括對稱設置在主裂縫兩側的6條次級裂縫，所述三級裂縫為2條，所述2條三級裂縫與主裂縫的間距相等。所述機玻璃兩兩對稱放置成中間有一定寬度的縫隙，初步形成了縫網中的裂縫，這樣的多條縫隙共了同組成裝置的縫網結構。最終該裝置的縫網結構包括一條貫穿裝置壓裂液入口和壓裂液出口的主裂縫；兩條與主裂縫的間距相等，平行分布於主裂縫兩側的三級裂縫；六條兩兩對稱分布於主裂縫兩側並垂直於主裂縫的豎直次生裂縫。裝置整體俯視圖如圖2-1 (a)所示，呈3X3的結構，共有9個節點研究支撐劑在縫網中的運移規律。
[0015]根據本實用新型優選的，所述主裂縫長50-70cm，二級裂縫長30-40cm，三級裂縫長50-70cm，所述主裂縫、二級裂縫和三級裂縫的縫高均為40-50cm ;所述主裂縫、二級裂縫和三級裂縫的寬度均為l-10mm。
[0016]根據本實用新型優選的，所述主裂縫長60cm，二級裂縫長30cm，三級裂縫長60cm，所述主裂縫、二級裂縫和三級裂縫的縫高均為40cm ;所述主裂縫、二級裂縫和三級裂縫的寬度均為10mm。壓裂施工在地層中形成的裂縫縫寬從1-1Omm不等，若實驗時整體縫網的體積太小，實驗過程中支撐劑在較短的時間內會填滿裝置，影響實驗結果，而且對觀察實驗現象也不利，因此，實驗中優選主裂縫長60cm，次生裂縫長30cm，三級裂縫長60cm，所有縫高均為40cm。設定裝置中所有裂縫的寬度為10mm。
[0017]本實用新型的優勢
[0018]目前國內外對體積壓裂技術的研究集中在裂縫網絡的導流能力分析和形成機理探究等幾個方面。而支撐劑在裂縫網絡中的充填是影響裂縫網絡導流能力的關鍵因素，裂縫網絡的導流能力直接決定體積壓裂施工的成敗。針對這一問題，不僅理論研究較少，更缺乏必要的實驗裝置。該實用新型依據地下儲層裂縫網絡離散物理模型，模擬體積壓裂形成的裂縫網絡結構，採用可視化的透明有機玻璃板作為裝置主體材料，研究壓裂液在裂縫網絡中攜砂形成的砂堤形態以及支撐劑在裂縫網絡中的運移規律，並對影響砂堤形態的因素進行敏感性分析，可行性較強，實驗結果可信度較高。裝置整體結構能夠充分模擬地下儲層不同類型的裂縫網絡，增加裝置的多功能性。裝置的可視化有助於跟蹤觀察實驗現象並記錄數據，極大地提高了實驗效率，也方便裝置的維修保養。使用該裝置進行實驗得到的研究成果對體積壓裂理論研究和現場應用具有一定的參考價值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為本實用新型所述裝置的俯視結構原理圖；其中的箭頭為實驗流體的流向；
[0020]圖2為本實用新型所述裝置的主視圖，其中的箭頭為實驗流體的流向；
[0021]圖3-圖8分別為本實用新型中，利用所述封堵部件在所述裝置中封堵不同的裂縫節點後形成不同結構模擬縫網圖；
[0022]圖9為如圖3所示模擬縫網結構所對應的軟體擬合砂堤得到的砂堤形態示意圖；
[0023]在圖1-圖8中，1、主裂縫；2、二級裂縫；3、三級裂縫；4、壓裂液入口 ；5、壓裂液出口 ；6、模擬井筒射孔。
【具體實施方式】
[0024]下面結合實施例和說明書附圖對本實用新型做詳細的說明，但不限於此。
[0025]一種模擬體積壓裂複雜縫網支撐劑沉降規律的裝置，其參數如下表2-1所示，在該裝置中可進行多種類型的攜砂實驗研究。
[0026]表2-1本實用新型所述裝置的參數
[0027]
裝置參數參數大小裝置參數參數大小裝置參數_參數大小
65cmx65cm 三級裂縫π:列、*嫌《=>^ 3/.裝直尺寸，，^60cm 壓裂液排S <3m /mm
x42cra長度
=級裂縫適用支撐劑主裂縫長度 60cm一 --2所有支撐劑
數量類型
、^t所有裂縫 ^適用支撐劑王裂縫數量I一P40cm/χ所有粒徑
商度粒徑二級裂縫μ所有裂縫 ，使用壓裂液所有液體
,,^30cm山山Icm
長度寬度類型壓裂涖
一級剪f逢
6裂縫總體積 14400cm3
數量_
[0028]實施例1、
[0029]如圖1、圖2所示。
[0030]一種模擬體積壓裂複雜縫網支撐劑沉降規律的裝置，包括圍擋組成的主裂縫1、與主裂縫I垂直相連的二級裂縫2、與主裂縫I平行並通過二級裂縫2相連的三級裂縫3。
[0031]所述的裝置整體為有機玻璃材質，所述有機玻璃的抗壓壓力小於等於一個標準大氣壓。
[0032]在該裝置的主裂縫I的兩端分別設置有壓裂液入口 4和壓裂液出口 5，所述壓裂液入口與外部的壓裂液管路或混砂液管路相連；在所述壓裂液入口和壓裂液出口分別設置有壓力表和閥門。
[0033]所述壓裂液入口 4和所述壓裂液出口 5均為模擬井筒射孔6。
[0034]所述模擬井筒射孔6的直徑為10_ ;所述壓裂液入口 4的模擬井筒射孔數量為4個；壓裂液入口 4處模擬井筒射孔，射孔直徑為10_。
[0035]所述壓裂液出口 5的模擬井筒射孔數量為5個。
[0036]裝置還包括封堵部件，所述封堵部件用於封堵二級裂縫或三級裂縫，使整個裝置中的所有裂縫組成不同結構模擬縫網。所述的封堵部件包括一定長度、寬度和厚度的相同透明塑料板，可以封堵裝置中的裂縫，形成不同的裂縫結構，滿足實驗方案的要求。利用所述封堵部件在所述裝置中封堵不同的裂縫節點後形成不同結構模擬縫網:如圖3-圖8所
/Jn ο
[0037]所述的主裂縫為I條，所述二級裂縫2為包括對稱設置在主裂縫I兩側的6條次級裂縫，所述三級裂縫3為2條，所述2條三級裂縫3與主裂縫I的間距相等。
[0038]所述主裂縫I長60cm，二級裂縫2長30cm，三級裂縫3長60cm，所述主裂縫1、二級裂縫2和三級裂縫3的縫高均為40cm ;所述主裂縫1、二級裂縫2和三級裂縫3的寬度均為 10mnin
[0039]一種如實施例1所述裝置在模擬體積壓裂複雜縫網支撐劑沉降規律中的工作方法:
[0040](I)根據實驗方案要求配置攜砂液；
[0041](2)準備實驗方案要求的支撐劑；
[0042](2)檢查所述裝置內清潔度；保證所述裝置內的裂縫中無任何影響實驗結果的雜質；
[0043](4)根據實驗方案要求，使用所述封堵部件封堵所述裝置中的部分裂縫，使其形成實驗方案要求的模擬縫網結構，密封所述裝置的頂部；本實施例所述的模擬縫網結構包括圖3-圖8所示的結構圖，分別對上述縫網進行運移實驗；
[0044](5)先用清水注入所述裝置進行循環，檢查所述裝置的密封性，確認密封后，放空裝置；
[0045](6)將所述攜砂液與所述支撐劑在混砂罐中均勻混合，形成混合液；根據實驗方案要求的排量使用泵將所述混合液注入到所述裝置中；
[0046](7)實驗過程中，觀察砂堤的形成過程，記錄該模擬體積壓裂複雜縫網支撐劑沉降規律有關的相關實驗現象和數據；該觀察和記錄的過程均為現有技術；
[0047](8)實驗結束後，清理所述裝置，準備下一組實驗。
[0048]針對本實施例，所述模擬體積壓裂複雜縫網支撐劑沉降規律的具體方法為:
[0049](I)實驗排量
[0050]實驗採用小排量泵加注攜砂液，假設現場施工排量為6m3/min，壓裂液入口 4處縫高50m，縫寬1cm，複雜縫網實驗裝置縫高40cm，縫寬為1cm，根據公式(2_1)折算得裝置內的排量為0.048m3/min或者縫網壓裂液入口 4處壓裂液的速度v為0.2m/s，根據實驗的相似性原理得到該排量滿足現場施工的要求:
[0051]Q = Av
[0052]A = hw(2-1)
[0053]其中指Q裂縫入口處壓裂液的排量，A指裂縫的橫截面積，h指裂縫的高度，w指裂縫的寬度。
[0054]實驗過程中採用電磁流量計控制實驗排量保持穩定。
[0055](2)實驗支撐劑粒徑
[0056]實驗選取常用的支撐劑粒徑作為該實驗所用的支撐劑。實驗最終選取卡博公司20/40目的陶粒作為實驗用支撐劑。其主要參數如下表2-2所示
[0057]表2-2支撐劑常規性能測試
[0058]
視密度體密度 τΓΛ? 52MPa破碎率69MPa破碎率支撐劑口度球度 _(g/cm3) (g/cm3)_(%)_(%)_
20/40
,,3.231.670.9 0.9 1.563.97
目陶粒_
[0059](3)實驗砂比
[0060]砂比為支撐劑佔總攜砂液體積的體積分數。本文中的實驗採用泵注攜砂液程序，所以能基本保證砂比的穩定性。根據常用的砂比範圍選擇該實驗的砂比為10%。
[0061](4)壓裂液的粘度
[0062]壓裂液的粘度主要受溫度的影響，該實驗裝置適合在常溫下進行實驗。實驗中為了觀察在不同粘度下支撐劑的運移規律，該實驗選擇使用清水壓裂液和具有一定粘度的線性膠壓裂液。
[0063]綜合上述實驗參數設計和基礎縫網結構圖，如圖3-圖8所示可得該實驗的總體實驗方案如表2-3所示。
[0064]表2-3實驗總體方案表
[0065]
I壓裂液麵U縫網結構U
1清水I如圖 30.1620/4010
2清水I如圖 40.1620/4010 2 清水 I 如圖 5 0.16 20/40 10
4清水I如圖 60.1620/4010
5清水I如圖 70.1620/4010
6清水I如圖 80.1620/4010
7線性膠30如圖30.1620/4010
8線性膠30如圖40.1620/4010
9線性膠30如圖50.1620/4010
10線性膠30如圖 60.1620/401%
11線性膠30如圖 70.1620/4010
12線性膠30如圖 80.1620/4010
[0066]根據上述實驗方案，研究壓裂液在各種類型的縫網結構中攜砂的運移規律，本文共進行12組實驗進行相關的分析和研究。以六種基礎縫網結構為主，分別進行清水壓裂液攜砂和線性膠壓裂液攜砂兩種類型的實驗。
[0067]本實用新型實驗採用節點分析方法。以裂縫節點為基礎，將裝置的3X3結構分為六種基本裂縫結構，這六種基本結構通過任意組合可以得到各種類型的複雜縫網結構。研究支撐劑在這六種結構中的運移規律可以預測整個縫網的砂堤形態，指導壓裂施工方案設計。這六種基礎裂縫結構如圖3-圖8所示。
[0068]從圖3-圖8中可以看出，
[0069]如圖3:結構一是指只有一條主裂縫時的情況，可以認為是縫網結構中的特例，將只有一條主裂縫時的情況考慮在內，可以作為對比研究其他縫網結構時的基礎，研究只有一條主裂縫中的砂堤形態有非常重要的意義；
[0070]如圖4:結構二是指一條主裂縫和在主裂縫中靠近井筒的位置含有一條二級裂縫；
[0071]如圖5:結構三是指一條主裂縫和在主裂縫中靠近井筒的相同位置對稱分布兩條2級裂縫；
[0072]如圖6:結構四是指一條主裂縫和在主裂縫中的兩側距離井筒不同的位置分布兩條2級裂縫；
[0073]如圖7:結構五是指一條主裂縫和在主裂縫中靠近井筒的位置、中間位置、主裂縫尾部分別含有一條二級裂縫，主要研究在主裂縫中次生裂縫中的砂堤形態和次生裂縫距離井筒遠近之間的關係；
[0074]如圖8:結構六是指一條主裂縫和在主裂縫中靠近井筒的位置含有一條二級裂縫以及在次生裂縫的尾部又含有一條三級裂縫，主要研究不同的裂縫級別對砂堤形態的影響。
[0075]綜合上述實驗參數設計和基礎縫網結構圖可得該實驗的總體實驗方案如表2-3所示。
[0076]進行實驗得到實驗結果進行處理，以只有一條主裂縫時的支撐劑運移實驗為例進行分析:實驗結束後，利用軟體模擬裂縫中的砂堤形態得到砂堤形態示意如圖9所示。
[0077]利用上述方法研究壓裂液在上述六種模擬縫網結構中攜砂的運移規律，進而綜合分析縫網中支撐劑沉降規律。
【權利要求】
1.一種模擬體積壓裂複雜縫網支撐劑沉降規律的裝置，其特徵在於，該裝置包括圍擋組成的主裂縫、與主裂縫垂直相連的二級裂縫、與主裂縫平行並通過二級裂縫相連的三級裂縫。
2.根據權利要求1所述的一種模擬體積壓裂複雜縫網支撐劑沉降規律的裝置，其特徵在於，所述的裝置整體為有機玻璃材質，所述有機玻璃的抗壓壓力小於等於一個標準大氣壓。
3.根據權利要求1所述的一種模擬體積壓裂複雜縫網支撐劑沉降規律的裝置，其特徵在於，在該裝置的主裂縫的兩端分別設置有壓裂液入口和壓裂液出口，所述壓裂液入口與外部的壓裂液管路或混砂液管路相連；在所述壓裂液入口和壓裂液出口分別設置有壓力表和閥門。
4.根據權利要求3所述的一種模擬體積壓裂複雜縫網支撐劑沉降規律的裝置，其特徵在於，所述壓裂液入口和所述壓裂液出口均為模擬井筒射孔。
5.根據權利要求4所述的一種模擬體積壓裂複雜縫網支撐劑沉降規律的裝置，其特徵在於，所述模擬井筒射孔的直徑為10_ ;所述壓裂液入口的模擬井筒射孔數量為4個；壓裂液入口處模擬井筒射孔，射孔直徑為10_ ;所述壓裂液出口的模擬井筒射孔數量為5個。
6.根據權利要求1所述的一種模擬體積壓裂複雜縫網支撐劑沉降規律的裝置，其特徵在於，裝置還包括封堵部件，所述封堵部件用於封堵二級裂縫或三級裂縫，使整個裝置中的所有裂縫組成不同結構模擬縫網。
7.根據權利要求1所述的一種模擬體積壓裂複雜縫網支撐劑沉降規律的裝置，其特徵在於，所述的主裂縫為I條，所述二級裂縫為包括對稱設置在主裂縫兩側的6條次級裂縫，所述三級裂縫為2條，所述2條三級裂縫與主裂縫的間距相等。
8.根據權利要求1所述的一種模擬體積壓裂複雜縫網支撐劑沉降規律的裝置，其特徵在於，所述主裂縫長50-70cm，二級裂縫長30-40cm，三級裂縫長50_70cm，所述主裂縫、二級裂縫和三級裂縫的縫高均為40-50cm ;所述主裂縫、二級裂縫和三級裂縫的寬度均為1 -1 Omnin
9.根據權利要求8所述的一種模擬體積壓裂複雜縫網支撐劑沉降規律的裝置，其特徵在於，所述主裂縫長60cm，二級裂縫長30cm，三級裂縫長60cm，所述主裂縫、二級裂縫和三級裂縫的縫高均為40cm ;所述主裂縫、二級裂縫和三級裂縫的寬度均為10mm。
【文檔編號】G01N33/00GK204008603SQ201420378895
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月9日 優先權日:2014年7月9日
【發明者】溫慶志, 李楊, 戰永平, 段曉飛, 高金劍, 劉華, 劉欣佳 申請人:中國石油大學(華東)