一種水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統的製作方法

2023-06-18 09:07:58 1

本實用新型涉及真三軸水力壓裂裂縫起裂和擴展規律的物理模擬實驗技術，尤其涉及一種水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統。

背景技術：

水力壓裂是油氣田增產改造的關鍵技術之一。隨著以頁巖氣和緻密油為代表的非常規油氣資源的開採，水平井分段分簇壓裂技術已經得到大規模應用。近年來，又湧現出了多井同步壓裂等新技術，大大改善了儲層改造效果。水平井分段壓裂是指根據儲層的物性特徵針對水平井段不同位置地層進行分段壓裂，用多壓裂段數來增大裂縫與地層的接觸面積，獲得較高的初始產量和提高採收率。同步壓裂技術是指對多口水平井同時進行壓裂施工，目的是利用井間連通的優勢來增大水力裂縫的密度和複雜程度。真三軸水力壓裂模擬實驗系統是研究水力裂縫起裂和擴展規律的有效手段。其是模擬油田水力壓裂過程，將流體通過高壓泵組注入巖樣中預製模擬井筒並在井筒底部產生憋壓，當流體壓力超過巖石的抗張強度時，發生破裂並繼續擴展。

目前，國內外眾多學者對水力裂縫起裂擴展規律進行了大量實驗研究，但現有技術方案僅能夠實現對單井單段壓裂的物理模擬，無法對水平井分段壓裂過程中段間裂縫幹擾等相關問題開展實驗研究。中國發明專利(CN 104563993 A)公布了一種頁巖水平井分段壓裂模擬實驗方法。具體是在水平井筒內充填無聲破碎劑漿體，利用分割件控制模擬的水平井分段數，通過無聲破碎劑漿體配製的先後順序控制充填段裂縫的起裂順序。無聲破碎劑漿體多使用經高溫煅燒以氧化鈣為主體的無機化合物，摻入適量外加劑共同粉磨製成的具備高膨脹性能的非爆破性破碎用粉狀材料，在其失水膨脹固化過程中，形成高壓作用於巖樣，產生裂縫。

但是在目前的研究中主要存在以下兩點問題：1)發明專利(CN 104563993 A)中的方法所採用的無聲破碎劑漿體是以形成固體過程擠壓巖樣產生裂縫，即對裂縫的作用力僅集中在裂縫形成點，並不會隨裂縫擴展而移動，因此無法研究動態作用力水力壓裂過程中流體作用下的對裂縫形成和擴展規律的影響；2)並且目前針對分段壓裂或同步壓裂的研究較少，無法從理論實驗中總結出多條裂縫的縫間幹擾對裂縫形成和擴展形態的影響規律。因此目前的實驗系統與實際礦場水壓致裂的原理存在本質的區別，實驗結論無法為礦產實踐提供有效的指導。

技術實現要素：

本實用新型提供一種水平井分段壓裂或同步模擬實驗系統，能夠在模擬實際礦場水壓致裂的前提下研究流體作用力對裂縫形成和擴展規律的影響，為礦產提供更加有效的指導；在實現分段壓裂模擬時減少可注液管的移動距離，節約實驗系統安裝所需空間；實現認識裂縫擴展規律並研究水平井分段壓裂的段間裂縫幹擾現象和同步壓裂產生的井間裂縫幹擾增加裂縫複雜程度的作用機理。

本實用新型提供一種水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統，用於對立方體人工巖樣進行壓裂模擬，包括：壓裂模擬組件、應力加載裝置和裂縫監測裝置，壓裂模擬組件包括模擬井筒和注液管；模擬井筒位於人工巖樣內部，模擬井筒的筒底封閉，且模擬井筒的筒口位於人工巖樣的外部；模擬井筒的筒壁上開設有至少兩個沿模擬井筒軸向排列的模擬射孔。

注液管一端封閉，另一端與供液管線連接，注液管的外徑與模擬井筒的內徑相匹配，以使注液管套設在模擬井筒內，注液管的管壁上開設有至少兩個沿注液管軸向排列的出液孔，相鄰出液孔之間的孔距與模擬射孔之間的孔距不相同。

注液管在模擬井筒內沿軸向移動時，至多一個出液孔與模擬射孔位置相對並連通，以使流入注液管內的壓裂液通過與出液孔相連通的模擬射孔進入人工巖樣。

應力加載裝置為三個，每個應力加載裝置對應一個與人工巖樣的外立面垂直的方向，且不同壓裂模擬組件所對應的方向彼此垂直。

裂縫監測裝置的傳感器安設在人工巖樣的表面。

可選的，壓裂模擬組件為一個時，完成水平井分段壓裂模擬實驗；壓裂模擬組件為兩個時，完成水平井同步壓裂模擬實驗，兩個壓裂模擬組件均設置在人工巖樣的同一外立面側，每個壓裂模擬組件均包括一根模擬井筒與一根注液管。

可選的，模擬井筒的筒壁上開設有由模擬井筒的筒底至筒口依次設置的第一級壓裂段模擬射孔、第二級壓裂段模擬射孔和第三級壓裂段模擬射孔。注液管的管壁上開設有由注液管的管底至管口依次設置的第一級壓裂段出液孔、第二級壓裂段出液孔和第三級壓裂段出液孔。

可選的，每個壓裂模擬組件還包括位置調節裝置，位置調節裝置包括螺紋接頭、平板、絲槓和四個支撐柱，螺紋接頭具有內螺紋孔，且螺紋接頭具有和注液管端部連接的端面。

支撐柱對稱固定在平板上，絲槓一端固定在平板上，絲槓另一端和螺紋接頭的內螺紋孔旋合。

可選的，絲槓端部的活動範圍位於螺紋接頭的內螺紋孔之內。

可選的，人工巖樣表面設有頂板，位置調節裝置設置在頂板上，頂板上還設有用於使模擬井筒穿過的中心孔。

可選的，注液管的管口還設有轉接頭，轉接頭與螺紋接頭抵接。

可選的，第一級壓裂段出液孔、第二級壓裂段出液孔和第三級壓裂段出液孔的兩側均設有密封圈。

可選的，裂縫監測裝置為聲發射裂縫監測裝置。

可選的，兩個壓裂模擬組件分別為第一壓裂模擬組件和第二壓裂模擬組件，第一壓裂模擬組件的第一模擬井筒和第二壓裂模擬組件的第二模擬井筒上具有相同數量和間距的模擬射孔。

本實用新型提供一種水平井分段壓裂或同步模擬實驗系統，通過以液體為壓裂介質，能夠在模擬實際礦場水壓致裂的前提下研究流體作用力對裂縫形成和擴展規律的影響，為礦產提供更加有效的指導；通過合理設計模擬射孔孔眼距離和出液孔孔眼位置，在實現分段壓裂模擬時減少可注液管的移動距離，節約實驗系統安裝所需空間；通過分段設置模擬射孔，兩個模擬井筒同步壓裂，實現認識裂縫擴展規律並研究水平井分段壓裂的段間裂縫幹擾現象和同步壓裂產生的井間裂縫幹擾增加裂縫複雜程度的作用機理。

附圖說明

圖1是本實用新型提供的水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統的結構示意圖；

圖2是本實用新型提供的水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統的模擬井筒的結構示意圖；

圖3是本實用新型提供的水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統的模擬井筒和人工巖樣的結構示意圖；

圖4是本實用新型提供的水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統的注液管的結構示意圖；

圖5是本實用新型提供的水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統的位置調節裝置的結構示意圖；

圖6是本實用新型提供的水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統的螺紋接頭的結構示意圖；

圖7是本實用新型提供的圖6的右視圖；

圖8是本實用新型提供的水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統的頂板的結構示意圖；

圖9是本實用新型提供的水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統的分段壓裂模擬實驗中注液管與模擬井筒相對位置示意圖；

圖10是本實用新型提供的水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統的同步壓裂模擬實驗的第一種位置關係示意圖；

圖11是本實用新型提供的水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統的同步壓裂模擬實驗的第二種位置關係示意圖；

圖12是本實用新型提供的水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統的同步壓裂模擬實驗的第三種位置關係示意圖；

圖13是本實用新型提供的水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統的同步壓裂模擬實驗的第四種位置關係示意圖。

附圖標記說明：

1-壓裂模擬組件； 2-人工巖樣；

11-模擬井筒； 12-注液管；

13-應力加載裝置； 14-裂縫監測裝置；

15-供液管線； 16-位置調節裝置；

111-模擬射孔； 112-第一模擬井筒；

113-第二模擬井筒； 121-出液孔；

122-轉接頭； 123-密封圈；

161-螺紋接頭； 162-平板；

163-絲槓； 164-支撐柱；

21-頂板； 211-中心孔；

1111-第一級壓裂段模擬射孔； 1112-第二級壓裂段模擬射孔；

1113-第三級壓裂段模擬射孔； 1211-第一級壓裂段出液孔；

1212-第二級壓裂段出液孔； 1213-第三級壓裂段出液孔。

具體實施方式

圖1是本實用新型提供的水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統的結構示意圖，圖2是本實用新型提供的水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統的模擬井筒的結構示意圖，圖3是本實用新型提供的水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統的模擬井筒和人工巖樣的結構示意圖，圖4是本實用新型提供的水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統的注液管的結構示意圖，圖5是本實用新型提供的水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統的位置調節裝置的結構示意圖，圖6是本實用新型提供的水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統的螺紋接頭的結構示意圖，圖7是本實用新型提供的圖6的右視圖，圖8是本實用新型提供的水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統的頂板的結構示意圖，圖9是本實用新型提供的水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統的注液管相對於模擬井筒位置示意圖，圖10是本實用新型提供的水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統的同步壓裂模擬實驗的第一種位置關係示意圖，圖11是本實用新型提供的水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統的同步壓裂模擬實驗的第二種位置關係示意圖，圖12是本實用新型提供的水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統的同步壓裂模擬實驗的第三種位置關係示意圖，圖13是本實用新型提供的水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統的同步壓裂模擬實驗的第四種位置關係示意圖。

如圖1-13所示，本實用新型提供一種水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統，用於對立方體人工巖樣2進行壓裂模擬，包括：壓裂模擬組件1、應力加載裝置13和裂縫監測裝置14，壓裂模擬組件1包括模擬井筒11和注液管12；模擬井筒11位於人工巖樣2內部，模擬井筒11的筒底封閉，且模擬井筒11的筒口位於人工巖樣2的外部；模擬井筒11的筒壁上開設有至少兩個沿模擬井筒11軸向排列的模擬射孔111。

注液管12一端封閉，另一端與供液管線15連接，注液管12的外徑與模擬井筒11的內徑相匹配，以使注液管12套設在模擬井筒11內，注液管12的管壁上開設有至少兩個沿注液管12軸向排列的出液孔121，相鄰出液孔121之間的孔距與模擬射孔111之間的孔距不相同。

注液管12在模擬井筒11內沿軸向移動時，至多一個出液孔121與模擬射孔111位置相對並連通，以使流入注液管12內的壓裂液通過與出液孔121相連通的模擬射孔111進入人工巖樣2。

應力加載裝置13為三個，每個應力加載裝置13對應一個與人工巖樣2的外立面垂直的方向，且不同壓裂模擬組件1所對應的方向彼此垂直。

裂縫監測裝置14的傳感器安設在人工巖樣2的表面。

需要說明的是，該水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統通過在人工巖樣2外立面設置壓裂模擬組件1，真實模擬在此方向的壓裂過程。壓裂模擬實驗開始後，三個應力加載裝置13分別從不同的方向對人工巖樣2外部加載應力，應力加載裝置13優選為液壓活塞。同時壓裂液通過高壓泵經過供液管線15注入注液管12內，通過注液管12的管壁上的出液孔121流經模擬井筒11的模擬射孔111進入人工巖樣2，應力加載裝置13和高壓壓裂液體對人工巖樣2同時作用，內外同時加壓使人工巖樣2內部產生憋壓，當壓裂液體的壓力超過巖體的抗張強度時，在巖體內部發生破裂。壓裂液體會隨著裂縫延展流動，即壓裂作用力會隨著裂縫延伸，因此裂縫不斷擴展。通過裂縫監測裝置14監測裂縫的形成和擴展形態。壓裂液優選使用水體，能更加真實模擬實際礦場的作業環境。

在上述基本實驗過程基礎上，還可通過調節注液管12在模擬井筒11內的伸入位置，調整不同出液孔121與模擬射孔111相互對應，完成分段壓裂模擬實驗。並且，還可通過在每個壓裂模擬組件1中優選設置兩個壓裂模擬組件1，即設置兩組模擬井筒11和注液管12，分別研究這兩組模擬井筒11和注液管12形成的裂縫之間的互相影響，實現兩個模擬井筒11同步壓裂模擬實驗。通過分段壓裂模擬實驗和同步壓裂模擬實驗能夠真實模擬油氣井壓裂過程，為礦產實踐提供有效的指導。

優選的，上述的人工巖樣2為300mm×300mm×300mm的立方體。模擬井筒11的總長度為250mm，外徑為15mm，內徑為10mm。注液管12總長度為250mm，外徑為9mm，內徑為2mm。供液管線15外徑為3mm，內徑為1mm。模擬射孔111和出液孔121的孔徑均為2mm。

具體的，壓裂模擬組件1為一個時，完成水平井分段壓裂模擬實驗；壓裂模擬組件1為兩個，完成水平井同步壓裂模擬實驗，兩個壓裂模擬組件1均設置在人工巖樣2的同一外立面側，每個壓裂模擬組件1均包括一根模擬井筒11與一根注液管12。

需要說明的是，當每個壓裂模擬組件1均包括一個模擬井筒11與一個注液管12，即可完成分段壓裂模擬實驗。當設置兩個壓裂模擬組件1時，所包括兩個模擬井筒11與兩個注液管12，既可以通過單組注液完成分段壓裂模擬實驗，也可以通過兩組同時注液，完成同步壓裂模擬實驗，研究兩口井間裂縫的縫間幹擾以及增加裂縫複雜程度的作用機理。

具體的，模擬井筒11的筒壁上開設有由模擬井筒11的筒底至筒口依次設置的第一級壓裂段模擬射孔1111、第二級壓裂段模擬射孔1112和第三級壓裂段模擬射孔1113；注液管12的管壁上開設有由注液管12的管底至管口依次設置的第一級壓裂段出液孔1211、第二級壓裂段出液孔1212和第三級壓裂段出液孔1213。

需要說明的是，通過分別設置第一級壓裂段模擬射孔1111、第二級壓裂段模擬射孔1112、第三級壓裂段模擬射孔1113和第一級壓裂段出液孔1211、第二級壓裂段出液孔1212、第三級壓裂段出液孔1213，可完成三級壓裂模擬實驗。如圖9所示，當進行第一級壓裂模擬實驗時，注液管12相對於模擬井筒11的位置如圖中由上至下第一根注液管12的位置，此時僅第一級壓裂段模擬射孔1111與第一級壓裂段出液孔1211相對應連通，其餘孔均錯位設置，故注入的壓裂液僅能通過第一級壓裂段模擬射孔1111進入人工巖樣2。當進行第二級壓裂模擬實驗，注液管12相對於模擬井筒11的位置如圖中由上至下第二根注液管12的位置，此時注液管12相對於模擬井筒11向外移動一段距離，致使僅有第二級壓裂段模擬射孔1112與第二級壓裂段出液孔1212相對應連通，其餘孔均錯位設置，故注入的壓裂液僅能通過第二級壓裂段模擬射孔1112進入人工巖樣2。當進行第三級壓裂模擬實驗，與第二級壓裂模擬實驗類似，注液管12相對於模擬井筒11的位置如圖中由上至下第三根注液管12的位置，此時注液管12相對於模擬井筒11向外繼續移動一段距離，致使僅有第三級壓裂段模擬射孔1113與第三級壓裂段出液孔1213相對應連通，其餘孔均錯位設置，故注入的壓裂液僅能通過第三級壓裂段模擬射孔1113進入人工巖樣2。通過分段壓裂模擬實驗，可研究模擬井筒11不同壓裂段之間的裂縫幹擾現象和水力裂縫的擴展規律。

需要說明的是，上述三級分段壓裂模擬實驗可根據實驗需要安排其完成的先後順序，並不局限於其名稱所限定的順序。

優選的，上述的第一級壓裂段模擬射孔1111、第二級壓裂段模擬射孔1112和第三級壓裂段模擬射孔1113距離模擬井筒11筒口分別為200mm、150mm和100mm。第一級壓裂段出液孔1211、第二級壓裂段出液孔1212和第三級壓裂段出液孔1213距離注液管12管口分別為225mm、185mm和145mm。在進行第二級壓裂模擬實驗和第三級壓裂模擬實驗時，注液管12相對於模擬井筒11外移的距離均為10mm。

具體的，每個壓裂模擬組件1還包括位置調節裝置16，位置調節裝置16包括螺紋接頭161、平板162、絲槓163和四個支撐柱164，螺紋接頭161具有內螺紋孔，且螺紋接頭161具有和注液管12端部連接的端面。

支撐柱164對稱固定在平板162上，絲槓163一端固定在平板162上，絲槓163另一端和螺紋接頭161的內螺紋孔旋合。

具體的，絲槓163端部的活動範圍位於螺紋接頭161的內螺紋孔之內。

需要說明的是，通過螺紋接頭161在絲槓163上活動，限定注液管12在模擬井筒11內的位置。通過平板162和支撐柱164相互配合，應力加載裝置13抵接在平板162表面，平板162用以向人工巖樣2表面傳遞應力加載裝置13的應力。絲槓163端部的活動範圍位於螺紋接頭161的內螺紋孔之內，即螺紋接頭161僅限定在絲槓163上活動。該位置調節裝置16用以調節並固定注液管12的位置，防止壓裂液在人工巖樣2內壓力過高，注液管12退出模擬井筒11或兩者位置發生偏差，造成出液孔121和模擬射孔111無法對應連通。

優選的，上述平板162為300mm×300mm×40mm的鋁板。支撐柱164優選為四個，相對於平板162對稱設置，其直徑為80mm。絲槓163直徑為20mm，為外螺紋結構。如圖6和7所示，螺紋接頭161為「T」型結構，中心通孔直徑為20mm，為內螺紋結構。

具體的，人工巖樣2表面設有頂板21，位置調節裝置16設置在頂板21上，頂板21上還設有用於使模擬井筒11穿過的中心孔211。

具體的，注液管12的管口還設有轉接頭122，轉接頭122與螺紋接頭161抵接。

需要說明的是，人工巖樣2表面的頂板21是為保證人工巖樣2表面受力均勻，而注液管12的管口設置轉接頭122也是為通過與螺紋接頭161抵接而保證注液管12不會被液體壓力推出模擬井筒11。

優選的，頂板21為300mm×300mm×25mm的鋁板，中心孔211直徑為25mm。

具體的，第一級壓裂段出液孔1211、第二級壓裂段出液孔1212和第三級壓裂段出液孔1213的兩側均設有密封圈123。

需要說明的是，由於注液管12的外徑和模擬井筒11的內徑之間會預留有注液管12套入時所需空間，根據上述優選的注液管12外徑和模擬井筒11內徑可以看出，兩者之間相差1mm，為防止壓裂液通入後，沿此縫隙滲入相鄰模擬射孔111，故在每個出液孔121兩側均設置密封圈123。優選的，密封圈123厚度大於1mm。

具體的，裂縫監測裝置14為聲發射裂縫監測裝置。

需要說明的是，聲發射裂縫監測裝置由傳感器、前置放大器、數據採集處理系統和記錄分析顯示系統四個部分組成。聲發射裂縫監測裝置中傳感器接收採集來自聲發射源的聲波信號，即聲發射信號，此聲發射信號反應了人工巖樣2內部裂縫的形態。接收的聲發射信號經前置放大器放大後，並由信號採集處理系統對聲發射信號做處理後，由記錄顯示系統進行記錄、分析和顯示，從而直觀的分析裂縫的形成和擴展形態。

具體的，兩個壓裂模擬組件1分別為第一壓裂模擬組件和第二壓裂模擬組件，第一壓裂模擬組件的第一模擬井筒112和第二壓裂模擬組件的第二模擬井筒113上具有相同數量和間距的模擬射孔111。

需要說明的是，通過設置第一模擬井筒112和第二模擬井筒113完成兩個模擬井筒11同步壓裂模擬實驗，本水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統共有四種位置關係。如圖10所示，圖示出為第一種位置關係，第一模擬井筒112和第二模擬井筒113兩者位於人工巖樣2內部深度相同，兩者的第一級壓裂段模擬射孔1111、第二級壓裂段模擬射孔1112和第三級壓裂段模擬射孔1113均各自相互對應。如圖11所示，第二種位置關係為第一模擬井筒112和第二模擬井筒113兩者位於人工巖樣2內部深度不同，兩者的第一級壓裂段模擬射孔1111、第二級壓裂段模擬射孔1112和第三級壓裂段模擬射孔1113均各自相互對應。如圖12所示，第三種位置關係為第一模擬井筒112和第二模擬井筒113兩者位於人工巖樣2內部深度相同，兩者的第一級壓裂段模擬射孔1111、第二級壓裂段模擬射孔1112和第三級壓裂段模擬射孔1113均各自相互錯開設置。如圖13所示，第四種位置關係為第一模擬井筒112和第二模擬井筒113兩者位於人工巖樣2內部深度不同，兩者的第一級壓裂段模擬射孔1111、第二級壓裂段模擬射孔1112和第三級壓裂段模擬射孔1113均各自相互錯開設置。

通過上述四種位置關係的設置，可以探究模擬井筒11深度和模擬射孔111是否相對應兩個因素對裂縫形成擴展的影響。故通過設置四種位置關係能夠分別模擬不同(或相同)深度的兩口水平井，壓裂段相對和交錯分布等壓裂改造方案下裂縫的擴展規律。

本實用新型提供的水平井分段壓裂或同步壓裂模擬實驗系統，通過以液體為壓裂介質，壓裂施力點可隨液體在裂縫中流動而改變位置，實現研究動態作用力對裂縫形成及擴展規律的研究，模擬實際礦場水壓致裂情況，為礦產提供更加有效的指導；通過合理設計模擬射孔111孔眼距離和出液孔121孔眼位置，在分段壓裂時減少可注液管12的移動距離，減少實驗系統所需安裝空間；通過分段設置模擬射孔111，兩個模擬井筒11同步壓裂，能實現認識裂縫擴展規律並研究分段壓裂的模擬射孔111和同步壓裂模擬井筒11引起的縫間幹擾對裂縫形成和擴展形態的影響。

最後應說明的是：以上各實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術方案的範圍。