一种模拟页岩储层水平井体积压裂的装置及方法

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一种模拟页岩储层水平井体积压裂的装置及方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种模拟页岩储层水平井体积压裂的装置及方法，属于非常规油气资源开发技术领域。\n背景技术\n[0002] 页岩油气属于非常规油气资源，由于页岩储层渗透率低(纳米达西级)，油气渗流阻力大，通常无自然产能，需要采取压裂措施才能有效开采。而现场压裂试验施工难度大，井下情况复杂，且同一层位无法重复进行多次试验，因此通过需要室内对压裂过程模拟研究。CN201724868U(CN201020283533.2)提供一种水力压裂破裂过程模拟的室内装置，是室内模拟地层条件下岩石在液体压力下破裂过程的测试装置。这种水力压裂破裂过程模拟的室内装置包括方形的承压体(1)，承压体(1)内部是承压腔，承压体(1)上盖用高强度螺钉拧紧，可以打开和密封，三个正交的加载机构的压力板(2)均伸入到承压腔中，承压体(1)的一侧连接外承压体(14)，外承压体(14)内部是外承压室，承压腔与外承压室相通，承压腔与外承压室之间安装导轨(13)，试样小车(12)在导轨(13)上，试样小车上安装有压力板(2)和固定承压柱(6)，压力板(2)和固定承压柱(6)上有连通的注液通道(5)，注液通道(5)与承压腔相通。\n[0003] 页岩储层的开采以水平井为主，携砂液一般选用滑溜水、线性胶或清水，采用大排量、大规模的方式对水平井进行分段压裂，少则分3-5段，多则10-20段，甚至更多，液量从几千方到几万方，在页岩储层中形成裂缝网络(缝网)，增大储层的改造体积，为页岩油气提供渗流通道，提高页岩井的产能。由于页岩储层水平井压裂施工规模大、而且裂缝在几千米的地下，无法观察到裂缝的起裂和延伸，无法准确得到裂缝网络的密度和储层改造体积等数据，也无法分析页岩储层中油气的渗流规律、裂缝网络对产能影响，因此，需要应用实验的方法来模拟页岩储层水平井体积压裂。而当前国内外关于页岩压裂主要是立足于理论研究，缺少相关的模拟装置和方法。存在的主要问题有：1、缺少能够模拟页岩储层物性、模拟地下条件的实验装置，实验介质主要采用石英砂或岩石露头，和页岩储层有较大的差异；\n2、缺少能够模拟水平井分段压裂的装置，特别是能够模拟二十段以上的模拟装置；3、无发测定裂缝网络的密度和页岩储层压裂的体积；4、不能模拟水平井射孔孔径、密度和相位对裂缝起裂、延伸和压裂井产能的影响。\n发明内容\n[0004] 针对现有技术的不足，本发明提出了一种模拟页岩储层水平井体积压裂的装置。\n[0005] 本发明还提供利用该装置模拟页岩储层水平井体积压裂的方法。\n[0006] 术语解释：\n[0007] 相似性准则：流体力学领域公知原理，参见袁恩熙《工程流体力学[M]》，石油工业出版社，105-109。\n[0008] 射孔相位角：相邻两射孔弹之间的空间夹角，是射孔工艺设计的关键参数。\n[0009] 本发明的技术方案如下：\n[0010] 一种模拟页岩储层水平井体积压裂的装置，包括模拟储层腔体、数据采集控制面板、计算机、在模拟储层腔体内设置的水平井筒，所述的数据采集控制面板与计算机相连；\n所述模拟储层腔体包括上盖和矩形腔，所述上盖通过螺栓密封设置在矩形腔上；\n[0011] 在模拟储层腔体的一侧壁上贯通设置有若干个进液孔，所述进液孔在模拟储层腔体的一侧壁上呈同一水平直线设置，所述水平井筒穿过其中一个进液孔设置在模拟储层腔体内，其余进液孔封堵备用；水平井筒筒壁上分段间隔设有射孔孔眼，水平井筒一端为进液口，水平井筒的另一端封闭；在模拟储层腔体内壁上设置有多条供给源管，所述多条供给源管均与模拟储层腔体外壁上设置的供给源进液口相连，在供给源进液口处设置有阀门，在供给源管上设置均匀设置有孔眼；\n[0012] 在模拟储层腔体内填充有介质(该介质是模拟页岩储层的岩层)；在模拟储层腔体内上、中、下分布三层压力传感器，每层均匀分布30～40只压力传感器；每只压力传感器均通过电缆25与数据采集控制面板相连；\n[0013] 本发明还包括储液罐和气罐，在储液罐外设加热套，加热套上设有温度传感器，所述温度传感器与数据采集控制面板连接，所述储液罐的出料口通过柱塞泵与管线相连，在所述管线上设置有流量计和压力表，所述流量计和压力表分别与数据采集控制面板连接；\n所述气罐的出气口与气体管道相连，在气体管道上设置有气体流量计，所述气体流量计与数据采集控制面板连接；\n[0014] 根据本发明，当模拟页岩储层压裂缝扩展时，供给源进液口处的阀门关闭设置，所述储液罐通过管线与水平井筒的进液口相连通。\n[0015] 根据本发明，当模拟页岩储油层生产过程时，所述储液罐通过管线与供给源进液口相连通，所述水平井筒的进液口与大气相连通；在水平井筒的射孔孔眼处设置人工裂缝模型，使人工裂缝模型与射孔孔眼相通；所述人工裂缝模型是水平井横向裂缝模型、纵向裂缝模型、斜交裂缝模型或扭曲裂缝模型。人工裂缝模型的尺寸(半径、缝宽)均根据实验需要确定，人工裂缝的数量从几条到几十条。人工裂缝模型属于可选部件，如果只模拟压裂水平井的生产过程，则需要连接该部件。\n[0016] 根据本发明，当模拟页岩储气藏生产过程时，所述气罐通过气体管道与供给源进液口相连通，所述水平井筒的进液口与大气相连通；在水平井筒的射孔孔眼处设置人工裂缝模型，使人工裂缝模型与射孔孔眼相通；所述人工裂缝模型是水平井横向裂缝模型、纵向裂缝模型、斜交裂缝模型或扭曲裂缝模型。人工裂缝模型的尺寸(半径、缝宽)均根据实验需要确定，人工裂缝的数量从几条到几十条。人工裂缝模型属于可选部件，如果只模拟压裂水平井的生产过程，则需要连接该部件。\n[0017] 根据本发明优选的，所述模拟储层腔体安装于万向支架12上，万向支架由4根高度可调支柱组成。通过调节每根支柱的高度，使长方形腔体倾斜，从而模拟任意倾角地层。\n[0018] 根据本发明优选的，所述模拟储层腔体为长方形腔体，采用钢块整体镂空而成。进一步优选所述长方形腔体外形长1.2m，宽0.4m，高0.3m；在模拟储层腔体内上、中、下均匀分布三层压力传感器共108只，每层按纵横次序均匀分布36只。\n[0019] 根据本发明优选的，所述管线为耐压管线。\n[0020] 根据本发明优选的，所述储液罐内设置有搅拌机，所述搅拌机为可调速度的搅拌机。在储液罐内通过搅拌机对滑溜水或携砂液搅拌均匀，通过加热套将压裂液加热到地层温度。所述搅拌机可模拟页岩储层压裂时的剪切作用。\n[0021] 根据本发明优选的，在模拟储层腔体内设置有介质为经硅胶粘接、固化后的页岩露头。填入介质的过程为：打开模拟储层腔体的上盖，将页岩露头填入模拟储层腔体内，边填边用硅胶粘接，最后使粘有硅胶的页岩露头整体固化在模拟储层腔体内，利用上盖对模拟储层腔体进行密封。在模拟实验时，所述的页岩经压裂液压裂形成裂缝，通过对裂缝的观察和记录，对比不同压裂液对页岩储层压裂过程的影响。\n[0022] 优选的，在模拟储层腔体的一侧壁上贯通设置的进液孔的个数为3个。\n[0023] 根据需要，水平井筒选用钢级为N80或P110的钢材，水平井筒长度选择范围为\n0.2-1.2m。根据需要、按照一定比例设计水平井筒的内径和壁厚。在水平井筒9上设置的分段射孔孔眼，根据模拟的需要来确定每段的射孔孔眼的孔径、孔密和射孔相位角，以及每段射孔孔眼之间的间距。\n[0024] 根据本发明，当模拟页岩储油层生产过程时，在水平井筒进液口处设置电子天平及废液罐。所述电子天平用来测量模拟页岩储油层的油品产量。\n[0025] 根据本发明，当模拟页岩储气藏生产过程时，在水平井筒进液口处设置气体流量计。所述气体流量计用来测量模拟页岩储气藏的气体产量。\n[0026] 一种模拟页岩储层水平井体积压裂的方法，包括使用本发明上述的装置模拟页岩储层压裂缝扩展的过程、模拟页岩储油层生产过程和模拟页岩储气藏生产过程，按以下步骤进行，\n[0027] 模拟页岩储层压裂缝扩展的过程，按步骤(1)-(7)进行：\n[0028] (1)依据相似性准则，选定一定长度及钢级的水平井筒，根据模拟水平井分段压裂的射孔要求，选定水平井筒的射孔孔眼的孔径、孔密和射孔相位角；供给源进液口处的阀门关闭设置，所述储液罐通过管线与水平井筒的进液口相连通；\n[0029] (2)在储液罐中加入携砂液，储液罐内的携砂液沿管线、水平井筒进液口低速通入水平井筒内，检查管线及模拟储层腔体的密封性；\n[0030] (3)连接好流量计、压力表、压力传感器和温度传感器，启动计算机；\n[0031] (4)设定好工作压力，启动柱塞泵，所述储液罐内携砂液以一定排量泵入水平井筒内，沿水平井筒筒壁上射孔孔眼流出；计算机记录模拟储层腔体内各部位的压力变化；\n[0032] (5)当压力表显示的压力值达到最大值时，此压力值即介质的破裂压力，停止柱塞泵；完成利用携砂液模拟页岩储层压裂缝扩展过程；\n[0033] (6)对模拟储层腔体进行泄压，打开模拟储层腔体的上盖，观察介质裂缝的形状，测量介质裂缝的密度和压裂体积，分析介质裂缝的起裂、延伸规律，分析压裂体积与裂缝的条数、长度、间距、施工排量和施工压力的关系；\n[0034] (7)更换模拟储层腔体内的介质，将储液罐内的携砂液换为煤油、水或其它配比的携砂液，重复步骤(1)-(6)；\n[0035] 模拟页岩储油层生产过程时，按以下步骤(8)-(9)进行：\n[0036] (8)在储液罐中加入煤油或质量浓度为1％的NaCl溶液；将人工裂缝模型安装在水平井筒上，确保人工裂缝模型与射孔孔眼相通，打开供给源进液口处的阀门，将管线与供给源进液口连接起来，打开水平井筒进液口，使水平井筒与大气相通，储液罐内的煤油或质量浓度为1％的NaCl溶液沿管线、柱塞泵、供给源进液口、供给源管和供给源管上的孔眼泵入模拟储层腔体内；\n[0037] (9)利用电子天平称量由水平井筒进液口流出的煤油或质量浓度为1％的NaCl溶液的质量；\n[0038] 模拟页岩储气藏生产过程时，按以下步骤(10)-(11)进行：\n[0039] (10)将人工裂缝模型安装在水平井筒上，确保人工裂缝模型与射孔孔眼相通，打开供给源进液口处的阀门，将气体管道与供给源进液口连接起来，打开水平井筒进液口，使水平井筒与大气相通，气罐内的气体沿气体管道、供给源进液口、供给源管和供给源管上的孔眼泵入模拟储层腔体内；\n[0040] (11)利用气体流量计测量经水平井筒进液口所喷出的气体体积；\n[0041] 所有数据通过数据采集控制板传输至计算机；\n[0042] (12)根据模拟生产油、气得到的数据，分析裂缝条数、半径、缝宽和导流能力对产能的影响，建立相应的数学模型，确定可行的裂缝参数、施工参数、施工材料。\n[0043] 所述裂缝参数包括裂缝条数、半径、缝宽和导流能力；\n[0044] 所述施工参数包括页岩破裂压力、压裂过程中施工排量、携砂液的砂比等；\n[0045] 所述施工材料包括压裂液种类及粘度，支撑剂粒径及密度等。\n[0046] 本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：\n[0047] (1)本发明真实反映了页岩地层物性、裂缝参数对水平井体积压裂产能的影响；\n[0048] (2)本发明模拟了在页岩储层中水平井体积压裂裂缝的起裂、延伸规律；\n[0049] (3)本发明可直接观察裂缝网络的形态，测定裂缝网络的密度、储层压裂体积，并监测裂缝起裂过程中储层内部各点压力的变化规律。\n[0050] (4)本发明模拟了水平井射孔孔径、密度和相位对裂缝起裂、延伸及产能的影响；\n[0051] (5)本发明提供的装置和方法可优化页岩储层水平井体积压裂裂缝参数(如裂缝的条数、半径、缝宽和导流能力)，优化施工参数(如压力、排量、砂比等)，优选施工材料(压裂液类型、粘度，支撑剂粒径、密度等)。\n[0052] (6)本发明提供的装置原理可靠、方法切实可行，即可模拟页岩储层水平井体积压裂裂缝的起裂和延伸，又可模拟水平井体积压裂流体的渗流规律，在同一套装置中实现了压裂及生产两个过程的模拟。\n[0053] 本发明根据相似性准则，选择实验介质、设计水平井分段压裂裂缝模型，模拟体积压裂裂缝的起裂、延伸过程，测定缝网的密度和体积，模拟页岩储层油气的渗流，研究裂缝参数对页岩储层水平井压裂产能的影响，优化压裂施工参数和裂缝参数，解决页岩储层压裂的关键问题。\n附图说明\n[0054] 图1是本发明模拟页岩储层水平井体积压裂的装置示意图。其中，1、储液罐、2、柱塞泵、3、加热套、4、流量计、5、压力表、6、供给源管、7、阀门、8、压力传感器、9、水平井筒、\n10、人工裂缝模型、11、介质、12、万向支架、13、废液罐、14、电子天平、15、管线、16、供给源进液口、17、水平井筒进液口、18、搅拌机、19、供给源管上设置的孔眼、20、数据采集控制面板、\n21、计算机、22、温度传感器、23、气罐、24、气体流量计、25、电缆。26、射孔孔眼；27、上盖；\n28、矩形腔；29、气体管道。\n具体实施方式\n[0055] 下面根据实施例和说明书附图对本发明做进一步的说明，但不限于此。参看图1。\n[0056] 实施例1为模拟页岩储层压裂缝扩展过程所用到的装置；实施例3为模拟页岩储油层生产过程所用到的装置；实施例5为模拟页岩储气藏生产过程所用到的装置。\n[0057] 实施例1、\n[0058] 一种模拟页岩储层水平井体积压裂的装置，包括模拟储层腔体、数据采集控制面板20、计算机21、在模拟储层腔体内设置的水平井筒9，所述的数据采集控制面板20与计算机21相连；所述模拟储层腔体包括上盖27和矩形腔28，所述上盖27通过螺栓密封设置在矩形腔28上；\n[0059] 所述模拟储层腔体安装于万向支架12上，万向支架由4根高度可调支柱组成。通过调节每根支柱的高度，使长方形腔体倾斜，从而模拟任意倾角地层。所述模拟储层腔体为长方形腔体，采用钢块整体镂空而成，外形长1.2m，宽0.4m，高0.3m；\n[0060] 在模拟储层腔体的一侧壁上贯通设置有3个进液孔，所述3个进液孔在模拟储层腔体的一侧壁上呈同一水平直线设置，所述水平井筒9穿过其中一个进液孔设置在模拟储层腔体内，其余进液孔封堵备用；水平井筒筒壁上分段间隔设有射孔孔眼26，水平井筒9一端为进液口17，水平井筒9的另一端封闭；在模拟储层腔体内壁上设置有多条供给源管6，所述多条供给源管6均与模拟储层腔体外壁上设置的供给源进液口16相连，在供给源进液口16处设置有阀门7，在供给源管6上设置均匀设置有孔眼19；\n[0061] 在模拟储层腔体内设置有介质为经硅胶粘接、固化后的页岩露头。填入介质的过程为：打开模拟储层腔体的上盖，将页岩露头填入模拟储层腔体内，边填边用硅胶粘接，最后使粘有硅胶的页岩露头整体固化在模拟储层腔体内，利用上盖对模拟储层腔体进行密封。在模拟实验时，所述的页岩经流体压裂形成裂缝，通过对裂缝的观察和记录，对比不同压裂流体对页岩储层压裂过程的影响；在模拟储层腔体内上、中、下均匀分布三层压力传感器共108只，每层按纵横次序均匀分布36只。每只压力传感器8均通过电缆25与数据采集控制面板20相连；\n[0062] 一种模拟页岩储层水平井体积压裂的装置还包括储液罐1在储液罐1外设加热套\n3，加热套3上设有温度传感器22，所述温度传感器22与数据采集控制面板20连接，所述储液罐1的出料口通过柱塞泵2与管线15相连，在所述管线15上设置有流量计4和压力表\n5，所述流量计4和压力表5分别与数据采集控制面板20连接；所述管线为耐压管线；所述储液罐内设置有搅拌机，所述搅拌机为可调速度的搅拌机。在储液罐内通过搅拌机对压裂液搅拌均匀，通过加热套将压裂液加热到地层温度。\n[0063] 根据本实施例，当模拟页岩储层压裂缝扩展时，供给源进液口16处的阀门7关闭设置，所述储液罐1通过管线15与水平井筒的进液口17相连通。\n[0064] 根据需要，水平井筒9选用钢级为N80或P110的钢材，水平井筒9长度选择范围为\n0.2-1.2m。根据需要、按照一定比例设计水平井筒9的内径和壁厚。在水平井筒9上设置的分段射孔孔26眼，根据模拟的需要来确定每段的射孔孔眼的孔径、孔密和射孔相位角，以及每段射孔孔眼之间的间距。\n[0065] 实施例2、\n[0066] 利用实施例1所述的装置模拟页岩储层压裂缝扩展过程，按以下步骤进行，[0067] (1)依据相似性准则，选定一定长度及钢级的水平井筒9，根据模拟水平井分段压裂的射孔要求，选定水平井筒9的射孔孔眼26的孔径、孔密和射孔相位角；供给源进液口处的阀门7关闭设置，所述储液罐1通过管线15与水平井筒的进液口17相连通；\n[0068] (2)在储液罐1中加入携砂液，储液罐1内的携砂液沿管线15、水平井筒进液口17低速通入水平井筒9内，检查管线15及模拟储层腔体的密封性；\n[0069] (3)连接好流量计4、压力表5、压力传感器8和温度传感器22，启动计算机21；\n[0070] (4)设定好工作压力，启动柱塞泵2，所述储液罐1内携砂液以一定排量泵入水平井筒9内，沿水平井筒筒壁上射孔孔眼26流出；计算机21记录模拟储层腔体内各部位的压力变化；\n[0071] (5)当压力表5显示的压力值达到最大值时，此压力值即介质的破裂压力，停止柱塞泵2；完成利用携砂液模拟页岩储层压裂缝扩展过程；\n[0072] (6)对模拟储层腔体进行泄压，打开模拟储层腔体的上盖27，观察介质11裂缝的形状，测量介质11裂缝的密度和压裂体积，分析介质裂缝的起裂、延伸规律，分析压裂体积与裂缝的条数、长度、间距、施工排量和施工压力的关系；\n[0073] (7)更换模拟储层腔体内的介质11，将储液罐1内的携砂液换为煤油、水或其它配比的携砂液，重复步骤(1)-(6)；\n[0074] 实施例3、\n[0075] 如实施例1所述的模拟页岩储层水平井体积压裂的装置，所不同点在于：\n[0076] 根据本实施例，当模拟页岩储油层生产过程时，所述储液罐通过管线15与供给源进液口16相连通，所述水平井筒的进液口17与大气相连通；在水平井筒的射孔孔眼26处设置人工裂缝模型10，使人工裂缝模型10与射孔孔眼26相通；所述人工裂缝模型是水平井横向裂缝模型、纵向裂缝模型、斜交裂缝模型或扭曲裂缝模型。人工裂缝模型的尺寸(半径、缝宽)均根据实验需要确定，人工裂缝的数量从几条到几十条。所述模拟储层腔体安装于万向支架12上，万向支架由4根高度可调支柱组成。通过调节每根支柱的高度，使长方形腔体倾斜，从而模拟任意倾角地层。\n[0077] 在水平井筒进液口17处设置电子天平14及废液罐13。所述电子天平14用来测量模拟页岩储油层的油品产量。\n[0078] 实施例4、\n[0079] 利用实施例3所述的装置模拟页岩储油层生产过程，按以下步骤(8)-(9)进行，[0080] (8)在储液罐中加入煤油；将人工裂缝模型10安装在水平井筒9上，确保人工裂缝模型10与射孔孔眼26相通，打开供给源进液口16处的阀门7，将管线15与供给源进液口16连接起来，打开水平井筒进液口17，使水平井筒9与大气相通，储液罐1内的煤油沿管线15、柱塞泵2、供给源进液口16、供给源管6和供给源管上的孔眼19泵入模拟储层腔体内；\n[0081] (9)利用电子天平14称量由水平井筒进液口17流出的煤油的质量；\n[0082] 本实施例还可将储液罐中的煤油换为质量浓度为1％的NaCl溶液，重复步骤(8)-(9)。\n[0083] 实施例5、\n[0084] 如实施例1所述的模拟页岩储层水平井体积压裂的装置，所不同点在于：\n[0085] 根据本实施例，当模拟页岩储气藏生产过程时，所述气罐23通过气体管道29与供给源进液口16相连通，所述水平井筒的进液口17与大气相连通；在水平井筒的射孔孔眼\n26处设置人工裂缝模型10，使人工裂缝模型10与射孔孔眼26相通；所述人工裂缝模型10是水平井横向裂缝模型、纵向裂缝模型、斜交裂缝模型或扭曲裂缝模型。人工裂缝模型的尺寸(半径、缝宽)均根据实验需要确定，人工裂缝的数量从几条到几十条。人工裂缝模型属于可选部件，如果只模拟压裂水平井的生产过程，则需要连接该部件。\n[0086] 实施例6、\n[0087] 利用实施例5所述的装置模拟页岩储气藏生产过程，按以下步骤(10)-(11)进行，[0088] (10)将人工裂缝模型10安装在水平井筒9上，确保人工裂缝模型10与射孔孔眼\n26相通，打开供给源进液口16处的阀门7，将气体管道29与供给源进液口16连接起来，打开水平井筒进液口17，使水平井筒9与大气相通，气罐23内的气体沿气体管道29、供给源进液口16、供给源管6和供给源管上的孔眼19泵入模拟储层腔体内；\n[0089] (11)利用气体流量计24测量经水平井筒进液口17所喷出的气体体积；所有数据通过数据采集控制板传输至计算机。\n[0090] (12)根据模拟生产油、气得到的数据，分析裂缝条数、半径、缝宽和导流能力对产能的影响，建立相应的数学模型，确定可行的裂缝参数、施工参数、施工材料。\n[0091] 所述裂缝参数包括裂缝条数、半径、缝宽和导流能力；所述施工参数包括页岩破裂压力、压裂过程中施工排量、携砂液的砂比等；所述施工材料包括压裂液种类及粘度，支撑剂粒径及密度等。