專利名稱：一種水力壓裂效果研究模擬器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油天然氣工業(yè)領(lǐng)域的油氣藏水力壓裂開發(fā)生產(chǎn)，特別涉及一種水力壓裂效果研究模擬器。
背景技術(shù)：
水力壓裂是通過水力憋壓作用在地下含油氣巖石中造出幾十到幾百米長的人工裂縫。水力壓裂裂縫不但成為溝通井筒與油氣藏的橋梁，還大大增加了油氣井與油氣藏的接觸面積，提高了油氣流入油氣井的能力。目前，水力壓裂是國際國內(nèi)開發(fā)低滲透油氣藏和非常規(guī)油氣藏的必要手段，也是提高各種油氣藏單井產(chǎn)量和采收率的有效技術(shù)。水力壓裂裂縫通過大大增加油氣井與油氣產(chǎn)層的接觸面積、改變油氣流入井筒的徑向流動方式為流動能力大大增強(qiáng)的線性流入裂縫方式，從而大幅提高油氣產(chǎn)量和采收率。為使水力壓裂后壓裂出的裂縫保持張開，裂縫中要充填高導(dǎo)流能力的支撐劑。支撐劑需用高粘度的壓裂液攜帶進(jìn)入裂縫并鋪置于裂縫中。作為溝通油氣井井筒與油氣產(chǎn)層的橋梁，鋪置有支撐劑的裂縫的導(dǎo)流能力必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于油氣層的導(dǎo)流能力。除壓開裂縫的幾何尺寸(長、寬和高)外，水力壓裂效果主要取決于三個方面地層傷害、實(shí)際裂縫導(dǎo)流能力和生產(chǎn)時石油和天然氣對污染地帶和裂縫內(nèi)部的清洗和作用。 壓裂時，攜帶支撐劑的壓裂液會濾失入地層中、與地層礦物發(fā)生物理化學(xué)作用、造成油氣進(jìn)入裂縫困難，形成對產(chǎn)層的傷害(污染)。實(shí)際裂縫導(dǎo)流能力受支撐劑裂縫內(nèi)鋪置情況、支撐劑嵌入巖石、壓裂液殘渣、支撐劑破碎和巖削剝落等因素影響。生產(chǎn)時石油和天然氣通過污染地帶流入裂縫中，然后通過裂縫流入油氣井井筒中，在這一過程中油或氣及其攜帶物會造成對污染地層和裂縫的清洗、沖堵和填堵作用。遺憾的是，目前尚無模擬此過程的研究裝置。由于現(xiàn)場水力壓裂實(shí)際壓后效果常遠(yuǎn)低于估計，實(shí)驗(yàn)室研究顯得至關(guān)重要。盡管水力壓裂幾乎已成為目前國內(nèi)外石油與天然氣開發(fā)的必要手段，但由于壓裂時巨大的裂縫開啟壓力和地層溫度、幾十米以上的裂縫長度和幾米的地層厚度、以及壓裂時大量的壓裂液與支撐劑，實(shí)驗(yàn)室全尺寸水力模擬無法實(shí)現(xiàn)。迄今，國際上對水力壓裂效果的實(shí)驗(yàn)研究把壓裂液濾失、壓裂液與地層配伍及對地層傷害(污染)、石油或天然氣流經(jīng)污染地帶、以及裂縫支撐劑導(dǎo)流能力分割開來分別研究。對壓裂液濾失研究常用專用的動態(tài)或靜態(tài)壓裂液濾失儀進(jìn)行，壓裂液與地層配伍、對地層傷害和石油或天然氣流經(jīng)污染地帶常借助于巖芯流動實(shí)驗(yàn)完成。對裂縫導(dǎo)流能力的研究國際上現(xiàn)采用美國石油學(xué)會(API)于1989年制定的API RP-61標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)基本模擬了壓裂填砂裂縫情況，其核心為把支撐劑鋪置于導(dǎo)流室內(nèi)， 上下用金屬板夾持，在加壓情況下測試2% KCL水通過時的壓差。2006年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO)發(fā)表了 ISO 13503-5標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)與API RP-61基本相同，僅把金屬板換成了巖芯板和把夾持壓力維持時間從15分鐘換成了 50小時。實(shí)驗(yàn)液體依然用含2% KCL的清水。
上述分割開來實(shí)驗(yàn)的主要缺點(diǎn)是巖芯形狀為圓柱形而非夾持裂縫的形狀，同時也常采用不同巖芯分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。此外，目前尚無能模擬石油或天然氣及其攜帶物流經(jīng)污染地帶進(jìn)入裂縫中，然后通過裂縫流入油氣井井筒這一過程中對污染地層和裂縫的清洗、沖堵和填堵等作用的研究裝置。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種水力壓裂效果研究模擬器，能同時模擬水力壓裂中壓裂裂縫、地層巖石、壓裂液濾失、壓裂液對支撐裂縫和地層污染、石油或天然氣及其攜帶物流經(jīng)污染地帶和支撐裂縫，用于分析研究水力壓裂效果，包括分析研究支撐裂縫導(dǎo)流能力、壓裂液濾失、壓裂液對地層傷害、壓裂液對支撐裂縫傷害， 尤其是石油或天然氣通過傷害巖石及支撐裂縫的能力分析和對傷害地層和支撐裂縫的清洗、沖堵及填堵等作用。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種水力壓裂效果研究模擬器，包括一模擬室J，支撐劑填充層A位于模擬室J中央，支撐劑填充層A上下由巖芯板B夾持,巖芯板B周圍套有橡皮套C,上下巖芯板B另一表面分別與上活塞E和下活塞D及套在上下活塞上的方型密封圈I接觸，上活塞E中開有3組上濾液出口 /油氣進(jìn)口 H2，該上濾液出口 /油氣進(jìn)口 H2在整個上活塞E向下運(yùn)動中始終露在模擬室J外面；下活塞D中也開有3組下濾液出口 /油氣進(jìn)口 H1，下活塞D置于模擬室J 內(nèi)的最下端，下濾液出口 /油氣進(jìn)口 H1正對開在模擬室J上的濾液出口 /油氣進(jìn)口 H，模擬室J左右兩面開有測試進(jìn)出口孔F，測試進(jìn)出口孔F正對支撐劑填充層A的左右兩端中央， 模擬室J前面開有壓差輸出口 G，壓差輸出口 G正對支撐劑填充層A的前面中央，模擬室J 上還開有給其加熱的長孔M，同時還開有溫度測量孔N。本發(fā)明能模擬壓裂裂縫、地層巖石、壓裂液濾失、壓裂液對支撐裂縫和地層污染、 石油或天然氣及其攜帶物流經(jīng)污染地帶和支撐裂縫。通過該實(shí)驗(yàn)裝置完成上述各單因素、 多因素和綜合因素對壓裂效果的評價研究；主要是針對壓裂效果綜合評估難點(diǎn)，采用觀測在一定閉合壓力下流體通過支撐裂縫、壓裂液通過巖芯板濾失、油氣通過巖芯板進(jìn)入裂縫和進(jìn)入裂縫的油氣流經(jīng)支撐裂縫的情況。計算支撐劑的導(dǎo)流能力、壓裂液的濾失、地層傷害、油氣流入裂縫和油氣流過支撐裂縫的能力，從而評估、優(yōu)選支撐劑和壓裂液、指導(dǎo)壓裂優(yōu)化設(shè)計、最終提高油氣井產(chǎn)量和采收率。


圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理解剖圖。圖2a為上下活塞到位后，沿模擬室J中間G和H孔中心的縱向剖面圖，圖2b是 H-H1間內(nèi)部剖視圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作詳細(xì)敘述。參照圖I，一種水力壓裂效果研究模擬器，包括一模擬室J，支撐劑填充層A位于模擬室J中央，支撐劑填充層A上下由巖芯板B夾持，巖芯板B周圍套有橡皮套C，上下巖芯板B另一表面分別與上活塞E和下活塞D及套在上下活塞上的方型密封圈I接觸，上活塞 E在加在其上表面壓力的作用下向下運(yùn)動，并給模擬器J內(nèi)支撐劑填充層A加壓，上活塞E 中開有3組上濾液出口 /油氣進(jìn)口 H2，該上濾液出口 /油氣進(jìn)口 H2在整個上活塞E向下運(yùn)動中始終露在模擬室J外面；下活塞D中也開有3組下濾液出口 /油氣進(jìn)口 H1，下活塞D置于模擬室J內(nèi)的最下端時，下濾液出口 /油氣進(jìn)口 H1正對開在模擬室J上的濾液出口 /油氣進(jìn)口 H，模擬室J左右兩面開有測試進(jìn)出口孔F，測試進(jìn)出口孔F正對支撐劑填充層A的左右兩端中央，模擬室J前面開有壓差輸出口 G，壓差輸出口 G正對支撐劑填充層A的前面中央，模擬室J上還開有給其加熱的長孔M，同時還開有溫度測量孔N。參照圖2，由于上活塞E中的上濾液出口 /油氣進(jìn)口 H2露在外面，可通過接頭直接與外面的濾液收集管路或油氣注入管路連接，下活塞D的下濾液出口 /油氣進(jìn)口 H1正對模擬室J中的濾液出口 /油氣進(jìn)口 H 口，下活塞的下濾液出口 /油氣進(jìn)口 H1處放置密封圈K， 接頭L穿過模擬室J上濾液出口 /油氣進(jìn)口 H進(jìn)入下活塞的下濾液出口 /油氣進(jìn)口 H1后通過其后端的螺紋把密封圈K壓緊在下活塞孔H1里的臺階上，流體通過接頭L中的小孔進(jìn)出。(I)、上述各部件裝在模擬室J內(nèi)，模擬室J上開有加溫的長孔M、壓差輸出口 G和濾液出口 /油氣進(jìn)口 H、下濾液出口 /油氣進(jìn)口 H1、上濾液出口 /油氣進(jìn)口 H2。通過長孔M 提高實(shí)驗(yàn)溫度并通過孔N測量溫度；在壓差輸出口 G上接壓力壓差傳感器后，測各點(diǎn)的壓力和兩點(diǎn)壓差；通過進(jìn)出流體孔F壓入壓裂液、油、氣和水等測試流體，在別的進(jìn)出流體孔檢測流量；(2)、支撐劑填充層A為上下巖芯板B夾持，支撐劑填充層A可泵送進(jìn)加入，也可人工鋪置。支撐劑 填充層A和上下巖芯板B放置于模擬室J內(nèi)；(3)巖芯板B上下為活塞，下活塞D的全部和上活塞E的部分在模擬室J內(nèi)。上活塞E在壓力作用下向下移動，用于對支撐劑填充層A和巖芯板B加壓；(4)上活塞E和下活塞D分別開有上濾液出口 /油氣進(jìn)口 H2和下濾液出口 /油氣進(jìn)口 H1，下濾液出口 /油氣進(jìn)口 H1 —段開在下活塞D與巖芯板B接觸端面的中央位置，另一端拐出下活塞D，上濾液出口 /油氣進(jìn)口 H2 —段開在上活塞D與巖芯板B接觸端面的中央位置，另一端拐出上活塞E，下濾液出口 /油氣進(jìn)口 H1和上濾液出口 /油氣進(jìn)口 H2用于觀察收集壓裂濾失量。壓裂液從模擬室J 一端流入，通過巖芯板B濾失到上下活塞的濾液出口 /油氣進(jìn)口，計量分析濾失液和濾失壓差，濾液出口 /油氣進(jìn)口可一起應(yīng)用，也可單獨(dú)應(yīng)用；(5)下濾液出口 /油氣進(jìn)口 H1和上濾液出口 /油氣進(jìn)口 H2可作為注入油或氣使用。油或氣通過下濾液出口 /油氣進(jìn)口 H1和上濾液出口 /油氣進(jìn)口 H2注入，通過巖芯板B 后進(jìn)入支撐劑，通過支撐劑填充層A后由模擬室J進(jìn)出流體孔F流出。測量注入流體量、穿過巖芯板B壓差和通過支撐劑填充層A壓差。下濾液出口 /油氣進(jìn)口 H1和上濾液出口 /油氣進(jìn)口 H2可一起應(yīng)用，也可單獨(dú)應(yīng)用。模擬室J上濾液出口 /油氣進(jìn)口 H可一起應(yīng)用，也可單獨(dú)應(yīng)用。不用的孔由堵頭封閉。本發(fā)明的工作原理為—、由一定厚度的巖心板B上下夾持支撐劑填充層A,巖芯板B周圍由橡膠套C密封、上下由方形密封圈I密封，流體可從上下活塞的濾液出口 /油氣進(jìn)口經(jīng)巖心板B流入或流出。當(dāng)不用時，上下活塞與巖芯接觸端面上的孔可由堵頭堵上。二、支撐劑充填A(yù) :該模擬室J可人工鋪置支撐劑，鋪置方法與常規(guī)裂縫導(dǎo)流實(shí)驗(yàn)相同(見ISO 13503-5)。該模擬J室也可動態(tài)鋪置支撐劑，通過把攜帶支撐劑的壓裂液由進(jìn)出口孔F泵入巖芯板B之間縫隙實(shí)現(xiàn)。三、裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)與常規(guī)裂縫導(dǎo)流實(shí)驗(yàn)相同(見IS013503-5)，測試流體 (油、氣、水或壓裂液)由進(jìn)出口孔F—端進(jìn)入，另一端流出。流體流量在流體注入前或后計量，支撐劑填充層A各段的壓差由壓差輸出口 G測量，不需要的壓差輸出口 G可堵上。四、壓裂液濾失實(shí)驗(yàn)壓裂液由測試進(jìn)出口孔F —端進(jìn)入，測試進(jìn)出口孔F的另一端封閉。通過上下活塞的濾液出口 /油氣進(jìn)口采集濾失液體,濾失液量及成分由外部儀器測量，通過壓差輸出口 G與濾液出口/油氣進(jìn)口外連管線上開孔測量通過上下巖芯板B的壓差。上下活塞的濾液出口 /油氣進(jìn)口可同時使用，也可堵上其一(如上活塞上的上濾液出口 /油氣進(jìn)口 H2)僅使用另一(如下活塞上的下濾液出口 /油氣進(jìn)口 H1)。五、壓裂液對地層傷害實(shí)驗(yàn)由上下活塞的濾液出口 /油氣進(jìn)口注入測試流體 (油、氣或水)，流體通過測試進(jìn)出口孔F流出。流體流量在流體注入前或后計量，流體通過巖芯的壓差由壓差輸出口 G與濾液出口/油氣進(jìn)口外連管線上開孔測量。對比用該方法測試的無壓裂液污染巖芯時的壓差與流量，計算壓裂液對地層傷害。不需要的壓差輸出口 G 可堵上，上下活塞的濾液出口 /油氣進(jìn)口可同時使用，也可堵上其一(如下活塞上的下濾液出口 /油氣進(jìn)口 H1)僅使用另一(如上活塞上的上濾液出口 /油氣進(jìn)口 H2)。六、流體對支撐裂縫作用■ 與(三)中裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)相同。改變或逐步加大測試流體流量，測量各種流量下壓裂液侵泡過的支撐劑填充層A的導(dǎo)流能力。注意，由于流體的清理、沖堵和填堵作用，本實(shí)驗(yàn)及以下實(shí)驗(yàn)與測試時間、次數(shù)和先后順序有關(guān)。七、流體對地層和支撐裂縫作用與(五)中壓裂液對地層傷害實(shí)驗(yàn)相似，對地層的作用主要測量流體流量與巖芯板B上下壓差，對支撐劑的作用主要測量流體流量與支撐劑填充層A中間至左右兩端壓差。本發(fā)明能模擬水力壓裂中填砂裂縫、壓裂液向地層濾失、生產(chǎn)中石油或天然氣通過地層進(jìn)入裂縫、以及石油或天然氣流經(jīng)裂縫進(jìn)入井筒的室內(nèi)分析器。通過該室內(nèi)分析器能模擬研究填砂裂縫導(dǎo)流能力、壓裂液濾失、壓裂液對地層傷害、以及地層石油或天然氣對傷害地層的清理。對于支撐劑和壓裂液評價和優(yōu)選、提高裂縫導(dǎo)流能力、優(yōu)化壓裂設(shè)計、以及最終提高油氣井產(chǎn)量和采收率都有重要意義。
權(quán)利要求
1.一種水力壓裂效果研究模擬器，其特征在于，包括一模擬室(J)，支撐劑填充層(A) 位于模擬室(J)中央，支撐劑填充層㈧上下由巖芯板⑶夾持，巖芯板⑶周圍套有橡皮套(C)，上下巖芯板(B)另一表面分別與上活塞(E)和下活塞(D)及套在上下活塞上的方型密封圈(I)接觸，上活塞(E)中開有3組上濾液出口 /油氣進(jìn)口(H2)，該上濾液出口 /油氣進(jìn)口(H2)在整個上活塞(E)向下運(yùn)動中始終露在模擬室(J)外面；下活塞(D)中也開有3 組下濾液出口 /油氣進(jìn)口(H1),下活塞(D)置于模擬室(J)內(nèi)的最下端，下濾液出口 /油氣進(jìn)口(H1)正對開在模擬室(J)上的濾液出口 /油氣進(jìn)口(H)，模擬室(J)左右兩面開有測試進(jìn)出口孔(F)，測試進(jìn)出口孔(F)正對支撐劑填充層(A)的左右兩端中央，模擬室(J)前面開有壓差輸出口(G)，壓差輸出口(G)正對支撐劑填充層(A)的前面中央，模擬室(J)上還開有給其加熱的長孔(M)，同時還開有溫度測量孔(N)。
全文摘要
一種水力壓裂效果研究模擬器，包括一模擬室，支撐劑填充層位于模擬室中央，支撐劑填充層上下由巖芯板夾持，巖芯板周圍套有橡皮套，上下巖芯板另一表面分別與上活塞和下活塞及套在上下活塞上的方型密封圈接觸，上活塞中開有3組上濾液出口/油氣進(jìn)口，下活塞中也開有3組下濾液出口/油氣進(jìn)口，模擬室左右兩面開有測試進(jìn)出口孔，模擬室前面開有壓差輸出口，壓差輸出口正對支撐劑填充層的前面中央，模擬室上還開有加熱的長孔和溫度測量孔，本發(fā)明能同時模擬水力壓裂中壓裂裂縫、地層巖石、壓裂液濾失、壓裂液對支撐裂縫和地層污染、石油或天然氣及其攜帶物流經(jīng)污染地帶和支撐裂縫，用于分析研究水力壓裂效果。
文檔編號E21B43/267GK102606125SQ20121006071
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月9日
發(fā)明者周德勝, 宋鵬舉, 聶玲, 詹靜, 郭向東, 陳明強(qiáng), 陳鵬 申請人:西安石油大學(xué)