[发明专利]一种模拟射孔完井下水力压裂的实验装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及水力压裂实验技术领域，尤其涉及一种模拟射孔完井下水力压裂的实验装置及方法。

背景技术

随着我国油气开发的不断深入，深层致密储层越来愈多，水力压裂是目前提高致密储层油气产量和采收率的重要措施，现今我国的各大油气田均广泛运用射孔完井并进行水力压裂投产与增产。水力压裂的基本原理是利用地面高压泵，通过井筒向地层挤注压裂液，当注入压裂液的速度超过地层的吸收能力而形成高压时，将地层压开并形成高导流能力的人造裂缝，改善井底渗流条件。而实验室内水力压裂实验是了解水力压裂机理与过程，认识压裂过程中压力与裂缝形态变化的重要手段。

目前国内有学者对真三轴水力压裂实验装置及方法进行了研究，是将方形岩样置于三向不同应力下进行水力压裂实验(CN104655495A“一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置与试验方法”)，但存在以下缺点：

(1)岩样尺寸大，只能采用人造岩样、地面露头岩样或浅层煤样，与真实深层致密岩心物性差距大，从而造成实验结果不可靠。

(2)岩样为正方体或长方体形，加工时必须保证各相对平面绝对平行，否者会导致加载时受力不均，实际操作加工非常困难。

(3)岩样内部为单一钻孔，只能模拟裸眼完井，而现在绝大多数油气井都采用射孔完井，射孔完井下水力压裂的裂缝形态与分布、破裂压力大小都与裸眼完井完全不同。

因此，有必要设计研制一种能采用真实深层致密岩样、易于加工并完整模拟地层射孔完井条件下水力压裂的实验装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟射孔完井下水力压裂的实验装置，该装置结构简单，原理可靠，操作简便，能有效模拟射孔完井下水力压裂时的真实情况，克服了现有技术的缺陷和不足。

本发明的另一目的还在于提供利用上述装置模拟射孔完井下水力压裂的实验方法，该方法采用真实深层圆柱形致密岩心，在模拟地层应力和射孔井筒的条件下进行水力压裂实验，观察水力压裂过程及最终裂缝形态，为研究水力压裂机理提供借鉴指导。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

一种模拟射孔完井下水力压裂的实验装置，主要包括径向加压装置、轴向加压装置、压裂装置和特制岩心。

所述径向加压装置包括筒体、耐压橡胶块、密封环、左压盖、右压盖和径向液压泵，4个耐压橡胶块与筒体之间有4个分隔的弧状空腔，相对的2个空腔用管线相互连通并连接到液压泵上，所述左压盖和右压盖通过螺纹连到筒体上，并通过密封环将弧状空腔密封。

所述轴向加压装置包括顶杆、活塞、左堵头和轴向液压泵，活塞与堵头之间有柱状空腔并连接到轴向液压泵上。

所述压裂装置包括右堵头、压力记录仪、压裂泵、压裂液池和加药罐，所述右堵头中心有孔道，所述加药罐中装有荧光示踪悬浮微粒，所述压裂泵可以设定排量。

所述左、右堵头与左、右压盖之间通过卡槽锁定连接。

所述特制岩心包括弧形钢片、钢管和钻孔岩样，所述环形钢片与岩样外壁之间、钢管与岩样内孔之间用环氧树脂密封。

利用上述装置模拟射孔完井下水力压裂的实验方法，主要包括以下步骤：

(1)在深层钻井取出的致密岩心上钻取一块直径63.5mm，长度120mm的圆柱形岩样，岩样两端平整；

(2)沿圆柱形岩样中心钻一条直径10-15mm，深100mm的轴向孔道，然后将模拟井筒用的钢管插入轴向孔道底部，并用环氧树脂粘结在轴向孔道中；

(3)分别在岩样侧面上部、中部、下部沿径向钻一个1-2mm的径向孔道，钻穿至岩样轴向孔道为止，各径向孔道之间相位角为120°；

(4)将四块内径与岩样外径相同的弧形钢片包裹在岩样外面，钢片与岩样外壁之间用环氧树脂密封；

(5)将制备好的岩样放入筒体中，装好左、右压盖和左、右堵头，并通过卡槽锁定；

(6)通过两个径向液压泵分别向岩样施加两个不同的径向应力，然后通过轴向液压泵对岩样施加一个轴向应力；

(7)通过加药罐向压裂液中加入一定量的荧光示踪悬浮微粒，然后利用压裂泵通过钢管向岩样内逐步加压，通过压力记录仪观察压力曲线，当压力出现拐点突然下降时岩样破裂，关停压裂泵并泄压；

(8)卸掉岩样径向和轴向压力，取出岩样，去掉岩样外钢片，擦净岩样表面，观察岩样内裂缝形态，根据压力记录曲线，对压裂结果进行评价。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：