專利名稱：一種模擬頁巖儲層水平井體積壓裂的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模擬頁巖儲層水平井體積壓裂的裝置及方法，屬于非常規(guī)油氣資源開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
頁巖油氣屬于非常規(guī)油氣資源，由于頁巖儲層滲透率低(納米達西級)，油氣滲流阻力大，通常無自然產(chǎn)能，需要采取壓裂措施才能有效開采。而現(xiàn)場壓裂試驗施工難度大， 井下情況復(fù)雜，且同一層位無法重復(fù)進行多次試驗，因此通過需要室內(nèi)對壓裂過程模擬研究。CN201724868U(CN201020283533. 2)提供一種水力壓裂破裂過程模擬的室內(nèi)裝置，是室內(nèi)模擬地層條件下巖石在液體壓力下破裂過程的測試裝置。這種水力壓裂破裂過程模擬的室內(nèi)裝置包括方形的承壓體(1)，承壓體(I)內(nèi)部是承壓腔，承壓體(I)上蓋用高強度螺釘擰緊，可以打開和密封，三個正交的加載機構(gòu)的壓力板⑵均伸入到承壓腔中，承壓體⑴ 的一側(cè)連接外承壓體(14)，外承壓體(14)內(nèi)部是外承壓室，承壓腔與外承壓室相通，承壓腔與外承壓室之間安裝導軌(13)，試樣小車(12)在導軌(13)上，試樣小車上安裝有壓力板⑵和固定承壓柱(6)，壓力板⑵和固定承壓柱(6)上有連通的注液通道(5)，注液通道(5)與承壓腔相通。頁巖儲層的開采以水平井為主，攜砂液一般選用滑溜水、線性膠或清水，采用大排量、大規(guī)模的方式對水平井進行分段壓裂，少則分3-5段，多則10-20段，甚至更多，液量從幾千方到幾萬方，在頁巖儲層中形成裂縫網(wǎng)絡(luò)(縫網(wǎng))，增大儲層的改造體積，為頁巖油氣提供滲流通道，提高頁巖井的產(chǎn)能。由于頁巖儲層水平井壓裂施工規(guī)模大、而且裂縫在幾千米的地下，無法觀察到裂縫的起裂和延伸，無法準確得到裂縫網(wǎng)絡(luò)的密度和儲層改造體積等數(shù)據(jù)，也無法分析頁巖儲層中油氣的滲流規(guī)律、裂縫網(wǎng)絡(luò)對產(chǎn)能影響，因此，需要應(yīng)用實驗的方法來模擬頁巖儲層水平井體積壓裂。而當前國內(nèi)外關(guān)于頁巖壓裂主要是立足于理論研究，缺少相關(guān)的模擬裝置和方法。存在的主要問題有I、缺少能夠模擬頁巖儲層物性、模擬地下條件的實驗裝置，實驗介質(zhì)主要采用石英砂或巖石露頭，和頁巖儲層有較大的差異；
2、缺少能夠模擬水平井分段壓裂的裝置，特別是能夠模擬二十段以上的模擬裝置；3、無發(fā)測定裂縫網(wǎng)絡(luò)的密度和頁巖儲層壓裂的體積；4、不能模擬水平井射孔孔徑、密度和相位對裂縫起裂、延伸和壓裂井產(chǎn)能的影響。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種模擬頁巖儲層水平井體積壓裂的裝置。本發(fā)明還提供利用該裝置模擬頁巖儲層水平井體積壓裂的方法。術(shù)語解釋相似性準則流體力學領(lǐng)域公知原理，參見袁恩熙《工程流體力學[M]》，石油工業(yè)出版社，105-109。射孔相位角相鄰兩射孔彈之間的空間夾角，是射孔工藝設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種模擬頁巖儲層水平井體積壓裂的裝置，包括模擬儲層腔體、數(shù)據(jù)采集控制面板、計算機、在模擬儲層腔體內(nèi)設(shè)置的水平井筒，所述的數(shù)據(jù)采集控制面板與計算機相連； 所述模擬儲層腔體包括上蓋和矩形腔，所述上蓋通過螺栓密封設(shè)置在矩形腔上；在模擬儲層腔體的一側(cè)壁上貫通設(shè)置有若干個進液孔，所述進液孔在模擬儲層腔體的一側(cè)壁上呈同一水平直線設(shè)置，所述水平井筒穿過其中一個進液孔設(shè)置在模擬儲層腔體內(nèi)，其余進液孔封堵備用；水平井筒筒壁上分段間隔設(shè)有射孔孔眼，水平井筒一端為進液口，水平井筒的另一端封閉；在模擬儲層腔體內(nèi)壁上設(shè)置有多條供給源管，所述多條供給源管均與模擬儲層腔體外壁上設(shè)置的供給源進液口相連，在供給源進液口處設(shè)置有閥門，在供給源管上設(shè)置均勻設(shè)置有孔眼；在模擬儲層腔體內(nèi)填充有介質(zhì)(該介質(zhì)是模擬頁巖儲層的巖層)；在模擬儲層腔體內(nèi)上、中、下分布三層壓力傳感器，每層均勻分布30 40只壓力傳感器；每只壓力傳感器均通過電纜25與數(shù)據(jù)采集控制面板相連；本發(fā)明還包括儲液罐和氣罐，在儲液罐外設(shè)加熱套，加熱套上設(shè)有溫度傳感器，所述溫度傳感器與數(shù)據(jù)采集控制面板連接，所述儲液罐的出料口通過柱塞泵與管線相連，在所述管線上設(shè)置有流量計和壓力表，所述流量計和壓力表分別與數(shù)據(jù)采集控制面板連接； 所述氣罐的出氣口與氣體管道相連，在氣體管道上設(shè)置有氣體流量計，所述氣體流量計與數(shù)據(jù)采集控制面板連接；根據(jù)本發(fā)明，當模擬頁巖儲層壓裂縫擴展時，供給源進液口處的閥門關(guān)閉設(shè)置，所述儲液罐通過管線與水平井筒的進液口相連通。根據(jù)本發(fā)明，當模擬頁巖儲油層生產(chǎn)過程時，所述儲液罐通過管線與供給源進液口相連通，所述水平井筒的進液口與大氣相連通；在水平井筒的射孔孔眼處設(shè)置人工裂縫模型，使人工裂縫模型與射孔孔眼相通；所述人工裂縫模型是水平井橫向裂縫模型、縱向裂縫模型、斜交裂縫模型或扭曲裂縫模型。人工裂縫模型的尺寸(半徑、縫寬)均根據(jù)實驗需要確定，人工裂縫的數(shù)量從幾條到幾十條。人工裂縫模型屬于可選部件，如果只模擬壓裂水平井的生產(chǎn)過程，則需要連接該部件。根據(jù)本發(fā)明，當模擬頁巖儲氣藏生產(chǎn)過程時，所述氣罐通過氣體管道與供給源進液口相連通，所述水平井筒的進液口與大氣相連通；在水平井筒的射孔孔眼處設(shè)置人工裂縫模型，使人工裂縫模型與射孔孔眼相通；所述人工裂縫模型是水平井橫向裂縫模型、縱向裂縫模型、斜交裂縫模型或扭曲裂縫模型。人工裂縫模型的尺寸(半徑、縫寬)均根據(jù)實驗需要確定，人工裂縫的數(shù)量從幾條到幾十條。人工裂縫模型屬于可選部件，如果只模擬壓裂水平井的生產(chǎn)過程，則需要連接該部件。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述模擬儲層腔體安裝于萬向支架12上，萬向支架由4根高度可調(diào)支柱組成。通過調(diào)節(jié)每根支柱的高度，使長方形腔體傾斜，從而模擬任意傾角地層。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述模擬儲層腔體為長方形腔體，采用鋼塊整體鏤空而成。進一步優(yōu)選所述長方形腔體外形長I. 2m,寬0. 4m,高0. 3m ;在模擬儲層腔體內(nèi)上、中、下均勻分布三層壓力傳感器共108只，每層按縱橫次序均勻分布36只。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述管線為耐壓管線。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述儲液罐內(nèi)設(shè)置有攪拌機，所述攪拌機為可調(diào)速度的攪拌機。在儲液罐內(nèi)通過攪拌機對滑溜水或攜砂液攪拌均勻，通過加熱套將壓裂液加熱到地層溫度。所述攪拌機可模擬頁巖儲層壓裂時的剪切作用。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，在模擬儲層腔體內(nèi)設(shè)置有介質(zhì)為經(jīng)硅膠粘接、固化后的頁巖露頭。填入介質(zhì)的過程為打開模擬儲層腔體的上蓋，將頁巖露頭填入模擬儲層腔體內(nèi)，邊填邊用硅膠粘接，最后使粘有硅膠的頁巖露頭整體固化在模擬儲層腔體內(nèi)，利用上蓋對模擬儲層腔體進行密封。在模擬實驗時，所述的頁巖經(jīng)壓裂液壓裂形成裂縫，通過對裂縫的觀察和記錄，對比不同壓裂液對頁巖儲層壓裂過程的影響。優(yōu)選的，在模擬儲層腔體的一側(cè)壁上貫通設(shè)置的進液孔的個數(shù)為3個。根據(jù)需要，水平井筒選用鋼級為N80或PllO的鋼材，水平井筒長度選擇范圍為 0.2-1. 2m。根據(jù)需要、按照一定比例設(shè)計水平井筒的內(nèi)徑和壁厚。在水平井筒9上設(shè)置的分段射孔孔眼，根據(jù)模擬的需要來確定每段的射孔孔眼的孔徑、孔密和射孔相位角，以及每段射孔孔眼之間的間距。根據(jù)本發(fā)明，當模擬頁巖儲油層生產(chǎn)過程時，在水平井筒進液口處設(shè)置電子天平及廢液罐。所述電子天平用來測量模擬頁巖儲油層的油品產(chǎn)量。根據(jù)本發(fā)明，當模擬頁巖儲氣藏生產(chǎn)過程時，在水平井筒進液口處設(shè)置氣體流量計。所述氣體流量計用來測量模擬頁巖儲氣藏的氣體產(chǎn)量。一種模擬頁巖儲層水平井體積壓裂的方法，包括使用本發(fā)明上述的裝置模擬頁巖儲層壓裂縫擴展的過程、模擬頁巖儲油層生產(chǎn)過程和模擬頁巖儲氣藏生產(chǎn)過程，按以下步驟進行，模擬頁巖儲層壓裂縫擴展的過程，按步驟(1)-(7)進行(I)依據(jù)相似性準則，選定一定長度及鋼級的水平井筒，根據(jù)模擬水平井分段壓裂的射孔要求，選定水平井筒的射孔孔眼的孔徑、孔密和射孔相位角；供給源進液口處的閥門關(guān)閉設(shè)置，所述儲液罐通過管線與水平井筒的進液口相連通；(2)在儲液罐中加入攜砂液，儲液罐內(nèi)的攜砂液沿管線、水平井筒進液口低速通入水平井筒內(nèi)，檢查管線及模擬儲層腔體的密封性；(3)連接好流量計、壓力表、壓力傳感器和溫度傳感器，啟動計算機； (4)設(shè)定好工作壓力，啟動柱塞泵，所述儲液罐內(nèi)攜砂液以一定排量泵入水平井筒內(nèi)，沿水平井筒筒壁上射孔孔眼流出；計算機記錄模擬儲層腔體內(nèi)各部位的壓力變化；(5)當壓力表顯示的壓力值達到最大值時，此壓力值即介質(zhì)的破裂壓力，停止柱塞泵；完成利用攜砂液模擬頁巖儲層壓裂縫擴展過程；(6)對模擬儲層腔體進行泄壓，打開模擬儲層腔體的上蓋，觀察介質(zhì)裂縫的形狀， 測量介質(zhì)裂縫的密度和壓裂體積，分析介質(zhì)裂縫的起裂、延伸規(guī)律，分析壓裂體積與裂縫的條數(shù)、長度、間距、施工排量和施工壓力的關(guān)系；(7)更換模擬儲層腔體內(nèi)的介質(zhì)，將儲液罐內(nèi)的攜砂液換為煤油、水或其它配比的攜砂液，重復(fù)步驟(1)-(6)；模擬頁巖儲油層生產(chǎn)過程時，按以下步驟(8)-(9)進行(8)在儲液罐中加入煤油或質(zhì)量濃度為I %的NaCl溶液；將人工裂縫模型安裝在水平井筒上，確保人工裂縫模型與射孔孔眼相通，打開供給源進液口處的閥門，將管線與供給源進液口連接起來，打開水平井筒進液口，使水平井筒與大氣相通，儲液罐內(nèi)的煤油或質(zhì)量濃度為1%的NaCl溶液沿管線、柱塞泵、供給源進液口、供給源管和供給源管上的孔眼泵入模擬儲層腔體內(nèi)；(9)利用電子天平稱量由水平井筒進液口流出的煤油或質(zhì)量濃度為1%的NaCl溶液的質(zhì)量；模擬頁巖儲氣藏生產(chǎn)過程時，按以下步驟(IO)-(Il)進行(10)將人工裂縫模型安裝在水平井筒上，確保人工裂縫模型與射孔孔眼相通，打開供給源進液口處的閥門，將氣體管道與供給源進液口連接起來，打開水平井筒進液口，使水平井筒與大氣相通，氣罐內(nèi)的氣體沿氣體管道、供給源進液口、供給源管和供給源管上的孔眼泵入模擬儲層腔體內(nèi)；(11)利用氣體流量計測量經(jīng)水平井筒進液口所噴出的氣體體積； 所有數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集控制板傳輸至計算機；(12)根據(jù)模擬生產(chǎn)油、氣得到的數(shù)據(jù)，分析裂縫條數(shù)、半徑、縫寬和導流能力對產(chǎn)能的影響，建立相應(yīng)的數(shù)學模型，確定可行的裂縫參數(shù)、施工參數(shù)、施工材料。所述裂縫參數(shù)包括裂縫條數(shù)、半徑、縫寬和導流能力；所述施工參數(shù)包括頁巖破裂壓力、壓裂過程中施工排量、攜砂液的砂比等；所述施工材料包括壓裂液種類及粘度，支撐劑粒徑及密度等。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果(I)本發(fā)明真實反映了頁巖地層物性、裂縫參數(shù)對水平井體積壓裂產(chǎn)能的影響；(2)本發(fā)明模擬了在頁巖儲層中水平井體積壓裂裂縫的起裂、延伸規(guī)律；(3)本發(fā)明可直接觀察裂縫網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)，測定裂縫網(wǎng)絡(luò)的密度、儲層壓裂體積，并監(jiān)測裂縫起裂過程中儲層內(nèi)部各點壓力的變化規(guī)律。(4)本發(fā)明模擬了水平井射孔孔徑、密度和相位對裂縫起裂、延伸及產(chǎn)能的影響；(5)本發(fā)明提供的裝置和方法可優(yōu)化頁巖儲層水平井體積壓裂裂縫參數(shù)(如裂縫的條數(shù)、半徑、縫寬和導流能力)，優(yōu)化施工參數(shù)(如壓力、排量、砂比等)，優(yōu)選施工材料 (壓裂液類型、粘度，支撐劑粒徑、密度等)。(6)本發(fā)明提供的裝置原理可靠、方法切實可行，即可模擬頁巖儲層水平井體積壓裂裂縫的起裂和延伸，又可模擬水平井體積壓裂流體的滲流規(guī)律，在同一套裝置中實現(xiàn)了壓裂及生產(chǎn)兩個過程的模擬。本發(fā)明根據(jù)相似性準則，選擇實驗介質(zhì)、設(shè)計水平井分段壓裂裂縫模型，模擬體積壓裂裂縫的起裂、延伸過程，測定縫網(wǎng)的密度和體積，模擬頁巖儲層油氣的滲流，研究裂縫參數(shù)對頁巖儲層水平井壓裂產(chǎn)能的影響，優(yōu)化壓裂施工參數(shù)和裂縫參數(shù)，解決頁巖儲層壓裂的關(guān)鍵問題。


圖I是本發(fā)明模擬頁巖儲層水平井體積壓裂的裝置示意圖。其中，I、儲液罐、2、 柱塞泵、3、加熱套、4、流量計、5、壓力表、6、供給源管、7、閥門、8、壓力傳感器、9、水平井筒、 10、人工裂縫模型、11、介質(zhì)、12、萬向支架、13、廢液罐、14、電子天平、15、管線、16、供給源進液口、17、水平井筒進液口、18、攪拌機、19、供給源管上設(shè)置的孔眼、20、數(shù)據(jù)采集控制面板、 21、計算機、22、溫度傳感器、23、氣罐、24、氣體流量計、25、電纜。26、射孔孔眼；27、上蓋;28、矩形腔；29、氣體管道。
具體實施例方式下面根據(jù)實施例和說明書附圖對本發(fā)明做進一步的說明，但不限于此。參看圖I。實施例I為模擬頁巖儲層壓裂縫擴展過程所用到的裝置；實施例3為模擬頁巖儲油層生產(chǎn)過程所用到的裝置；實施例5為模擬頁巖儲氣藏生產(chǎn)過程所用到的裝置。實施例I、一種模擬頁巖儲層水平井體積壓裂的裝置，包括模擬儲層腔體、數(shù)據(jù)采集控制面板20、計算機21、在模擬儲層腔體內(nèi)設(shè)置的水平井筒9，所述的數(shù)據(jù)采集控制面板20與計算機21相連；所述模擬儲層腔體包括上蓋27和矩形腔28，所述上蓋27通過螺栓密封設(shè)置在矩形腔28上；所述模擬儲層腔體安裝于萬向支架12上，萬向支架由4根高度可調(diào)支柱組成。通過調(diào)節(jié)每根支柱的高度，使長方形腔體傾斜，從而模擬任意傾角地層。所述模擬儲層腔體為長方形腔體，采用鋼塊整體鏤空而成，外形長I. 2m,寬O. 4m,高O. 3m ;在模擬儲層腔體的一側(cè)壁上貫通設(shè)置有3個進液孔，所述3個進液孔在模擬儲層腔體的一側(cè)壁上呈同一水平直線設(shè)置，所述水平井筒9穿過其中一個進液孔設(shè)置在模擬儲層腔體內(nèi)，其余進液孔封堵備用；水平井筒筒壁上分段間隔設(shè)有射孔孔眼26，水平井筒9 一端為進液口 17，水平井筒9的另一端封閉；在模擬儲層腔體內(nèi)壁上設(shè)置有多條供給源管6， 所述多條供給源管6均與模擬儲層腔體外壁上設(shè)置的供給源進液口 16相連，在供給源進液口 16處設(shè)置有閥門7，在供給源管6上設(shè)置均勻設(shè)置有孔眼19 ；在模擬儲層腔體內(nèi)設(shè)置有介質(zhì)為經(jīng)硅膠粘接、固化后的頁巖露頭。填入介質(zhì)的過程為打開模擬儲層腔體的上蓋，將頁巖露頭填入模擬儲層腔體內(nèi)，邊填邊用硅膠粘接，最后使粘有硅膠的頁巖露頭整體固化在模擬儲層腔體內(nèi)，利用上蓋對模擬儲層腔體進行密封。在模擬實驗時，所述的頁巖經(jīng)流體壓裂形成裂縫，通過對裂縫的觀察和記錄，對比不同壓裂流體對頁巖儲層壓裂過程的影響；在模擬儲層腔體內(nèi)上、中、下均勻分布三層壓力傳感器共108只，每層按縱橫次序均勻分布36只。每只壓力傳感器8均通過電纜25與數(shù)據(jù)采集控制面板20相連；一種模擬頁巖儲層水平井體積壓裂的裝置還包括儲液罐I在儲液罐I外設(shè)加熱套 3，加熱套3上設(shè)有溫度傳感器22，所述溫度傳感器22與數(shù)據(jù)采集控制面板20連接，所述儲液罐I的出料口通過柱塞泵2與管線15相連，在所述管線15上設(shè)置有流量計4和壓力表 5，所述流量計4和壓力表5分別與數(shù)據(jù)采集控制面板20連接；所述管線為耐壓管線；所述儲液罐內(nèi)設(shè)置有攪拌機，所述攪拌機為可調(diào)速度的攪拌機。在儲液罐內(nèi)通過攪拌機對壓裂液攪拌均勻，通過加熱套將壓裂液加熱到地層溫度。根據(jù)本實施例，當模擬頁巖儲層壓裂縫擴展時，供給源進液口 16處的閥門7關(guān)閉設(shè)置，所述儲液罐I通過管線15與水平井筒的進液口 17相連通。根據(jù)需要，水平井筒9選用鋼級為N80或PllO的鋼材，水平井筒9長度選擇范圍為
O.2-1. 2m。根據(jù)需要、按照一定比例設(shè)計水平井筒9的內(nèi)徑和壁厚。在水平井筒9上設(shè)置的分段射孔孔26眼，根據(jù)模擬的需要來確定每段的射孔孔眼的孔徑、孔密和射孔相位角， 以及每段射孔孔眼之間的間距。
實施例2、利用實施例I所述的裝置模擬頁巖儲層壓裂縫擴展過程，按以下步驟進行，(I)依據(jù)相似性準則，選定一定長度及鋼級的水平井筒9，根據(jù)模擬水平井分段壓裂的射孔要求，選定水平井筒9的射孔孔眼26的孔徑、孔密和射孔相位角；供給源進液口處的閥門7關(guān)閉設(shè)置，所述儲液罐I通過管線15與水平井筒的進液口 17相連通；(2)在儲液罐I中加入攜砂液，儲液罐I內(nèi)的攜砂液沿管線15、水平井筒進液口 17 低速通入水平井筒9內(nèi)，檢查管線15及模擬儲層腔體的密封性；(3)連接好流量計4、壓力表5、壓力傳感器8和溫度傳感器22，啟動計算機21 ；(4)設(shè)定好工作壓力，啟動柱塞泵2，所述儲液罐I內(nèi)攜砂液以一定排量泵入水平井筒9內(nèi)，沿水平井筒筒壁上射孔孔眼26流出；計算機21記錄模擬儲層腔體內(nèi)各部位的壓力變化；(5)當壓力表5顯示的壓力值達到最大值時，此壓力值即介質(zhì)的破裂壓力，停止柱塞泵2 ;完成利用攜砂液模擬頁巖儲層壓裂縫擴展過程；(6)對模擬儲層腔體進行泄壓，打開模擬儲層腔體的上蓋27，觀察介質(zhì)11裂縫的形狀，測量介質(zhì)11裂縫的密度和壓裂體積，分析介質(zhì)裂縫的起裂、延伸規(guī)律，分析壓裂體積與裂縫的條數(shù)、長度、間距、施工排量和施工壓力的關(guān)系；(7)更換模擬儲層腔體內(nèi)的介質(zhì)11，將儲液罐I內(nèi)的攜砂液換為煤油、水或其它配比的攜砂液，重復(fù)步驟(1)-(6)；實施例3、如實施例I所述的模擬頁巖儲層水平井體積壓裂的裝置，所不同點在于根據(jù)本實施例，當模擬頁巖儲油層生產(chǎn)過程時，所述儲液罐通過管線15與供給源進液口 16相連通，所述水平井筒的進液口 17與大氣相連通；在水平井筒的射孔孔眼26處設(shè)置人工裂縫模型10，使人工裂縫模型10與射孔孔眼26相通；所述人工裂縫模型是水平井橫向裂縫模型、縱向裂縫模型、斜交裂縫模型或扭曲裂縫模型。人工裂縫模型的尺寸(半徑、縫寬)均根據(jù)實驗需要確定，人工裂縫的數(shù)量從幾條到幾十條。所述模擬儲層腔體安裝于萬向支架12上，萬向支架由4根高度可調(diào)支柱組成。通過調(diào)節(jié)每根支柱的高度，使長方形腔體傾斜，從而模擬任意傾角地層。在水平井筒進液口 17處設(shè)置電子天平14及廢液罐13。所述電子天平14用來測量模擬頁巖儲油層的油品產(chǎn)量。實施例4、利用實施例3所述的裝置模擬頁巖儲油層生產(chǎn)過程，按以下步驟(8)-(9)進行，(8)在儲液罐中加入煤油；將人工裂縫模型10安裝在水平井筒9上，確保人工裂縫模型10與射孔孔眼26相通，打開供給源進液口 16處的閥門7，將管線15與供給源進液口 16連接起來，打開水平井筒進液口 17，使水平井筒9與大氣相通，儲液罐I內(nèi)的煤油沿管線15、柱塞泵2、供給源進液口 16、供給源管6和供給源管上的孔眼19泵入模擬儲層腔體內(nèi)；(9)利用電子天平14稱量由水平井筒進液口 17流出的煤油的質(zhì)量；本實施例還可將儲液罐中的煤油換為質(zhì)量濃度為1%的NaCl溶液，重復(fù)步驟 ⑶ _(9)。
實施例5、如實施例I所述的模擬頁巖儲層水平井體積壓裂的裝置，所不同點在于根據(jù)本實施例，當模擬頁巖儲氣藏生產(chǎn)過程時，所述氣罐23通過氣體管道29與供給源進液口 16相連通，所述水平井筒的進液口 17與大氣相連通；在水平井筒的射孔孔眼 26處設(shè)置人工裂縫模型10，使人工裂縫模型10與射孔孔眼26相通；所述人工裂縫模型10 是水平井橫向裂縫模型、縱向裂縫模型、斜交裂縫模型或扭曲裂縫模型。人工裂縫模型的尺寸(半徑、縫寬)均根據(jù)實驗需要確定，人工裂縫的數(shù)量從幾條到幾十條。人工裂縫模型屬于可選部件，如果只模擬壓裂水平井的生產(chǎn)過程，則需要連接該部件。實施例6、利用實施例5所述的裝置模擬頁巖儲氣藏生產(chǎn)過程，按以下步驟(IO)-(Il)進行，(10)將人工裂縫模型10安裝在水平井筒9上，確保人工裂縫模型10與射孔孔眼 26相通，打開供給源進液口 16處的閥門7，將氣體管道29與供給源進液口 16連接起來，打開水平井筒進液口 17，使水平井筒9與大氣相通，氣罐23內(nèi)的氣體沿氣體管道29、供給源進液口 16、供給源管6和供給源管上的孔眼19泵入模擬儲層腔體內(nèi)；(11)利用氣體流量計24測量經(jīng)水平井筒進液口 17所噴出的氣體體積；所有數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集控制板傳輸至計算機。(12)根據(jù)模擬生產(chǎn)油、氣得到的數(shù)據(jù)，分析裂縫條數(shù)、半徑、縫寬和導流能力對產(chǎn)能的影響，建立相應(yīng)的數(shù)學模型，確定可行的裂縫參數(shù)、施工參數(shù)、施工材料。所述裂縫參數(shù)包括裂縫條數(shù)、半徑、縫寬和導流能力；所述施工參數(shù)包括頁巖破裂壓力、壓裂過程中施工排量、攜砂液的砂比等；所述施工材料包括壓裂液種類及粘度，支撐劑粒徑及密度等。
權(quán)利要求
1.一種模擬頁巖儲層水平井體積壓裂的裝置，其特征在于，其包括模擬儲層腔體、數(shù)據(jù)采集控制面板、計算機、在模擬儲層腔體內(nèi)設(shè)置的水平井筒，所述的數(shù)據(jù)采集控制面板與計算機相連；所述模擬儲層腔體包括上蓋和矩形腔，所述上蓋通過螺栓密封設(shè)置在矩形腔上；在模擬儲層腔體的一側(cè)壁上貫通設(shè)置有若干個進液孔，所述進液孔在模擬儲層腔體的一側(cè)壁上呈同一水平直線設(shè)置，所述水平井筒穿過其中一個進液孔設(shè)置在模擬儲層腔體內(nèi)，其余進液孔封堵備用；水平井筒筒壁上分段間隔設(shè)有射孔孔眼，水平井筒一端為進液口，水平井筒的另一端封閉；在模擬儲層腔體內(nèi)壁上設(shè)置有多條供給源管，所述多條供給源管均與模擬儲層腔體外壁上設(shè)置的供給源進液口相連，在供給源進液口處設(shè)置有閥門，在供給源管上設(shè)置均勻設(shè)置有孔眼；在模擬儲層腔體內(nèi)填充有介質(zhì)；在模擬儲層腔體內(nèi)上、中、下分布三層壓力傳感器，每層均勻分布30 40只壓力傳感器；每只壓力傳感器均通過電纜與數(shù)據(jù)采集控制面板相連；所述裝置還包括儲液罐和氣罐，在儲液罐外設(shè)加熱套，加熱套上設(shè)有溫度傳感器，所述溫度傳感器與數(shù)據(jù)采集控制面板連接，所述儲液罐的出料口通過柱塞泵與管線相連，在所述管線上設(shè)置有流量計和壓力表，所述流量計和壓力表分別與數(shù)據(jù)采集控制面板連接；所述氣罐的出氣口與氣體管道相連，在氣體管道上設(shè)置有氣體流量計，所述氣體流量計與數(shù)據(jù)采集控制面板連接；當模擬頁巖儲層壓裂縫擴展時，供給源進液口處的閥門關(guān)閉設(shè)置，所述儲液罐通過管線與水平井筒的進液口相連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種模擬頁巖儲層水平井體積壓裂的裝置，其特征在于，當模擬頁巖儲油層生產(chǎn)過程時，所述儲液罐通過管線與供給源進液口相連通，所述水平井筒的進液口與大氣相連通；在水平井筒的射孔孔眼處設(shè)置人工裂縫模型，使人工裂縫模型與射孔孔眼相通；所述人工裂縫模型是水平井橫向裂縫模型、縱向裂縫模型、斜交裂縫模型或扭曲裂縫模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種模擬頁巖儲層水平井體積壓裂的裝置，其特征在于，當模擬頁巖儲氣藏生產(chǎn)過程時，所述氣罐通過氣體管道與供給源進液口相連通，所述水平井筒的進液口與大氣相連通；在水平井筒的射孔孔眼處設(shè)置人工裂縫模型，使人工裂縫模型與射孔孔眼相通；所述人工裂縫模型是水平井橫向裂縫模型、縱向裂縫模型、斜交裂縫模型或扭曲裂縫模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種模擬頁巖儲層水平井體積壓裂的裝置，其特征在于，所述模擬儲層腔體安裝于萬向支架12上，萬向支架由4根高度可調(diào)支柱組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種模擬頁巖儲層水平井體積壓裂的裝置，其特征在于，所述模擬儲層腔體為長方形腔體，采用鋼塊整體鏤空而成；進一步優(yōu)選所述長方形腔體外形長I. 2m，寬O. 4m,高O. 3m ;在模擬儲層腔體內(nèi)上、中、下均勻分布三層壓力傳感器共108只， 每層按縱橫次序均勻分布36只。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種模擬頁巖儲層水平井體積壓裂的裝置，其特征在于，所述管線為耐壓管線；所述儲液罐內(nèi)設(shè)置有攪拌機，所述攪拌機為可調(diào)速度的攪拌機；在模擬儲層腔體內(nèi)設(shè)置有介質(zhì)為經(jīng)硅膠粘接、固化后的頁巖露頭；在模擬儲層腔體的一側(cè)壁上貫通設(shè)置的進液孔的個數(shù)為3個。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種模擬頁巖儲層水平井體積壓裂的裝置，其特征在于，當模擬頁巖儲油層生產(chǎn)過程時，在水平井筒進液口處設(shè)置電子天平及廢液罐。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種模擬頁巖儲層水平井體積壓裂的裝置，其特征在于，當模擬頁巖儲氣藏生產(chǎn)過程時，在水平井筒進液口處設(shè)置氣體流量計。
9.如權(quán)利要求I所述的裝置進行模擬頁巖儲層水平井體積壓裂的方法，其特征在于， 該方法包括模擬頁巖儲層壓裂縫擴展的過程、模擬頁巖儲油層生產(chǎn)過程和模擬頁巖儲氣藏生產(chǎn)過程，按以下步驟進行，模擬頁巖儲層壓裂縫擴展的過程，按步驟(1)-(7)進行(1)依據(jù)相似性準則，選定一定長度及鋼級的水平井筒，根據(jù)模擬水平井分段壓裂的射孔要求，選定水平井筒的射孔孔眼的孔徑、孔密和射孔相位角；供給源進液口處的閥門關(guān)閉設(shè)置，所述儲液罐通過管線與水平井筒的進液口相連通；(2)在儲液罐中加入攜砂液，儲液罐內(nèi)的攜砂液沿管線、水平井筒進液口低速通入水平井筒內(nèi)，檢查管線及模擬儲層腔體的密封性；(3)連接好流量計、壓力表、壓力傳感器和溫度傳感器，啟動計算機；(4)設(shè)定好工作壓力，啟動柱塞泵，所述儲液罐內(nèi)攜砂液以一定排量泵入水平井筒內(nèi)， 沿水平井筒筒壁上射孔孔眼流出；計算機記錄模擬儲層腔體內(nèi)各部位的壓力變化；(5)當壓力表顯示的壓力值達到最大值時，此壓力值即介質(zhì)的破裂壓力，停止柱塞泵； 完成利用攜砂液模擬頁巖儲層壓裂縫擴展過程；(6)對模擬儲層腔體進行泄壓，打開模擬儲層腔體的上蓋，觀察介質(zhì)裂縫的形狀，測量介質(zhì)裂縫的密度和壓裂體積，分析介質(zhì)裂縫的起裂、延伸規(guī)律，分析壓裂體積與裂縫的條數(shù)、長度、間距、施工排量和施工壓力的關(guān)系；(7)更換模擬儲層腔體內(nèi)的介質(zhì)，將儲液罐內(nèi)的攜砂液換為煤油、水或其它配比的攜砂液，重復(fù)步驟(1)-(6)；模擬頁巖儲油層生產(chǎn)過程時，按以下步驟(8)-(9)進行(8)在儲液罐中加入煤油或質(zhì)量濃度為1%的NaCl溶液；將人工裂縫模型安裝在水平井筒上，確保人工裂縫模型與射孔孔眼相通，打開供給源進液口處的閥門，將管線與供給源進液口連接起來，打開水平井筒進液口，使水平井筒與大氣相通，儲液罐內(nèi)的煤油或質(zhì)量濃度為1%的NaCl溶液沿管線、柱塞泵、供給源進液口、供給源管和供給源管上的孔眼泵入模擬儲層腔體內(nèi)；(9)利用電子天平稱量由水平井筒進液口流出的煤油或質(zhì)量濃度為I%的NaCl溶液的質(zhì)量;模擬頁巖儲氣藏生產(chǎn)過程時，按以下步驟(IO)-(Il)進行(10)將人工裂縫模型安裝在水平井筒上，確保人工裂縫模型與射孔孔眼相通，打開供給源進液口處的閥門，將氣體管道與供給源進液口連接起來，打開水平井筒進液口，使水平井筒與大氣相通，氣罐內(nèi)的氣體沿氣體管道、供給源進液口、供給源管和供給源管上的孔眼泵入模擬儲層腔體內(nèi)；(11)利用氣體流量計測量經(jīng)水平井筒進液口所噴出的氣體體積；所有數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集控制板傳輸至計算機；(12)根據(jù)模擬生產(chǎn)油、氣得到的數(shù)據(jù)，分析裂縫條數(shù)、半徑、縫寬和導流能力對產(chǎn)能的影響，建立相應(yīng)的數(shù)學模型，確定可行的裂縫參數(shù)、施工參數(shù)、施工材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的模擬頁巖儲層水平井體積壓裂的方法，其特征在于，所述裂縫參數(shù)包括裂縫條數(shù)、半徑、縫寬和導流能力；所述施工參數(shù)包括頁巖破裂壓力、壓裂過程中施工排量、攜砂液的砂比；所述施工材料包括壓裂液種類及粘度，支撐劑粒徑及密度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種模擬頁巖儲層水平井體積壓裂的裝置及方法，當模擬頁巖儲層壓裂縫擴展時，供給源進液口處的閥門關(guān)閉設(shè)置，所述儲液罐通過管線與水平井筒的進液口相連通；當模擬頁巖儲油層生產(chǎn)過程時，所述儲液罐通過管線與供給源進液口相連通，所述水平井筒的進液口與大氣相連通；在水平井筒的射孔孔眼處設(shè)置人工裂縫模型；當模擬頁巖儲氣藏生產(chǎn)過程時，所述氣罐通過氣體管道與供給源進液口相連通，所述水平井筒的進液口與大氣相連通。本發(fā)明根據(jù)相似性準則，模擬體積壓裂裂縫的起裂、延伸過程，測定縫網(wǎng)的密度和體積，研究裂縫參數(shù)對頁巖儲層水平井壓裂產(chǎn)能的影響，優(yōu)化壓裂施工參數(shù)和裂縫參數(shù)，解決頁巖儲層壓裂的關(guān)鍵問題。
文檔編號G01N33/00GK102590456SQ201210038460
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月20日
發(fā)明者于姣姣, 劉廣忠, 溫慶志, 羅明良, 胡藍霄, 齊寧 申請人:中國石油大學(華東)