CN104060976B - 对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法 - Google Patents
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- Investigation Of Foundation Soil And Reinforcement Of Foundation Soil By Compacting Or Drainage (AREA)
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Abstract
本发明属于油气藏开发技术研究领域，具体涉及一种对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法。该方法包括如下步骤：（1）、加工模拟井筒，并在模拟井筒井壁上布置射孔孔眼；（2）将步骤（1）中模拟井筒预制到人造岩心试样中，利用真三轴水力压裂装置系统开展水力压裂物理模拟实验；（3）通过步骤（2）的水力压裂物理模拟实验观察模拟井筒井壁上的射孔孔眼处水力裂缝起裂和扩展形态。该方法可以针对不同储层构造的地质开发区块选择不同的井型和压裂工艺进行有效的室内模拟评价研究，对常规或非常规致密性油气藏以及复杂断块油气藏的水力压裂工艺设计和方案优化提供理论依据。
Description
技术领域
本发明属于油气藏开发技术研究领域，具体涉及一种对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法。
背景技术
我国陆地页岩气、煤层气、致密油气等非常规油气藏以及海上油气藏分布广泛，远景储量巨大，高效开发此类油气藏是石油工业长期关注的焦点。非常规油气藏具有低孔低渗的特点，高效开发此类非常规油气藏需要大规模的水力压裂作业，旨在储层形成具有高导流能力的多条甚至网状裂缝，改善油气运移条件，而海上及滩海油气藏钻井作业平台有限，同时地下储层层位多、水平及纵向砂体分布不均、连通性差，针对以上非常规以及海上油气藏的不同特点，通常采用直井以及多分支大斜度井、水平井进行开采，提高采收率，获得更高的经济产量。
针对以上不同的钻井方式，为实现在同一储层的不同空间位置形成多条水力裂缝，增加非常规及海上油气藏的油气泄油体积，减小油气运移的阻力，采用多级分段或分层的水力压裂以及多分支井同步压裂完井方式。多级分段或多分支井同步水力压裂是体积压裂改造储层的工艺技术之一，而多级分层水力压裂针对砂泥互层储层，以及水平或纵向上砂体分布不均且差异较大的储层进行合理有效开发的工程技术手段。这些多级分段或分层以及多分支井同步水力压裂工艺在我国四川盆地龙马溪组页岩、长庆油田陇东地区长72致密砂岩以及塔里木砂泥互层等储层已有大量应用，增产效果显著。
然而，多级水力裂缝之间的应力干扰以及多个裂缝之间的沟通情况关系到油田水力压裂施工成功率和水力裂缝有效率，直接影响到后续油气藏开采速率和经济效益，国内外科研院所正在积极寻求表征多裂缝间相互作用的力学机理。
申请号为201310407768.6的中国发明专利，公开了一种油气井水力压裂裂缝扩展可视化实验方法及其装置。该方法实现了在平面上可视水力裂缝扩展路径，但对于多级水力压裂及多级水力压裂之间的相互干扰的研究，尤其是针对不同储层构造的地质的研究并没有很大的帮助。
申请号为201010103563.5的中国发明专利，公开了一种真三轴钻井堵漏模拟评价装置，该装置能够模拟地层的真实受力状态，为裂缝型地层和孔隙型地层的堵漏力学机理研究提供了有效保证。但是，该发明并没有公开对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，也没有提供对于多级水力压裂及多级水力压裂之间的相互干扰的研究。
因此，为了研究不同井型多级分段、分层和同步压裂，为现场多级水力压裂测试提供基础数据和理论参考，需要进一步研究对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种物理模拟非常规页岩气、煤层气和常规低渗透等致密性油气藏以及海上油气藏直井、大斜度、水平井和多分支井的多级分段或分层以及多分支井同步水力压裂方法，该方法可以针对不同储层构造的地质开发区块选择不同的井型和压裂工艺进行有效的室内模拟评价研究，对常规或非常规致密性油气藏以及复杂断块油气藏的水力压裂工艺设计和方案优化提供理论依据。
一种对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，包括如下步骤：
（1）加工模拟井筒，并在模拟井筒井壁上布置射孔孔眼；
（2）将步骤（1）中模拟井筒预制到人造岩心试样中，利用真三轴水力压裂装置系统开展水力压裂物理模拟实验；
（3）通过步骤（2）的水力压裂物理模拟实验观察模拟井筒井壁上的射孔孔眼处水力裂缝起裂和扩展形态。
上述方案优选的是，所述模拟井筒包括直井模拟井筒、斜井模拟井筒、水平井模拟井筒和丛式井模拟井筒中任一种或几种。
上述任一方案优选的是，每簇射孔孔眼的布置方式为螺旋形射孔孔眼或定向射孔孔眼。
上述任一方案优选的是，所述定向射孔指在模拟射孔井筒的横截面上布置一簇定向射孔，每簇定向射孔包括至少一个射孔孔眼，相邻两簇定向射孔之间的射孔孔眼的轴向间距最短为20-30mm。
上述任一方案优选的是，每簇螺旋形射孔孔眼个数是根据射孔间距和射孔相位角度设定的；相邻两射孔孔眼之间的轴向间距最短间距为10-20mm。
上述任一方案优选的是，所述每簇螺旋形射孔包括六个射孔孔眼，所述射孔孔眼之间的相位角为60o。
上述任一方案优选的是，所述每簇螺旋形射孔包括四个射孔孔眼，所述射孔孔眼之间的相位角为90o。
上述任一方案优选的是，所述模拟井筒由井筒头和井身构成。
上述任一方案优选的是，所述井筒头包含凹形密封槽，所述井筒头外径为20-40mm，高为20mm，凹槽深度和宽度均为2mm。
上述任一方案优选的是， 直井模拟井筒井身长度为140mm，外径为10-40mm，内径为5-10mm。
所述直井模拟井筒的射孔段的中间位置位于人造岩心试样的垂向中心位置。
上述任一方案优选的是，井斜角大于0度且小于或等于45度的斜井模拟井筒包括辅助水平段模拟井筒和倾斜段模拟井筒，所述辅助水平段模拟井筒的长度为120mm，所述倾斜段模拟井筒的长度根据斜度的不同而有所不同，且所述倾斜段模拟井筒的射孔段的中间位置位于人造岩心试样的垂向中心位置；所述辅助水平段模拟井筒与倾斜段模拟井筒通过焊接连通。所述井斜角是指倾斜段模拟井筒的射孔段井筒的中轴线与垂线的夹角。
上述任一方案优选的是，井斜角大于45度小于90度（不包括90度和45度）的斜井模拟井筒是将辅助水平段模拟井筒、辅助竖直段模拟井筒与倾斜段模拟井筒呈现U字形焊接连接。所述井斜角是指倾斜段模拟井筒的射孔段井筒的中轴线与垂线的夹角。
上述任一方案优选的是，井斜角等于90度的水平井模拟井筒是将辅助水平段模拟井筒、辅助竖直段模拟井筒与水平段模拟井筒呈现U字形焊接连接。所述井斜角是指水平段模拟井筒的射孔段井筒的中轴线与垂线的夹角。
上述任一方案优选的是，所述丛式井模拟井筒是以直井模拟井筒设计为基础，在直井段模拟井筒末端的任意位置焊接至少两段射孔段模拟井筒；所述直井段模拟井筒和射孔段模拟井筒的长度根据分段射孔的段数进行设计，且各射孔段的射孔孔眼部分在人造岩心试样的垂向中心位置；所述射孔段模拟井筒为倾斜段模拟井筒或水平段模拟井筒。
各射孔段的射孔孔眼部分在人造岩心试样的垂向中心位置可以使水力裂缝在人造岩心试样中部起裂，以达到充分扩展的目的。
上述任一方案优选的是，所述人造岩心试样外形尺寸为400mm×400mm×400mm。
上述任一方案优选的是，所述模拟井筒上端连接外部液压管线，所述射孔孔眼布置在模拟井筒下端表面上。
上述任一方案优选的是，所述射孔孔眼直径为2mm。
上述任一方案优选的是，真三轴水力压裂装置系统由伺服增压系统、液压稳压源、声发射仪、油水分离器和真三轴岩心试验架构成。
上述任一方案优选的是，所述人造岩心试样固定设置在真三轴岩心试验架内，液压稳压源向人造岩心外侧的三个空间方向施加压力，模拟三向地应力。
上述任一方案优选的是，所述人造岩心试样外侧面至少设置一个向声发射仪发出信号的声发射探头。
上述任一方案优选的是，所述模拟井筒上端的井口部设有密封结构，所述密封结构上设有通孔，所述通孔与油水分离器的压裂液出口连通。
上述任一方案优选的是，所述水力压裂模拟实验包括将压裂液置入油水分离器中，并将油水分离器的出口与模拟井筒上端的井口部密封连接的步骤；还包括通过MTS伺服增压器控制油水分离器将压裂液注入模拟井筒的步骤。
上述任一方案优选的是，所述人造岩心试样包括水泥、石英砂、粘土、石膏粉，所述水泥、石英砂、粘土、石膏粉的体积比为4-5:4-5:0.8-1.2:0.8-1.2。
上述任一方案优选的是，所述人造岩心试样还包括麦片、碎纸和水，所述麦片、碎纸和水占人造岩心试样的质量百分比分别为0.1~0.2 %、0.05~0.1 %、18~20%。
上述任一方案优选的是，所述人造岩心试样的制备方法包括以下步骤：
A、将水泥、石英砂、粘土、石膏粉进行混合搅拌；
B、向步骤A中的混合物中加入少量麦片、碎纸片，再加水均匀搅拌；
C、将步骤B中的混合物分层浇铸成水泥块，层与层之间涂一层润滑油，待水泥块干燥成型后，即可得到人造岩心试样。
上述任一方案优选的是，所述水泥为复合硅酸盐水泥。
上述任一方案优选的是，所述的石英砂粒度为80~120目。
上述任一方案优选的是，所述的粘土矿物组分包括蒙脱石和伊利石。
上述任一方案优选的是，所述石膏粉为白云质磨具用的石膏粉。
上述任一方案优选的是，所述麦片为食用麦片，直径为5-8mm。
上述任一方案优选的是，所述碎纸片为长10-20mm，宽5-10mm的A4打印纸。
上述任一方案优选的是，所述润滑油为灰壳润滑油。
上述任一方案优选的是，步骤A中，所述搅拌是用石英砂搅拌机进行搅拌10-15分钟。
上述任一方案优选的是，步骤C中，所述干燥是自然晾干，持续时间10-15天。
本发明中辅助水平段模拟井筒，是为了保证倾斜段模拟井筒与井筒头能够较好的连接，且使井筒头的位置处于人造岩心试样的合适位置，同时又能保证倾斜段模拟井筒上的射孔孔眼处于人造岩心试样的垂向中心位置，以及保证能够在真三轴水力压裂装置系统的基础上开展斜井模拟井筒的水力压裂物理模拟实验。
本发明中辅助竖直段模拟井筒，是为了保证井斜角大于45度的斜井模拟井筒的射孔孔眼处于人造岩心试样的垂向中心位置，以及保证能够在真三轴水力压裂装置系统的基础上开展斜井模拟井筒的水力压裂物理模拟实验。
本发明提供的对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，是发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，在真三轴水力压裂设备的基础上提出的，适用于不同井型射孔井筒的分段、分层以及多分支井同步水力压裂的室内实验，主要应用于不同地层、不同特征的复杂油气藏的多级分段压裂、分层压裂以及多分支井同步压裂，在模拟地层真实的应力状态（上覆岩层压力、水平最大地应力和水平最小地应力）的条件下，对多裂缝及缝网压裂的裂缝形态进行模拟实验研究。该实验方法的研制为致密性及裂缝地层以及滩海等复杂油气藏压裂裂缝扩展机理的研究提供了新的手段和思路，为现场多级水力压裂测试提供基础数据和理论参考，同时也为现场压裂施工建立了新型有效的实验评价方法。各数据的选择及其范围也是为了使本发明模拟方法更适于真三轴水力压裂设备，以测出更准确的数据，这些数据及步骤是发明人经过多次实验后作出的创造性劳动。
通过本发明提供的对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法可有效指导现场压裂，具体包括以下几方面：
1.根据压裂施工设计，结合物理模拟与实际施工的差异，确定室内模拟参数条件（三向应力、实验温度、排量、粘度等）对水力裂缝近井筒起裂形态的影响。
2.根据岩石力学测试、应力测试、储隔层层数、储隔层物性、界面性质、井筒方位角和井斜角等数据，研究水力裂缝扩展过程中裂缝转向特征。
3.通过开展不同井型的室内物理模拟实验确定裂缝转向部分裂缝宽度。
4.通过室内物理模拟实验，确定应力差、物性差、界面性质、储层隔的厚度、注入速率、压裂液粘度、岩性对层间介质内水力裂缝扩展高度的影响。
5.通过开展不同井型的室内物理模拟实验，优化压裂方案设计，优选射孔参数，包括确定射孔间距，射孔方位，孔眼直径，孔密。
本发明中人造岩心适合于模拟具有多层理、多裂缝、高脆性的节理性页岩岩心；水泥、石英砂、粘土、石膏粉的体积比，以及麦片、碎纸片的应用和水的用量，及制备过程中考虑到了粘度矿物、脆性矿物成份和裂隙对页岩物理性质的影响，使得制备的岩心试样与页岩岩石力学性质相似，能够更适于真三轴水力压裂物理模拟实验，更进一步认识页岩储层以及模拟页岩的层理面、天然裂缝和水力裂缝等力学特征，以便高效开发页岩油气；该方法所用的材料简单、成本低廉、操作简便。
附图说明
图1为按照本发明对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法中一优选实施例的直井模拟井筒示意图。
图2为按照本发明对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法中一优选实施例的小于45度的斜井模拟井筒示意图。
图3为按照本发明对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法中一优选实施例的大于45度的斜井模拟井筒示意图。
图4为按照本发明对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法中一优选实施例的水平井模拟井筒示意图。
图5为按照本发明对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法中一优选实施例的丛式井模拟井筒示意图。
图6为按照本发明对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法中一优选实施例的真三轴水力压裂装置系统示意图。
图中：1-直井模拟井筒井身，2-倾斜段模拟井筒，3-辅助水平段模拟井筒，4-辅助竖直段模拟井筒,5-井筒头，6-人造岩心试样，7-水平段模拟井筒。σ V 表示垂向地应力。σ H 表示水平最大地应力。θ表示模拟井筒的中轴线与垂线之间的夹角。
具体实施方式
为了进一步了解本发明，下面结合具体实施例对本发明作更为详细的描述，实施例只对本发明具有示例性作用，而不具有任何限制性的作用；任何本领域技术人员在本发明的基础上作出的非实质性修改，都应属于本发明保护的范围。
实施例1
一种对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，包括如下步骤：
（1）加工模拟井筒，并在模拟井筒井壁上布置射孔孔眼；
（2）将步骤（1）中模拟井筒预制到人造岩心试样中，利用真三轴水力压裂装置系统（如图6所示）开展水力压裂物理模拟实验；
（3）通过步骤（2）的水力压裂物理模拟实验观察模拟井筒井壁上的射孔孔眼处水力裂缝起裂和扩展形态。
在本实施例中，所述模拟井筒为直井模拟井筒，所述直井模拟井筒由井筒头5和直井模拟井筒井身1构成，所述井筒头5包含一凹形密封槽，所述井筒头5外径为20mm，高为20mm，凹槽深度和宽度均为2mm，所述直井模拟井筒井身长度为140mm，外径为10mm，内径为5mm；如图1所示，θ为直井模拟井筒的中轴线与垂线之间的夹角，夹角大小为0°；σ V 表示垂向地应力；σ H 表示水平最大地应力；所述直井模拟井筒的射孔段的中间位置位于人造岩心试样的垂向中心位置。
在本实施例中，每簇射孔孔眼的布置方式为为螺旋形射孔孔眼。
在本实施例中，每簇螺旋形射孔孔眼个数是根据射孔间距和射孔相位角度设定的；相邻两射孔孔眼之间的轴向间距最短间距为10mm。
在本实施例中，所述每簇螺旋形射孔包括六个射孔孔眼，所述射孔孔眼之间的相位角为60o。
在本实施例中，所述人造岩心试样6外形尺寸为400mm×400mm×400mm。
在本实施例中，所述直井模拟井筒上端连接外部液压管线，所述射孔孔眼布置在模拟井筒下端表面上。
在本实施例中，所述射孔孔眼直径为2mm。
在本实施例中，真三轴水力压裂装置系统由伺服增压系统、液压稳压源、声发射仪、油水分离器和真三轴岩心试验架构成。
在本实施例中，所述人造岩心试样6固定设置在真三轴岩心试验架内，液压稳压源向人造岩心外侧的三个空间方向施加压力，模拟三向地应力。
在本实施例中，所述人造岩心试样6外侧面设置一个向声发射仪发出信号的声发射探头。
在本实施例中，所述直井模拟井筒上端的井口部设有密封结构，所述密封结构上设有通孔，所述通孔与油水分离器的压裂液出口连通。
在本实施例中，所述水力压裂模拟实验包括将压裂液置入油水分离器中，并将油水分离器的出口与模拟井筒上端的井口部密封连接的步骤；还包括通过MTS伺服增压器控制油水分离器将压裂液注入模拟井筒的步骤。
在本实施例中，所述人造岩心试样6包括水泥、石英砂、粘土、石膏粉，所述水泥、石英砂、粘土、石膏粉的体积比为4.5:4.5:1:1。
在本实施例中，所述人造岩心试样6还包括麦片、碎纸和水，所述麦片、碎纸和水占人造岩心试样的质量百分比分别为0.1 %、0.05 %、19%。
在本实施例中，所述人造岩心试样6的制备方法包括以下步骤：
A、将水泥、石英砂、粘土、石膏粉进行混合搅拌；
B、向步骤A中的混合物中加入少量麦片、碎纸片，再加水均匀搅拌；
C、将步骤B中的混合物分层浇铸成水泥块，层与层之间涂一层润滑油，待水泥块干燥成型后，即可得到人造岩心试样。
在本实施例中，所述水泥为复合硅酸盐水泥，所述的石英砂粒度为80目，所述的粘土矿物组分包括蒙脱石和伊利石，所述石膏粉为白云质磨具用的石膏粉。
在本实施例中，所述麦片为食用麦片，直径为6mm。
在本实施例中，所述碎纸片为长10mm，宽5mm的A4打印纸。
在本实施例中，所述润滑油为灰壳润滑油。
在本实施例中，步骤A中，所述搅拌是用石英砂搅拌机进行搅拌10分钟。
在本实施例中，步骤C中，所述干燥是自然晾干，持续时间15天。
实施例2
一种对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，包括如下步骤：
（1）加工模拟井筒，并在模拟井筒井壁上布置射孔孔眼；
（2）将步骤（1）中模拟井筒预制到人造岩心试样中，利用真三轴水力压裂装置系统开展水力压裂物理模拟实验；
（3）通过步骤（2）的水力压裂物理模拟实验观察模拟井筒井壁上的射孔孔眼处水力裂缝起裂和扩展形态。
在本实施例中，所述模拟井筒为斜井模拟井筒，所述斜井模拟井筒包括井筒头5、辅助水平段模拟井筒3和倾斜段模拟井筒2；所述井筒头5包含凹形密封槽，所述井筒头5外径为33mm，高为20mm，凹槽深度和宽度均为2mm；如图2所示，θ为倾斜段模拟井筒2的中轴线与垂线的夹角，夹角大小为40°；σ V 表示垂向地应力；σ H 表示水平最大地应力。
在本实施例中，所述辅助水平段模拟井筒3的长度为120mm，所述倾斜段模拟井筒2的长度根据斜度的不同而有所不同，且所述倾斜段模拟井筒2的射孔段的中间位置位于人造岩心试样6的垂向中心位置；所述辅助水平段模拟井筒3与倾斜段模拟井筒2通过焊接连通。
在本实施例中，每簇射孔孔眼的布置方式为螺旋形射孔孔眼。
在本实施例中，每簇螺旋形射孔孔眼个数是根据射孔间距和射孔相位角度设定的；相邻两射孔孔眼之间的轴向间距最短间距为15mm。
在本实施例中，所述每簇螺旋形射孔包括四个射孔孔眼，所述射孔孔眼之间的相位角为90o。
在本实施例中，所述人造岩心试样6外形尺寸为400mm×400mm×400mm。
在本实施例中，所述模拟井筒上端连接外部液压管线，所述射孔孔眼布置在模拟井筒下端表面上。
在本实施例中，所述射孔孔眼直径为2mm。
在本实施例中，真三轴水力压裂装置系统由伺服增压系统、液压稳压源、声发射仪、油水分离器和真三轴岩心试验架构成。
在本实施例中，所述人造岩心试样6固定设置在真三轴岩心试验架内，液压稳压源向人造岩心外侧的三个空间方向施加压力，模拟三向地应力。
在本实施例中，所述人造岩心试样6外侧面设置两个向声发射仪发出信号的声发射探头。
在本实施例中，所述模拟井筒上端的井口部设有密封结构，所述密封结构上设有通孔，所述通孔与油水分离器的压裂液出口连通。
在本实施例中，所述水力压裂模拟实验包括将压裂液置入油水分离器中，并将油水分离器的出口与模拟井筒上端的井口部密封连接的步骤；还包括通过MTS伺服增压器控制油水分离器将压裂液注入模拟井筒的步骤。
在本实施例中，所述人造岩心试样6包括水泥、石英砂、粘土、石膏粉，所述水泥、石英砂、粘土、石膏粉的体积比为4:4:0.8:0.8。
在本实施例中，所述人造岩心试样6还包括麦片、碎纸和水，所述麦片、碎纸和水占人造岩心试样的质量百分比分别为0.2 %、0.1 %、18%。
在本实施例中，所述人造岩心试样6的制备方法包括以下步骤：
A、将水泥、石英砂、粘土、石膏粉进行混合搅拌；
B、向步骤A中的混合物中加入少量麦片、碎纸片，再加水均匀搅拌；
C、将步骤B中的混合物分层浇铸成水泥块，层与层之间涂一层润滑油，待水泥块干燥成型后，即可得到人造岩心试样。
在本实施例中，所述水泥为复合硅酸盐水泥，所述的石英砂粒度为120目，所述的粘土矿物组分包括蒙脱石和伊利石，所述石膏粉为白云质磨具用的石膏粉。
在本实施例中，所述麦片为食用麦片，直径为5mm。
在本实施例中，所述碎纸片为长20mm，宽10mm的A4打印纸。
在本实施例中，所述润滑油为灰壳润滑油。
在本实施例中，步骤A中，所述搅拌是用石英砂搅拌机进行搅拌15分钟。
在本实施例中，步骤C中，所述干燥是自然晾干，持续时间15天。
实施例3
一种对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，包括如下步骤：
（1）加工模拟井筒，并在模拟井筒井壁上布置射孔孔眼；
（2）将步骤（1）中模拟井筒预制到人造岩心试样中，利用真三轴水力压裂装置系统开展水力压裂物理模拟实验；
（3）通过步骤（2）的水力压裂物理模拟实验观察模拟井筒井壁上的射孔孔眼处水力裂缝起裂和扩展形态。
在本实施例中，所述模拟井筒为斜井模拟井筒，所述斜井模拟井筒包括井筒头5、辅助水平段模拟井筒3、辅助竖直段模拟井筒4和倾斜段模拟井筒2；且辅助水平段模拟井筒3、辅助竖直段模拟井筒4与倾斜段模拟井筒2呈现U字形焊接连接；所述井筒头5包含凹形密封槽，所述井筒头5外径为27mm，高为20mm，凹槽深度和宽度均为2mm；如图3所示，θ为倾斜段模拟井筒2的中轴线与垂线之间的夹角，夹角大小为80°；σ V 表示垂向地应力；σ H 表示水平最大地应力。倾斜段模拟井筒2的射孔孔眼部分在人造岩心试样6的垂向中心位置。
在本实施例中，每簇射孔孔眼为的布置方式定向射孔孔眼。
在本实施例中，所述定向射孔指在模拟射孔井筒的横截面上按照定向射孔之间的相位角布置一簇定向射孔，每簇定向射孔包括两个射孔孔眼，相邻两簇定向射孔之间的射孔孔眼的轴向间距最短为20mm。
在本实施例中，所述人造岩心试样6外形尺寸为400mm×400mm×400mm。
在本实施例中，所述模拟井筒上端连接外部液压管线，所述射孔孔眼布置在模拟井筒下端表面上。
在本实施例中，所述射孔孔眼直径为2mm。
在本实施例中，真三轴水力压裂装置系统由伺服增压系统、液压稳压源、声发射仪、油水分离器和真三轴岩心试验架构成。
在本实施例中，所述人造岩心试样6固定设置在真三轴岩心试验架内，液压稳压源向人造岩心外侧的三个空间方向施加压力，模拟三向地应力。
在本实施例中，所述人造岩心外侧面设置三个向声发射仪发出信号的声发射探头。
在本实施例中，所述模拟井筒上端的井口部设有密封结构，所述密封结构上设有通孔，所述通孔与油水分离器的压裂液出口连通。
在本实施例中，所述水力压裂模拟实验包括将压裂液置入油水分离器中，并将油水分离器的出口与模拟井筒上端的井口部密封连接的步骤；还包括通过MTS伺服增压器控制油水分离器将压裂液注入模拟井筒的步骤。
在本实施例中，所述人造岩心试样6包括水泥、石英砂、粘土、石膏粉，所述水泥、石英砂、粘土、石膏粉的体积比为5:5:1.2:1.2。
在本实施例中，所述人造岩心试样6还包括麦片、碎纸和水，所述麦片、碎纸和水占人造岩心试样的质量百分比分别为0.15 %、0.06 %、20%。
在本实施例中，所述人造岩心试样6的制备方法包括以下步骤：
A、将水泥、石英砂、粘土、石膏粉进行混合搅拌；
B、向步骤A中的混合物中加入少量麦片、碎纸片，再加水均匀搅拌；
C、将步骤B中的混合物分层浇铸成水泥块，层与层之间涂一层润滑油，待水泥块干燥成型后，即可得到人造岩心试样。
在本实施例中，所述水泥为复合硅酸盐水泥，所述的石英砂粒度为90目，所述的粘土矿物组分包括蒙脱石和伊利石，所述石膏粉为白云质磨具用的石膏粉。
在本实施例中，所述麦片为食用麦片，直径为8mm。
在本实施例中，所述碎纸片为长15mm，宽8mm的A4打印纸。
在本实施例中，所述润滑油为灰壳润滑油。
在本实施例中，步骤A中，所述搅拌是用石英砂搅拌机进行搅拌12分钟。
在本实施例中，步骤C中，所述干燥是自然晾干，持续时间12天。
实施例4
一种对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，包括如下步骤：
（1）加工模拟井筒，并在模拟井筒井壁上布置射孔孔眼；
（2）将步骤（1）中模拟井筒预制到人造岩心试样中，利用真三轴水力压裂装置系统开展水力压裂物理模拟实验；
（3）通过步骤（2）的水力压裂物理模拟实验观察模拟井筒井壁上的射孔孔眼处水力裂缝起裂和扩展形态。
在本实施例中，所述模拟井筒为水平井模拟井筒，所述水平井模拟井筒包括井筒头5、辅助水平段模拟井筒3、辅助竖直段模拟井筒4和水平段模拟井筒7；且辅助水平段模拟井筒3、辅助竖直段模拟井筒4与水平段模拟井筒7呈现U字形焊接连接；所述井筒头5包含凹形密封槽，所述井筒头5外径为35mm，高为20mm，凹槽深度和宽度均为2mm；如图4所示，θ为水平段模拟井筒7的中轴线与垂线之间的夹角，夹角大小为90°；σ V 表示垂向地应力；σ H 表示水平最大地应力。水平段模拟井筒2的射孔孔眼部分在人造岩心试样6的垂向中心位置。
在本实施例中，每簇射孔孔眼为的布置方式定向射孔孔眼。
在本实施例中，所述定向射孔指在模拟射孔井筒的横截面上按照定向射孔之间的相位角布置一簇定向射孔，每簇定向射孔包括一个射孔孔眼，相邻两簇定向射孔之间的射孔孔眼的轴向间距最短为30mm。
在本实施例中，所述人造岩心试样6外形尺寸为400mm×400mm×400mm。
在本实施例中，所述模拟井筒上端连接外部液压管线，所述射孔孔眼布置在模拟井筒下端表面上。
在本实施例中，所述射孔孔眼直径为2mm。
在本实施例中，真三轴水力压裂装置系统由伺服增压系统、液压稳压源、声发射仪、油水分离器和真三轴岩心试验架构成。
在本实施例中，所述人造岩心试样6固定设置在真三轴岩心试验架内，液压稳压源向人造岩心外侧的三个空间方向施加压力，模拟三向地应力。
在本实施例中，所述人造岩心外侧面设置四个向声发射仪发出信号的声发射探头。
在本实施例中，所述模拟井筒上端的井口部设有密封结构，所述密封结构上设有通孔，所述通孔与油水分离器的压裂液出口连通。
在本实施例中，所述水力压裂模拟实验包括将压裂液置入油水分离器中，并将油水分离器的出口与模拟井筒上端的井口部密封连接的步骤；还包括通过MTS伺服增压器控制油水分离器将压裂液注入模拟井筒的步骤。
在本实施例中，所述人造岩心试样6包括水泥、石英砂、粘土、石膏粉，所述水泥、石英砂、粘土、石膏粉的体积比为4.8:4.5:0.8:0.8。
在本实施例中，所述人造岩心试样还包括麦片、碎纸和水，所述麦片、碎纸和水占人造岩心试样的质量百分比分别为0.1 %、0.1 %、18%。
在本实施例中，所述人造岩心试样6的制备方法包括以下步骤：
A、将水泥、石英砂、粘土、石膏粉进行混合搅拌；
B、向步骤A中的混合物中加入少量麦片、碎纸片，再加水均匀搅拌；
C、将步骤B中的混合物分层浇铸成水泥块，层与层之间涂一层润滑油，待水泥块干燥成型后，即可得到人造岩心试样。
在本实施例中，所述水泥为复合硅酸盐水泥，所述的石英砂粒度为80目，所述的粘土矿物组分包括蒙脱石和伊利石，所述石膏粉为白云质磨具用的石膏粉。
在本实施例中，所述麦片为食用麦片，直径为6mm。
在本实施例中，所述碎纸片为长18mm，宽8mm的A4打印纸。
在本实施例中，所述润滑油为灰壳润滑油。
在本实施例中，步骤A中，所述搅拌是用石英砂搅拌机进行搅拌11分钟。
在本实施例中，步骤C中，所述干燥是自然晾干，持续时间12天。
实施例5
一种对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，包括如下步骤：
（1）加工模拟井筒，并在模拟井筒井壁上布置射孔孔眼；
（2）将步骤（1）中模拟井筒预制到人造岩心试样中，利用真三轴水力压裂装置系统开展水力压裂物理模拟实验；
（3）通过步骤（2）的水力压裂物理模拟实验观察模拟井筒井壁上的射孔孔眼处水力裂缝起裂和扩展形态。
在本实施例中，所述模拟井筒为丛式井模拟井筒，所述丛式井模拟井筒包括井筒头5、直井模拟井筒井身1和两段射孔段模拟井筒，所述射孔段模拟井筒为倾斜段模拟井筒2，所述井筒头5包含凹形密封槽，所述井筒头5外径为32mm，高为20mm，凹槽深度和宽度均为2mm；如图5所示，θ为倾斜段模拟井筒2的中轴线与垂线之间的夹角，各倾斜段模拟井筒2的中轴线与垂线之间的夹角均为45°；σ V 表示垂向地应力；σ H 表示水平最大地应力；倾斜段模拟井筒2的射孔孔眼部分在人造岩心试样6的垂向中心位置。在本实施例中，每簇射孔孔眼的布置方式为螺旋形射孔孔眼。
在本实施例中，每簇螺旋形射孔孔眼个数是根据射孔间距和射孔相位角度设定的；相邻两射孔孔眼之间的轴向间距最短间距为20mm。
在本实施例中，所述每簇螺旋形射孔包括六个射孔孔眼，所述射孔孔眼之间的相位角为60o。
在本实施例中，所述人造岩心试样6外形尺寸为400mm×400mm×400mm；内部井身直径为10mm。
在本实施例中，所述模拟井筒上端连接外部液压管线，所述射孔孔眼布置在模拟井筒下端表面上。
在本实施例中，所述射孔孔眼直径为2mm。
在本实施例中，真三轴水力压裂装置系统由伺服增压系统、液压稳压源、声发射仪、油水分离器和真三轴岩心试验架构成。
在本实施例中，所述人造岩心固定设置在真三轴岩心试验架内，液压稳压源向人造岩心外侧的三个空间方向施加压力，模拟三向地应力。
在本实施例中，所述人造岩心外侧面设置两个向声发射仪发出信号的声发射探头。
在本实施例中，所述模拟井筒上端的井口部设有密封结构，所述密封结构上设有通孔，所述通孔与油水分离器的压裂液出口连通。
在本实施例中，所述水力压裂模拟实验包括将压裂液置入油水分离器中，并将油水分离器的出口与模拟井筒上端的井口部密封连接的步骤；还包括通过MTS伺服增压器控制油水分离器将压裂液注入模拟井筒的步骤。
在本实施例中，所述人造岩心试样6包括水泥、石英砂、粘土、石膏粉，所述水泥、石英砂、粘土、石膏粉的体积比为4.2::1.2:1。
在本实施例中，所述人造岩心试样还包括麦片、碎纸和水，所述麦片、碎纸和水占人造岩心试样的质量百分比分别为0.1 %、0.1 %、20%。
在本实施例中，所述人造岩心试样6的制备方法包括以下步骤：
A、将水泥、石英砂、粘土、石膏粉进行混合搅拌；
B、向步骤A中的混合物中加入少量麦片、碎纸片，再加水均匀搅拌；
C、将步骤B中的混合物分层浇铸成水泥块，层与层之间涂一层润滑油，待水泥块干燥成型后，即可得到人造岩心试样。
在本实施例中，所述水泥为复合硅酸盐水泥，所述的石英砂粒度为120目，所述的粘土矿物组分包括蒙脱石和伊利石，所述石膏粉为白云质磨具用的石膏粉。
在本实施例中，所述麦片为食用麦片，直径为6mm。
在本实施例中，所述碎纸片为长20mm，宽5mm的A4打印纸。
在本实施例中，所述润滑油为灰壳润滑油。
在本实施例中，步骤A中，所述搅拌是用石英砂搅拌机进行搅拌10分钟。
在本实施例中，步骤C中，所述干燥是自然晾干，持续时间10天。
Claims (28)
1.一种对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，包括如下步骤：
(1)加工模拟井筒，并在模拟井筒的井壁上布置射孔孔眼；
(2)将步骤(1)中的模拟井筒预制到人造岩心试样中，利用真三轴水力压裂系统开展水力压裂物理模拟实验；
(3)通过步骤(2)的水力压裂物理模拟实验观察模拟井筒井壁上射孔孔眼处的水力裂缝的起裂和扩展形态；
所述模拟井筒包括直井模拟井筒、斜井模拟井筒、水平井模拟井筒和丛式井模拟井筒中任一种或几种；
所述模拟井筒由井筒头和井身构成，所述井筒头包含凹形密封槽；
所述模拟井筒上端的井口部设有密封结构，所述密封结构上设有通孔，所述通孔与真三轴水力压裂系统中油水分离器的压裂液出口连通；
所述人造岩心试样包括水泥、石英砂、粘土、石膏粉、麦片、碎纸片和水；
所述水泥、石英砂、粘土、石膏粉的体积比为4-5:4-5:0.8-1.2:0.8-1.2；
所述麦片、碎纸片和水占人造岩心试样的质量百分比分别为0.1-0.2％、0.05-0.1％和18-20％。
2.如权利要求1所述的对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，其特征在于，每簇射孔孔眼的布置方式为螺旋形射孔孔眼或定向射孔孔眼。
3.如权利要求2所述的对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，其特征在于，所述定向射孔指在模拟射孔井筒的横截面上布置一簇定向射孔，每簇定向射孔包括至少一个射孔孔眼，相邻两簇定向射孔之间的射孔孔眼的轴向间距最短为20-30mm。
4.如权利要求2所述的对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，其特征在于，每簇螺旋形射孔孔眼的个数是根据射孔间距和射孔相位角设定的；相邻两射孔孔眼之间的轴向间距最短为10-20mm。
5.如权利要求4所述的对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，其特征在于，所述每簇螺旋形射孔包括六个射孔孔眼，所述射孔孔眼之间的相位角为60度。
6.如权利要求4所述的对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，其特征在于，所述每簇螺旋形射孔包括四个射孔孔眼，所述射孔孔眼之间的相位角为90度。
7.如权利要求1所述的对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，其特征在于，所述井筒头的外径为20-40mm、高为20mm；所述凹形密封槽的深度和宽度均为2mm。
8.如权利要求1所述的对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，其特征在于，所述直井模拟井筒的井身长度为140mm、外径为10-40mm、内径为5-10mm。
9.如权利要求1所述的对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，其特征在于，井斜角大于0度且小于或等于45度的斜井模拟井筒包括辅助水平段模拟井筒和倾斜段模拟井筒，所述辅助水平段模拟井筒的长度为120mm，所述倾斜段模拟井筒的长度根据斜度的不同而不同，且所述倾斜段模拟井筒的射孔段的中间位置位于人造岩心试样的垂向中心位置；所述辅助水平段模拟井筒与倾斜段模拟井筒通过焊接连通。
10.如权利要求1所述的对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，其特征在于，井斜角大于45度且小于90度的斜井模拟井筒是将辅助水平段模拟井筒、辅助竖直段模拟井筒与倾斜段模拟井筒呈U形焊接连通。
11.如权利要求1所述的对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，其特征在于，井斜角等于90度的水平井模拟井筒是将辅助水平段模拟井筒、辅助竖直段模拟井筒与水平段模拟井筒呈U形焊接连通。
12.如权利要求1所述的对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，其特征在于，所述丛式井模拟井筒是以直井模拟井筒设计为基础，在直井段模拟井筒末端的任意位置焊接至少两段射孔段模拟井筒；所述直井段模拟井筒和射孔段模拟井筒的长度根据分段射孔的段数进行设计，且各射孔段的射孔孔眼部分在人造岩心试样的垂向中心位置；所述射孔段模拟井筒为倾斜段模拟井筒或水平段模拟井筒。
13.如权利要求1所述的对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，其特征在于，所述人造岩心试样的外形尺寸为400mm×400mm×400mm。
14.如权利要求1所述的对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，其特征在于，所述射孔孔眼的直径为2mm。
15.如权利要求1所述的对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，其特征在于，所述真三轴水力压裂系统由伺服增压系统、液压稳压源、声发射仪、油水分离器和真三轴岩心试验架构成。
16.如权利要求15所述的对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，其特征在于，所述人造岩心试样固定设置在所述真三轴岩心试验架内，所述液压稳压源向人造岩心试样外侧的三个空间方向施加压力，模拟三向地应力。
17.如权利要求15所述的对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，其特征在于，所述人造岩心试样的外侧面至少设置一个向所述声发射仪发出信号的声发射探头。
18.如权利要求1所述的对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，其特征在于，所述水力压裂模拟实验包括将压裂液置入油水分离器中，并将油水分离器的出口与模拟井筒上端的井口部密封连接的步骤；还包括通过MTS伺服增压器控制油水分离器将压裂液注入模拟井筒的步骤。
19.如权利要求1所述的对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，其特征在于，所述人造岩心试样的制备方法包括以下步骤：
A、将水泥、石英砂、粘土、石膏粉进行混合搅拌；
B、向步骤A中的混合物中加入少量麦片、碎纸片，再加水均匀搅拌；
C、将步骤B中的混合物分层浇铸成水泥块，层与层之间涂一层润滑油，待水泥块干燥成型后，即得人造岩心试样。
20.如权利要求1所述的对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，其特征在于，所述水泥为复合硅酸盐水泥。
21.如权利要求1所述的对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，其特征在于，所述石英砂的粒度为80-120目。
22.如权利要求1所述的对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，其特征在于，所述粘土包括蒙脱石和伊利石。
23.如权利要求1所述的对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，其特征在于，所述石膏粉为白云质磨具用的石膏粉。
24.如权利要求1所述的对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，其特征在于，所述麦片为食用麦片，其直径为5-8mm。
25.如权利要求1所述的对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，其特征在于，所述碎纸片为长10-20mm、宽5-10mm的A4打印纸。
26.如权利要求19所述的对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，其特征在于，所述润滑油为灰壳润滑油。
27.如权利要求19所述的对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，其特征在于，步骤A中，所述搅拌是用石英砂搅拌机进行搅拌，搅拌时间为10-15分钟。
28.如权利要求19所述的对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，其特征在于，步骤C中，所述干燥是自然晾干，持续干燥时间为10-15天。
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