一种真三轴水平井压裂支撑剂运移可视化模拟方法及工具

技术领域

本发明属于水力压裂室内物理模拟试验技术领域，尤其涉及一种真三轴水平井压裂支撑剂运移可视化模拟方法及工具。

背景技术

水平井技术结合多段多簇压裂技术实现了非常规油气的经济开发。水力压裂是利用地面高压泵组通过压裂液将压力传递到储层，当井筒中压力升高到储层破裂压力后，储层就会形成裂缝。继续注入压裂液，裂缝会在长度和宽度以及高度方向不断扩展。在裂缝形成后，将混有支撑剂的携砂液注入裂缝中。停泵后，裂缝在支撑剂的作用下不能够完全闭合，从而形成具有一定导流能力的油气流动高速通道。支撑剂在裂缝中的运移和分布规律是影响裂缝导流能力的重要因素。由于无法在地层中直接观测支撑剂的铺置情况，因此，室内实验成为了研究支撑剂运移和分布的主要手段。

目前，用以研究支撑剂运移和分布规律的实验方法主要以透明平板间隙或用树脂材料倒模模拟水力裂缝，在模拟裂缝中注入携砂液，从而模拟支撑剂在裂缝中的运移与分布，如申请号为CN113338920A和CN202110289578.3公布的实验方法和设备。

但是，上述方法存在一定的问题。首先，其裂缝为平板，无法真实还原地层中的真实裂缝的形态及粗糙度等参数。其次，裂缝是预先设定好的，携砂液只是用来携砂而无造缝功能，无法同步模拟裂缝扩展和支撑剂的运移。再次，其裂缝受力为单轴应力状态，与真实地层应力状态相差较大。因此具有较大的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种真三轴水平井压裂支撑剂运移可视化模拟方法及工具，该方法和工具实现考虑模拟真实地层应力条件、裂缝起裂及扩展、多簇裂缝应力干扰、缝面粗糙度、施工排量，压裂液类型及粘度影响下的支撑剂在裂缝中的实时运移过程，以及最终铺置状态可视化观测与记录，确保模拟实验与真实裂缝中支撑剂的运移机理具有一致性。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种真三轴水平井压裂支撑剂运移可视化模拟方法，包括如下步骤：

1)将有机玻璃块进行切割并对其表面进行打磨和镜面抛光处理，得到用于模拟地层的透明试样；

2)在步骤1)得到的透明试样上钻取用于模拟井筒的盲孔，在所述盲孔内下入套管，用固井胶固结所述套管与所述盲孔之间的环空以模拟固井；

3)在步骤2)固结后的套管内部进行割缝处理以模拟实际井筒射孔过程；

4)将步骤3)处理后的透明试样装入配备有加压板的水力压裂物理模拟系统中，通过所述加压板加载真三轴应力，在所述盲孔内注入携砂液进行压裂以模拟地层应力条件下的压裂过程；所述携砂液为混合有支撑剂的压裂液；

5)利用高速摄像设备，透过所述加压板的防爆玻璃视窗及所述透明试样拍摄所述压裂过程，实时观察所述模拟地层应力条件下裂缝扩展和支撑剂运移情况。

上述的方法，步骤1)中，所述有机玻璃的材质为聚甲基丙烯酸甲酯。

所述有机玻璃块切割的形状和尺寸根据水力压裂物理模拟系统岩样加载室确定，选择适合腔体的尺寸。

所述抛光后的表面应具有良好透光性，从表面能够清晰观察到试样内部。

将所述有机玻璃块整体切割成形以模拟均质地层，或将所述有机玻璃块分层切割后粘接成形以模拟层状地层。

步骤2)中，所述钻取盲孔的方向为垂直于最大水平主应力加载方向。

所述盲孔的尺寸根据所述透明试样及套管的尺寸确定；

所述套管为硬聚氯乙烯管或钢管；

所述固井胶为环氧树脂胶。

所述固结步骤中，在所述套管与所述盲孔环空之间加入所述固井胶，且在井底滴入所述固井胶以防止井底形成裂缝。

步骤3)中，所述割缝的间距及数量根据现场施工情况及相似准则确定。

步骤4)中，所述压裂过程包括多裂缝起裂，扩展及支撑剂的运移，可考虑多裂缝应力干扰、各簇流量分配和裂缝面粗糙度及近井迂曲。

所述压裂过程中按照先加前置液后加携砂液的顺序压裂，或直接加携砂液进行压裂；

所述压裂液为用于传递压力的介质，所述支撑剂为用于支撑裂缝的物质。所述支撑剂浓度和尺寸及材料根据现场情况及相似准则确定。

所述压裂液为滑溜水、清水和胍胶中的一种。

所述压裂液的排量可以根据现场排量以及相似准则进行确定。

步骤5)中，至少在位于所述盲孔对面的加压板中镶嵌所述防爆玻璃视窗；

透过所述防爆玻璃视窗可清晰观察到所述压裂系统的岩样加载室内部。

步骤5)中，还包括实时观察所述支撑剂在所述裂缝中的分布情况；

所述高速摄像设备连接至显示设备及计算机，其拍摄的视频能够实时在所述显示设备中显示，同时也支持压裂结束后回放。

能够实现上述任一项所述方法的真三轴水平井压裂支撑剂运移可视化工具，也在本发明保护范围内。

本发明技术方案带来的有益效果：

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1.能够同步模拟地层应力条件下，裂缝起裂、扩展及支撑剂运移的过程，最大程度上模拟现场压裂中支撑剂的运移情况；

2.通过射孔簇的间距，能够研究不同簇间距情况下应力干扰对支撑剂运移影响；

3.通过改变泵的排量，能够研究不同施工排量对实验结果的影响；

4.通过改变三向加载压力的大小，对裂缝宽度进行控制，能够研究不同地应力对实验结果的影响；

5.实验中裂缝是压裂形成的，因此可以考虑近井裂缝迂曲对支撑剂运移的影响。

6.实验中采用嵌有防爆玻璃视窗的加压板及透明压裂试样，可使用高速摄像设备对压裂过程实时显示与记录，使整个研究过程可视化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的真三轴水平井压裂支撑剂运移可视化模拟实验方法流程图。

图2为本申请实施例中真三轴水平井压裂支撑剂运移可视化模拟实验工具结构示意图。各标记如下：1-透明试样；2-盲孔；3-套管；4-割缝位置；401、402、403-环形凹槽；5-裂缝；6-支撑剂；7-高速摄像设备；8-带防爆观察视窗的加压板；801-防爆观察视窗；802盲孔对面的加压板；9-加压板；901-垂向应力方向加压板；902-最大水平主应力方向加压板；903-最小水平主应力方向加压板；10-显示设备及计算机。

图3为本申请实施例中有机玻璃透明压裂试样示意图。

图4为本申请实施例中带防爆视窗的加压板示意图。各标记如下：801-加压板，802-防爆视窗。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1为本发明实施例提供的真三轴水平井压裂支撑剂运移可视化模拟实验方法流程图。图2为实验工具结构示意图，以下编号均指图1中各组成部分的编号。按照图1所示流程图进行模拟实验，具体步骤如下：

S201：将有机玻璃块(聚甲基丙烯酸甲酯)切割打磨成适合水力压裂模拟系统岩样加载室尺寸、表面光滑的试样。具体地，有机玻璃可以是整体切割成形，也可以是分层切割后粘接成形，两种情况可以分别模拟均质地层和层状地层。

有机玻璃试样的尺寸可以根据真三轴压裂物理模拟装置的腔体尺寸以及要模拟的层状地层的厚度确定，对此不做限制。

S202：对试样表面作镜面抛光处理，形成透明试样1。

具体地，可使用抛光轮沾研磨膏进行抛光或使用高目数砂纸打磨，例如通过机器整体打磨，之后人工利用砂纸对局部进行打磨抛光，抛光后从表面能够清晰观察到试样内部。

S203：在透明试样1上确定盲孔的钻取方向并钻取盲孔2。

具体地，利用钻机在其中一面上钻取一定深度和直径的盲孔2。因研究水平井压裂裂缝中支撑剂的运移情况，因此，根据现场实际情况，一般井筒方向与水平最小主应力同向(即垂直于最大水平主应力加载方向)。根据实验井筒的长度确定盲孔2钻取的深度。

S204：在盲孔中下入套管3。

具体地，套管3为硬聚氯乙烯管或钢管，套管3长度与井眼深度相同，套管3直径小于盲孔直径。

S205：用胶水固结套管3与盲孔2之间的环空以模拟固井。

具体地，在所钻取的盲孔2中下入模拟套管3，并使用固井胶完全充填模拟套管与岩样之间的环形空间，且在井底滴入所述固井胶以防止井底形成裂缝。静置预设时长，使固井胶完全凝固，固井胶可以是环氧树脂胶，预设时长可以根据经验数据进行设定。

S206：待环空胶水固结后，在套管内部进行割缝处理，形成透明压裂试样。

具体地，将切割工具下入模拟套管3中，并在特定的深度位置分别切割具有一定深度(直径)和宽度的环形凹槽401、402、403。可选的割缝位置及数量根据实验方案需要模拟的射孔间距制定，若切割过程中导致模拟套管内壁粗糙，可进行适当打磨。

S207：将制备的透明压裂试样(图3)装入水力压裂物理模拟系统中，注入携砂液(混合支撑剂的压裂液)进行压裂。

具体地，将利用以上步骤制备好的透明压裂试样1装入真三轴水力压裂物理模拟系统岩心加载室，利用液压站11提供三向应力，分别通过连接有液压柱塞11的加压板901、902、903将应力传递到透明压裂试样的三个主应力方向。水平井压裂中，其应力加载方向如图1所示，其中σ

S208：利用高速摄像设备，透过加压板上的防爆玻璃视窗及透明压裂试样拍摄压裂过程，实时观察模拟真实地层应力条件下裂缝扩展和支撑剂运移同步发生的过程，并应用计算机和显示器储存和显示该过程。

具体地，将高速摄像设备7对准岩样加载室的观察视窗8，该观察视窗镶嵌在背部加压板中间(图4)以获得最佳的观察视角，其材质为防爆玻璃，可承受高压，且具有良好透光性。调整摄像机与视窗的相对距离，使摄像设备能够清晰拍摄到试样内部，将摄像设备7连接至显示设备及计算机10，压裂时，启动摄像设备以捕获裂缝扩展过程及不同时刻支撑剂在裂缝中的分布情况。拍摄的视频能够实时在显示设备中显示，同时也支持压裂结束后回放。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于下述实施例。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1

针对大牛地某区块地层进行支撑剂运移可视化模拟，现场情况如下：地层岩性为致密砂岩，目的层井段范围内可视为均质地层，因此可用有机玻璃进行模拟。地层应力为分别为：垂向应力σ

水力压裂物理模拟系统为李四海等人在《CO_2-水-岩作用对致密砂岩性质与裂缝扩展的影响》中公开的水力压裂物理模拟系统。

按照上述方法进行模拟实验，具体参数设置如下：

S201：将有机玻璃块(聚甲基丙烯酸甲酯)整体切割打磨成适合水力压裂模拟系统岩样加载室尺寸、表面光滑的试样，其中，试样大小为8cm×8cm×10cm，该真三轴压裂物理模拟装置腔体尺寸为8cm×8cm×10cm。

S202：对试样表面通过机器整体打磨，之后人工利用砂纸对局部进行打磨抛光，形成透明试样1。

S203：利用钻机在透明试样上确定盲孔的钻取方向并钻取盲孔2，井筒方向与水平最小主应力同向，裂缝垂直于井筒起裂，模拟的是水平井钻井，盲孔2深度为6.0cm、直径为1.5cm。

S204：在盲孔中下入套管3，套管3为钢管，套管3长度与井眼深度相同，套管3直径为1.3cm。

S205：用环氧树脂胶固结套管3与盲孔2之间的环空以模拟固井，固井时间为12小时。

S206：待环空胶水固结后，在套管内部进行割缝处理，割缝数量为1，割缝位置4为盲孔根部裸眼处，形成透明压裂试样。

S207：将制备的透明压裂试样装入水力压裂物理模拟系统中，利用液压站提供三向应力，分别通过连接有液压柱塞11的加压板901、902、903将应力传递到透明压裂试样的三个主应力方向，三向应力大小分别为：σ

S208：利用高速摄像设备，透过加压板上的防爆玻璃视窗及透明压裂试样拍摄压裂过程，其中高速摄像设备7对准岩样加载室的观察视窗801，该观察视窗镶嵌在盲孔对面的加压板中间802，实时观察模拟真实地层应力条件下裂缝扩展和支撑剂运移同步发生的过程，并应用计算机和显示器10储存和显示该过程。

结果显示，裂缝5从裸眼段起裂，形成一条沿水平最大主应力扩展的横切缝，局部存在迂曲。裂缝平均宽度为624μm，试样破裂压力20.5MPa，支撑剂6在裂缝中的分布浓度从井筒到试样边缘逐渐降低，在裂缝迂曲处，支撑剂堆积严重。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。