模拟裂缝扩展与储层伤害评价的室内装置及方法与流程

1.本发明涉及一种模拟裂缝扩展与储层伤害评价的室内装置及方法，属于压裂技术领域。


背景技术：

2.压裂防砂技术作为一种迅速发展起来的复合防砂技术，对于胶结疏松的高渗透油、气层增产以及防砂具有重要的意义。压裂防砂技术突破了以往疏松砂岩地层不能实施压裂的概念，改变了传统防砂技术无法增产的观念。压裂可在井底形成短而宽的高导流能力裂缝，一方面不仅能消除近井地层损害，另一方面又能大大改善地层深部渗流条件，降低流动阻力。与此同时，井底形成双线性流模式，良好的分流降低了流体流速，从而大大降低其携砂能力，以控制出砂。另外，裂缝内充填的砾石对地层砂粒有一定的挡砂、滤砂作用。使油、气井在实施压裂防砂后，不仅控制了出砂，而且还获得显著增产效果。
3.压裂液是压裂改造油、气层过程中的工作液，其主要功能是造缝并沿张开的裂缝输送支撑剂，同时需要作业完成后能够破胶、迅速返排，能很好地控制压裂液滤失，泵送期间，摩阻较低等；水基压裂液中除了含有提高性能的化学添加剂外，90％以上由水组成。水基压裂液进入特低渗透油层后由于自身破胶或降解，并与地层岩石、流体及支撑剂相互作用，造成粘土矿物膨胀运移、乳状液或残渣堵塞等，进而阻碍原油向井筒正常流动，即储层伤害。一般储层伤害分为裂缝内伤害和储层内伤害，裂缝内伤害表现为导流能力下降，储层内伤害则表现为基质渗透率降低。因此压裂液性能的好坏关系到压裂施工的成败以及影响压后增产效果。
4.影响压裂后形成裂缝的因素包括地应力条件、压裂液性能、注入压裂液速度及压力的变化、地层渗透率、施工液量、力学参数，因此模拟起裂及裂缝扩展规律，优选对储层伤害低的压裂液是研究提高压裂增产防砂效果最有效的途径。以往的真三轴压裂裂缝模拟装置对于压裂液注入条件(恒压或恒速)的改变以及对于岩样起裂压力与裂缝扩展的影响，不能多角度反映岩心在地层中的起裂及压裂液渗流情况，且岩样在压裂液压裂后缺乏压裂液对储层损伤程度的评价。因此急需提供一种真三轴应力下模拟裂缝扩展与储层伤害评价的室内装置用于指导压裂裂缝研究及防砂增产效果的评价。


技术实现要素：

5.针对上述技术问题，本发明提供一种模拟裂缝扩展与储层伤害评价的室内装置及方法，该装置及方法可以解决以往真三轴压裂装置存在的不足，探究压裂液恒速与恒压注入条件下对岩样起裂压力与裂缝扩展的影响，评价压裂液压裂后对储层伤害程度，为压裂液优化提供依据。
6.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
7.一种模拟裂缝扩展与储层伤害评价的室内装置，包括如下部件：
8.真三轴物理实验模型，包括模型主体，所述模型主体为空心正六面体，其x、y、z轴
方向上分别装配有x轴加压系统、y轴加压系统和z轴加压系统，所述x轴加压系统、所述y轴加压系统和所述z轴加压系统内均装配有双作用液压缸，用于模拟地层围压；
9.压裂液泵入系统，用于向岩样喷出压裂液；
10.压裂液储层损伤评价系统，包括依次串联的中间容器组、岩心夹持器和岩心流动试验仪，所述岩心夹持器的外部环套环压跟踪泵，用于向所述岩心夹持器施加环向压力并密封岩心，所述中间容器组被配置为向所述岩心夹持器和岩心流动试验仪分别提供压裂液和驱替介质；
11.数据处理采集系统，分别与所述真三轴物理实验模型、所述压裂液泵入系统以及所述压裂液储层损伤评价系统连接，用于收集实验流速、压力数据并进行处理。
12.所述的室内装置，优选地，所述压裂液储层损伤评价系统还包括第二双缸泵，所述中间容器组的入口与所述第二双缸泵的输出端连接，所述第二双缸泵的输入端与气源、水源连接，所述中间容器组包括并联设置的第二中间容器和第三中间容器，所述第二中间容器内装有与第一中间容器中物性一致的压裂液以及驱替介质，所述第三中间容器中装有岩心流动试验的驱替介质。
13.所述的室内装置，优选地，所述真三轴物理实验模型还包括托板、支架以及装配在所述支架上的x直线导轨、y直线导轨、和模型底托，所述模型主体装配在所述模型底托上，所述托板上设置有与所述x直线导轨、所述y直线导轨相适配的滑槽，所述双作用液压缸通过法兰装配于所述托板上，所述双作用液压缸上装配有推杆以及设置于所述推杆末端的压板，用于对岩样施加压力。
14.所述的室内装置，优选地，所述模型主体的六个壁面上均开设有压板孔，用于容纳所述压板穿过，位于x轴方向或y轴方向的所述法兰上装配有拉板，所述拉板上设置有容纳岩样的通孔。
15.所述的室内装置，优选地，所述推杆的末端靠近所述压板处装配有卡条，用于密封所述压板。
16.所述的室内装置，优选地，所述压裂液泵入系统包括第一双缸泵和第一中间容器，所述第一双缸泵的输出端与所述第一中间容器的入口连接，所述第一中间容器的出口与位于所述模型主体内的压裂管连接，所述压裂管用于向岩样喷出压裂液。
17.所述的室内装置，优选地，所述x轴加压系统包括x液压油收集装置和x恒速恒压泵，所述双作用液压缸的入口与所述x恒速恒压泵的输出端连接，所述双作用液压缸的出口与所述x液压油收集装置的入口连接，所述x液压油收集装置的出口与所述x恒速恒压泵的输入端连接。
18.所述的室内装置，优选地，所述y轴加压系统包括y液压油收集装置和y恒速恒压泵，所述双作用液压缸的入口与所述y恒速恒压泵的输出端连接，所述双作用液压缸的出口与所述y液压油收集装置的入口连接，所述y液压油收集装置的出口与所述y恒速恒压泵的输入端连接。
19.所述的室内装置，优选地，所述z轴加压系统包括z液压油收集装置和z恒速恒压泵，所述双作用液压缸的入口与所述z恒速恒压泵的输出端连接，所述双作用液压缸的出口与所述z液压油收集装置的入口连接，所述z液压油收集装置的出口与所述z恒速恒压泵的输入端连接。
20.基于上述室内装置，本发明还提供该装置的实验方法，包括如下步骤：
21.将配置好指定粘度的压裂液倒入所述第一中间容器和所述第二中间容器中，驱替介质倒入所述第二中间容器和所述第三中间容器中，打开所述第一中间容器、所述第二中间容器、所述第三中间容器下部的进液阀门，使三个容器下部的蒸馏水可以进行压力顶替活塞泵工作；
22.将指定渗透率的岩样利用所述推杆放入所述真三轴物理实验模型的三轴中心处，连接三轴与对应恒速恒压泵之间的压力管线；
23.将双缸泵的进气管和进液管连分别通至空气源和蒸馏水，启动双缸泵，泵入压裂液排空管线内的空气并检查装置管线的密封性，检查合格后连接压裂液管线至所述压裂管；
24.打开所述z轴加压系统上的压力阀门，利用所述z恒速恒压泵的恒速模式对z轴方向进行加压，随后打开所述x轴加压系统和所述y轴加压系统上的压力阀门，分别利用所述x恒速恒压泵和所述y恒速恒压泵对x、y轴加压，调节恒压模式将三轴压力加压到设定值；
25.打开所述环压跟踪泵，使得岩心保持与压裂围压一致的环向压力；
26.待围压趋于稳定后，打开所述计算机开始记录实验参数，打开所述第一双缸泵和所述第二双缸泵，以恒速模式泵入压裂液；一方面，压裂液从z轴上方的所述压裂管注入岩心，当观测到所述双杠泵a显示屏上的注入压力不断上升到某一数值后突然回落到0或极小压力时，表明岩心被压裂，所述双杠泵a的注入压力最大值就是岩心的起裂压力；另一方面，压裂液以相同流速流过岩心夹持器内的岩心；
27.关闭三轴方向上的压力阀门，对设备进行反向退缸，待所述双作用液压缸返回至原位置后，打开所有压力阀门泄压后，关闭所有压力阀门以防止液压油泄露；
28.拆卸所述真三轴物理实验模型，取出岩心，沿岩样表面的破裂缝隙敲开观察，结合采集压力数据，得出裂缝扩展规律；
29.关闭位于所述第二中间容器出口处的阀门，打开所述第三中间容器出口处的阀门，进行岩心流动实验，通过电脑采集的岩心进出口端的流量、压力数据得出压裂液流过后的渗透率，与已知渗透率进行对比，进而评价压裂液对储层的伤害程度。
30.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
31.1、本发明装置在真三轴应力条件下，压裂液压裂岩样后，通过对压裂液泵入过程中压力变化及岩样破碎后断裂面染色压裂液渗流情况的研究，得出岩样的起裂压力及裂缝扩展规律。
32.2、本发明装置与压裂过程保持相同压力，压裂液泵入条件一致下，运用岩心流动试验仪测定岩心损害后的渗透率，对比损害前渗透率，评价压裂液对储层损伤程度，进而优化压裂液选择，提高压裂防砂与增产效果。
33.3、本发明装置可以解决以往真三轴压裂装置存在的不足，探究压裂液恒速与恒压注入条件下对岩样起裂压力与裂缝扩展的影响，评价压裂液压裂后对储层伤害程度，为压裂液优化提供依据。
附图说明
34.图1为本发明一实施例提供的模拟裂缝扩展与储层伤害评价的室内装置示意图；
35.图2为本发明该实施例提供的真三轴物理实验模型的结构示意图；
36.图3为本发明该实施例提供的真三轴物理实验模型的另外一种结构示意图；
37.图中各标记如下：
[0038]1‑
x1接口；2
‑
x2接口；3
‑
x3接口；4
‑
x4接口；5
‑
y1接口；6
‑
y2接口；7
‑
y3接口；8
‑
y4接口；9
‑
z1接口；10
‑
z2接口；11
‑
z3接口；12
‑
z4接口；
[0039]
13
‑
x1高压阀门；14
‑
x2高压阀门；15
‑
x3高压阀门；16
‑
x4高压阀门；17
‑
y1高压阀门；18
‑
y2高压阀门；19
‑
y3高压阀门；20
‑
y4高压阀门；21
‑
z1高压阀门；22
‑
z2高压阀门；23
‑
z3高压阀门；24
‑
z4高压阀门；
[0040]
25
‑
x恒速恒压泵；26
‑
z恒速恒压泵；27
‑
y恒速恒压泵；28
‑
第一双缸泵；29
‑
第一单向阀；30
‑
第一中间容器；31
‑
z液压油收集装置；32
‑
计算机；33
‑
第二中间容器；34
‑
第二单向阀；35
‑
第三中间容器；36
‑
第三单向阀；37
‑
岩心夹持器；38
‑
环压跟踪泵；39
‑
岩心流动试验仪；40
‑
第二双缸泵；41
‑
x直线导轨；42
‑
滑块；43
‑
双作用液压缸；44
‑
紧固螺母；45
‑
紧固螺栓；46
‑
第一法兰；47
‑
第一推杆；48
‑
卡条；49
‑
顶部压板；50
‑
侧压板；51
‑
底部压板；52
‑
托板；53
‑
第二推杆；54
‑
拉板；55
‑
y直线滑轨；56
‑
第三推杆；57
‑
第二法兰；58
‑
模型底托；59
‑
支架；60
‑
钣金罩；61
‑
压裂管；62
‑
模型主体；63
‑
第三法兰；64
‑
y液压油收集装置；65
‑
x液压油收集装置。
具体实施方式
[0041]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
[0042]
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
[0043]
如图1所示，本发明提供一种模拟裂缝扩展与储层伤害评价的室内装置，包括如下部件：
[0044]
真三轴物理实验模型，包括模型主体62，模型主体62为空心正六面体，其x、y、z轴方向上分别装配有x轴加压系统、y轴加压系统和z轴加压系统，x轴加压系统、y轴加压系统和z轴加压系统内均装配有双作用液压缸43，用于模拟地层围压；
[0045]
压裂液泵入系统，用于向岩样喷出压裂液；
[0046]
压裂液储层损伤评价系统，包括依次串联的中间容器组、岩心夹持器37和岩心流动试验仪39，岩心夹持器37的外部环套环压跟踪泵38，用于向岩心夹持器37施加环向压力并密封岩心，中间容器组被配置为向岩心夹持器37和岩心流动试验仪39分别提供压裂液和驱替介质；
[0047]
数据处理采集系统，分别与真三轴物理实验模型、压裂液泵入系统以及压裂液储
层损伤评价系统连接，用于收集实验流速、压力数据并进行处理。
[0048]
在本发明一个优选的实施方案中，如图1所示，压裂液储层损伤评价系统还包括第二双缸泵40，中间容器组的入口与第二双缸泵40的输出端连接，第二双缸泵40的输入端与气源、水源连接，中间容器组包括并联设置的第二中间容器33和第三中间容器35，第二中间容器33内装有与第一中间容器30中物性一致的压裂液以及驱替介质，第三中间容器35中装有岩心流动试验的驱替介质。
[0049]
在本发明一个优选的实施方案中，如图1所示，压裂液储层损伤评价系统具体包括：第二中间容器33、第二单向阀34、第三中间容器35、第三单向阀36、岩心夹持器3、环压跟踪泵38、岩心流动试验仪39、第二双缸泵40。其中，间容器b33装有与第一中间容器30物性一致的压裂液，第三中间容器35中装有岩心流动试验的驱替介质，环压跟踪泵38用于给岩心夹持器37施加环向压力，密封岩心。第二双缸泵40与第二中间容器33、第二单向阀34、岩心夹持器37、岩心流动试验仪39通过管线依次串联。其中，第二中间容器33、第二单向阀34与第三中间容器35、第三单向阀36并联，岩心流动试验仪39内含两个流量仪、压力仪分别通过管线连接至岩心进出端口，岩心流动试验仪39通过电缆与计算机32连接。
[0050]
在本发明一个优选的实施方案中，如图2、3所示，真三轴物理实验模型还包括托板52、支架59以及装配在支架59上的x直线导轨41、y直线导轨55、和模型底托58，模型主体62装配在模型底托58上，托板52上设置有与x直线导轨41、y直线导轨55相适配的滑槽，双作用液压缸43通过法兰装配于托板52上，双作用液压缸43上装配有推杆以及设置于推杆末端的压板，用于对岩样施加压力。
[0051]
在本发明一个优选的实施方案中，如图3所示，模型主体62的六个壁面上均开设有压板孔，用于容纳压板穿过，位于x轴方向或y轴方向的法兰上装配有拉板54，拉板54上设置有容纳岩样的通孔。
[0052]
在本发明一个优选的实施方案中，如图2所示，推杆的末端靠近压板处装配有卡条48，用于密封压板。
[0053]
在本发明一个优选的实施方案中，如图1所示，压裂液泵入系统包括第一双缸泵28和第一中间容器30，第一双缸泵28的输出端与第一中间容器30的入口连接，第一中间容器的出口与位于模型主体62内的压裂管61连接，压裂管61用于向岩样喷出压裂液。
[0054]
在本发明一个优选的实施方案中，如图1所示，x轴加压系统包括x液压油收集装置65和x恒速恒压泵25，双作用液压缸43的入口与x恒速恒压泵25的输出端连接，双作用液压缸43的出口与x液压油收集装置65的入口连接，x液压油收集装置65的出口与x恒速恒压泵25的输入端连接。
[0055]
在本实施方案中，更优选地，x轴加压系统包括：x1高压阀门13，x2高压阀门14，x3高压阀门15，x4高压阀门16，x1接口1，x2接口2，x3接口3，x4接口4，x恒速恒压泵25。其中，x1接口1、x4接口4与x2高压阀门14、x3高压阀门15通过高压管线相连接，x2接口2、x3接口3通过高压管线与x1高压阀门1、x4高压阀门16相连接，x1高压阀门13、x2高压阀门14与x恒速恒压泵25的排液口通过管线连接，x3高压阀门15、x4高压阀门16与x液压油收集装置65、x恒速恒压泵25的进液口通过管线依次串联。
[0056]
x轴加压系统加压时，打开x2高压阀门14、x4高压阀门16，x恒速恒压泵25从x液压油收集装置65自动吸液，液压油经x2高压阀门14流出，通过x1接口1、x4接口4进入并推动双作
用液压缸43进行加压，经x2接口2、x3接口3流出，通过x4高压阀门16进入x液压油收集装置65，以此循环；x轴加压系统泄压时，打开x1高压阀门13、x3高压阀门15，x恒速恒压泵25从x液压油收集装置65自动吸液，液压油经x1高压阀门13流出，通过x2接口2、x3接口3进入并推动双作用液压缸43进行加压，经x1接口1、x4接口4流出，通过x3高压阀门15进入x液压油收集装置65，以此循环。
[0057]
在本发明一个优选的实施方案中，如图1所示，y轴加压系统包括y液压油收集装置64和y恒速恒压泵27，双作用液压缸43的入口与y恒速恒压泵27的输出端连接，双作用液压缸43的出口与y液压油收集装置64的入口连接，y液压油收集装置64的出口与y恒速恒压泵27的输入端连接。
[0058]
在本实施方案中，更优选地，y轴加压系统包括：包括y1高压阀门17，y2高压阀门18，y3高压阀门19，y4高压阀门20，y1接口5，y2接口6，y3接口7，y4接口8，y恒速恒压泵26，其中y1接口5、y4接口8与y1高压阀门17、y4高压阀门20通过高压管线相连接，y2接口6、y3接口7通过高压管线与y2高压阀门18、y3高压阀门19相连接，y1高压阀门17、y2高压阀门18与y恒速恒压泵27的排液口通过管线连接，y3高压阀门19、y4高压阀门20与y液压油收集装置64、y恒速恒压泵27的进液口通过管线依次串联。
[0059]
y轴加压系统加压时，打开y1高压阀门17、y3高压阀门19，y恒速恒压泵27从y液压油收集装置64自动吸液，液压油经y1高压阀门17流出，通过y1接口5、y4接口8进入并推动双作用液压缸43进行加压，经y2接口6、y3接口7流出，通过y3高压阀门19进入y液压油收集装置64，以此循环；y轴加压系统泄压时，打开y2高压阀门18、y4高压阀门20，y恒速恒压泵27从y液压油收集装置64自动吸液，液压油经y2高压阀门18流出，通过y2接口6、y3接口7进入并推动双作用液压缸43进行加压，经y1接口5、y4接口8流出，通过y4高压阀门20进入y液压油收集装置64，以此循环。
[0060]
在本发明一个优选的实施方案中，如图1所示，z轴加压系统包括z液压油收集装置31和z恒速恒压泵26，双作用液压缸43的入口与z恒速恒压泵26的输出端连接，双作用液压缸43的出口与z液压油收集装置31的入口连接，z液压油收集装置31的出口与z恒速恒压泵26的输入端连接。
[0061]
在本实施方案中，更优选地，z轴加压系统包括：z1高压阀门21，z2高压阀门22，z3高压阀门23，z4高压阀门24，z1接口9，z2接口10，z3接口11，z4接口12，z恒速恒压泵26。其中，z1接口9、z4接口12与高z1压阀门21、z4高压阀门24通过高压管线相连接，z2接口10、z3接口11通过高压管线与z2高压阀门22、z3高压阀门23相连接，z1高压阀门21、z2高压阀门22与z恒速恒压泵26的排液口通过管线连接，z3高压阀门23、z4高压阀门24与z液压油收集装置31、z恒速恒压泵26的进液口通过管线依次串联。
[0062]
z轴加压系统加压时，打开z1高压阀门21、z3高压阀门23，z恒速恒压泵26从z液压油收集装置31自动吸液，液压油经z1高压阀门21流出，通过z1接口9、24接口z4进入并推动双作用液压缸43进行加压，经22接口z2、23接口z3流出，通过11高压阀门z3进入液压油收集装置31，以此循环；z轴加压系统泄压时，打开z2高压阀门22、z4高压阀门24，z恒速恒压泵26从z液压油收集装置31自动吸液，液压油经z2高压阀门22流出，通过z2接口10、z3接口11进入并推动双作用液压缸43进行加压，经z1接口9、z4接口12流出，通过z4高压阀门24进入31液压油收集装置z，以此循环。
[0063]
本发明还提供一种模拟裂缝扩展与储层伤害评价的室内装置的实验方法，包括如下步骤：
[0064]
将配置好指定粘度的压裂液倒入第一中间容器30和第二中间容器33中，驱替介质倒入第二中间容器33和第三中间容器35，打开第一中间容器30、第二中间容器33、第三中间容器35下部的进液阀门，使第一中间容器、b、c下部蒸馏水可以进行压力顶替活塞泵工作；
[0065]
将指定渗透率的岩样利用推杆放入模型三轴中心处，连接三轴与对应恒速恒压泵之间的压力管线；
[0066]
将双缸泵的进气管和进液管连通至空气源与蒸馏水，达到气顶水、水顶压裂液的效果，启动双缸泵，泵入压裂液排空管线内的空气并检查装置管线密封性，检查合格后连接压裂液管线至压裂管61；
[0067]
打开z1高压阀门21、z3高压阀门23，利用z恒速恒压泵26的恒速模式对z轴方向进行加压，达到0.5mpa，随后打开x2高压阀门14、x4高压阀门16，y1高压阀门17、y3高压阀门19，分别利用x、y轴上的恒速恒压泵将真三轴物理实验模型的x、y轴加压至0.5mpa后，调节恒压模式使三轴压力逐步达到6mpa；
[0068]
打开环压跟踪泵38，使得岩心保持与压裂围压一致的环向压力6mpa；
[0069]
待围压趋于稳定后，打开计算机32开始记录实验参数，打开第一双缸泵28、第二双缸泵40，第一单向阀29、第二单向阀34的开关，以恒速模式(流速100ml/min)泵入压裂液。一方面，压裂液从z轴上方压裂管61注入岩心，观测到双杠泵a28显示屏上的注入压力不断上升到某一数值后突然回落到0或极小压力时，表明岩心被压裂，第一双缸泵28注入压力最大值就是岩心的起裂压力；另一方面，压裂液以相同流速流过岩心夹持器内的岩心；
[0070]
关闭z1高压阀门21、z3高压阀门23、x2高压阀门14、x4高压阀门16，y1高压阀门17、y3高压阀门19；打开z2高压阀门22、z4高压阀门24、x1高压阀门13、x3高压阀门15，y2高压阀门18、y4高压阀门20，对设备进行反向退缸，待液压缸返回至原位置(不锈钢圈消失)后，打开所有阀门泄压十分钟后，关闭所有阀门防止液压油泄露；
[0071]
拆卸真三轴物理实验模型，取出岩心，沿岩样表面的破裂缝隙敲开观察，结合采集压力数据，得出裂缝扩展规律；
[0072]
关闭第二单向阀34，打开第三单向阀36，进行岩心流动实验，通过计算机32采集的岩心进出口端的流量、压力数据得出压裂液流过后的渗透率，对比之前已知渗透率，进而评价压裂液对储层伤害程度。
[0073]
最后应说明的是：以上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精神和范围。