一种模拟支撑剂铺置的真三轴压裂模拟装置及其工作方法制造方法及图纸

一种模拟支撑剂铺置的真三轴压裂模拟装置及其工作方法，属于油气田开发技术领域，所述装置包括主管线依次连接的压裂液搅拌罐、压裂泵、支撑剂搅拌罐、裂缝扩展模拟组件，以及集成控制系统。支撑剂搅拌罐具有并联的支管线。压裂泵与支撑剂搅拌罐之间设有转向开关，控制主管线与支撑剂搅拌罐和支管线的连通与切断；压裂模拟岩样内部安装具有一定变形的金属螺纹井筒。该发明专利技术通过增加单独的支撑剂添加装置和转向开关，改进井筒形状和添加纤维材料，改善了井筒与岩样接触面间的密封强度，可实现裂缝起裂/扩展过程中的加砂模拟，并提高真三轴压裂室内实验成功率的目的，对研究支撑剂运移规律和压裂施工方案的优化设计具有重要的指导意义。

【技术实现步骤摘要】
一种模拟支撑剂铺置的真三轴压裂模拟装置及其工作方法
本专利技术涉及一种模拟支撑剂铺置的真三轴压裂模拟装置及其工作方法，属于油气田开发的

技术介绍
我国的非常规油气藏分布广泛，由于其低孔、低渗等特征，油、气在储层基质中的渗流阻力极大，通常依赖压裂增产改造技术以实现低渗油气藏的经济有效开采。水力压裂是一个非常复杂的油气井增产改造工艺，利用地面高压泵组，以超过地层吸收能力的排量将压裂液泵入井内，在井底憋起高压，当泵注压力克服井壁附近地应力达到岩石抗张强度后，在井底产生裂缝；继续泵入压裂液与支撑剂的混合液体，可在地层中形成足够长、有一定导流能力的填砂裂缝，提供储层流体渗流通道。为了更好地研究压裂裂缝在储层内的起裂/扩展规律，实验室通常使用混凝土、水泥、砂岩、煤岩等材料制作压裂岩样模拟实际储层，岩样内部安装井筒装置，液体通过井筒泵入岩样，在岩样内部憋起高压，直至达到压裂的破裂压力使岩样致裂。根据水力压裂原理，井筒与岩样接触面间的密封是实验成败的关键，一旦密封不严，泵入岩样的液体将沿井筒与岩样的交界面溢出，从而无法在井底憋起高压，导致岩样无法致裂。为了避免上述问题，实验室通常采用缩小井筒直径至3～10mm(内径1～8mm)的方法减小胶结界面来提高井筒与岩样的密封性，从而导致了井筒太细而不能模拟泵注支撑剂的压裂过程。此外，岩样破裂所需的压力范围20～80MPa，要求配套的压裂泵为能够提供较高压的高精度设备，因支撑剂颗粒易磨损泵的工作叶片或活塞，降低压裂泵使用寿命，所以不适合泵送支撑剂材料(压裂用支撑剂材料为粒径为0.1～1.5mm的石英砂或陶粒颗粒)。目前，由于井筒与岩样间的密封技术难题与高压泵易磨损的问题，导致了真三轴压裂室内实验成功率低，且无法实现岩样内部裂缝起裂/扩展和压裂携砂过程的同时模拟。
技术实现思路
为了解决现有技术的上述问题，本专利技术提供一种模拟支撑剂铺置的真三轴压裂模拟装置及其工作方法。本专利技术的技术方案如下：一种模拟支撑剂铺置的真三轴压裂模拟装置，其特征在于通过主管线依次连接有压裂液搅拌罐、压裂泵、支撑剂搅拌罐、裂缝扩展模拟组件，其中所述支撑剂搅拌罐并联有可控制连通与切断的支管路；所述压裂液搅拌罐内部包括搅拌机，上部设置压裂液进料口，侧面底部设置出料口连入主管线；所述支撑剂搅拌罐内部包括搅拌机，侧面分别设置与主管线相连的压裂液进料口和混砂液出料口，优选的压裂液进料口位置高于混砂液出料口；所述裂缝扩展模拟组件外围为压裂模拟容器，内部具有压裂模拟岩样，压裂模拟岩样内部安装有穿过压裂模拟容器的上盖与主管线相通的井筒，所述井筒与所述压裂模拟岩样接触表面分布有射孔孔眼，所述压裂模拟岩样前、后、左、右、上五个方向分别连接有千斤顶；还包括集成控制系统。优选的所述压裂液搅拌罐的内壁面设置实时观察罐内的压裂液液面位置的测位仪；所述压裂液进料口可采用螺纹密封；所述压裂液搅拌罐直径1～80cm，高度1～80cm；其侧面设置的出料口位置距罐底0.1～30cm。优选的所述支撑剂搅拌罐直径1～80cm，高度1～80cm；其侧面的混砂液出料口位置距离支撑剂搅拌罐底部0.1～30cm；压裂液进料口位置高于混砂液出料口的高度差为0.1～50cm。优选的所述压裂泵为柱塞泵，扬程0.1～104kPa；所述压裂泵出口处安装电磁流量计。优选的所述支管线与主管线的连接处设置有转向开关。优选的所述压裂模拟岩样的原材料包括纤维，所述纤维长度0.1～10cm,纤维含量为1～60％。优选的所述井筒为表面具有螺纹的金属井筒，井筒横截面为圆形或轴向具有扭曲的椭圆形，轴向扭曲角度为0～360°；井筒末端设置密封盖；所述圆形横截面井筒半径1～150mm；所述椭圆形横截面井筒短半径1～75mm，长轴与短轴比值1～2；井筒表面螺纹的大径D与小径d的差值0.1～5cm，螺纹螺距0.1～15cm；所述井筒数量1～5个，井筒类型为垂直井筒和/或水平井筒，井筒长度5～400cm。优选的所述井筒表面均匀或分簇分布射孔孔眼，孔眼直径1～20mm，孔眼相位0～180°，孔眼密度8～96个/m，通过螺母密封的方式来调节孔眼数量。优选的所述集成控制系统控制压裂泵、电动搅拌机、千斤顶装置的电源开关；所述集成控制系统的系统控制面板上设置压裂泵的频率调节按钮、千斤顶的压力调节按钮、排量显示器与压力显示器。前述述模拟装置的工作方法，其特征在于包括以下步骤：(1)装配井筒装置，安装末端密封盖，确定孔眼密度；优选的使用螺母密封多余孔眼，同时在井筒顶部安装转换接头；(2)准备包括纤维、以及水泥和/或混凝土和/或煤岩的岩样制作所需的原材料，与井筒一起固结制作储层模拟岩样，晾干岩样至实验所需状态；(3)安装岩样与井筒至压裂模拟容器的内部，并固定千斤顶于岩样前、后、左、右、上5个壁面；(4)配制实验用压裂液体系，准备压裂用支撑剂材料；(5)布置实验室，移动实验设备到合适的位置，连接所述设备的所有实验管线，并检查管线的密封性；(6)将压裂液材料倒入压裂液搅拌罐，使液体体积占罐体积的80～90％；将支撑剂材料装入支撑剂搅拌罐，使支撑剂体积占罐体积的3～25％；(7)启动千斤顶装置，设置前后、左右与上下方向的围压大小；(8)切断主管线与支撑剂搅拌罐的连通，连通支管线，启动压裂液电动搅拌机；(9)启动压裂泵并调节频率至所需排量，压裂液经压裂泵泵入井筒，在岩样内部憋起高压使岩样致裂；(10)观察集成控制显示界面的岩样压力变化曲线，根据曲线判断岩样是否致裂；(11)岩样压裂后，启动支撑剂电动搅拌机；(12)连通支撑剂搅拌罐，关闭支管线，压裂液进入支撑剂搅拌罐，与支撑剂混合形成混砂液后，经转换接头流入井筒，进入岩样内的人工裂缝；(13)重复步骤(8～12)，模拟现场实际压裂过程；(14)实验结束，关闭压裂泵、电动搅拌机、卸载千斤顶压力；(15)保存实验数据并拷贝，关闭集成控制系统；(16)取出模拟岩样，观察压裂裂缝扩展形态，分析支撑剂在裂缝中的铺置规律，整理实验仪器与材料，清理打扫实验室。本专利技术的效果如下：(1)本专利技术增加单独的支撑剂添加装置以及可通过转向开关控制的支管线，可以控制主管线与支撑剂搅拌罐的连通与切断；当主管线与支撑剂搅拌罐连通时，压裂液流入所述支撑剂搅拌罐与支撑剂混合形成携砂液后，一起被泵入井筒，流入岩样内部形成的人工裂缝；反之，压裂液单独泵入井筒压开裂缝。可在真三轴压裂实验过程中实现岩样内部裂缝起裂/扩展与压裂携砂过程、支撑剂铺置的同时模拟，并且能够模拟支撑剂段塞的压裂施工过程。(2)本专利技术的实验装置，通过改进井筒形状(由光滑的圆柱井筒改进成有一定旋转角度的螺纹椭圆形柱体)和在岩样中添加纤维材料，可有效地改善井筒与岩样界面的密封强度，提高真三轴压裂室内实验的成功率。根据经典的锚固理论，金属棒与混凝土之间的粘结力主要包括四类，具有不同表面特征的金属棒受力不同，光滑金属棒受化学胶结力与摩擦力，螺纹金属棒因表面凹凸不平与混凝土产生咬合力，而冷轧钢筋除上述3种力外，因表面突起、歪曲或截面几何形状变化而产生机械锚固力，因此冷轧钢可显著增强与混凝土的粘结强度；此外，将分散的纤维采用机械、气压或水压等方式随机地均匀掺入水泥或混凝土中，纤维在混合料中呈网状分布，能够有效地承受试件内部因轴向荷载作用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟支撑剂铺置的真三轴压裂模拟装置，其特征在于通过主管线依次连接有压裂液搅拌罐、压裂泵、支撑剂搅拌罐、裂缝扩展模拟组件，其中所述支撑剂搅拌罐并联有可控制连通与切断的支管路；所述压裂液搅拌罐内部包括搅拌机，上部设置压裂液进料口，侧面底部设置出料口连入主管线；所述支撑剂搅拌罐内部包括搅拌机，侧面分别设置与主管线相连的压裂液进料口和混砂液出料口；所述裂缝扩展模拟组件外围为压裂模拟容器，内部具有压裂模拟岩样，压裂模拟岩样内部安装有穿过压裂模拟容器的上盖与主管线相通的井筒，所述井筒与所述压裂模拟岩样接触表面分布有射孔孔眼，所述压裂模拟岩样前、后、左、右、上五个方向分别连接有千斤顶；还包括集成控制系统。

【技术特征摘要】
1.一种模拟支撑剂铺置的真三轴压裂模拟装置，其特征在于通过主管线依次连接有压裂液搅拌罐、压裂泵、支撑剂搅拌罐、裂缝扩展模拟组件，其中所述支撑剂搅拌罐并联有可控制连通与切断的支管路；所述压裂液搅拌罐内部包括搅拌机，上部设置压裂液进料口，侧面底部设置出料口连入主管线；所述支撑剂搅拌罐内部包括搅拌机，侧面分别设置与主管线相连的压裂液进料口和混砂液出料口；所述裂缝扩展模拟组件外围为压裂模拟容器，内部具有压裂模拟岩样，压裂模拟岩样内部安装有穿过压裂模拟容器的上盖与主管线相通的井筒，所述井筒与所述压裂模拟岩样接触表面分布有射孔孔眼，所述压裂模拟岩样前、后、左、右、上五个方向分别连接有千斤顶；还包括集成控制系统。2.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于所述压裂液搅拌罐的内壁面设置实时观察罐内的压裂液液面位置的测位仪；所述压裂液搅拌罐直径1～80cm，高度1～80cm；其侧面设置的出料口位置距罐底0.1～30cm。3.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于所述支撑剂搅拌罐直径1～80cm，高度1～80cm；其侧面的混砂液出料口位置距离支撑剂搅拌罐底部0.1～30cm；压裂液进料口位置高于混砂液出料口的高度差为0.1～50cm。4.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于所述压裂泵为柱塞泵，扬程0.1～104kPa；所述压裂泵出口处安装电磁流量计。5.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于所述支管线与主管线的连接处设置有转向开关。6.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于所述压裂模拟岩样的原材料包括纤维，所述纤维长度0.1～10cm，纤维含量1～60％。7.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于所述井筒为表面具有螺纹的金属井筒，井筒横截面为圆形或轴向具有扭曲的椭圆形，轴向扭曲角度为0～360°；井筒末端设置密封盖；所述圆形横截面井筒半径1～150mm；所述椭圆形横截面井筒短半径1～75mm，长轴与短轴比值1～2；井筒表面螺纹的大径D与小径d的差值0.1～5cm，螺纹螺距0.1～15cm；所述井筒数量1～5个，井筒类型为垂直井筒和/...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘欣佳，肖凤朝，张遂安，王洪利，刘玮，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11