一种用于水力压裂实验的射孔方法和水力压裂实验方法 |
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| 申请号 | CN201610397732.8 | 申请日 | 2016-06-07 | 公开(公告)号 | CN105952422A | 公开(公告)日 | 2016-09-21 |
| 申请人 | 中国石油天然气股份有限公司; | 发明人 | 付海峰; 梁天成; 翁定为; 刘云志; 严玉忠; 郑伟; 卢拥军; 管保山; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提出了一种用于 水 力 压裂实验的射孔方法和水力压裂实验方法，涉及油气田开发中的水力压裂增产技术，本发明提出的用于水力压裂实验的射孔方法包括：步骤A：根据水力压裂实验方案确定射孔作业需达到的穿透深度，穿透深度小于等于30cm；步骤B：根据穿透深度设计和制造射孔弹，并将射孔弹安装在射孔枪上；步骤C：利用射孔弹和射孔枪，对水力压裂实验用的 岩石 样品进行射孔。本发明能够对水力压裂实验用的岩石样品进行真实射孔，并保证样品的完整性以及能够顺利开展后续的压裂实验。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于水力压裂实验的射孔方法，其特征在于，所述方法包括： |
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| 说明书全文 | 一种用于水力压裂实验的射孔方法和水力压裂实验方法技术领域[0001] 本发明涉及油气田开发中的水力压裂增产技术，特别涉及一种用于水力压裂实验的射孔方法和一种水力压裂实验方法。 背景技术[0002] 压裂改造技术是实现非常规油气田经济高效开采的重要技术手段，自1947年在美国堪萨斯州首次压裂成功以来，已经成为油气藏改造和增产增效的重要措施。 [0003] 水力压裂就是利用地面高压泵，通过井筒向油层挤注具有较高粘度的压裂液。当注入压裂液的速度超过油层的吸收能力时，则在井底油层上形成很高的压力，当这种压力超过井底附近油层岩石的破裂压力时，油层将被压开并产生裂缝。这时，继续不停地向油层挤注压裂液，裂缝就会继续向油层内部扩张。为了保持压开的裂缝处于张开状态，接着向油层挤入带有支撑剂(通常石英砂)的携砂液，携砂液进入裂缝之后，一方面可以使裂缝继续向前延伸，另一方面可以支撑已经压开的裂缝，使其不致于闭合。再接着注入顶替液，将井筒的携砂液全部顶替进入裂缝，用石英砂将裂缝支撑起来。最后，注入的高粘度压裂液会自动降解排出井筒之外，在油层中留下一条或多条长、宽、高不等的裂缝，使油层与井筒之间建立起一条新的流体通道。压裂之后，油气井的产量一般会大幅度增长。 [0004] 其中，射孔技术作为油气井完井工程的重要环节，对水力压裂裂缝起裂和扩展有重要的影响。射孔是指在完井过程中，采用特殊聚能器材进入井眼预定层位进行爆炸开孔让井下地层内流体进入孔眼的作业活动，是打通油流通道的一项重要工艺。射孔直接影响水力压裂裂缝起裂和扩展。射孔参数主要包括射孔深度(也称穿透深度)、孔径、孔密、相位和排列方式等。关于射孔参数对于水力压裂裂缝起裂和扩展的影响，也已经开展了多年的研究和优化。 [0005] 国内外相继采用了数值模拟和物理模拟实验两种方式，研究不同射孔参数对水力压裂地层破裂压力和裂缝形态的影响。其中，数值模拟研究主要是基于经典的力学理论，但缺乏有效的实验手段予以验证。近年来国内外学者开始利用物理模拟实验，来考察射孔对裂缝起裂延伸的影响。物理模拟实验主要是指室内水力压裂实验，在实验室中模拟地层条件，对裂缝扩展的实际物理过程进行监测，并对形成裂缝进行实际观察。 [0006] 在目前的室内水力压裂实验中模拟在油气井中射孔的方法，主要是采用钢管、PVC管等硬性材料预制在水泥岩样中来模拟射孔孔眼。由于射孔的孔道是有上述钢管等硬性材料所形成的，不能真实模拟射孔孔眼与岩样的接触情况；同时在实验时，裂缝需要穿过上述硬性材料，而这些硬性材料和岩石的力学性能存在巨大的差异，极大的影响了裂缝的起裂和扩展，也无法模拟真实射孔爆破效应对裂缝起裂的影响，因此，不利于实验现象的观测，其实验结果与现场实际也存在较大差异。 [0007] 采用射孔枪对浇筑好的水泥岩样进行真实射孔，可以减少预制硬性材料对实验过程和结果的影响。但目前无法直接将真实射孔应用到室内水力压裂实验的样品上，因其具有一个不可克服的技术缺陷：虽然射孔技术本身非常成熟，但射孔参数都是现场级别的，使用现场参数进行射孔时，其射孔深度都在0.5m以上，实验室中的物理实验样品无法抵抗这么强的冲击力，射孔后样品容易破碎，最终导致无法进行下一步实验。 发明内容[0008] 本发明的目的是提供一种能有用于水力压裂实验的射孔方法，能够在样品中实现真实射孔，并保证样品的完整性以及能够顺利开展后续的压裂实验。 [0009] 本发明的另一目的是提供一种能够更真实反映射孔爆破效应对于裂缝起裂的影响的水力压裂实验方法。 [0010] 为达到上述目的，本发明提出一种用于水力压裂实验的射孔方法，其中，所述方法包括： [0011] 步骤A：根据水力压裂实验方案确定射孔作业需达到的穿透深度，所述穿透深度小于或等于30cm； [0012] 步骤B：根据所述穿透深度设计和制造射孔弹，并将所述射孔弹安装在射孔枪上； [0013] 步骤C：利用所述射孔弹和所述射孔枪，对所述水力压裂实验用的岩石样品进行射孔。 [0014] 如上所述的用于水力压裂实验的射孔方法，其中，所述射孔弹包括弹壳、药柱和药型罩，所述药柱设置于所述弹壳内并被所述药型罩压紧，所述步骤B包括： [0015] 步骤B1：根据所述穿透深度对所述药型罩的结构进行数值模拟； [0016] 步骤B2：进行真实射孔试验，根据所述真实射孔试验的结果和所述数值模拟的结果确定所述药型罩的最终结构； [0017] 步骤B4：根据所述最终结构制造所述药型罩； [0018] 步骤B5：将所述药柱和所述药型罩压装于所述弹壳内，完成所述射孔弹的制造。 [0019] 如上所述的用于水力压裂实验的射孔方法，其中，所述步骤B4包括：根据所述最终结构选择组成所述药型罩的材料，并保证所述材料的颗粒粒级分布均匀；利用数控自动旋粉设备对所述材料的颗粒进行旋粉将其制成粉末件；通过二次压制工艺将所述粉末件压制成所述药型罩。 [0021] 如上所述的用于水力压裂实验的射孔方法，其中，所述方法还包括设置在步骤C之前的步骤D： [0022] 对压裂实验用的岩石样品进行加工并钻孔形成井眼，将井筒固定于所述井眼内。 [0023] 如上所述的用于水力压裂实验的射孔方法，其中，所述射孔枪的外径小于所述井筒的内径，所述射孔枪通过转换接头与所述井筒的井口连接并固定。 [0024] 如上所述的用于水力压裂实验的射孔方法，其中，所述井筒的外径为73mm，所述井筒的固井段深度为530mm。 [0025] 如上所述的用于水力压裂实验的射孔方法，其中，加工后的所述岩石样品为六面体块，其长度、宽度和高度分别为762mm、762mm和914mm。 [0026] 如上所述的用于水力压裂实验的射孔方法，其中，用所述射孔枪逐次射孔，一次射孔引爆一个所述射孔弹，然后旋转或上提所述射孔枪至下一个射孔位置。 [0027] 如上所述的用于水力压裂实验的射孔方法，其中，采用平面射孔方式或螺旋射孔方式对所述岩石样品进行射孔。 [0028] 本发明还提出了一种水力压裂实验方法，其中，所述实验方法包括： [0029] 步骤S100：采用如上所述的射孔方法对实验用的岩石样品进行射孔； [0031] 步骤S300：实验后对注入压力曲线进行分析，研究射孔相位、穿透深度和孔密对施工压力及水力压裂形态的影响。 [0032] 如上所述的水力压裂实验方法，其中，通过所述应力加载框架对所述岩石样品实现三向围压的独立加载，最大应力为69MPa。 [0033] 如上所述的水力压裂实验方法，其中，压裂液的最高注入排量为12L/min。 [0034] 如上所述的水力压裂实验方法，其中，井口的最高注入压力为82MPa。 [0035] 与现有技术相比，本发明具有以下特点和优点： [0036] 本发明提出的用于水力压裂实验的射孔方法及水力压裂实验方法，通过数值模拟和现场试验对射孔弹进行针对性设计和加工，保证射孔穿透深度在30cm以内，实现了能够对尺寸小于1m的水力压裂实验用的岩石样品进行真实的射孔，并且能保证岩石样品的完整性，使得后续进行的压裂实验能够更真实的模拟真实射孔爆破效应对水力压裂裂缝起裂的影响，保证水力压裂实验的结果更接近现场实际情况，不但可以为压裂工艺完井设计及优化提供实验支持，还可以为研发适合现场需求的射孔工具提供实验支持。附图说明 [0037] 在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。 [0038] 图1为本发明提出的用于水力压裂实验的射孔方法的流程图； [0039] 图2为本发明提出的水力压裂实验方法的流程图； [0040] 图3为本发明一实施例的流程图； [0041] 图4为本发明岩石样品的俯视图； [0042] 图5为本发明岩石样品射孔后的结构示意图。 [0043] 附图标记说明： [0044] 1-岩石样品；2-井筒；3-孔眼。 具体实施方式[0045] 结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。 [0046] 请参考图1、图4和图5，图1为本发明提出的用于水力压裂实验的射孔方法的流程图；图4为本发明岩石样品的俯视图；图5为采用本发明提出的射孔方法进行射孔后的岩石样品结构示意图。如图1所示，本发明提出一种用于水力压裂实验的射孔方法包括如下步骤： [0047] 步骤A：根据水力压裂实验方案确定射孔作业需达到的穿透深度，该穿透深度小于等于30cm； [0048] 步骤B：根据穿透深度设计和制造射孔弹，并将射孔弹安装在射孔枪上； [0049] 步骤C：利用射孔弹和射孔枪，对水力压裂实验用的岩石样品进行射孔。 [0050] 本发明提出的用于水力压裂实验的射孔方法，通过对射孔弹进行针对性设计和加工，保证射孔穿透深度在30cm以内，克服了现有射孔方法其中穿透深度过深(穿透深度大于50cm)导致岩石样品碎裂，而无法进行后续试验的缺陷，保证了射孔后岩石样品的完整性； 进而本发明提出的用于水力压裂实验的射孔方法实现了能够对水力压裂实验用的岩石样品进行真实的射孔，使得后续进行的压裂实验能够更真实的模拟真实射孔爆破效应对水力压裂裂缝起裂的影响，保证水力压裂实验的结果更接近现场实际情况，不但可以为压裂工艺完井设计及优化提供实验支持，还可以为研发适合现场需求的射孔工具提供实验支持。 其中，完成射孔后的岩石样品如图4和图5所示。 [0051] 在本发明一个可选的例子中，射孔弹包括弹壳、药柱和药型罩，药柱设置于弹壳内并被药型罩压紧，步骤B具体包括： [0052] 步骤B1：根据穿透深度对药型罩的结构进行数值模拟； [0053] 步骤B2：进行真实射孔试验，根据真实射孔试验的结果和数值模拟的结果确定药型罩的最终结构； [0054] 步骤B4：根据该最终结构制造药型罩； [0055] 步骤B5：将药柱和药型罩压装于弹壳内，完成射孔弹的制造。 [0056] 由上述步骤可知，本发明提出的射孔方法，通过对射孔弹的结构进行数值模拟确定初步方案，然后采用室内水泥靶件进行真实射孔试验。将射孔孔眼形态模拟所的到的模拟结果，与水泥靶件射孔所得的孔眼的真实形态进行对比，通过数值模拟结合和现场试验孔眼参数的对比结果，对数值模拟参数进行优化调整，使其模拟结果更接近实际。在数值模拟方法成熟的基础上，根据不同的设计要求，数值模拟出不同的射孔弹参数，从而达到对射孔弹结构的优化调整，保证了射孔弹的结构能够满足水力压裂实验方案所设计的射孔参数的要求，确保了射孔精度。 [0057] 在一个可选的例子中，步骤B4包括：根据最终结构选择组成药型罩的材料，并保证上述材料的颗粒粒级分布均匀，利用数控自动旋粉设备对所选的材料进行旋粉将其制成粉末件，通过二次压制工艺将该粉末件压制成药型罩。其中，选择密度高于8.5g/cm3的金属材料为药型罩的主体材料，作为射流能量载体；选择成型性好的熔点低于500度的低熔点材料为辅助材料，保持药型罩射流拉伸延续性和稳定性。并且，通过研究组成药型罩的材料的颗粒的粒度级配，筛选材料粒度范围，控制粒级分布均匀性，以提高药型罩的整体密度。通过二次压制工艺，提高了药型罩的密度均匀性和稳定性，克服了粉末件在压制后产生反弹，进而减低药型罩的密度的均匀性及尺寸的进度，最终影响后续压药工艺和射孔弹性能的缺陷。 [0058] 在一个可选的例子中，步骤B1具体为：基于流体弹塑变形理论的破甲工程计算和实验基础数据，建立基于有限元方法的数值模拟，对射孔孔眼形态进行模拟。其中，流体弹塑变形理论的破甲工程计算即在破甲状态下有爆炸中心向外依次对岩石介质流体状态、塑形状态和弹性状态下进行的变形理论表征。将射孔孔眼形态模拟所的到的模拟结果，与室内水泥靶件射孔所得的孔眼的真实形态进行对比，通过数值模拟结合和现场试验孔眼参数的对比结果，对数值模拟参数进行优化调整，使其模拟结果更接近实际。在数值模拟方法成熟的基础上，根据不同的设计要求，数值模拟出不同的射孔弹参数，从而达到对射孔弹结构的优化调整，从而保证射孔精度。 [0059] 在本发明一个可选的例子中，该用于水力压裂实验的射孔方法还包括步骤D，步骤D包括：对压裂实验用的岩石样品进行加工并钻孔形成井眼，将井筒固定于该井眼内。一般在岩石样品的中心部位钻有井眼，在井眼中下入井筒，并将该井筒固定。其中，步骤D设置在步骤C之前，即步骤D可以为步骤C之前的任意一步；具体的，步骤D可以设置在步骤A之前，或者步骤D可以设置在步骤A和步骤B之间，步骤D还可以设置在步骤B和步骤C之间。 [0060] 在一个可选的例子中，井筒的外径为73mm，井筒的固井段深度为530mm。这样，由于固井段的长度足够大，防止了射孔对井筒的冲击和破坏，保证了后续压裂实验的顺利进行。 [0061] 在一个可选的例子中，射孔枪的外径小于井筒的内径。这样，射孔枪能够垂直下入井筒内，实现对井筒和岩石样品的真实射孔。并且，射孔枪通过转换接头与井筒的井口连接并固定。 [0062] 在本发明一个可选的例子中，加工后的岩石样品为六面体块，其长度、宽度和高度分别为762mm、762mm和914mm。加工后的岩石样品的体积小于1m3，便于在室内即可进行水力压裂实验。 [0063] 在本发明一个可选的例子中，采用平面射孔方式或螺旋射孔方式对所述岩石样品进行射孔。 [0064] 在本发明一个可选的例子中，采用射孔枪逐次射孔，一次射孔引爆一个射孔弹，然后旋转或上提射孔枪至下一个射孔位置，即可实现平面射孔或螺旋式射孔。 [0065] 本发明还提出了一种水力压裂实验方法，其中，如图2所示，该实验方法包括： [0066] 步骤S100：采用如上所述的射孔方法对实验用的岩石样品进行射孔； [0067] 步骤S200：将所述岩石样品放入应力加载框架中，进行模拟水力压裂实验； [0068] 步骤S300：实验后对注入压力曲线进行分析，研究射孔相位、穿透深度和孔密等对施工压力及水力压裂形态的影响。 [0069] 本实验提出的水力压裂实验方法，是在真实射孔的前提下针对大尺寸的岩石样品开展水力压裂物理模拟实验，通过实验结果分析评价射孔工艺对于水力压裂裂缝起裂延伸的影响，能够为研发适合现场需求的射孔工具，以及为压裂工艺完井设计和优化提供实验支持和指导。 [0070] 在本发明一个可选的例子中，通过应力加载框架对岩石样品实现三向围压的独立加载，最大应力为69MPa。其中，应力加载框为全三维大尺寸实验框架，能够通过三个方向同时向岩石表面加载围压，模拟地应力场条件。通过向岩石样品中心处的井口注入压裂液，直至裂缝起裂并稳定延伸，实验过程中可以实时地记录泵注压力曲线及泵注液量。 [0071] 在本发明一个可选的例子中，压裂液的最高注入排量为12L/min。 [0072] 在本发明一个可选的例子中，井口的最高注入压力为82MPa，最高围压为69MPa。 [0073] 在本发明的一个可选的例子中，在步骤S300中，通过不同的射孔参数结合压裂实验采集到的压力数据，可以直接考察射孔相位，穿透深度和射孔密度等对施工压力及水力裂缝形态的影响。 [0074] 在本发明一个可选的例子中，如图3所示，水力压裂实验的方法的具体过程为： [0075] a)通过数值模拟和现场试验对射孔枪结构和射孔弹进行针对性设计，满足水力压裂实验方案设计的射孔参数的要求。具体实施时，对射孔枪结构设计必须与井筒外径尺寸73mm相匹配，以保证射孔器材下入井筒的要求。射孔弹设计是根据“流体-弹塑性理论的破甲工程计算”方法，首先对射孔弹设计结构进行数值模拟确定初步方案，基于流体弹塑形变形理论和实验基础数据，建立基于有限元方法的数值模拟，对射孔孔眼形态进行模拟。然后采用水泥靶件进行真实射孔试验，通过数值模拟结合和现场试验孔眼参数的对比结果，对数值模拟参数进行优化调整，使其模拟结果更接近实际。在数值模拟方法成熟的基础上，根据不同的设计要求，数值模拟出不同的射孔弹参数，从而达到对射孔弹的优化调整，从而保证射孔精度。 [0076] b)对压裂实验用岩石样品进行加工成六面体块，并固井；加工岩石样品时，岩石样品需要严格按照压裂实验的要求加工成六面体块，长宽高分别是762mm×762mm×914mm。岩石样品中心部位钻有井眼，下入的井筒尺寸需要与射孔枪相匹配，同时固井段长度足够大，防止射孔对井筒的冲击破坏，一般为500mm。 [0077] c)利用特定的射孔器材(射孔器材为设计制造好的射孔枪和射孔弹)，根据射孔方案对岩石样品进行射孔作业；对所述岩样按照射孔方案，进行真实射孔实验。采用射孔枪进行射孔，可实现平面射孔和螺旋射孔2种方式。具体方法是采用射孔枪逐次射孔，1次引爆1个射孔弹，然后旋转或上提射孔枪至下一个射孔位置，即可实现平面或螺旋式射孔。 [0078] d)将实验样品放入应力加载框架中，完成模拟压裂实验；具体实施时，对岩石样品进行水力压裂物理模拟实验，具体实验过程是，将大尺度岩石样品放置在全三维大尺寸实验框架中，通过三个方向同时向岩石表面加载围压，模拟地应力场条件。通过向岩石中心处的井口注入压裂液，直至裂缝起裂并稳定延伸，实验过程中可以实时记录泵注压力曲线及泵注液量。一般地，井口最高注入压力为82MPa，围压最高可加载为69MPa。 [0079] e)实验后对注入压力曲线进行分析，研究射孔相位、穿透深度和孔密等对施工压力及水力裂缝形态的影响。具体实施时，通过设计不同的射孔参数并结合压裂实验采集到的压力数据，可以直观考察射孔相位、穿透深度和孔密等对施工压力及水力裂缝形态的影响。 [0080] 针对上述各实施方式的详细解释，其目的仅在于对本发明进行解释，以便于能够更好地理解本发明，但是，这些描述不能以任何理由解释成是对本发明的限制，特别是，在不同的实施方式中描述的各个特征也可以相互任意组合，从而组成其他实施方式，除了有明确相反的描述，这些特征应被理解为能够应用于任何一个实施方式中，而并不仅局限于所描述的实施方式。 |
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