[发明专利]一种页岩水平井分段压裂物理模拟实验的井筒装置及方法

说明书

本发明公开一种页岩气水平井分段多簇压裂物理模拟实验的井筒装置及方法，应用于页岩气储层增产改造技术领域，针对现有的技术中存在的分段压裂物理模拟实验装置重复利用率低，操作复杂的问题，本发明模拟套管由多个套管短节通过螺纹连接组成，每个套管短节包含多个射孔簇；注液活塞预留与套管短节匹配的射孔簇，并通过活塞上、下端橡胶密封圈在模拟套管内部形成独立的进液通道；空心丝杠内置压裂液导流管，并与注液活塞顶部连接，旋转丝杠连接手柄可对注液活塞位置进行调节，进而实现不同压裂段射孔孔眼的相互连通，分别对不同压裂段进行压裂。

技术领域

本发明属于页岩气储层增产改造技术领域，特别涉及一种用于页岩气水平井分段多簇压裂物理模拟实验的井筒装置及方法。

背景技术

当前，随着社会对清洁能源需求的不断增加以及美国页岩气革命的成功，页岩气作为重要的油气战略接替资源，正越来越受到各国政府的重视。页岩气是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附或游离为主要存在方式的非常规天然气，具有分布广泛、开采周期长的特点，是一种清洁、高效的绿色能源。但与常规天然气储层不同，页岩气藏属于典型的超低孔—超低渗储层，一般无自然产能，必须借助于大规模体积压裂才能获得商业开发。现阶段，水平井分段多簇压裂技术已成为页岩气高效开发的核心技术之一，它利用封隔器或桥塞分隔井筒各段，然后采用多簇射孔、逐段压裂的施工工艺，在地层中形成多条水力裂缝，极大增加油气泄流通道，显著提高气井产能。然而，诸多生产测井资料表明，30％甚至更多的射孔簇未能形成有效的水力裂缝，对产能缺乏贡献。已有的研究表明，这主要是由于在页岩水平井分段多簇压裂过程中存在较强的缝间应力干扰，即“应力阴影”效应，其对水力裂缝扩展路径及缝宽具有重要的影响，集中体现在以下两个方面：首先，在同一压裂段内，中间射孔簇由于受到两侧裂缝附加应力场的影响，裂缝宽度减小，甚至会出现停止扩展或聚并，造成水力裂缝的非均匀扩展，降低储层改造效率；其次，先压开裂缝会对后续压裂段的水力裂缝扩展产生严重干扰，使得后压裂缝不再沿着垂直于井筒方向扩展，裂缝发生偏转，甚至沿着平行于井筒方向扩展，导致缝长减小，缝网波及体积缩小。因此，如何确定最佳的压裂段间距和射孔簇间距成为页岩气水平井分段压裂优化设计的关键所在。特别是，当前随着四川盆地及周缘3500m～4500m深层页岩气开采技术的不断进步，逐渐形成了以密切割分段、短簇射孔、组合压裂液+高强度加砂为代表的第三代压裂技术。与中浅层压裂工艺不同，深层页岩气压裂过程中一般选择更小的射孔簇间距和更大的射孔簇数，其中单段射孔簇数由原来的平均2～3簇，增加到6～8簇；簇间距由20m～30m缩小为5m～12m。因此，必须深入研究页岩水平井分段压裂过程中多裂缝同步起裂及竞争扩展机制。现阶段，室内大尺寸压裂物理模拟实验依然是研究页岩水力裂缝起裂及扩展机理的重要手段，其主要依据相似准则，模拟岩石在地层三向应力状态下，泵注不同粘度压裂液或支撑剂后的裂缝起裂压力及扩展形态。但是在现有的页岩压裂物理模拟实验中，绝大部分采用在井眼底部预留一裸眼段作为裂缝起裂位置的制样方式，理论上该方法仅能模拟单一射孔簇裂缝的起裂问题，裂缝实际起裂位置及条数无法控制。事实上，要实现对页岩水平井分段压裂的模拟，必须在模拟井筒内部形成多个相对密闭的进液通道，保证水力裂缝在预设位置处起裂，且能够方便调节各压裂段的压裂次序。目前，国内外对页岩水平井分段压裂物理模拟实验的报道较少，已有的研究采用的井筒结构复杂，可重复使用性差，操作流程繁琐。因此，急需一种能够实现上述功能的实验装置及方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种页岩气水平井分段多簇压裂物理模拟实验的井筒装置及方法，该装置可方便的用于研究页岩气水平井分段压裂多裂缝同步扩展过程中的缝间应力干扰问题，有助于分析不同段间距、射孔簇数量和间距、压裂顺序、水平应力差以及水平段固井质量等对页岩水平井分段压裂多裂缝扩展形态的影响规律，可为页岩水平井分段压裂施工方案决策，施工参数设计提供理论依据和技术支撑。

本发明采用的技术方案之一为：一种页岩水平井分段压裂物理模拟实验的井筒装置，包括模拟套管、注液管汇以及位置调节机构；

模拟套管包括多个套管短节，所述多个套管短节通过螺纹连接，每个套管短节包含多个射孔簇；