專利名稱：定向射孔與壓裂裂縫轉(zhuǎn)向規(guī)律的實(shí)驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油開采領(lǐng)域，具體而言，涉及水力壓裂技術(shù)，用于研究巖石在三向應(yīng)力狀態(tài)下定向射孔與壓裂裂縫轉(zhuǎn)向規(guī)律的方法，即定向射孔與壓裂裂縫轉(zhuǎn)向研究的實(shí)驗(yàn)方法。
背景技術(shù)：
目前研究定向射孔與壓裂裂縫轉(zhuǎn)向研究的實(shí)驗(yàn)方法的主要步驟如下1.澆鑄水泥試件(0.3m立方體)，澆鑄前預(yù)先埋下鐵管、紙卷分別代替井筒和射孔段；2.將試件放入加載器中，通過三個(gè)油壓千斤頂分別在三個(gè)方向加壓，模擬地層狀態(tài)下的三向應(yīng)力；3.用高壓泵對(duì)試件進(jìn)行高壓注入，壓開試件形成裂縫；4.觀察射孔方向與裂縫方位的關(guān)系。這種方法主要有以下局限
只能用水泥澆鑄試驗(yàn)，與在真實(shí)的巖芯條件下進(jìn)行試驗(yàn)差異較大，影響試驗(yàn)可信度，此外，壓裂參數(shù)與礦場條件差異也較大；試件尺寸較小，裂縫延伸快速達(dá)到邊界，難以充分觀察壓裂裂縫轉(zhuǎn)向過程，不利于轉(zhuǎn)向規(guī)律的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種定向射孔與壓裂裂縫轉(zhuǎn)向研究的實(shí)驗(yàn)方法，以解決現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)用水泥澆鑄試驗(yàn)，與在真實(shí)的巖芯條件下進(jìn)行試驗(yàn)差異較大，影響試驗(yàn)可信度的問題。此外，本發(fā)明還能解決試件尺寸較小，裂縫延伸快速達(dá)到邊界，不利于壓裂研究的問題。為此，本發(fā)明提出一種定向射孔與壓裂裂縫轉(zhuǎn)向研究的實(shí)驗(yàn)方法，所述實(shí)驗(yàn)方法包括以下步驟:A、采用邊長大于等于Im的巖心露頭立方體制作試件，B、然后將所述試件設(shè)置在三軸應(yīng)力加載裝置中，在三軸應(yīng)力加載的條件下，先后對(duì)所述試件進(jìn)行定向射孔和壓裂，C、壓裂后剖析所述試件。進(jìn)一步地，所述巖心露頭立方體的邊長為I. 5米。進(jìn)一步地，所述步驟A包括在所述巖心露頭立方體的頂面中間鉆孔，裝入套管，進(jìn)行水泥固井。進(jìn)一步地，所述三軸應(yīng)力加載裝置包括通過鑄造形成的6個(gè)具有正方形支撐面的支撐框架，相鄰所述支撐框架之間采用銷軸連接固定，6個(gè)所述支撐框架形成包圍所述巖心露頭立方體的空間，所述巖心露頭立方體位于所述空間中。進(jìn)一步地，6個(gè)所述支撐框架分別為頂面的支撐框架、底面的支撐框架和四個(gè)側(cè)面的支撐框架，所述四個(gè)側(cè)面的支撐框架包括第一側(cè)面支撐框架和第二側(cè)面支撐框架，第一側(cè)面支撐框架位于第一側(cè)面，第二側(cè)面支撐框架位于第二側(cè)面，所述第一側(cè)面與所述第二側(cè)面相鄰并相交；所述底面的支撐框架、所述第一側(cè)面支撐框架和所述第二側(cè)面支撐框架上分別設(shè)有千斤頂以及與所述千斤頂連接的推壓所述試件的推板；通過從所述底面、所述第一側(cè)面和所述第二側(cè)面這三個(gè)方向分別向所述巖心露頭立方體加壓以實(shí)現(xiàn)三軸應(yīng)力加載。進(jìn)一步地，所述底面的支撐框架、所述第一側(cè)面支撐框架和所述第二側(cè)面支撐框架的千斤頂分別單獨(dú)控制加壓。進(jìn)一步地，在套管內(nèi)下入水力噴射器實(shí)現(xiàn)定向射孔和壓裂聯(lián)作，所述步驟B中，通過下入水力噴射器實(shí)現(xiàn)定向射孔。進(jìn)一步地，所述步驟B中，對(duì)所述試件進(jìn)行噴砂射孔10分鐘以實(shí)現(xiàn)定向射孔，之后關(guān)閉套管閘門對(duì)所述試件進(jìn)行壓裂，壓裂采用2000型壓裂機(jī)組2至6套，壓裂排量2. Om3/min0所述步驟B中，所述三軸應(yīng)力加載為所述底面的支撐框架的千斤頂加壓到50Mpa、所述第一側(cè)面支撐框架的千斤頂加壓到25MPa以及所述第二側(cè)面支撐框架的千斤 頂加壓到40MPa。本發(fā)明采用了巖心露頭立方體作為試件進(jìn)行三軸應(yīng)力加載模擬定向射孔與壓裂裂縫轉(zhuǎn)向研究試驗(yàn)，試件與現(xiàn)場條件相同，試驗(yàn)可信度高，能夠充分模擬和接近現(xiàn)場條件。進(jìn)而，本發(fā)明采用邊長大于等于Im的巖心露頭立方體作為試件，裂縫延伸達(dá)到邊界的過程得以延長，因而獲得了充分觀察壓裂裂縫轉(zhuǎn)向過程的空間和時(shí)間，有利于轉(zhuǎn)向規(guī)律的研究。進(jìn)而，本發(fā)明在三個(gè)加壓方向施加不同的壓力，充分模擬了實(shí)際地質(zhì)條件。進(jìn)而，本發(fā)明采用與現(xiàn)場施工一致的井下工具、井筒結(jié)構(gòu)、壓裂機(jī)組、定向射孔參數(shù)進(jìn)行地面模擬試驗(yàn)，與礦場實(shí)際更為接近，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。通過真實(shí)地模擬定向射孔、三軸應(yīng)力、礦場壓裂等條件，驗(yàn)證了定向射孔可以強(qiáng)制初始?jí)毫蚜芽p轉(zhuǎn)向，從而形成偏離且最終平行最大主應(yīng)力的裂縫。


圖I為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的不帶千斤頂?shù)牡酌娴闹慰蚣艿牧Ⅲw結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的帶千斤頂?shù)牡酌娴闹慰蚣艿牧Ⅲw結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的組裝了底面的支撐框架、第一側(cè)面支撐框架和第二側(cè)面支撐框架的三軸應(yīng)力加載裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4圖3中各支撐框架均安裝好千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)示意圖；圖5為圖3又組裝了其余兩個(gè)側(cè)面的支撐框架的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為圖5又組裝了頂面的支撐框架的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為圖6又安裝了試件的套管法蘭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為圖6中只保留頂面的支撐框架和試件的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)號(hào)說明I、支架2、推板3、千斤頂4、連接凸耳5、連接孔10、底面的支撐框架20、第一側(cè)面支撐框架30、第二側(cè)面支撐框架40、頂面的支撐框架50、第三側(cè)面支撐框架60、第四側(cè)面支撐框架70、巖心露頭立方體75、套管77、法蘭
具體實(shí)施例方式為了對(duì)本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對(duì)照

本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。本發(fā)明提出一種定向射孔與壓裂裂縫轉(zhuǎn)向研究的實(shí)驗(yàn)方法，所述實(shí)驗(yàn)方法包括
采用邊長大于等于Im的巖心露頭立方體作為試件并制作試件，然后在三軸(相互垂直的三個(gè)軸或三個(gè)方向)應(yīng)力加載的條件下，先后進(jìn)行定向射孔和壓裂，然后剖析所述試件，研究射孔方向與裂縫方位的關(guān)系。巖心露頭是通過從礦場采集而來，采來后，切割成立方體，修整表面，控制表面精度。巖心露頭立方體大于等于Im主要是考慮到壓裂裂縫轉(zhuǎn)向的半徑和距離，通常，壓裂裂縫轉(zhuǎn)向的半徑和距離在0.5米以上，如果試件太小，則難以得到有效的觀察和數(shù)據(jù)。當(dāng)然，從研究觀察的角度來說，巖心露頭越大越好，越接近實(shí)際的地質(zhì)條件，但如果體積過大，則需要很大的壓力和裝置對(duì)試件施力，以模擬三軸應(yīng)力下的受力狀態(tài)，這會(huì)增加裝置和施工的復(fù)雜性和施力的難度，有可能使得試件不能達(dá)到實(shí)際地質(zhì)條件下的受力狀態(tài)。較佳的，所述巖心露頭立方體的邊長為I. 5米，這樣，兼顧了研究觀察與施工兩方面。進(jìn)一步地，制作試件包括在所述巖心露頭立方體的頂面中間鉆孔，裝入套管，進(jìn)行水泥固井，以達(dá)到與現(xiàn)場施工一致的井筒結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，所述三軸應(yīng)力加載裝置包括通過鑄造形成的6個(gè)具有正方形支撐面的支撐框架，相鄰所述支撐框架之間采用銷軸連接固定，6個(gè)所述支撐框架形成包圍所述巖心露頭立方體的空間，所述巖心露頭立方體位于所述空間中。這樣，通過支撐框架將巖心露頭立方體穩(wěn)固的固定起來，以對(duì)巖心露頭立方體進(jìn)行三軸應(yīng)力加載。支撐框架為起夾持和支撐作用的板狀結(jié)構(gòu)或支架結(jié)構(gòu)或框架結(jié)構(gòu)，支撐框架一方面起到支撐作用，為千斤頂提供支撐，另一方面允許千斤頂?shù)囊簤汗芫€穿過，從面對(duì)推板加壓。支撐框架由鑄造制成，不怕實(shí)驗(yàn)過程中的磕碰，耐磨損，承載能力強(qiáng)。進(jìn)一步地，如圖6所示，6個(gè)所述支撐框架分別為頂面的支撐框架40、底面的支撐框架10和四個(gè)側(cè)面的支撐框架，所述四個(gè)側(cè)面的支撐框架包括第一側(cè)面支撐框架20、第二側(cè)面支撐框架30、第三側(cè)面支撐框架50和第四側(cè)面支撐框架60，第一側(cè)面支撐框架位于第一側(cè)面，第二側(cè)面支撐框架位于第二側(cè)面，所述第一側(cè)面與所述第二側(cè)面相鄰并相交，第一側(cè)面支撐框架20和垂直相交第二側(cè)面支撐框架30 ；其中，所述底面的支撐框架10、所述第一側(cè)面支撐框架20和所述第二側(cè)面支撐框架30上分別設(shè)有千斤頂3以及與所述千斤頂連接的推板2 ;如圖5所示，通過從所述底面、所述第一側(cè)面和所述第二側(cè)面這三個(gè)方向分別向所述巖心露頭立方體加壓，即從三個(gè)相互垂直的方向加壓，模擬三軸應(yīng)力。如圖I至圖8所示，所述底面的支撐框架10、所述第一側(cè)面支撐框架20和所述第二側(cè)面支撐框架30的結(jié)構(gòu)相同，以底面的支撐框架10為例，如圖I所示，整個(gè)底面的支撐框架10為鑄造制成，底面的支撐框架10設(shè)有支架I、設(shè)置在支架I上的千斤頂3和與千斤頂3連接并受千斤頂3推動(dòng)的推板2，千斤頂2通過液壓管線與加壓控制器等部件連接，支架I可以為板狀或具有孔洞結(jié)構(gòu)的框架，既能減輕重量，而且便于液壓管線從支架I的外部穿過支架I與支架I上的千斤頂3連接。推板2直接與巖心露頭立方體70的表面接觸。通過千斤頂可以提供實(shí)驗(yàn)所需的巨大的三軸應(yīng)力加載。為了達(dá)到加載的需要，本發(fā)明在這三個(gè)面的每個(gè)面上分別加載9支千斤頂，用來加壓，模擬三軸應(yīng)力。單個(gè)千斤頂?shù)淖畲蠹虞d力為320噸,最大行程100毫米,液壓系統(tǒng)最高工作壓力63兆帕。
如圖6所示，對(duì)于第三側(cè)面支撐框架50和第四側(cè)面支撐框架60，以及頂面的支撐框架40，它們的結(jié)構(gòu)除了沒有千斤頂和推板之外，其余結(jié)構(gòu)都相同，都具有方形的支架1，在方形的支架I的每個(gè)邊上都設(shè)有片狀或塊狀的連接凸耳4，相鄰兩片連接凸耳4的間距d等于單件連接凸耳4的厚度，以使得相鄰的所述各支撐框架之間通過連接凸耳4形成插接，如圖5所示，6個(gè)支撐框架形成容納巖心露頭立方體70的空間。連接凸耳4中設(shè)有連接孔5，各個(gè)連接凸耳4中的連接孔5形成直孔，以便穿設(shè)銷軸，連接各支撐框架。如圖7和圖8所示，頂面的支撐框架40還設(shè)有套管75穿出的安裝孔，以便在頂面的支撐框架40之外對(duì)套管75安裝法蘭77和射孔等試驗(yàn)。進(jìn)一步地，所述底面的支撐框架10、所述第一側(cè)面支撐框架20和所述第二側(cè)面支撐框架的千斤頂30分別單獨(dú)控制加壓。在實(shí)際地質(zhì)條件下，試件的三軸應(yīng)力或三個(gè)相互垂直方向上的應(yīng)力是不同的，本發(fā)明分別控制三個(gè)面上的千斤頂?shù)募訅?，以便能夠使巖心露頭立方體做到與實(shí)際地質(zhì)條件相同的應(yīng)力狀態(tài)。較佳的，所述底面的支撐框架的千斤頂加壓到50Mpa、所述第一側(cè)面支撐框架的千斤頂加壓到25MPa以及所述第二側(cè)面支撐框架的 千斤頂加壓到40MPa，這個(gè)比例就是試件在現(xiàn)場的實(shí)際的應(yīng)力狀態(tài)，此時(shí)，加載到試件表面的垂向和水平應(yīng)力分別達(dá)到9MPa、6MPa、3MPa，應(yīng)力達(dá)到目標(biāo)值，使實(shí)驗(yàn)在應(yīng)力狀態(tài)方面與現(xiàn)場條件一致。進(jìn)一步地，在套管內(nèi)下入水力噴射器實(shí)現(xiàn)定向射孔和壓裂聯(lián)作，通過下入水力噴射器在巖心露頭立方體實(shí)現(xiàn)定向射孔，所述水力噴射器安裝6支噴嘴，相位角180°，每側(cè)3支。這種定向射孔方式和參數(shù)與現(xiàn)場條件完全相同。進(jìn)一步地，進(jìn)行噴砂射孔10分鐘，之后關(guān)閉套管閘門進(jìn)行巖心露頭立方體的壓裂，壓裂采用2000型壓裂機(jī)組2至6套(臺(tái))，壓裂排量2. 0m3/min。壓裂方式和參數(shù)與現(xiàn)場條件完全相同。壓裂結(jié)束后，將試件從支撐框架中取出，用金剛石繩鋸機(jī)、手持圓盤鋸和沖擊氣錘等對(duì)試件的完整解剖。然后實(shí)測(cè)裂縫轉(zhuǎn)向距離，研究其與定向射孔角度、加載的應(yīng)力差等之間的規(guī)律。下面描述一個(gè)具體的實(shí)施例I.試件制作采集規(guī)格1500X1500X1500mm立方體巖樣作為試件。在中心位置鉆鑿出直徑240mm、高1500mm的通孔，裝入51//’套管，然后進(jìn)行水泥固井。2.試件安裝先安裝4片支撐框架，其中包括底面和三個(gè)側(cè)面的支撐框架，并分別在三個(gè)相互垂直的方向上安裝加載液缸組(共27個(gè)千斤頂)，然后用吊車把試件吊放在底座上，之后安裝其余的兩片支撐框架，最后安裝井口法蘭。6個(gè)支撐框架之間用銷軸連接。如圖3所示，先將所述底面的支撐框架10、所述第一側(cè)面支撐框架20和所述第二側(cè)面支撐框架30按圖3安裝到位，將千斤頂3和推板2安裝在底面的支撐框架10上，然后再如圖4所示安裝第一側(cè)面支撐框架20和所述第二側(cè)面支撐框架30的千斤頂和推板，然后如圖5所示，用吊車把巖心露頭立方體70吊放在底面的支撐框架10的推板上，然后如圖6所示，將頂面的支撐框架40蓋在巖心露頭立方體70上面，其中，各支撐框架之間采用銷軸連接固定。3.加壓控制系統(tǒng)
連接千斤頂和加壓控制器，每個(gè)千斤頂單獨(dú)控制加壓，在三個(gè)面上分別加載9支千斤頂，用來加壓，模擬三軸應(yīng)力。4.定向射孔和壓裂管柱在套管內(nèi)下入水力噴射器實(shí)現(xiàn)定向射孔和壓裂聯(lián)作。噴射器安裝6支噴嘴，相位角180°，每側(cè)3支。5.水力壓裂采用2000型壓裂機(jī)組3套，壓裂排量2. OmVmin進(jìn)行噴砂射孔10分鐘，之后關(guān)閉套管閘門進(jìn)行壓裂，試件瞬間起裂。6.試件切割壓裂結(jié)束后，將試件從支撐框架中取出，用金剛石繩鋸機(jī)、手持圓盤鋸和沖擊氣錘 等對(duì)靶件的完整解剖。7.試驗(yàn)觀測(cè)實(shí)測(cè)裂縫轉(zhuǎn)向距離，研究其與定向射孔角度、加載的應(yīng)力差等之間的規(guī)律。以上所述僅為本發(fā)明示意性的具體實(shí)施方式
，并非用以限定本發(fā)明的范圍。為本發(fā)明的各組成部分在不沖突的條件下可以相互組合，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和原則的前提下所作出的等同變化與修改，均應(yīng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種定向射孔與壓裂裂縫轉(zhuǎn)向研究的實(shí)驗(yàn)方法，所述實(shí)驗(yàn)方法包括以下步驟A、采用邊長大于等于Im的巖心露頭立方體制作試件，B、然后將所述試件設(shè)置在三軸應(yīng)力加載裝置中，在三軸應(yīng)力加載的條件下，先后對(duì)所述試件進(jìn)行定向射孔和壓裂，C、壓裂后剖析所述試件。
2.如權(quán)利要求I所述的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，所述巖心露頭立方體的邊長為I.5米。
3.如權(quán)利要求I所述的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，所述步驟A包括在所述巖心露頭立方體的頂面中間鉆孔，然后裝入套管，然后進(jìn)行水泥固井。
4.如權(quán)利要求I所述的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，所述三軸應(yīng)力加載裝置包括通過鑄造形成的6個(gè)具有正方形支撐面的支撐框架，相鄰所述支撐框架之間采用銷軸連接固定，6個(gè)所述支撐框架形成包圍所述巖心露頭立方體的空間，所述巖心露頭立方體位于所述空間中。
5.如權(quán)利要求4所述的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，6個(gè)所述支撐框架分別為頂面的支撐框架、底面的支撐框架和四個(gè)側(cè)面的支撐框架，所述四個(gè)側(cè)面的支撐框架包括第一側(cè)面支撐框架和第二側(cè)面支撐框架，第一側(cè)面支撐框架位于第一側(cè)面，第二側(cè)面支撐框架位于第二側(cè)面，所述第一側(cè)面與所述第二側(cè)面相鄰并相交； 所述底面的支撐框架、所述第一側(cè)面支撐框架和所述第二側(cè)面支撐框架上分別設(shè)有千斤頂以及與所述千斤頂連接的推壓所述試件的推板；通過從所述底面、所述第一側(cè)面和所述第二側(cè)面這三個(gè)方向分別向所述巖心露頭立方體加壓以實(shí)現(xiàn)三軸應(yīng)力加載。
6.如權(quán)利要求5所述的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，所述底面的支撐框架、所述第一側(cè)面支撐框架和所述第二側(cè)面支撐框架的千斤頂分別單獨(dú)控制加壓。
7.如權(quán)利要求3所述的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，所述步驟B中，通過在套管內(nèi)下入水力噴射器實(shí)現(xiàn)定向射孔。
8.如權(quán)利要求3所述的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，所述步驟B中，對(duì)所述試件進(jìn)行噴砂射孔10分鐘以實(shí)現(xiàn)定向射孔，之后關(guān)閉套管閘門對(duì)所述試件進(jìn)行壓裂，壓裂采用2000型壓裂機(jī)組2至6套，壓裂排量2. 0m3/min。
9.如權(quán)利要求8所述的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，所述步驟B中，所述三軸應(yīng)力加載為所述底面的支撐框架的千斤頂加壓到50Mpa、所述第一側(cè)面支撐框架的千斤頂加壓到25MPa以及所述第二側(cè)面支撐框架的千斤頂加壓到40MPa。
全文摘要
本發(fā)明提出一種定向射孔與壓裂裂縫轉(zhuǎn)向研究的實(shí)驗(yàn)方法，所述實(shí)驗(yàn)方法包括以下步驟A、采用邊長大于等于1m的巖心露頭立方體制作試件，B、然后將所述試件設(shè)置在三軸應(yīng)力加載裝置中，在三軸應(yīng)力加載的條件下，先后對(duì)所述試件進(jìn)行定向射孔和壓裂，C、壓裂后剖析所述試件。本發(fā)明的試驗(yàn)結(jié)果更加可靠，方便觀測(cè)裂縫延伸規(guī)律。
文檔編號(hào)G01N33/24GK102778552SQ20121027230
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月1日
發(fā)明者劉順, 唐梅榮, 徐創(chuàng)超, 曹宗熊, 李憲文, 樊鳳玲, 王廣濤, 王文雄, 趙振峰, 馬兵 申請(qǐng)人:中國石油天然氣股份有限公司