用于确定气井压裂返排时机与支撑剂压裂液回流量的物模实验装置与方法

摘要

本发明公开一种用于确定气井压裂返排时机与支撑剂压裂液回流量的物模实验装置与方法，该用于确定气井压裂返排时机与支撑剂压裂液回流量的物模实验装置包括柱形本体、第一端盖和第二端盖、加压装置、气体注入装置以及回流装置和压力测试探针，柱形本体，具有供岩心放置的内部容腔、位于两端且分别与所述内部容腔连通的进液口和进出口、以及设置在侧部且分别与所述内部容腔连通的回流孔、测试孔及加压孔，第一端盖和第二端盖分别对应盖设于所述进液口和所述进出口，且与所述内部容腔的内壁共同围设形成密闭的憋压腔体，加压装置穿过所述加压孔且用于与所述岩心抵接并加压，为含裂缝的岩心提供闭合压力固定所述岩心。

说明书

技术领域

本发明涉及储层改造技术领域，特别涉及一种用于确定气井压裂返排时机与支撑剂压裂液回流量的物模实验装置与方法。

背景技术

储层经过水力压裂改造后，合理的压裂液返时机与返排制度可有效控制支撑剂回流并保证支撑剂在裂缝内的最优化分布，从而使压后裂缝具有较高的导流能力，达到预期增产效果。然而滞后于最佳返排时机或返排流量过低将导致压裂液滞留地层，对地层造成伤害；提前于最佳返排时机或返排流量过高将导致支撑剂大量回流，从而影响支撑剂铺置。

针对压后气井，储层产出气除更有利于压裂液排出外也将导致裂缝中支撑剂受力状态发生改变。因此针对气井考虑产出气体对压后返排的作用，明确不同储层条件、不同工艺条件下合理的压裂返排时机与返排制度对于增产稳产和储层保护均具有重要意义。

相关文献中虽然可模拟支撑剂的回流，但不可实现憋压，因此无法模拟压裂后停泵压力。还有相关文献中仅考虑了压裂液的返排，并未考虑支撑剂回流。目前同时针对气井产出气作用下压后返排时机与返排制度优化的相关研究还未曾涉及。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种用于确定气井压裂返排时机与支撑剂压裂液回流量的物模实验装置与方法，旨在用于确定气井压裂返排时机与支撑剂压裂液回流量。

为实现上述目的，本发明提出的一种用于确定气井压裂返排时机与支撑剂压裂液回流量的物模实验装置，包括：

柱形本体，具有供岩心放置的内部容腔、位于两端且分别与所述内部容腔连通的进液口和进出口、以及设置在侧部且分别与所述内部容腔连通的回流孔、测试孔及加压孔；

第一端盖和第二端盖，分别对应盖设于所述进液口和所述进出口，且与所述内部容腔的内壁共同围设形成密闭的憋压腔体；

加压装置，穿过所述加压孔且用于与所述岩心抵接并加压，为含裂缝的岩心提供闭合压力并固定所述岩心；

气体注入装置，与所述进出口连接，用于向所述内部容腔注入气流以模拟气井产出气；

回流装置和压力测试探针，分别对应安装至所述回流孔、所述测试孔，所述压力测试探针用于与所述岩心抵接并测试所述岩心中的压力值。

优选的，所述回流装置包括：

模拟油嘴，安装至所述回流孔，所述模拟油嘴上设有用于控制所述模拟油嘴开度的孔眼开关；

模拟井筒，安装在所述模拟油嘴上且与所述模拟油嘴连通。

优选的，所述模拟油嘴的外表面设有外螺纹，所述回流孔内设有与所述外螺纹螺接配合的内螺纹。

为实现上述目的，本发明还提供一种用于确定气井压裂返排时机与支撑剂压裂液回流量的物模实验方法，采用上述的用于确定气井压裂返排时机与支撑剂压裂液回流量的物模实验装置，包括如下步骤：

将裂缝处设有支撑剂的岩心安置于所述内部容腔内，调节所述加压装置的压力值固定所述岩心；

从进液口泵入压裂液，待所述进液口的压力升至目标压力时，停泵并记录压裂液量，关闭所述进液口，

保持所述进液口、进出口、回流孔关闭，观察所述岩心的主裂缝压力变化，以模拟裂缝自然闭合状态；

开启所述气体注入装置并向所述进出口内注入气体，同时开启所述回流装置，记录主裂缝压力变化、压裂液返排量、支撑剂排出量。

优选的，在所述将岩心安置于所述内部容腔内，调节所述加压装置的压力值固定所述岩心的步骤之后，在所述从进液口泵入压裂液，待所述进液口的压力升至目标压力时，停泵并记录，关闭所述进液口的步骤之前，还包括如下步骤：

将内部容腔内的空气排出后，封闭所述内部容腔。

优选的，所述将内部容腔内的空气排出后，封闭所述内部容腔的步骤，具体包括：

打开所述进出口，从所述进液口泵入清水，以将内部容腔内的空气排出，关闭所述进出口。

优选的，所述岩心是通过人工切割裂缝，并在所述人工切割裂缝的切割面铺设所述支撑剂。

本发明通过将岩心置于内部容腔后，通过加压装置与岩心抵接并对岩心加压，对岩心固定，由于岩心上有裂缝，加压装置也可以为岩心提供闭合压力；通过岩心的人工切割裂缝内设有支撑剂与回流孔可真实模拟并实现支撑剂与压裂液从岩心中回流，从而确定支撑剂回流量与压裂液返排量；可通过调节回流装置的回流开度(回流孔的开度)可模拟不同放喷油嘴嘴径(在本发明中为模拟油嘴的孔径)，实现压裂后返排过程中不同孔径的模拟油嘴对压裂液和支撑剂回流影响的模拟。

进一步地，该装置加入气体注入装置，实现了对气井压裂后返排过程的模拟，并可通过改变注入气体速度模拟气井产气对压裂液支撑剂回流的影响。该实验装置与实验方法可实现压裂后裂缝自然闭合与强制闭合阶段的模拟，综合考虑支撑剂回流量与压裂液返排率后，可对最佳返排时机与返排制度给出指导性建议。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明提供一实施例用于确定气井压裂返排时机与支撑剂压裂液回流量的物模实验装置的剖视图；

图2为图1中回流装置一实施例的局部示意图；

图3为图1中第二端盖一实施例的局部示意图；

图4为图1中岩心在切割形成单一裂缝时的局部示意图；

图5为图1中岩心在切割形成组合裂缝时的局部示意图。

附图标号说明：

标号名称标号名称1柱形本体3第二端盖11内部容腔4回流装置12进液口41模拟油嘴13进出口42模拟井筒14回流孔5压力测试探针15测试孔200岩心2第一端盖

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

(实验装置)

本发明提出一种用于确定气井压裂返排时机与支撑剂压裂液回流量的物模实验装置，请参阅图1至图3，所述用于确定气井压裂返排时机与支撑剂压裂液回流量的物模实验装置包括柱形本体1、第一端盖2和第二端盖3、加压装置、气体注入装置以及回流装置4和压力测试探针5，柱形本体1具有供岩心200放置的内部容腔11、位于两端且分别与所述内部容腔11连通的进液口12和进出口13、以及设置在侧部且分别与所述内部容腔11连通的回流孔14、测试孔15及加压孔；第一端盖2和第二端盖3分别对应盖设于所述进液口12和所述进出口13，且与所述内部容腔11的内壁共同围设形成密闭的憋压腔体；加压装置穿过所述加压孔且用于与所述岩心200抵接并加压，为含裂缝的岩心200提供闭合压力并固定所述岩心200；气体注入装置与所述进出口13连接，用于向所述内部容腔11注入气流以模拟气井产出气；回流装置4和压力测试探针5分别对应安装至所述回流孔14和所述测试孔15，所述压力测试探针5用于与所述岩心200抵接并测试所述岩心200中的压力值。优选的，所述岩心200是通过人工切割裂缝，并在所述人工切割裂缝的切割面铺设所述支撑剂，通过对岩心200进行人工切割，可模拟不同的裂缝形态，实现不同裂缝形态对压裂后返排的影响。

安装时，压力测试探针5与岩心200的主裂缝抵接，以可以通过压力测试探针5测试岩心200主裂缝的压力。在第一端盖2和第二端盖3对应安装在进液口12和进出口13后，可以起到密封作用，形成密封的憋压腔体进行憋压以模拟压裂停泵压力。

其中进出口13在气体注入装置与进出口13连接并开启时，进出口13作为气体进口，而在进出口13打开且气体注入装置并未开启时，进出口13作为出液口。

现有技术中虽然可模拟支撑剂的回流，但不可实现憋压，因此无法模拟压裂后停泵压力。而相关文献中仅考虑了压裂液的返排，并未考虑支撑剂回流。同时针对气井产出气作用下压后返排时机与返排制度优化的相关研究还未曾涉及。

本发明通过将岩心200置于内部容腔11后，通过加压装置与岩心200抵接并对岩心200加压，对岩心200固定，由于岩心200上有裂缝，加压装置也可以为岩心200提供闭合压力；通过岩心200的人工切割裂缝内设有支撑剂与回流孔14可真实模拟并实现支撑剂与压裂液从岩心200中回流，从而确定支撑剂回流量与压裂液返排量；可通过调节回流装置4的回流开度(回流孔14的开度)可模拟不同放喷油嘴嘴径(在本发明中为模拟油嘴41的孔径)，实现压裂后返排过程中不同孔径的模拟油嘴41对压裂液和支撑剂回流影响的模拟。

在本实施例中，所述回流装置4包括模拟油嘴41以及模拟井筒，模拟油嘴41安装至所述回流孔14，所述模拟油嘴41上设有用于控制所述模拟油嘴41开度的孔眼开关；模拟井筒安装在所述模拟油嘴41上且与所述模拟油嘴41连通。由于孔眼开关可以调节模拟油嘴41的开度，以此控制回流开度，模拟不同的模拟油嘴41的开度对压裂液和支撑剂回流影响的模拟。优选地，安装时模拟井筒朝上设置，模拟油嘴41水平设置，如此，可以在模拟井筒内

为了使模拟油嘴41与回流孔14连接简单而可靠，所述模拟油嘴41的外表面设有外螺纹，所述回流孔14内设有与所述外螺纹螺接配合的内螺纹。

(实验方法)

本发明提出一种用于确定气井压裂返排时机与支撑剂压裂液回流量的物模实验方法，采用上述用于确定气井压裂返排时机与支撑剂压裂液回流量的物模实验装置，该用于确定气井压裂返排时机与支撑剂压裂液回流量的物模实验方法包括如下步骤：

步骤S210，将裂缝处设有支撑剂的岩心200安置于所述内部容腔11内，调节所述加压装置的压力值固定所述岩心200。

实验中岩心200可以根据具体要求(包括岩心200的岩性、渗透率以及孔隙度)选择，可以选择不同岩性、不同渗透率以及不同孔隙度的岩心200按所需裂缝形态对岩心200进行切割。

其中，所述步骤S210中所述裂缝处设有支撑剂，可以是在人工切割裂缝后，在切割面铺置支撑剂，其中支撑剂的铺置浓度、支撑剂粒径可以根据具体实验设计确定。

在具体实施时，将岩心200闭合后放入内部容腔11内并用加压装置对岩心200提供闭合压力。

在岩心200的裂缝处设置支撑剂，便于确定气井压裂返排时机与支撑剂和压裂液回流量，进而便于研究产气速度对返排时机的影响及合理的压裂反排制度。

优选地，所述岩心200是通过人工切割裂缝，并在所述人工切割裂缝的切割面铺设所述支撑剂。通过对岩心200进行人工切割，可模拟不同的裂缝形态，实现不同裂缝形态对压裂后返排的影响。

步骤S220，从进液口12泵入压裂液，待所述进液口12的压力升至目标压力时，停泵并记录压裂液量，关闭所述进液口12。

其中，所述步骤S220中，所述待所述进液口12的压力升至目标压力中，所述目标压力为实验设计确定的压力，该压力也可以认为是压裂停泵压力，在达到压裂停泵压力后停泵并记录压裂液量。

优选地，在步骤S220和步骤S210之间，还包括：

将内部容腔11内的空气排出后，封闭所述内部容腔11。

在具体实施时，所述将内部容腔11内的空气排出后，封闭所述内部容腔11的步骤包括：打开所述进出口13，从所述进液口12泵入清水，以将内部容腔11内的空气排出，关闭所述进出口13。

在打开所述进出口13，从所述进液口12泵入清水时，此时，所述岩心200的裂缝内设有支撑剂，在所述岩心200安装至所述内部容腔11后，压裂液经过进液口12流入所述内部容腔11后，仅能通过所述岩心200内的裂缝流至所述进出口13。

具体的，为了保证压裂液经过进液口12流入所述内部容腔11后，仅能通过所述岩心200内的裂缝流至所述进出口13，在所述岩心200置于所述内部容腔11后，所述岩心200与所述内部容腔11的内壁之间紧配合，以使压裂液经过进液口12流入所述内部容腔11后，仅能通过所述岩心200内的裂缝流至所述进出口13。如此，压裂液在进液口12流入所述内部容腔11后，不能直接流出至所述进出口13而必须经过岩心200内的裂缝，提高实验效果。

步骤S230，保持所述进液口12、进出口13、回流孔14关闭，观察所述岩心200的主裂缝压力变化，以模拟裂缝自然闭合状态；

通过进液口12、进出口13、回流孔14关闭时间模拟压后自然闭合时间。

在具体实施时，回流孔14的开闭是通过回流装置4的开度，具体是通过模拟油嘴41的开度来调节的。

步骤S240，开启所述气体注入装置并向所述进出口13内注入气体，同时开启所述回流装置4，记录主裂缝压力变化、压裂液返排量、支撑剂排出量。

在执行步骤S240前通常需要裂缝自然闭合状态保持一段时间，可以是0min，10min，20min，30min……，具体时间根据具体需要确定，在此不做限制。

在开启所述气体注入装置并向所述进出口13内注入气体，内部容腔11中将被注入气体，开启回流装置4，此时岩心200进入裂缝强制闭合状态。

通过总压裂液的注入量，结合步骤S240中记录的压裂液返排量计算返排率与压裂液滤失量，再结合压裂液滤失量与支撑剂排出量可确定最佳返排时机与返排制度。根据本发明提供的上述内容，可以模拟不同储层物性、压裂停泵压力、围压、裂缝形态、支撑剂粒径、压裂液粘度、放喷油嘴嘴径、储层产气速度时的返排过程。

以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明，应当理解，以下实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例气井压后返排物模实验方法

(1)准备阶段：准备实验所需岩心200，岩心200可根据实验要求选择不同岩性、不同渗透率、不同孔隙度，按所需裂缝形态对岩心200进行切割；

(2)在切割后岩心200切割面铺置支撑剂(根据实验设计确定铺置浓度、支撑剂粒径)，闭合岩心200并将其放入内部容腔11中，通过第一端盖2和第二端盖3关闭进液口12和进出口13；

(3)将中间容器中装入清水，设置加压装置的压力以调节岩心200受到的闭合压力，打开进液口12、进出口13，在进液口12泵入2PV清水，从而排出内部容腔11内的空气，而后关闭进出口13；

(4)再次开泵，泵入压裂液，观察进液口12压力变化，待压力升至实验设计压力后(该压力可认为是压裂停泵压力)，停泵，记录泵入压裂液量，并关闭进液口12；

(5)保持进液口12、进出口13、回流孔14关闭，观察主裂缝压力变化，模拟裂缝自然闭合状态；

(6)关闭一定时间后(0min，10min，20min，30min，……)，在进出口13处安装气体注入装置，向内部容腔11中注入气体，打开回流孔14，此时进入裂缝强制闭合阶段，记录主裂缝压力变化、压裂液返排量、支撑剂排出量。

(7)通过总压裂液的注入量，结合(6)中记录的压裂液返排量计算返排率与压裂液滤失量，再结合压裂液滤失量与支撑剂排出量可确定最佳返排时机与返排制度。

下面将结合具体实例来详细说明。

例1

模拟气井压裂后不同返排时机下，支撑剂回流量与压裂液回流率。

S1，准备实验所需相同岩性、渗透率、孔隙度岩心200取3块，标记为1号岩心200、2号岩心200以及3号岩心200，按图4单一裂缝对岩心200进行切割；

S2，在切割后的岩心200的切割面铺置相同浓度、相同粒径支撑剂，闭合1号岩心200并将其放入内部容腔11中，关闭进液口12和进出口13；

S3，将中间容器中装入清水，设置加压装置的压力以调节岩心200受到的闭合压力，打开系统进液口12、进出口13，泵入2PV清水，从而排出内部容腔11内空气，而后关闭进出口13；

S4，再次开泵，泵入压裂液，观察进液口12压力变化，待压力升至实验设计压力后(该压力可认为是压裂停泵压力)，停泵，记录泵入压裂液量，并关闭系统进液口12；

S5，保持进液口12、进出口13、回流孔14关闭，观察主裂缝压力变化，模拟裂缝自然闭合状态；

S6，保持进液口12、进出口13、回流孔14关闭10min后，在进出口13处安装气体注入装置，向内部容腔11中注入气体，打开回流孔14，此时进入裂缝强制闭合阶段，记录主裂缝压力变化、压裂液返排量、支撑剂排出量；

S7，取2号岩心200，对2号岩心200重复步骤S2-S5，保持进液口12、进出口13、回流孔14关闭30min后，在进出口13处安装气体注入装置，向内部容腔11中注入气体，打开回流孔14，此时进入裂缝强制闭合阶段，记录主裂缝压力变化、压裂液排出量、支撑剂排出量；

S8，取3号岩心200，重复步骤2-5，保持进液口12、进出口13、回流孔14关闭直至观察到测压点处压力等于裂缝闭合压力(即内部容腔11加压装置对岩心200提供的压力)，在进出口13处安装气体注入装置，向内部容腔11中注入气体，打开回流孔14，此时进入裂缝强制闭合阶段，记录主裂缝压力变化、压裂液返排量、支撑剂排出量；

S9，对比分析步骤S6、S7、S8中所获取的压裂液返排量、支撑剂排出量确定气井压裂后不同返排时机下支撑剂回流量与压裂液回流率，分析过早返排与滞后返排对压裂改造的影响，从而获取最佳返排时机。

例2

模拟气井压裂后采用不同孔径的模拟油嘴41(回流孔14的开度)时，支撑剂回流量与压裂液回流率。

S1，准备实验所需相同岩性、渗透率、孔隙度岩心200取3块，按图4单一裂缝对岩心200进行切割；

S2，安装孔径为1mm的含外螺纹的模拟油嘴41(此时回流孔14的最大开度为1mm)；

S3，在切割后岩心200切割面铺置相同浓度、相同粒径支撑剂，闭合1号岩心200并将其放入内部容腔11中，关闭进液口12和进出口13；

S4，将中间容器中装入清水，设置内部容腔11闭合压力，打开进液口12、进出口13，泵入2PV清水，从而排出内部容腔11内空气，而后关闭进出口13；

S5，再次开泵，泵入压裂液，观察进液口12压力变化，待压力升至实验设计压力后(该压力可认为是压裂停泵压力)，停泵，记录泵入压裂液量，并关闭系统进液口12；

S6，保持进液口12、进出口13、回流孔14关闭，观察主裂缝压力变化，模拟裂缝自然闭合状态；

S7，保持进液口12、进出口13、回流孔14关闭直至观察到测压点处压力等于裂缝闭合压力(即加压装置对岩心200提供的压力内部容腔11)，在进出口13处安装气体注入装置，向内部容腔11中注入气体，打开回流孔14，此时进入裂缝强制闭合阶段，记录主裂缝压力变化、压裂液返排量、支撑剂排出量；

S8，安装孔径为2mm的含外螺纹模拟油嘴41(此时回流孔14的最大开度为2mm)，重复步骤S3-S7，获得压裂液排出量、支撑剂排出量；

S9，安装孔径为3mm的含外螺纹模拟油嘴41(此时回流孔14的最大开度为3mm)，重复步骤S3-S7，获得压裂液排出量、支撑剂排出量；

S10，对比分析步骤S7、S8、S9中所获取的压裂液返排量、支撑剂排出量确定气井压裂后不同孔径的模拟油嘴41下，支撑剂回流量与压裂液回流率，从而确定最佳孔径的模拟油嘴41。

在本例中是直接通过更换不同孔径的模拟油嘴41，在其他实施例中也可以通过改变模拟油嘴41的开度，确定最佳开度的模拟油嘴41。

图5示出了岩心在切割形成组合裂缝时的局部示意图，由于原理和上述实例相同，在此并未举例说明。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。