微型水力压裂模拟教学实验装置开发

郭天魁, 雷　鑫, 李明忠, 曲占庆

(1. 中国石油大学(华东) 石油工程学院, 山东 青岛　266580；2. 西安石油大学 石油工程学院, 陕西 西安　710065)



微型水力压裂模拟教学实验装置开发

郭天魁1, 雷鑫2, 李明忠1, 曲占庆1

(1. 中国石油大学(华东) 石油工程学院, 山东 青岛266580；2. 西安石油大学 石油工程学院, 陕西 西安710065)

为有效实施基于CDIO工程教育模式的微型项目驱动教学法,参考国内科研用大型真三轴水力压裂模拟实验装置结构,设计了一种微型水力压裂模拟教学实验装置。该装置具有微型化、结构紧凑、节省实验经费、实验操作简便安全的特点,不仅适用于学生实验课堂的实践操作,激发学生兴趣,提高水力压裂实验的教学效果,同时可方便精确地开展页岩等非常规储层岩心的体积压裂模拟科研实验。

实验装置； 水力压裂； CDIO； 实验教学

水力压裂技术是目前我国油气田开发最为重要的一项增产增注技术,也是非常规油气开发的核心技术。为深入理解水力压裂裂缝扩展机理,有效提高水力压裂效果,目前国内外部分相关高校及科研院所相继投入大量人力物力建立了大型真三轴水力压裂模拟装置[1-3],开展大物模实验。该类型实验具有工作量繁重、操作步骤复杂、实验周期长、高危险的特点,目前主要用于必要的科研,难以为学生开展有效的实验教学。

为有效实施基于CDIO工程教育模式的微型项目驱动教学法[4-5],培养学生的工程实践和创新能力,参考国内科研用几种大型真三轴水力压裂模拟实验装置,研发了一套微型水力压裂模拟教学实验装置[6-7]。实践证明该装置不仅能够有效地提高实验教学效果,激发学生科研兴趣,提升石油工程专业学生的工程实践和创新能力[8-11],而且可方便精确地开展页岩等非常规储层岩心的体积压裂模拟科研实验[12-13]。对于探索石油工程大型装备开展实验教学的途径具有一定的借鉴意义。

1　实验装置

1.1大型真三轴水力压裂模拟实验装置

目前,国内开展水力压裂裂缝起裂扩展机理研究所用的大型真三轴水力压裂模拟实验装置主要有如图1中所示的(a)、(b)和(c)3种,其中(a)与(b)结构基本相似,装置主要由大尺寸真三轴实验架、MTS伺服增压泵、稳压源、数据采集系统、油水隔离器及其他辅助装置组成(见图2)。采用该类型装置开展实验的步骤:

(1) 制备岩心试件。通常为人造岩心或是野外露头,尺寸一般为30 cm3～1 m3的正方体试件。若为人造岩心,需按照实际储层岩心的物理力学特性,调试配方,加工成型,使两者物性尽可能接近。野外露头通常更加接近实际储层岩心,但需经过区位选取、挖掘开采、运输、切割加工成型、模拟井筒钻取，以及钢质注液管与井壁胶结等几道复杂工序,将耗费大量人力物力。

(2) 将已经制作好的试验岩样进行标记、拍照,然后通过吊装设备将其放入真三轴试验架内。

(3) 如果装置具备声发射定位测试系统,可布设声发射定位探头,准备声发射数据采集及定位分析。但大量实验证明,由于试件尺寸较大,压裂裂缝的声发射定位效果都不太理想,尤其是用于开展体积压裂的页岩等非常规储层岩心。

(4) 通过吊装设备将不同厚度的钢板依次放入真三轴试验架内,与岩心试件装配好,然后吊装设备顶盖,操作会耗费大量人力和时间。对于密封的模拟试件逐渐施加三向应力直至额定值,通过油泵进行加压,施加压力时同步进行,保证岩石试样受力均匀。

(5) 围压达到实验要求后,保持压力状态不变,通过平流泵进行注液压裂,压裂液中可加入红墨水,目的是为了压裂后方便裂缝观察。

(6) 观察压力随时间变化的曲线,做好记录。

(7) 实验完毕后,先放空平流泵压力,然后缓慢降低所加围压,最后打开上压盖,观察压裂后试样的裂缝形态,再次拍照记录。对于压后呈现缝网形态的岩心,破岩拍照和声发射定位方式效果都不佳,为有效观测,可采用CT扫描方式,但由于试件太大,只能采用高能CT(如IPT4106D直线加速器无损检测系统),但该测试工作耗资巨大。

图1中的设备(c)是目前国产新款装置,其最大亮点在于真三轴模拟压裂试验架的改变,基于可实现大位移伸缩的液压活塞泵,可更加简便地实现岩心试件的取放,省去了吊装设备取放岩心试件、钢板和顶板等繁杂工作,但却需要人工取放岩心试件,此外该三轴压裂试验架所占实验室面积更大。

图1中的设备(d)即本文开发的微型水力压裂模拟教学实验装置。

图1　不同类型真三轴水力压裂物理模拟实验装置

图2　大型水力压裂模拟实验装置结构图

1.2微型真三轴水力压裂模拟实验装置

微型水力压裂实验模拟装置由岩心室、液压泵、压力传感器、中间容器、压力数据采集系统以及恒流泵组成，关键部件是岩心室(真三轴试验架)，如图3所示，外部尺寸为长19 cm、宽19 cm、高16 cm，内部空间尺寸长8 cm、宽8 cm、高10 cm，该装置完全可以借助于石油工程实验室通常都具备的岩心渗透率测试装置的部分组件组装完成。利用高压恒流泵,通过岩心室两侧以及底部的液压活塞推动钢板,在岩样6个表面施加三轴应力,由于横截面积小,单向应力能够轻松达到50 MPa左右,这点优于大型试件的应力加载(通常上限为25 MPa)。同时,在液压活塞推动的2个大插板以及另外2个固定面上的4个小插板上,都留有安装声发射探头的内槽,共计16个,可实现精确声发射定位。

图3　微型水力压裂模拟实验装置设计图

该设备的优点之一是岩心室尺寸适用于稍加处理的实际储层钻取的全直径岩心(直径10 cm)。在研究非常规储层岩心压裂时,为检测天然裂缝的存在,可在压裂前对其进行CT扫描,由于尺寸较小,不需要动用高耗资的高能CT,这点大型试件上无法实现。将岩心加工成尺寸8cm×8cm×10cm的方块。井筒处理方法与大尺寸试件相同,只是由于试件较小,处理更加简便。将处理好的岩心放入岩心室中,连接好管线,对岩心加载实际储层地应力,使得水力压裂裂缝起裂扩展模拟结果更加可靠，然后对其进行注液压裂。在本次实验中,由于岩样的尺寸较小,裂缝扩展速度很快,容易达到边界。因此,实验可选用低注入速率(0.05 mL/min)。为了更好地观测裂缝形态,在压裂液体中可加入红墨水。用仪器记录注入压力的变化,观察破裂压力,整个实验装置结构见图4。达到破裂压力后压力开始下降,持续注液1 min后将岩心取出,切割观察裂缝形态。

图4　微型水力压裂模拟实验装置结构

若实验需要开展声发射监测,如页岩体积压裂,为测量更加精确,可利用美国RITEC RAM-5000 超声测试系统。首先进行标准岩心试件的波速测量,不同方位多次测试求平均值,用于声发射定位的速度模型构建中。声发射定位可选用美国物理声学公司生产的PCI-II声发射系统,探头为NANO型。每一个信号由数字记录,采用8个通道的探头在50 μs内同时超过150 mV的信号时即触发所有的通道接收波形。信号由前置放大器放大40 dB,数据采样率10 MHz,每个通道上声发射信号的初至时间采用RMS自动识取技术自动识取。声发射的定位采用折叠网格方法,然后将16个Nano探头布置在相应位置见图5(a)。在计算机数据采集系统软件上设置参数,并通过断铅信号实验,检查探头是否工作正常。最后,开始岩心水力压裂实验的声发射定位测试,测试时间直到基本无声发射Event点为止。

图5展示了利用该装置开展的普通砂岩水力压裂模拟的声发射定位特征图[14],呈现的参考数据包括:(a)声发射定位图，(b)声发射数频率分布，(c)声发射数累积曲线。由于地应力差较小,且粗砂岩中存在一条天然裂缝,因此压裂后,明显地呈现了一条沿最小水平地应力方向的双翼平面缝和一条沿天然裂缝的单翼平面裂缝。声发射事件有两个相对明显的起跳点(见图5(b)和(c)),分别在2×104s和7×104s附近。从起裂过程看,在2×104s左右时,3条裂缝都已起裂,在7×104s时双翼缝又再次发生了深度开裂。

图5　微型水力压裂模拟实验声发射定位特征

1.3微型与大型真三轴水力压裂模拟实验装置对比

微型与大型真三轴水力压裂模拟实验装置对比见表1。

表1　微型和大型真三轴水力压裂模拟实验装置对比

2　实验教学效果

在开发该设备之前,石油工程专业的学生只能到实验室参观大型真三轴水力压裂模拟实验装置,40 m2的实验室面积难以满足30名学生的观察了解。同时,由于操作复杂、周期长、危险系数高,难以通过实际的实验操作给学生讲解,更加难以实现让学生自己动手操作，使得一些能力较低的学生难以理解相关知识,自觉性较差的学生又不愿参与学习，不利于强化培养学生动手能力和认真细致的科学作风。该微型化装置设计成功后,相同实验室内可安置10～15组实验装置,每2名学生可作为一组开展实验操作。实验课堂上,可有效采取启发式、提问式和讨论式、教师讲授和学生讲授相结合、教师示范和学生演示相结合的方法。不仅有效提高了学生的动手实践能力和对知识点的理解掌握程度,同时激发了学生的科研兴趣,部分学生的建议也有助于该装置实验效果的进一步提升,设备的微型化大大提升了实验教学效果。此外,装置的微型化也使得学生依靠该设备开展大学生创新创业训练计划项目成为可能。与此同时,凭借该设备可利用真实储层岩心,加载实际储层应力值,观察手段丰富,尤其是声发射定位准确的优势。研究生利用该设备对于页岩等非常规储层体积压裂裂缝起裂扩展机理的研究也取得了很大进展,发表了多篇高水平科研论文。该类实验课的有效实施,使得教师的教学能力、水平也获得较大提高,通过教学、教研促进科研,教师的综合业务素质得到增强,形成师生双受益并皆能持续发展的良好局面。

3　结语

针对目前水力压裂模拟实验的重要性和大型真三轴水力压裂模拟实验装置不具备实验教学可操作性的问题,研发了一套微型水力压裂教学实验装置。该装置具有微型化、结构紧凑、节省实验经费、实验操作简便安全的特点。课堂实践证明该装置具备实验教学可操作性,可激发学生科研兴趣,有利于学生对基础理论的综合理解,有效提高了实验教学效果,有利于加强对学生工程实践和创新能力的培养。同时,该装置具有可选用真实地层岩心、三轴应力加载值更高和声发射定位更加精确的优势,适用于开展页岩等非常规储层岩心的体积压裂模拟科研实验。该装置的设计为石油工程大型装备开展实验教学的途径提供了一定的参考价值。

References)

[1] 陈勉,周健,金衍,等. 随机裂缝性储层压裂特征实验研究[J]. 石油学报,2008(3):431-434.

[2] 韩忠英,薛世峰,朱秀星. 缺陷储层重复压裂实验研究[J]. 岩土工程学报,2013(3):567-570.

[3] 衡帅,杨春和,曾义金,等. 页岩水力压裂裂缝形态的试验研究[J]. 岩土工程学报,2014(7):1243-1251.

[4] 朱向庆,胡均万,曾辉,等. CDIO工程教育模式的微型项目驱动教学法研究[J]. 实验技术与管理,2012,29(11):159-162.

[5] 冯梅琳,何学文,罗小燕,等. 基于CDIO理念的测控专业实践教学创新体系[J]. 实验室研究与探索,2014,33(3):180-184.

[6] 张继成. 在化学创新教育中应重视微型实验的研究与应用[J]. 实验技术与管理,2007,24(12):126-128.

[7] 谭亮,杨素芳,马铭,等. 微型分析化学实验教学与“两型社会”观教育[J]. 实验室研究与探索,2012,27(3):116-118.

[8] 何燕春. 特殊教育实验(训)室仪器设备利用率的探索和研究[J]. 实验技术与管理,2013,30(12):225-227,230.

[9] 冯其红,胡伟,战永平,等. 石油工程专业大学生工程实践与创新能力培养途径改革[J]. 实验技术与管理,2012,29(12):16-19.

[10] 万长建. 微型实验室的开放式管理模式探究[J]. 实验室研究与探索,2009,28(11):207-209.

[11] 秦春节,谢林君,郑劲松. 引导学生改造实验室设备和开发实验项目的实践[J]. 实验室研究与探索,2014,33(3):232-234，238.

[12] Guo T K, Zhang S C, Gao J, et al. Experimental study of hydraulic fracturing for shale by stimulated reservoir volume [J]. Fuel,2014,128:373-380.

[13] 张旭,蒋廷学,贾长贵,等. 页岩气储层水力压裂物理模拟试验研究[J]. 石油钻探技术,2013，41(2):70-74.

[14] Guo T K, Zhang S C, Ge H K, et al. A new method for evaluation of fracture network formation capacity of rock [J]. Fuel,2015,140:778-787.

Development of micro teaching experiment apparatus for hydraulic fracturing simulation

Guo Tiankui1, Lei Xin2, Li Mingzhong1, Qu Zhanqing1

(1. College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum, Qingdao 266580,China；2. College of Petroleum Engineering,Xi’an Petroleum University,Xi’an 710065,China)

For the effective implementation of the micro-project driven teaching method with CDIO engineering educational pattern,a miniature hydraulic fracturing simulation teaching experimental apparatus was designed in accordance with the structure of the large-scale real triaxial hydraulic fracturing simulation experimental apparatuses,This apparatus has the characteristics of miniaturization,compact structure,saving experimental expenditure,the easy and safe experimental operation. It can not only apply to the actual operation of students’ experimental classroom, but also stimulate students’ interest and improve teaching effectiveness of hydraulic fracturing experiments. In addition,it can be more convenient and accurate to carry out the research experiments of hydraulic fracturing by stimulated reservoir volume (SRV) for shale and other unconventional reservoir cores. It has a certain reference value for the feasible way exploration of enhancing experimental teaching effect on the large-scale petroleum engineering equipment.

experiment apparatus; hydraulic fracturing; CDIO; experimental teaching

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.024

2015-12-25修改日期：2016-01-21

国家自然科学基金青年基金项目(51404288)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(15CX02012A)；中国石油大学(华东)校级教学改革项目(YK201402)

郭天魁(1984—)，男，山东寿光，博士，副教授，主要从事采油工程理论与技术的教学与研究工作.

E-mail：guotiankui@126.com

TE357.1；G484

A

1002-4956(2016)6-0089-05