水力压裂物模实验系统改进实践与研究生创新能力培养

侯冰

[摘要]国外石油工程院校在开展实验教学和科研实验时，重点引导研究生在操作实验系统的过程中改进实验系统，创新设计和研发实验系统结构和辅助装置，以满足科研和教学需要。作者近年来通过给研究生介绍非常规储层水力压裂技术进展，详解水力压裂实验原理，并结合机械、材料和计算机等综合知识，指导研究生逐渐改进室内水力压裂物模实验系统，增强了研究生主动思考和设计能力，提高了研究生对水力压裂物模实验系统的创新改造和研发能力。

[关键词]石油工程院校;水力压裂;实验教学;实验系统;研究生培养;创新能力

[中图分类号]G643 [文献标识码]A [文章编号] 2095—3437（2021）01—0040—04

欧美国家的石油工程院校极为重视实验教学工作，在开展科研和教学时把实验室作为逐渐培养研究生改进实验系统创新能力的重要平台。从我国高校众多创新发展资源平台来看，目前国内高校实验室完全具备优质的教学指导条伴，能够为大学生创新创业提供更加优质的服务。教育部教学质量工程建设提出将实验室开放作为实验教学示范中心建设的重要指标，推动高校实验教学工作的研究和改革，并加强实验室开放运行、提高学生实验的自主性、加快实验教学工作质量和水平提高的步伐。随着高校实验教学改革的深入和产学研的结合，实验教学重在培养学生的实践思考能力，使学生能够主动探索、细致分析最终顺利解决问题;在实验室平台建设上，已经建立了高校实验室协同创新平台，集中优势力量，通过沟通协调，实现密切合作、引领创新。同时，越来越多的高校重视实验设备的改进，并在实践课中展现工程思想，改进實验系统的功能，提高学生的创新意识，将学生培养成满足社会需求的卓越工程师。在国家重大课题和重点实验室建设的支持下，高校和科研院所近些年已经采购了大量国外先进的实验仪器和设备，尤其是大型实验设备的先进程度已经超过国外高校。但是，针对工程学科的一些特殊实验系统和装置的研发能力我们还远远落后于欧美国家的高水平院校，这主要是由于我们开展实验教学时让学生以观察为主，学生动手操作能力欠缺;重点介绍实验功能，缺少原理介绍，学生知其然但不知其所以然;强调降低实验失败次数，缺少问题思考，降低了学生的想象力和创造力。因此，本文以室内真三轴水力压裂物模实验系统为例，介绍教师在开展实验研究时如何结合工程技术的革新，引导研究生改进水力压裂物模实验系统，创新设计和研发水力压裂物模实验系统的结构和相关辅助设备，以满足科研和教学需要。

一、室内真三轴水力压裂物模实验系统

我国的页岩油气、煤层气、致密油气等非常规油气藏分布广泛，高效开发此类油气藏是石油工业长期关注的焦点。非常规油气藏具有低孔低渗的特点，高效开发此类非常规油气藏需要大规模的水力压裂作业，其目的是在储层形成具有高导流能力的多条甚至网状裂缝，从而改善油气运移条件。

室内模拟水力压裂实验系统是中国石油大学（北京）岩石力学实验室设计组建的一套大尺寸真三轴模拟实验系统。模拟压裂实验系统由以下几部分组成，分别是大尺寸真三轴实验架、数据采集系统、油水隔离器稳压源、MTS伺服增压泵及其他辅助装置，见图1。

实验架向试样的侧面施加刚性载荷采用的是扁千斤，依据水力压裂特点，为模拟产层和上、下隔层的地应力在其中的一个水平方向上采用三对扁千斤，为模拟垂向地应力和最大水平地应力则在其他两个方向各放置一对扁千斤。扁千斤由多通道稳压源提供液压，可分别控制各通道的压力大小，其压力可达27MPa。

实验者在模拟水力压裂实验系统中向模拟井眼泵注入高压液体时采用MTS伺服增压泵和油水分隔器。实验过程中采集系统由液压油记录压裂液压力、排量等参数以及MTS伺服增压泵的工作介质，因此，当压裂液是水或其他介质时，设置一个油水隔离器在管路上，将压裂液与MTS的工作介质分隔开，能够满足模拟水力压裂实验的要求。

二、水力压裂物模实验系统的创新改进

岩石力学室内水力压裂物模实验系统是可以模拟现场真实储层水力压裂改造的有效实验方法，在实践教学中起着至关重要的作用。近些年非常规储层油气资源是全球钻探和开发的焦点，非常规资源都需要采用水平井分段分簇压裂才能提高油气产量，而且水力压裂技术和压裂设备能力逐年提高，因此，教师在开展实验教学时需要让学生充分掌握水力压裂实验的理论和方法，积极引导学生对实验现象和问题进行思考，提高学生对水力压裂物模实验系统进行改造和研发的能力。

（一）水平井多级水力压裂物模实验改进

多级水力压裂是常用于水平井中的一种压裂完井方式，它能在同一储层中的不同位置形成多条水力裂缝，增加非常规油气藏油气泄油体积和减小油气运移的阻力。模拟非常规油气田水平井多级水力压裂的过程，需要对室内实验系统和方法进行改进。该方法是在真三轴水力压裂设备的基础上，改变柔性管线在岩心试样内部的布置方式，对该岩心试样实施多次水力压裂实验。这种方法可以模拟油气田现场的多级水力压裂实施过程，比如模拟单井次序压裂、单井交错压裂以及多井同步压裂。

油田多井同步压裂是指对相邻两个或多个水平井筒同时实施水力压裂的工艺技术，一次压裂一个井段，从而在多井中形成1～n条水力裂缝，如图2所示。

（二）交替注液的水力压裂物模实验改进

我国的页岩气储层具有储层地应力高、层理和天然裂缝发育岩石塑性强等特点，需要通过大规模水力压裂提高缝网扩展规模，目前现场大都是先用胶液造主裂缝再通过大排量注入滑溜水增加水力裂缝扩展规模。

现场实践尽管能达到很好的效果，但是对于胶液与滑溜水交替注入后的裂缝扩展规律缺少室内实验的验证。上述理论及实验研究都是分别针对胶液或者滑溜水来展开的，没有对胶液和滑溜水交替作用的裂缝扩展模式进行研究。

实验者考虑通过研制双油水隔离器装入不同压裂液体，改进水力压裂系统的压力管线注入方式，实现持续高压条件下的交替注液功能（见图3）。实验通过模拟页岩气水平井单级裸眼压裂研究高水平应力差下交替注入滑溜水和胶液后水力裂缝的扩展规律，考察不同注入顺序及交替注入次数对水力裂缝扩展规律的影响，真实模拟在交替注液压裂过程中页岩气储层形成复杂的裂缝网络形态。

（三）加砂压裂物模实验改进

压裂液大致可分为前置液、携砂液和替置液，利用携砂液进一步扩展裂缝，在缝中输送和铺置支撑剂，形成满足设计所要求导流能力和几何形状的支撑剂填充裂缝。以往的实验设备与现场真实的加砂压裂流程不符，這就使得使用单一作用的压裂液开展实验存在缺陷。为解决上述问题，并且提高水力加砂压裂实验结果的可靠性，我们在原有压裂物模实验系统的基础上研发了一套考虑不同泵注阶段的真三轴水力压裂模拟实验装置。

在本实验中，介质容器的前置液通过高压管线进入活塞中部，搅拌器中的携砂液进入活塞上部，各部分之间的空间独立。根据实验要求调配不同的前置液，调配完成后打开介质容器的进液阀门，将前置液灌入，关闭阀门，打开高压气瓶利用气压将前置液压入活塞容器中部。搅拌器有支撑剂注入口和液体注入口，实验时按比例注入，计算机控制调至需要转速及所需搅拌时间，搅拌均匀后利用气压注入活塞容器上部。实践证明该装置能真实模拟现场加砂压裂泵注流程，而且还能够实现整个压裂过程注液排量的精细化控制，提高数据监测的准确度、实时性，保障整个流程完全模拟现场压裂施工泵注流程。这对深入研究不同作用压裂液之间的配比、泵注排量对裂缝扩展行为的影响具有十分重要的意义。

三、研究生创新能力培养方法

我国的石油工程院校在岩石力学领域的实验装置和仪器的先进程度已经超过国外同类院校，但我国的研究生实验教学水平还远落后于国外高水平院校，尤其是在实验设备研发能力、实验研究方法、操作规范性、设备维护和安全性等方面差距较大。这就需要学习国外高水平院校先进的实验教学、研究的理念和方法，提高国内院校对实验环节的重视程度，改进实验教学手段，增强研究生的动手操作和思考能力，产出更多实验研究创新性成果。研究生进入实验室前学习相关实验原理和工程知识，与教师进行交流，查阅文献资料;在开展实验时先要熟悉设备原理，掌握相关辅助仪器的说明书和操作流程，熟悉每个实验环节;实验时在老师的指导下动手操作;实验结束后，与老师一起分析实验结果，提出实验过程中存在的问题，由老师告知现场工程可能遇到的问题，师生共同研究是否需要改进仪器功能或增加辅助设备以满足实验要求。

实验教学是石油工程学科最基本的教学手段之一。石油工程岩石力学实验属于在钻井工程、完井工程、油气田开发、岩石物理等多门学科的重要教学内容。岩石力学实验室的相关实验装置也是围绕上述学科的基础研究进行采购。研究生的岩石力学实验课程如果主要是通过教师讲解实验操作安全规范和流程，让研究生结合教材知识点进行操作和测试相关参数，就不利于研究生对石油工程岩石力学实验理论和方法的综合掌握，没有充分引导研究生对实验现象和问题进行思考，尤其是难以提高研究生对岩石力学实验装置的改造和研发能力。此外，根据工程需求，要围绕现场实际问题进行调研，与现场工程师开展技术交流，结合施工难点设计实验方案，调研国内外实验装置的可行性，形成设备研发思路，制订实验解决方案。鼓励研究生根据校内课程体系对相关学科进行交叉学习，例如石油工程学院的研究生可以选择机械学院的主干课程，旁听重要章节，研究文献，加强自学能力。对于实验室内的小尺度研究需要制定相似准则以满足现场尺度要求。导师需要估计研究生的学习研究基础，同时注意引导研究生掌握设备安全知识和规范操作。此外，还需要要求研究生针对实验装置设计问题学习机械制图和设计，了解钢材选型，查找相关配件采购地点，到加工车间与师傅进行实时交流，探讨仪器设备组合安装存在哪些问题，保证设备运行的可靠性。

四、结束语

实验室重视设备和仪器的研发是高校转型改革的重要途径，我国高校可以把提高研究生的科研创新能力作为本校实验室改革的突破口。石油工程院校加强培养研究生研发岩石力学实验装置的能力，还可以解决研究生科研水平不高、动手能力不强的问题以及毕业生就业结构性矛盾。

应该鼓励工科学生在校期间进行相关重点学科的交叉选课，选修感兴趣的实践应用型课程，不要像修双学位那样选择另一个学科的所有课程。也就是既要培养研究生的研究兴趣和创新能力，又要实现其课程学习的真正减负。

[责任编辑：庞丹丹]