专利名称：定向射孔与压裂裂缝转向规律的实验方法
技术领域：
本发明涉及石油开采领域，具体而言，涉及水力压裂技术，用于研究岩石在三向应力状态下定向射孔与压裂裂缝转向规律的方法，即定向射孔与压裂裂缝转向研究的实验方法。
背景技术：
目前研究定向射孔与压裂裂缝转向研究的实验方法的主要步骤如下1.浇铸水泥试件(0.3m立方体)，浇铸前预先埋下铁管、纸卷分别代替井筒和射孔段；2.将试件放入加载器中，通过三个油压千斤顶分别在三个方向加压，模拟地层状态下的三向应力；3.用高压泵对试件进行高压注入，压开试件形成裂缝；4.观察射孔方向与裂缝方位的关系。这种方法主要有以下局限
只能用水泥浇铸试验，与在真实的岩芯条件下进行试验差异较大，影响试验可信度，此外，压裂参数与矿场条件差异也较大；试件尺寸较小，裂缝延伸快速达到边界，难以充分观察压裂裂缝转向过程，不利于转向规律的研究。

发明内容
本发明提供一种定向射孔与压裂裂缝转向研究的实验方法，以解决现有的实验用水泥浇铸试验，与在真实的岩芯条件下进行试验差异较大，影响试验可信度的问题。此外，本发明还能解决试件尺寸较小，裂缝延伸快速达到边界，不利于压裂研究的问题。为此，本发明提出一种定向射孔与压裂裂缝转向研究的实验方法，所述实验方法包括以下步骤:A、采用边长大于等于Im的岩心露头立方体制作试件，B、然后将所述试件设置在三轴应力加载装置中，在三轴应力加载的条件下，先后对所述试件进行定向射孔和压裂，C、压裂后剖析所述试件。进一步地，所述岩心露头立方体的边长为I. 5米。进一步地，所述步骤A包括在所述岩心露头立方体的顶面中间钻孔，装入套管，进行水泥固井。进一步地，所述三轴应力加载装置包括通过铸造形成的6个具有正方形支撑面的支撑框架，相邻所述支撑框架之间采用销轴连接固定，6个所述支撑框架形成包围所述岩心露头立方体的空间，所述岩心露头立方体位于所述空间中。进一步地，6个所述支撑框架分别为顶面的支撑框架、底面的支撑框架和四个侧面的支撑框架，所述四个侧面的支撑框架包括第一侧面支撑框架和第二侧面支撑框架，第一侧面支撑框架位于第一侧面，第二侧面支撑框架位于第二侧面，所述第一侧面与所述第二侧面相邻并相交；所述底面的支撑框架、所述第一侧面支撑框架和所述第二侧面支撑框架上分别设有千斤顶以及与所述千斤顶连接的推压所述试件的推板；通过从所述底面、所述第一侧面和所述第二侧面这三个方向分别向所述岩心露头立方体加压以实现三轴应力加载。进一步地，所述底面的支撑框架、所述第一侧面支撑框架和所述第二侧面支撑框架的千斤顶分别单独控制加压。进一步地，在套管内下入水力喷射器实现定向射孔和压裂联作，所述步骤B中，通过下入水力喷射器实现定向射孔。进一步地，所述步骤B中，对所述试件进行喷砂射孔10分钟以实现定向射孔，之后关闭套管闸门对所述试件进行压裂，压裂采用2000型压裂机组2至6套，压裂排量2. Om3/min0所述步骤B中，所述三轴应力加载为所述底面的支撑框架的千斤顶加压到50Mpa、所述第一侧面支撑框架的千斤顶加压到25MPa以及所述第二侧面支撑框架的千斤 顶加压到40MPa。本发明采用了岩心露头立方体作为试件进行三轴应力加载模拟定向射孔与压裂裂缝转向研究试验，试件与现场条件相同，试验可信度高，能够充分模拟和接近现场条件。进而，本发明采用边长大于等于Im的岩心露头立方体作为试件，裂缝延伸达到边界的过程得以延长，因而获得了充分观察压裂裂缝转向过程的空间和时间，有利于转向规律的研究。进而，本发明在三个加压方向施加不同的压力，充分模拟了实际地质条件。进而，本发明采用与现场施工一致的井下工具、井筒结构、压裂机组、定向射孔参数进行地面模拟试验，与矿场实际更为接近，实验结果更加准确可靠。通过真实地模拟定向射孔、三轴应力、矿场压裂等条件，验证了定向射孔可以强制初始压裂裂缝转向，从而形成偏离且最终平行最大主应力的裂缝。


图I为根据本发明实施例的不带千斤顶的底面的支撑框架的立体结构示意图；图2为根据本发明实施例的带千斤顶的底面的支撑框架的立体结构示意图；图3为根据本发明实施例的组装了底面的支撑框架、第一侧面支撑框架和第二侧面支撑框架的三轴应力加载装置的结构示意图；图4图3中各支撑框架均安装好千斤顶的结构示意图；图5为图3又组装了其余两个侧面的支撑框架的结构示意图；图6为图5又组装了顶面的支撑框架的结构示意图；图7为图6又安装了试件的套管法兰的结构示意图；图8为图6中只保留顶面的支撑框架和试件的结构示意图。附图标号说明I、支架2、推板3、千斤顶4、连接凸耳5、连接孔10、底面的支撑框架20、第一侧面支撑框架30、第二侧面支撑框架40、顶面的支撑框架50、第三侧面支撑框架60、第四侧面支撑框架70、岩心露头立方体75、套管77、法兰
具体实施例方式为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照

本发明的具体实施方式
。本发明提出一种定向射孔与压裂裂缝转向研究的实验方法，所述实验方法包括
采用边长大于等于Im的岩心露头立方体作为试件并制作试件，然后在三轴(相互垂直的三个轴或三个方向)应力加载的条件下，先后进行定向射孔和压裂，然后剖析所述试件，研究射孔方向与裂缝方位的关系。岩心露头是通过从矿场采集而来，采来后，切割成立方体，修整表面，控制表面精度。岩心露头立方体大于等于Im主要是考虑到压裂裂缝转向的半径和距离，通常，压裂裂缝转向的半径和距离在0.5米以上，如果试件太小，则难以得到有效的观察和数据。当然，从研究观察的角度来说，岩心露头越大越好，越接近实际的地质条件，但如果体积过大，则需要很大的压力和装置对试件施力，以模拟三轴应力下的受力状态，这会增加装置和施工的复杂性和施力的难度，有可能使得试件不能达到实际地质条件下的受力状态。较佳的，所述岩心露头立方体的边长为I. 5米，这样，兼顾了研究观察与施工两方面。进一步地，制作试件包括在所述岩心露头立方体的顶面中间钻孔，装入套管，进行水泥固井，以达到与现场施工一致的井筒结构。进一步地，所述三轴应力加载装置包括通过铸造形成的6个具有正方形支撑面的支撑框架，相邻所述支撑框架之间采用销轴连接固定，6个所述支撑框架形成包围所述岩心露头立方体的空间，所述岩心露头立方体位于所述空间中。这样，通过支撑框架将岩心露头立方体稳固的固定起来，以对岩心露头立方体进行三轴应力加载。支撑框架为起夹持和支撑作用的板状结构或支架结构或框架结构，支撑框架一方面起到支撑作用，为千斤顶提供支撑，另一方面允许千斤顶的液压管线穿过，从面对推板加压。支撑框架由铸造制成，不怕实验过程中的磕碰，耐磨损，承载能力强。进一步地，如图6所示，6个所述支撑框架分别为顶面的支撑框架40、底面的支撑框架10和四个侧面的支撑框架，所述四个侧面的支撑框架包括第一侧面支撑框架20、第二侧面支撑框架30、第三侧面支撑框架50和第四侧面支撑框架60，第一侧面支撑框架位于第一侧面，第二侧面支撑框架位于第二侧面，所述第一侧面与所述第二侧面相邻并相交，第一侧面支撑框架20和垂直相交第二侧面支撑框架30 ；其中，所述底面的支撑框架10、所述第一侧面支撑框架20和所述第二侧面支撑框架30上分别设有千斤顶3以及与所述千斤顶连接的推板2 ;如图5所示，通过从所述底面、所述第一侧面和所述第二侧面这三个方向分别向所述岩心露头立方体加压，即从三个相互垂直的方向加压，模拟三轴应力。如图I至图8所示，所述底面的支撑框架10、所述第一侧面支撑框架20和所述第二侧面支撑框架30的结构相同，以底面的支撑框架10为例，如图I所示，整个底面的支撑框架10为铸造制成，底面的支撑框架10设有支架I、设置在支架I上的千斤顶3和与千斤顶3连接并受千斤顶3推动的推板2，千斤顶2通过液压管线与加压控制器等部件连接，支架I可以为板状或具有孔洞结构的框架，既能减轻重量，而且便于液压管线从支架I的外部穿过支架I与支架I上的千斤顶3连接。推板2直接与岩心露头立方体70的表面接触。通过千斤顶可以提供实验所需的巨大的三轴应力加载。为了达到加载的需要，本发明在这三个面的每个面上分别加载9支千斤顶，用来加压，模拟三轴应力。单个千斤顶的最大加载力为320吨,最大行程100毫米,液压系统最高工作压力63兆帕。
如图6所示，对于第三侧面支撑框架50和第四侧面支撑框架60，以及顶面的支撑框架40，它们的结构除了没有千斤顶和推板之外，其余结构都相同，都具有方形的支架1，在方形的支架I的每个边上都设有片状或块状的连接凸耳4，相邻两片连接凸耳4的间距d等于单件连接凸耳4的厚度，以使得相邻的所述各支撑框架之间通过连接凸耳4形成插接，如图5所示，6个支撑框架形成容纳岩心露头立方体70的空间。连接凸耳4中设有连接孔5，各个连接凸耳4中的连接孔5形成直孔，以便穿设销轴，连接各支撑框架。如图7和图8所示，顶面的支撑框架40还设有套管75穿出的安装孔，以便在顶面的支撑框架40之外对套管75安装法兰77和射孔等试验。进一步地，所述底面的支撑框架10、所述第一侧面支撑框架20和所述第二侧面支撑框架的千斤顶30分别单独控制加压。在实际地质条件下，试件的三轴应力或三个相互垂直方向上的应力是不同的，本发明分别控制三个面上的千斤顶的加压，以便能够使岩心露头立方体做到与实际地质条件相同的应力状态。较佳的，所述底面的支撑框架的千斤顶加压到50Mpa、所述第一侧面支撑框架的千斤顶加压到25MPa以及所述第二侧面支撑框架的 千斤顶加压到40MPa，这个比例就是试件在现场的实际的应力状态，此时，加载到试件表面的垂向和水平应力分别达到9MPa、6MPa、3MPa，应力达到目标值，使实验在应力状态方面与现场条件一致。进一步地，在套管内下入水力喷射器实现定向射孔和压裂联作，通过下入水力喷射器在岩心露头立方体实现定向射孔，所述水力喷射器安装6支喷嘴，相位角180°，每侧3支。这种定向射孔方式和参数与现场条件完全相同。进一步地，进行喷砂射孔10分钟，之后关闭套管闸门进行岩心露头立方体的压裂，压裂采用2000型压裂机组2至6套(台)，压裂排量2. 0m3/min。压裂方式和参数与现场条件完全相同。压裂结束后，将试件从支撑框架中取出，用金刚石绳锯机、手持圆盘锯和冲击气锤等对试件的完整解剖。然后实测裂缝转向距离，研究其与定向射孔角度、加载的应力差等之间的规律。下面描述一个具体的实施例I.试件制作采集规格1500X1500X1500mm立方体岩样作为试件。在中心位置钻凿出直径240mm、高1500mm的通孔，装入51//’套管，然后进行水泥固井。2.试件安装先安装4片支撑框架，其中包括底面和三个侧面的支撑框架，并分别在三个相互垂直的方向上安装加载液缸组(共27个千斤顶)，然后用吊车把试件吊放在底座上，之后安装其余的两片支撑框架，最后安装井口法兰。6个支撑框架之间用销轴连接。如图3所示，先将所述底面的支撑框架10、所述第一侧面支撑框架20和所述第二侧面支撑框架30按图3安装到位，将千斤顶3和推板2安装在底面的支撑框架10上，然后再如图4所示安装第一侧面支撑框架20和所述第二侧面支撑框架30的千斤顶和推板，然后如图5所示，用吊车把岩心露头立方体70吊放在底面的支撑框架10的推板上，然后如图6所示，将顶面的支撑框架40盖在岩心露头立方体70上面，其中，各支撑框架之间采用销轴连接固定。3.加压控制系统
连接千斤顶和加压控制器，每个千斤顶单独控制加压，在三个面上分别加载9支千斤顶，用来加压，模拟三轴应力。4.定向射孔和压裂管柱在套管内下入水力喷射器实现定向射孔和压裂联作。喷射器安装6支喷嘴，相位角180°，每侧3支。5.水力压裂采用2000型压裂机组3套，压裂排量2. OmVmin进行喷砂射孔10分钟，之后关闭套管闸门进行压裂，试件瞬间起裂。6.试件切割压裂结束后，将试件从支撑框架中取出，用金刚石绳锯机、手持圆盘锯和冲击气锤 等对靶件的完整解剖。7.试验观测实测裂缝转向距离，研究其与定向射孔角度、加载的应力差等之间的规律。以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式
，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
权利要求
1.一种定向射孔与压裂裂缝转向研究的实验方法，所述实验方法包括以下步骤A、采用边长大于等于Im的岩心露头立方体制作试件，B、然后将所述试件设置在三轴应力加载装置中，在三轴应力加载的条件下，先后对所述试件进行定向射孔和压裂，C、压裂后剖析所述试件。
2.如权利要求I所述的实验方法，其特征在于，所述岩心露头立方体的边长为I.5米。
3.如权利要求I所述的实验方法，其特征在于，所述步骤A包括在所述岩心露头立方体的顶面中间钻孔，然后装入套管，然后进行水泥固井。
4.如权利要求I所述的实验方法，其特征在于，所述三轴应力加载装置包括通过铸造形成的6个具有正方形支撑面的支撑框架，相邻所述支撑框架之间采用销轴连接固定，6个所述支撑框架形成包围所述岩心露头立方体的空间，所述岩心露头立方体位于所述空间中。
5.如权利要求4所述的实验方法，其特征在于，6个所述支撑框架分别为顶面的支撑框架、底面的支撑框架和四个侧面的支撑框架，所述四个侧面的支撑框架包括第一侧面支撑框架和第二侧面支撑框架，第一侧面支撑框架位于第一侧面，第二侧面支撑框架位于第二侧面，所述第一侧面与所述第二侧面相邻并相交； 所述底面的支撑框架、所述第一侧面支撑框架和所述第二侧面支撑框架上分别设有千斤顶以及与所述千斤顶连接的推压所述试件的推板；通过从所述底面、所述第一侧面和所述第二侧面这三个方向分别向所述岩心露头立方体加压以实现三轴应力加载。
6.如权利要求5所述的实验方法，其特征在于，所述底面的支撑框架、所述第一侧面支撑框架和所述第二侧面支撑框架的千斤顶分别单独控制加压。
7.如权利要求3所述的实验方法，其特征在于，所述步骤B中，通过在套管内下入水力喷射器实现定向射孔。
8.如权利要求3所述的实验方法，其特征在于，所述步骤B中，对所述试件进行喷砂射孔10分钟以实现定向射孔，之后关闭套管闸门对所述试件进行压裂，压裂采用2000型压裂机组2至6套，压裂排量2. 0m3/min。
9.如权利要求8所述的实验方法，其特征在于，所述步骤B中，所述三轴应力加载为所述底面的支撑框架的千斤顶加压到50Mpa、所述第一侧面支撑框架的千斤顶加压到25MPa以及所述第二侧面支撑框架的千斤顶加压到40MPa。
全文摘要
本发明提出一种定向射孔与压裂裂缝转向研究的实验方法，所述实验方法包括以下步骤A、采用边长大于等于1m的岩心露头立方体制作试件，B、然后将所述试件设置在三轴应力加载装置中，在三轴应力加载的条件下，先后对所述试件进行定向射孔和压裂，C、压裂后剖析所述试件。本发明的试验结果更加可靠，方便观测裂缝延伸规律。
文档编号G01N33/24GK102778552SQ20121027230
公开日2012年11月14日 申请日期2012年8月1日 优先权日2012年8月1日
发明者刘顺, 唐梅荣, 徐创超, 曹宗熊, 李宪文, 樊凤玲, 王广涛, 王文雄, 赵振峰, 马兵 申请人:中国石油天然气股份有限公司