多功能大尺寸真三軸儲層改造實驗裝置的開發與應用

郭天魁，戰永平，朱 丹，齊 寧，陳 銘，曲占慶

（1. 中國石油大學（華東） 石油工程學院，山東 青島 266580；2. 中國石油長慶油田分公司第五采油廠，陜西 西安 710200）

儲層改造技術是目前實現低滲透和非常規油氣藏及地熱資源高效開采的核心技術[1-3]，主要包括水力壓裂、酸化酸壓、高能氣體壓裂、CO2干法壓裂等。儲層改造基礎理論和工藝方法是當前油氣及地熱開發工程領域的研究熱點。大尺寸真三軸儲層壓裂改造物理模擬實驗是開展相關研究的重要手段[4]。該類型實驗裝置是一種大型復雜的實驗系統，國內外相關裝置數量不多，主要用于大尺寸（30 cm×30 cm×30 cm）真三軸水力壓裂物理模擬實驗研究[5-6]。伴隨著儲層改造對象的拓展、工藝的革新和地質條件的復雜化，當前的實驗裝置呈現出功能少（僅能開展水力壓裂研究）、性價比不高（功能少、價格昂貴）、模擬條件有限（試件尺寸小、常溫、圍壓低、無孔壓）、施工參數選擇范圍窄（純液相泵注、排量?。?、檢測手段單一（僅聲發射檢測）、操作復雜（費時費力）、安全性差等諸多缺陷，難以滿足新工科背景下儲層改造技術教學科研工作、工程實踐鍛煉及創新能力培養的需求[7]。

針對上述缺陷和儲層改造技術的發展需求，本文自主設計了一種多功能大尺寸真三軸儲層改造實驗裝置，能夠實現針對不同尺寸（30 cm×30 cm×30 cm，40 cm×40 cm×40 cm）人造或露頭巖心，不同溫度（-35～200 ℃）、圍壓（≤80 MPa）和孔壓（≤50 MPa），不同流量固液（0.1～1 000 mL/min）（酸）兩相泵入，不同井筒完井工藝（水平井分段多簇、同步及拉鏈壓裂等）下的復雜儲層改造及滲流模擬實驗，提供了主/被動聲波結合的聲發射檢測、溫壓場和應力應變場檢測及壓后激光掃描測量等豐富的評價手段，可有效開展水力壓裂、干法壓裂、暫堵壓裂、酸化酸壓、地熱儲層及天然氣水合物儲層改造實驗模擬。

圖1 不同類型大尺寸真三軸壓裂改造物理模擬實驗裝置

1 實驗裝置

目前，國內外有代表性的大尺寸真三軸壓裂改造模擬實驗裝置包括美國 GCTS 公司 RPS-600 型、TerraTek 公司產品及中國石油大學（華東）自制設備，如圖1(a)—1(c)所示。國外產品價格及售后維修費用高昂，功能模塊固定，通常無法根據實驗需求私人定制或后期改裝，如難以開展天然氣水合物儲層改造實驗等；國內產品基本為自制設備，可根據需求自主設計，售價及后期維護費較低，但當前產品功能較為單一，無法滿足儲層改造技術的行業發展需求。為此，本文自主設計了一種多功能大尺寸真三軸儲層改造實驗裝置，如圖1(d)所示。

該裝置的設計原理如圖2 所示，主要由地應力加載系統、溫度壓力控制系統、水合物原位合成系統、壓裂與滲流實驗模擬系統、數字伺服控制器和采集系統、聲發射與應力應變檢測系統等六部分構成。

（1）地應力加載系統。當前國內外真三軸壓力室大多為立式結構（見圖1(a)—1(c)），優點是占地面積小。但實踐證明，該結構在開展常規30 cm×30 cm×30 cm 尺寸的巖心實驗時，由于平臺較高，裝卸試件必須采用行吊設備，且通常需要在試件五個面上安裝墊板，非常費時費力。因此，本文裝置設計采用水平結構，如圖3 所示，整體尺寸300 cm×500 cm×400 cm（長×寬×高），可針對30 cm×30 cm×30 cm 和40 cm×40 cm×40 cm 兩種巖心開展實驗，該結構操作平臺高度低（20cm），測試元件更換方便安全，蓋板拆裝無需行吊，30 cm×30 cm×30 cm 試件可以人工直接裝卸，40 cm× 40 cm×40 cm 試件可采用簡易升降臺裝卸，裝置設計有橫向導軌及電動橫向運移機構，無需大功率的電動吊裝機構，實驗操作簡單快捷，單組實驗操作時間約為立式的1/2。三軸加載應力可單獨控制也可同步控制，最高達50 MPa。模型三軸室的六面預裝固定板與壓力倉采用密封連接，為滲流實驗加載圍壓提供保證。為實施巖心改造前后滲流實驗模擬，采用耐溫可達200 ℃的氟膠密封膠套為樣品六個棱角與加載裝置進行密封。

（2）溫度壓力控制系統。該系統主要用于開展低溫天然氣水合物儲層改造、高溫油氣及地熱儲層改造實驗，也可用于不同類型儲層的熱采實驗研究。其中，壓力傳感器用于測量滲流壓力、包縫壓力、增壓壓力、加載壓力、壓裂壓力等；溫度傳感器測量范圍為-35～200 ℃；加熱板內置于聲發射固定板內（見圖4），用于對巖樣進行加熱。內置加熱板在保證加載板強度的前提下，保護加熱板不受加載壓力的影響，同時在滲流實驗中與液體完全隔離，保證安全性。制冷系統采用低溫浴槽，將一定溫度的流體注入到壓力室中，并通過在內外圍壓室之間的換熱氣進行循環一定溫度的流體，進而控制和維持壓力室的溫度。

（3）水合物原位合成系統。水合物試件需要預先采用樣品制備輔助設備壓制骨架，然后放入真三軸壓力室中，再生成水合物。該系統主要包括注氣和注液系統，其中注氣系統由氣體增壓泵、高壓儲氣罐、安全閥、壓力傳感器、電接點壓力表、空壓機、高精度調壓閥及支架組成；注液系統主要為雙缸恒速恒壓泵，可提供精準的壓力值或流量值，如圖5(a)所示。

圖2 多功能大尺寸真三軸儲層改造實驗裝置設計原理圖

圖3 水平式應力加載系統

圖4 加熱板及聲發射探頭安裝位置示意圖

（4）壓裂與滲流實驗模擬系統。該系統主要由恒速恒壓泵、高壓柱塞泵、耐腐蝕活塞容器和其他流量計量裝置組成。常規裝置一般僅利用恒速恒壓泵（見圖5(a)），該泵耐壓可達120 MPa，但流量范圍較小，一般為0.01～60 mL/min，無法開展高排量條件下的影響因素分析。為此，增補了高壓柱塞泵（見圖5(b)），流量范圍0.1～1 000 mL/min，耐壓50 MPa。兩種泵并聯使用，大排量實驗過程中若高壓柱塞泵達到50 MPa時試件仍然未破裂，可短暫開啟恒速恒壓泵，待試件破裂后再啟用柱塞泵，該方式可有效實現高壓力和大排量條件下的儲層改造實驗模擬。為了開展腐蝕性流體（酸化酸壓、超臨界CO2壓裂及其他腐蝕性流體）與固液兩相泵入（暫堵壓裂、攜砂液）等儲層改造工藝，配備了大容量耐腐蝕的活塞容器，注入管線接頭也需具有耐腐蝕性。

圖5 裝置注入泵

圖6 聲發射與應力應變檢測系統

（5）數字伺服控制器和采集系統。該系統主要由CPU 控制器、常規外圍設備、輸入輸出通道、功率放大裝置、監測裝置、執行機構、操作平臺、負載等硬件部分和參數管理、參數控制、數據測量、數據處理、數據存儲等軟件控制系統構成，操作臺可自動采集和實時顯示流量、溫度、壓力、位移等數據。

（6）聲發射與應力應變檢測系統。該系統提供了主/被動聲波結合的聲發射檢測、溫壓場和應力應變場檢測及壓后激光掃描測量等豐富的評價手段（見圖6）。常規壓裂改造效果的評價方式一般為壓后破巖觀測和聲發射檢測。聲發射檢測技術通常用于檢測壓裂裂縫的擴展形態，但對于孔洞、裂縫發育和力學非均勻性強的巖心試件，聲發射檢測的事件離散性強，測試精度較低。主/被動聲波測試將聲發射和超聲成像結合起來，可以探測和定位試件內部孔洞和裂縫等缺陷，能夠更精確地獲取壓裂過程中試件內部的變化信息，為壓裂改造效果評價提供更為合理的依據。該裝置提供了壓裂裂縫聲波-聲發射主被動聯合檢測系統。聲發射檢測系統采用32 通道，高精度高靈敏度探頭放置于聲發射探頭固定板中（見圖4）。溫壓場、應力應變場檢測分別采用溫壓傳感器和應力應變片，也均可采用更加精確的光纖檢測方式（見圖6(b)、6(c)），光纖檢測具有點體積小、傳輸速度快、安全性高的優點。壓后激光掃描測量可以呈現三維裂縫面，方便后續裂縫數據處理。

2 設計理念與技術特點

實驗裝置的設計理念包括：①滿足儲層改造這一行業熱點技術的科研工作需求、性價比高、操作簡便安全，能夠有效開展水力壓裂、干法壓裂、暫堵壓裂、酸化酸壓、地熱儲層及天然氣水合物儲層改造和滲流實驗模擬，并提供豐富的改造過程及效果評價手段?？梢杂糜陂_展儲層改造基礎理論研究，揭示影響儲層改造效果的主控因素和影響規律，指導現場儲層改造工藝方案設計，創新儲層改造工藝方法，提供師生科研創新實驗平臺。②石油工程專業建設已形成了涵蓋綜合設計（課堂教學）、實驗教學及實習教學的“三位一體”教學體系，儲層改造技術是增設的現代石油工程技術教學內容，目前已成為石油工程專業的核心課程，但由于缺乏相關代表性的實驗教學平臺，無法滿足新工科人才培養模式需求。新裝置應該緊扣當前學科前沿，通過構建自主創新實驗平臺，形成緊跟前沿優質資源，實現“自主創新和智力實踐”的人才工程能力培養目標，以滿足新工科建設需求。與當前國內外相關大尺寸真三軸水力壓裂模擬實驗裝置對比，本文裝置技術特點如表1 所示。

表1 國內外大尺寸真三軸儲層改造模擬實驗裝置對比

3 實驗項目設置

3.1 專業課授課項目設置

本文裝置已成為“科研輔助翻轉課堂”教學模式的典型平臺，對于選修“石油工程概論”和“石油工業概論”的非石油工程專業學生，課程安排2 學時，課前安排實驗人員做好實驗準備（壓裂標準試件、壓裂液配制等），課堂主要觀摩“常規砂巖露頭直井胍膠攜砂壓裂”實驗演示，與課前已完成的頁巖露頭直井滑溜水攜砂壓裂試件對比分析，目的是讓學生了解儲層壓裂改造施工工藝過程和增產原理、認識壓裂液和支撐劑、區分常規與非常規儲層壓后裂縫形態等。本文實驗裝置憑借操作簡便安全的突出優勢實現了在兩節課內完成全部實驗操作與分析，讓學生加深了對相關知識點的理解，大幅提高了學生選修興趣。針對必修課“采油工程”“天然氣開采與安全”與核心限選課“油水井增產增注技術”的本專業學生，規劃了4 學時實驗觀摩與分析課程，內容設置為“頁巖露頭水平井單級滑溜水攜砂壓裂、碳酸鹽巖露頭酸化壓裂”實驗演示，與課前已完成的砂巖露頭直井胍膠攜砂壓裂試件的對比分析，目的是讓學生進一步明確常規儲層單縫壓裂、非常規儲層體積壓裂及酸化壓裂工藝的異同點、裂縫擴展形態影響因素及影響規律、壓后裂縫的尺度類型、不同工藝的增產原理等。本文裝置具備的耐酸及固液兩相可泵入性能使該類實驗項目成為可能。對于研究生核心課程“油氣藏儲層改造理論與技術”，鑒于授課內容與本實驗裝置的密切程度及授課知識點的深度需求，共設置4 次8 學時的實驗室授課，主要包括新型裝備的結構及功能介紹、直井縫內暫堵壓裂實驗、頁巖露頭水平井多級分段壓裂、碳酸鹽巖露頭自轉向酸酸化壓裂等實驗過程觀摩，儲層改造新工藝的實驗展示、新材料的實驗評價、儲層改造方案優化與施工設計、儲層改造過程檢測與效果評價等。作為該課程考核內容之一，要求學生基于壓力曲線、聲發射數據和破巖照片，對比分析不同改造工藝的效果和規律。該實驗裝置能夠激發學生研究興趣，幫助學生加深對教學內容的理解，促進師生深入交流，授課方式跨越了課堂低效的障礙，有效提升了該門專業課程翻轉課堂的教學效果，并豐富了考核方法。

3.2 實驗教學項目設置

實驗教學是培養工科專業學生綜合實踐能力和創新精神的重要教學環節，在能源行業結構調整和“一流”學科、新工科建設背景下，實驗教學體系急需改造升級。多功能大尺寸真三軸儲層改造實驗裝置是自主創新實驗教學平臺構建的典型代表。實驗教學項目設置為“專業基礎型實驗：頁巖露頭水平井滑溜水攜砂壓裂+自主創新型實驗方案設計”。儲層改造類實驗具有實驗準備繁瑣、步驟復雜、周期長、結果不易分析的特征。課前標準改造試件已經準備完畢，需要利用4 學時進行實驗裝置結構、操作流程和注意事項講解及實驗演示。學生再利用2 學時進行專業基礎型實驗操作，每3～4 人一組，利用15～20 min 時間，進行該裝置六大系統之一的輪換學習，專業實驗操作人員在此期間輔助開展2 次完整實驗。通過6 學時實驗課，學生基本掌握了頁巖氣水平井壓裂的工藝流程、裂縫擴展形態及規律、壓裂材料特征功能等知識點。課下安排學生以小組為單位，根據專業課授課知識開展文獻調研，撰寫自主創新實驗設計方案并制作PPT，最后利用2 學時時間，安排學生課堂答辯交流。自主創新實驗設計方案包括實驗目的、創新點、實驗方法和步驟、預期實驗結果及理論分析等，創新點要求寬泛，實驗對象、模擬條件、工藝方法、檢測手段、數據處理方面都可。該類型實驗激發了學生的參與熱情，創新了多項有價值的實驗方案，部分學生撰寫了學術論文或申請了國家發明專利。例如，常規的壓后裂縫擴展形態分析主要基于破巖后的拍照觀測（見圖7），但對于復雜裂縫難以有效呈現，有學生提出了借助高能工業CT 實現復雜裂縫準確描述的技術（見圖8），同時根據壓前壓后的對比掃描，更加有利于分析復雜裂縫的擴展機制。但該項技術花費高，難以廣泛應用，進而有學生提出借助CAD 軟件（如SolidWorks）進行壓后裂縫形態的精細三維重構技術（見圖9），更加精確、形象地呈現壓后復雜裂縫形態特征。此外，通過應力應變測試分析水平井多級壓裂期間的誘導應力特征實驗及解釋方法也是一項有益的創新方案（見圖10）。該實驗課程按照實驗過程質量考核與創新實驗方案設計報告各占50%比例計算最終實驗成績?；谛滦蛯嶒炑b置的實驗教學項目將學生從過去被動式、單項式的學習模式帶入到自主式、合作式、研究式的學習之中，有效實現了鍛煉學生創新和工程實踐能力的人才培養目的。

圖7 壓裂前后試件照片

3.3 科研創新項目設置

儲層改造是一項涉及巖石力學、材料化學、工程流體力學、工程熱物理學、計算數學等多學科交叉的技術，具有學科交叉性、綜合性、應用性及前沿性強的特點，成為行業研究熱點。本文裝置為其提供了豐富的科研創新平臺，能夠提供的可控變量達20 余項（見表2），可分為儲層類型、儲層改造技術、井筒完井工藝、儲層地質參數、施工參數、檢測分析手段等六大類。例如：僅僅改變水平井井筒完井工藝就能夠開展水平井多級壓裂、水平井單級多簇壓裂、雙井筒同步和拉鏈壓裂等四項壓裂改造實驗研究（圖11）。當前熱點方向主要包括非常規儲層復雜裂縫擴展機制、人工控制靶向改造理論與方法、新材料效果評價與工藝優化、儲層改造效果評價與反演、增強型地熱系統開發效果評價、天然氣水合物儲層改造模式研究等。衍生的創新性研究可服務于本碩博學生論文課題、教師基金課題、大學生創新創業訓練計劃等實踐課題及各類縱向和油田橫向技術服務課題等，有效實現儲層改造理論研究、室內實驗與礦場實踐的有機結合。

圖8 大尺寸試件高能CT 掃描檢測

圖9 不同角度展示的壓后試件三維裂縫精細重構圖（σV 為上覆應力，σH 為水平最大地應力；棕色代表層理裂縫，藍色代表垂向縫，黃色代表天然裂縫）

圖10 水平井多級壓裂誘導應力與壓力曲線

表2 實驗方案可控變量設置

圖11 不同井筒完井結構實驗創新

4 結語

本文開發了一種多功能大尺寸真三軸儲層改造實驗裝置，實現了針對不同尺寸人造或露頭巖心、溫度、圍壓和孔壓、固液（酸）兩相泵入、井筒完井工藝等復雜儲層改造及滲流模擬實驗，提供了主/被動聲波結合的聲發射檢測、溫壓場和應力應變場檢測及壓后激光掃描測量等豐富的評價手段，可有效開展水力壓裂、干法壓裂、暫堵壓裂、酸化酸壓、地熱儲層及天然氣水合物儲層改造及滲流實驗模擬。該裝置具備功能豐富、操作簡便安全、性價比高的突出特點，為師生構建了新工科背景下儲層改造技術的創新實踐平臺，提供了更加豐富的基礎理論和工藝方法研究課題，不僅有助于提升儲層改造相關技術的教學和科研水平，也有利于培養學生的自主創新和智力實踐能力。