多功能大尺寸真三轴储层改造实验装置的开发与应用

郭天魁，战永平，朱 丹，齐 宁，陈 铭，曲占庆

（1. 中国石油大学（华东） 石油工程学院，山东 青岛 266580；2. 中国石油长庆油田分公司第五采油厂，陕西 西安 710200）

储层改造技术是目前实现低渗透和非常规油气藏及地热资源高效开采的核心技术[1-3]，主要包括水力压裂、酸化酸压、高能气体压裂、CO2干法压裂等。储层改造基础理论和工艺方法是当前油气及地热开发工程领域的研究热点。大尺寸真三轴储层压裂改造物理模拟实验是开展相关研究的重要手段[4]。该类型实验装置是一种大型复杂的实验系统，国内外相关装置数量不多，主要用于大尺寸（30 cm×30 cm×30 cm）真三轴水力压裂物理模拟实验研究[5-6]。伴随着储层改造对象的拓展、工艺的革新和地质条件的复杂化，当前的实验装置呈现出功能少（仅能开展水力压裂研究）、性价比不高（功能少、价格昂贵）、模拟条件有限（试件尺寸小、常温、围压低、无孔压）、施工参数选择范围窄（纯液相泵注、排量小）、检测手段单一（仅声发射检测）、操作复杂（费时费力）、安全性差等诸多缺陷，难以满足新工科背景下储层改造技术教学科研工作、工程实践锻炼及创新能力培养的需求[7]。

针对上述缺陷和储层改造技术的发展需求，本文自主设计了一种多功能大尺寸真三轴储层改造实验装置，能够实现针对不同尺寸（30 cm×30 cm×30 cm，40 cm×40 cm×40 cm）人造或露头岩心，不同温度（-35～200 ℃）、围压（≤80 MPa）和孔压（≤50 MPa），不同流量固液（0.1～1 000 mL/min）（酸）两相泵入，不同井筒完井工艺（水平井分段多簇、同步及拉链压裂等）下的复杂储层改造及渗流模拟实验，提供了主/被动声波结合的声发射检测、温压场和应力应变场检测及压后激光扫描测量等丰富的评价手段，可有效开展水力压裂、干法压裂、暂堵压裂、酸化酸压、地热储层及天然气水合物储层改造实验模拟。

图1 不同类型大尺寸真三轴压裂改造物理模拟实验装置

1 实验装置

目前，国内外有代表性的大尺寸真三轴压裂改造模拟实验装置包括美国 GCTS 公司 RPS-600 型、TerraTek 公司产品及中国石油大学（华东）自制设备，如图1(a)—1(c)所示。国外产品价格及售后维修费用高昂，功能模块固定，通常无法根据实验需求私人定制或后期改装，如难以开展天然气水合物储层改造实验等；国内产品基本为自制设备，可根据需求自主设计，售价及后期维护费较低，但当前产品功能较为单一，无法满足储层改造技术的行业发展需求。为此，本文自主设计了一种多功能大尺寸真三轴储层改造实验装置，如图1(d)所示。

该装置的设计原理如图2 所示，主要由地应力加载系统、温度压力控制系统、水合物原位合成系统、压裂与渗流实验模拟系统、数字伺服控制器和采集系统、声发射与应力应变检测系统等六部分构成。

（1）地应力加载系统。当前国内外真三轴压力室大多为立式结构（见图1(a)—1(c)），优点是占地面积小。但实践证明，该结构在开展常规30 cm×30 cm×30 cm 尺寸的岩心实验时，由于平台较高，装卸试件必须采用行吊设备，且通常需要在试件五个面上安装垫板，非常费时费力。因此，本文装置设计采用水平结构，如图3 所示，整体尺寸300 cm×500 cm×400 cm（长×宽×高），可针对30 cm×30 cm×30 cm 和40 cm×40 cm×40 cm 两种岩心开展实验，该结构操作平台高度低（20cm），测试元件更换方便安全，盖板拆装无需行吊，30 cm×30 cm×30 cm 试件可以人工直接装卸，40 cm× 40 cm×40 cm 试件可采用简易升降台装卸，装置设计有横向导轨及电动横向运移机构，无需大功率的电动吊装机构，实验操作简单快捷，单组实验操作时间约为立式的1/2。三轴加载应力可单独控制也可同步控制，最高达50 MPa。模型三轴室的六面预装固定板与压力仓采用密封连接，为渗流实验加载围压提供保证。为实施岩心改造前后渗流实验模拟，采用耐温可达200 ℃的氟胶密封胶套为样品六个棱角与加载装置进行密封。

（2）温度压力控制系统。该系统主要用于开展低温天然气水合物储层改造、高温油气及地热储层改造实验，也可用于不同类型储层的热采实验研究。其中，压力传感器用于测量渗流压力、包缝压力、增压压力、加载压力、压裂压力等；温度传感器测量范围为-35～200 ℃；加热板内置于声发射固定板内（见图4），用于对岩样进行加热。内置加热板在保证加载板强度的前提下，保护加热板不受加载压力的影响，同时在渗流实验中与液体完全隔离，保证安全性。制冷系统采用低温浴槽，将一定温度的流体注入到压力室中，并通过在内外围压室之间的换热气进行循环一定温度的流体，进而控制和维持压力室的温度。

（3）水合物原位合成系统。水合物试件需要预先采用样品制备辅助设备压制骨架，然后放入真三轴压力室中，再生成水合物。该系统主要包括注气和注液系统，其中注气系统由气体增压泵、高压储气罐、安全阀、压力传感器、电接点压力表、空压机、高精度调压阀及支架组成；注液系统主要为双缸恒速恒压泵，可提供精准的压力值或流量值，如图5(a)所示。

图2 多功能大尺寸真三轴储层改造实验装置设计原理图

图3 水平式应力加载系统

图4 加热板及声发射探头安装位置示意图

（4）压裂与渗流实验模拟系统。该系统主要由恒速恒压泵、高压柱塞泵、耐腐蚀活塞容器和其他流量计量装置组成。常规装置一般仅利用恒速恒压泵（见图5(a)），该泵耐压可达120 MPa，但流量范围较小，一般为0.01～60 mL/min，无法开展高排量条件下的影响因素分析。为此，增补了高压柱塞泵（见图5(b)），流量范围0.1～1 000 mL/min，耐压50 MPa。两种泵并联使用，大排量实验过程中若高压柱塞泵达到50 MPa时试件仍然未破裂，可短暂开启恒速恒压泵，待试件破裂后再启用柱塞泵，该方式可有效实现高压力和大排量条件下的储层改造实验模拟。为了开展腐蚀性流体（酸化酸压、超临界CO2压裂及其他腐蚀性流体）与固液两相泵入（暂堵压裂、携砂液）等储层改造工艺，配备了大容量耐腐蚀的活塞容器，注入管线接头也需具有耐腐蚀性。

图5 装置注入泵

图6 声发射与应力应变检测系统

（5）数字伺服控制器和采集系统。该系统主要由CPU 控制器、常规外围设备、输入输出通道、功率放大装置、监测装置、执行机构、操作平台、负载等硬件部分和参数管理、参数控制、数据测量、数据处理、数据存储等软件控制系统构成，操作台可自动采集和实时显示流量、温度、压力、位移等数据。

（6）声发射与应力应变检测系统。该系统提供了主/被动声波结合的声发射检测、温压场和应力应变场检测及压后激光扫描测量等丰富的评价手段（见图6）。常规压裂改造效果的评价方式一般为压后破岩观测和声发射检测。声发射检测技术通常用于检测压裂裂缝的扩展形态，但对于孔洞、裂缝发育和力学非均匀性强的岩心试件，声发射检测的事件离散性强，测试精度较低。主/被动声波测试将声发射和超声成像结合起来，可以探测和定位试件内部孔洞和裂缝等缺陷，能够更精确地获取压裂过程中试件内部的变化信息，为压裂改造效果评价提供更为合理的依据。该装置提供了压裂裂缝声波-声发射主被动联合检测系统。声发射检测系统采用32 通道，高精度高灵敏度探头放置于声发射探头固定板中（见图4）。温压场、应力应变场检测分别采用温压传感器和应力应变片，也均可采用更加精确的光纤检测方式（见图6(b)、6(c)），光纤检测具有点体积小、传输速度快、安全性高的优点。压后激光扫描测量可以呈现三维裂缝面，方便后续裂缝数据处理。

2 设计理念与技术特点

实验装置的设计理念包括：①满足储层改造这一行业热点技术的科研工作需求、性价比高、操作简便安全，能够有效开展水力压裂、干法压裂、暂堵压裂、酸化酸压、地热储层及天然气水合物储层改造和渗流实验模拟，并提供丰富的改造过程及效果评价手段。可以用于开展储层改造基础理论研究，揭示影响储层改造效果的主控因素和影响规律，指导现场储层改造工艺方案设计，创新储层改造工艺方法，提供师生科研创新实验平台。②石油工程专业建设已形成了涵盖综合设计（课堂教学）、实验教学及实习教学的“三位一体”教学体系，储层改造技术是增设的现代石油工程技术教学内容，目前已成为石油工程专业的核心课程，但由于缺乏相关代表性的实验教学平台，无法满足新工科人才培养模式需求。新装置应该紧扣当前学科前沿，通过构建自主创新实验平台，形成紧跟前沿优质资源，实现“自主创新和智力实践”的人才工程能力培养目标，以满足新工科建设需求。与当前国内外相关大尺寸真三轴水力压裂模拟实验装置对比，本文装置技术特点如表1 所示。

表1 国内外大尺寸真三轴储层改造模拟实验装置对比

3 实验项目设置

3.1 专业课授课项目设置

本文装置已成为“科研辅助翻转课堂”教学模式的典型平台，对于选修“石油工程概论”和“石油工业概论”的非石油工程专业学生，课程安排2 学时，课前安排实验人员做好实验准备（压裂标准试件、压裂液配制等），课堂主要观摩“常规砂岩露头直井胍胶携砂压裂”实验演示，与课前已完成的页岩露头直井滑溜水携砂压裂试件对比分析，目的是让学生了解储层压裂改造施工工艺过程和增产原理、认识压裂液和支撑剂、区分常规与非常规储层压后裂缝形态等。本文实验装置凭借操作简便安全的突出优势实现了在两节课内完成全部实验操作与分析，让学生加深了对相关知识点的理解，大幅提高了学生选修兴趣。针对必修课“采油工程”“天然气开采与安全”与核心限选课“油水井增产增注技术”的本专业学生，规划了4 学时实验观摩与分析课程，内容设置为“页岩露头水平井单级滑溜水携砂压裂、碳酸盐岩露头酸化压裂”实验演示，与课前已完成的砂岩露头直井胍胶携砂压裂试件的对比分析，目的是让学生进一步明确常规储层单缝压裂、非常规储层体积压裂及酸化压裂工艺的异同点、裂缝扩展形态影响因素及影响规律、压后裂缝的尺度类型、不同工艺的增产原理等。本文装置具备的耐酸及固液两相可泵入性能使该类实验项目成为可能。对于研究生核心课程“油气藏储层改造理论与技术”，鉴于授课内容与本实验装置的密切程度及授课知识点的深度需求，共设置4 次8 学时的实验室授课，主要包括新型装备的结构及功能介绍、直井缝内暂堵压裂实验、页岩露头水平井多级分段压裂、碳酸盐岩露头自转向酸酸化压裂等实验过程观摩，储层改造新工艺的实验展示、新材料的实验评价、储层改造方案优化与施工设计、储层改造过程检测与效果评价等。作为该课程考核内容之一，要求学生基于压力曲线、声发射数据和破岩照片，对比分析不同改造工艺的效果和规律。该实验装置能够激发学生研究兴趣，帮助学生加深对教学内容的理解，促进师生深入交流，授课方式跨越了课堂低效的障碍，有效提升了该门专业课程翻转课堂的教学效果，并丰富了考核方法。

3.2 实验教学项目设置

实验教学是培养工科专业学生综合实践能力和创新精神的重要教学环节，在能源行业结构调整和“一流”学科、新工科建设背景下，实验教学体系急需改造升级。多功能大尺寸真三轴储层改造实验装置是自主创新实验教学平台构建的典型代表。实验教学项目设置为“专业基础型实验：页岩露头水平井滑溜水携砂压裂+自主创新型实验方案设计”。储层改造类实验具有实验准备繁琐、步骤复杂、周期长、结果不易分析的特征。课前标准改造试件已经准备完毕，需要利用4 学时进行实验装置结构、操作流程和注意事项讲解及实验演示。学生再利用2 学时进行专业基础型实验操作，每3～4 人一组，利用15～20 min 时间，进行该装置六大系统之一的轮换学习，专业实验操作人员在此期间辅助开展2 次完整实验。通过6 学时实验课，学生基本掌握了页岩气水平井压裂的工艺流程、裂缝扩展形态及规律、压裂材料特征功能等知识点。课下安排学生以小组为单位，根据专业课授课知识开展文献调研，撰写自主创新实验设计方案并制作PPT，最后利用2 学时时间，安排学生课堂答辩交流。自主创新实验设计方案包括实验目的、创新点、实验方法和步骤、预期实验结果及理论分析等，创新点要求宽泛，实验对象、模拟条件、工艺方法、检测手段、数据处理方面都可。该类型实验激发了学生的参与热情，创新了多项有价值的实验方案，部分学生撰写了学术论文或申请了国家发明专利。例如，常规的压后裂缝扩展形态分析主要基于破岩后的拍照观测（见图7），但对于复杂裂缝难以有效呈现，有学生提出了借助高能工业CT 实现复杂裂缝准确描述的技术（见图8），同时根据压前压后的对比扫描，更加有利于分析复杂裂缝的扩展机制。但该项技术花费高，难以广泛应用，进而有学生提出借助CAD 软件（如SolidWorks）进行压后裂缝形态的精细三维重构技术（见图9），更加精确、形象地呈现压后复杂裂缝形态特征。此外，通过应力应变测试分析水平井多级压裂期间的诱导应力特征实验及解释方法也是一项有益的创新方案（见图10）。该实验课程按照实验过程质量考核与创新实验方案设计报告各占50%比例计算最终实验成绩。基于新型实验装置的实验教学项目将学生从过去被动式、单项式的学习模式带入到自主式、合作式、研究式的学习之中，有效实现了锻炼学生创新和工程实践能力的人才培养目的。

图7 压裂前后试件照片

3.3 科研创新项目设置

储层改造是一项涉及岩石力学、材料化学、工程流体力学、工程热物理学、计算数学等多学科交叉的技术，具有学科交叉性、综合性、应用性及前沿性强的特点，成为行业研究热点。本文装置为其提供了丰富的科研创新平台，能够提供的可控变量达20 余项（见表2），可分为储层类型、储层改造技术、井筒完井工艺、储层地质参数、施工参数、检测分析手段等六大类。例如：仅仅改变水平井井筒完井工艺就能够开展水平井多级压裂、水平井单级多簇压裂、双井筒同步和拉链压裂等四项压裂改造实验研究（图11）。当前热点方向主要包括非常规储层复杂裂缝扩展机制、人工控制靶向改造理论与方法、新材料效果评价与工艺优化、储层改造效果评价与反演、增强型地热系统开发效果评价、天然气水合物储层改造模式研究等。衍生的创新性研究可服务于本硕博学生论文课题、教师基金课题、大学生创新创业训练计划等实践课题及各类纵向和油田横向技术服务课题等，有效实现储层改造理论研究、室内实验与矿场实践的有机结合。

图8 大尺寸试件高能CT 扫描检测

图9 不同角度展示的压后试件三维裂缝精细重构图（σV 为上覆应力，σH 为水平最大地应力；棕色代表层理裂缝，蓝色代表垂向缝，黄色代表天然裂缝）

图10 水平井多级压裂诱导应力与压力曲线

表2 实验方案可控变量设置

图11 不同井筒完井结构实验创新

4 结语

本文开发了一种多功能大尺寸真三轴储层改造实验装置，实现了针对不同尺寸人造或露头岩心、温度、围压和孔压、固液（酸）两相泵入、井筒完井工艺等复杂储层改造及渗流模拟实验，提供了主/被动声波结合的声发射检测、温压场和应力应变场检测及压后激光扫描测量等丰富的评价手段，可有效开展水力压裂、干法压裂、暂堵压裂、酸化酸压、地热储层及天然气水合物储层改造及渗流实验模拟。该装置具备功能丰富、操作简便安全、性价比高的突出特点，为师生构建了新工科背景下储层改造技术的创新实践平台，提供了更加丰富的基础理论和工艺方法研究课题，不仅有助于提升储层改造相关技术的教学和科研水平，也有利于培养学生的自主创新和智力实践能力。