微型水力壓裂模擬教學實驗裝置開發(fā)

郭天魁, 雷　鑫, 李明忠, 曲占慶

(1. 中國石油大學(華東) 石油工程學院, 山東 青島　266580；2. 西安石油大學 石油工程學院, 陜西 西安　710065)

?

微型水力壓裂模擬教學實驗裝置開發(fā)

郭天魁1, 雷鑫2, 李明忠1, 曲占慶1

(1. 中國石油大學(華東) 石油工程學院, 山東 青島266580；2. 西安石油大學 石油工程學院, 陜西 西安710065)

為有效實施基于CDIO工程教育模式的微型項目驅動教學法,參考國內科研用大型真三軸水力壓裂模擬實驗裝置結構,設計了一種微型水力壓裂模擬教學實驗裝置。該裝置具有微型化、結構緊湊、節(jié)省實驗經(jīng)費、實驗操作簡便安全的特點,不僅適用于學生實驗課堂的實踐操作,激發(fā)學生興趣,提高水力壓裂實驗的教學效果,同時可方便精確地開展頁巖等非常規(guī)儲層巖心的體積壓裂模擬科研實驗。

實驗裝置； 水力壓裂； CDIO； 實驗教學

水力壓裂技術是目前我國油氣田開發(fā)最為重要的一項增產增注技術,也是非常規(guī)油氣開發(fā)的核心技術。為深入理解水力壓裂裂縫擴展機理,有效提高水力壓裂效果,目前國內外部分相關高校及科研院所相繼投入大量人力物力建立了大型真三軸水力壓裂模擬裝置[1-3],開展大物模實驗。該類型實驗具有工作量繁重、操作步驟復雜、實驗周期長、高危險的特點,目前主要用于必要的科研,難以為學生開展有效的實驗教學。

為有效實施基于CDIO工程教育模式的微型項目驅動教學法[4-5],培養(yǎng)學生的工程實踐和創(chuàng)新能力,參考國內科研用幾種大型真三軸水力壓裂模擬實驗裝置,研發(fā)了一套微型水力壓裂模擬教學實驗裝置[6-7]。實踐證明該裝置不僅能夠有效地提高實驗教學效果,激發(fā)學生科研興趣,提升石油工程專業(yè)學生的工程實踐和創(chuàng)新能力[8-11],而且可方便精確地開展頁巖等非常規(guī)儲層巖心的體積壓裂模擬科研實驗[12-13]。對于探索石油工程大型裝備開展實驗教學的途徑具有一定的借鑒意義。

1　實驗裝置

1.1大型真三軸水力壓裂模擬實驗裝置

目前,國內開展水力壓裂裂縫起裂擴展機理研究所用的大型真三軸水力壓裂模擬實驗裝置主要有如圖1中所示的(a)、(b)和(c)3種,其中(a)與(b)結構基本相似,裝置主要由大尺寸真三軸實驗架、MTS伺服增壓泵、穩(wěn)壓源、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、油水隔離器及其他輔助裝置組成(見圖2)。采用該類型裝置開展實驗的步驟:

(1) 制備巖心試件。通常為人造巖心或是野外露頭,尺寸一般為30 cm3～1 m3的正方體試件。若為人造巖心,需按照實際儲層巖心的物理力學特性,調試配方,加工成型,使兩者物性盡可能接近。野外露頭通常更加接近實際儲層巖心,但需經(jīng)過區(qū)位選取、挖掘開采、運輸、切割加工成型、模擬井筒鉆取，以及鋼質注液管與井壁膠結等幾道復雜工序,將耗費大量人力物力。

(2) 將已經(jīng)制作好的試驗巖樣進行標記、拍照,然后通過吊裝設備將其放入真三軸試驗架內。

(3) 如果裝置具備聲發(fā)射定位測試系統(tǒng),可布設聲發(fā)射定位探頭,準備聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集及定位分析。但大量實驗證明,由于試件尺寸較大,壓裂裂縫的聲發(fā)射定位效果都不太理想,尤其是用于開展體積壓裂的頁巖等非常規(guī)儲層巖心。

(4) 通過吊裝設備將不同厚度的鋼板依次放入真三軸試驗架內,與巖心試件裝配好,然后吊裝設備頂蓋,操作會耗費大量人力和時間。對于密封的模擬試件逐漸施加三向應力直至額定值,通過油泵進行加壓,施加壓力時同步進行,保證巖石試樣受力均勻。

(5) 圍壓達到實驗要求后,保持壓力狀態(tài)不變,通過平流泵進行注液壓裂,壓裂液中可加入紅墨水,目的是為了壓裂后方便裂縫觀察。

(6) 觀察壓力隨時間變化的曲線,做好記錄。

(7) 實驗完畢后,先放空平流泵壓力,然后緩慢降低所加圍壓,最后打開上壓蓋,觀察壓裂后試樣的裂縫形態(tài),再次拍照記錄。對于壓后呈現(xiàn)縫網(wǎng)形態(tài)的巖心,破巖拍照和聲發(fā)射定位方式效果都不佳,為有效觀測,可采用CT掃描方式,但由于試件太大,只能采用高能CT(如IPT4106D直線加速器無損檢測系統(tǒng)),但該測試工作耗資巨大。

圖1中的設備(c)是目前國產新款裝置,其最大亮點在于真三軸模擬壓裂試驗架的改變,基于可實現(xiàn)大位移伸縮的液壓活塞泵,可更加簡便地實現(xiàn)巖心試件的取放,省去了吊裝設備取放巖心試件、鋼板和頂板等繁雜工作,但卻需要人工取放巖心試件,此外該三軸壓裂試驗架所占實驗室面積更大。

圖1中的設備(d)即本文開發(fā)的微型水力壓裂模擬教學實驗裝置。

圖1　不同類型真三軸水力壓裂物理模擬實驗裝置

圖2　大型水力壓裂模擬實驗裝置結構圖

1.2微型真三軸水力壓裂模擬實驗裝置

微型水力壓裂實驗模擬裝置由巖心室、液壓泵、壓力傳感器、中間容器、壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及恒流泵組成，關鍵部件是巖心室(真三軸試驗架)，如圖3所示，外部尺寸為長19 cm、寬19 cm、高16 cm，內部空間尺寸長8 cm、寬8 cm、高10 cm，該裝置完全可以借助于石油工程實驗室通常都具備的巖心滲透率測試裝置的部分組件組裝完成。利用高壓恒流泵,通過巖心室兩側以及底部的液壓活塞推動鋼板,在巖樣6個表面施加三軸應力,由于橫截面積小,單向應力能夠輕松達到50 MPa左右,這點優(yōu)于大型試件的應力加載(通常上限為25 MPa)。同時,在液壓活塞推動的2個大插板以及另外2個固定面上的4個小插板上,都留有安裝聲發(fā)射探頭的內槽,共計16個,可實現(xiàn)精確聲發(fā)射定位。

圖3　微型水力壓裂模擬實驗裝置設計圖

該設備的優(yōu)點之一是巖心室尺寸適用于稍加處理的實際儲層鉆取的全直徑巖心(直徑10 cm)。在研究非常規(guī)儲層巖心壓裂時,為檢測天然裂縫的存在,可在壓裂前對其進行CT掃描,由于尺寸較小,不需要動用高耗資的高能CT,這點大型試件上無法實現(xiàn)。將巖心加工成尺寸8cm×8cm×10cm的方塊。井筒處理方法與大尺寸試件相同,只是由于試件較小,處理更加簡便。將處理好的巖心放入巖心室中,連接好管線,對巖心加載實際儲層地應力,使得水力壓裂裂縫起裂擴展模擬結果更加可靠，然后對其進行注液壓裂。在本次實驗中,由于巖樣的尺寸較小,裂縫擴展速度很快,容易達到邊界。因此,實驗可選用低注入速率(0.05 mL/min)。為了更好地觀測裂縫形態(tài),在壓裂液體中可加入紅墨水。用儀器記錄注入壓力的變化,觀察破裂壓力,整個實驗裝置結構見圖4。達到破裂壓力后壓力開始下降,持續(xù)注液1 min后將巖心取出,切割觀察裂縫形態(tài)。

圖4　微型水力壓裂模擬實驗裝置結構

若實驗需要開展聲發(fā)射監(jiān)測,如頁巖體積壓裂,為測量更加精確,可利用美國RITEC RAM-5000 超聲測試系統(tǒng)。首先進行標準巖心試件的波速測量,不同方位多次測試求平均值,用于聲發(fā)射定位的速度模型構建中。聲發(fā)射定位可選用美國物理聲學公司生產的PCI-II聲發(fā)射系統(tǒng),探頭為NANO型。每一個信號由數(shù)字記錄,采用8個通道的探頭在50 μs內同時超過150 mV的信號時即觸發(fā)所有的通道接收波形。信號由前置放大器放大40 dB,數(shù)據(jù)采樣率10 MHz,每個通道上聲發(fā)射信號的初至時間采用RMS自動識取技術自動識取。聲發(fā)射的定位采用折疊網(wǎng)格方法,然后將16個Nano探頭布置在相應位置見圖5(a)。在計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件上設置參數(shù),并通過斷鉛信號實驗,檢查探頭是否工作正常。最后,開始巖心水力壓裂實驗的聲發(fā)射定位測試,測試時間直到基本無聲發(fā)射Event點為止。

圖5展示了利用該裝置開展的普通砂巖水力壓裂模擬的聲發(fā)射定位特征圖[14],呈現(xiàn)的參考數(shù)據(jù)包括:(a)聲發(fā)射定位圖，(b)聲發(fā)射數(shù)頻率分布，(c)聲發(fā)射數(shù)累積曲線。由于地應力差較小,且粗砂巖中存在一條天然裂縫,因此壓裂后,明顯地呈現(xiàn)了一條沿最小水平地應力方向的雙翼平面縫和一條沿天然裂縫的單翼平面裂縫。聲發(fā)射事件有兩個相對明顯的起跳點(見圖5(b)和(c)),分別在2×104s和7×104s附近。從起裂過程看,在2×104s左右時,3條裂縫都已起裂,在7×104s時雙翼縫又再次發(fā)生了深度開裂。

圖5　微型水力壓裂模擬實驗聲發(fā)射定位特征

1.3微型與大型真三軸水力壓裂模擬實驗裝置對比

微型與大型真三軸水力壓裂模擬實驗裝置對比見表1。

表1　微型和大型真三軸水力壓裂模擬實驗裝置對比

2　實驗教學效果

在開發(fā)該設備之前,石油工程專業(yè)的學生只能到實驗室參觀大型真三軸水力壓裂模擬實驗裝置,40 m2的實驗室面積難以滿足30名學生的觀察了解。同時,由于操作復雜、周期長、危險系數(shù)高,難以通過實際的實驗操作給學生講解,更加難以實現(xiàn)讓學生自己動手操作，使得一些能力較低的學生難以理解相關知識,自覺性較差的學生又不愿參與學習，不利于強化培養(yǎng)學生動手能力和認真細致的科學作風。該微型化裝置設計成功后,相同實驗室內可安置10～15組實驗裝置,每2名學生可作為一組開展實驗操作。實驗課堂上,可有效采取啟發(fā)式、提問式和討論式、教師講授和學生講授相結合、教師示范和學生演示相結合的方法。不僅有效提高了學生的動手實踐能力和對知識點的理解掌握程度,同時激發(fā)了學生的科研興趣,部分學生的建議也有助于該裝置實驗效果的進一步提升,設備的微型化大大提升了實驗教學效果。此外,裝置的微型化也使得學生依靠該設備開展大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目成為可能。與此同時,憑借該設備可利用真實儲層巖心,加載實際儲層應力值,觀察手段豐富,尤其是聲發(fā)射定位準確的優(yōu)勢。研究生利用該設備對于頁巖等非常規(guī)儲層體積壓裂裂縫起裂擴展機理的研究也取得了很大進展,發(fā)表了多篇高水平科研論文。該類實驗課的有效實施,使得教師的教學能力、水平也獲得較大提高,通過教學、教研促進科研,教師的綜合業(yè)務素質得到增強,形成師生雙受益并皆能持續(xù)發(fā)展的良好局面。

3　結語

針對目前水力壓裂模擬實驗的重要性和大型真三軸水力壓裂模擬實驗裝置不具備實驗教學可操作性的問題,研發(fā)了一套微型水力壓裂教學實驗裝置。該裝置具有微型化、結構緊湊、節(jié)省實驗經(jīng)費、實驗操作簡便安全的特點。課堂實踐證明該裝置具備實驗教學可操作性,可激發(fā)學生科研興趣,有利于學生對基礎理論的綜合理解,有效提高了實驗教學效果,有利于加強對學生工程實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。同時,該裝置具有可選用真實地層巖心、三軸應力加載值更高和聲發(fā)射定位更加精確的優(yōu)勢,適用于開展頁巖等非常規(guī)儲層巖心的體積壓裂模擬科研實驗。該裝置的設計為石油工程大型裝備開展實驗教學的途徑提供了一定的參考價值。

References)

[1] 陳勉,周健,金衍,等. 隨機裂縫性儲層壓裂特征實驗研究[J]. 石油學報,2008(3):431-434.

[2] 韓忠英,薛世峰,朱秀星. 缺陷儲層重復壓裂實驗研究[J]. 巖土工程學報,2013(3):567-570.

[3] 衡帥,楊春和,曾義金,等. 頁巖水力壓裂裂縫形態(tài)的試驗研究[J]. 巖土工程學報,2014(7):1243-1251.

[4] 朱向慶,胡均萬,曾輝,等. CDIO工程教育模式的微型項目驅動教學法研究[J]. 實驗技術與管理,2012,29(11):159-162.

[5] 馮梅琳,何學文,羅小燕,等. 基于CDIO理念的測控專業(yè)實踐教學創(chuàng)新體系[J]. 實驗室研究與探索,2014,33(3):180-184.

[6] 張繼成. 在化學創(chuàng)新教育中應重視微型實驗的研究與應用[J]. 實驗技術與管理,2007,24(12):126-128.

[7] 譚亮,楊素芳,馬銘,等. 微型分析化學實驗教學與“兩型社會”觀教育[J]. 實驗室研究與探索,2012,27(3):116-118.

[8] 何燕春. 特殊教育實驗(訓)室儀器設備利用率的探索和研究[J]. 實驗技術與管理,2013,30(12):225-227,230.

[9] 馮其紅,胡偉,戰(zhàn)永平,等. 石油工程專業(yè)大學生工程實踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)途徑改革[J]. 實驗技術與管理,2012,29(12):16-19.

[10] 萬長建. 微型實驗室的開放式管理模式探究[J]. 實驗室研究與探索,2009,28(11):207-209.

[11] 秦春節(jié),謝林君,鄭勁松. 引導學生改造實驗室設備和開發(fā)實驗項目的實踐[J]. 實驗室研究與探索,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] 張旭,蔣廷學,賈長貴,等. 頁巖氣儲層水力壓裂物理模擬試驗研究[J]. 石油鉆探技術,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

國家自然科學基金青年基金項目(51404288)；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助(15CX02012A)；中國石油大學(華東)校級教學改革項目(YK201402)

郭天魁(1984—)，男，山東壽光，博士，副教授，主要從事采油工程理論與技術的教學與研究工作.

E-mail：guotiankui@126.com

TE357.1；G484

A

1002-4956(2016)6-0089-05