可視化實驗裝置在石油行業中的應用與展望

邵尚奇 丁文剛 唐婧(中海油田服務股份有限公司,天津 300459)

可視化實驗裝置在石油行業中的應用與展望

邵尚奇 丁文剛 唐婧(中海油田服務股份有限公司,天津 300459)

本文分析了傳統的實驗裝置在石油行業中的一些不足，無法滿足研究需求，給科研及現場生產帶來了很多不便利，重點闡述了可視化實驗裝置在石油行業中各個領域的優點及具體應用，并對可視化裝置在石油行業中的未來進行了展望。

可視化實驗裝置；石油行業；應用；展望

1 引言

現階段，可視化實驗裝置因其可以直觀的觀察到實驗結果，已經得到越來越多的行業和學者的關注，它可以通過直觀的實驗操作來模擬一些實際工程中難以觀察到的現象，比如地下工程等。而在石油行業中，絕大部分的工程施工都是在地下進行的，用常規的實驗裝置無法觀測地下的工程施工效果(如壓裂)，對于石油開采和施工方案設計均有較大的影響。通過可視化實驗裝置，可以模擬研究石油勘探、鉆井、完井及后期開采等一系列階段的措施，根據實驗結果制定與之相適應的開采方案，這對于油田的開采具有十分重要的意義。

2 可視化材料的性質

可視化實驗的材料一般選擇透光率較高的材料，并且要滿足一定的力學性質，這樣才可以模擬地下巖石的行為。目前主要常用的可視化實驗材料一般主要有有機玻璃(PMMA)等材料。

(1)有機玻璃物理化學性質 有機玻璃學名為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，透明性和化學穩定性較好，在所有透明材料中的透光率最高，不僅比其他幾種透明性塑料(如PS，PC)有更優越的光學性能，能清晰的觀測式樣內部的裂縫形態，而且有機玻璃的脆性較大，抗沖擊強度低，起裂壓力低，適用于做可視化水力壓裂的實驗材料，因此，目前大多數的可視化壓裂實驗材料選用有機玻璃。

(2)有機玻璃力學性質 水力壓裂的裂縫起裂及延伸和材料的力學性質有很大的關系，所以有機玻璃的力學性質十分重要。在準靜態加載條件下，有機玻璃發生較大的塑性變形，表現出良好的延展性，且應力應變曲線呈現出應變軟化特征，在動態加載條件下，有機玻璃表現為脆性破壞，這說明不同的加載條件下，存在不同的破壞模式。在水力壓裂過程中，縫端的壓力是不穩定的，是隨時間變化的，所以有機玻璃會表現為脆性破壞。

3 可視化實驗裝置在石油行業中的應用

(1)可視化實驗裝置在酸壓中的應用 在酸壓過程中，通常會利用非反應性前置液來造縫、降濾失，利用酸液與巖石發生酸巖反應，在裂縫壁面形成一定的刻蝕蚓孔，改善儲層的物性，增加泄油面積。由于兩種流體的粘度不同，導致酸液在裂縫中以指狀非活塞方式前進，從而降低酸巖反應速率及接觸面積，增加酸巖刻蝕的非均勻程度，增加裂縫的導流能力。

但是目前對于酸液黏性指進的研究主要還是集中在數值模擬計算上，缺乏一些物模的實驗來驗證數值模型的計算準確性，并且一些物模的實驗無法直觀有效的觀察到實驗結果，無法對酸液指進進行實時監測。

有學者采用有機玻璃及大理石板制作可視化實驗裝置來模擬酸壓過程中的酸液指進效應，通過相似準則制作了能夠模擬實際施工的實驗裝置，調整酸液濃度、前置液與酸液黏度比以及溫度3個影響因素來研究酸液黏性指進。通過實驗研究，得出了酸液指進的一些規律和結論，對于酸壓的工藝選擇、液體配方優化具有重要意義。

(2)可視化實驗裝置在鉆井中的應用 在鉆井過程中，當鉆遇到泥頁巖地層時，由于地層較脆，容易形成天然裂縫，因此鉆井時容易發生鉆井液漏失，造成井壁失穩，給鉆井作業帶來了十分嚴重的影響。目前對于地層的暫堵評價尚未有統一的標準，且針對地層存在的一些細微裂縫，常規物模實驗無法從微觀上實現。

有學者利用有機玻璃制作了實驗裝置，為了模擬了地下真實的情況，采用高精度激光在鋼化玻璃的表面刻蝕了微米級的微裂縫，可以任意組合不同寬度的裂縫，并且可視化裝置能夠從宏觀和微觀上研究鉆井液的封堵效果，從根本上研究鉆井液的封堵機理。

(3)可視化實驗裝置在油藏中的應用 近年來，隨著油氣田的開發，油氣田所面臨的邊水、底水入侵的風險越來越大，有部分油氣井甚至因為水侵而關停，給油氣田帶來了難以估量的經濟損失。針對裂縫、孔洞發育油氣藏，一些傳統的經驗規律并不適用，給油氣田的開發增加了困難。

針對這些問題，有學者采用有機鋼化玻璃制作了可視化實驗裝置，來研究復雜孔洞、裂縫型油藏的邊底水侵，用氮氣模擬儲層中的天然氣，通過定期調節實驗裝置中的出口流量來模擬真實的油氣田開發，分別研究了孔隙型、裂縫型、孔洞型及縫洞型油氣藏水侵規律。

4 總結與展望

(1)可視化實驗裝置可以滿足石油行業中的科研生產需求，能夠有效的模擬科研生產中的實際地下情況，對于石油行業的發展具有重要的意義。

(2)可視化實驗裝置在石油行業中仍然存在著不足，比如目前尚未有可視化水力壓裂實驗裝置模擬天然裂縫對于水力裂縫延伸的影響，而且有機玻璃是一種非滲透性材料，還不能有效的模擬地層的濾失性，這些都是可視化實驗裝置未來的發展方向。

[1]李小剛,宋瑞,張汝生,楊兆中,林鑫.大尺寸可視化酸液指進模擬裝置研制及應用[J/OL].西南石油大學學報(自然科學版),2017,39(02):153-162.

[2]石秉忠,胡旭輝,高書陽,徐江,林永學.硬脆性泥頁巖微裂縫封堵可視化模擬試驗與評價[J].石油鉆探技術,2014,42(03):32-37.

[3]方飛飛,李熙喆,高樹生,薛蕙,朱文卿,劉華勛,安為國,李程輝.邊、底水氣藏水侵規律可視化實驗研究[J/OL].天然氣地球科學,2016,27(12):2246-2252.