大型復雜裂縫支撐劑運移鋪置虛擬仿真裝置的開發

郭天魁， 曲占慶， 李明忠， 陳德春， 董長銀， 王衛陽， 齊 寧

(中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580)

0 引 言

傳統水力壓裂技術是改造低滲透油氣藏的重要增產措施[1]，而體積壓裂技術是當前實現非常規油氣藏商業開發的必要手段[2-3]。明確支撐劑運移鋪置機理是有效實施水力壓裂技術的關鍵環節[4]，其相關理論和數值模擬研究[5]相對較多，但缺乏有效的實驗模擬，近年來部分高校及科研院所嘗試開發了一些用于常規壓裂單一裂縫內支撐劑運移鋪置規律研究的實驗裝置[6]。該類型裝置通常具有裂縫處理簡化且規模尺度較小、施工參數選擇范圍有限、自動化程度低和無法模擬復雜裂縫的缺點，難以滿足當前行業熱點技術教學科研工作、工程實踐鍛煉以及創新能力的培養需求。

針對當前實驗裝置的缺陷，基于非常規油氣藏體積壓裂技術理念，開發設計了一套大型復雜裂縫支撐劑運移鋪置虛擬仿真裝置，該裝置能夠實現對于不同走向、傾向和傾角的分支裂縫、不同裂縫壁面粗糙度、不同壁面濾失速率、不同縫寬以及水平井壓裂的模擬，拓寬了裂縫規模尺度和施工參數的選擇范圍，裝置功能和自動化程度大幅提升。

實踐證明該自制設備[7-8]可有效開展“體積壓裂”等熱點壓裂工藝條件下的支撐劑運移鋪置實驗模擬，完善了科研手段，可用于指導現場壓裂實踐，同時，緊密結合了石油工程專業課程實踐教學需要，并與專業技術發展需求和趨勢相接軌，可用于壓裂實驗教學[9-10]，以及石油工程專業本科生的實習、實訓、實踐創新等環節[11-12]。此外，作為“科研輔助翻轉課堂”教學模式[13-14]探索的有效平臺，可激發學生的科研興趣，有助于學生對相關技術領域課堂理論知識的理解和掌握，提高課堂授課效果，充分發揮學生的科學思維能力和預見性，培養創新意識，提高動手操作能力，也有助于大學生創新創業訓練計劃項目[15]的順利開展。

1 實驗裝置

1.1 實驗裝置結構

大型復雜裂縫支撐劑運移鋪置虛擬仿真裝置主要由動力系統、攜砂液配置系統、井筒模擬系統、復雜裂縫模擬系統和數據采集系統5部分組成，此外，還包括支撐劑沉降回收槽和管路閥門等部件，如圖1所示。

圖1 大型復雜裂縫支撐劑運移鋪置虛擬仿真裝置設計圖

(1)動力系統。為滿足大排量實驗需求，選用了G85-1型螺桿泵輸送攜砂液體，其工作參數為：排量0～65 m3/h，功率15 kW，壓力0.6 MPa，轉速720 r/min，可變頻調速控制流量。

(2)攜砂液配置系統。由自動加砂裝置、攪拌釜和過濾釜組成。自動加砂裝置的加砂方式為螺旋輸送加砂，料箱容積0.2 m3，輸送高度2 m，輸送量為0～3 m3/h，變頻調速，控制加砂量。攪拌釜用于支撐劑與壓裂液攪拌均勻，容積0.6 m3，攪拌速度0～150 r/min，可變頻調速。釜蓋上有加液口、液體回流口，釜底有放料口、出液口，釜體側面安裝液位計，可觀察釜內液位。過濾釜容積0.2 m3，濾網精度20目，罐體側面有連接每個裂縫出口的進液口，釜蓋上有出液口，釜底有放料口和出液口。在實驗過程中，濾液被擠入上部通過管道與攪拌釜相連，可循環利用壓裂液。

(3)井筒模擬系統。可實現垂直井筒和水平井筒兩種施工條件。垂直井筒采用Φ100 mm不銹鋼金屬管，在管壁上下均勻射孔，孔眼直徑可調，使固體顆粒混合物均勻注入模型。井筒射孔方案：以60°相位角，射6排孔眼，孔眼直徑為15 mm，孔眼個數分別為2、4、6、8、10、12，孔眼個數可以通過旋轉射孔內管進行調節。模擬水平井筒橫切縫壓裂時，可直接連接螺桿泵，進液口為6個8 mm的射孔。

(4)復雜裂縫模擬系統。采用耐壓2 MPa的有機玻璃制造裂縫單元，裂縫單元長×高×寬=1 m×600 mm×(3～10)mm，其中6塊組成垂直裂縫，10塊作為分支裂縫，分支裂縫具有不同的走向、傾向和傾角，可模擬與主裂縫成30°、45°、90°的垂直縫和與水平面成0°、30°的水平縫；縫寬為3～10 mm可調；用刷膠粘巖粒方法模擬單壁面粗糙度，考慮壁掛效應，如圖2所示，可通過巖粒的圓球度和粒徑控制調節粗糙度。每塊裂縫單元都通過開孔模擬濾失條件，采用閥門控制濾失速率，濾失孔設計如圖3所示；可視平板模型安裝在支架上，支架帶有腳輪，方便模型移動、組合。

圖2 粗糙裂縫壁面模擬

圖3 壁面濾失條件模擬設計(mm)

(5)數據采集系統。操作臺控制儀器、采集數據(見圖4)：攪拌釜的轉速、螺桿泵的流量、加砂量和加砂速率都可通過控制臺調節；同時，通過電磁流量計、壓差傳感器，操作臺可自動采集、實時顯示獲取設備的入口流量、壓力、每一個裂縫單元的流量和濾失量及設備任意兩分支縫的壓差等數據。錄像、照片數字化采集：通過廣角攝像機，可將實驗過程全程錄制，此外，在相同的時間間隔下利用相機可采集實驗照片，根據研究內容選擇所需照片。

1.2 實驗步驟

(1) 實驗準備。根據所需要模擬流速計算裝置排量，并計算支撐劑用量；檢查設備密封性；在攪拌釜內加入適量的壓裂液，液量可通過液位計觀察；打開主電源，調節螺桿泵排量至較小值，打開至少一個裂縫出口閥門，開啟螺桿泵，使裂逢內液體循環流動；依次開啟分支縫出口閥門，使得各分支縫內充滿液體，如果只開展單一裂縫實驗，需要保證實驗開始后，各個分支縫內流體充滿不流動；稱取適量支撐劑，加入自動加砂裝置；調節拍攝設備，準備記錄。

圖4 數據采集系統界面

(2) 實驗開展。打開裂縫出口閥門及裂縫濾失孔閥門，若僅開展單一裂縫實驗，需關閉各分支縫末端出口處閥門和分支縫濾失孔閥門；在實驗操作臺上設置合理參數，開啟螺桿泵、攪拌釜和自動加砂裝置；裂縫入口處觀察到有支撐劑進入時，在實驗管理系統中點擊開始，實驗數據將自動記錄并保存在電腦中，同時使用拍攝設備對支撐劑的沉降過程進行錄像或拍照，拍照時每30～60 s拍攝一次，所有裂縫同時拍攝；砂堤穩定后，關閉攪拌電動機，保存實驗數據。

(3) 實驗后工作。為保護儀器且保證下一組實驗順利進行，實驗結束后需要清理實驗裝置。首先，打開入口端兩塊分支縫出口閥門(30°垂直縫)，提高泵速，加大排量，將堆積在裂縫內的支撐劑排出；待主縫第一塊裂縫單元板和30°垂直分支縫內支撐劑清理干凈后，先打開后一組(45°垂直縫)分支縫出口閥門，再關閉30°垂直分支縫出口閥門；按此方法依次清理各裂縫單元內的支撐劑；打開沉降罐出口閥門，將聚集在過濾釜底部的支撐劑排出，在支撐劑沉降回收槽內進行二次沉降；過濾釜排出液為清水后，關閉其底部出口處閥門，關閉螺桿泵，實驗裝置斷電；支撐劑沉降回收槽內的支撐劑經過排水，收集，晾曬后，可回收利用；整理實驗數據及圖像，實驗結束。

2 設計理念與技術特點

(1) 實驗裝置的設計理念。①滿足行業熱點技術的科研工作需求，實現非常規油氣藏體積壓裂支撐劑運移鋪置過程室內實驗模擬，用于指導現場壓裂實踐，作為師生進行科研創新的有效平臺;②借助我校國家級實驗教學示范中心的“杠鈴式”雙向教學體系，以及集“開放式、分散式、預約式、自助式”于一體的實驗教學模式[11,16]，緊密結合石油工程專業課程實踐教學需要，用于壓裂實驗教學，以及石油工程專業本科生的實習、實訓、實踐創新等環節;③石油工程專業課程教學中，跨越課堂低效的障礙，提升翻轉課堂的教學效果，同時融合研究生教育科研資源，提高本科生工程素質及能力培養水平是擺在任課教師面前的新課題。為此，提出了“科研輔助翻轉課堂”的教學模式，以學生課下自學、師生課上討論輔助科研參觀實踐為基本形式。科研輔助翻轉課堂教學模式可以讓高等工程教育的課堂回歸到學生能力的培養，有益于大學生創新創業訓練計劃項目順利開展。此裝置的研發使得該專業領域內重要的水力壓裂增產技術的理論學習、室內實驗與礦場實踐有機結合，實現產學研深度融合。

(2) 實驗裝置的技術特點。相比目前單一裂縫支撐劑運移鋪置模擬裝置(見圖5)，該裝置提升的功能主要包括：①實現了對于不同走向、傾向和傾角的分支裂縫的模擬，可模擬與主裂縫成30°、45°、90°的垂直縫和與水平面成0°、30°的水平縫；②實現了裂縫壁面粗糙度的模擬，粗糙度可通過巖粒的圓球度和粒徑控制調節；③實現了裂縫壁面濾失條件模擬，濾失孔布置密度大且濾失速率可調；④所有裂縫縫寬在3～10 mm內可調；⑤除了常規垂直井筒外，可以實現目前非常規儲層水平井壓裂模擬；⑥拓寬了裂縫規模尺度，主縫長度可達6 m，分支縫長2 m，且包括5種類型的分支裂縫；⑦配備了自動加砂裝置，加砂速度和加砂量可控；⑧施工參數的選擇范圍進一步增加，如螺桿泵排量最高可達65 m3/h，攪拌釜容積增大到0.6 m3等；⑨自動化程度大幅提升，通過實驗操作臺，可電腦控制攪拌速率、排量、加砂量和加砂速率并自動采集流量和壓力數據，錄像、照片可數字化采集。

(a) 常規單一裂縫

(b) 大型復雜裂縫

3 實驗項目設置

3.1 專業課授課項目設置

水力壓裂技術是目前實現我國油氣藏高效開發最為重要的一項技術，在石油工程專業領域中占據重要地位。因此，如何讓學生有效地理解掌握相關知識點是一項重要的教學課題。為此，提出了“科研輔助翻轉課堂”的教學模式，該裝置正是滿足這一教學模式的典型平臺。“科研輔助”重視的是研究興趣的激發、最新科研動態的傳遞和評價、學習和科研方法的引導以及工程實踐鍛煉和創新能力的培養。從兩方面呈現：一是最新科研動態的傳遞和評價，二是科研實驗室的參觀與實驗，提高學生的主動性、鍛煉團隊協作能力，同時也有助于學生對課堂理論知識的理解和掌握，充分發揮學生的科學思維能力和預見性。培養創新意識，提高動手操作能力。開放式的實驗室平臺，方便學生任意時間投入學習，提高學生的學習效率和時間利用率。

為提高專業課授課效果而服務的實驗項目，需簡單高效。針對選修石油工程概論和石油工業概論課程的學生，授課方式以實驗演示為主，項目設置為“直井單一裂縫和復雜裂縫中陶粒支撐劑在胍膠壓裂液中的運移鋪置過程”演示，如圖6、7所示。在課前安排實驗人員做好實驗準備，通過2節課的時間，①認識壓裂材料，了解壓裂材料的制備過程;②了解實驗裝置的結構和特點;③通過實驗人員的相關演示，老師的講解，進一步熟悉水力壓裂的流程和支撐劑在裂縫中的運移鋪置特點，提高學生對于此門課程的學習興趣，加深對于相關知識點的理解。針對必修采油工程、天然氣開采與安全和以水力壓裂技術作為核心內容的核心選修課油水井增產增注技術、非常規油氣開采課程的學生，授課方式同樣是實驗演示，但項目設置增加為“直井單一裂縫陶粒支撐劑在胍膠壓裂液中、水平井復雜裂縫陶粒支撐劑在滑溜水和胍膠壓裂液中的運移鋪置過程”演示。通過4節課的詳細實驗演示，讓學生掌握常規壓裂和體積壓裂的工藝特點、施工方案設計的異同，明確不同壓裂工藝、施工參數、裂縫形態和壓裂液類型條件下支撐劑的運移鋪置規律。

(a) Fluent數值模擬結果

(b) 實驗模擬結果

(a) 實驗中所模擬的分支縫(b) 復雜裂縫Fluent數值模擬結果

(c) 主裂縫支撐劑鋪置形態實驗結果

3.2 實驗教學項目設置

先前的實驗室內具備的直井單一裂縫支撐劑運移鋪置虛擬仿真裝置，無法實現目前熱點壓裂技術“體積壓裂”的支撐劑運移鋪置過程模擬，因此在實驗教學項目設置上，本設備以開展復雜裂縫支撐劑運移鋪置實驗模擬為主。授課方式采用實驗演示+實驗操作，項目設置為“水平井復雜裂縫陶粒支撐劑在滑溜水壓裂液中的運移鋪置過程”演示+實驗操作。通過2節課進行詳細的實驗演示，讓學生掌握本實驗裝置的結構特點、操作流程和注意事項，可有效采取啟發式、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。之后再通過2次課進行實驗操作，可根據裝置的5大系統組成，將學生分成5組進行相關系統的操作學習，每隔20 min輪換位置，實驗可利用循環攜砂液方式進行多次操作，通過2次課時間循環完畢，讓學生通過實驗課掌握水平井體積壓裂的工藝特點，明確不同壓裂施工參數條件下，主裂縫和不同走向、傾向和傾角分支裂縫內支撐劑的運移鋪置規律。實踐證明該裝置的實驗教學課程不僅有效提高了學生的動手實踐能力、對知識點的理解掌握程度，同時激發了學生的科研興趣，部分學生的思考建議也有助于該裝置實驗效果的進一步提升。

3.3 科研創新項目設置

研究生課題研究和本科生實習、實訓、實踐創新等環節時間較充裕，可充分地進行裝置操作學習和方案研究，并細致地開展實驗研究。利用該裝置設計實驗方案的可控變量(見表1)，通過隨意組合可控變量可設計出大量的創新性課題。目前但凡涉及到分支裂縫、粗糙和濾失壁面、水平井壓裂的課題基本都屬于創新性課題，不僅能夠有效地實施研究生課題和大學生創新創業訓練計劃項目，而且其研究成果可以發表高水平科研論文，同時有效地指導壓裂現場實踐。另外，基于實驗成果，可有效指導支撐劑運移鋪置理論模型的研究，進而提高數值模擬的準確性。由此而衍生的科研創新成果將更加豐富，真正實現理論學習、室內實驗與礦場實踐的有機結合。

表1 實驗方案可控變量設置

4 結 語

目前常規壓裂支撐劑運移鋪置虛擬仿真裝置具有裂縫處理簡化且規模尺度較小、施工參數選擇范圍有限、自動化程度低和無法模擬復雜裂縫的缺點，難以滿足當前行業熱點技術教學科研工作、工程實踐鍛煉以及創新能力的培養需求。為此，開發設計了一套大型復雜裂縫支撐劑運移鋪置虛擬仿真裝置，該裝置創新性地實現了對于不同走向、傾向和傾角的分支裂縫、不同裂縫壁面粗糙度、不同壁面濾失速率、不同縫寬和水平井壓裂的模擬，拓寬了裂縫規模尺度和施工參數的選擇范圍，裝置功能和自動化程度大幅提升，可有效地開展“體積壓裂”等熱點壓裂工藝條件下的支撐劑運移鋪置實驗模擬，完善了實驗教學和科研手段，提供了更加豐富的實習、實訓和實踐環節，可用于指導現場壓裂實踐。同時，作為“科研輔助翻轉課堂”教學模式探索的有效平臺，可激發學生的科研興趣，有助于學生對相關技術領域課堂理論知識的理解和掌握，提高課堂授課效果，充分發揮學生的科學思維能力和預見性，培養創新意識，提高動手操作能力，也有助于大學生創新創業訓練計劃項目的順利開展。