水力壓裂物模實驗系統改進實踐與研究生創新能力培養

侯冰

[摘要]國外石油工程院校在開展實驗教學和科研實驗時，重點引導研究生在操作實驗系統的過程中改進實驗系統，創新設計和研發實驗系統結構和輔助裝置，以滿足科研和教學需要。作者近年來通過給研究生介紹非常規儲層水力壓裂技術進展，詳解水力壓裂實驗原理，并結合機械、材料和計算機等綜合知識，指導研究生逐漸改進室內水力壓裂物模實驗系統，增強了研究生主動思考和設計能力，提高了研究生對水力壓裂物模實驗系統的創新改造和研發能力。

[關鍵詞]石油工程院校;水力壓裂;實驗教學;實驗系統;研究生培養;創新能力

[中圖分類號]G643 [文獻標識碼]A [文章編號] 2095—3437（2021）01—0040—04

歐美國家的石油工程院校極為重視實驗教學工作，在開展科研和教學時把實驗室作為逐漸培養研究生改進實驗系統創新能力的重要平臺。從我國高校眾多創新發展資源平臺來看，目前國內高校實驗室完全具備優質的教學指導條伴，能夠為大學生創新創業提供更加優質的服務。教育部教學質量工程建設提出將實驗室開放作為實驗教學示范中心建設的重要指標，推動高校實驗教學工作的研究和改革，并加強實驗室開放運行、提高學生實驗的自主性、加快實驗教學工作質量和水平提高的步伐。隨著高校實驗教學改革的深入和產學研的結合，實驗教學重在培養學生的實踐思考能力，使學生能夠主動探索、細致分析最終順利解決問題;在實驗室平臺建設上，已經建立了高校實驗室協同創新平臺，集中優勢力量，通過溝通協調，實現密切合作、引領創新。同時，越來越多的高校重視實驗設備的改進，并在實踐課中展現工程思想，改進實驗系統的功能，提高學生的創新意識，將學生培養成滿足社會需求的卓越工程師。在國家重大課題和重點實驗室建設的支持下，高校和科研院所近些年已經采購了大量國外先進的實驗儀器和設備，尤其是大型實驗設備的先進程度已經超過國外高校。但是，針對工程學科的一些特殊實驗系統和裝置的研發能力我們還遠遠落后于歐美國家的高水平院校，這主要是由于我們開展實驗教學時讓學生以觀察為主，學生動手操作能力欠缺;重點介紹實驗功能，缺少原理介紹，學生知其然但不知其所以然;強調降低實驗失敗次數，缺少問題思考，降低了學生的想象力和創造力。因此，本文以室內真三軸水力壓裂物模實驗系統為例，介紹教師在開展實驗研究時如何結合工程技術的革新，引導研究生改進水力壓裂物模實驗系統，創新設計和研發水力壓裂物模實驗系統的結構和相關輔助設備，以滿足科研和教學需要。

一、室內真三軸水力壓裂物模實驗系統

我國的頁巖油氣、煤層氣、致密油氣等非常規油氣藏分布廣泛，高效開發此類油氣藏是石油工業長期關注的焦點。非常規油氣藏具有低孔低滲的特點，高效開發此類非常規油氣藏需要大規模的水力壓裂作業，其目的是在儲層形成具有高導流能力的多條甚至網狀裂縫，從而改善油氣運移條件。

室內模擬水力壓裂實驗系統是中國石油大學（北京）巖石力學實驗室設計組建的一套大尺寸真三軸模擬實驗系統。模擬壓裂實驗系統由以下幾部分組成，分別是大尺寸真三軸實驗架、數據采集系統、油水隔離器穩壓源、MTS伺服增壓泵及其他輔助裝置，見圖1。

實驗架向試樣的側面施加剛性載荷采用的是扁千斤，依據水力壓裂特點，為模擬產層和上、下隔層的地應力在其中的一個水平方向上采用三對扁千斤，為模擬垂向地應力和最大水平地應力則在其他兩個方向各放置一對扁千斤。扁千斤由多通道穩壓源提供液壓，可分別控制各通道的壓力大小，其壓力可達27MPa。

實驗者在模擬水力壓裂實驗系統中向模擬井眼泵注入高壓液體時采用MTS伺服增壓泵和油水分隔器。實驗過程中采集系統由液壓油記錄壓裂液壓力、排量等參數以及MTS伺服增壓泵的工作介質，因此，當壓裂液是水或其他介質時，設置一個油水隔離器在管路上，將壓裂液與MTS的工作介質分隔開，能夠滿足模擬水力壓裂實驗的要求。

二、水力壓裂物模實驗系統的創新改進

巖石力學室內水力壓裂物模實驗系統是可以模擬現場真實儲層水力壓裂改造的有效實驗方法，在實踐教學中起著至關重要的作用。近些年非常規儲層油氣資源是全球鉆探和開發的焦點，非常規資源都需要采用水平井分段分簇壓裂才能提高油氣產量，而且水力壓裂技術和壓裂設備能力逐年提高，因此，教師在開展實驗教學時需要讓學生充分掌握水力壓裂實驗的理論和方法，積極引導學生對實驗現象和問題進行思考，提高學生對水力壓裂物模實驗系統進行改造和研發的能力。

（一）水平井多級水力壓裂物模實驗改進

多級水力壓裂是常用于水平井中的一種壓裂完井方式，它能在同一儲層中的不同位置形成多條水力裂縫，增加非常規油氣藏油氣泄油體積和減小油氣運移的阻力。模擬非常規油氣田水平井多級水力壓裂的過程，需要對室內實驗系統和方法進行改進。該方法是在真三軸水力壓裂設備的基礎上，改變柔性管線在巖心試樣內部的布置方式，對該巖心試樣實施多次水力壓裂實驗。這種方法可以模擬油氣田現場的多級水力壓裂實施過程，比如模擬單井次序壓裂、單井交錯壓裂以及多井同步壓裂。

油田多井同步壓裂是指對相鄰兩個或多個水平井筒同時實施水力壓裂的工藝技術，一次壓裂一個井段，從而在多井中形成1～n條水力裂縫，如圖2所示。

（二）交替注液的水力壓裂物模實驗改進

我國的頁巖氣儲層具有儲層地應力高、層理和天然裂縫發育巖石塑性強等特點，需要通過大規模水力壓裂提高縫網擴展規模，目前現場大都是先用膠液造主裂縫再通過大排量注入滑溜水增加水力裂縫擴展規模。

現場實踐盡管能達到很好的效果，但是對于膠液與滑溜水交替注入后的裂縫擴展規律缺少室內實驗的驗證。上述理論及實驗研究都是分別針對膠液或者滑溜水來展開的，沒有對膠液和滑溜水交替作用的裂縫擴展模式進行研究。

實驗者考慮通過研制雙油水隔離器裝入不同壓裂液體，改進水力壓裂系統的壓力管線注入方式，實現持續高壓條件下的交替注液功能（見圖3）。實驗通過模擬頁巖氣水平井單級裸眼壓裂研究高水平應力差下交替注入滑溜水和膠液后水力裂縫的擴展規律，考察不同注入順序及交替注入次數對水力裂縫擴展規律的影響，真實模擬在交替注液壓裂過程中頁巖氣儲層形成復雜的裂縫網絡形態。

（三）加砂壓裂物模實驗改進

壓裂液大致可分為前置液、攜砂液和替置液，利用攜砂液進一步擴展裂縫，在縫中輸送和鋪置支撐劑，形成滿足設計所要求導流能力和幾何形狀的支撐劑填充裂縫。以往的實驗設備與現場真實的加砂壓裂流程不符，這就使得使用單一作用的壓裂液開展實驗存在缺陷。為解決上述問題，并且提高水力加砂壓裂實驗結果的可靠性，我們在原有壓裂物模實驗系統的基礎上研發了一套考慮不同泵注階段的真三軸水力壓裂模擬實驗裝置。

在本實驗中，介質容器的前置液通過高壓管線進入活塞中部，攪拌器中的攜砂液進入活塞上部，各部分之間的空間獨立。根據實驗要求調配不同的前置液，調配完成后打開介質容器的進液閥門，將前置液灌入，關閉閥門，打開高壓氣瓶利用氣壓將前置液壓入活塞容器中部。攪拌器有支撐劑注入口和液體注入口，實驗時按比例注入，計算機控制調至需要轉速及所需攪拌時間，攪拌均勻后利用氣壓注入活塞容器上部。實踐證明該裝置能真實模擬現場加砂壓裂泵注流程，而且還能夠實現整個壓裂過程注液排量的精細化控制，提高數據監測的準確度、實時性，保障整個流程完全模擬現場壓裂施工泵注流程。這對深入研究不同作用壓裂液之間的配比、泵注排量對裂縫擴展行為的影響具有十分重要的意義。

三、研究生創新能力培養方法

我國的石油工程院校在巖石力學領域的實驗裝置和儀器的先進程度已經超過國外同類院校，但我國的研究生實驗教學水平還遠落后于國外高水平院校，尤其是在實驗設備研發能力、實驗研究方法、操作規范性、設備維護和安全性等方面差距較大。這就需要學習國外高水平院校先進的實驗教學、研究的理念和方法，提高國內院校對實驗環節的重視程度，改進實驗教學手段，增強研究生的動手操作和思考能力，產出更多實驗研究創新性成果。研究生進入實驗室前學習相關實驗原理和工程知識，與教師進行交流，查閱文獻資料;在開展實驗時先要熟悉設備原理，掌握相關輔助儀器的說明書和操作流程，熟悉每個實驗環節;實驗時在老師的指導下動手操作;實驗結束后，與老師一起分析實驗結果，提出實驗過程中存在的問題，由老師告知現場工程可能遇到的問題，師生共同研究是否需要改進儀器功能或增加輔助設備以滿足實驗要求。

實驗教學是石油工程學科最基本的教學手段之一。石油工程巖石力學實驗屬于在鉆井工程、完井工程、油氣田開發、巖石物理等多門學科的重要教學內容。巖石力學實驗室的相關實驗裝置也是圍繞上述學科的基礎研究進行采購。研究生的巖石力學實驗課程如果主要是通過教師講解實驗操作安全規范和流程，讓研究生結合教材知識點進行操作和測試相關參數，就不利于研究生對石油工程巖石力學實驗理論和方法的綜合掌握，沒有充分引導研究生對實驗現象和問題進行思考，尤其是難以提高研究生對巖石力學實驗裝置的改造和研發能力。此外，根據工程需求，要圍繞現場實際問題進行調研，與現場工程師開展技術交流，結合施工難點設計實驗方案，調研國內外實驗裝置的可行性，形成設備研發思路，制訂實驗解決方案。鼓勵研究生根據校內課程體系對相關學科進行交叉學習，例如石油工程學院的研究生可以選擇機械學院的主干課程，旁聽重要章節，研究文獻，加強自學能力。對于實驗室內的小尺度研究需要制定相似準則以滿足現場尺度要求。導師需要估計研究生的學習研究基礎，同時注意引導研究生掌握設備安全知識和規范操作。此外，還需要要求研究生針對實驗裝置設計問題學習機械制圖和設計，了解鋼材選型，查找相關配件采購地點，到加工車間與師傅進行實時交流，探討儀器設備組合安裝存在哪些問題，保證設備運行的可靠性。

四、結束語

實驗室重視設備和儀器的研發是高校轉型改革的重要途徑，我國高校可以把提高研究生的科研創新能力作為本校實驗室改革的突破口。石油工程院校加強培養研究生研發巖石力學實驗裝置的能力，還可以解決研究生科研水平不高、動手能力不強的問題以及畢業生就業結構性矛盾。

應該鼓勵工科學生在校期間進行相關重點學科的交叉選課，選修感興趣的實踐應用型課程，不要像修雙學位那樣選擇另一個學科的所有課程。也就是既要培養研究生的研究興趣和創新能力，又要實現其課程學習的真正減負。

[責任編輯：龐丹丹]