采油工程实验-裂缝导流能力模拟实验

中国石油大学（采油工程）实验报告

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实验三裂缝导流能力模拟实验

一、实验目的

1.了解岩石被支撑裂缝的导流能力随闭合压力变化的关系、以及在相同闭合压力条件下铺有不同层数的支撑剂的裂缝导流能力的差异；

2．析说明达西公式与二项式公式计算出的结果不同的原因； 3. 熟悉压力试验机的操作及实验流程。

二、实验原理

裂缝的渗透率可由气体渗流的流量来反映，测量气体在不同入口和出口压力下的流量后，可通过气体径向渗流的达西公式来确定裂缝的导流能力。

三、实验仪器和材料

1. 仪器：NYL—200D型压力试验机或NYL—2000D型压力试验机，空气压缩机—供气源，定值器—气源开关，精密压力表，浮子流量计，岩心（钢板）模，游标卡尺，放大镜。

2. 材料：不同产地的压裂砂、陶粒。

四、实验步骤 （一）实验准备

1. 在附表1中记录使用的砂子产地、粒径、名称及某温度下的气体粘度； 2. 游标卡尺量出岩心模的外径ro及孔眼的内径re记录附表1中，用作计算岩心模面积；

3. 称一定重量的砂子（记下砂子的颗粒直径）均匀地铺在缠有铜网的岩心面上，要保持单层，铺完后用放大镜检查一下砂子是否铺的均匀和紧密。然后称剩余砂子的重量，二者之差即为铺在岩心上的砂重，并按下式计算出支撑剂的浓度：

支撑剂（沙子）的浓度=单层支撑剂的重量，g/cm2铺有支撑剂岩心的面积

将此浓度值记入表1中。

4. 将上岩心片（孔眼向下）放于下岩心片的上方，然后上下岩心片放在试验机下承压板中心位置。

5. 认真记录试验机载荷刻度盘上读出加载值。

图3-1 岩心模型

（二）岩心加压法

1. 岩心放在下承压板上，用手旋转螺杆将上承压板合并，压住岩心模型，

准备加载。 2. 旋紧回油阀，按绿钮开机器，用送油阀慢慢加压，通过控制送油阀开启程

度控制加压速度，当主动指针（黑针）转到1.5吨（或1KN）时,将送油阀放慢关闭维持此点上，将定值器打开使气体进入浮子流量计中，同时浮子上升，调节定值器旋钮,使浮子指示到流量计刻度的最高度值。 3. 送油阀继续开动，当指针加到所规定的吨数时，保持指针示数不变。同时

读出流量数Q和对应的压力P（精密压力表示数）,记录在附表3中。 4. 需要载荷分别依次加到

30kN 50 kN 70kN 100kN 120kN 150kN 180kN 200kN 250kN 300kN 读出相应的P，Q值，用达西公式计算。

注意：在测点70、120、180kN处，保持载荷不变，改变P（调定值器阀），读出 Q, 每测点共记5组数据于表2中，用于二项式公式计算。 5. 实验结束后，关送油阀，按红钮关电源，慢慢打开回油阀卸载，将岩心取

出，观察支撑剂破碎情况。 6. 双层支撑剂测定：将重量为岩心上铺设单层时支撑剂重量二倍浓度分量的

支撑剂铺于岩心表面，依次按步骤（二）进行操作，测出不同载荷下的P及Q值记入表3、表2中。

五、实验数据处理

(1)实验测得的的数据如下所示：

表1 基本参数

岩心外半岩心孔眼半岩心面积 径ro（cm） 径re（cm） （cm2） 4.515 0.512 63.2185 支撑剂浓度（g/cm2） 单层 0.3195 双层 0.6332 空气粘度 （mPa·s） 0.01789 支撑剂 目数 20/40 产地 胜利油田

表2 变载荷下的流量与压力关系数据 载荷 （kN） 50 70 100 120 150 180 200 单层 入口压力 （MPa） 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 出口压力 （MPa） 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 浮子流量 (m3/h) 0.89 0.89 0.89 0.89 0.89 0.89 0.89 入口压力 （MPa） 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 双层 出口压力 （MPa） 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 浮子流量 (m3/h) 0.90 0.90 0.80 0.90 0.90 0.90 0.90

（2）数据计算

①计算闭合压力：（以50kN载荷为例）

P闭合 =

50000加压载荷（kg）?80.70(kg/cm2) ? 2辅有支撑剂的岩心的面积（cm）9.8?63.06同理可求出其他测点的闭合压力（见下表）；

②计算裂缝导流能力（达西公式）：

roQμPnlnre KfW=π（P2-P2）io式中：

Q — 气体流量， cm3/s ；

μ—气体的粘度， mPa..s；

Pi — 流量计进口处压力， atm ； P0 — 岩心出口处压力， atm ；

Pn — 气体平均压力，Pn =（Pi + P0 ）/2； r0 — 岩心的外部半径， cm ； re — 岩心孔眼半径， cm ；

2?cm?m 。 KfW— 裂缝的导流能力，

Pn?Pi?P00.2?0.1??0.15atm 22则裂缝导流能力为：

?0.89?106r14.515???o?0.01789?0.15??lnQ?Pln?3600nr0.101350.512????1.553?m2?cmeKW??f12?0.12??????P2?P2????0.2??o??i2??0.10135

同理可求出其他测点的裂缝导流能力（见下表）；

表3 不同载荷下的闭合压力和裂缝导流能力 载荷（kN） 50 70 100 120 150 180 200 P闭（kg/cm2） 80.70 112.99 161.41 193.69 242.11 290.54 322.82 2?cm?mKfW（） 单层 1.553 1.553 1.553 1.553 1.553 1.553 1.553 双层 1.570 1.570 1.570 1.570 1.570 1.570 1.570

做出闭合压力与裂缝导流能力的关系曲线如下图所示：

图一 闭合压力与裂缝导流能力的关系曲线

导流能力1.61.51.41.31.21.11050100150200250300350闭合压力kg/cm2单层双层结论：由图可得，在一定范围之内，岩石被支撑裂缝的导流能力不随闭合压力变化而变化。

③计算裂缝导流能力（二项式公式）：裂缝导流能力载荷为120kN 据表4分别计算单层和双层时和Q的值，如表5所示：

表4 定载荷下的流量与压力关系数据 载荷 （kN） 单层 入口压力 （MPa） 0.2 0.204 120 0.21 0.216 0.222 出口压力 （MPa） 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 浮子流量 (m3/h) 0.89 0.90 0.82 0.94 0.96 入口压力 （MPa） 0.2 0.206 0.213 0.218 0.224 双层 出口压力 （MPa） 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 浮子流量 (m3/h) 0.90 0.92 0.94 0.96 0.98 Pi?PoQ22

22表5 120kN载荷下

单层 Pi2Pi?PoQ及Q的值

双层 Pi?PoQ22 0.011813708 0.012311739 0.012990371 0.013666969 0.014341661 作

Pi?PoQ22?PoQ2Q 247.2222222 250 255.5555556 261.1111111 266.6666667 0.011682445 0.012356471 0.013187119 0.013699127 0.014367977 Q 250 255.5555556 261.1111111 266.6666667 272.2222222 与Q的关系曲线，如下图所示：

图二

Pi?PoQ22与Q的关系曲线

0.0150.01450.0140.01350.0130.01250.0120.01150.0110.01050.01245y = 0.0001x - 0.0196单层双层线性 (双层)线性 (单层)y = 0.0001x - 0.0185250255260265270275

由图可知：单层A=0.0196，双层A=0.0185 则有裂缝在120kN载荷下，导流能力为： 单层支撑剂KfW??Alnro0.017894.515??ln?1.987?m2?cm re0.01960.512双层支撑剂KfW??Alnro0.017894.515??ln?2.105?m2?cm re0.01850.512六、注意事项

（1）不要触摸在压力试验机下的岩心室；

（2）开动压力试验机前，一定要检查回油阀是否处在关闭状态； （3）观察的浮子流量计应读取测量时间内的平均值； （4）要保证岩心室处在压力试验机下承压板的中心位置； （5）出现意外情况时先关闭电源。

七、思考题

1.给出实验流程示意图（用方框图表示）

用游标尺测量岩心 模型的内外半径 用电子天平称 取2 0克 石英砂 测量完毕，关闭 仪器，换用40 克 石英砂，重复 上述步骤 将石英砂均匀平 铺于岩心模型上 盖好后放在承压板上 打开进气阀并 逐渐 加压，记录各压力 值下的数据 实验完毕，关闭 仪器并整理 答：

2. 分析气体达西公式的使用条件

答：气体达西公式适用于低速、单向、稳定的气体流体。 3.气体达西公式与二项式公式求解结果的对比分析

答：气体达西公式使用于低速流体，而二项式公式使用范围相对较宽，在流 速较高时精确度较好。

4. 影响裂缝导流能力因素有哪些？

答：影响裂缝导流能力的主要因素有支撑剂的颗粒直径、圆球度、均匀度及 强度、铺砂浓度和压裂液的性能、地层的闭合压力、温度、压裂液与地层作 用时间等。

5. 应该采取什么样的措施减少支撑剂的嵌入对裂缝导流能力的影响？ 答：增加铺砂浓度，选择适用地层的支撑剂。

6.实验过程中，观察到了什么样的实验现象，并给出自己的解释？

答：在整个实验过程中，在给定的实验条件下，出入口的压力和浮子流量基 本不发生变化，双层时浮子流量有所增加。这是因为小于一定的闭合压力时， 裂缝的导流能力不受闭合压力的影响，双层支撑裂缝的导流能力比单层支撑裂 缝的导流能力强。

八、实验总结

通过本次试验，熟悉了实验的流程，熟悉了压力试验机的操作，观察了岩石 被支撑裂缝的导流能力随闭合压力变化，了解了在相同闭合压力条件下铺有不同层 数的支撑剂的裂缝导流能力的差异，对课堂学到的知识加深了理解与认识，谢谢老 师的指导。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/y9fh.html