壓裂實驗裝置

❶ 考慮鐵離子影響的元素硫沉積傷害實驗

水力壓裂技術和酸化技術是目前改造低滲透油氣儲層的主要手段，對於含硫氣藏，水力壓裂技術和酸化酸壓技術都面臨著重大的挑戰［74］。針對高含硫儲層的酸液配方還值得深入研究和評價，也面臨單質硫沉積和硫化亞鐵沉澱對儲層的二次傷害。

有效解決儲層改造中的控硫控鐵難點問題，必須立足於對含硫化氫氣藏儲層特性和硫化氫特定理化性質的系統研究，弄清高溫、高壓、高含硫條件下Fe（Ⅱ）—H₂S、Fe（Ⅲ）— H₂S的反應特性、儲層酸—岩反應機理及酸蝕裂縫導流能力的影響因素，提出針對性強的酸液體系與酸壓工藝。對含硫化氫氣井的處理，主要集中在控鐵沉積上以及相應的溶劑研究方面^［75］。但對於實際儲層高溫高壓的情況，特別是對於沒及時返排出地層的殘余酸液中鐵離子對儲層產生的傷害及傷害程度還缺乏相應的實驗研究。

為更好地模擬施工結束後殘余酸液中鐵離子對儲層產生的傷害，利用溶解有飽和元素硫的天然氣通過含鐵離子的露頭砂壓制的人造岩心，建立並模擬完成了儲層元素硫沉積衰竭式傷害滲流實驗。

3.2.1 酸液中鐵離子對高含硫氣藏儲層產生的傷害

作為酸壓工作液的工業級鹽酸，本身含有相當數量的Fe3＋，這是硫化氫油氣井酸壓作業中三價鐵的主要來源。從而酸壓作業過程中不可避免地會產生一定量的鐵離子（Fe^3＋，Fe^2＋），在H₂S存在的條件下，Fe^3＋和Fe^2＋的沉澱行為會發生很大的改變（與常規條件相比），極易形成硫化亞鐵沉澱，引起嚴重的地層傷害。與不含硫化氫的情況相比，鐵沉積的控制變得更加復雜和困難。外來流體中只要存在Fe^3＋，便立即與H₂S發生氧化—還原反應，Fe^3＋被還原成Fe^2＋，同時S^2-被氧化成S⁰從溶液中析出：

圖3.5 平均壓力與滲透率之間的關系

整個實驗傷害來源於兩部分組成，一部分來源於鐵離子與硫化氫發生化學反應，其次則是隨著溫度壓力的降低，元素硫沉降所產生的傷害。從圖3.5中可以看出，初期斜率普遍較大，主要以化學反應為主，後期曲線偏向平緩，這更加說明了化學反應的產生對儲層傷害的嚴重性。

❷ 採煤工作面如何布置

採煤工作面布置:一是單工作面和雙工作面兩種布置形式。
單工作面布置形式:在區段上部和下部各布置一條平巷，准備出一個採煤工作面。
雙工作面布置形式:也叫對拉工作面，就是利用三條區段平巷准備出兩個採煤工作面。

❸ 海相碳酸鹽岩儲層損害的室內評價及損害機理

當儲層受到損害時，宏觀上表現為滲透率下降，有效滲透率的下降包括絕對滲透率的下降（即滲流空間的改變）和相對滲透率的下降。滲透空間的改變包括：外來固相侵入、水敏性損害、酸敏性損害、鹼敏性損害、微粒運移、結垢、細菌堵塞和應力敏感損害；相對滲透率的下降包括：水鎖、鹼敏、潤濕反轉和乳化堵塞等。從微觀上講，影響儲層滲透率的內在因素主要包括：岩石礦物組成、結構、構造、儲集空間結構、岩石表面潤濕性、流體性質；儲層損害的外因主要指：入井流體性質、壓差、溫度和作業時間等。到目前為止，還沒有真正形成一套系統的海相碳酸鹽岩儲層保護的實驗技術和方法，大部分工作都是借鑒碎屑岩儲層保護的研究思路和方法。

3.5.1.1 儲層損害的室內評價

儲層損害評價技術包括室內評價和礦場評價，室內評價的目的是研究油氣層敏感性，配合進行機理研究，同時對即將採用的保護技術進行可行性和判定性評價，為現場實施提供依據。圖3-167是儲層損害室內評價實驗流程框圖，常規的儲層損害室內評價方法主要是通過獲取所研究地區儲層岩心或採用標准岩心，在模擬儲層現場條件的情況下，進行岩心流動試驗，在觀察和分析所取得試驗結果的基礎上，研究岩心損害的機理。

中國海相油氣勘探理論技術與實踐

式中：K為初始滲透率（升高圍壓曲線起始點），10^-3μm²；K_min為最低滲透率（一般為升圍壓曲線終止點），10^-3μm²；Δσ為有效應力變化值，MPa。評價應力敏感性的定量指標：R_σ為3～2，2～1，1～0時，損害程度分別為弱，中，強。

傳統的油層損害的損害度R，只是岩樣滲透率降低的百分率，沒有考慮有效應力的變化幅度。不能直接反映有效應力的影響。應力敏感性損害度R_σ，則反映了有效應力變化因素，更具科學性和實用性。

（3）工作液對儲層的損害評價

主要指藉助各種儀器設備，預先在室內評價包括鑽井液、完井液、壓井液、洗井液、修井液、射孔液、壓裂液、酸化液等工作液對油氣層的損害程度，達到優選工作液配方和施工參數的目的。

1）工作液的靜態損害評價。該方法主要利用各種靜態濾失實驗裝置測定工作液靜態濾失系數和工作液濾入岩心前後滲透率的變化，來評價工作液對油氣層的損害程度並優選工作液配方。實驗時，盡可能模擬儲層溫度和壓力條件。用式來計算工作液的損害程度：

中國海相油氣勘探理論技術與實踐

式中：R_s為損害程度；K_o為損害後岩心的油相有效滲透率，μm²；K_o為損害前岩心的油相有效滲透率，μm²。

R_s值越大，損害越嚴重，評價指標同表1。

2）工作液動態損害評價。在盡量模擬地層實際條件下，評價工作液對油氣層的綜合損害，為優選工作液配方和優化施工工藝參數提供科學依據。動態損害評價與靜態損害評價的區別在於：靜態評價時，工作液處於靜止狀態，而動態評價時，工作液處於循環或攪動的運動狀態。採用多點滲透率傷害評價儀還可以測定工作液浸入岩心後的損害深度和損害程度。

3.5.1.2 中國海相碳酸鹽岩油氣層損害機理

由於海相碳酸鹽岩和砂岩在成因上的不同，儲層在礦物組成、儲集空間和儲滲性能方面有很大的差別。

●碳酸鹽岩儲層的裂縫相對砂岩較為發育，使得儲集空間體積的總孔隙度一般很低，但局部孔洞縫發育帶的孔隙度和滲透率值很高，其孔隙度和滲透率之間的相關關系不如孔隙型儲層。

●碳酸岩儲層和碎屑岩儲層中的敏感性礦物類型、含量和產狀有著很大的差別。碎屑岩儲層中的敏感性礦物主要是黏土礦物，且通常位於外來流體和儲層中本身流體首先與之接觸的粒表、粒間暴露處，因而敏感性礦物，特別是黏土礦物，是碎屑岩儲層敏感性的主要內因。而碳酸岩儲層黏土礦物含量較少，並且主要是沉積成因，與碎屑岩中的黏土礦物相比，在岩石中分布相對均勻，而孔喉的表面和裂縫的縫面通常不具有優勢分布，因此由黏土礦物所造成的「外來流體與地層岩石不配伍」傷害比碎屑岩要弱得多，但碳酸岩或白雲岩儲層有本身特徵的敏感性礦物，如鐵方解石、鐵白雲石等，遇酸會釋放大量的Ca²⁺、Mg²⁺離子，Mg²⁺離子在鹼性條件下比Ca²⁺離子相對易於沉澱，形成Mg（OH）₂沉澱，黃鐵礦和鐵方解石和鐵白雲石遇酸後會釋放出鐵離子，在鹼性環境下易形成Fe（OH）₃沉澱。因此，儲層有潛在的較強酸鹼性。

●裂縫作為主要滲流通道的儲層，其滲透率大小直接決定著儲層的產量。裂縫的平、直、寬特點，使其通常具有較高的流體通過能力，固相顆粒易侵入儲層較深部位，而侵入的濾液則在裂縫壁上形成泥膜，使孔喉明顯縮小。

●在生產過程中由於孔隙壓力不斷下降，上覆岩層負荷應力與孔隙壓力之間的差值（即有效應力），可使裂縫在高圍壓下閉合，使滲透通道縮小，造成傷害。

一般認為，碳酸鹽岩油氣層的損害主要是外來固相侵入、濾液侵入、應力敏感等。固相顆粒及濾餅是造成碳酸鹽岩裂縫型油氣層損害的主要因素，水相圈閉和濾膜是損害孔隙型碳酸鹽岩油氣層的主要因素。裂縫-孔洞型碳酸鹽岩油氣層一般基質滲透率很低，裂縫是主要儲集空間和滲流通道，因此工作液對基質的入侵可忽略，應集中考慮裂縫可能受到的損害。從儲層保護的角度，根據儲層裂縫在油藏條件下的寬度對這些裂縫進行分類：一類是由中—小裂縫組成的儲層，所謂中裂縫指寬度介於10～100μm的裂縫；小裂縫指寬度介於1～10μm的裂縫；而微裂縫指寬度小於1μm的裂縫，因其與岩塊基質的平均孔隙、直徑相近，可列入基質孔隙范疇；另一類為大裂縫儲層，指裂縫的寬度大於100μm的裂縫。油氣層岩性可分為泥質碳酸鹽岩和灰質碳酸鹽岩。濾液和固相顆粒堵塞是損害碳酸鹽岩油氣層的共同因素；但裂縫寬度不同和岩性差異導致的化學組成不同；損害機理不盡相同；較大裂縫主要是固相堵塞造成的損害，液相損害對泥質碳酸鹽岩裂縫更為嚴重。對於碳酸鹽岩油氣層（特別是氣層）中的微裂縫，水鎖損害尤為嚴重，原始含水飽和度、滲透率、儲層潤濕性和界面張力均有較大影響。

（1）固相顆粒浸入

儲層壓力條件下，對裂縫寬度大於100μm的儲層，在鑽井施工中遇到的最大問題是儲層漏失，其漏失的原因可能有如下類型：①正壓差下的漏失；②重力誘導型漏失；③置換性漏失；④溶洞性漏失；⑤其他漏失（漏失同層、邊噴邊漏、地下井噴等）。這些漏失造成最嚴重的地層傷害是固相傷害。由於在鑽井液中90%的固相顆粒粒徑小於50μm，所以當裂縫的直徑大於50μm時，幾乎所有的固相可進入裂縫中，造成嚴重的填充堵塞。

（2）儲層流體敏感性

在鑽井完井過程中，侵入的濾液與儲層中的礦物發生物理化學作用，引起儲層滲透率的變化，稱之為儲層的流體敏感性。敏感性礦物包括黏土礦物和非黏土敏感性礦物。王欣等從微粒的受力分析出發，從理論上討論了重力、范氏力、雙電層力和水動力對微粒的影響，並著重研究了微粒水化分散、運移的臨界濃度和臨界啟動速度等多種影響因素。引起速敏傷害的可運移微粒，既有黏土礦物微粒，也有方解石、鈣長石等其他非黏土礦物的地層微粒。

現階段對儲層流體敏感性損害機理的認識主要集中在由於黏土礦物遇水膨脹，或微粒分散運移而導致地層孔隙度和滲透率下降。Land等指出，盡管做了數百塊岩心實驗，仍未能建立蒙脫石含量與水敏損害程度的關系，即蒙脫石膨脹與引起地層損害沒有直接的關系，這意味著不含膨脹性黏土礦物的地層也會受到損害。

（3）應力敏感性

Duan對不經打磨的自然裂縫（儲層的自然裂縫和地面露頭的自然裂縫以及大量的人造裂縫）表面特性進行了深入分析，並對自然裂縫的應力敏感性進行了數值模擬，建立了裂縫-孔隙型儲層應力損害的分析方法和評價方法。

蔣官澄對裂縫型儲層的應力敏感性進行了研究，通過對裂縫型儲層的滲透率和裂縫寬度與有效應力之間的關系進行回歸分析，認為裂縫型碳酸鹽岩儲層還存在著應力敏感性和滯後效應。景岷雪等通過實驗得出，應力變化幅度對岩心最終滲透率損害程度影響不大。孔隙型岩心應力敏感性小於裂縫型岩心，而天然裂縫型岩心應力敏感性小於人造裂縫岩心，且人造裂縫岩心受應力發生滲透率損害後，該損害過程幾乎不可逆。

Ayoub研究了有效應力與碳酸鹽岩岩樣滲透率之間的關系。隨著有效應力的增加，滲透率呈現三種變化趨勢：①由於實驗岩樣含有粒間孔，滲透率平緩下降；②岩樣含有溶蝕孔時，滲透率先是急劇下降，然後平緩的降低；③由於岩樣中黏土礦物反抗凈壓力而導致滲透率升高。

何健等指出，裂縫-孔隙型碳酸鹽岩儲層應力敏感中等偏強，孔隙型儲層應力敏感程度弱。對於模擬地層溫度、地層上覆壓力、地層孔隙壓力、地層含水飽和度的全直徑岩心的滲透率應力敏感性分析和測試實驗目前在國內外尚屬空白。

（4）氣層損害機理

氣層與油層相比，有很多不同之處。自然界中存在的氣藏大多數是低滲氣藏，儲層普遍具有低孔、低滲、強親水、大比表面積、高含束縛水飽和度、高毛細管力和低儲層壓力特點。這些特點決定了氣層易受到損害，並且一旦損害，解除比較困難。因此進行氣層損害有關研究也是十分重要的。

與油層損害相比，對氣層損害的研究深度遠遠不夠。從歷史上看，國內外均長期有「重油不重氣」的傾向，所以低滲氣藏的研究得不到重視；另一方面從滲流力學的觀點分析，氣體本身具有可壓縮性，在儲層中滲流時，因滑脫效應而表現出與液體不同的滲流行為，特別是在低滲儲層中，有些學者認為，氣體滲流具有非達西特性，這些均增加了滲流行為的復雜性。另外，氣層表面絕大多數是水濕的，親水現象嚴重，增加了滲流行為的不定性。這些都增加了氣層損害研究的難度。近幾年來，D.Bennion等人對氣層損害機理進行了比較系統的概括性總結，對鑽井過程中的氣層損害機理總結為：①儲層本身質量問題；②水鎖效應；③欠平衡鑽井中的反向自吸；④鑽井液固相侵入；⑤鑽具在孔壁磨光和壓碎現象；⑥岩石-流體間相互作用；⑦流體-流體間相互作用。

另有研究表明氣層由於具有較強的應力敏感性，越是低滲氣藏，特別是裂縫-孔隙性流道，應力敏感性越明顯。應力敏感性是由於很多扁平或裂縫狀的孔隙和毛細管的關閉引起的，在氣藏開采過程中，隨著儲層中天然氣的采出，這種由於儲層有效應力改變而引起的滲透率的降低是非常嚴重的，據國內外資料報導，應力敏感性可導致低滲氣藏的滲透率下降50%～90%。目前國內外還沒有建立起一整套針對低孔低滲氣藏損害的評價指標，包括對應力敏感性的評價指標。

水鎖效應對低滲氣藏滲透率的影響尤為嚴重。據國內外資料報道，液相在氣藏中滯留（即水鎖）是氣藏的主要損害因素，氣藏滲透率越低，影響越嚴重。

Bennion探討了水鎖形成機理、影響因素和損害消除方法，Bennion等認為水鎖是由於儲層初始含水飽和度遠遠小於束縛水飽和度引起的。賀承祖根據毛細管束模型，從理論上分析指出外來流體在油氣層中的毛細管力是控制水鎖效應的主要因素，而表面張力只是影響毛細管力的一個因素，此外還必須考慮接觸角和毛細管的有效半徑影響。碳酸鹽岩油氣藏也存在超低含水飽和度的現象，當氣藏初始含水飽和度低於束縛水飽和度或不可動水飽和度時，即處於「亞束縛水狀態」，一旦水基工作液接觸氣層或地層中其他部位的水竄入氣層，或凝析水在氣井附近集結等過程，導致氣井周圍含水飽和度增高，甚至超過不可動水飽和度，結果氣相的相對滲透率大幅降低，造成水鎖損害。水鎖是氣層第一位也是最基本的損害因素，嚴重製約碳酸鹽岩氣藏的發現成功率和經濟開采。

張振華等人對來自輪南古潛山裂縫性碳酸鹽儲層的岩心研究後認為，古潛山儲層存在明顯的水鎖效應。儲層的初始含水飽和度越低，岩心的絕對滲透率越小，水鎖效應越嚴重，並認為加入表面活性劑是減小水鎖效應的有效途徑。

❹ 中國大陸科學鑽探（CSDC）的最新進展

劉廣志

（地質礦產部科技委高咨中心，北京100812）

中國大陸科學鑽探（CSDC）籌備工作，自進入90年代以來，獲得了迅速的進展：

·召開了「中國深部地質研究中存在的關鍵地質問題」研討會（1991.3）。

·「中國大陸科學鑽探先行項目」開始執行（1991.7）。1994年11月提交有關報告，通過評審，認為中國開展大陸科學鑽探條件業已成熟，爭取列入「九五」國家重大科學工程項目。

·國務院發布的「國家中長期科技發展綱要」中指出：2000年前要為實施地質科學（超深）鑽探工程進行技術准備，2020年前要實施（1992.3）。

·先後召開了第一次（1992.4）、第二次（1993.5）「中國大陸科學鑽探研討會」，討論中國科學鑽探選址，從12個選區歸結為4個，最後選擇大別—膠南作為首批靶區。

·「中國地質超深鑽探（現稱科學鑽探）國家專業實驗室」在中國地質大學（北京）建成，進入設備安裝調試（1993.5）開展科研工作。

·中國派代表團參加在德國波茨坦召開的「國際大陸科學鑽探會議」（1993.8），並參加ICDP籌備會（1993.9）。此後地質礦產部推薦肖序常院士為中方成員（1994.1）。地質礦產部派肖序常、閔志到美國斯坦福大學參加ICDP會議（1995.12）。

·「中國第一口大陸科學鑽孔實施與科學研究」正式申報為「九五」國家重大科學工程項目。國家科委組織高級專家評議、投票，排名第三（1995.2）。財政部同意支付ICDP會費（1995.7）。以「大陸動力學和大陸科學鑽探」為題舉行了第36次香山科學會議。中國地質界對中國開展大陸科學鑽探取得共識（1995.5）。

·再次舉辦「中國大陸第一口科學鑽孔第三次研討會」（1996.1）。對大別—膠南作出進一步靶區選定；並組織專家進行現場考察。

·（1996.2.26～3.1）在日本東京築波市科學城參加「第八屆通過鑽探觀察深部地殼學術會議」，即「第八屆國際大陸科學鑽探學術會議」。地質礦產部派6人代表團參加了大會。會議期間：①參加了學術1、6兩組的大會論文宣講；②參加了ICDP中美德三國諒解備忘錄的簽字儀式，並參加了該計劃對組織管理、未來國際合作的大型討論會；③劉廣志參加了國際岩石圈（ILP）CC-4組主席M.D.佐巴克教授主持的匯報會，互通了各國CC-4組的活動簡況，提出了今後活動方向。

·配合中國第一口大陸科學鑽探的選址工作，提出了「中國第一口大陸科學鑽探取心鑽孔鑽探工程技術前期研究與開發規劃」（1996.3）。

1中國大陸科學鑽探先導孔施工技術方案

1.1施工條件

（1）鑽孔深度不超過5000m。事先由地質部門提出預想鑽孔柱狀圖及有關地球物理資料。

（2）鑽孔貫穿的主要岩層為結晶岩，如片麻岩、榴輝岩、硬玉石英岩、大理岩等等。

（3）貫穿的岩層主要物理力學性質，單軸抗破碎強度可能高達100～150MPa，個別高達150～200MPa，在地質鑽探岩石可鑽性分類中屬7～12級硬至堅硬岩層，個別屬極硬岩層。岩層研磨性可能成兩極分化狀態，多數屬強、高研磨性；少數屬堅硬、緻密弱研磨性打滑層。有的含包裹體。

（4）岩心是提取大量地質信息的「信息源」，是研究下地殼、上地幔的實物資料，鑽孔直徑要有足夠大的尺寸，以獲取盡可能大直徑的岩心。

鑽孔又是井中地球物理、地球化學測井的通道，其直徑和孔壁穩定性要滿足先進的高科技測井儀下井的要求。

1.2科學鑽探先導孔的主要任務和作用

（1）全孔除覆蓋層以外，要不間斷採取岩心、岩樣，液態樣（礦化水，結晶水，油等），氣態樣（H₂,O₂,CO₂,He,CH₄,Cl,H₂S,SO₂等可能出現的氣體），進行多種測試分析。

（2）分孔段進行系統的地球物理，地球化學測井。

（3）減少深孔將來在這一井段的取心，測井工作量。

（4）測量出地溫剖面，在先導孔周圍打一到幾個深100～300多米的測溫孔，測量地熱熱傳導率，熱流密度，以建立地溫數學模型，推斷先導孔地溫剖面，終孔溫度，地溫變化，對在鑽孔深部選擇取心工具，測井儀器，各種取樣器的結構性能，增強薄弱環節是至關重要的。

（5）在先導孔中試驗各種新研製的鑽頭、鑽具、儀器等。

（6）測試地層壓力梯度，壓裂強度，為孔壁穩定性，造斜傾向等提供參考位置與參數。

（7）檢驗過去用於沉積岩鑽孔中的各種儀器和方法在結晶岩鑽孔中是否有效。

（8）鍛煉鑽探隊伍，培養深孔、超深孔鑽探人才。

1.3先導孔鑽孔結構設計

在1993年9月在德國舉行的「國際大陸科學鑽探會議」上，到會代表們幾乎一致的認為，根據多年來國際上施工科學鑽孔經驗，為節省大量投資，更科學的打科學鑽孔，必須大力提倡採用已經在南非和加拿大施工了數百口深度在4000～5000m以深的勘探鑽孔經驗。英國KENTING鑽探公司的John Beswick先生介紹，南非擁有鑽進能力4000m以上的深鑽機150台，鑽進能力大於5000m的鑽機有20多台，根據南非施鑽的經驗，用這類深尺地質岩心鑽，打2000～6000m的科學鑽孔，可以獲得多快好省的科學與經濟效益。

有的專家提出採用加拿大Heath＆Sherwood鑽探公司的HS-150鑽機（鑽深4570m，最大鑽探曾達5424m）和他們設計的專門用於深孔繩索取心用的HNQ,NBQ內外大環隙繩索取心系統，具以下特殊優點：①降低沖洗液壓力降，②內管投入外管後，可快速到達孔底外管的定位處（表1、2）。

表1第一方案先導孔鑽孔結構

註：RTB—帶擴孔的不提鑽換鑽頭鑽具。

如果用第一方案，要設計研製或購置兩套HNQ,NBQ鑽具。

表2第二方案先導孔鑽孔結構

1.4施工技術路線

（1）參照外國施工經驗與我國國情應考慮：我國是一個發展中國家，財政經濟並不寬裕，一切設備、器具、工藝方法應該著意考慮以「自立更生」為主，盡量利用四十幾年來，鑽探工程積累的成功經驗，能予以改進升級的，能自行研製的，則充分發揮自己探礦機械、儀器工廠的潛力（表3）。本著「有所引進，有所不引進」的原則，引進重點國外產品，予以消化、吸收、彌補急缺。

（2）必須採用繩索取心系統，以大幅度降低起下鑽時間，有效縮短施工期；提高岩心品質，實現不提鑽柱或少提鑽柱換鑽頭，減輕工人勞動強度。施工費用可節約1/3。

（3）發揮我國在小口徑孔底動力機並能配合繩索取心系統的技術優勢，開發與採用小口徑螺桿鑽（PDM）、液動錘（Hydro-hammer）驅動的繩索取心鑽具，實現鑽桿不回轉或慢回轉鑽進，一可以節約動力，二可以減輕鑽桿與套管磨耗，三可有效預防鑽孔歪斜（圖1）。

表3目前國產耐溫近300℃的處理劑

圖1孔底動力機驅動的繩索取心系統

（4）大力採用物理—化學方法穩定孔壁，除鑽孔上部孔段下入部分套管外，下部孔段結晶岩中盡可能採用長裸眼鑽進（岩層自穩）。一旦遇到復雜層，岩層失穩，應採用小間隙套管方案。

（5）發揮鑽井液的多信息載體（油氣，礦化水，結晶水，淡水，鹵水，岩屑）作用，輸送大量地質信息（圖2）。

圖2鑽井液多信息載體作用

① 指防井涌、井噴、防塌、縮經等。②指運送岩屑，岩粉作用。③指作為深層流體（油氣，水等）如H₂,O₂,CO₂,CH₄,He,H₂S,CO₂,SO₂以及Na,K,Ca,Mg微粉等在300℃，1000×10⁵Pa狀態下，運載到地面

2中國科學鑽探先導孔鑽探工程急待開展的科研項目

2.1地面設備

（1）頂驅動長行程鑽機用於繩索取心系統，帶桅桿式鑽塔。

（2）微機自控絞車。

（3）全自動鑽桿排架。

（4）自動擰管機

（5）鑽桿疲勞、破裂孔口探傷器。

（6）鑽探操作自動化操縱台（含監測、採集、優化、反饋系統）。

（7）防噴器組（全封閉1套，封鑽桿2套）。

2.2深孔鑽探基礎理論

（1）高溫高壓下的結晶岩岩石物理力學性質，可鑽性分類與破碎機理。

（2）建立高溫高壓試驗設施。

（3）新型重量輕、高強度管材材料。

（4）鑽桿斷裂力學與監測系統。

（5）鑽頭磨損規律與機理。

（6）高溫高壓鑽井液理論：①鑽井液（無固相）聚合物配方、處理劑、添加劑，抗高溫穩定性、固控設備與理論；②高溫高壓鑽井液水力學、流變學、膠體化學理論與實踐。

（7）鑽井力學。

（8）建立機會井資料庫。

2.3深孔鑽探工藝學研究

（1）深孔鑽孔結構與管理程序設計。

（2）不同孔深的鑽具與鑽具穩定。

（3）深孔孔斜防治。

（4）電子計算機輔助鑽進（CDC）系統。

（5）取心取樣工藝，液態、氣態放射性樣品採集工藝，放射性自動檢測技術。

（6）鑽頭與鑽具選擇方案與相應鑽井參數的確定。

（7）不同孔段地溫檢測及其增溫梯度規律。

（8）不同孔段岩石破碎規律，岩石物理力學性質測定。

2.4孔內系統

（1）長壽命金剛石鑽頭與擴孔器。

（2）開發新型超硬材料切削具與取心鑽頭。

（3）用孔底動力機（BHM）驅動的繩索取心系統：①用螺桿鑽驅動的繩索取心系統；②用液動錘驅動的繩索取心系統；③「三合一」式（繩索＋螺桿鑽＋不提鑽換鑽頭）取心系統。

（4）孔壁取心器：①液壓或刮樣器；②孔底電馬達驅動水平取樣器。

（5）高溫高壓氣態或液態取樣器。

（6）小口徑隨鑽測量（MWD）儀。

（7）小口徑垂直鑽進（VDS）防斜系統。

（8）高溫水泥及其固井技術。

（9）高溫穩定、高潤滑性、抗腐蝕鑽井液及其添加劑。

（10）地層測試器、深部流體流量計等。

（11）高精度深孔岩心定向儀及方法。

（12）含鐵鋁合金鑽桿及其合金鋼接頭。

2.5深孔現代化管理

（1）深孔設計、施工、研究資料中系統工程管理（含工程、經濟兩大范籌）。

（2）設計、施工、研究過程中的資料庫。

（3）資料編輯、整理、出版，信息交流。

2.6信息獲取

自覺採取有代表性的樣品和獲取更多的數據，是科學鑽探項目成功的預先要求。採集數據可再分為孔內與地面兩部分。孔內部分包含取心、取砂樣、測井、鑽進與水力測試，孔內地球物理試驗（孔底到地面或兩個孔之間）。地面部分則包括從孔口和泥漿測試裝置取得的固體和液相樣品，包含首次與初步地質描述，化學與物理分析。測井項目則是雄心勃勃、費時的。鑽導孔時，鑽探費用等於測井計劃的費用。測井程序要逐個孔段進行，為減少漏採信息的危險。鑽探結束之後，還要進行長期測量與試驗（圖3）。

圖3

按照KTB經驗野外信息資料整理後直至提出科研報告，均在野外實驗室完成，鑽孔則建成長期觀測站

3《地質超深鑽探（科學鑽探）技術》國家專業實驗室

3.1實驗室的性質和任務

中國地質大學（北京）所屬的《地質超深鑽探技術》國家專業實驗室，是經國家計劃委員會、國家教育委員會於1989年6月批准投資新建的國家級專業實驗室，同時亦是地質礦產部開放研究實驗室，在學術上是一個相對獨立的研究實體。這個實驗室是開展本學科及相關學科的基礎研究和應用基礎性研究工作的重要基地，也是培養本學科高級科技人才的搖籃。

實驗室按照「開放、流動、聯合」的原則，面向國內外同行業開放，歡迎國內外專家學者在本實驗室發布的《課題指南》范圍內申請研究課題，經學術委員會評審批准資助後，來實驗室開展科學研究。也可自帶課題和經費及配套儀器和設備來開放研究實驗室進行科研活動。

3.2實驗室的課題研究領域

（1）大陸科學鑽探

·中國大陸科學鑽探工程的建設與准備工作

·東亞大陸環境科學鑽探工程

·高溫高壓地學模擬實驗裝置（又稱HTHP井筒）（圖4）

圖4高溫高壓地學模擬實驗裝置

（2）鑽探新技術新方法

以岩石力學研究為基礎，採用電子計算機等高新技術，研究新的鑽探技術裝備與方法

·交流變頻調速型鑽機

·繩索取心與不提鑽換鑽頭技術

·碎岩工具的設計與研究

·高溫熱熔法鑽進新技術

3.3研究設施與裝備

碎岩機理與工具研究部分：主要從事岩石物理機械特性，岩石破碎機理，破碎岩石工具以及井下鑽探工具的新技術研究。主要的設備是美國MTS公司的岩石力學試驗機和0～8000赫茲連續可調的中頻感應燒結設備。

計算機應用技術研究部分：主要從事計算機在鑽井工程及其它相關部門中應用技術的研究。主要的設備是計算機控制的鑽井實驗系統，微機群與其外圍設備，以及HP9000系列的計算機工作站。

除上述幾項設施外，實驗室內還專門建立了一個熱熔法鑽井實驗台。

為了實現國際交流，實驗室內還設立了小型學術廳和專家工作室。

岩石圈構造和深部作用

3.4實驗室的管理與組織

《地質超深鑽探技術》國家專業實驗室由國家教育委員會和地質礦產部雙重領導，行政管理屬於中國地質大學（北京）。

本實驗室實行主任負責制。實驗室主任全面負責組織和領導開放研究實驗室的科學研究、學術活動、人員聘任、人才培養、資金使用和行政管理等工作。

實驗室設學術委員會，是學術評審機構。其主要職責是：確定本實驗室的研究方向，制定《課題指南》，審批研究課題，評審科技成果，審議實驗室的經費計劃和組織重大學術活動。

實驗室的固定人員以及客座研究人員均由實驗室主任聘任。並實行任期制，工作成績突出的可連聘。

3.5實驗室的主要研究成果

（1）微機自控鑽進實驗台。

（2）鑽井工藝技術的微機分析系統。

（3）金剛石鑽進原理及最優化鑽進技術的研究。

（4）地質鑽機新型電驅動系統研究。

（5）改善鑽柱工作性狀及井底載荷有效控制方法研究。

（6）不提鑽井底換鑽頭技術。

（7）熱熔法鑽孔新技術。

（8）高溫鑽井液研究。

管理與研究人員

岩石圈構造和深部作用

學術委員會組成

岩石圈構造和深部作用

❺ 帕斯卡裂桶的詳細解釋 要詳細的！！

帕斯卡在1648年表演了一個著名的實驗：他用一個密閉的裝滿水的桶，在桶蓋上插入一根細長的管子，從樓房的陽台上向細管子里灌水。結果只用了幾杯水，就把桶壓裂了，桶里的水就從裂縫中流了出來。原來由於細管子的容積較小，幾杯水灌進去，其深度h很大。
這就是歷史上有名的帕斯卡桶裂實驗。 一個容器里的液體，對容器底部(或側壁)產生的壓力遠大於液體自身的重量，這對許多人來說是不可思議的。
編輯本段帕斯卡桶實驗的改進
該實驗裝置高度太高不便在教室里演示，可啟發學生思考：能否把所有的裝置都相應地縮小呢？答案是否定的．接著再問：管長減小了，液體壓強減小了，液體對木桶的壓力必定減小；而桶盡管縮小了，但其耐壓性幾乎不變，桶就不可能裂開，能否用其它物體來模擬「裂桶」呢？學生自然會想到用耐壓性較低的物體來代替（如薄塑料袋）．比較裝滿水的塑料袋在同質量的一杯水與一管水作用下不同情形，液體壓強的實質就非常容易理解了．
取一個演示液體測壓強用的大廣口瓶（直徑約30厘米，高約40厘米），在瓶下部的側壁管口用橡皮薄膜扎緊密封，將紅色的水從瓶口倒入，隨著瓶中水位的升高，側管的橡皮薄膜漸漸鼓出，可以看到，即使灌滿水後，薄膜鼓出的程度也並不十分明顯（圖1）.這說明雖然瓶中裝了很多很重的水，但對側壁的壓強並不很大.再取一根1米長的托里拆利玻璃管，通過打有小孔的瓶塞插入大瓶中，並把塞塞緊密封.讓一個學生站到凳子上將燒杯中的水用漏斗漸漸灌入管中（圖2），當玻璃管中紅色水升高50厘米以上時，只見大瓶側管的橡皮薄膜大幅度鼓出，現象生動明顯.
編輯本段實驗原理
因為液體的壓強等於密度、深度和重力加速度常數之積。在這個實驗中，水的密度不變，但深度一再增加，則下部的壓強越來越大，其液壓終於超過木桶能夠承受的上限，木桶隨之裂開。
帕斯卡「桶裂」實驗可以很好地證明液體壓強與液體的深度有關,而與液體的重力無關.
編輯本段實驗應用的物理公式
P=ρgh
P 壓強(Pa)
ρ 液體的密度(kg/m³)
g=9.8N/kg（≈10N/kg）
h 深度（m）
計算時單位不能弄錯！
編輯本段原理應用
水壩的下部總要比上部建造得寬一些。
潛水員穿特製潛水服且控制下潛深度。
潛水艇只能下潛到一定的深度。
當下水到一定程度時，鼓膜會受不了。

❻ 深圳市百勤石油技術有限公司的產品與服務

技術能力
高速渦輪鑽井
百勤率先將能達到800-1500rpm高轉速的渦輪鑽井技術引進中國，配合個性化設計的孕鑲金剛石鑽頭，形成了火成岩、礫石層、高研磨石英砂岩地層鑽井提速唯一有效技術。
高級別/深井多分支井
百勤具備1-6級不同完井水平分支井的能力，實現了分支井眼的重進入和選擇性開采。
旋轉尾管固井及多級固井
百勤率先將旋轉尾管懸掛器用於中國陸地固井作業，有效提高固井質量，並將此技術廣泛推廣。
油基鑽井液
在中國非常規能源開發水平井中推廣無粘土相油基鑽井液體系，有效保護儲層，提供良好的井壁穩定性及潤滑能力，大幅度提高鑽井效率。
主要產品和服務 服務項目 主要產品 1 渦輪鑽井服務 2 7/8″- 9 1/2″渦輪鑽具、4″- 16″孕鑲金剛石鑽頭 2 多分支井服務 分支井鑽井和完井配套系統工具 3 旋轉尾管固井服務 旋轉式頂驅水泥頭/旋轉水泥頭、旋轉尾管懸掛器和扶正器 4 旋轉套管固井服務 簡易頂驅、套管驅動系統、固井膠塞、抗扭矩環等 5 分級固井服務 多種機械式和液壓式分級箍 6 油基鑽井液服務 無粘土相油基鑽井液 7 鑽頭服務 各種高效和常規鑽頭 8 套管防磨減阻服務 3-1/2″、4″、4-1/2″、5″、5-1/2″鑽桿非旋轉套管防磨套 9 螺桿鑽井服務 等壁厚長壽高效螺桿等配套工具 10 開窗側鑽服務 套管開窗鑽井配套系統工具 11 定向及水平鑽井服務 井下動力鑽具：常規螺桿、長壽高效螺桿、空氣螺桿、高速渦輪鑽具等
旋轉導向鑽井系統
測量工具：MWD/LWD、Slim MWD以及EMWD等 12 打撈服務 打撈筒、打撈矛、震擊器和強磁打撈器等 技術能力
高溫高壓、高腐蝕完井
具備高溫高壓、高腐蝕完井的完井設計、工具選型和安裝調試的綜合服務能力。
常規完井技術方案設計、技術咨詢及服務
可以根據客戶需求提供最優的完井方案，選擇合理的完井工具，提供優質的服務，為客戶獲取最大的利益。
大位移完井
完成業界內難度較高的大位移井完井作業，最高水垂比高達3.7，平均井深7600米。
高產油井完井
提供針對不同類型的高產油井的井下完井工具，包括封隔器、安全閥及地面控制系統。
雙管完井
提供雙管封隔器、環空安全閥在內的雙管完井系統的設計和產品。
Monobore完井
提供單通道完井工具和服務，如：尾管懸掛器、頂部封隔器、固井附件、大通徑安全閥等，滿足高產井的要求，為將來的修井提供便利。
主要產品和服務 服務項目 主要產品 1 高溫高壓完井服務 2-3/8至9-5/8油管可回收式安全閥及鋼絲安全閥、適合4-1/2至10-3/4套管的各類封隔器、氣舉閥、滑套、化學注入閥、伸縮節、工作筒和球座等 2 鋼絲作業服務 作業設備：試井絞車、井口防噴系統
標准工具：基本工具串、鎖定芯軸送入與取出工具、移位工具等
打撈工具：鋼絲探測器、鋼絲撈矛、鋼絲剪切工具、打撈筒、磁力打撈器等
測試工具：選擇性測試工具、非選擇性測試工具、探測工具
其他工具：脹管器、撈砂筒等 3 井口及採油樹服務 套管頭、套管四通、油管頭、油管掛、採油樹等 4 地面控制服務 單井控制盤、多井控制盤、緊急截斷閥 5 試油服務 地面測試設備、套管井鑽桿測試技術、裸眼井鑽桿測試系統工具等 6 防砂服務 高溫高壓防砂技術、水平井礫石充填防砂技術、單、多層防砂技術配套產品 技術能力
水平井多級分段改造（壓裂、酸壓、酸化）技術
 - 水平井裸眼液壓座封封隔器分段改造技術；
 - 遇油遇水自膨脹封隔器分段改造技術；
 - 水平井水力噴射分段改造技術；
 - 水平井快鑽橋塞分段改造技術；
 - 水平井套管閥固井分段改造技術。
 非常規油氣藏壓裂技術
 - 頁岩油氣藏壓裂技術；
 - 煤層氣壓裂技術；
 - 緻密砂岩油氣藏壓裂技術。
 高溫高壓深井壓裂技術
 強水敏低滲儲層壓裂技術
 井下多次座封跨隔式封隔器找水和堵水技術
主要產品及服務 服務項目 主要產品 1 分段壓裂、酸壓、酸化服務 水平井多級分段改造工具：裸眼液壓座封封隔器、遇油遇水自膨脹封隔器、可鑽橋塞、多級分段壓裂滑套、球座及配套產品 壓裂液、酸液及化學品：常規水基壓裂液體系（適應溫度段30-180℃）及化學品、清潔壓裂液體系及化學品、滑溜水壓裂液體系及化學品、緩速酸液體系及化學品、自生酸液體系及化學品、膠凝酸體系及化學品、清潔自轉向酸液體系及化學品 2 找水/堵水服務 井下多次座封跨隔式封隔器找水工具及配套產品 跨隔式封隔器堵水工具及配套產品 技術能力
化學注入
可以提供綜合防腐方案設計，以及成套化學注入系統工具，幫助客戶以較低的成本達到所需的防腐效果。
動態檢測
動態監測系統最大能達到25,000psi的工作壓力，能應用於最高200℃的嚴酷井下條件，並能保證系統的高度可靠性。
氣 舉
根據產層特點設計合理的氣舉方案，選用合適的氣舉工具和合理的數量，提高採油效率、降低氣舉採油成本。
電潛泵
可提供全系列、多規格的潛油電泵以及配套工具，可以滿足不同井況下使用，具有高可靠性、耐高溫高壓、自動化程度高、兼容性好等優點。
主要產品和服務 服務項目 主要產品 1 氣舉 偏心工作筒、氣舉閥、投撈頭、造斜工具、氣舉閥送入和取出工具等 2 電潛泵 電潛泵、高溫電潛泵、雙電潛泵系統 3 化學注入 化學注入閥、化學注入管線、管線保護器、地面泵送機組、管線絞車等 4 動態監測 感測器、感測器托筒、信號電纜、控制和顯示面板、太陽能供電系統等 技術能力
API相關標准；按照客戶技術規格書要求設計；應用該行業最先進的設計理念；應用公司相關專利技術；採用國際業內公認品質的最先進的流體控制元件。主要產品和服務. 服務項目 主要產品 1 井口控制設備 單井控制盤、多井控制盤、欠平衡井控系統、旋轉防噴器控制櫃、節流管匯控制系統 2 化學試劑注入設備 化學試劑注入系統 3 緊急截斷閥控制設備 緊急截斷閥控制盤 4 自動化監控系統 閉路電視監控系統（CCTV）and 數據監控系統（SCADA） 技術能力
油田試壓裝置是依據API 16A、API 16C、API6A、SY5156等井口及井控設備試壓標准及API Spec11D1-2002（ISO 14310-2001）、API14A等井下工具及安全閥的試壓標准，並綜合了國內外先進技術及工藝研發和製造的國際先進水平的試壓產品，並擁有國家專利證書和企業標准證書。
油田試驗檢測裝置是集試壓裝置、試驗工藝流程、自動化控制、視頻監控及配套設施於一體的大型成套設備，符合HSE職業健康、安全環保要求，功能齊全、器件優良、安全可靠、檢測試驗結果准確無誤。
主要產品和服務 服務項目 主要產品 1 水壓測試設備 攜帶型水壓實驗台，橇裝式水壓實驗台，集中控制水壓實驗裝置 2 氣密封測試設備 攜帶型氣密封實驗台，橇裝式氣密封實驗台，大型氣密實驗裝置 3 實驗室設計建造項目 井口及采氣樹試驗系統，防噴器試驗系統，封隔器性能實驗系統，採油工藝模擬實驗系統，氣舉工藝模擬試驗系統，防沙工藝模擬試驗系統

❼ 油氣田開發工程的相關學校

東北石油大學，簡稱「東油」，原名東北石油學院、大慶石油學院，位於黑龍江省大慶市高新技術產業開發區。東北石油大學源於清華大學石油煉制系，孕育於北京石油學院，誕生發展於中國最大的油田大慶油田，伴隨大慶油田的發現而誕生的一所全國重點大學，是大慶油田大會戰的重要成果之一。東北石油大學以工學為主，工、理、管、文、經、法、教育學多學科協調發展。東北石油大學坐落在中國最大的石油石化基地、被譽為「綠色油化之都、天然百湖之城」的全國魅力城市——黑龍江省大慶市。學校創建於1960年5月，1975年7月更為大慶石油學院，2010年4月1日經國家教育部批准正式更名為東北石油大學，並成為中國石油天然氣集團公司（簡稱中石油）、中國石油化工集團公司（簡稱中石化）、中國海洋石油總公司（簡稱中海油）和黑龍江省四部共同建設高校。
科研概況
東北石油大學教育科研工作堅持為行政部門決策服務，為教育改革和發展服務，為廣大教師服務，為豐富和發展教育理論服務的方向與宗旨，積極開展教育科研的管理與研究工作，促進了教學、科研、管理等各方面的發展。
在科研上，堅持產學研相結合，探索出了「立足大慶，面向石油和石化工業，服務區域經濟」的科研特色。在三次採油、新能源研究等12個研究領域形成了相對穩定、獨具特色的研究方向。「九五」以來，東北石油大學共承擔各級科研課題1700多項，累計獲得科技經費近4億元，有400餘項科研成果獲得各級科技獎勵，其中國家級5項，省部級200餘項。有40餘項成果申請了國家專利。特別是「石油水平井鑽井配套技術」獲得了國家科技進步一等獎，「煤成油的形成環境與成烴機理」獲國家自然科學二等獎，這也是90年代以來國內地學界唯一一項自然科學獎。出版科技專著181部，發表科技論文3500多篇，其中進入國家統計源1623篇，並有105篇被國際三大檢索機構檢索。
截止至2012年6月，教育科研獲獎127項，其中省級一等獎6項，二等獎10項，三等獎7項。2008年1月東北石油大學高教所被中國高等教育學會評為全國優秀高等教育研究機構、1998年被黑龍江省高等教育學會評為1992－1998年度先進集體、2004年被評為黑龍江省高等教育學會系統先進集體、2006年被黑龍江省高等教育學會評為黑龍江省「十五」期間教育科研先進集體。教育科研對促進學校教育決策的作用越來越大，教育科研成為學校教育改革與發展的重要動力。 「油氣田開發工程」是「石油與天然氣工程」一級學科下屬的二級學科。1988年，我校「油氣田開發工程」學科被批准為國家重點學科；以此為基礎，建成了「油氣藏地質及開發工程」國家重點實驗室；2001年該學科再次評為國家重點學科。本學科的主要研究方向為：油氣滲流理論及應用技術、氣田開發理論與方法、採油采氣理論與工程技術和提高採收率理論及工藝技術。本學科在2001年教育部重點學科通訊評議中獲得同意票率為81.82%,排名第一。中石油，中石化，中海油的多位總裁或副總裁畢業於此，被譽為石油界的「黃埔軍校」。
本學科堅持以物理模擬、應用基礎理論研究突破產生的新理論、新觀點為基礎，開發並形成了配套的油氣田開發新技術、新工藝、新材料，以大幅度提高油氣產量及採收率。本學科在油氣滲流理論及數值模擬、天然氣開發與開采方向一直處於國內領先。本學科優勢和特色為：
1、油氣滲流理論及應用技術方向
主要對低滲、復雜裂縫、變形介質、有水氣藏、凝析氣藏、煤層氣等復雜油氣藏及復雜結構井的滲流機理、滲流模式及滲流規律進行研究，建立和完善了多類針對上述復雜油氣藏的滲流模型，形成了上述復雜滲流的非線性滲流理論及相應的應用技術。特別是在低滲透油氣藏、復雜裂縫有水氣藏的數值模擬及數值試井理論、方法和技術等方面取得重大進展。發展了復雜油氣藏數值模擬、試井分析及油氣藏工程的理論、方法和技術。
2、氣田開發理論與方法方向
主要針對凝析氣藏、低滲氣藏、裂縫性氣藏、高含硫氣藏開發和天然氣儲氣庫等特殊氣藏進行研究，形成了特殊氣藏開發流體相態、滲流及物理模擬技術和凝析氣、低滲氣藏與成組成氣藏開發、氣藏經營管理理論方法與配套技術。
3、採油采氣理論與工程技術方向
主要從事油氣開採的基礎理論和應用技術研究，針對油氣開采過程中的重大工程技術難題，以壓裂工程技術、酸化工程技術、機械採油技術、射孔測試技術、注水工程技術等為主要攻關目標，在復雜油氣藏壓裂酸化技術、復雜結構井射孔測試和球塞氣舉採油方面取得重大進展。
4、提高採收率理論及工藝技術方向
主要從事化學驅提高採收率基礎理論與應用基礎理論研究、配套應用技術及驅油化學劑研發，形成了高溫高鹽油藏聚合物驅和復合化學驅提高採收率技術中的聚合物研發及配套關鍵技術，提出了解決如何利用水溶性聚合物分子鏈間作用來建立和提高溶液粘度、以獲得抗溫抗鹽抗剪切的高效增粘聚合物的途徑，為研製適用於各種高溫、高礦化度油藏的抗溫、抗鹽、抗剪切的高效增粘聚合物提供了必要的理論和實驗依據。
本學科以西南石油大學「油氣藏地質及開發工程」國家重點實驗室、中國-加拿大天然氣勘探開發培訓中心、聯合國援建的中國石油天然氣集團公司油井完井技術中心、四川省「天然氣開采」重點實驗室、與中國海洋石油總公司聯合建立的提高採收率重點實驗室和中國石油天然氣集團公司特殊氣藏開發重點研究室等國家和部省級實驗室為支撐，在開發實驗與物理模擬，儲層流體分析，油氣層傷害、保護和評價，採油化學處理劑研製、中試和生產等方面形成了配套研究能力。
近5年來，本學科進一步發揮了復雜油氣田開發，尤其是天然氣開發開采方面的特色，在非常規油氣田開發和開采理論與技術方面實現了新的突破，以這些研究成果為依託，新增了「開發地質學」、「石油工程計算技術」和「油氣田材料與應用」三個二級學科博士點和碩士點，新增了「天然氣開發」教育部工程研究中心和四川省天然氣開發與開采實驗基地。 油氣田開發工程學科是1953年建校時在清華大學石油系基礎上創建的學科之一。1961年獲工學碩士學位授予權，1986年獲工學博士學位授予權，1991年建博士後流動站。1998年被批准為山東省重點學科，2001年被教育部批准為國家重點學科，國家 「211工程」重點建設學科。
學科擁有一支結構合理、實力雄厚的學術隊伍。現有教授15人，副教授及高級工程師21人。其中，博士研究生導師10人，碩士研究生導師50人。
主要研究方向：
油氣滲流理論與應用
油氣井開發原理與系統工程
採油工程理論與技術
提高採收率理論與方法
油氣田開發信息技術與應用
學科建有滲流物理、現代油藏數值模擬、人工舉升、採油化學等實驗室，研製了一批具有自主知識產權、達到國際先進水平的教學、科研實驗儀器設備，開發了各類油藏數值模擬軟體、試井解釋分析軟體、油藏工程分析以及採油工程設計軟體，取得了一大批具有國內外先進水平的標志性成果。
油氣田開發工程學科已成為我國油氣田開發工程理論與技術領域的科學研究和高層次人才培養的重要基地。 主要研究方向
082002油氣田開發工程
01油氣滲流理論與應用
02油氣田開發理論與系統工程
03採油工程理論與技術
04提高採收率與採油化學
05非常規油氣能源開采理論與技術 主要研究方向
082002油氣田開發工程
01油氣田開發理論與方法
02採油采氣工藝理論與技術
03提高採收率理論與技術
04非常規油氣開發
05石油技術經濟 油氣田開發工程學科培養具備獨立從事油氣田開發工程中開發方案設計、油氣藏工程分析、採油工程實施和解決油氣藏開發工程作業問題的能力，可以取得具有一定創新意義的研究成果；能熟練地運用計算機和掌握一門外國語；能夠從事專業及相鄰專業的教學、科研、科技開發和管理工作。
本學科依託1個聯建國家工程實驗室（低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室）、一個教育部工程研究中心（西部低滲-特低滲油田開發與治理教育部工程研究中心）、二個省部級重點實驗室（陝西省油氣田特種增產技術重點實驗室、CNPC油層改造重點實驗室—高能氣體壓裂理論與工藝研究室、陝西省油氣田環境污染與儲層保護重點實驗室）、二個省部級工程及研究中心（CNPC高能氣體壓裂工程技術中心、陝西省油氣鑽采與污染控制工程技術研究中心），師資力量雄厚，現有教授15人，副教授13人。
培養方向主要有：
1、滲流理論和油氣藏數值模擬、
2、採油采氣工程理論與技術、
3、提高採收率理論與技術、
4、油氣藏描述及開發地質建模的理論與方法。 在非常規難開發油氣藏開發方式優選、提高採收率技術和在頁岩氣藏等難開採油氣藏壓裂改造理論與技術和完井技術方面、初步形成了特色鮮明的研究方向，積極介入了頁岩氣及煤層氣開發，在井下鑽井工程和採油工程的狀態檢測與故障診斷方面取得明顯突破。
先後購置了用於非常規岩石分析的關鍵設備-核磁共振岩心分析儀和氣相色譜儀、蒸汽驅模擬實驗裝置、含蠟量測定儀等設備，自建了頁岩氣壓裂裂縫導流能力研究設備、水平井多級壓裂變質量流模擬設備等一批實驗裝備，申請了天然氣水合物開采、特低滲透率岩心驅替相關的一批專利。
根據非常規難開發油氣藏的特點初步研究了配套的鑽采工藝技術、研發了新型的綜合錄井儀等新型工具，基本達到國內領先水平。重點針對難開發油氣藏的地層與流體特點，研究其開發過程中基礎性規律、提高採收率技術和鑽采工藝技術。建成了完善的非常規油藏物理實驗裝置、基礎性的信號檢測設備、電子顯微鏡等。
本方向承擔了一批國家自然基金、教育部重大專項等項目的資助，與友鄰研究單位在此方面合作密切，具有堅實的研究基礎。 石油工程專業是我校向上游學科發展，為滿足東北老工業基地發展對高素質石油人才的迫切需求，於2008年批准設立的本科專業，同年面向全國招生。經過多年的發展，專業建設取得了長足的進步，石油與天然氣工程一級學科於2009年獲批「提升高等學校核心競爭力特色學科建設工程」並已經成為碩士點一級學科。
本專業培養德、智、體全面發展，具有扎實的數理基礎與系統的石油工程專業知識、較強的計算機應用與工程實踐能力，能在石油工程領域從事油氣鑽井與完井工程、採油工程、油藏工程等方面的工程設計、工程施工與管理、應用研究與科技開發等工作的應用型高級專門人才。
石油天然氣工程學院以提高教學質量為中心，以規范教學管理為手段，以學科建設為重點，以全面提高教師隊伍素質為基礎，形成了一支具有高學歷、高水平、高素質、適合21世紀高等教育需要的相對穩定的教師隊伍。
本專業定位於立足遼寧，面向全國，服務石油，培養能夠為地方經濟發展、東北老工業基地振興及國家經濟建設服務的高級應用型工程技術人才。依託全國第三大油田--遼河油田的資源優勢，以及遼寧石油化工大學雄厚的辦學底蘊--突出石油石化特色，石油工程專業形成了鮮明的教學特色和穩定的科研方向，取得了豐碩的成果，為我國石油行業培養了大批優秀的專業技術人才。
本專業科學研究主要集中在低滲透儲層油氣資源的開發利用，包括微尺度多孔介質數值模擬技術；油頁岩原位開采技術，頁岩氣儲層形成與保持機理分析；稠油熱采井筒及儲層傳質、傳熱研究；淺薄層油砂儲層評價、採油工藝選擇等非常規油氣儲層研究；超稠油儲層物性評價，孔隙流體流動特性研究等。

❽ CT掃描火山岩水力裂縫擴展物理模擬研究

孫志宇 劉長印 李宗田

（中國石化石油勘探開發研究院，北京 100083）

摘 要 採用大尺寸真三軸實驗系統及CT掃描裂縫監測方法，直觀有效地觀察了微裂縫、孔洞發育的大尺寸火山岩露頭岩樣水力裂縫擴展規律，分析了不同主應力差、岩石孔隙、天然裂縫發育程度對火山岩壓裂裂縫擴展的影響，該方法在國內外尚屬首次。實驗結果表明，火山岩質地堅硬，難以壓開，壓裂過程中具有明顯的泵壓波動；裂縫擴展總體上受水平主應力狀態控制，但天然裂縫空間位置、長度、熔孔發育程度及岩石特性會影響裂縫起裂、延伸壓力及裂縫形態，形成復雜的裂縫系統：井筒附近的天然裂縫、孔洞會改變水力裂縫起裂次序及擴展方向，而火山岩獨有的岩石特性又會使裂縫的空間展布較為扭曲。

關鍵詞 CT掃描 裂縫擴展 物理模擬 火山岩

Research of Physical Modelling on HydraulicFracture Propagation by CT Scan in Volcanic Rocks

SUN Zhiyu，LIU Changyin，LI Zongtian

（SINOPEC Exploration ＆ Proction Research Institute，Beijing 100083，China）

Abstract Applying triaxial experimental system and CT scan monitoring method，the propagation rule of hydraclic fracture in large-size volcanic outcrop rock sample with lots of micro-cracks and holes can be observed effectively，also the effects of stress difference，rock pores and nature fractures on hydraclic fracture propagation can be analyzed，which is first used all over the world.The results show that，the volcanic rock is very hard to crack，and the pump pressure fluctuates obviously in the treatment；the fracture propagation is mainly controlled by horizontal principle stress but nature fractures location and length，rock pores size and rock characteristics also have significant effects on fracture initiation，extension and fracture geometry to cause complex fracture system. Nature fractures and pores near wellbore may change the direction of fracture and the special rock characteristics of volcanic rock may cause the fracture tortuous.

Key words CT scan；fracture propagation；physical modelling；volcanic rock

針對大尺寸岩樣水力壓裂裂縫起裂和延伸的實驗研究，前人做了大量的工作，取得了一定的成果^［1～9］，但是，這些實驗都是針對均質的水泥塊砂岩，不能用來反映火山岩壓裂裂縫起裂、延伸規律，而且在對室內的水力壓裂物理模擬實驗壓裂裂縫的監測方面，傳統的方法雖然可行，但都具有一定的局限性。最常規的觀測方法是在壓裂後用鋼鋸、鐵釺等工具將試樣劈開，從而觀測裂縫的形狀^［5～9］。這種方法有兩個缺點：一是在劈裂的過程中，原有的裂縫勢必會遭到破壞，或者在原有的裂縫基礎上產生新的裂縫，極大地影響了實驗結果的准確性；二是在多裂縫的觀測方面，常規壓裂後的觀測方法是沿著主裂縫劈開試樣，其結果是只能對主裂縫面進行觀測，而其他的裂縫均遭到破壞。利用CT掃描儀和紅外線熱成像等技術對裂縫進行監測能夠克服以上實驗方法的弊端，直觀、有效地觀測到裂縫的擴展形態，分析主應力差、岩石孔隙、天然裂縫發育程度對火山岩壓裂裂縫的影響，探索與火山岩多裂縫、縫洞型油藏特點相適應的壓裂裂縫起裂、延伸機理，指導火山岩現場壓裂優化設計。

1 模擬試驗

1.1 試驗設備

試驗採用中國石油大學（北京）設計組建的大尺寸真三軸模擬系統，該系統可以模擬真實地層條件下水力裂縫的起裂和擴展機理。模擬壓裂試驗系統由大尺寸真三軸試驗架、MTS伺服增壓泵、數據採集系統、穩壓源、油水隔離器及其他輔助裝置組成，如圖1所示。

圖1 試驗設備及流程

1.2 岩樣採集與制備

實驗採用的火山岩樣來自於採集的松南火山岩現場露頭，考慮到CT掃描設備的穿透尺寸，共制備200mm×200mm×200mm大尺寸岩石樣品10塊，取噴溢相上部亞相流紋岩、噴溢相下部亞相凝灰岩各兩塊進行實驗，圖2、圖3分別為制備的流紋岩及凝灰岩岩樣。室內測定流紋岩的單軸抗壓強度為265 MPa，楊氏模量為45.50GPa，泊松比為0.24，而凝灰岩的單軸抗壓強度為172MPa，楊氏模量為35.25 GPa，泊松比為0.23，均高於常規砂岩，說明火山岩質地堅硬，脆性較強，延展性小。

圖2 制備的流紋岩岩樣

圖3 制備的凝灰岩岩樣

1.3 實驗步驟

1）在實驗岩樣的正中鑽出直徑為14mm的井眼，井眼深度為140mm，然後把模擬井筒放入其中，用ETA公司生產的VMZ345型強力膠黏劑膠結，中間留出10mm的裸眼段便於水力裂縫的起裂。

採用水基胍膠溶液作為壓裂液，壓裂液中添加了紅色示蹤劑，壓裂液的質量分數為1％，壓裂液的黏度為135mPa·s（600轉/min），壓裂液排量為4.2×10^-9m³/s，4塊岩樣實驗垂向壓力都為20MPa，兩個水平向圍壓根據實驗岩樣的不同而不同。

2）將岩樣放置於真三軸模擬壓裂試驗架上，調整好位置，在岩樣周圍加上壓力板，用起吊機將頂板放置於岩樣頂部。

3）連接液壓穩壓源、壓力板之間的管線；連接頂板（模擬井筒）、油水分離器、MTS液壓源之間的管線；在三向模擬壓裂裝置的周圍液壓板上布置好聲發射監測探頭。

4）開啟液壓穩壓源，選取其中的兩個通道，根據不同的實驗要求，手動將通道壓力增至預定壓力。

5）將制備好的壓裂液放入油水分離器。

6）開啟MTS伺服增壓器，開啟與MTS控制器連接的計算機端注入壓力控制系統和數據採集系統。

7）緩慢增加註入壓力，觀察壓力注入系統和數據採集系統。觀察壓力-時間曲線和排量-時間曲線，判斷試樣破裂後停泵，並關閉液壓穩壓源，卸掉圍壓。

2 結果與討論

2.1 岩樣1實驗

岩樣1使用的是火山流紋岩，試驗過程中垂向與水平圍壓分別為20、15、10MPa。

圖4為岩樣1的泵注壓力曲線，壓力曲線呈現明顯波動形式，且幅度很大，初始壓裂峰值壓力達到了60MPa，之後峰值壓力不斷下降，壓力曲線的下降說明壓裂液進入較大的孔洞或使天然裂縫張開，當孔洞或天然裂縫被充滿後，壓力回升，而後又溝通新的天然裂縫或進入新的孔洞，如此反復。峰值壓力持續下降說明有新裂縫張開，但將岩樣取出後觀察未見明顯的水力縫，說明在60MPa的峰值壓力下並沒有將岩樣貫穿，只可能在岩樣內部形成了較小的裂縫，而這些裂縫可通過CT掃描的方式識別。

圖4 岩樣1壓力曲線

壓前對200mm×200mm×200mm火山岩岩樣從上往下應用CT掃描200個橫截面，每個截面間距為1mm。壓裂後採取同樣的方法對岩樣進行掃描，壓前、壓後火山岩樣的CT掃描結果顯示，只在其中很少的截面上（編號144-148）發現壓裂後有新的水力縫產生。圖5、圖6分別為編號為144的截面在掃描前後的裂縫形態變化圖，從圖中可以看出，壓裂前在此截面上存在有一條天然裂縫，壓裂試驗後對同一截面掃描圖觀察發現，水力裂縫在天然裂縫處起裂，並不斷延伸，說明在井筒天然裂縫處存在薄弱面，水壓會首先使得天然裂縫張開，而並非沿著最大主應力方向起裂與擴展。

圖5 壓前144截面掃描圖片

圖6 壓後144截面掃描圖片

圖7 146截面壓後裂縫形態掃描圖

圖7為146截面壓裂後裂縫形態掃描圖，從圖中可以看出，水壓裂縫在沿著天然裂縫的方向起裂與延伸一段距離後，逐漸轉向與最大主應力平行的方向。在這個過程之中還可以看出，水力裂縫在進入孔洞發育區域時，並不繼續沿著原方向向前延伸，而是在孔洞的某個弱面上產生新的裂縫，並向前擴展溝通其他孔洞。

從圖7中還可以發現，在井筒另一側還產生了一條平行於最大主應力的裂縫，長度大約有5cm，說明在一條裂縫延伸過程中，受裂縫近井筒扭曲效應的影響，井筒壓力還是在不斷增大，當井筒壓力達到了地層的破裂壓力時第二條裂縫起裂擴展，兩條水力裂縫並非在井筒兩翼同時產生並成相互對稱的理想狀態。

147、148截面壓前、壓後裂縫掃描顯示，壓前井筒附近截面上無裂縫顯示區域壓後出現水壓裂縫，說明是144截面裂縫起裂後擴展到147、148截面的，但此兩截面兩翼裂縫長度逐漸減小，說明裂縫在144面起裂後，向下方呈近似楔形擴展，因掃描切面不同而觀察到的裂縫長度不同。

2.2 岩樣2實驗

岩樣2使用的是火山凝灰岩，實驗過程與岩樣1相同，垂向與水平圍壓分別為20、15、12MPa。在壓前CT掃描截面圖上，可明顯觀察到一條近似水平向天然裂縫，從第2面開始出現一直到106面消失，期間與井筒溝通，而在跨過井筒後，幾乎橫切整個岩樣（圖8）。

圖9為岩樣2的泵注壓力曲線，從圖中可以看出明顯的破裂顯示，但破裂壓力只有22MPa，遠低於前面流紋岩的60MPa，破裂後壓力逐漸穩定，結合壓前的CT掃描分析及壓裂後壓力曲線，認為壓裂液只是使得井筒附近的那條天然裂縫開啟，而沒有產生新的水力縫，22MPa是天然裂縫開啟的壓力。

通過CT掃描觀察，對於相同截面，天然裂縫均有不同程度的擴展（圖10），壓後的CT掃描圖中裂縫明顯比壓前清晰，但實驗後未發現新的其他裂縫產生。理論上，在試驗2的圍壓情況下，應該有垂直的新縫產生，但由於這條天然裂縫的尺寸與岩樣2相比已足夠大，它對於水壓裂縫的影響已超過了主應力對裂縫走向的影響，因此試驗後只發現了天然裂縫的擴展。

2.3 岩樣3實驗

岩樣3使用的樣品岩性與岩樣1相同，都是火山流紋岩，試驗過程與岩樣1相同，為了盡可能壓開裂縫，垂向與水平圍壓分別為12、7、2MPa。實驗進行過程中始終未見明顯破裂顯示，壓力上升很快，幾分鍾內達到70MPa，被迫停泵，停泵後在岩樣外側未見壓裂液濾失痕跡，說明岩樣未壓開（圖11）。

圖8 岩樣2壓前CT掃描圖

圖9 岩樣2泵注壓力與時間曲線

分析原因認為，所取火山岩岩樣質地堅硬，破裂強度大，所用的試驗設備難以達到壓開此火山岩樣需要的壓力和排量，這與松南現場很多壓裂井破裂壓力高，甚至難以壓開情況相吻合。

2.4 岩樣4實驗

對凝灰岩4^＃試樣實驗中所施加的模擬地應力分別為σ_v＝15MPa，σ_H＝3MPa，σ_h＝1.5MPa，從開啟MTS增壓泵注入壓裂液開始，至壓裂實驗結束所維持的時間為8 min，得到的壓力曲線見圖12。

圖10 岩樣2壓前壓後CT掃描對比

圖11 岩樣3泵注壓力與時間曲線

由圖12可知，凝灰岩4試件的破裂壓力為37.95MPa。實驗初始階段壓力很平緩地上升，隨著壓裂液的不斷泵入，壓力急劇升高至峰值37.95 MPa，之後又快速地下降，反映了試件內水力裂縫開啟的現象。之後壓力曲線呈現波動變化，反映了水力裂縫向前擴展的過程中形成了新裂縫或者是與天然裂縫相遇。綜合壓力曲線的整體形態，說明凝灰岩4^＃試件內壓開形成了水力裂縫（圖13）。

實驗後對試件進行CT成像掃描，結合CT圖像對試件的水力裂縫形態進行觀察，可以進一步認識和檢驗上述結果。

圖12 岩樣4（凝灰岩）試件的壓力曲線

圖13 岩樣4（凝灰岩）試件施加的三向圍壓和實驗後圖片

通過對比岩樣4^＃試件的壓前和壓後CT圖像，可獲得該試件的水力裂縫起裂和擴展情況，見圖14。

圖14 岩樣4（凝灰岩）壓前和壓後CT圖像對比

從圖14中可以清晰地觀察到，在岩樣4^＃試件中主要形成了兩條主要水力裂縫，圖中用線段表示出。這兩條裂縫的起裂位置在井筒部位是近似對稱的，呈170°左右。而且這兩條裂縫擴展的方向近乎與實驗中所施加的水平最大地應力方向一致，與最小水平地應力的方向垂直。在垂直方向上，裂縫高度與試件的高度近似相等，即試件內的這兩條裂縫為貫穿試件的垂直主裂縫。

圖15是岩樣4壓裂後CT圖像三維重建示意圖，從圖中可以看出試件內形成了兩條壓裂主裂縫，裂縫為垂直縫並貫穿整個試件，裂縫面空間展布較為扭曲。

圖15 岩樣4裂縫CT圖像三維重建圖

3 結論與建議

1）建立大尺寸火山岩岩樣CT掃描及壓裂模擬實驗方法能直觀、有效地分析岩樣內部裂縫起裂、擴展規律，真實地反映裂縫形態和空間展布。

2）火山岩質地堅硬難以壓開，壓裂過程受微裂縫和熔孔發育程度及岩石特性影響，裂縫起裂壓力和延伸壓力差別比較大，壓力曲線呈現明顯波動形式。

3）火山岩壓裂水力形成裂縫系統比較復雜，在井筒附近的天然裂縫會造成水壓裂縫並非同時起裂，呈非對稱狀擴展並最終轉向最大主應力方向；較大的天然裂縫在水壓作用下會直接開啟，並沿原方向擴展，從而使形成的水力裂縫不再沿最大主應力方向擴展；對於井筒附近天然裂縫及孔洞不發育的情況，水力裂縫會同時起裂，並沿最大主應力方向延伸，呈近似對稱狀，但空間展布較為扭曲。

4）對於火山岩儲層現場壓裂施工，射孔位置要集中在微裂縫和熔孔發育層段，選擇支撐劑粒徑相對小些，施工砂比不宜太高並考慮應用前置多級段塞技術。

參考文獻

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❾ 物理模擬實驗儀器選用

根據煤粉產出物理模擬實驗的原理及目的,需要設計可以滿足該實驗要求的儀器裝置。這些要求包括:

(1)滿足模擬地層流體在煤儲層裂隙之間的流動要求;

(2)滿足模擬煤儲層經儲層改造後的裂隙展布效果要求;

(3)滿足模擬煤儲層在含煤地層中的賦存狀態要求;

(4)滿足模擬煤層氣井排水→降壓→采氣的生產模式要求。

通過一系列的摸索與嘗試,確定了該物理模擬實驗儀器裝置的主體系統結構,其中包括計算機監控系統、樣品制備系統、泵送驅替系統、物理模擬系統、煤粉儲集系統、煤粉分析系統、電力動力系統等。

(1)計算機監控系統:主要由計算機操控平台和驅替導流監測平台等組成。計算機操控平台提供半自動半人工化功能服務,通過計算機實現對驅替導流監測平台的操控,可以滿足不同條件下物理模擬實驗的要求。同時,驅替導流監測平台實現流體相態驅替模式、自動調控驅替流速及壓力、實時監測導流狀況及實時記錄排出產物狀況等。

表5-3 煤體結構差異對煤粉產出的影響研究實驗方案

(2)樣品制備系統:主要由制樣模具、升降施壓油缸、平台支架等組成。制備樣品的前期准備工作需要碎樣機、標准樣品篩、電子天平等輔助設備。首先使用碎樣機將煤岩樣品破碎,經過標准樣品篩的篩選,選用一定粒度的煤粉顆粒,依據制樣模具的尺寸形狀,在升降施壓油缸的擠壓作用下,製作煤磚樣,用於煤粉產出物理模擬實驗。該系統需要通過計算機監控系統控制升降施壓油缸,為制樣提供穩定的壓力。

(3)泵送驅替系統:主要由平流泵、儲液容器、驅替液、導流室、無縫鋼導管、法蘭等組成。該系統的工作原理是通過調整平流泵的泵送功率,使其提供一定流速的穩定流體,該流體將儲液容器內的驅替液以同等速率注入導流室內,對導流室中的煤磚進行驅替作用,同時,需要導流室的左右兩側分別安裝進出液孔道,並在進出口端部安裝測壓孔道及相應法蘭。在此過程中,通過驅替導流監測平台調控平流泵的泵送功率、設置驅替作用的周期及數據記錄頻率等參數。

(4)物理模擬系統:主要由煤磚樣、石英砂、導流室、金屬墊片、塑料密封圈、差壓感測器、升降施壓油缸、平台支架等組成。該系統的工作原理是通過在兩塊煤磚中夾持石英砂顆粒進行人工造縫,模擬煤儲層經過儲層改造後的裂隙延展狀態;由泵送驅替系統向導流室內提供一定流速的驅替液,模擬地層流體在煤儲層裂隙之間的流動過程;由計算機監控系統調控升降施壓油缸,使其對導流室內的煤磚產生穩定圍壓,模擬煤儲層在含煤地層中的賦存狀態。該系統是在計算機監控系統、泵送驅替系統及物理模擬系統的相互配合下進行的,由平流泵提供驅替流體,由升降施壓油缸提供擠壓力,由驅替導流監測平台調控記錄驅替液流速、油缸壓力等參數,由金屬墊片和塑料密封圈來保證導流室中煤磚處於密封狀態。

(5)煤粉儲集系統:主要由電子天平、無縫鋼導管、燒杯等組成。該系統的工作原理是收集由物理模擬系統排出的液體及其中煤粉,同時通過驅替導流監測平台對排出液進行實時稱重並儲存數據結果。

(6)煤粉分析系統:主要由激光粒度儀、濾紙、過濾器、恆溫烘乾機、電子天平、顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀等組成。該系統的工作原理是採用激光粒度儀對不同實驗條件中產出的煤粉進行粒度分布測試;採用過濾器及恆溫烘乾機將排出液中的煤粉進行過濾烘乾;採用電子天平對乾燥的煤粉顆粒進行精密稱重;採用顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀分析煤粉的顯微形態及物質成分。從煤粉的粒度、質量、顯微狀態和物質成分等角度研究煤粉的產出物性特徵。

(7)電力動力系統:主要由配電箱和電動機等組成。該系統為物理模擬實驗設備裝置的其他系統提供電力及動力保障。

圖5-1 煤粉產出物理模擬實驗儀器設計示意圖

根據上述物理模擬實驗儀器裝置功能要求,實驗儀器設計如圖5-1所示。通過調研,在綜合考慮物理模擬實驗的可行性情況下,採用HXDL-Ⅱ型酸蝕裂隙導流儀作為測試儀器。該儀器可以在標准實驗條件下模擬地層壓力及溫度狀態,可以實現氣、液兩相驅替過程,並能評價裂縫的導流能力。其裝置流程如圖5-2所示。根據上述物理模擬實驗裝置的說明,選用的酸蝕裂隙導流儀的主體系統均達到開展實驗的要求,各個裝置部件可以滿足實驗的需求。該儀器的各項參數是參照《SY-T 6302—1997 壓裂支撐劑充填層短期導流能力評價推薦方法》標准而設定的。

圖5-2 酸蝕裂縫導流儀流程示意圖

❿ 裂縫監測技術在煤層氣井壓裂中的應用初探

張 健

( 中聯煤層氣有限責任公司 北京 100011)

摘 要: 採用井下微地震監測技術和電位法監測技術對壓裂過程中的裂縫形態進行了實時監測，結果表明: 井下微地震監測實現了對裂縫方位、高度、長度、對稱性及裂縫隨時間的延伸情況的有效解釋。電位法測試技術適用於規模較大型壓裂，特別適合於淺井大型水力壓裂。對同一口井應用兩種技術實施監測結果表明，裂縫監測能夠有效反映壓裂裂縫的水平走向，有助於認清該區地層應力分布狀態，但垂向擴展僅能反映事件頻率，無法實現對裂縫高度和寬度的有效分析監測。

關鍵詞: 壓裂 裂縫監測 煤層氣 微地震 電位法

Application of Fracture Monitoring Technology to Fracturing Well in Coalbed Methane Reservoir

ZHANG Jian

( China United Coalbed Methane Co. ，Ltd. ，Beijing 100011，China)

Abstract: Down hole micro-seismic monitoring technology and potentiometry monitoring technology are used to show fracture real-time geometry. It shows that fracture orientation，height，length，symmetry and extension can be interpreted by down hole micro-seismic monitoring technology. The potentiometry monitoring technology is suit for major scale fracturing，especially for shallow well. As the result of monitor adopted on the same well with two methods shows，the fracture orientation on horizontal level can be reflected effectively，which will be favor of recognizing stress distribution. However，the frequency of fracturing can only be characterized in vertical direc- tion. The height and width of fracture can not be analyzed effectively.

Keywords: fracturing; fracture monitoring; coalbed methane; micro-seismic; potentiometry

基金項目: 國家科技重大專項項目 42 「深煤層煤層氣開發技術研究和裝備研製」( 2011ZX05042) 。

作者簡介: 張健，1981 年生，博士，2009 年畢業於中國石油大學 ( 北京) 並獲得博士學位; 主要從事煤層氣開發和現代完井工程研究。地址: ( 100011) 北京市東城區安外大街甲 88 號。Email: zhangjian@ chinacbm. com。

1 引言

目前我國煤層氣開發主要採用壓裂提高採收率技術，壓裂參數優化設計對於完善壓裂方案、提高單井產能十分重要。前期壓裂方案以淺層、經驗為主，隨著煤層深度增加，有必要建立適用於較深煤層的壓裂參數組合，通過採用井下微地震監測技術和電位法監測技術對現有壓裂方案下的施工裂縫形態進行了實時監測，為進一步完善煤層氣壓裂技術提供了技術支持。

2 測試原理

2.1 井下微地震測試原理

井下微地震測試方法是在鄰井監測直井壓裂作業，通過使用井下三分量地震成像系統監測壓裂過程中產生的微地震事件，對採集到的井下三分量微地震數據進行解釋，得到壓裂形成裂縫的空間展布(方位、長度)^［1，2］。

2.1.1 微地震的起源

微地震源於由於壓力影響圍繞著水力裂縫的一定區域內，該區域內的微地震事件包括:裂縫尖端的應力改變誘發微地震，液體濾失誘發微地震，地層薄弱面處誘發微地震。

2.1.2 微地震產生點距離的確定

地層由於應力狀態改變產生剪切滑動並誘發壓縮波(P波)和剪切波(S波)，P波傳播速度大於S波，隨著傳播距離的增加，初至波的時差增大，利用三分量檢波器接收可分辨不同分量的剪切波和壓縮波，從而確定微地震點產生距離。

2.1.3 微地震方位的確定

採用振幅交匯圖方法，即建立P波首波的振幅交匯圖確定微地震震源的方向，壓縮波的傳播方向和振動方向一致，跟蹤一個周期內質點的振動即可確定其傳播方位α，如圖1所示。現場測試系統包括數據記錄系統、SeisNet工作站和質量控制系統，實現數據的保存、分析，如圖2所示。

圖1 微地震方位確定示意圖

圖2 測試系統示意圖

2.2 電位法測試原理

電位法監測技術以傳導類電法勘探基本理論為依據，通過監測注入到目的層的壓裂液引起的地面電場變化獲得裂縫方位、長度、形態等參數^［3，4］。

假設地層為無限大均勻介質，採用環形測量方式，在供電電極外任一點M觀測電場的電位為:

中國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研討會論文集

式中:ρ為地層視電阻率，Ω·m;I為供電電流強度，A;h為測試目的層深度，m;r為觀測點M到點源之間的距離，m。

當場源為任意形狀時，計算外電場電位應首先在場源處劃出一個面元ds，如果ds處的電流密度為j，則從ds處流出的電流為jds，它在觀測點M產生的電位dU_M仿上式可寫為:

中國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研討會論文集

積分得外電場電位為:

中國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研討會論文集

現場測試所用的儀器系統由測量系統(經緯儀)、供電系統(ZT7000型發電機)、發送系統和接收系統(HGQ-5/10kW/Js-03發送接收系統)四部分組成，如圖3所示。

圖3 測試裝置示意圖

3 現場應用與評價

對山西沁水盆地施工區域五口井進行了電位法監測，對三口井實施了井下微地震監測。電位法監測顯示:壓裂施工形成了一組兩翼方向基本對稱或略有夾角的不等長裂縫，如圖4所示，地層滲透率各向異性和構造應力復雜是造成該現象的主要因素。對氮氣注入實驗井的監測結果表明:由於煤層中氮氣等氣體化學性質不活潑，其在煤層中仍然以分子形式存在，因此基本不改變煤儲層的導電性能，通過電位法難以實現監測其在煤儲層中的分布。

井下微地震監測結果顯示，裂縫向兩個方向延伸且不對稱，監測到的微地震事件大多位於煤層以上的地層，微地震事件發生范圍較廣，如圖5所示。

4 結論

(1)井下微地震監測實現了對裂縫方位、長度、對稱性及裂縫隨時間的延伸情況的有效解釋。

(2)電位法測試技術適用於規模較大型壓裂，特別適合於淺井大型水力壓裂。

(3)對同一口井應用兩種技術實施監測結果表明，裂縫監測能夠有效反映壓裂裂縫的水平走向，有助於認清該區地層應力分布狀態，但垂向擴展僅能反映事件頻率，無法實現對裂縫高度和寬度的有效分析監測。

圖4 電位法監測壓裂裂縫水平投影圖

圖5 微地震監測壓裂裂縫剖面圖

參考文獻

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