郭天魁，戰(zhàn)永平，朱 丹，齊 寧，陳 銘，曲占慶

（1. 中國石油大學(xué)（華東） 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580；2. 中國石油長慶油田分公司第五采油廠，陜西 西安 710200）

儲(chǔ)層改造技術(shù)是目前實(shí)現(xiàn)低滲透和非常規(guī)油氣藏及地?zé)豳Y源高效開采的核心技術(shù)[1-3]，主要包括水力壓裂、酸化酸壓、高能氣體壓裂、CO2干法壓裂等。儲(chǔ)層改造基礎(chǔ)理論和工藝方法是當(dāng)前油氣及地?zé)衢_發(fā)工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。大尺寸真三軸儲(chǔ)層壓裂改造物理模擬實(shí)驗(yàn)是開展相關(guān)研究的重要手段[4]。該類型實(shí)驗(yàn)裝置是一種大型復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，國內(nèi)外相關(guān)裝置數(shù)量不多，主要用于大尺寸（30 cm×30 cm×30 cm）真三軸水力壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)研究[5-6]。伴隨著儲(chǔ)層改造對(duì)象的拓展、工藝的革新和地質(zhì)條件的復(fù)雜化，當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)裝置呈現(xiàn)出功能少（僅能開展水力壓裂研究）、性價(jià)比不高（功能少、價(jià)格昂貴）、模擬條件有限（試件尺寸小、常溫、圍壓低、無孔壓）、施工參數(shù)選擇范圍窄（純液相泵注、排量?。?、檢測(cè)手段單一（僅聲發(fā)射檢測(cè)）、操作復(fù)雜（費(fèi)時(shí)費(fèi)力）、安全性差等諸多缺陷，難以滿足新工科背景下儲(chǔ)層改造技術(shù)教學(xué)科研工作、工程實(shí)踐鍛煉及創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需求[7]。

針對(duì)上述缺陷和儲(chǔ)層改造技術(shù)的發(fā)展需求，本文自主設(shè)計(jì)了一種多功能大尺寸真三軸儲(chǔ)層改造實(shí)驗(yàn)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)不同尺寸（30 cm×30 cm×30 cm，40 cm×40 cm×40 cm）人造或露頭巖心，不同溫度（-35～200 ℃）、圍壓（≤80 MPa）和孔壓（≤50 MPa），不同流量固液（0.1～1 000 mL/min）（酸）兩相泵入，不同井筒完井工藝（水平井分段多簇、同步及拉鏈壓裂等）下的復(fù)雜儲(chǔ)層改造及滲流模擬實(shí)驗(yàn)，提供了主/被動(dòng)聲波結(jié)合的聲發(fā)射檢測(cè)、溫壓場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)檢測(cè)及壓后激光掃描測(cè)量等豐富的評(píng)價(jià)手段，可有效開展水力壓裂、干法壓裂、暫堵壓裂、酸化酸壓、地?zé)醿?chǔ)層及天然氣水合物儲(chǔ)層改造實(shí)驗(yàn)?zāi)M。

圖1 不同類型大尺寸真三軸壓裂改造物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置

1 實(shí)驗(yàn)裝置

目前，國內(nèi)外有代表性的大尺寸真三軸壓裂改造模擬實(shí)驗(yàn)裝置包括美國 GCTS 公司 RPS-600 型、TerraTek 公司產(chǎn)品及中國石油大學(xué)（華東）自制設(shè)備，如圖1(a)—1(c)所示。國外產(chǎn)品價(jià)格及售后維修費(fèi)用高昂，功能模塊固定，通常無法根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求私人定制或后期改裝，如難以開展天然氣水合物儲(chǔ)層改造實(shí)驗(yàn)等；國內(nèi)產(chǎn)品基本為自制設(shè)備，可根據(jù)需求自主設(shè)計(jì)，售價(jià)及后期維護(hù)費(fèi)較低，但當(dāng)前產(chǎn)品功能較為單一，無法滿足儲(chǔ)層改造技術(shù)的行業(yè)發(fā)展需求。為此，本文自主設(shè)計(jì)了一種多功能大尺寸真三軸儲(chǔ)層改造實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1(d)所示。

該裝置的設(shè)計(jì)原理如圖2 所示，主要由地應(yīng)力加載系統(tǒng)、溫度壓力控制系統(tǒng)、水合物原位合成系統(tǒng)、壓裂與滲流實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)、數(shù)字伺服控制器和采集系統(tǒng)、聲發(fā)射與應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)等六部分構(gòu)成。

（1）地應(yīng)力加載系統(tǒng)。當(dāng)前國內(nèi)外真三軸壓力室大多為立式結(jié)構(gòu)（見圖1(a)—1(c)），優(yōu)點(diǎn)是占地面積小。但實(shí)踐證明，該結(jié)構(gòu)在開展常規(guī)30 cm×30 cm×30 cm 尺寸的巖心實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于平臺(tái)較高，裝卸試件必須采用行吊設(shè)備，且通常需要在試件五個(gè)面上安裝墊板，非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此，本文裝置設(shè)計(jì)采用水平結(jié)構(gòu)，如圖3 所示，整體尺寸300 cm×500 cm×400 cm（長×寬×高），可針對(duì)30 cm×30 cm×30 cm 和40 cm×40 cm×40 cm 兩種巖心開展實(shí)驗(yàn)，該結(jié)構(gòu)操作平臺(tái)高度低（20cm），測(cè)試元件更換方便安全，蓋板拆裝無需行吊，30 cm×30 cm×30 cm 試件可以人工直接裝卸，40 cm× 40 cm×40 cm 試件可采用簡易升降臺(tái)裝卸，裝置設(shè)計(jì)有橫向?qū)к壖半妱?dòng)橫向運(yùn)移機(jī)構(gòu)，無需大功率的電動(dòng)吊裝機(jī)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)操作簡單快捷，單組實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間約為立式的1/2。三軸加載應(yīng)力可單獨(dú)控制也可同步控制，最高達(dá)50 MPa。模型三軸室的六面預(yù)裝固定板與壓力倉采用密封連接，為滲流實(shí)驗(yàn)加載圍壓提供保證。為實(shí)施巖心改造前后滲流實(shí)驗(yàn)?zāi)M，采用耐溫可達(dá)200 ℃的氟膠密封膠套為樣品六個(gè)棱角與加載裝置進(jìn)行密封。

（2）溫度壓力控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于開展低溫天然氣水合物儲(chǔ)層改造、高溫油氣及地?zé)醿?chǔ)層改造實(shí)驗(yàn)，也可用于不同類型儲(chǔ)層的熱采實(shí)驗(yàn)研究。其中，壓力傳感器用于測(cè)量滲流壓力、包縫壓力、增壓壓力、加載壓力、壓裂壓力等；溫度傳感器測(cè)量范圍為-35～200 ℃；加熱板內(nèi)置于聲發(fā)射固定板內(nèi)（見圖4），用于對(duì)巖樣進(jìn)行加熱。內(nèi)置加熱板在保證加載板強(qiáng)度的前提下，保護(hù)加熱板不受加載壓力的影響，同時(shí)在滲流實(shí)驗(yàn)中與液體完全隔離，保證安全性。制冷系統(tǒng)采用低溫浴槽，將一定溫度的流體注入到壓力室中，并通過在內(nèi)外圍壓室之間的換熱氣進(jìn)行循環(huán)一定溫度的流體，進(jìn)而控制和維持壓力室的溫度。

（3）水合物原位合成系統(tǒng)。水合物試件需要預(yù)先采用樣品制備輔助設(shè)備壓制骨架，然后放入真三軸壓力室中，再生成水合物。該系統(tǒng)主要包括注氣和注液系統(tǒng)，其中注氣系統(tǒng)由氣體增壓泵、高壓儲(chǔ)氣罐、安全閥、壓力傳感器、電接點(diǎn)壓力表、空壓機(jī)、高精度調(diào)壓閥及支架組成；注液系統(tǒng)主要為雙缸恒速恒壓泵，可提供精準(zhǔn)的壓力值或流量值，如圖5(a)所示。

圖2 多功能大尺寸真三軸儲(chǔ)層改造實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)原理圖

圖3 水平式應(yīng)力加載系統(tǒng)

圖4 加熱板及聲發(fā)射探頭安裝位置示意圖

（4）壓裂與滲流實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由恒速恒壓泵、高壓柱塞泵、耐腐蝕活塞容器和其他流量計(jì)量裝置組成。常規(guī)裝置一般僅利用恒速恒壓泵（見圖5(a)），該泵耐壓可達(dá)120 MPa，但流量范圍較小，一般為0.01～60 mL/min，無法開展高排量條件下的影響因素分析。為此，增補(bǔ)了高壓柱塞泵（見圖5(b)），流量范圍0.1～1 000 mL/min，耐壓50 MPa。兩種泵并聯(lián)使用，大排量實(shí)驗(yàn)過程中若高壓柱塞泵達(dá)到50 MPa時(shí)試件仍然未破裂，可短暫開啟恒速恒壓泵，待試件破裂后再啟用柱塞泵，該方式可有效實(shí)現(xiàn)高壓力和大排量條件下的儲(chǔ)層改造實(shí)驗(yàn)?zāi)M。為了開展腐蝕性流體（酸化酸壓、超臨界CO2壓裂及其他腐蝕性流體）與固液兩相泵入（暫堵壓裂、攜砂液）等儲(chǔ)層改造工藝，配備了大容量耐腐蝕的活塞容器，注入管線接頭也需具有耐腐蝕性。

圖5 裝置注入泵

圖6 聲發(fā)射與應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)

（5）數(shù)字伺服控制器和采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由CPU 控制器、常規(guī)外圍設(shè)備、輸入輸出通道、功率放大裝置、監(jiān)測(cè)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、操作平臺(tái)、負(fù)載等硬件部分和參數(shù)管理、參數(shù)控制、數(shù)據(jù)測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等軟件控制系統(tǒng)構(gòu)成，操作臺(tái)可自動(dòng)采集和實(shí)時(shí)顯示流量、溫度、壓力、位移等數(shù)據(jù)。

（6）聲發(fā)射與應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供了主/被動(dòng)聲波結(jié)合的聲發(fā)射檢測(cè)、溫壓場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)檢測(cè)及壓后激光掃描測(cè)量等豐富的評(píng)價(jià)手段（見圖6）。常規(guī)壓裂改造效果的評(píng)價(jià)方式一般為壓后破巖觀測(cè)和聲發(fā)射檢測(cè)。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)通常用于檢測(cè)壓裂裂縫的擴(kuò)展形態(tài)，但對(duì)于孔洞、裂縫發(fā)育和力學(xué)非均勻性強(qiáng)的巖心試件，聲發(fā)射檢測(cè)的事件離散性強(qiáng)，測(cè)試精度較低。主/被動(dòng)聲波測(cè)試將聲發(fā)射和超聲成像結(jié)合起來，可以探測(cè)和定位試件內(nèi)部孔洞和裂縫等缺陷，能夠更精確地獲取壓裂過程中試件內(nèi)部的變化信息，為壓裂改造效果評(píng)價(jià)提供更為合理的依據(jù)。該裝置提供了壓裂裂縫聲波-聲發(fā)射主被動(dòng)聯(lián)合檢測(cè)系統(tǒng)。聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)采用32 通道，高精度高靈敏度探頭放置于聲發(fā)射探頭固定板中（見圖4）。溫壓場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)檢測(cè)分別采用溫壓傳感器和應(yīng)力應(yīng)變片，也均可采用更加精確的光纖檢測(cè)方式（見圖6(b)、6(c)），光纖檢測(cè)具有點(diǎn)體積小、傳輸速度快、安全性高的優(yōu)點(diǎn)。壓后激光掃描測(cè)量可以呈現(xiàn)三維裂縫面，方便后續(xù)裂縫數(shù)據(jù)處理。

2 設(shè)計(jì)理念與技術(shù)特點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)理念包括：①滿足儲(chǔ)層改造這一行業(yè)熱點(diǎn)技術(shù)的科研工作需求、性價(jià)比高、操作簡便安全，能夠有效開展水力壓裂、干法壓裂、暫堵壓裂、酸化酸壓、地?zé)醿?chǔ)層及天然氣水合物儲(chǔ)層改造和滲流實(shí)驗(yàn)?zāi)M，并提供豐富的改造過程及效果評(píng)價(jià)手段?？梢杂糜陂_展儲(chǔ)層改造基礎(chǔ)理論研究，揭示影響儲(chǔ)層改造效果的主控因素和影響規(guī)律，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)層改造工藝方案設(shè)計(jì)，創(chuàng)新儲(chǔ)層改造工藝方法，提供師生科研創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。②石油工程專業(yè)建設(shè)已形成了涵蓋綜合設(shè)計(jì)（課堂教學(xué)）、實(shí)驗(yàn)教學(xué)及實(shí)習(xí)教學(xué)的“三位一體”教學(xué)體系，儲(chǔ)層改造技術(shù)是增設(shè)的現(xiàn)代石油工程技術(shù)教學(xué)內(nèi)容，目前已成為石油工程專業(yè)的核心課程，但由于缺乏相關(guān)代表性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，無法滿足新工科人才培養(yǎng)模式需求。新裝置應(yīng)該緊扣當(dāng)前學(xué)科前沿，通過構(gòu)建自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，形成緊跟前沿優(yōu)質(zhì)資源，實(shí)現(xiàn)“自主創(chuàng)新和智力實(shí)踐”的人才工程能力培養(yǎng)目標(biāo)，以滿足新工科建設(shè)需求。與當(dāng)前國內(nèi)外相關(guān)大尺寸真三軸水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)比，本文裝置技術(shù)特點(diǎn)如表1 所示。

表1 國內(nèi)外大尺寸真三軸儲(chǔ)層改造模擬實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)比

3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置

3.1 專業(yè)課授課項(xiàng)目設(shè)置

本文裝置已成為“科研輔助翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式的典型平臺(tái)，對(duì)于選修“石油工程概論”和“石油工業(yè)概論”的非石油工程專業(yè)學(xué)生，課程安排2 學(xué)時(shí)，課前安排實(shí)驗(yàn)人員做好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備（壓裂標(biāo)準(zhǔn)試件、壓裂液配制等），課堂主要觀摩“常規(guī)砂巖露頭直井胍膠攜砂壓裂”實(shí)驗(yàn)演示，與課前已完成的頁巖露頭直井滑溜水?dāng)y砂壓裂試件對(duì)比分析，目的是讓學(xué)生了解儲(chǔ)層壓裂改造施工工藝過程和增產(chǎn)原理、認(rèn)識(shí)壓裂液和支撐劑、區(qū)分常規(guī)與非常規(guī)儲(chǔ)層壓后裂縫形態(tài)等。本文實(shí)驗(yàn)裝置憑借操作簡便安全的突出優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)了在兩節(jié)課內(nèi)完成全部實(shí)驗(yàn)操作與分析，讓學(xué)生加深了對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解，大幅提高了學(xué)生選修興趣。針對(duì)必修課“采油工程”“天然氣開采與安全”與核心限選課“油水井增產(chǎn)增注技術(shù)”的本專業(yè)學(xué)生，規(guī)劃了4 學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)觀摩與分析課程，內(nèi)容設(shè)置為“頁巖露頭水平井單級(jí)滑溜水?dāng)y砂壓裂、碳酸鹽巖露頭酸化壓裂”實(shí)驗(yàn)演示，與課前已完成的砂巖露頭直井胍膠攜砂壓裂試件的對(duì)比分析，目的是讓學(xué)生進(jìn)一步明確常規(guī)儲(chǔ)層單縫壓裂、非常規(guī)儲(chǔ)層體積壓裂及酸化壓裂工藝的異同點(diǎn)、裂縫擴(kuò)展形態(tài)影響因素及影響規(guī)律、壓后裂縫的尺度類型、不同工藝的增產(chǎn)原理等。本文裝置具備的耐酸及固液兩相可泵入性能使該類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目成為可能。對(duì)于研究生核心課程“油氣藏儲(chǔ)層改造理論與技術(shù)”，鑒于授課內(nèi)容與本實(shí)驗(yàn)裝置的密切程度及授課知識(shí)點(diǎn)的深度需求，共設(shè)置4 次8 學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)室授課，主要包括新型裝備的結(jié)構(gòu)及功能介紹、直井縫內(nèi)暫堵壓裂實(shí)驗(yàn)、頁巖露頭水平井多級(jí)分段壓裂、碳酸鹽巖露頭自轉(zhuǎn)向酸酸化壓裂等實(shí)驗(yàn)過程觀摩，儲(chǔ)層改造新工藝的實(shí)驗(yàn)展示、新材料的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)、儲(chǔ)層改造方案優(yōu)化與施工設(shè)計(jì)、儲(chǔ)層改造過程檢測(cè)與效果評(píng)價(jià)等。作為該課程考核內(nèi)容之一，要求學(xué)生基于壓力曲線、聲發(fā)射數(shù)據(jù)和破巖照片，對(duì)比分析不同改造工藝的效果和規(guī)律。該實(shí)驗(yàn)裝置能夠激發(fā)學(xué)生研究興趣，幫助學(xué)生加深對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解，促進(jìn)師生深入交流，授課方式跨越了課堂低效的障礙，有效提升了該門專業(yè)課程翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)效果，并豐富了考核方法。

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目設(shè)置

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)工科專業(yè)學(xué)生綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，在能源行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和“一流”學(xué)科、新工科建設(shè)背景下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系急需改造升級(jí)。多功能大尺寸真三軸儲(chǔ)層改造實(shí)驗(yàn)裝置是自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建的典型代表。實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目設(shè)置為“專業(yè)基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)：頁巖露頭水平井滑溜水?dāng)y砂壓裂+自主創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”。儲(chǔ)層改造類實(shí)驗(yàn)具有實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備繁瑣、步驟復(fù)雜、周期長、結(jié)果不易分析的特征。課前標(biāo)準(zhǔn)改造試件已經(jīng)準(zhǔn)備完畢，需要利用4 學(xué)時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)、操作流程和注意事項(xiàng)講解及實(shí)驗(yàn)演示。學(xué)生再利用2 學(xué)時(shí)進(jìn)行專業(yè)基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)操作，每3～4 人一組，利用15～20 min 時(shí)間，進(jìn)行該裝置六大系統(tǒng)之一的輪換學(xué)習(xí)，專業(yè)實(shí)驗(yàn)操作人員在此期間輔助開展2 次完整實(shí)驗(yàn)。通過6 學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)課，學(xué)生基本掌握了頁巖氣水平井壓裂的工藝流程、裂縫擴(kuò)展形態(tài)及規(guī)律、壓裂材料特征功能等知識(shí)點(diǎn)。課下安排學(xué)生以小組為單位，根據(jù)專業(yè)課授課知識(shí)開展文獻(xiàn)調(diào)研，撰寫自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案并制作PPT，最后利用2 學(xué)時(shí)時(shí)間，安排學(xué)生課堂答辯交流。自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?chuàng)新點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)方法和步驟、預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果及理論分析等，創(chuàng)新點(diǎn)要求寬泛，實(shí)驗(yàn)對(duì)象、模擬條件、工藝方法、檢測(cè)手段、數(shù)據(jù)處理方面都可。該類型實(shí)驗(yàn)激發(fā)了學(xué)生的參與熱情，創(chuàng)新了多項(xiàng)有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)方案，部分學(xué)生撰寫了學(xué)術(shù)論文或申請(qǐng)了國家發(fā)明專利。例如，常規(guī)的壓后裂縫擴(kuò)展形態(tài)分析主要基于破巖后的拍照觀測(cè)（見圖7），但對(duì)于復(fù)雜裂縫難以有效呈現(xiàn)，有學(xué)生提出了借助高能工業(yè)CT 實(shí)現(xiàn)復(fù)雜裂縫準(zhǔn)確描述的技術(shù)（見圖8），同時(shí)根據(jù)壓前壓后的對(duì)比掃描，更加有利于分析復(fù)雜裂縫的擴(kuò)展機(jī)制。但該項(xiàng)技術(shù)花費(fèi)高，難以廣泛應(yīng)用，進(jìn)而有學(xué)生提出借助CAD 軟件（如SolidWorks）進(jìn)行壓后裂縫形態(tài)的精細(xì)三維重構(gòu)技術(shù)（見圖9），更加精確、形象地呈現(xiàn)壓后復(fù)雜裂縫形態(tài)特征。此外，通過應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試分析水平井多級(jí)壓裂期間的誘導(dǎo)應(yīng)力特征實(shí)驗(yàn)及解釋方法也是一項(xiàng)有益的創(chuàng)新方案（見圖10）。該實(shí)驗(yàn)課程按照實(shí)驗(yàn)過程質(zhì)量考核與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)報(bào)告各占50%比例計(jì)算最終實(shí)驗(yàn)成績。基于新型實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目將學(xué)生從過去被動(dòng)式、單項(xiàng)式的學(xué)習(xí)模式帶入到自主式、合作式、研究式的學(xué)習(xí)之中，有效實(shí)現(xiàn)了鍛煉學(xué)生創(chuàng)新和工程實(shí)踐能力的人才培養(yǎng)目的。

圖7 壓裂前后試件照片

3.3 科研創(chuàng)新項(xiàng)目設(shè)置

儲(chǔ)層改造是一項(xiàng)涉及巖石力學(xué)、材料化學(xué)、工程流體力學(xué)、工程熱物理學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)等多學(xué)科交叉的技術(shù)，具有學(xué)科交叉性、綜合性、應(yīng)用性及前沿性強(qiáng)的特點(diǎn)，成為行業(yè)研究熱點(diǎn)。本文裝置為其提供了豐富的科研創(chuàng)新平臺(tái)，能夠提供的可控變量達(dá)20 余項(xiàng)（見表2），可分為儲(chǔ)層類型、儲(chǔ)層改造技術(shù)、井筒完井工藝、儲(chǔ)層地質(zhì)參數(shù)、施工參數(shù)、檢測(cè)分析手段等六大類。例如：僅僅改變水平井井筒完井工藝就能夠開展水平井多級(jí)壓裂、水平井單級(jí)多簇壓裂、雙井筒同步和拉鏈壓裂等四項(xiàng)壓裂改造實(shí)驗(yàn)研究（圖11）。當(dāng)前熱點(diǎn)方向主要包括非常規(guī)儲(chǔ)層復(fù)雜裂縫擴(kuò)展機(jī)制、人工控制靶向改造理論與方法、新材料效果評(píng)價(jià)與工藝優(yōu)化、儲(chǔ)層改造效果評(píng)價(jià)與反演、增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)開發(fā)效果評(píng)價(jià)、天然氣水合物儲(chǔ)層改造模式研究等。衍生的創(chuàng)新性研究可服務(wù)于本碩博學(xué)生論文課題、教師基金課題、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃等實(shí)踐課題及各類縱向和油田橫向技術(shù)服務(wù)課題等，有效實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層改造理論研究、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與礦場(chǎng)實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。

圖8 大尺寸試件高能CT 掃描檢測(cè)

圖9 不同角度展示的壓后試件三維裂縫精細(xì)重構(gòu)圖（σV 為上覆應(yīng)力，σH 為水平最大地應(yīng)力；棕色代表層理裂縫，藍(lán)色代表垂向縫，黃色代表天然裂縫）

圖10 水平井多級(jí)壓裂誘導(dǎo)應(yīng)力與壓力曲線

表2 實(shí)驗(yàn)方案可控變量設(shè)置

圖11 不同井筒完井結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

4 結(jié)語

本文開發(fā)了一種多功能大尺寸真三軸儲(chǔ)層改造實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)不同尺寸人造或露頭巖心、溫度、圍壓和孔壓、固液（酸）兩相泵入、井筒完井工藝等復(fù)雜儲(chǔ)層改造及滲流模擬實(shí)驗(yàn)，提供了主/被動(dòng)聲波結(jié)合的聲發(fā)射檢測(cè)、溫壓場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)檢測(cè)及壓后激光掃描測(cè)量等豐富的評(píng)價(jià)手段，可有效開展水力壓裂、干法壓裂、暫堵壓裂、酸化酸壓、地?zé)醿?chǔ)層及天然氣水合物儲(chǔ)層改造及滲流實(shí)驗(yàn)?zāi)M。該裝置具備功能豐富、操作簡便安全、性價(jià)比高的突出特點(diǎn)，為師生構(gòu)建了新工科背景下儲(chǔ)層改造技術(shù)的創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)，提供了更加豐富的基礎(chǔ)理論和工藝方法研究課題，不僅有助于提升儲(chǔ)層改造相關(guān)技術(shù)的教學(xué)和科研水平，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新和智力實(shí)踐能力。