水力壓裂物模實驗系統(tǒng)改進實踐與研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)

侯冰

[摘要]國外石油工程院校在開展實驗教學(xué)和科研實驗時，重點引導(dǎo)研究生在操作實驗系統(tǒng)的過程中改進實驗系統(tǒng)，創(chuàng)新設(shè)計和研發(fā)實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和輔助裝置，以滿足科研和教學(xué)需要。作者近年來通過給研究生介紹非常規(guī)儲層水力壓裂技術(shù)進展，詳解水力壓裂實驗原理，并結(jié)合機械、材料和計算機等綜合知識，指導(dǎo)研究生逐漸改進室內(nèi)水力壓裂物模實驗系統(tǒng)，增強了研究生主動思考和設(shè)計能力，提高了研究生對水力壓裂物模實驗系統(tǒng)的創(chuàng)新改造和研發(fā)能力。

[關(guān)鍵詞]石油工程院校;水力壓裂;實驗教學(xué);實驗系統(tǒng);研究生培養(yǎng);創(chuàng)新能力

[中圖分類號]G643 [文獻標(biāo)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(xué)工作，在開展科研和教學(xué)時把實驗室作為逐漸培養(yǎng)研究生改進實驗系統(tǒng)創(chuàng)新能力的重要平臺。從我國高校眾多創(chuàng)新發(fā)展資源平臺來看，目前國內(nèi)高校實驗室完全具備優(yōu)質(zhì)的教學(xué)指導(dǎo)條伴，能夠為大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。教育部教學(xué)質(zhì)量工程建設(shè)提出將實驗室開放作為實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的重要指標(biāo)，推動高校實驗教學(xué)工作的研究和改革，并加強實驗室開放運行、提高學(xué)生實驗的自主性、加快實驗教學(xué)工作質(zhì)量和水平提高的步伐。隨著高校實驗教學(xué)改革的深入和產(chǎn)學(xué)研的結(jié)合，實驗教學(xué)重在培養(yǎng)學(xué)生的實踐思考能力，使學(xué)生能夠主動探索、細(xì)致分析最終順利解決問題;在實驗室平臺建設(shè)上，已經(jīng)建立了高校實驗室協(xié)同創(chuàng)新平臺，集中優(yōu)勢力量，通過溝通協(xié)調(diào)，實現(xiàn)密切合作、引領(lǐng)創(chuàng)新。同時，越來越多的高校重視實驗設(shè)備的改進，并在實踐課中展現(xiàn)工程思想，改進實驗系統(tǒng)的功能，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識，將學(xué)生培養(yǎng)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(shè)的支持下，高校和科研院所近些年已經(jīng)采購了大量國外先進的實驗儀器和設(shè)備，尤其是大型實驗設(shè)備的先進程度已經(jīng)超過國外高校。但是，針對工程學(xué)科的一些特殊實驗系統(tǒng)和裝置的研發(fā)能力我們還遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(xué)時讓學(xué)生以觀察為主，學(xué)生動手操作能力欠缺;重點介紹實驗功能，缺少原理介紹，學(xué)生知其然但不知其所以然;強調(diào)降低實驗失敗次數(shù)，缺少問題思考，降低了學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力。因此，本文以室內(nèi)真三軸水力壓裂物模實驗系統(tǒng)為例，介紹教師在開展實驗研究時如何結(jié)合工程技術(shù)的革新，引導(dǎo)研究生改進水力壓裂物模實驗系統(tǒng)，創(chuàng)新設(shè)計和研發(fā)水力壓裂物模實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和相關(guān)輔助設(shè)備，以滿足科研和教學(xué)需要。

一、室內(nèi)真三軸水力壓裂物模實驗系統(tǒng)

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

室內(nèi)模擬水力壓裂實驗系統(tǒng)是中國石油大學(xué)（北京）巖石力學(xué)實驗室設(shè)計組建的一套大尺寸真三軸模擬實驗系統(tǒng)。模擬壓裂實驗系統(tǒng)由以下幾部分組成，分別是大尺寸真三軸實驗架、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、油水隔離器穩(wěn)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(cè)面施加剛性載荷采用的是扁千斤，依據(jù)水力壓裂特點，為模擬產(chǎn)層和上、下隔層的地應(yīng)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(yīng)力和最大水平地應(yīng)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(wěn)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(tǒng)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(tǒng)由液壓油記錄壓裂液壓力、排量等參數(shù)以及MTS伺服增壓泵的工作介質(zhì)，因此，當(dāng)壓裂液是水或其他介質(zhì)時，設(shè)置一個油水隔離器在管路上，將壓裂液與MTS的工作介質(zhì)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(tǒng)的創(chuàng)新改進

巖石力學(xué)室內(nèi)水力壓裂物模實驗系統(tǒng)是可以模擬現(xiàn)場真實儲層水力壓裂改造的有效實驗方法，在實踐教學(xué)中起著至關(guān)重要的作用。近些年非常規(guī)儲層油氣資源是全球鉆探和開發(fā)的焦點，非常規(guī)資源都需要采用水平井分段分簇壓裂才能提高油氣產(chǎn)量，而且水力壓裂技術(shù)和壓裂設(shè)備能力逐年提高，因此，教師在開展實驗教學(xué)時需要讓學(xué)生充分掌握水力壓裂實驗的理論和方法，積極引導(dǎo)學(xué)生對實驗現(xiàn)象和問題進行思考，提高學(xué)生對水力壓裂物模實驗系統(tǒng)進行改造和研發(fā)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(guī)油氣藏油氣泄油體積和減小油氣運移的阻力。模擬非常規(guī)油氣田水平井多級水力壓裂的過程，需要對室內(nèi)實驗系統(tǒng)和方法進行改進。該方法是在真三軸水力壓裂設(shè)備的基礎(chǔ)上，改變?nèi)嵝怨芫€在巖心試樣內(nèi)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(xiàn)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(shù)，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(yīng)力高、層理和天然裂縫發(fā)育巖石塑性強等特點，需要通過大規(guī)模水力壓裂提高縫網(wǎng)擴展規(guī)模，目前現(xiàn)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(guī)模。

現(xiàn)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(guī)律缺少室內(nèi)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(tǒng)的壓力管線注入方式，實現(xiàn)持續(xù)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(yīng)力差下交替注入滑溜水和膠液后水力裂縫的擴展規(guī)律，考察不同注入順序及交替注入次數(shù)對水力裂縫擴展規(guī)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(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。

（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(shè)計所要求導(dǎo)流能力和幾何形狀的支撐劑填充裂縫。以往的實驗設(shè)備與現(xiàn)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(jié)果的可靠性，我們在原有壓裂物模實驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研發(fā)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(zhì)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(jù)實驗要求調(diào)配不同的前置液，調(diào)配完成后打開介質(zhì)容器的進液閥門，將前置液灌入，關(guān)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(diào)至需要轉(zhuǎn)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(xiàn)場加砂壓裂泵注流程，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)整個壓裂過程注液排量的精細(xì)化控制，提高數(shù)據(jù)監(jiān)測的準(zhǔn)確度、實時性，保障整個流程完全模擬現(xiàn)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(chuàng)新能力培養(yǎng)方法

我國的石油工程院校在巖石力學(xué)領(lǐng)域的實驗裝置和儀器的先進程度已經(jīng)超過國外同類院校，但我國的研究生實驗教學(xué)水平還遠(yuǎn)落后于國外高水平院校，尤其是在實驗設(shè)備研發(fā)能力、實驗研究方法、操作規(guī)范性、設(shè)備維護和安全性等方面差距較大。這就需要學(xué)習(xí)國外高水平院校先進的實驗教學(xué)、研究的理念和方法，提高國內(nèi)院校對實驗環(huán)節(jié)的重視程度，改進實驗教學(xué)手段，增強研究生的動手操作和思考能力，產(chǎn)出更多實驗研究創(chuàng)新性成果。研究生進入實驗室前學(xué)習(xí)相關(guān)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(shè)備原理，掌握相關(guān)輔助儀器的說明書和操作流程，熟悉每個實驗環(huán)節(jié);實驗時在老師的指導(dǎo)下動手操作;實驗結(jié)束后，與老師一起分析實驗結(jié)果，提出實驗過程中存在的問題，由老師告知現(xiàn)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(shè)備以滿足實驗要求。

實驗教學(xué)是石油工程學(xué)科最基本的教學(xué)手段之一。石油工程巖石力學(xué)實驗屬于在鉆井工程、完井工程、油氣田開發(fā)、巖石物理等多門學(xué)科的重要教學(xué)內(nèi)容。巖石力學(xué)實驗室的相關(guān)實驗裝置也是圍繞上述學(xué)科的基礎(chǔ)研究進行采購。研究生的巖石力學(xué)實驗課程如果主要是通過教師講解實驗操作安全規(guī)范和流程，讓研究生結(jié)合教材知識點進行操作和測試相關(guān)參數(shù)，就不利于研究生對石油工程巖石力學(xué)實驗理論和方法的綜合掌握，沒有充分引導(dǎo)研究生對實驗現(xiàn)象和問題進行思考，尤其是難以提高研究生對巖石力學(xué)實驗裝置的改造和研發(fā)能力。此外，根據(jù)工程需求，要圍繞現(xiàn)場實際問題進行調(diào)研，與現(xiàn)場工程師開展技術(shù)交流，結(jié)合施工難點設(shè)計實驗方案，調(diào)研國內(nèi)外實驗裝置的可行性，形成設(shè)備研發(fā)思路，制訂實驗解決方案。鼓勵研究生根據(jù)校內(nèi)課程體系對相關(guān)學(xué)科進行交叉學(xué)習(xí)，例如石油工程學(xué)院的研究生可以選擇機械學(xué)院的主干課程，旁聽重要章節(jié)，研究文獻，加強自學(xué)能力。對于實驗室內(nèi)的小尺度研究需要制定相似準(zhǔn)則以滿足現(xiàn)場尺度要求。導(dǎo)師需要估計研究生的學(xué)習(xí)研究基礎(chǔ)，同時注意引導(dǎo)研究生掌握設(shè)備安全知識和規(guī)范操作。此外，還需要要求研究生針對實驗裝置設(shè)計問題學(xué)習(xí)機械制圖和設(shè)計，了解鋼材選型，查找相關(guān)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(shè)備組合安裝存在哪些問題，保證設(shè)備運行的可靠性。

四、結(jié)束語

實驗室重視設(shè)備和儀器的研發(fā)是高校轉(zhuǎn)型改革的重要途徑，我國高?？梢园烟岣哐芯可目蒲袆?chuàng)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(yǎng)研究生研發(fā)巖石力學(xué)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(yè)生就業(yè)結(jié)構(gòu)性矛盾。

應(yīng)該鼓勵工科學(xué)生在校期間進行相關(guān)重點學(xué)科的交叉選課，選修感興趣的實踐應(yīng)用型課程，不要像修雙學(xué)位那樣選擇另一個學(xué)科的所有課程。也就是既要培養(yǎng)研究生的研究興趣和創(chuàng)新能力，又要實現(xiàn)其課程學(xué)習(xí)的真正減負(fù)。

[責(zé)任編輯：龐丹丹]