CN103048431B - 水力压裂支撑剂沉降及渗透率测试装置 - Google Patents

水力压裂支撑剂沉降及渗透率测试装置 Download PDF

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张崇崇
刘晓
苏现波
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Abstract

本发明公开了一种水力压裂支撑剂沉降及渗透率测试装置,包括煤储层模拟系统、渗透率测试系统、数据显示控制系统和抽采模拟控制系统,煤储层模拟系统、渗透率测试系统和抽采模拟控制系统顺次通过管道连接,煤储层模拟系统、渗透率测试系统和抽采模拟控制系统分别通过数据线与数据显示控制系统连接。本发明可模拟不同储层裂隙组合、压裂泵注参数、不同围压等条件下压裂过程中支撑剂的运移、沉降变化规律。并对压裂前后渗透率进行测试,对不同支撑剂的改造效果、同一支撑剂不同情况下的改造效果进行客观评价,为水力压裂工艺参数优化提供支撑。

Description

水力压裂支撑剂沉降及渗透率测试装置
技术领域
[0001] 本发明属于煤储层开发生产技术领域,尤其涉及一种水力压裂支撑剂沉降及渗透率测试装置。
背景技术
[0002] 煤储层裂隙发育程度的好坏在一定程度上决定着煤层气开发时产气量的多少。我国煤储层本身由于受到多期构造运动的作用,开发前煤储层裂隙一般都不发育,随着煤层气井开发深度的加大,这种现象更加严重,煤储层改造显得越来越重要。水力压裂工艺技术因其工艺技术相对比较成熟、货源广、储层改造效果相对比较好、价格比较低廉而成为目前煤储层改造的主要工艺技术之一。水力压裂过程中,为了防止营造出的裂缝的闭合,水力压裂过程中将加入支撑剂来防止裂缝的闭合。支撑剂在裂缝中的支撑情况一定程度上决定着储层改造后裂缝的导流能力大小。
[0003] 为了改善煤储层改造后的导流能力,研究者们从压裂液的类型、支撑剂的类型、施工泵注参数等方面做了卓有成效的研究,为了对压裂改造后的效果有一个比较准确的认识,人们现场采用试井的方法进行了压裂改造后的渗透率测试,由于其设备庞大、搬迁困难、成本高,且试井测试的结果不具有代表性等特点,导致现场施工井不多,且因其代表性不强,所以无法对压裂改造后的储层改造效果得出比较准确的判断。同时,试井无法对压裂改造后的支撑剂支撑情况做出判断。只有等井下煤矿开采后,可能会对支撑剂的支撑情况有一些判断,但井下受采煤影响,在不进行专门研究的情况下,也无法确定支撑剂的沉降规律。且一口井无法代表其他井的支撑情况。如何针对不同裂隙发育的煤层、不同泵注参数下得出支撑剂的沉降规律并对其储层改造后的渗透率进行测试,则是更有效对现场压裂工艺参数优化,为现场压裂提供更有利的支撑。
发明内容
[0004] 本发明为了解决现有技术中的不足之处,提供一种水力压裂支撑剂沉降及渗透率测试装置。
[0005] 为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:水力压裂支撑剂沉降及渗透率测试装置,包括水力压裂模拟系统、支撑剂沉降测试系统、渗透率测试系统和数据显示控制系统,水力压裂模拟系统和渗透率测试系统分别通过管道与支撑剂沉降测试系统的进液口和测试口连接,水力压裂模拟系统、支撑剂沉降测试系统和渗透率测试系统分别通过数据线与数据显示控制系统连接。
[0006] 所述水力压裂模拟系统包括砂罐1、第一开关阀门2、混砂搅拌机3、压裂增压器10、第一水罐15、注水泵23、第一安全阀9、第一流量传感器4、第一压力传感器5、第一密度传感器6、第二流量传感器4a、第二压力传感器5a、第二开关阀门2a、第三开关阀门2c、第二水罐15a、第一单向阀8和第二单向阀8a,砂罐I和第一水罐15的出口分别与混砂搅拌机3的进口连接,第一开关阀门2设在砂罐I的出口处,第二开关阀门2a设在第一水罐15的出口处,混砂搅拌机3的出口与压裂增压器10的进口连接,压裂增压器10的出口连接有第一管道7,第一安全阀9、第一流量传感器4、第一压力传感器5、第一密度传感器6和第一单向阀8沿压裂液流向顺次设在第一管道7上,第二水罐15a的出口连接有第二管道7a,第三开关阀门2c、注水泵23、第二流量传感器4a、第二压力传感器5a和第二单向阀8a沿水流方向顺次设在第二管道7a上,第一管道7和第二管道7a的出口分别与支撑剂沉降测试系统的进液口连接,第一流量传感器4、第一压力传感器5、第一密度传感器6、第二流量传感器4a和第二压力传感器5a通过所述数据线分别与数据显示控制系统连接。
[0007] 所述支撑剂沉降测试系统包括圆柱形的玻璃缸12、玻璃钢管11、钢架19、煤板20、螺栓17、压力感应片18、示踪捕捉器22和三个气压装置,每个气压装置均包括高压气瓶13、气体压缩机24、卸压阀28、第三压力传感器5c、第三单向阀8c,钢架19设在玻璃缸12内,煤板20通过螺栓17固定在钢架19上,钢架19的两端设有钢架卡槽27,玻璃钢管11卡在钢架卡槽27内,玻璃钢管11下部设有孔眼25,压力感应片18设在煤板20上,玻璃钢管11的进液口与第一管道7和第二管道7a的出口连接,高压气瓶13的出口通过第三管道7b与玻璃缸12内部连通,气体压缩机24、卸压阀28、第三压力传感器5c、第三单向阀8c沿气流方向顺次设在第三管道7b上,压力感应片18、示踪捕捉器22和第三压力传感器5c通过所述数据线分别与数据显示控制系统连接。
[0008] 所述渗透率测试系统由构造相同的三部分组成,每个部分均包括PID阀16、第四压力传感器5d、第三流量传感器4b、气囊14和第三水罐15b,气囊14和第三水罐15b的进口通过第四管道7c与玻璃缸12内部连通,PID阀16、第四压力传感器5d和第三流量传感器4b沿气液流向顺次设在第四管道7c上,PID阀16、第四压力传感器5d和第三流量传感器4b通过所述数据线分别与数据显示控制系统连接。
[0009] 所述数据显示控制系统为计算机21。
[0010] 采用上述技术方案,本发明由水力压裂模拟系统、支撑剂沉降测试系统、渗透率测试系统和数据显示控制系统等四大部分组成。水力压裂模拟系统主要包括压裂动力部分和搅拌混合部分等,主要是为水力压裂时提供压裂液、为压裂过程中的压裂液提供动力及把支撑剂和压裂液输送到支撑剂沉降模拟测试系统中。支撑剂沉降测试系统主要包括煤储层模拟部分、气压装置和示踪捕捉器等,主要是对压裂过程中支撑剂的沉降进行观察、记录,了解其沉降规律。渗透率测试系统主要是对水力压裂前后煤储层模拟装置中的渗透性进行测试并收集压裂液。数据显示控制系统主要通过计算机收集数据,并依此进行对压裂进行控制。
[0011] 本发明针对目前水力压裂后支撑剂沉降规律不明、改造后的效果无法真正得到评价的问题,充分考虑煤储层参数及压裂工艺特点,模拟不同煤储层参数、不同压裂工艺参数、不同支撑剂类型下水力压裂过程中支撑剂沉降规律,并对压裂改造后的渗透率进行测试,从而得出不同情况下支撑剂沉降规律和压裂改造后的渗透率,查明支撑剂的运移规律,为水力压裂工艺参数优化提供指导。
[0012] 本发明可模拟不同储层裂隙组合、压裂泵注参数、不同围压等条件下压裂过程中支撑剂的运移、沉降变化规律。并对压裂前后渗透率进行测试,对不同支撑剂的改造效果、同一支撑剂不同情况下的改造效果进行客观评价,为水力压裂工艺参数优化提供支撑。
附图说明
[0013] 图1是本发明的结构示意图;
[0014] 图2是图1当中支撑剂沉降测试系统和渗透率测试系统的俯视图。
具体实施方式
[0015] 如图1和图2所示,本发明的水力压裂支撑剂沉降及渗透率测试装置,包括水力压裂模拟系统、支撑剂沉降测试系统、渗透率测试系统和数据显示控制系统,水力压裂模拟系统和渗透率测试系统分别通过管道与支撑剂沉降测试系统的进液口和测试口连接,水力压裂模拟系统、支撑剂沉降测试系统和渗透率测试系统分别通过数据线29与数据显示控制系统连接。数据显示控制系统为计算机21。
[0016] 水力压裂模拟系统包括砂罐1、第一开关阀门2、混砂搅拌机3、压裂增压器10、第一水罐15、注水泵23、第一安全阀9、第一流量传感器4、第一压力传感器5、第一密度传感器6、第二流量传感器4a、第二压力传感器5a、第二开关阀门2a、第三开关阀门2c、第二水罐15a、第一单向阀8和第二单向阀8a,砂罐I和第一水罐15的出口分别与混砂搅拌机3的进口连接,第一开关阀门2设在砂罐I的出口处,第二开关阀门2a设在第一水罐15的出口处,混砂搅拌机3的出口与压裂增压器10的进口连接,压裂增压器10的出口连接有第一管道7,第一安全阀9、第一流量传感器4、第一压力传感器5、第一密度传感器6和第一单向阀8沿压裂液流向顺次设在第一管道7上,第二水罐15a的出口连接有第二管道7a,第三开关阀门2c、注水泵23、第二流量传感器4a、第二压力传感器5a和第二单向阀8a沿水流方向顺次设在第二管道7a上,第一管道7和第二管道7a的出口分别与支撑剂沉降测试系统的进液口连接,第一流量传感器4、第一压力传感器5、第一密度传感器6、第二流量传感器4a和第二压力传感器5a通过所述数据线29分别与数据显示控制系统连接。
[0017] 水力压裂模拟系统主要是模拟现场水力压裂过程。第二水罐15a主要是为仅注入水时提供液体,注入时水由第二水罐15a经注水泵23增压后,经第二管道7a注入支撑剂沉降测试系统中。其中可通过调节注水泵23功率设置水流注入压力,在此过程中,由第二流量传感器4a和第二压力传感器5a实时记录流量和压力。第二流量传感器4a和第二压力传感器5a通过数据线29与计算机21相连,由计算机21对第二管道7a的压力、流量等数据进行实时记录与监控。
[0018] 盛装支撑剂的砂罐I和盛装压裂液的第一水罐15经混砂搅拌机3充分混合后,由压裂增压器10增压后,经过第一管道7、单向阀8注入支撑剂沉降测试系统中。其中,安全阀9用来保护第一管道7在一定压力下工作,第一流量传感器4用来计量第一管道7中流经的携砂液的流量;第一压力传感器5用来计量施工压力;第一密度传感器6通过计量密度来得出注入过程的砂比。可通过调节混砂搅拌机3的转速来调整注入时的砂比,调节压裂增压器10功率来设置携砂液的注入压力,模拟控制携砂液的注入强度,第一流量传感器4、第一压力传感器5、第一密度传感器6通过数据线29与计算机21相连,由计算机21对第一管道7的压力、密度等数据实时记录与监控。
[0019] 支撑剂沉降测试系统包括圆柱形的玻璃缸12、玻璃钢管11、钢架19、煤板20、螺栓17、压力感应片18、示踪捕捉器22和三个气压装置,每个气压装置均包括高压气瓶13、气体压缩机24、卸压阀28、第三压力传感器5c、第三单向阀8c,钢架19设在玻璃缸12内,煤板20通过螺栓17固定在钢架19上,钢架19的两端设有钢架卡槽27,玻璃钢管11卡在钢架卡槽27内,玻璃钢管11下部设有孔眼25,压力感应片18设在煤板20上,玻璃钢管11的进液口与第一管道7和第二管道7a的出口连接,高压气瓶13的出口通过第三管道7b与玻璃缸12内部连通,气体压缩机24、卸压阀28、第三压力传感器5c、第三单向阀Sc沿气流方向顺次设在第三管道7b上,压力感应片18、示踪捕捉器22和第三压力传感器5c通过所述数据线29分别与数据显示控制系统连接。
[0020] 支撑剂沉降测试系统主要是通过煤储层模拟装置、气压装置和示踪捕捉装置等部分组成,主要用来查明不同煤岩强度、施工泵注参数及地层参数条件下支撑剂的沉降规律。
[0021] 煤储层模拟装置中由R2.5mXH0.5m圆柱体玻璃缸12作为框架,玻璃缸12中设置有上、下2个R2.5 XH0.2m圆柱体玻璃腔26,每个玻璃腔26被均分为3个同样大小的小玻璃腔,中轴处插入Φ1.25cm玻璃钢管11贯穿玻璃缸12中模拟井筒;每个小玻璃腔中均设置一块煤板20,每块煤板20由3个相同大小扇形板构成,三块煤板20上下对应用来模拟储层垂向和横向上的不同的裂缝,煤板20上均匀布置着压力感应片18,模拟监测支撑剂运移时玻璃腔26中的压力变化和压力梯度;上部的玻璃腔中的3个上扇形板与下部玻璃腔中的3个下扇形板中的钢架19与玻璃缸12、玻璃钢管11连接处设置有钢架卡槽27,以实现钢架19的移动,由钢架19上设置有螺栓17将扇形板固定在玻璃缸12中,通过螺栓17调节两个扇形板的间距来模拟储层裂缝的宽度,而其余扇形板由钢架19固定在玻璃缸12上;每对扇形板与玻璃钢管11接触处中心设置有I个Φ2_孔眼25模拟射孔孔眼;每对扇形板与玻璃缸12接触的中心处连接有第三管道7b和第四管道7c,用来模拟储层裂缝系统垂向与横向上不同的围压阻力,并可进行渗透率的测试;实验时向玻璃缸12中添加示踪剂,与玻璃缸12相连的示踪捕捉器22 —起进行监测压裂过程中支撑剂的沉降,同时可由肉眼直接透过玻璃缸12进行观测支撑剂的沉降。
[0022] 气压装置主要通过第三管道7b向储层模拟装置提供围压阻力。气压装置包括三条第三管道7b,每条第三管道7b与上下两层玻璃腔中对应的扇形板并联连接;每条管路设置主要由高压气瓶13 (高压气瓶中气体要求与煤体不发生物理化学反应,拟设为He气)与气体增压机24来提供气压。每条第三管道7b又分为两条并联的管路与扇形板相连,每条并联管路上均设置有卸压阀28、第三压力传感器5c,其中两层玻璃腔中的6个小玻璃腔中根据实验的要求操作卸压阀28设置不同的压力值,用来实现储层裂缝系统横向与垂向上不同方位不同的围压阻力;每条并联管路的末尾设置有第三单向阀8c以防止气体回流。示踪捕捉装置由失踪捕捉器22等组成,主要通过向支撑剂添加示踪剂监测支撑剂运移沉降。
[0023] 渗透率测试系统由构造相同的三部分组成,每个部分均包括PID阀16、第四压力传感器5d、第三流量传感器4b、气囊14和第三水罐15b,气囊14和第三水罐15b的进口通过第四管道7c与玻璃缸12内部连通,PID阀16、第四压力传感器5d和第三流量传感器4b沿气液流向顺次设在第四管道7c上,PID阀16、第四压力传感器5d和第三流量传感器4b通过所述数据线29分别与数据显示控制系统连接。
[0024] 渗透性测试系统主要是对储层模拟装置的渗透性进行测试。通过对各个第四管道7c的进、出口压力、流量等的计量,通过计算即可测试储层的渗透性。通过PID阀16来设定小玻璃腔与第四管道7c、每条分并联管路之间的压差以保证裂缝系统中的围压阻力不因气体、水的流出而改变。其中PID阀16的压差值可根据具体情况自由设定,压差可从0.1MPa〜1MPa不等,且可满足1MPa以下的压力;第四压力传感器5d计量各个并联管路的出口压力;压力感应片18计量各个小玻璃腔的进口压力;第三流量传感器4b计量各个并联管路的水的流量;通过这些参数的测试,即可得出渗透性。由气囊14收集气体,由第三水罐15b收集水。
[0025] 数据显示控制系统主要由计算机21和数据线29等组成。通过线路连接各个装置中的压力传感器、密度传感器、流量传感器、PID阀16与示踪捕捉器22等以实时记录,根据实验要求控制整个实验的进行,模拟现场压裂与支撑剂运移。
[0026] 本发明在使用时采用以下步骤:
[0027] (I)扇形煤板的制作
[0028] 根据实验要求,选取所需区块的煤样,碾成煤粒,使用扇形模具将煤粒与钢架胶结成煤板20,将压力感应片18均匀的布置在煤板20上。
[0029] (2)组装实验装置与气密性检测
[0030] 将制作好的煤板20用螺栓17固定在钢架19上,将钢架19安装在玻璃缸12内,安插玻璃钢管11,连接各个管路与线路,打开闻压气瓶13开关,检测各个装置与连接处的气密性。
[0031] (3)实验分组
[0032] 根据实验要求拟定不同压裂泵注功率,6个小玻璃腔中煤板20的宽度,6个围压管路中的卸压阀28,6个测试管路的PID阀16与不同类型支撑剂等,并将其进行分组。
[0033] (4)压裂前渗透性测试
[0034] 根据实验要求与拟定的分组情况,对煤储层中运移出的水进行收集与流量计量,读取压力感应片测定的进口压力与测试管路的出口压力,得出压裂前的渗透率。
[0035] ( 5 )压裂过程支撑剂运移测试
[0036] 在砂罐中装入不同粒径的支撑剂,在水缸中配置压裂液及示踪剂,通过调节增压泵、混砂装置的转速等达到实验所需的砂比和压力,并对实验过程中的压力、流量等数据进行实时记录。
[0037] (6)数据收集
[0038] 由计算机与各个系统中的压力传感器、压力感应片18、第一密度传感器6相连实时监控各个装置中的压力值,对渗透性测试系统中的流量计进行实时记录,肉眼观测并记录各组实验中的支撑剂的运移与沉降,记录示踪捕捉器22中测试的支撑剂运移沉降情况。
[0039] ( 7 )压裂后渗透率测试
[0040] 对各个管路的进、出口压力、流量等进行计量,对其压裂后的渗透率进行测试。
[0041] (8)耦合研究
[0042] 通过对各组实验装置中的压力、密度、流量的计量与肉眼与示踪捕捉器22的测量,结合实验分组的设定,耦合得出不同泵注动力、围压阻力、不同垂向与横向裂缝宽度等条件下支撑剂的运移沉降规律。
[0043] 最后计算分析不同支撑剂运移情况下的煤储层模拟装置的渗透性,结合实验的分组情况得出煤储层不同支撑剂运移沉降前、后储层渗透性的改变。

Claims (2)

1.水力压裂支撑剂沉降及渗透率测试装置,其特征在于:包括水力压裂模拟系统、支撑剂沉降测试系统、渗透率测试系统和数据显示控制系统,水力压裂模拟系统和渗透率测试系统分别通过管道与支撑剂沉降测试系统的进液口和测试口连接,水力压裂模拟系统、支撑剂沉降测试系统和渗透率测试系统分别通过数据线与数据显示控制系统连接; 所述水力压裂模拟系统包括砂罐(I)、第一开关阀门(2)、混砂搅拌机(3)、压裂增压器(10)、第一水罐(15)、注水泵(23)、第一安全阀(9)、第一流量传感器(4)、第一压力传感器(5)、第一密度传感器(6)、第二流量传感器(4a)、第二压力传感器(5a)、第二开关阀门(2a)、第三开关阀门(2c)、第二水罐(15a)、第一单向阀(8)和第二单向阀(8a),砂罐(I)和第一水罐(15)的出口分别与混砂搅拌机(3)的进口连接,第一开关阀门(2)设在砂罐(I)的出口处,第二开关阀门(2a)设在第一水罐(15)的出口处,混砂搅拌机(3)的出口与压裂增压器(10)的进口连接,压裂增压器(10)的出口连接有第一管道(7),第一安全阀(9)、第一流量传感器(4)、第一压力传感器(5)、第一密度传感器(6)和第一单向阀(8)沿压裂液流向顺次设在第一管道(7)上,第二水罐(15a)的出口连接有第二管道(7a),第三开关阀门(2c)、注水泵(23)、第二流量传感器(4a)、第二压力传感器(5a)和第二单向阀(8a)沿水流方向顺次设在第二管道(7a)上,第一管道(7)和第二管道(7a)的出口分别与支撑剂沉降测试系统的进液口连接,第一流量传感器(4)、第一压力传感器(5)、第一密度传感器(6)、第二流量传感器(4a)和第二压力传感器(5a)通过所述数据线分别与数据显示控制系统连接; 所述支撑剂沉降测试系统包括圆柱形的玻璃缸(12)、玻璃钢管(11)、钢架(19)、煤板(20)、螺栓(17)、压力感应片(18)、示踪捕捉器(22)和三个气压装置,每个气压装置均包括高压气瓶(13)、气体压缩机(24)、卸压阀(28)、第三压力传感器(5c)、第三单向阀(Sc),钢架(19)设在玻璃缸(12)内,煤板(20)通过螺栓(17)固定在钢架(19)上,钢架(19)的两端设有钢架卡槽(27),玻璃钢管(11)卡在钢架卡槽(27)内,玻璃钢管(11)下部设有孔眼(25),压力感应片(18)设在煤板(20)上,玻璃钢管(11)的进液口与第一管道(7)和第二管道(7a)的出口连接,高压气瓶(13)的出口通过第三管道(7b)与玻璃缸(12)内部连通,气体压缩机(24)、卸压阀(28)、第三压力传感器(5c)、第三单向阀(Sc)沿气流方向顺次设在第三管道(7b)上,压力感应片(18)、示踪捕捉器(22)和第三压力传感器(5c)通过所述数据线分别与数据显示控制系统连接; 所述渗透率测试系统由构造相同的三部分组成,每个部分均包括PID阀(16)、第四压力传感器(5d)、第三流量传感器(4b)、气囊(14)和第三水罐(15b),气囊(14)和第三水罐(15b)的进口通过第四管道(7c)与玻璃缸(12)内部连通,PID阀(16)、第四压力传感器(5d)和第三流量传感器(4b)沿气液流向顺次设在第四管道(7c)上,PID阀(16)、第四压力传感器(5d)和第三流量传感器(4b)通过所述数据线分别与数据显示控制系统连接。
2.根据权利要求1所述的水力压裂支撑剂沉降及渗透率测试装置,其特征在于:所述数据显示控制系统为计算机(21)。
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