CN104034630A - 用于油气藏地质改造的压裂液性能实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于油气藏地质改造的压裂液性能实验系统，包括支撑剂供料单元、CO₂泵注单元、常规压裂液基液泵注单元、N₂泵注单元和起泡剂泵注单元，CO₂泵注单元连接一个管汇三通的进口，常规压裂液基液泵注单元和起泡剂泵注单元均连接该管汇三通的另一个进口；N₂泵注单元连接一个双向阀，该双向阀跨接在所述管汇三通的两个进口上；管汇三通的出口连接压裂液发泡及加热单元；支撑剂供料单元与携砂性能测试单元相连；压裂液发泡及加热单元的出口被一个三通分为两路，一路连通流变测试单元的多管径水平流变测试段进口；另一路连通携砂性能测试单元；多管径水平流变测试段的出口与换热测试单元中的垂直换热测试套管的管侧进口相连。

Description

用于油气藏地质改造的压裂液性能实验系统

技术领域

本发明涉及对油气开发地质改造过程中常用的水基压裂液、水基泡沫压裂液、干法压裂液、干法泡沫压裂液等多种压裂液的流变特性、换热性能及携砂性能的实验装备。

背景技术

水力压裂是近代油气井增产应用最为广发的一种技术，是在地面采用高压大排量的泵，利用液体传压的原理，将具有一定粘度的液体，以大于油层的吸收能力的压力向油层注入，并使井筒内压力逐渐升高，从而在井底憋起高压，当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石的抗张强度时，便在井底附近地层产生裂缝：继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭合在支撑剂上，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和高导流能力的填砂裂缝，使油气井达到增产增注的目的。这种技术已在国内外低渗油气田的开发中起到了关键性作用，使原来没有工业价值的油气田成为了具有一定产能的油气田，其意义已远远超过了一口井的增产增注作用。一般来说，油气井在压裂之后，单井日产量要比压裂前高3～5倍。同时油气井产量一旦递减到压裂之前还可以进行重复压裂。在页岩气开发中，由于页岩比较致密，页岩气藏属于超低渗气藏，必须采用先进的压裂技术才能增产。因此，压裂技术在挖掘油气井生产潜力，保持油气田稳产和增产方面起到了十分重要的作用。

压裂液是压裂改造过程中应用到的具有一定黏度的液体，施工中压裂液作为一种载体输送支撑剂进入管道，穿过炮眼，深入裂缝，防止压后裂缝通道的闭合，扩展裂缝宽度以及产生并支撑长裂缝，形成高导流能力通道，同时，在地层中压裂液会从高粘度回复到低粘度最终在开井后实现返排。另外地层压裂过程中压裂液的配伍性的好坏，会对整个压裂施工成功与否起到关键性的作用。

虽然经过半个多世纪的发展，压裂液已由单一的纯植物胶体系发展到现在的包括泡沫压裂液、干法压裂液、清洁压裂液等多体系的现状，但对于其性能的检测仍然存在若干需要解决的问题，表现在：

1)目前还没有模拟施工条件下的压裂液流变特性、换热特性以及模拟施工工程的压裂液的携砂性能的综合型实验系统。

2)压裂液体系的发展日新月异，陆续开发出来包括清洁压裂液、干法压裂液、干法泡沫压裂液等多种特定地质条件下的压裂液体系，目前还没有适用于对现有所有体系压裂液进行性能检测的一套实验系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种可实现模拟工程施工工况条件下的压裂液的流变特性、摩阻特性，以及模拟施工过程中携砂压裂液的支撑剂运移沉降特性的压裂液性能实验系统。

为了达到上述目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的。

一种用于油气藏地质改造的压裂液性能实验系统，其特征在于，包括支撑剂供料单元、CO₂泵注单元、常规压裂液基液泵注单元、N₂泵注单元和起泡剂泵注单元，所述CO₂泵注单元连接一个管汇三通的进口；所述常规压裂液基液泵注单元和起泡剂泵注单元均连接该管汇三通的另一个进口；所述N₂泵注单元连接一个双向阀，该双向阀跨接在所述管汇三通的两个进口上；所述管汇三通的出口连接压裂液发泡及加热单元；所述支撑剂供料单元与携砂性能测试单元相连；所述压裂液发泡及加热单元的出口被一个三通分为两路，一路连通流变测试单元的多管径水平流变测试段进口；另一路连通携砂性能测试单元；所述多管径水平流变测试段的出口与换热测试单元中的垂直换热测试套管的管侧进口相连。

上述方案中，所述的CO₂泵注单元包括多个CO₂气瓶，通过汇集管依次与截止阀、减压阀以及流量计串联后再与盐水池中的液化盘管连接，液化盘管出口通过增压泵与管汇三通的一个进口相连，盐水池中的冷却盐水由制冷机降温。

所述压裂液发泡及加热单元包括连接管汇三通出口的泡沫发生器，泡沫发生器出口通过一段流体加热管路被所述三通分为两路，该段流体加热管路上设有电极，该电极通过调压器连接电流变压器，电极在电流作用下发热实现对流经该段流体加热管路中的压裂液进行电加热。

所述换热测试单元的垂直换热测试套管，其壳侧通过冷却循环泵、缓冲容器与CO₂泵注单元盐水池中的冷却盐水形成循环回路，冷却垂直换热测试套管管侧出口通过背压阀连接气液分离器。

所述支撑剂供料单元包括砂罐，砂罐底端出口与螺旋输送机相连，螺旋输送机出口与携砂性能测试单元中的水平可视观测管路的进口相连，其中，砂罐为立式圆筒形罐体，砂罐底部采用锥形结构，顶部为法兰密封盖，顶部接有平衡N₂接口。罐体顶部加砂口处装有不同孔隙的筛网。

所述携砂性能测试单元包括水平可视观测管路、与其相连的垂直可视测观测管路以及矩形可视裂缝，其中，水平可视观测管路入口连接支撑剂供料单元的螺旋输送机的出口；并通过三通与压裂液发泡及加热单元的流体加热管路出口连接。

所述水平可视观测管路入口连接螺旋输送机出口之间的管路采用渐缩管。所述可视化裂缝入口处设有分流器。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明系统中的CO₂泵注单元、N₂泵注单元以及常规基液泵注单元在管汇处设置有双向阀，可以实现两相或三相的任意混合，最终形成多体系的压裂液。可以实现对多种体系的压裂液进行性能检测评价，

2、对于CO₂泵注单元、N₂泵注单元、常规基液泵注单元以及支撑剂供料单元，都分别设有流量计及单独的流量控制方式，可以实现不同物料间的任意配比。

3、本发明系统中的CO₂泵注单元、N₂泵注单元、常规基液泵注单元管汇处设置有泡沫发生器，可以实现不同物料间的快速、充分混溶。系统流体加热采用二级电加热方式，一级加热实现对流体温度的快速提升，二级加热实现对流体温度的微调，最终实现对流体温度快速、准确的控制。

4、本发明系统经配制加热后的高温高压压裂液可通过串联的方式先后进入系统多管径并联的水平流变测试段以及垂直换热测试段完成流变、摩阻及换热性能的综合测试及评价。

附图说明

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

图1是本发明压裂液性能实验系统的整体结构示意图。

图中：1.溶液池；2.搅拌泵；3.柱塞泵；4.起泡剂罐；5.加药泵；6.止回阀；7.N2瓶；8.截止阀；9.减压阀；10.流量计；11.空气压缩机；12.缓冲罐；13.气体增压泵；14.CO2气瓶；15.CO₂汇集管；16.N₂汇集管；17.盐水池；18.制冷机；19.增压泵；20.双向阀；21.管汇三通；22.泡沫发生器；23.电流变压器；24.调压器；25.紫铜电极；26.水平流变测试段；27.垂直换热测试套管；28.冷却循环泵；29.液化盘管；30.缓冲容器；31.背压阀；32.气液分离器33.废液罐34.砂罐35.螺旋输送机36.水平可视观测管路；37.垂直可视观测管路；38.矩形可视裂缝。

具体实施方式

参照图1，一种用于油气藏地质改造的压裂液性能实验系统，有以下九个单元构成：

(1)CO₂泵注单元

多个CO₂气瓶14并联在CO₂汇集管15上，该汇集管依次与截止阀8a，减压阀9a以及流量计10a串联连接后再与盐水池17中的液化盘管29连接，其中盐水池17中的盐水通过制冷机18降温。经盐水池17换热充分液化后的液态CO₂进入增压泵19，增压泵19出口通过一个管汇三通21连接到压裂液发泡及加热单元中的泡沫发生器22的进口；盐水池17中的冷却盐水与换热测试单元中的垂直换热测试套管27的壳侧循环连接。

该单元中盐水池17可为水浴式的制冷装置，以CaCl₂盐水作为换热介质，其冷源为制冷机18，既可以实现对管流CO₂的液化处理，也可以用于对换热管路中测试流体的降温处理。

(2)常规压裂液基液泵注单元

包括溶液池1、搅拌泵2、柱塞泵3等。溶液池1底部出口管(设置有过滤网)与搅拌泵2连接，并形成循环回路，实现压裂液基液的配制及搅拌剪切处理，搅拌泵出口连接柱塞泵3，经柱塞泵流出的压裂液通过一个管汇三通21进入压裂液发泡及加热单元中的泡沫发生器22中。

(3)N₂泵注单元

多个N₂气瓶7a并联在N₂汇集管16上，该汇集管依次与截止阀8b，减压阀9b以及流量计10b串联连接后，再与气体增压泵13的进口相连，实现对N₂的增压及泵注，空气压缩机11以及缓冲罐12用于对气体增压泵13提供动力。气体增压泵13的出口连接一个并联在管汇三通21两进口端的双向阀。

(4)起泡剂泵注单元

包括起泡剂罐4、连接起泡剂罐的加药泵5，加药泵通过止回阀6形成成起泡剂泵注通路，止回阀6通过管汇三通21连接压裂液发泡及加热单元中的泡沫发生器22的进口，从而向测试流体中泵入起泡剂。

(5)支撑剂供料单元

包括N₂气瓶7b、砂罐34、螺旋输送机35。N₂气瓶经减压阀后与砂罐顶部连接，为砂罐提供系统平衡压力；砂罐底端出口与螺旋输送机相连，螺旋输送机出口与携砂性能测试单元中的水平可视观测管路36的进口相连，实现对支撑剂的供料。其中，砂罐为立式圆筒形罐体，砂罐底部采用锥形处理，顶部为法兰密封盖，顶部接有平衡N2接口，实验时用于平衡砂罐内部与管流系统之间的压差，同时罐体顶部加砂口处可安装不同孔隙的筛网以筛选控制携砂实验中的支撑剂颗粒粒径。

(6)压裂液发泡及加热单元

包括连接管汇三通21的泡沫发生器22，泡沫发生器出口通过一段流体加热管路，被一个三通分为两路，一路连通流变测试单元中的流变测试管段26；另一路连通携砂性能测试单元中的水平可视观测管路36的入口。该段流体加热管路上设有紫铜电极25，紫铜电极通过调压器24连接电流变压器23，紫铜电极在电流作用下发热实现对流体加热管路中的压裂液进行电加热。

(7)流变测试单元

包括差压变送器EJA及与其并联的三管径(4mm、6mm及8mm)水平流变测试段26。该单元中流变测试管段26出口与换热测试单元中的垂直换热测试套管27管侧进口相连；流变测试管段26的进口通过三通与压裂液发泡及加热单元流体加热管路的出口连接。采用三管径水平流变测试段可大大提高系统的参数测试范围，测试参数压力最高可达50MPa，剪切速率最高可达17700s^-1，温度最高可达200℃，可以实现模拟现场施工参数下的体系性能评价。

(8)换热测试单元

包括垂直换热测试套管27、冷却循环泵28、缓冲容器30，垂直换热测试套管的壳侧通过冷却循环泵、缓冲容器与CO₂泵注单元盐水池中的冷却盐水形成循环回路，实现换热套管内压裂液热流体与盐水池内冷流体的热交换。垂直换热测试套管27管侧出口通过背压阀31连接气液分离器32。垂直换热测试套管27采用的是逆流式垂直换热套管，采用复壁式换热方式，利用冷却盐水在环管中的逆流换热实现对压裂液的降温冷却。

(9)携砂性能测试单元

包括水平可视观测管路36、垂直可视测观测管路37以及矩形可视裂缝38。其中，水平可视观测管路36入口连接螺旋输送机35出口；并通过三通与压裂液发泡及加热单元流体加热管路出口连接。

支撑剂通过螺旋输送机送入管路并与实验流体混合形成携砂液，水平可视观测管路36入口连接螺旋输送机35出口之间的管路采用渐缩管处理保证支撑剂快速均匀进入流体并防止流体的回灌，支撑剂沉降可视化裂缝入口处设有分流器39，使得管流出来的携砂液以均匀面分布的形式进入裂缝，同时分流器采用90^°切线倒角处理方式，保证垂直入流的携砂液平缓的变为水平切线流向。

本发明图1系统的工作原理如下：

1)溶液池1底部出口管与搅拌泵2连接，形成循环回路，实验前实现对溶液池中压裂液的充分剪切及搅拌，之后打开截止阀，压裂液流体通过搅拌泵提供的水力压头被泵至柱塞泵3，实现对常规水基压裂液的增压处理，之后被泵至管汇三通21。起泡剂罐4的底部与加药泵5连接，之后起泡剂经止回阀6后被泵至管汇三通21。

多个CO₂气瓶14并联在CO₂汇集管15上，汇集管依次与截止阀8a，减压阀9a以及流量计10a串联连接后进入盐水池17中的液化盘管25，盐水池17中的盐水通过制冷机18降温。经盐水池17换热液化后的液态CO₂温度约为-8℃，压力为4MPa，之后连通进入CO₂增压泵19泵至管汇三通21。

N₂气瓶7a并联在N₂汇集管16上，汇集管依次与截止阀8b，减压阀9b以及流量计10b串联连接后进入气体增压泵13进行增压处理，之后经过双向阀20后进入管汇三通21，其中气体增压泵13的动力由空气压缩机11增压并经过缓冲罐12后的压缩空气提供。

砂罐34底部与螺旋输送机35连接，由螺旋输送机35按照设计砂比输送支撑剂与三通流入的压裂液混合进入水平可视观测管路36，N₂气瓶7b经减压阀达到系统压力后直接与砂罐34顶部连接。

2)于管汇三通21汇合的压裂液经由泡沫发生器22后进入系统流体加热管路段，紫铜电极25以镶嵌的形式外包在管路壁面。

3)水平流变测试段26与换热测试套管27串联连接，之后液体经由背压阀31进入气液分离器32实现废液分离之后进入废液罐33。

4)水平可视观测管路36与垂直可视观测管路37串联连接，之后携砂压裂液经分流器进入矩形可视裂缝38，进行携砂实验。

Claims (9)

1.一种用于油气藏地质改造的压裂液性能实验系统，其特征在于，包括支撑剂供料单元、CO₂泵注单元、常规压裂液基液泵注单元、N₂泵注单元和起泡剂泵注单元，所述CO₂泵注单元连接一个管汇三通的进口；所述常规压裂液基液泵注单元和起泡剂泵注单元均连接该管汇三通的另一个进口；所述N₂泵注单元连接一个双向阀，该双向阀跨接在所述管汇三通的两个进口上；所述管汇三通的出口连接压裂液发泡及加热单元；所述支撑剂供料单元与携砂性能测试单元相连；所述压裂液发泡及加热单元的出口被一个三通分为两路，一路连通流变测试单元的多管径水平流变测试段进口；另一路连通携砂性能测试单元；所述多管径水平流变测试段的出口与换热测试单元中的垂直换热测试套管的管侧进口相连。

2.如权利要求1所述的用于油气藏地质改造的压裂液性能实验系统，其特征在于，所述的CO₂泵注单元包括多个CO₂气瓶，通过汇集管依次与截止阀、减压阀以及流量计串联后再与盐水池中的液化盘管连接，液化盘管出口通过增压泵与管汇三通的一个进口相连，盐水池中的冷却盐水由制冷机降温。

3.如权利要求1所述的用于油气藏地质改造的压裂液性能实验系统，其特征在于，所述压裂液发泡及加热单元包括连接管汇三通出口的泡沫发生器，泡沫发生器出口通过一段流体加热管路被所述三通分为两路，该段流体加热管路上设有电极，该电极通过调压器连接电流变压器，电极在电流作用下发热实现对流经该段流体加热管路中的压裂液进行电加热。

4.如权利要求1所述的用于油气藏地质改造的压裂液性能实验系统，其特征在于，所述换热测试单元的垂直换热测试套管，其壳侧通过冷却循环泵、缓冲容器与CO₂泵注单元盐水池中的冷却盐水形成循环回路，冷却垂直换热测试套管管侧出口通过背压阀连接气液分离器。

5.如权利要求1所述的用于油气藏地质改造的压裂液性能实验系统，其特征在于，所述支撑剂供料单元包括砂罐，砂罐底端出口与螺旋输送机相连，螺旋输送机出口与携砂性能测试单元相连，其中，砂罐为立式圆筒形罐体，砂罐底部采用锥形结构，顶部为法兰密封盖，顶部接有平衡N₂接口。

6.如权利要求5所述的用于油气藏地质改造的压裂液性能实验系统，其特征在于，所述罐体顶部加砂口处装有不同孔隙的筛网。

7.如权利要求5所述的用于油气藏地质改造的压裂液性能实验系统，其特征在于，所述携砂性能测试单元包括水平可视观测管路、与其相连的垂直可视测观测管路以及矩形可视裂缝，其中，水平可视观测管路入口连接螺旋输送机的出口；并通过三通与压裂液发泡及加热单元的流体加热管路出口连接。

8.如权利要求7所述的用于油气藏地质改造的压裂液性能实验系统，其特征在于，所述水平可视观测管路入口连接螺旋输送机出口之间的管路采用渐缩管。

9.如权利要求7所述的用于油气藏地质改造的压裂液性能实验系统，其特征在于，所述可视化裂缝入口处设有分流器。