CN104280315B - 一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置及工作方法 - Google Patents

Abstract

一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置，包括产气部、压裂液储存部、均与产气部和压裂液储存部相连的泡沫发生器、支撑剂储罐和模拟裂缝板；所述的产气部包括沿气体扩散方向依次连接的气瓶、气体流量计和单向阀；所述的压裂液储存部包括可控制压裂液流出流量的装置；所述产气部产生的气体和压裂液储存部产生的液体经气泡发生器作用产生压裂液泡沫，所述的压裂液泡沫流入所述支撑剂储罐的顶部；在支撑剂储罐的底部设置有模拟裂缝板，在所述模拟裂缝板的末端设置有回压阀。本发明在设定压力下评价泡沫压裂液和常规单相压裂液动态携砂能力，同时可以实现泡沫与支撑剂相互作用的微观可视化，本发明具有高效、精确、经济等特点。

Description

一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置及工作方法

技术领域

本发明涉及一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置及工作方法，属于石油、天然气压裂增产用流体性能评价装置的技术领域。

背景技术

20世纪70年代末，泡沫压裂液就可已经开在得到应用，发展到现在泡沫压裂工艺已经在美国、加拿大、澳大利亚等国家得到广泛应用。国内在80年代后期引入泡沫压裂技术后，不断进行实验研究及现场应用探索，发展到现在已形成了多种泡沫液体系，主要包括纯表活剂泡沫压裂液、线性胶泡沫压裂液、酸碱性交联泡沫压裂液等。

动态携砂性能是指压裂液体系携带支撑剂颗粒运移的能力，是评价压裂液性能重要指标。泡沫压裂液作为两相流体不同于常规单相压裂液，采用常规评价方法无法对其有效、准确评价，同时泡沫压裂液独特的微观结构影响着其携砂性能，这就同时要求携砂评价装置能够进行微观可视化研究。因此，研发一种可以评价泡沫压裂液和常规压裂液携砂能力，且高效、精确、经济的装置及方法是十分必要的。

中国专利CN10245347A公开的一种煤层气用泡沫压裂液的悬砂性能测试方法，直接将泡沫压裂液加入量筒、加入陶粒支撑剂，观察陶粒的沉降速度、分析泡沫压裂液的悬砂性能。首先，这种方法是一种静态悬砂性能测试方法，无法贴近现场，可信度低；其次，直接将泡沫加入量筒会使泡沫暴露在空气中，这将影响泡沫的稳定性，增大实验误差。

中国专利CN203132950U公开的流体携砂能力测量装置，借用了井筒冲砂的原理，压裂液经过内筒流向外筒底部，再带动外筒底部的支撑剂由外筒向上流出。通过对比携带支撑剂的高度，以及底部静态的支撑剂体积来评价压裂液的携砂能力。首先，这种装置和方法只能适用于常规压裂液体系的携砂能力测试；其次，压裂液铺置支撑剂的过程主要发生在裂缝而不是井筒，采用井筒冲砂原理影响实验的可信度。

《工程热物理学报》2011年第1期中，记载了由孙晓发表的《交联氮气泡沫压裂液的携砂性能研究》一篇文章。该文章在大型高压泡沫压裂液实验回路上，对泡沫压裂液的携砂性能进行了实验研究，采用泡沫压裂液的临界携砂流速表征携砂性能。首先，这种实验设备体积庞大，费用高昂，难以普及；其次，该方法仍然是是在管路中而不是裂缝中研究压裂液携砂性能；最后，文章中虽然实现了支撑剂沉降的可视化观察，但由于管径粗、泡沫透光性差、颗粒运移轨迹不规则等原因，该装置无法良好得实现泡沫与支撑剂相互作用的微观可视化。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置，该装置可以评价泡沫压裂液和常规单相压裂液携砂能力，同时可以实现泡沫与支撑剂相互作用的微观可视化，该装置具有高效、精确、经济等特点。

本发明还提供一种上述泡沫压裂液动态携砂能力评价装置的工作方法。

本发明技术方案在于：

一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置，包括产气部、压裂液储存部、均与产气部和压裂液储存部相连的泡沫发生器、支撑剂储罐和模拟裂缝板；

所述的产气部包括沿气体扩散方向依次连接的气瓶、气体流量计和单向阀；

所述的压裂液储存部包括可控制压裂液流出流量的装置；

所述产气部产生的气体和压裂液储存部产生的液体经气泡发生器作用产生压裂液泡沫，所述的压裂液泡沫流入所述支撑剂储罐的顶部；

在支撑剂储罐的底部设置有模拟裂缝板，在所述模拟裂缝板的末端设置有回压阀；在所述支撑剂储罐的顶部设置有压力表。

根据本发明优选的，所述泡沫发生器与支撑剂储罐通过连接管线相连，所述连接管线为内径3～6mm的不锈钢管线。

根据本发明优选的，所述泡沫压裂液动态携砂能力评价装置还包括计算机和微观摄像机；在所述模拟裂缝板上设置有微观摄像机，所述微观摄像机与所述计算机相连，用于采集、储存、分析所述模拟裂缝内泡沫压裂液携砂的参数，以评价所述模拟裂缝内泡沫压裂液携砂能力。

根据本发明优选的，所述可控制压裂液流出流量的装置包括由平流泵驱动的用于容纳压裂液的中间容器。

根据本发明优选的，所述支撑剂储罐为长方体结构，所述支撑剂储罐内部标有体积刻度，作用是存放支撑剂颗粒，也用于计量实验过程中压裂液携带走的支撑剂体积；其带有体积刻度一面及相对面为耐压钢化玻璃，其余面为不锈钢。此处设计的优点使支撑剂储罐承受较高压力。

根据本发明优选的，所述支撑剂储罐的内腔的高度为20cm～40cm，体积为20mL～160mL。此处设计的优势在于采用少量的支撑剂颗粒既可以完成实验，同时该设计可以保证储罐内的支撑剂上端面在压裂液冲击下均匀下降低，便于支撑剂体积的计量。

根据本发明优选的，所述模拟裂缝板包括上下两块耐压钢化玻璃板，在所述钢化玻璃板的四周采用不锈钢嵌套密封。所述模拟裂缝板作用是为携砂压裂压裂液携带提供流动空间，并实现支撑剂与泡沫相互作用的微观可视化。

根据本发明优选的，所述模拟裂缝板中裂缝的纵切面为长方形、楔形或折线形。本发明所述的裂缝的切面形状可以为长方形、楔形或折线形，同时裂缝可以水平放置或竖直放置。此处设计的优势在于可以实现各类裂缝环境下压裂液携砂性能的评价，实验数据更贴近现场实际。

根据本发明优选的，所述支撑剂为粒径0.1mm～0.9mm的支撑剂颗粒。本发明采用与模拟裂缝相适应的陶粒支撑剂进行匹配使用，根据本发明优选的，所述模拟裂缝板所形成裂缝的厚度为1-3mm。在于该厚度范围内，通过微观摄像机可以清晰的观测到裂缝板内泡沫携砂流动的微观过程，同时降低裂缝内壁摩擦支撑剂对实验的影响，减少裂缝中砂卡现象。

根据本发明的优选，所述泡沫压裂液中气体体积占比应控制在50％～90％。此处设计在于过高或过低的气体占比时将影响泡沫的性质，这会使所测评价数据不能准确代表的所述泡沫压裂液的性能。

根据本发明优选的，在所述模拟裂缝板的末端，且在回压阀的上游设置有滤网。此处设计滤网的作用一是当支撑剂颗粒运移地最远距离大于裂缝最大长度时，过滤支撑剂并使其在裂缝端部堆积，以研究不同体系压裂液携带下，支撑剂在裂缝端面铺置形态的变化；二是过滤掉压裂液中的颗粒，以免破坏回压阀。

一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置的工作方法，包括步骤如下：

(1)连接设备，启动计算机；

(2)向支撑剂储罐填充测试用支撑剂，在中间容器内加入泡沫压裂液基液，将回压阀过流压力升高到测试压力；此处所述测试压力最高值以设备所能承受的安全压力极限为准，设置测试压力的主要目的是为了研究泡沫携砂能力随压力的变化；

(3)打开平流泵开关并调节泵注速度，打开气瓶开关及气体流量计开关，调剂气体流速，控制泡沫压裂液的产生量；

(4)从模拟裂缝板中出现泡沫流体开始计时，记录测试时间段△t内，支撑剂储罐中支撑剂的减少量，即泡沫压裂液的携砂体积V，cm³，采用透明方格纸采集支撑剂在模拟裂缝板的单条裂缝中的分布数据：包括支撑剂的运移最远距离l_max，cm，以及支撑剂在单条裂缝中的分布状态，同时采用微观摄像机观测模拟裂缝板内支撑剂与泡沫压裂液基液的相互作用；

(5)计算并对比不同泡沫压裂液的携砂能力参数，包括：

①泡沫压裂液单位时间内的携砂质量M，g/min，计算公式为：其中ρ_堆为支撑剂的堆积密度，g/cm³；

②支撑剂颗粒运移地最远距离l_max，cm；

③支撑剂颗粒平均铺置密度ρ_铺，g/cm²，计算公式为：其中w为裂缝宽度，cm。

本发明的有益效果：

(1)本发明实现了泡沫压裂液及常规压裂液在裂缝中的携砂性能评价，且具有高效、精确、经济的特点，易于普及；

(2)本发明实现了裂缝板内支撑剂与泡沫的相互作用微观可视化，对于研究微观状态下泡沫的携砂能力具有重要意义；

(3)本发明可采用不同形态的裂缝进行携砂性能评价，更贴近于现场实际，可信度高。

(4)本发明耐压性强，可以研究高压下的泡沫压裂液携砂性能，对于泡沫这种可压缩流体的研究具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明所述装置的整体结构示意图；

图2、为本发明所述模拟裂缝板纵切面结构示意图，其中所述裂缝的纵切面为长方形；

图3、为本发明所述模拟裂缝板纵切面结构示意图，其中所述裂缝的纵切面为楔形；

图4、为本发明所述模拟裂缝板纵切面结构示意图，其中所述裂缝的纵切面为折线形。

在图1-4中，1、计算机；2、微观摄像机；3、模拟裂缝板；4、滤网；5、回压阀；6、支撑剂储罐；7、压力表；8、泡沫发生器；9、中间容器；10、平流泵；11、单相阀；12、气体流量计；13、气瓶；14、模拟裂缝板的裂缝。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

如图1-4所示。

实施例1、

一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置，包括产气部、压裂液储存部、均与产气部和压裂液储存部相连的泡沫发生器8、支撑剂储罐6和模拟裂缝板3；

所述的产气部包括沿气体扩散方向依次连接的气瓶13、气体流量计12和单向阀11；

所述的压裂液储存部包括可控制压裂液流出流量的装置；

所述产气部产生的气体和压裂液储存部产生的液体经气泡发生器作用产生压裂液泡沫，所述的压裂液泡沫流入所述支撑剂储罐6的顶部；

在支撑剂储罐6的底部设置有模拟裂缝板3，在所述模拟裂缝板3的末端设置有回压阀5；在所述支撑剂储罐6的顶部设置有压力表7。

所述泡沫压裂液动态携砂能力评价装置还包括计算机1和微观摄像机2；在所述模拟裂缝板3上设置有微观摄像机2，所述微观摄像机2与所述计算机1相连，用于采集、储存、分析所述模拟裂缝3内泡沫压裂液携砂的参数，以评价所述模拟裂缝内泡沫压裂液携砂能力。

所述可控制压裂液流出流量的装置包括由平流泵10驱动的用于容纳压裂液的中间容器9。

所述模拟裂缝板包括上下两块耐压钢化玻璃板，在所述钢化玻璃板的四周采用不锈钢嵌套密封。

所述模拟裂缝板中裂缝的纵切面为长方形、楔形或折线形。

所述泡沫压裂液中气体体积占比应控制在50％～90％。

在所述模拟裂缝板的末端，且在回压阀的上游设置有滤网。

实施例2、

如实施例1所述的一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置，其区别在于，所述泡沫发生器8与支撑剂储罐6通过连接管线相连，所述连接管线为内径3～6mm的不锈钢管线。

实施例3、

如实施例1所述的一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置，其区别在于，所述模拟裂缝板所形成裂缝的厚度为1-3mm。所述支撑剂为粒径0.1mm～0.9mm的支撑剂颗粒。

实施例4、

如实施例1所述的一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置，其区别在于，所述支撑剂储罐为长方体结构，所述支撑剂储罐内部标有体积刻度，作用是存放支撑剂颗粒，也用于计量实验过程中压裂液携带走的支撑剂体积；其带有体积刻度一面及相对面为耐压钢化玻璃，其余面为不锈钢。

所述支撑剂储罐的内腔的高度为20cm～40cm，体积为20mL～160mL。

实施例5、

一种如实施例1-4所述泡沫压裂液动态携砂能力评价装置的工作方法，包括步骤如下：

(1)连接设备，启动计算机；

(2)向支撑剂储罐填充测试用支撑剂，在中间容器内加入泡沫压裂液基液，将回压阀过流压力升高到测试压力；

(3)打开平流泵开关并调节泵注速度，打开气瓶开关及气体流量计开关，调剂气体流速，控制泡沫压裂液的产生量；

(4)从模拟裂缝板中出现泡沫流体开始计时，记录测试时间段△t内，支撑剂储罐中支撑剂的减少量，即泡沫压裂液的携砂体积V，cm³，采用透明方格纸采集支撑剂在模拟裂缝板的单条裂缝中的分布数据：包括支撑剂的运移最远距离l_max，cm，以及支撑剂在单条裂缝中的分布状态，同时采用微观摄像机观测模拟裂缝板内支撑剂与泡沫压裂液基液的相互作用；

(5)计算并对比不同泡沫压裂液的携砂能力参数，包括：

①泡沫压裂液单位时间内的携砂质量M，g/min，计算公式为：其中ρ_堆为支撑剂的堆积密度，g/cm³；

②支撑剂颗粒运移地最远距离l_max，cm；

③支撑剂颗粒平均铺置密度ρ_铺，g/cm²，计算公式为：其中w为裂缝宽度，cm。

利用如实施例1-4所述装置、且按照实施例5所述的工作方法进行评价泡沫压裂液流体的携砂能力：

其中所述待测试的泡沫压裂液包括以下几种：

①质量分数为0.3％的SDS(十二烷基硫酸钠)水溶液与氮气所产生的泡沫压裂液；

②质量分数为0.4％交联胍胶水溶液与质量分数为0.3％的SDS(十二烷基硫酸钠)水溶液形成混合压裂液，混合压裂液与氮气产生的泡沫压裂液。

其中，所述模拟裂缝板为厚度2mm、宽度30mm的矩形切面裂缝板，如图2，所述支撑剂为粒径0.4mm—0.8mm的陶粒支撑剂,泡沫中气体的占比为60％，回压设置为5Mpa，流速15mL/min,测试时间3min。测得上述四种不同压裂液体系的携砂能力参数，即压裂液携带支撑剂体积数据如表1。

表1

结论：0.4％交联胍胶+0.3％SDS混合压裂液与氮气所形成的泡沫压裂液携砂效率最高，且携砂距离最远，平均铺砂密度最最高，具有最良好的携砂性能。

Claims (10)

1.一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置，其特征在于，该装置包括产气部、压裂液储存部、均与产气部和压裂液储存部相连的泡沫发生器、支撑剂储罐和模拟裂缝板；

所述的产气部包括沿气体扩散方向依次连接的气瓶、气体流量计和单向阀；

所述的压裂液储存部包括可控制压裂液流出流量的装置；

所述产气部产生的气体和压裂液储存部产生的液体经气泡发生器作用产生压裂液泡沫，所述的压裂液泡沫流入所述支撑剂储罐的顶部；

在支撑剂储罐的底部设置有模拟裂缝板，在所述模拟裂缝板的末端设置有回压阀；在所述支撑剂储罐的顶部设置有压力表。

2.根据权利要求1所述的一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置，其特征在于，所述泡沫发生器与支撑剂储罐通过连接管线相连，所述连接管线为内径3～6mm的不锈钢管线。

3.根据权利要求1所述的一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置，其特征在于，所述泡沫压裂液动态携砂能力评价装置还包括计算机和微观摄像机；在所述模拟裂缝板上设置有微观摄像机，所述微观摄像机与所述计算机相连，用于采集、储存、分析所述模拟裂缝内泡沫压裂液携砂的参数，以评价所述模拟裂缝内泡沫压裂液携砂能力。

4.根据权利要求1所述的一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置，其特征在于，所述可控制压裂液流出流量的装置包括由平流泵驱动的用于容纳压裂液的中间容器。

5.根据权利要求1所述的一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置，其特征在于，所述模拟裂缝板所形成裂缝的厚度为1-3mm；所述支撑剂为粒径0.1mm～0.9mm的支撑剂颗粒。

6.根据权利要求1所述的一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置，其特征在于，所述支撑剂储罐为长方体结构，所述支撑剂储罐内部标有体积刻度，作用是存放支撑剂颗粒，也用于计量实验过程中压裂液携带走的支撑剂体积；其带有体积刻度一面及相对面为耐压钢化玻璃，其余面为不锈钢；所述支撑剂储罐的内腔的高度为20cm～40cm，体积为20mL～160mL。

7.根据权利要求1所述的一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置，其特征在于，所述模拟裂缝板包括上下两块耐压钢化玻璃板，在所述钢化玻璃板的四周采用不锈钢嵌套密封；所述模拟裂缝板中裂缝的纵切面为长方形、楔形或折线形。

8.根据权利要求1所述的一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置，其特征在于，所述泡沫压裂液中气体体积占比应控制在50％～90％。

9.根据权利要求1所述的一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置，其特征在于，在所述模拟裂缝板的末端，且在回压阀的上游设置有滤网。

10.一种如权利要求4所述泡沫压裂液动态携砂能力评价装置的工作方法，包括步骤如下：

(1)连接设备，启动计算机；

(2)向支撑剂储罐填充测试用支撑剂，在中间容器内加入泡沫压裂液基液，将回压阀过流压力升高到测试压力；

(3)打开平流泵开关并调节泵注速度，打开气瓶开关及气体流量计开关，调剂气体流速，控制泡沫压裂液的产生量；

(4)从模拟裂缝板中出现泡沫流体开始计时，记录测试时间段△t内，支撑剂储罐中支撑剂的减少量，即泡沫压裂液的携砂体积V，cm³，采用透明方格纸采集支撑剂在模拟裂缝板的单条裂缝中的分布数据：包括支撑剂的运移最远距离l_max，cm，以及支撑剂在单条裂缝中的分布状态，同时采用微观摄像机观测模拟裂缝板内支撑剂与泡沫压裂液基液的相互作用；

(5)计算并对比不同泡沫压裂液的携砂能力参数，包括：

①泡沫压裂液单位时间内的携砂质量M，g/min，计算公式为：其中ρ_堆为支撑剂的堆积密度，g/cm³；

②支撑剂颗粒运移地最远距离l_max，cm；

③支撑剂颗粒平均铺置密度ρ_铺，g/cm²，计算公式为：其中w为裂缝宽度，cm。