CN104990906A - 一种压裂液携砂能力测试系统及测试方法 - Google Patents

一种压裂液携砂能力测试系统及测试方法 Download PDF

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Abstract

一种二氧化碳无水压裂液携砂能力测试系统及测试方法，该系统首先由第一气瓶和第二气瓶分别通过第一阀和第二阀与气体净化器入口连接，气体净化器出口依次连接体积流量计、制冷系统和液态CO2储罐，制冷系统和液态CO2储罐中间连接有第三阀，液态CO2储罐出口同时连接有第四阀、第一压力计、第五阀和CO2泵，然后汇合另一条连接有试剂罐和试剂泵的支路，在两条支路汇合处连接安全阀，并依次连接单向阀、预热器、第一温度计和第二压力计后进入水平携砂运移支路测试压裂液的运移性能或进入垂直悬砂运移支路测试压裂液的悬砂性能；本发明还公开了对应的测试方法，专门模拟并测试不同添加剂配比下的二氧化碳无水压裂液在不同温度、不同压力和不同排量的情况下压裂液的携砂能力。

Description

一种压裂液携砂能力测试系统及测试方法
技术领域
本发明涉及压裂技术领域，特别涉及一种二氧化碳无水压裂液携砂能力测试系统及测试方法。
背景技术
伴随着致密低渗非常规油气藏的大规模开发，为了降低常规水基压裂液对储层(尤其水敏性储层)造成的伤害，二氧化碳无水压裂技术由于其“无水压裂”的特性正备受关注。CO2无水压裂技术主要是以由液态CO2和极少量化学添加剂混合形成的无水压裂液代替传统水基压裂液进行储层改造，在提高体积压裂改造效果的同时，能够有效保护储层，并且节约大量的水资源。
然而，由于超临界CO2液体的粘度往往远低于水基压裂液，故常常需要加入增稠剂和增粘剂等化学添加剂以改善其压裂液携砂造缝性能。然而，实际的市场调研发现，现有的施工现场作业或实验室研究针对能够表征超临界CO2压裂液携砂性能的测试系统和设备，市场上还没有成熟的产品销售。
因此，我们发明了本测试系统。本发明——二氧化碳无水压裂液携砂能力测试系统及测试方法可以模拟并测试不同添加剂配比下的二氧化碳无水压裂液在不同温度、不同压力、不同排量情况下的悬砂运移能力。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的设备及仪器不配套的问题，本发明的目的在于提供了一种二氧化碳无水压裂液携砂能力测试系统及测试方法，专门测试不同添加剂配比下的二氧化碳无水压裂液在不同温度、不同压力、不同排量条件下的悬砂运移能力。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种压裂液携砂能力测试系统，包括第一气瓶1和第二气瓶2，且第一气瓶1和第二气瓶2分别通过第一阀3和第二阀4与气体净化器5的入口连接，气体净化器5的出口依次连接体积流量计6、制冷系统7和液态CO2储罐8，其中制冷系统7和液态CO2储罐8并联后再串接有第三阀9，液态CO2储罐8出口同时连接有第四阀10、第一压力计12、第五阀11和CO2泵13，然后汇合另一条依次连接有放空阀16、试剂罐15和试剂泵14的支路，在两条支路汇合处连接有第二压力计17和安全阀18，安全阀18依次连接单向阀19、预热器20、第一温度计21，然后经由水平携砂运移支路或者垂直悬砂运移支路，再依次连接第三压力计30、第二温度计31和回压阀32后进入压裂液回收装置33；所述水平携砂运移支路按照流体运动方向依次连接第六阀22、带有水平刻度观测窗24的水平携砂观测仪23和第七阀25，所述垂直悬砂运移支路按照流体运动方向依次连接第八阀26、带有垂直刻度观测窗28的垂直悬砂观测仪27和第九阀29。
所述系统能够根据需要灵活选择气瓶即第一气瓶1和第二气瓶2的接入数量，同时气瓶口向下倾斜固定放置；所述液态CO2储罐8在制冷系统7内，为制冷系统7一部分。
所述CO2泵13和试剂泵14采用恒速恒压泵，其最大工作压力为70MPa以上，能够根据需要，选择规格型号，设定排量，调节泵的流量，从而能够模拟压裂施工时地层压力条件。
所述预热器20能够加热压裂液，且第一温度计21安装在水平携砂运移支路和垂直悬砂运移支路的汇合处，且距离汇合点应尽量近。
所述安全阀18安装在CO2泵13和试剂泵14的两条支路汇合处；所述单向阀19只允许流经安全阀18的压裂液流向预热器。
所述水平携砂观测仪23水平放置，采用“下进上出”的流动方式，在水平携砂仪进液口34处设有第一水平过滤网36，在水平携砂仪排液口35处设有第二水平过滤网40；同时在入口端靠近进液口处设有曲面缓冲坡38，在曲面缓冲坡38和水平携砂仪进液口34之间铺满水平支撑剂堆积37，且在曲面缓冲坡38后设有距离相等的挡板39。
所述垂直悬砂观测仪27竖直放置，垂直携砂仪进液口42和垂直携砂仪排液口43分别设置在垂直悬砂仪筒体47的进出口端面的中心位置；在垂直携砂仪进液口42上装有可拆卸第一垂直过滤网44，入口端为扩径缓冲孔45，扩径缓冲孔45内为垂直支撑剂堆积46，在出口端布置有第二垂直过滤网48，第二垂直过滤网48和垂直携砂仪排液口43间为缩径缓冲孔49。
所述的水平刻度观测窗24和垂直刻度观测窗28均透明，采用蓝宝石或者耐高压材料制成；且所述的水平支撑剂堆积37和垂直支撑剂堆积46所用的支撑剂砂砾均用荧光液或染剂液处理标记，以便观测。
所述系统所有连接管线均采用316L管线；且预热器20到第三压力计30之间的所有管线均采用保温材料包裹；所述体积流量计6、第一压力计12、CO2泵13、试剂泵14、第二压力计17、预热器20、第一温度计21、第三压力计30和第二温度计31均连接数字采集控制卡，用于采集压力、温度、流量和泵排量，采集的数据经处理生成原始数据报表，分析报表以及曲线图，同时生成数据库文件格式以便用户灵活使用。
上述所述的压裂液携砂能力测试系统的测试方法，第一气瓶1、第二气瓶2中CO2气体经过制冷系统7液化储存在在液态CO2储罐8中，然后由CO2泵13输入管路，并与来自另一支路由试剂泵14泵入管路的事先配置好的不同配比的添加剂相混合，经预热器20适量加热后灵活选用水平携砂运移支路或垂直悬砂运移支路其中的一条支路进行二氧化碳无水压裂液在不同添加剂配比、不同排量、不同压力和不同温度条件下的运移性能或悬砂性能等携砂能力测试，测试所用的压裂液最后进入压裂液回收装置33进行回收处理；在测试过程中的支撑剂颗粒均经过荧光液或染剂液处理，故在测试过程中通过垂直刻度观测窗28来计量压裂液的悬砂性能，或者通过水平刻度观测窗24来计量压裂液的运移性能；垂直刻度观测窗28计量压裂液悬砂性能的方法为：在流体从下端注入垂直悬砂观测仪27腔体后，垂直支撑剂堆积46会在流体浮力和重力作用下向上悬浮运移，从而透过垂直刻度观测窗28上标注的刻度来表征压裂液对支撑剂颗粒的悬浮运移距离，运移距离越大表明这一测试条件下压裂液悬砂性能越好；水平刻度观测窗24计量压裂液运移性能的方法为：流体从水平携砂仪进液口34进入水平携砂观测仪23的腔体后，由于曲面缓冲坡38的作用，水平支撑剂堆积37会在流体作用下轴向运移分布，从而透过水平刻度观测窗24上标注的刻度定量表征压裂液对支撑剂颗粒的携砂运移距离，还能通过观测不同挡板的39间隔内支撑剂颗粒的堆积厚度分布定性表征压裂液对支撑剂的携砂运移性能，某一间距挡板39间的沉积颗粒越多，代表支撑剂运移距离主要集中在该距离范围内；携砂运移距离分布越远，表明这一测试条件下压裂液携砂性能越好。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
(1)本发明是专门模拟并测试不同添加剂配比形成的二氧化碳无水压裂液在不同温度、不同压力和不同排量情况下的悬砂性能和运移性能相关的携砂能力。
(2)本系统中第一气瓶1和第二气瓶2能够根据需要灵活选择气瓶接入数量，存放时应将气瓶瓶口向下倾斜存放，以便于更好地保存和输出液化的二氧化碳。
(3)本系统中制冷系统7可以根据实验需要设定制冷温度。它内置的液态CO2储罐8可以储存一定量液态CO2。
(4)本系统中CO2泵13和试剂泵14采用恒速恒压泵，可以根据需要，选择适当规格型号，设定排量，调节泵的流量；建议最大工作压力为70MPa以上，能够模拟压裂施工时地层压力条件。
(5)本系统中试剂罐15下端设计有放空阀16，方便试剂罐15使用前后的清洗。
(6)本系统中第一压力计12、第二压力计17和第三压力计30可分别测量超临界CO2液体、不同配比形成的CO2压裂液和实验过后的压裂液压力，实时监测系统中的管线压力；并通过安全阀18和回压阀32进行管线压力控制，从而保障管路安全。
(7)本系统中预热器20用于适量加热压裂液，从而模拟地层温度条件，而第一温度计21则安装在水平携砂运移支路和垂直悬砂运移支路的汇合处，且其间距离尽量短，能够提高二氧化碳无水压裂液测试温度的计量精确度，减小测试误差。
(8)本系统中水平携砂观测仪23，表面装有透明水平刻度观测窗24，可以通过观测窗上的具体刻度计量压裂液的携砂运移性能，从而模拟裂缝中压裂液在流动方向上的有效运移长度；采用“下进上出”的流动方式，是为了使得压裂液充分与进液口处水平支撑剂堆积37充分接触并混合；曲面缓冲坡38的设计是为了减少因水力撞击等造成的压裂液流动波动；挡板39设计为等间距分布，用于区分压裂液运移能力的强弱程度，数量宜为4个左右。
(9)本系统中垂直悬砂观测仪27，表面装有透明垂直刻度观测窗28，可以通过观测窗上的具体刻度计量压裂液的悬砂运移性能，从而模拟压裂液在裂缝中垂直方向上的支撑剂沉降性能，扩径缓冲孔45和缩径缓冲孔49的设计是为了减少因水力波动给实验测试带来的影响。
(10)本系统中第一水平过滤网36和第二水平过滤网40、第一垂直过滤网44和第二垂直过滤网48是为了防止压裂液携砂流动过程中支撑剂进入管线造成管线堵塞等复杂情况的发生。同时第一水平过滤网36和第一垂直过滤网44均设置在进液口处，可以拆卸，便于试验后对水平携砂观测仪23和垂直携砂观测仪27腔体内散乱的支撑剂进行处理与填装。
(11)本系统中水平刻度观测窗24和垂直刻度观测窗28均由透明的蓝宝石或者其他耐高压材料制成，能够承受压裂液一定的压力；且所述的水平支撑剂堆积37和垂直支撑剂堆积46所用的支撑剂砂砾均用荧光液或其他方法等明显处理标记，以便观测。
(12)本系统中通过控制第六阀22和第七阀25或第八阀26和第九阀29的打开或关闭，可以灵活选用水平携砂运移支路或者垂直悬砂运移支路二者中的任意一条进行相关的运移或悬砂性能测试。
(13)本系统中压裂液回收装置33，用于回收并处理废弃的测试压裂液，防止对实验室和环境造成污染。
(14)本系统中所有连接管线均采用316L管线，有一定的耐压抗酸腐蚀特性，减少或防止高压CO2压裂液对管线造成伤害；且预热器20到第三压力计30之间的所有管线均采用保温材料包裹，防止压裂液在输送过程中造成的热量散失，从而提高测试温度的计量精度，减小实验误差。
(15)本系统汇总所述体积流量计6、第一压力计12、CO2泵13、试剂泵14、第二压力计17、预热器20、第一温度计21、第三压力计30、第二温度计31等均连接数字采集控制卡，用于采集压力、温度、流量和泵排量等参数，采集的数据经处理生成原始数据报表，分析报表以及曲线图，同时生成数据库文件格式以便用户灵活使用。
附图说明
图1为无水压裂液携砂能力测试系统结构示意图。
图2为水平携砂观测仪的结构示意图，其中，图2a为内部侧视剖视图，图2b为外部侧视图。
图3为垂直悬砂观测仪的结构示意图，其中，图3a为外部侧视图，图3b为内部侧视剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细叙述。
如图1所示，第一气瓶1和第二气瓶2气体分别通过第一阀3和第二阀4后，经过气体净化器5净化后，通过体积流量计6计量流量。然后通过制冷系统7，将二氧化碳制冷液化后储存在液态CO2储罐8中，经CO2泵13输入管路，并与来自另一支路中由试剂泵14泵入管路的试剂罐15中事先配置好的不同配比的添加剂相混合，然后当流体增压至一定程度后，通过安全阀18和单向阀19，经预热器20适量加热后，通过控制第六阀22和第七阀25或第八阀26和第九阀29的打开或关闭，可以灵活选用水平携砂运移支路或者垂直悬砂运移支路二者中的任意一条进行相关的运移或悬砂性能测试，测试后的压裂液流入压裂液回收装置33。
如图2所示，水平携砂运移支路的关键测试装置为水平携砂观测仪23，使用时首先向曲面缓冲坡38与进液口之间缓慢填砂形成水平支撑剂堆积37，然后装上第一水平过滤网36和第二水平过滤网40，测试过程中采用“下进上出”的流动方式，即通过水平携砂观测仪进液口34注入压裂液并使其通过水平携砂观测仪排液口35流出，通过表面透明的水平刻度观测窗24，或者通过观测挡板间支撑剂的集聚厚度与面积，可以相对计量压裂液中水平方向上的支撑剂有效运移长度，从而表征压裂液流动方向上的支撑剂运移性能。
如图3所示，垂直悬砂运移支路的关键测试装置为垂直悬砂观测仪27，其垂直悬砂仪进液口42处装有第二垂直过滤网48，填砂时水平放置，通过垂直悬砂仪排液口43向垂直悬砂仪腔体填砂，使之在扩径缓冲孔45处形成垂直支撑剂堆积46，然后装上第一垂直过滤网44，竖直放置，接入垂直悬砂运移支路；通过观测表面透明的垂直刻度观测窗28，可以计量压裂液中的支撑剂在垂直方向上的悬浮运移性能，从而表征压裂液在垂向上的支撑剂沉降性能。
本系统中所用的支撑剂均需要用荧光染料或者其他方法处理，以便测试时的观测计量。另外，系统本身配备数据采集处理功能，可实现计算机操作：数据采集包括压力、温度、流量、和相应的泵排量，为了保证测量精度和控制的可靠性，所述系统中的数字采集控制卡均采用进口数字采集控制卡，从而实现数字化采集传输。
计算机采集的数据经处理可生成原始数据报表，分析报表以及曲线图，同时生成数据库文件格式以便用户灵活使用。
本发明的测试方法为：
第一气瓶1、第二气瓶2中CO2气体经过制冷系统7液化储存在在液态CO2储罐8中，然后由CO2泵13输入管路，并与来自另一支路由试剂泵14泵入管路的事先配置好的不同配比的添加剂相混合，经预热器20适量加热后灵活选用水平携砂运移支路或垂直悬砂运移支路其中的一条支路进行二氧化碳无水压裂液在不同添加剂配比、不同排量、不同压力和不同温度条件下的运移性能或悬砂性能等携砂能力测试，测试所用的压裂液最后进入压裂液回收装置33进行回收处理。在测试过程中的支撑剂颗粒均经过荧光或染剂液等材料处理，故在测试过程中可通过垂直刻度观测窗28来计量压裂液的悬砂性能，或者通过水平刻度观测窗24来计量压裂液的运移性能。

Claims (10)

1.一种压裂液携砂能力测试系统，其特征在于：包括第一气瓶(1)和第二气瓶(2)，且第一气瓶(1)和第二气瓶(2)分别通过第一阀(3)和第二阀(4)与气体净化器(5)的入口连接，气体净化器(5)的出口依次连接体积流量计(6)、制冷系统(7)和液态CO2储罐(8)，其中制冷系统(7)和液态CO2储罐(8)并联后再串接有第三阀(9)，液态CO2储罐(8)出口同时连接有第四阀(10)、第一压力计(12)、第五阀(11)和CO2泵(13)，然后汇合另一条依次连接有放空阀(16)、试剂罐(15)和试剂泵(14)的支路，在两条支路汇合处连接有第二压力计(17)和安全阀(18)，安全阀(18)依次连接单向阀(19)、预热器(20)、第一温度计(21)，然后经由水平携砂运移支路或者垂直悬砂运移支路，再依次连接第三压力计(30)、第二温度计(31)和回压阀(32)后进入压裂液回收装置(33)；
所述水平携砂运移支路按照流体运动方向依次连接第六阀(22)、带有水平刻度观测窗(24)的水平携砂观测仪(23)和第七阀(25)，所述垂直悬砂运移支路按照流体运动方向依次连接第八阀(26)、带有垂直刻度观测窗(28)的垂直悬砂观测仪(27)和第九阀(29)。
2.根据权利要求1所述的压裂液携砂能力测试系统，其特征在于：所述系统能够根据需要灵活选择气瓶即第一气瓶(1)和第二气瓶(2)的接入数量，同时气瓶口向下倾斜固定放置；所述液态CO2储罐(8)在制冷系统(7)内，为制冷系统(7)一部分。
3.根据权利要求1所述的压裂液携砂能力测试系统，其特征在于：所述CO2泵(13)和试剂泵(14)采用恒速恒压泵，其最大工作压力为70MPa以上，能够根据需要，选择规格型号，设定排量，调节泵的流量，从而能够模拟压裂施工时地层压力条件。
4.根据权利要求1所述的压裂液携砂能力测试系统，其特征在于：所述预热器(20)能够加热压裂液，且第一温度计(21)安装在水平携砂运移支路和垂直悬砂运移支路的汇合处，且距离汇合点应尽量近。
5.根据权利要求1所述的压裂液携砂能力测试系统，其特征在于：所述安全阀(18)安装在CO2泵(13)和试剂泵(14)的两条支路汇合处；所述单向阀(19)只允许流经安全阀(18)的压裂液流向预热器。
6.根据权利要求1所述的压裂液携砂能力测试系统，其特征在于：所述水平携砂观测仪(23)水平放置，采用“下进上出”的流动方式，在水平携砂仪进液口(34)处设有第一水平过滤网(36)，在水平携砂仪排液口(35)处设有第二水平过滤网(40)；同时在入口端靠近进液口处设有曲面缓冲坡(38)，在曲面缓冲坡(38)和水平携砂仪进液口(34)之间铺满水平支撑剂堆积(37)，且在曲面缓冲坡(38)后设有距离相等的挡板(39)。
7.根据权利要求1所述的压裂液携砂能力测试系统，其特征在于：所述垂直悬砂观测仪(27)竖直放置，垂直携砂仪进液口(42)和垂直携砂仪排液口(43)分别设置在垂直悬砂仪筒体(47)的进出口端面的中心位置；在垂直携砂仪进液口(42)上装有可拆卸第一垂直过滤网(44)，入口端为扩径缓冲孔(45)，扩径缓冲孔(45)内为垂直支撑剂堆积(46)，在出口端布置有第二垂直过滤网(48)，第二垂直过滤网(48)和垂直携砂仪排液口(43)间为缩径缓冲孔(49)。
8.根据权利要求1所述的压裂液携砂能力测试系统，其特征在于：所述的水平刻度观测窗(24)和垂直刻度观测窗(28)均透明，采用蓝宝石或者耐高压材料制成；且所述的水平支撑剂堆积(37)和垂直支撑剂堆积(46)所用的支撑剂砂砾均用荧光液或染剂液处理标记，以便观测。
9.根据权利要求1所述的压裂液携砂能力测试系统，其特征在于：所述系统所有连接管线均采用316L管线；且预热器(20)到第三压力计(30)之间的所有管线均采用保温材料包裹；所述体积流量计(6)、第一压力计(12)、CO2泵(13)、试剂泵(14)、第二压力计(17)、预热器(20)、第一温度计(21)、第三压力计(30)和第二温度计(31)均连接数字采集控制卡，用于采集压力、温度、流量和泵排量，采集的数据经处理生成原始数据报表，分析报表以及曲线图，同时生成数据库文件格式以便用户灵活使用。
10.权利要求1至9任一项所述的压裂液携砂能力测试系统的测试方法，其特征在于：第一气瓶(1)、第二气瓶(2)中CO2气体经过制冷系统(7)液化储存在在液态CO2储罐(8)中，然后由CO2泵(13)输入管路，并与来自另一支路由试剂泵(14)泵入管路的事先配置好的不同配比的添加剂相混合，经预热器(20)适量加热后灵活选用水平携砂运移支路或垂直悬砂运移支路其中的一条支路进行二氧化碳无水压裂液在不同添加剂配比、不同排量、不同压力和不同温度条件下的运移性能或悬砂性能等携砂能力测试，测试所用的压裂液最后进入压裂液回收装置(33)进行回收处理；在测试过程中的支撑剂颗粒均经过荧光液或染剂液处理，故在测试过程中通过垂直刻度观测窗(28)来计量压裂液的悬砂性能，或者通过水平刻度观测窗(24)来计量压裂液的运移性能；垂直刻度观测窗(28)计量压裂液悬砂性能的方法为：在流体从下端注入垂直悬砂观测仪(27)腔体后，垂直支撑剂堆积(46)会在流体浮力和重力作用下向上悬浮运移，从而透过垂直刻度观测窗(28)上标注的刻度来表征压裂液对支撑剂颗粒的悬浮运移距离，运移距离越大表明这一测试条件下压裂液悬砂性能越好；水平刻度观测窗(24)计量压裂液运移性能的方法为：流体从水平携砂仪进液口(34)进入水平携砂观测仪(23)的腔体后，由于曲面缓冲坡(38)的作用，水平支撑剂堆积(37)会在流体作用下轴向运移分布，从而透过水平刻度观测窗(24)上标注的刻度定量表征压裂液对支撑剂颗粒的携砂运移距离，还能通过观测不同的挡板(39)间隔内支撑剂颗粒的堆积厚度分布定性表征压裂液对支撑剂的携砂运移性能，某一间距挡板(39)间的沉积颗粒越多，代表支撑剂运移距离主要集中在该距离范围内；携砂运移距离分布越远，表明这一测试条件下压裂液携砂性能越好。
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