CN105275444B - 一种可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置和方法。所述装置包括人工裂缝单元和支撑单元，人工裂缝单元包括硅胶环、两块透明面板和两个外框，硅胶环的横截面形状为Y字形，Y字形的开口部分为硅胶环内圈且Y字形的闭口部分为硅胶环外圈，两块透明面板平行地固定在硅胶环内圈中，两个外框平行地夹住硅胶环外圈并固定，外框的两侧设置有开口并且两个外框在人工裂缝单元的两侧分别形成压裂液入口和压裂液出口，透明面板上均布有多个小孔；支撑单元包括支架和弹簧，支架包括底支架和侧支架，人工裂缝单元固定在底支架上，侧支架位于人工裂缝单元的两侧并且侧支架通过弹簧分别与人工裂缝单元的两块透明面板连接。

Description

一种可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置和方法

技术领域

本发明涉及油气田开发的技术领域，更具体地讲，涉及一种能够动态、可视地模拟裂缝内支撑剂沉降规律的装置和方法。

背景技术

随着国内外油气田的大量开发，越来越多的低渗、致密油气藏难以用常规方式开采，包括页岩气在内的非常规油气资源往往需要采用水力压裂技术进行增产作业。水力压裂技术为了能够获得高产，其中一种方式是使页岩形成缝网结构，让油气资源能从缝网流出。但是由于地层应力作用，已经压好的地层如果没有支撑剂对裂缝进行填充，在压裂液返排以后裂缝会再次闭合。支撑剂是具有一定粒度和级配的天然砂或人造高强陶瓷颗粒，有效的支撑剂铺置不仅能支撑起裂缝并防止地层闭合，还能形成较高的导流能力，让地层中的油气资源能更好的穿过裂缝到达地面，从而使获得较高的产量。因此，对支撑剂的有效铺置进行研究尤为重要。

支撑剂的铺置情况是评判压裂效果的关键因素，但是动态单缝支撑剂可视化装置在国内外都未出现，目前国内外基本全是用软件模拟支撑剂在缝网中的铺置，缺乏足够的实验辅助。即便有少量的实验，也由于实验条件过于理想化而导致参考性有限，所有的实验都是先形成假设一定形状的固定裂缝，再实现支撑剂的铺置。而在现场的实际工作过程中的方法是先使用前置液进行造缝，再注入携砂液，一边打开裂缝一边铺置支撑剂。在这一过程中，地层裂缝会膨胀变形和发生液体渗漏等各种情况。

目前存在的装置均未解决上述问题，用于模拟动态裂缝内支撑剂沉降规律和铺置规律的实验装置在国内外均未出现。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题和不足，本发明的目的在于提供一种能够直观观察和记录支撑剂在裂缝动态张开情况下的可视化动态铺置的可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置和方法。

为了实现上述目的，本发明的一方面提供了可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置，所述装置包括人工裂缝单元和支撑单元，其中，所述人工裂缝单元包括硅胶环、两块透明面板和两个外框，所述硅胶环的横截面形状为Y字形，所述Y字形的开口部分为硅胶环内圈且Y字形的闭口部分为硅胶环外圈，所述两块透明面板平行地固定在硅胶环内圈中，所述两个外框平行地夹住硅胶环外圈并固定，所述外框的两侧设置有开口并且所述两个外框在人工裂缝单元的两侧分别形成压裂液入口和压裂液出口，所述透明面板上均布有多个小孔；所述支撑单元包括支架和弹簧，所述支架包括底支架和侧支架，所述人工裂缝单元固定在底支架上，所述侧支架位于人工裂缝单元的两侧并且侧支架通过弹簧分别与人工裂缝单元的两块透明面板连接。

根据本发明的可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置的一个实施例，所述人工裂缝单元还包括用于对所述小孔进行封堵的封堵件。

根据本发明的可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置的一个实施例，所述弹簧的一端固定在透明面板的小孔中且另一端固定在侧支架上。

根据本发明的可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置的一个实施例，所述弹簧的数量为2或大于2的偶数，并且所述弹簧以非形变的初始状态设置。

根据本发明的可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置的一个实施例，所述透明面板为有机玻璃板并且所述透明面板的抗压压力≤0.5MPa；所述两个外框之间设置有密封垫圈并且两个外框通过螺栓进行夹紧固定。

本发明的另一方面提供了一种可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的方法，采用上述可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置进行模拟，所述方法包括以下步骤：

A、根据所需模拟的地层环境参数配制压裂液、调整装置参数并准备支撑剂；

B、将压裂液作为前置液从所述装置的人工裂缝单元的压裂液入口泵入，使两块透明面板之间形成微张的裂缝；

C、再将压裂液与支撑剂均匀混合形成的携砂液从所述装置的人工裂缝单元的压裂液入口泵入，使两块透明面板之间的裂缝进一步张开并且支撑剂在裂缝中进行铺置，返排液体从所述装置的人工裂缝单元的压裂液出口排出；

D、观察支撑剂的铺置过程并记录支撑剂的铺置状态，直至完成模拟。

根据本发明的可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的方法的一个实施例，所述方法还包括在模拟之前进行的检查装置清洁度并注入清水进行循环以检查装置密封性的步骤以及在模拟之后进行的清洗装置的步骤。

根据本发明的可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的方法的一个实施例，控制所述装置的排量低于20m³/h，两块透明面板之间的裂缝缝宽为支撑剂粒径的1.5～2.5倍，砂比小于20％；根据所需模拟的地层环境温度并利用压裂液的粘温曲线选择压裂液的粘度，根据所需模拟的地层渗透率选择性地封堵透明面板上的部分小孔以调整漏失率，根据所需模拟的地层压力设置不同弹力的弹簧。

根据本发明的可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的方法的一个实施例，所述压裂液为胍胶压裂液、交联压裂液或滑溜水压裂液；所述支撑剂由两种不同粒度的天然砂或人造陶瓷颗粒组成，并且所述支撑剂的目数组成为20/40、40/70或30/50。

根据本发明的可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的方法的一个实施例，所述方法还包括在不同压裂液、不同支撑剂和不同砂比的情况下分别观察支撑剂的铺置过程并记录支撑剂的铺置状态的步骤。

本发明的可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置和方法能够实现和记录支撑剂在裂缝动态张开情况下的可视化动态铺置，让支撑剂在人工裂缝中的铺置实验能更真实地模拟现场情况，提高实验效果，对现场压裂施工具有指导意义。本发明利用了硅胶环的弹性实现了透明面板由最初闭合到受到流体压力的冲击而张开的过程，反应了在地层中裂缝从最初闭合到由于携砂液造成裂缝张开和支撑剂铺置的过程，完全模拟了现场的实际工况；本发明通过在透明面板外侧设置可变数量和类型的弹簧，可以模拟各种地层的围压，增强了现场条件模仿的真实性；本发明通过在透明面板上设置多个可封堵小孔，可以根据不同地层的孔隙度情况来模拟地层在不同漏失率下的支撑剂沉降及铺置规律。

附图说明

图1示出了根据本发明示例性实施例的可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置中人工裂缝单元的立体结构示意图。

图2示出了根据本发明示例性实施例的可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置中透明面板与弹簧的连接结构示意图。

图3示出了根据本发明示例性实施例的可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置中人工裂缝单元与支撑单元的连接结构示意图。

附图标记说明：

1-透明面板、101-小孔、2-硅胶环、3-外框、301-压裂液入口、302-压裂液出口、4-支架、401-底支架、402-侧支架、5-密封垫圈、6-弹簧。

具体实施方式

在下文中，将对本发明的可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置和方法进行详细说明。

图1示出了根据本发明示例性实施例的可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置中人工裂缝单元的立体结构示意图，图2示出了根据本发明示例性实施例的可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置中透明面板与弹簧的连接结构示意图，图3示出了根据本发明示例性实施例的可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置中人工裂缝单元与支撑单元的连接结构示意图。

如图1至图3所示，根据本发明的示例性实施例，所述可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置包括人工裂缝单元和支撑单元，人工裂缝单元即为模拟人工裂缝并进行支撑剂沉降规律的可视化模拟和记录的组件，具体结构如图1所示；支撑单元是对人工裂缝单元进行支承和压力调整的组件，支撑单元的结构以及其与人工裂缝单元之间的连接结构如图2和图3所示，下面对各组件的具体结构和功能进行具体说明。

根据本发明，所述人工裂缝单元包括硅胶环2、两块透明面板1和两个外框3。其中，硅胶环2的横截面形状为Y字形，所述Y字形的开口部分为硅胶环内圈且Y字形的闭口部分为硅胶环外圈。两块透明面板1平行地固定在硅胶环内圈中，两个外框3平行地夹住硅胶环外圈并固定。根据本发明的示例性实施例，外框3上设置有螺栓孔，则两个外框3之间通过螺栓进行夹紧固定，并且为了避免渗漏并确保装置的密封性，优选地在两个外框3之间设置密封垫圈5，但本发明不限于此。本发明采用了在透明面板1和外框3之间用硅胶环2相连接的方案，利用硅胶环2的弹性实现了透明面板1由最初闭合到受到流体压力的冲击而逐渐张开的过程，反应了在地层中裂缝从最初闭合到后来由于携砂液造成裂缝张开并实现支撑剂铺置的过程，完全模拟了现场的实际工况。

并且，透明面板1能够让实验被直观地观察到，方便记录实验数据。根据本发明的示例性实施例，透明面板1为有机玻璃板并且透明面板1的抗压压力≤0.5MPa。由于有机玻璃板不易破碎，因此有利于设备的长期维护和清洗。为了防止实验装置爆裂或出现其他超过装置承压极限后的问题，在该装置中进行的实验必须在压力范围内进行，携砂液注入压力既能撑开有机玻璃板之间的缝隙，又不超过安全范围。

根据本发明，透明面板1上均布有多个小孔101，小孔均布于透明面板1的表面且形状尺寸一致。优选地，人工裂缝单元还包括用于对小孔101进行封堵的封堵件(未示出)。在不同的现场地层渗透率的情况下，可根据需要选择性地封堵部分小孔，让装置实验时的漏失率更接近于现场地层情况，更真实的模拟现场地层的渗透情况以及支撑剂在不同漏失率情况下的沉降和铺置规律。

根据本发明，外框3的两侧设置有开口并且两个外框在人工裂缝单元的两侧分别形成压裂液入口301和压裂液出口302，从而能够向人工裂缝单元中泵入和排出压裂液。优选地，外框3为金属材质，以保证强度和使用寿命。

本发明中的人工裂缝单元需配合支撑单元使用，支撑单元需要满足易安装和易拆卸的要求，并且需要在实验过程中能够支撑并固定住人工裂缝单元。根据本发明的示例性实施例，支撑单元包括支架4和弹簧6，支架4包括底支架401和侧支架402，人工裂缝单元固定在底支架401上，侧支架402位于人工裂缝单元的两侧并且侧支架402通过弹簧6分别与人工裂缝单元的两块透明面板1连接。其中，底支架401和侧支架402可以是拼接而成的，也可以是一体形成的。

其中，两块透明面板1分别通过弹簧6与侧支架402连接，优选地，弹簧6的一端固定在透明面板1的小孔101中且另一端固定在侧支架402上。弹簧6需要固定在侧支架402上，侧支架402需要根据装置的摆放角度安置以固定住弹簧6的外端，从而使得弹簧6在透明面板1被压力撑开后可以给它提供一个反弹支撑力。其中，可以根据地层压力情况的需要，设置和更换不同弹力的弹簧以模拟相应地层的围压，同时还可以根据具体情况，加装一个或多个弹簧，从而保证透明面板1的受力均匀。例如，弹簧的数量为2或大于2的偶数，并且弹簧以非形变的初始状态设置以实现压缩后的反弹支撑。在实验过程中，压裂液进入两块透明面板1之间，透明面板1被撑开后，其外侧的弹簧被压缩并且弹簧对其提供反作用力，当压裂液停止进入后，弹簧会模拟地层压力将透明面板1压回原位。

本发明可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置的工作原理为：通过人工裂缝单元的压裂液入口301注入压裂液，则两块透明面板1之间的压力变大并拉伸硅胶环2使得两块透明面板1之间形成的裂缝初步张开，初步完成造缝过程；再注入携砂液，实现裂缝动态张开和支撑剂动态铺置的过程；最终返排液体从压裂液出口302排出，通过透明面板1可以方便地观察和记录缝内支撑剂的铺置状态。

本发明还具体提供了可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的方法，具体是采用上述可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置进行模拟。

根据本发明，所述方法包括以下步骤：

A、根据所需模拟的地层环境参数配制压裂液(浓度、粘度)、利用相似原理计算装置参数，包括缝宽、缝长，缝高，并准备支撑剂，需要考虑支撑剂粒径；

B、严格按照相似原理计算出的排量和压力，将压裂液作为前置液从所述装置的人工裂缝单元的压裂液入口泵入，使两块透明面板之间形成微张的裂缝；

C、再将压裂液与支撑剂均匀混合形成的携砂液从所述装置的人工裂缝单元的压裂液入口泵入，使两块透明面板之间的裂缝进一步张开并且支撑剂在裂缝中进行铺置，返排液体从所述装置的人工裂缝单元的压裂液出口排出；

D、观察支撑剂的铺置过程并记录支撑剂的铺置状态，直至完成模拟。

根据本发明，所述方法还包括在模拟之前进行的检查装置清洁度并注入清水进行循环以检查装置密封性的步骤以及在模拟之后进行的清洗装置的步骤。若装置清洁度不够，则清理后再进行实验；若装置不密封，则确保密封后再进行实验，若装置密封，则放空清水后进行实验即可。

在配制压裂液、调整装置参数并准备支撑剂的步骤中，利用速度相似原理很好的使现场排量与室内排量相对应。两块透明面板之间的裂缝缝宽为支撑剂粒径的1.5～2.5倍，砂比小于20％，其中，砂比是指支撑剂与携砂液的比值。并且，根据所需模拟的地层环境温度并利用压裂液的粘温曲线选择压裂液的粘度，根据所需模拟的地层渗透率选择性地封堵透明面板上的部分小孔以调整漏失率，根据所需模拟的地层压力设置不同弹力的弹簧。其中，根据压裂液在不同温度下的粘度来绘制粘温曲线，再根据实际的地层温度确定压裂液的粘度以模拟井下的粘度，压裂液的密度不限。

根据本发明，所述压裂液可以为胍胶压裂液、交联压裂液或滑溜水压裂液。所述支撑剂是由两种不同粒度的天然砂或人造陶瓷颗粒组成，并且所述支撑剂的目数组成可以为20/40、40/70或30/50。

其中，在泵入携砂液的步骤中，根据所要求的排量，将携砂液从压裂液入口泵入装置中，从而使两块透明面板进一步张开并且支撑剂会在两块透明面板之间形成的裂缝中进行铺置。

在实验过程中，所述方法还包括在不同压裂液、不同支撑剂和不同砂比的情况下分别观察支撑剂的铺置过程并记录支撑剂的铺置状态的步骤。也即，可以在实验中更换压裂液、支撑剂并调整砂比等参数进行不同情况下的模拟和实验。实验结束后，清洗实验装置并准备下一组实验。

下面结合具体示例说明本发明的可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置和方法。

示例：

采用图1至图3示出的可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置进行实验，具体结构如上所述，在此不进行赘述。

(1)按实验准备要求准备实验设备并完成实验流程连接，确定所需要模拟的围压并调节好弹簧的伸缩量。按照实验方案要求，确定透明面板上的小孔数量，以此模拟滤失过程。

(2)根据实验方案要求配制压裂液、准备实验方案要求的支撑剂。

(3)检查装置的清洁度和密封性能。

(4)按照相似原理计算出的排量和压力注入一定量的压裂液使两块透明面板之间微张开并使压裂液在装置中循环，一方面再次检查其密封性，另一方面模拟前置液的造缝过程。

(5)按照实验要求的砂比配制携砂液，通过泵送按照一定排量注入装置中。

(6)观察砂堤的动态铺置过程，液体的漏失情况随围压的变化情况。最后记录动态单缝沉降规律有关的实验数据。

(7)清洗装置，准备下一组实验。

其中，在实验过程中采用以下实验参数：

实验排量确定：实验采用速度相似原理模拟实验排量(Q₁/A₁＝Q₂/A₂)，模拟的现场排量Q₁为3m³/min-12m³/min，A＝H*W(裂缝截面积)，A₁＝(50-150m)*2cm(模拟的裂缝高度为50-150m)，模拟的室内A₂＝100cm*2mm(说明：室内的高和宽通过比例相似而来)，这样就能够通过Q₁/A₁＝Q₂/A₂计算出Q₂的变化范围，从而用柱塞泵进行实验，实验过程中通过变频器改变排量的大小。

实验支撑剂：实验采用的支撑剂主要选用实验室合作单位所提供的陶粒，其支撑剂的目数组成为20/40、40/70或30/50，分别进行实验。

实验砂比：实验砂比主要是通过支撑剂的体积比上压裂液的体积。其砂比比例一般不超过20％，本示例中设计6～10％的砂比变化，以此研究砂比的影响。

压裂液的粘度：根据所需模拟的地层环境温度并利用压裂液的粘温曲线选择压裂液的粘度，本示例所设计的粘度至少大于2mpa.s。通过不同的实验方案要求，确定需要改变的粘度大小。

弹簧大小以及有机玻璃板开孔大小：通过压力相似原理，确定弹簧的伸缩量大小，有机玻璃版的开孔大小由具体的实验方案确定。

综上所述，本发明的可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置和方法能够实现和记录支撑剂在裂缝动态张开情况下的可视化动态铺置，让支撑剂在人工裂缝中的铺置实验能更真实地模拟现场情况，提高实验效果，对现场压裂施工具有指导意义。本发明利用了硅胶环的弹性实现了透明面板由最初闭合到受到流体压力的冲击而张开的过程，反应了在地层中裂缝从最初闭合到由于携砂液造成裂缝张开和支撑剂铺置的过程，完全模拟了现场的实际工况；本发明通过在透明面板外侧设置可变数量和类型的弹簧，可以模拟各种地层的围压，增强了现场条件模仿的真实性；本发明通过在透明面板上设置多个可封堵小孔，可以根据不同地层的孔隙度情况来模拟地层在不同漏失率下的支撑剂沉降及铺置规律。

尽管上面已经结合示例性实施例描述了本发明的可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置和方法，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改和变化。

Claims (9)

1.一种可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置，其特征在于，所述装置包括人工裂缝单元和支撑单元，其中，

所述人工裂缝单元包括硅胶环、两块透明面板和两个外框，所述硅胶环的横截面形状为Y字形，所述Y字形的开口部分为硅胶环内圈且Y字形的闭口部分为硅胶环外圈，所述两块透明面板平行地固定在硅胶环内圈中，所述两个外框平行地夹住硅胶环外圈并固定，所述外框的两侧设置有开口并且所述两个外框在人工裂缝单元的两侧分别形成压裂液入口和压裂液出口，所述透明面板上均布有多个小孔，所述外框为金属材质外框；

所述支撑单元包括支架和弹簧，所述支架包括底支架和侧支架，所述人工裂缝单元固定在底支架上，所述侧支架位于人工裂缝单元的两侧并且侧支架通过弹簧分别与人工裂缝单元的两块透明面板连接，其中，所述弹簧的一端固定在透明面板的小孔中且另一端固定在侧支架上。

2.根据权利要求1所述的可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置，其特征在于，所述人工裂缝单元还包括用于对所述小孔进行封堵的封堵件。

3.根据权利要求1所述的可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置，其特征在于，所述弹簧的数量为2或大于2的偶数，并且所述弹簧以非形变的初始状态设置。

4.根据权利要求1所述的可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置，其特征在于，所述透明面板为有机玻璃板并且所述透明面板的抗压压力≤0.5Mpa；所述两个外框之间设置有密封垫圈并且两个外框通过螺栓进行夹紧固定。

5.一种可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的方法，其特征在于，采用权利要求1至4中任一项所述的可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置进行模拟，所述方法包括以下步骤：

A、根据所需模拟的地层环境参数配制压裂液、调整装置参数并准备支撑剂；

B、将压裂液作为前置液从所述装置的人工裂缝单元的压裂液入口泵入，使两块透明面板之间形成微张的裂缝；

C、再将压裂液与支撑剂均匀混合形成的携砂液从所述装置的人工裂缝单元的压裂液入口泵入，使两块透明面板之间的裂缝进一步张开并且支撑剂在裂缝中进行铺置，返排液体从所述装置的人工裂缝单元的压裂液出口排出；

D、观察支撑剂的铺置过程并记录支撑剂的铺置状态，直至完成模拟。

6.根据权利要求5所述的可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的方法，其特征在于，所述方法还包括在模拟之前进行的检查装置清洁度并注入清水进行循环以检查装置密封性的步骤以及在模拟之后进行的清洗装置的步骤。

7.根据权利要求5所述的可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的方法，其特征在于，控制所述装置的排量低于20m³/h，两块透明面板之间的裂缝缝宽为支撑剂粒径的1.5～2.5倍，砂比小于20％；根据所需模拟的地层环境温度并利用压裂液的粘温曲线选择压裂液的粘度，根据所需模拟的地层渗透率选择性地封堵透明面板上的部分小孔以调整漏失率，根据所需模拟的地层压力设置不同弹力的弹簧。

8.根据权利要求5所述的可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的方法，其特征在于，所述压裂液为胍胶压裂液、交联压裂液或滑溜水压裂液；所述支撑剂由两种不同粒度的天然砂或人造陶瓷颗粒组成，并且所述支撑剂的目数组成为20/40、40/70或30/50。

9.根据权利要求8所述的可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的方法，其特征在于，所述方法还包括在不同压裂液、不同支撑剂和不同砂比的情况下分别观察支撑剂的铺置过程并记录支撑剂的铺置状态的步骤。