CN105388254B - 高温高压泡沫压裂液滤失伤害实验系统 - Google Patents

高温高压泡沫压裂液滤失伤害实验系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了高温高压泡沫压裂液滤失伤害实验系统,属于压裂液滤失伤害实验系统技术领域。包括用于制备高温高压泡沫压裂液的供液单元,用于存储及输送高温高压泡沫压裂液的动力单元以及用于滤失量及伤害测试的滤失伤害单元;该实验系统设计合理,能够有效模拟实际施工条件下泡沫压裂液的动态和静态滤失及伤害,能够测试不同压裂液体系、添加剂等对压裂液动静态滤失性的影响,以及温度、压力、泡沫质量对动静态滤失性和岩心伤害的影响。

Description

高温高压泡沫压裂液滤失伤害实验系统
技术领域
本发明属于压裂液滤失伤害实验系统技术领域,具体涉及一种高温高压泡沫压裂液滤失伤害实验系统。
背景技术
在油气藏压裂过程中,压裂液向地层的滤失是不可避免的,由于压裂液的滤失使得压裂效率降低,造缝体积减小,同时,压裂液会对地层产生一定的伤害,因此研究压裂液的滤失伤害特性对裂缝几何参数的计算和对地层损害的认识都是必不可少的。泡沫压裂液是近些年发展起来的用于低压低渗油气层改造的新型压裂液,其最大特点是易于返排、滤失少以及摩阻低等,研究表明,压力、温度、剪切速率等对泡沫压裂液的流变特性影响显著,而且在实际的压裂过程中,泡沫压裂液处于高温、高压、高剪切速率状态,因此,泡沫压裂液的滤失伤害特性必须在高温、高压、动态剪切条件下进行测试,这样才能反映压裂施工条件下真实的滤失和伤害情况,现有的泡沫压裂液滤失伤害评价系统大多基于常规水基压裂液滤失伤害系统设计,不能模拟动态剪切条件下泡沫液的动态滤失和伤害,且测试的温度和压力范围有限,不适用于高温高压泡沫压裂液滤失伤害的评价。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温高压泡沫压裂液滤失伤害实验系统,该实验系统设计合理,能够有效模拟实际施工条件下泡沫压裂液的动态和静态滤失及伤害,能够测试不同压裂液体系、添加剂等对压裂液动静态滤失性的影响,以及温度、压力、泡沫质量对动静态滤失性和岩心伤害的影响。
本发明是通过以下技术方案来实现:
本发明公开的高温高压泡沫压裂液滤失伤害实验系统,包括用于制备高温高压泡沫压裂液的供液单元,用于存储及输送高温高压泡沫压裂液的动力单元以及用于滤失量及伤害测试的滤失伤害单元;
所述供液单元,包括溶液池、第一高压柱塞泵、二氧化碳储罐、第二高压柱塞泵、泡沫发生器及加热器;溶液池的出液端与第一高压柱塞泵的进液端相连,二氧化碳储罐的出液端与第二高压柱塞泵的相连,第一高压柱塞泵和第二高压柱塞泵的出液端均连接至泡沫发生器的进液端,泡沫发生器的出液端与加热器相连;
所述动力单元,包括模拟地层水罐、模拟油罐、平流泵、煤油罐、高压恒流泵及活塞容器组,活塞容器组由相互并联的1#活塞、2#活塞及3#活塞组成;模拟地层水罐和模拟油罐的出液端均通过管路与平流泵相连,平流泵通过管路连接至1#活塞,加热器出液端的管路分支连接至活塞容器组;煤油罐一端与高压恒流泵相连,另一端与活塞容器组相连;
所述滤失伤害单元,包括缓冲容器、气液混输泵、第一岩心夹持器、第二岩心夹持器及气液分离器;加热器的出液端通过管路与缓冲容器的进液端相连,缓冲容器的出液端通过管路与气液混输泵相连,气液混输泵通过管路连接至第二岩心夹持器的入口端,第二岩心夹持器的出口端通过管路与气液分离器相连;活塞容器组的出液端通过管路与第一岩心夹持器的入口端相连,第一岩心夹持器的出口端通过管路与气液分离器相连。
在第一岩心夹持器的入口端通过三通阀分别连接有玻璃管流量计和皂膜流量计。
第一岩心夹持器的出口端通过四通阀连接有氮气瓶。
气液分离器通过管路连接有烧杯和电子天平。
在加热器和缓冲容器之间的管路上分支出一条管路,在该管路上依次设有背压阀、分离器和气体缓冲罐,在分离器底部设有储液箱。
第一岩心夹持器和第二岩心夹持器均通过管路与手动压力泵相连。
在第二岩心夹持器与气液分离器相连的管路上设有回压阀。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明构建了高参数的高温高压泡沫压裂液滤失伤害实验系统,该系统由供液单元、动力单元及滤失伤害单元组成,供液单元能够随时制备得到实验所需的泡沫压裂液,然后由动力单元完成储存与输送,本发明的系统设计合理,各个单元配合工作,能够在滤失伤害单元模拟实际工况条件下研究CO2干法/泡沫压裂液的动态滤失速度、滤失量、滤失系数随温度、压力、剪切速率、泡沫质量等因素的变化规律;能够通过模拟CO2干法/泡沫压裂液在人工裂缝附近的压力分布,确定压裂液滤失带厚度及累计滤失量等参数随滤失时间的变化;能够通过对滤失前后岩心渗透率的测量,得出压裂液对于岩心的动态滤失伤害率,并研究伤害率受温度、压力、泡沫质量等因素的影响规律;综合泡沫压裂液的岩心伤害、滤失及泡沫压裂液的有效粘度特性,实现对于压裂液体系的优化及筛选。
附图说明
图1为本发明高温高压泡沫压裂液滤失伤害实验系统结构框图;
其中,1为溶液池;2为高压柱塞泵1;3为二氧化碳储罐;4为高压柱塞泵2;5为泡沫发生器;6为加热器;7为缓冲容器;8为气液混输泵;9为模拟地层水罐;10为模拟油罐;11为平流泵;12为煤油罐;13为高压恒流泵;14为活塞容器;15为手动压力泵;16为氮气瓶;17为岩心夹持器1;18为玻璃管流量计;19为皂膜流量计;20为岩心夹持器2;21为气液分离器;22为烧杯;23为电子天平;24为气体缓冲罐;25为储液箱;26为分离器;27为四通阀;28为回压阀;29为背压阀。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明,所述是对本发明的解释而不是限定。
参见图1,本发明的高温高压泡沫压裂液滤失伤害实验系统,包括用于制备高温高压泡沫压裂液的供液单元,用于存储及输送高温高压泡沫压裂液的动力单元以及用于滤失量及伤害测试的滤失伤害单元;
所述供液单元,包括溶液池1、第一高压柱塞泵2、二氧化碳储罐3、第二高压柱塞泵4、泡沫发生器5及加热器6;溶液池1的出液端与第一高压柱塞泵2的进液端相连,二氧化碳储罐3的出液端与第二高压柱塞泵4的相连,第一高压柱塞泵2和第二高压柱塞泵4的出液端均连接至泡沫发生器5的进液端,泡沫发生器5的出液端与加热器6相连;
所述动力单元,包括模拟地层水罐9、模拟油罐10、平流泵11、煤油罐12、高压恒流泵13及活塞容器组14,活塞容器组14由相互并联的1#活塞、2#活塞及3#活塞组成;模拟地层水罐9和模拟油罐10的出液端均通过管路与平流泵11相连,平流泵11通过管路连接至1#活塞,加热器6出液端的管路分支连接至活塞容器组14;煤油罐12一端与高压恒流泵13相连,另一端与活塞容器组14相连;
所述滤失伤害单元,包括缓冲容器7、气液混输泵8、第一岩心夹持器17、第二岩心夹持器20及气液分离器21;加热器6的出液端通过管路与缓冲容器7的进液端相连,缓冲容器7的出液端通过管路与气液混输泵8相连,气液混输泵8通过管路连接至第二岩心夹持器20的入口端,第二岩心夹持器20的出口端通过管路与气液分离器21相连;活塞容器组14的出液端通过管路与第一岩心夹持器17的入口端相连,第一岩心夹持器17的出口端通过管路与气液分离器21相连。在第一岩心夹持器17的入口端通过三通阀分别连接有玻璃管流量计18和皂膜流量计19。第一岩心夹持器17的出口端通过四通阀27连接有氮气瓶16。气液分离器21通过管路连接有烧杯22和电子天平23。第一岩心夹持器17和第二岩心夹持器20均通过管路与手动压力泵15相连。在第二岩心夹持器20与气液分离器21相连的管路上设有回压阀28。
在加热器6和缓冲容器7之间的管路上分支出一条管路,在该管路上依次设有背压阀29、分离器26和气体缓冲罐24,在分离器26底部设有储液箱25。
本发明的实验系统的设计依据《中华人民共和国石油天然气行业标准(SY/T5107-1995)》,供液单元及动力单元主要实现泡沫压裂液的制备和供给;滤失伤害测试单元主要实现静态及动态剪切条件下的滤失量的测试和伤害测试,动态测试主要由气液混输泵提供动力,实验系统的压力范围为0-50MPa,温度范围为室温-180℃。
本发明的系统在使用时:
供液单元主要为滤失伤害测试提供高温高压的泡沫压裂液,具体的实现方式如下所述:两台高压柱塞泵2和4分别将水基压裂液和液态CO2泵入实验管路并经过泡沫发生器5混合均匀后,进入加热器6,加热功率可调,系统的压力由背压阀调节,泡沫压裂液在被加热到所需的温度后,将其注入2#和3#活塞容器中进行静态滤失测试,或将其充满缓冲容器7及循环剪切管路进行动态滤失测试。此实验系统能够实现动静态滤失测试,静态滤失测试具体实现方式如下:
采用高压恒流泵13驱动活塞容器14的活塞上行,泡沫压裂液进入第一岩心夹持器17的入口端,同时采用回压阀28调整第一岩心夹持器17两端的压差,使泡沫液在3.5MPa的压差下进行滤失,部分压裂液在岩心端面沉积形成滤饼,部分压裂液滤失通过岩心,通过岩心的滤液先进入气液分离器,分离出的气体由气体流量计计量,可根据气体流量大小对两个不同量程的气体流量计进行选择,滤液进入烧杯22,液体的滤失量由电子天平23实时记录并传输到计算机,此即为静态滤失的过程。
动态滤失测试实现方式如下:
当泡沫压裂液充满缓冲容器7及循环剪切管路后,采用气液混输泵8模拟动态滤失前的预循环剪切,气液混输泵8的流量可以实现精确控制,设置相应的流量,使泡沫液在循环管路中以一定的剪切速率进行剪切,预剪切循环时间为5min,其后进入第二岩心夹持器20的入口端,第二岩心夹持器20为动态滤失岩心夹持器,可保证岩心端面充分暴露在泡沫压裂液中,使泡沫压裂液循环剪切通过岩心的端面,同时调整回压阀28进行滤失压差调节,保证在3.5MPa的压差下滤失,滤出的液体和气体量采用与静态滤失相同的方法进行测试。
岩心的伤害测试即测试泡沫液滤失前后岩样的渗透率,根据伤害前后渗透率大小来计算伤害率,渗透率的测量采用第一岩心夹持器17,采用高压恒流泵13将模拟地层水或模拟油注入第一岩心夹持器17的出口端,在入口端通过玻璃管流量计18测量流量,压差取高压恒流泵的驱替压力,根据流量和压差数据由达西定律可计算岩样的渗透率。
特别地,本发明的活塞容器可实现在不拆卸的情况下完成充液,主要由平流泵11、储罐及相应的管路阀门组合实现,在充液时,活塞下行将煤油排入油罐中,由平流泵11提供动力向1#活塞容器充入模拟地层水或者模拟油,此外,系统还可以测试岩心的气体渗透率,仍然采用第一岩心夹持器17进行测试,将来自氮气瓶16的气体直接接入夹持器的出口,在入口端用皂膜流量19计进行气体流量的计量。
本发明的操作步骤是:
(1)实验材料的准备
实验材料包括:纯液态CO2(装满液态CO2储罐),氮气1瓶(纯度为99%),蒸馏水,化学药品(NaCl,KCl,MgCl2,CaCl2),稠化剂,交联剂等添加剂,煤油,原油,天然岩心或人造岩心。按照石油行业标准配置一定矿化度的模拟地层水,并配制具有一定密度和粘度的模拟油,给手动压力泵吸满煤油,皂膜流量计的吸耳球内装入少量的肥皂水,玻璃管流量计中加入少量的水。
(2)实验管路连接
实验前,首先将氮气瓶16放置在合适的位置,并连接其出口管路,在第一岩心夹持器17的入口端连接玻璃管流量计18和皂膜流量计19,连接压差变送器、压力表等仪表,在实验前,确保减压阀和背压阀处于半开的状态,保证放喷管线畅通,清理储液箱内的残留物,关闭储液箱下部阀门。将高压恒流泵的吸入端管线置入煤油罐中的液面以下。岩心夹持器内装入废弃岩心,加围压到20MPa,检查管线是否有漏油现象及压力下降的现象。
(3)岩心气体渗透率测试
岩心的气体渗透率采用皂膜流量法进行测试,首先确保氮气瓶旋拧控制阀处于关闭状态,将氮气瓶出口管线接入第一岩心夹持器的出口端四通阀上,并打开四通阀相应的气测阀门和入口端三通阀相应的气测阀门,确保氮气通过岩心时管路畅通,将岩心置于夹持器中,并加环压,打开氮气瓶总阀并调整减压阀到适当的出口压力,采用秒表记录皂膜上升一定高度所需的时间,通过计算皂膜单位时间上升过程扫过的体积,得到体积流量,待流量稳定后读取岩心夹持器两端的压差值和出口流量值,由此可计算岩心的气测渗透率。
(4)模拟油或水加入1#活塞容器
采用平流泵将模拟油或模拟地层水加入1#活塞容器内,首先打开相应阀门,开启平流泵,调整流量到合适值,使得油或水以一定的流量缓慢注入高压活塞容器,待活塞容器下部排油管线再不能排出煤油为止,然后打开活塞容器上部排空阀排气,关闭平流泵。
(5)岩心伤害前原始油相渗透率测定
在测试完岩心的气体渗透率后,按照行业标准将岩心称重后饱和模拟地层水,根据饱和前后岩心的重量计算岩心的有效孔隙度,并记录岩心的原始含水饱和度,然后将饱和模拟地层水后的岩心放入岩心夹持器1,打开四通阀所对应的阀门,保证流体从四通阀进入夹持器,打开三通阀所对应的阀门,使其与玻璃管流量计相连通,然后加环压,打开高压恒流泵后,调整到合适压力开始驱替,建立束缚水饱和度后,测定油相通过岩心时的流量和岩心两端压差,按照相关达西渗透率计算式就可以计算得到原始油相渗透率。
(6)泡沫压裂液加入活塞容器
进行滤失伤害实验前首先必须将泡沫压裂液装入2#和3#活塞容器内,具体按照如下的操作流程:打开相应阀门,开启配液系统,设置合适流量,调整背压阀使管路中的压力达到实验压力,然后开始给活塞容器充液,待活塞容器上的压力表显示为实验压力时,关闭相应阀门,停止配液系统,放空管路。
(7)静态滤失测试
静态滤失采用记录在一定的压差下泡沫压裂液通过岩心的滤失速度和滤失量方法来进行测试,在2#和3#活塞容器装满泡沫压裂液后,开启相应阀门,然后加环压,打开高压恒流泵,设定实验所需的驱替压力,调整背压阀使夹持器两端形成3.5MPa的滤失压差后,泡沫压裂液从活塞容器经实验管路进入岩心夹持器1,部分压裂液在岩心端面沉积形成滤饼,部分压裂液滤失通过岩心,通过岩心的滤液先进入气液分离器,分离出的气体由气体流量计计量,滤液进入烧杯,由电子天平称量,分别测量出滤失的气体和液体的量随时间的变化,可计算出滤失系数,初始滤失量,滤失速度。滤失测试36min后,停泵,泄压,打开夹持器取下岩心分析滤饼的特性(厚度,柔韧性,密集程度)。
(8)动态循环及滤失测试
压裂液在井筒和裂缝内流动是具有一定剪切速率的,为了研究在一定剪切作用下泡沫压裂液的滤失特性,就必须进行泡沫压裂液动态滤失测试,首先打开相应阀门,给岩心夹持器2加环压,然后开启配液系统,设置合适的流量,调整背压阀,使得管路压力达到实验压力,接着给循环管路和缓冲容器充液,待缓冲容器的压力表显示为实验压力时,关闭相应阀门,停止配液系统,管路放空。然后打开气液混输泵,控制其流量,使泡沫压裂液以900s-1的剪切速率循环5min后,打开相应阀门,调整回压阀,使滤失压差达到3.5MPa,泡沫压裂液在剪切作用下保持一定的压差经过岩心端面,滤失测量与前面的静态测试类似,测试完毕后,关闭气液混输泵,泄压,冲洗管路。
(9)岩心伤害后渗透率测定
压裂液对岩心的伤害主要表现为压裂液侵入岩心后对岩心渗透率的伤害,因此,这里主要通过比较伤害前后岩心的渗透率变化来计算岩心的渗透率伤害率,阀门开关流程与(5)相同,再次测定岩心的油相渗透率即为伤害后的渗透率,由伤害前后油相渗透率可以计算出压裂液的伤害率。

Claims (5)

1.高温高压泡沫压裂液滤失伤害实验系统,其特征在于,包括用于制备高温高压泡沫压裂液的供液单元,用于存储及输送高温高压泡沫压裂液的动力单元以及用于滤失量及伤害测试的滤失伤害单元;
所述供液单元,包括溶液池(1)、第一高压柱塞泵(2)、二氧化碳储罐(3)、第二高压柱塞泵(4)、泡沫发生器(5)及加热器(6);溶液池(1)的出液端与第一高压柱塞泵(2)的进液端相连,二氧化碳储罐(3)的出液端与第二高压柱塞泵(4)的相连,第一高压柱塞泵(2)和第二高压柱塞泵(4)的出液端均连接至泡沫发生器(5)的进液端,泡沫发生器(5)的出液端与加热器(6)相连;
所述动力单元,包括模拟地层水罐(9)、模拟油罐(10)、平流泵(11)、煤油罐(12)、高压恒流泵(13)及活塞容器组(14),活塞容器组(14)由相互并联的1#活塞、2#活塞及3#活塞组成;模拟地层水罐(9)和模拟油罐(10)的出液端均通过管路与平流泵(11)相连,平流泵(11)通过管路连接至1#活塞,加热器(6)出液端的管路分支连接至活塞容器组(14);煤油罐(12)一端与高压恒流泵(13)相连,另一端与活塞容器组(14)相连;
所述滤失伤害单元,包括缓冲容器(7)、气液混输泵(8)、第一岩心夹持器(17)、第二岩心夹持器(20)及气液分离器(21);加热器(6)的出液端通过管路与缓冲容器(7)的进液端相连,缓冲容器(7)的出液端通过管路与气液混输泵(8)相连,气液混输泵(8)通过管路连接至第二岩心夹持器(20)的入口端,第二岩心夹持器(20)的出口端通过管路与气液分离器(21)相连;活塞容器组(14)的出液端通过管路与第一岩心夹持器(17)的入口端相连,第一岩心夹持器(17)的出口端通过管路与气液分离器(21)相连;
在第一岩心夹持器(17)的入口端通过三通阀分别连接有玻璃管流量计(18)和皂膜流量计(19);第一岩心夹持器(17)的出口端通过四通阀(27)连接有氮气瓶(16)。
2.根据权利要求1所述的高温高压泡沫压裂液滤失伤害实验系统,其特征在于,气液分离器(21)通过管路连接有烧杯(22)和电子天平(23)。
3.根据权利要求1所述的高温高压泡沫压裂液滤失伤害实验系统,其特征在于,在加热器(6)和缓冲容器(7)之间的管路上分支出一条管路,在该管路上依次设有背压阀(29)、分离器(26)和气体缓冲罐(24),在分离器(26)底部设有储液箱(25)。
4.根据权利要求1所述的高温高压泡沫压裂液滤失伤害实验系统,其特征在于,第一岩心夹持器(17)和第二岩心夹持器(20)均通过管路与手动压力泵(15)相连。
5.根据权利要求1所述的高温高压泡沫压裂液滤失伤害实验系统,其特征在于,在第二岩心夹持器(20)与气液分离器(21)相连的管路上设有回压阀(28)。
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