CN105484722A - 一种模拟通道压裂泵注方式及测量通道率的装置和工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模拟通道压裂泵注方式及测量通道率的装置和工作方法，属于油气田开发的技术领域，装置包括注入泵、压裂液池1、压裂液池2、携砂装置、混砂池、压力机、支撑裂缝模拟室、位移计、液量计量装置和电脑；注入泵与压裂液池1、混砂池和支撑裂缝模拟室相连，压裂液池2、携砂装置各自与混砂池相连，压力机与支撑裂缝模拟室相连，支撑裂缝模拟室上设有位移计，支撑裂缝模拟室与液量计量装置相连，位移计、液量计量装置各自与电脑相连；本发明填补了通道压裂泵注过程实验室模拟过程的空白，装置结构简单、便于操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟通道压裂泵注方式及测量通道率的装置和工作方法，属于油气田开发的技术领域。
背景技术
在我国常规油气藏开发进入后期的前提下，非常规油气藏及致密油气藏等难开发储层的战略地位逐年上升。水力压裂技术作为现今开发低渗透、致密油气藏的主要技术措施，在我国已经得到了广泛的应用，并针对不同的地层特性及储层条件发展出了多种针对性强的压裂技术。通道压裂技术即是在常规水力压裂技术的基础上，利用多簇射孔、拌注纤维和脉冲泵注技术将支撑剂以支撑剂团的形式不连续的注入并支撑充填层，在裂缝内形成通道结构，改变流体在裂缝内的流动方式并大幅度提高充填层导流能力的技术。通道压裂技术自正式提出可行性施工方案至今已在多国不同地区进行了大量试验与正式压裂施工，均取得了优于常规水力压裂的成果。
温庆志等人在“通道压裂砂堤分布规律研究”中首次定义通道率为支撑裂缝中支撑剂未填充的面积与支撑裂缝总壁面积之比，并提出了在拍摄支撑剂分布的照片后利用软件分析计算通道率的方法。分析实际裂缝形态，可将其近似为一立方体模型，实际通道率的物理意义为在通道压裂中支撑剂充填层中未填充支撑剂的通道体积与充填层总体积的比值，因此在二维平面的基础上分析和计算通道率均会导致一定的误差。
我国目前对通道压裂技术的研究尚在起步阶段，缺乏系统的在实际地层裂缝模型上对通道压裂中各重要参数的测量及相应的测量装置。作为通道压裂中十分重要的一项参数，通道率直接反映通道形成情况，间接反映充填层导流能力，对通道率在闭合压力下变化的研究具有重要意义。
发明内容
针对以上的技术不足，本发明提供一种模拟通道压裂泵注方式及测量通道率的装置，以在室内开展通道压裂泵注实验，测量通道率随闭合压力的变化以及观测通道压裂中压裂液与支撑剂的运移及分布等规律。
本发明还提供一种上述装置的工作方法。
本发明的技术方案如下：
一种模拟通道压裂泵注方式及测量通道率的装置，包括注入泵、压裂液池1、压裂液池2、携砂装置、混砂池、压力机、支撑裂缝模拟室、位移计、液量计量装置和电脑；
所述注入泵与压裂液池1、混砂池和支撑裂缝模拟室相连，所述压裂液池2、携砂装置各自与混砂池相连，所述压力机与支撑裂缝模拟室相连，所述支撑裂缝模拟室上设有位移计，所述支撑裂缝模拟室与液量计量装置相连，所述位移计、液量计量装置各自与电脑相连。
注入泵的主要目的是提供泵注压力以将压裂液泵注进入支撑裂缝模拟室，压裂液池1的主要目的是配置压裂液，压裂液池2的主要目的是配置压裂液和纤维的混合液，携砂装置的主要目的是携带支撑剂进入混砂池，混砂池的主要目的是将支撑剂和拌注纤维的压裂液均匀混合，压力机的主要目的是提供模拟的闭合压力，支撑裂缝模拟室的主要目的是提供测试通道率变化的结构并模拟支撑剂团在裂缝内的运移、分布及沉降规律，位移计的主要目的是测量支撑裂缝模拟室在压力机下产生的位移变化，液量计量装置的主要目的是计量排出压裂液的体积，电脑的主要目的是根据位移变化和排出压裂液体积计算通道率的变化。
根据本发明优选的，所述携砂装置包括螺杆泵、螺杆、乘砂池和卸砂口，螺杆与螺杆泵相连，螺杆位于乘砂池中，卸砂口位于乘砂池一端，携砂装置的输砂方式为螺杆旋转输砂。
根据本发明优选的，所述混砂池包括支撑剂进口、压裂液进口、搅拌器、搅拌泵、出液口，搅拌器与搅拌泵相连。搅拌器用于搅拌混砂池内的物体。
进一步优选的，所述搅拌器包括搅拌器1、搅拌器2，搅拌泵包括搅拌器1泵、搅拌器2泵。
根据本发明优选的，所述支撑裂缝模拟室包括侧壁、上活塞、下活塞、位于上活塞上部的上盖板和位于下活塞下部的下盖板，上活塞与下活塞位于侧壁内，上活塞与下活塞之间形成充填层，所述下活塞的上边缘和上活塞的下边缘分别设置有密封胶圈，侧壁两端分别设有进液口和排液口。
进一步优选的，充填层高度为0.5-1.5cm。
进一步优选的，上活塞与上盖板之间、下活塞与下盖板之间均为螺纹连接。
进一步优选的，所述支撑裂缝模拟室的排液口设有自锁结构，所述自锁结构为上下对称的锯齿状凸起，锯齿状凸起形成锯齿状通道。自锁结构依据贾敏效应设计，贾敏效应为一种阻力效应：气泡或油滴在通过细小的孔隙喉道时，由于孔道和喉道的半径差使得气泡或油滴两端的弧面毛管力表现为阻力，若要通过半径较小的喉道必须拉长并改变形状，这种变形将消耗一部分能量，从而减缓气泡或油滴运动，增加额外的阻力，这种现象称为贾敏效应。通过自锁结构，可在泵注过程中及低于闭合压力下维持具有一定粘度的流体不从排液口流出。
进一步优选的，所述的支撑裂缝模拟室的侧壁为玻璃纤维强化塑料制成的侧壁，侧壁的抗压强度为90MPa。
进一步优选的，所述的支撑裂缝模拟室的上盖板、下盖板、上活塞、下活塞的材料均为4Cr13不锈钢。
根据本发明优选的，所述位移计包括位移计a和位移计b，位移计通过位移数据转换器与电脑相连。设置两个位移计使位移测量更加精准。
根据本发明优选的，所述液量计量装置包括电子计量仪和转换器。电子计量仪自动计量数据，转换器与电脑相连，转换器将记录数据传入电脑。
根据本发明优选的，所述注入泵的功率为200w。
一种利用上述装置模拟通道压裂泵注方式并测量通道率的方法，包括步骤如下：
(1)连接支撑裂缝模拟室侧壁与下活塞、底板，连接支撑裂缝模拟室侧壁与上活塞、底板，连接注入泵、压裂液池1、混砂池和支撑裂缝模拟室，将压裂液池2、携砂装置与混砂池相连，将压力机与支撑裂缝模拟室相连，将支撑裂缝模拟室与液量计量装置相连，将位移计、液量计量装置与电脑相连，检验整个装置的密闭性；
(2)按一定比例配置压裂液于压裂液池1中，按一定比例配置含拌注纤维的压裂液于压裂液池2中，选取所需支撑剂置于携砂装置中；
(3)接通压裂液池2、携砂装置及混砂池，打开携砂装置的螺杆泵和混砂池的搅拌泵；
(4)打开注入泵，交替打开压裂液池1与注入泵的接口、混砂池与注入泵的接口，形成不携砂的压裂液与含拌注纤维的携砂压裂液脉冲式注入的液流，通过支撑裂缝模拟室的侧壁观察通道压裂支撑剂团在模拟裂缝充填层内的运移、分布和沉降规律；
(5)控制压力机以预设的闭合压力施加压力于支撑裂缝模拟室上，通过位移计和液量计量装置采集数据上活塞位移l及排出液量V排；
(6)电脑根据实时采集到的数据，进行以下计算过程：
V填＝V支+V压裂液(2)
V’填＝V填-l·S填(4)
V’支＝V’填-V压裂液+V排(5)
将(4)(5)带入(3)可得推导公式(6)如下，
其中，CR—初始通道率；V支—初始支撑剂团体积，初始支撑剂团体积根据实验需要设定并通过携砂装置定量加入；V填—初始充填层体积；V压裂液—初始压裂液体积；CR’—压后通道率；V’支—压后支撑剂团体积；V’填—压后充填层体积；S填—充填层承压面积；V排—排出液量；l—上活塞位移；
其中，充填层承压面积S填可根据支撑裂缝模拟室规格计算得；上活塞位移l可由位移计记录得；初始充填层体积V填可由充填层承压面积S填、充填层高度计算得，充填层高度可直接量取；初始压裂液体积V压裂液可根据初始充填层体积V填及初始支撑剂团体积计算得，即：V压裂液＝V填-V支；排出液量V排可由液量计量装置量取得；
(7)改变所述压力机的闭合压力，重复步骤(5)～(7)，测试不同闭合压力下通道率的变化；
(8)清理装置，改变拌注纤维的比例及铺砂浓度，重复步骤(1)～(7)。
本发明的有益效果在于：
1.本发明的技术方案填补了通道压裂泵注过程不能进行实验室模拟过程的空白，设计了一套能够模拟从混砂到压裂液泵注进入地层裂缝并观测在不同闭合压力下支撑剂团变化的全过程的系统；
2.本发明提出了符合地层裂缝实际形态的三维通道率测量方法并设计了一套配套设备；
3.本发明所述装置结构简单、便于操作，提供的实验方法切实可行，成功的模拟了从混砂到压裂液泵注进入地层裂缝并观测了不同闭合压力下支撑剂团变化的全过程，测量了不同闭合压力下通道率的变化。
附图说明
图1是本发明所述模拟通道压裂泵注方式及测量通道率的装置结构示意图；
图2是本发明所述的携砂装置结构示意图；
图3是本发明所述的混砂池主视透视示意图；
图4是本发明所述的混砂池俯视示意图；
图5是本发明所述的支撑裂缝模拟室俯视示意图；
图6是本发明所述的支撑裂缝模拟室主视示意图；
图7是本发明所述的支撑裂缝模拟室侧视示意图；
图8是图5中A-A剖面示意图；
图9是图5中B-B剖面示意图；
在图1-9中，1—注入泵；2—压裂液池1；3—混砂池；4—携砂装置；5—压裂液池2；6—位移计；7—压力机；8—支撑裂缝模拟室；9—电脑；10—液量计量装置；11—乘砂池；12—螺杆泵；13—螺杆；14—卸砂口；15—压裂液进口；16—支撑剂进口；17—搅拌器1泵；18—搅拌器1；19—搅拌器2泵；20—搅拌器2；21—出液口；22—通气口；23—上盖板；24—侧壁；25—下盖板；26—密封胶圈；27—进液口；28—上活塞；29—下活塞；30—自锁结构；31—排液口；32—充填层。
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1-9所示：
实施例1、
一种模拟通道压裂泵注方式及测量通道率的装置，如图1所示，包括注入泵、压裂液池1、压裂液池2、携砂装置、混砂池、压力机、支撑裂缝模拟室、位移计、液量计量装置和电脑；
注入泵与压裂液池1、混砂池和支撑裂缝模拟室相连，压裂液池2、携砂装置各自与混砂池相连，压力机与支撑裂缝模拟室相连，支撑裂缝模拟室上设有位移计，支撑裂缝模拟室与液量计量装置相连，位移计、液量计量装置各自与电脑相连。
注入泵用以提供泵注压力以将携砂液泵注进入支撑裂缝模拟室，压裂液池1用以配置压裂液，压裂液池2用以配置压裂液和纤维的混合液，携砂装置用以携带支撑剂进入混砂池，混砂池用以将支撑剂和拌注纤维的压裂液均匀混合，压力机用以提供模拟的闭合压力，支撑裂缝模拟室用以提供测试通道率变化的结构并模拟支撑剂团在裂缝内的运移、分布及沉降规律，位移计用以测量上活塞的位移变化，液量计量装置用以计量排出压裂液的体积，电脑用以根据位移变化和排出压裂液体积计算通道率的变化。
具体的，支撑裂缝模拟室主要包括侧壁、上活塞、下活塞、位于上活塞上部的上盖板和位于下活塞下部的下盖板，如图5-9所示，上活塞与上盖板之间、下活塞与下盖板之间均为螺纹连接，上活塞与下活塞位于侧壁内，上活塞与下活塞之间形成充填层，充填层高度为0.5-1.5cm；下活塞的上边缘和上活塞的下边缘分别设置有密封胶圈，侧壁两端分别设有进液口和排液口，在上盖板上设置位移计；通过液量计量装置量取排出液量V排，数据录入电脑，通过电脑中的通道率变化计算程序得出通道率的变化值。支撑裂缝模拟室的侧壁为玻璃纤维强化塑料制成的侧壁，侧壁的抗压强度为90MPa。支撑裂缝模拟室的上盖板、下盖板及上活塞、下活塞的材料为4Cr13不锈钢，注入泵的功率为200w。
实施例2、
一种模拟通道压裂泵注方式及测量通道率的装置，其结构如实施例1所述，区别在于，进一步的，携砂装置包括螺杆泵、螺杆、乘砂池和卸砂口，如图2所示，螺杆与螺杆泵相连，螺杆位于乘砂池中，卸砂口位于乘砂池一端，携砂装置的输砂方式为螺杆旋转输砂。
实施例3、
一种模拟通道压裂泵注方式及测量通道率的装置，其结构如实施例1所述，区别在于，进一步的，混砂池包括支撑剂进口、压裂液进口、搅拌器1、搅拌器2、搅拌器1泵、搅拌器2泵、出液口、通气口，如图3-4所示，搅拌器1与搅拌器1泵相连，搅拌器2与搅拌器2泵相连。搅拌器1、搅拌器2用于搅拌混砂池内的物体。
实施例4、
一种模拟通道压裂泵注方式及测量通道率的装置，其结构如实施例1所述，区别在于，进一步的，支撑裂缝模拟室的排液口设有自锁结构，所述自锁结构为上下对称的锯齿状凸起，锯齿状凸起形成锯齿状通道，如图8所示，图8中自锁结构处局部放大显示，上下相对的锯齿状凸起之间留有微小距离。自锁结构依据贾敏效应设计，贾敏效应为一种阻力效应：气泡或油滴在通过细小的孔隙喉道时，由于孔道和喉道的半径差使得气泡或油滴两端的弧面毛管力表现为阻力，若要通过半径较小的喉道必须拉长并改变形状，这种变形将消耗一部分能量，从而减缓气泡或油滴运动，增加额外的阻力，这种现象称为贾敏效应。通过自锁结构，在泵注过程中可在低于5MPa压力下维持粘度200mPa·s左右的压裂液不从排液口流出。
实施例5、
一种模拟通道压裂泵注方式及测量通道率的装置，其结构如实施例1所述，区别在于，进一步的，位移计包括位移计a和位移计b，位移计通过数据转换器与电脑相连。设置两个位移计，测量的数据求取平均值即为上活塞位移，使位移测量更加精准。
实施例6、
一种模拟通道压裂泵注方式及测量通道率的装置，其结构如实施例1所述，区别在于，进一步的，液量计量装置包括电子计量仪和转换器。电子计量仪自动计量数据，转换器将记录数据传入电脑。
实施例7、
一种模拟通道压裂泵注方式及测量通道率的装置，其结构如实施例6所述，区别在于，液量计量装置为量筒。使用量筒人工计量并手动在电脑中输入数据。
实施例8、
一种利用实施例1-7任意一项实施例所述的装置的工作方法，包括步骤如下：
(1)连接支撑裂缝模拟室侧壁与下活塞、底板，连接支撑裂缝模拟室侧壁与上活塞、底板，连接注入泵、压裂液池1、混砂池和支撑裂缝模拟室，将压裂液池2、携砂装置与混砂池相连，将压力机与支撑裂缝模拟室相连，将支撑裂缝模拟室与液量计量装置相连，将位移计、液量计量装置与电脑相连，检验整个装置的密闭性；
(2)按YF125HTD压裂液体系配置压裂液于压裂液池1中，按YF125HTD体系和10％的拌注纤维比例配置含拌注纤维的压裂液于压裂液池2中，取20/40目陶粒支撑剂于携砂装置中；
(3)接通压裂液池2、携砂装置及混砂池，打开携砂装置的螺杆泵和混砂池的搅拌泵；
(4)打开注入泵，交替打开压裂液池1与注入泵的接口、混砂池与注入泵的接口，形成不携砂的压裂液与含拌注纤维的携砂压裂液脉冲式注入的液流，通过支撑裂缝模拟室的透明侧壁观察通道压裂支撑剂团在裂缝内的运移、分布和沉降规律，控制充填层厚度1.0cm；
(5)控制压力机以预设的闭合压力施加压力于支撑裂缝模拟室上，通过位移计和液量计量装置采集数据：上活塞位移l及排出液量V排；
(6)电脑根据实时采集到的数据，进行以下计算过程：
V填＝V支+V压裂液(2)
V’填＝V填-l·S填(4)
V’支＝V’填-V压裂液+V排(5)
将(4)(5)带入(3)可得推导公式(6)如下，
其中，CR—初始通道率；V支—初始支撑剂团体积，初始支撑剂团体积根据实验需要设定并通过携砂装置定量加入；V填—初始充填层体积；V压裂液—初始压裂液体积；CR’—压后通道率；V’支—压后支撑剂团体积；V’填—压后充填层体积；S填—充填层承压面积；V排—排出液量；l—上活塞位移；
其中，充填层承压面积S填可根据支撑裂缝模拟室规格计算得；上活塞位移l可由位移计记录得；初始充填层体积V填可由充填层承压面积S填、充填层高度计算得，充填层高度可直接量取；初始压裂液体积V压裂液可根据初始充填层体积V填及初始支撑剂团体积计算得，即：V压裂液＝V填-V支；排出液量V排可由液量计量装置量取得。
(7)逐步改变所述压力机的闭合压力(5、10、20、30、40、50、60、70MPa)，重复步骤(5)～(7)，测试不同闭合压力下通道率的变化；
(8)清理装置，改变拌注纤维的比例及铺砂浓度，改变铺砂浓度即在初始充填层体积不变的情况下改变支撑剂团比例，重复步骤(1)～(7)。
进行以上步骤(1)～(8)后，分别记录拌注纤维的比例、闭合压力、上活塞位移、排出液量等数据，按照公式(6)计算出不同支撑剂团所占比例、拌注纤维的比例和闭合压力下的通道率，如表1、2、3所示：
设定支撑剂团比例为60％时，即设定V支/V填为60％，此时，尚未施加闭合压力时的初始通道率为40％，利用本发明提供的装置，进行操作步骤，得出表1数据：
表1：支撑剂团比例为60％时数据
设定支撑剂团比例为70％时，即设定V支/V填为70％，此时，尚未施加闭合压力时的初始通道率为30％，利用本发明提供的装置，进行操作步骤，得出表2数据：
表2：支撑剂团比例为70％时数据
设定支撑剂团比例为80％时，即设定V支/V填为80％，此时，尚未施加闭合压力时的初始通道率为20％，利用本发明提供的装置，进行操作步骤，得出表3数据：
表3：支撑剂团比例为80％时数据
Claims (10)
1.一种模拟通道压裂泵注方式及测量通道率的装置，其特征在于，包括注入泵、压裂液池1、压裂液池2、携砂装置、混砂池、压力机、支撑裂缝模拟室、位移计、液量计量装置和电脑；
所述注入泵与压裂液池1、混砂池和支撑裂缝模拟室相连，所述压裂液池2、携砂装置各自与混砂池相连，所述压力机与支撑裂缝模拟室相连，所述支撑裂缝模拟室上设有位移计，所述支撑裂缝模拟室与液量计量装置相连，所述位移计、液量计量装置各自与电脑相连，优选的，所述位移计包括位移计a和位移计b，位移计通过位移数据转换器与电脑相连，所述液量计量装置包括电子计量仪和转换器。
2.根据权利要求1所述的模拟通道压裂泵注方式及测量通道率的装置，其特征在于，所述携砂装置包括螺杆泵、螺杆、乘砂池和卸砂口，螺杆与螺杆泵相连，螺杆位于乘砂池中，卸砂口位于乘砂池一端，携砂装置的输砂方式为螺杆旋转输砂。
3.根据权利要求1所述的模拟通道压裂泵注方式及测量通道率的装置，其特征在于，所述混砂池包括支撑剂进口、压裂液进口、搅拌器、搅拌泵、出液口，搅拌器与搅拌泵相连，优选的，所述搅拌器包括搅拌器1、搅拌器2，搅拌泵包括搅拌器1泵、搅拌器2泵。
4.根据权利要求1所述的模拟通道压裂泵注方式及测量通道率的装置，其特征在于，所述支撑裂缝模拟室包括侧壁、上活塞、下活塞、位于上活塞上部的上盖板和位于下活塞下部的下盖板，上活塞与下活塞位于侧壁内，上活塞与下活塞之间形成充填层，所述下活塞的上边缘和上活塞的下边缘分别设置有密封胶圈，侧壁两端分别设有进液口和排液口，优选的，上活塞与上盖板之间、下活塞与下盖板之间均为螺纹连接。
5.根据权利要求4所述的模拟通道压裂泵注方式及测量通道率的装置，其特征在于，充填层高度为0.5-1.5cm。
6.根据权利要求4所述的模拟通道压裂泵注方式及测量通道率的装置，其特征在于，所述支撑裂缝模拟室的排液口设有自锁结构，所述自锁结构为上下对称的锯齿状凸起，锯齿状凸起形成锯齿状通道。
7.根据权利要求4所述的模拟通道压裂泵注方式及测量通道率的装置，其特征在于，所述的支撑裂缝模拟室的侧壁为玻璃纤维强化塑料制成的侧壁，侧壁的抗压强度为90MPa，优选的，所述的支撑裂缝模拟室的上盖板、下盖板、上活塞、下活塞的材料均为4Cr13不锈钢。
8.一种利用权利要求1-7任意一项权利要求所述装置测量通道率的方法，包括步骤如下：
(1)连接支撑裂缝模拟室侧壁与下活塞、底板，连接支撑裂缝模拟室侧壁与上活塞、底板，连接注入泵、压裂液池1、混砂池和支撑裂缝模拟室，将压裂液池2、携砂装置与混砂池相连，将压力机与支撑裂缝模拟室相连，将支撑裂缝模拟室与液量计量装置相连，将位移计、液量计量装置与电脑相连，检验整个装置的密闭性；
(2)按一定比例配置压裂液于压裂液池1中，按一定比例配置含拌注纤维的压裂液于压裂液池2中，选取所需支撑剂置于携砂装置中；
(3)接通压裂液池2、携砂装置及混砂池，打开携砂装置的螺杆泵和混砂池的搅拌泵；
(4)打开注入泵，交替打开压裂液池1与注入泵的接口、混砂池与注入泵的接口，形成不携砂的压裂液与含拌注纤维的携砂压裂液脉冲式注入的液流，通过支撑裂缝模拟室的侧壁观察通道压裂支撑剂团在模拟裂缝充填层内的运移、分布和沉降规律；
(5)控制压力机以预设的闭合压力施加压力于支撑裂缝模拟室上，通过位移计和液量计量装置采集数据上活塞位移l及排出液量V排；
(6)电脑根据实时采集到的数据，进行以下计算过程，测量通道率：
V填＝V支+V压裂液(2)
V’填＝V填-l·S填(4)
V’支＝V’填-V压裂液+V排(5)
将(4)(5)带入(3)可得推导公式(6)如下，
其中，CR—初始通道率；V支—初始支撑剂团体积，初始支撑剂团体积根据实验需要设定并通过携砂装置定量加入；V填—初始充填层体积；V压裂液—初始压裂液体积；CR’—压后通道率；V’支—压后支撑剂团体积；V’填—压后充填层体积；S填—充填层承压面积；V排—排出液量；l—上活塞位移。
9.根据权利要求8所述的工作方法，其特征在于，还包括步骤(7)，改变所述压力机的闭合压力，重复步骤(5)～(7)，测试不同闭合压力下通道率的变化。
10.根据权利要求9所述的工作方法，其特征在于，还包括步骤(8)，清理装置，改变拌注纤维的比例及铺砂浓度，重复步骤(1)～(7)。
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