CN105675847B - 一种压裂液悬砂能力测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种压裂液悬砂能力测试系统，包括两条支路，第一条支路包括均与过滤器的入口连接的第一气瓶和第二气瓶，过滤器的出口依次连接有冷凝器、储罐、第一注入泵、第一压力传感器、第一流量计和第一止回阀；第二条支路包括依次连接的盛液容器、第二注入泵、第二流量计、活塞容器、第二压力传感器和第二止回阀，两支路汇合后依次连接安全阀、中间容器、第三压力传感器、第七阀、柱塞泵、第三止回阀、第八阀和循环回路，循环回路由螺杆泵、第四压力传感器、温度传感器、观测容器、第五压力传感器、螺旋管和第九阀依次连接而成，利用该系统可测试多种类型压裂液的动态悬砂能力和静态悬砂能力，也可用落球法测定各种压裂液的粘度。
Description
技术领域
本发明属于压裂技术领域，特别涉及一种压裂液悬砂能力测试系统及方法。
背景技术
随着致密低渗非常规油气藏的大规模开发，针对常规水基压裂液存在的环保问题、水敏地层和开采地区缺水的制约，CO2无水压裂技术应运而生。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的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，在技术上和经济上均具有较大优势。由于超临界CO2的粘度往往远低于水基压裂液，故常常需要加入增稠剂等化学添加剂以改善其压裂液的携砂造缝性能。
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都很少，针对能够测试CO2压裂液悬砂能力的装置，市场上还没有成熟的产品销售。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种压裂液悬砂能力测试系统，可以测试不同添加剂配比下的CO2无水压裂液在不同温度、不同压力、不同排量情况下的动态悬砂能力和静态悬砂能力，同时还可以利用该实验装置测试CO2泡沫压裂液、清水压裂液等其他类型压裂液的悬砂能力，也可用落球法测定各种压裂液的粘度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种压裂液悬砂能力测试系统，包括两条支路：
第一条支路包括均与过滤器5入口连接的第一气瓶1和第二气瓶2，过滤器5的出口依次连接冷凝器6和储罐7，储罐7连接支路汇合点且在连接管路上依次设置有第一注入泵11、第一压力传感器12、第一流量计13和第一止回阀14，
第二条支路包括盛液容器15，盛液容器15连接活塞容器19且在连接管路上依次设置第二注入泵17和第二流量计18，活塞容器19连接支路汇合点且在连接管路上依次设置有第二压力传感器20和第二止回阀21；
两条支路汇合后再依次连接中间容器23和循环回路43，其中支路汇合点与中间容器23之间管路上设置有安全阀22，中间容器23与循环回路43之间管路上依次设置有第三压力传感器24、第七阀25、柱塞泵26、第三止回阀27和第八阀28。
所述第一气瓶1与过滤器5入口之间的连接管道上设置有第一阀3，所述第二气瓶2与过滤器5入口之间的连接管道上设置有第二阀4，所述盛液容器15与第二注入泵17之间的连接管道上设置有第六阀16。
所述冷凝器6和储罐7并联后再串接有第三阀8，储罐7的出口同时连接有并联的第四阀9和第五阀10，其中第五阀10设置在储罐7与第一注入泵11之间的连接管路上。
所述中间容器23内设置有搅拌器，用于搅拌压裂液使其均匀，外部设置有温度可调的加热套，用于控制压裂液的温度。
所述循环回路43由螺杆泵29、第四压力传感器30、温度传感器31、观测容器32、第五压力传感器37、螺旋管38和第九阀39依次连接而成，其中第九阀39和螺杆泵29的交汇处连接第八阀28。
所述观测容器32入口设置有第十一阀42，用于放空及残液的排放，出口依次连接有第十阀40和真空泵41。
所述观测容器32安装有带有刻度的透视窗33，且内部设置有大小合适的旋转勺34、上筛网35和下筛网36。
装置中所有连接管路均采用316L管路，以防CO2对管路的酸性腐蚀；且连接中间容器23到观测容器32之间的所有管路，用保温材料缠绕包裹。
本发明还提供了基于所述压裂液悬砂能力测试系统的测试方法，包括动态悬砂能力和静态悬砂能力的测试，其中：
CO2无水压裂液动态悬砂能力测试方法步骤：
步骤11，组装实验设备，第一气瓶1或第二气瓶2中为CO2气体，在旋转勺34中放入适量的支撑剂，安装在观测容器32中，将添加剂放入活塞容器19中，对中间容器23和螺旋管38设定实验温度；
步骤12，抽真空检测实验装置密封性；
步骤13，向中间容器23中注入实验设定配比的液态CO2和添加剂；
步骤14，向观测容器32中注入CO2无水压裂液；
步骤15，循环CO2无水压裂液，加支撑剂，观测动态悬砂效果；
步骤16，实验后处理，排出残液，清洗管路和设备；
步骤17，改变实验设定的添加剂配比、温度、压力或排量，重复以上步骤，可以得到不同情况下CO2无水压裂液的悬砂效果，利用支撑剂通过同一距离所用的时间来表征压裂液在该实验条件下的动态悬砂能力，通过对比分析，得到CO2无水压裂液动态悬砂能力最强时的温度、压力和排量条件；
CO2无水压裂液静态悬砂能力测试方法步骤：
步骤21，组装实验设备，第一气瓶1或第二气瓶2中为CO2气体，在旋转勺34中放入适量的支撑剂，安装在观测容器32中，将添加剂放入活塞容器19中，对中间容器23和螺旋管38设定实验温度；
步骤22，抽真空检测实验装置密封性；
步骤23，向中间容器23中注入实验设定配比的液态CO2和添加剂；
步骤24，向观测容器32中注入CO2无水压裂液；
步骤25，加支撑剂，观测静态悬砂效果。
步骤26，实验后处理，排出残液，清洗管路和设备。
步骤27，改变实验设定的添加剂配比、温度或压力，重复以上步骤，可以得到不同情况下CO2无水压裂液的悬砂效果，利用支撑剂的沉降时间来表征压裂液在该实验条件下的静态悬砂能力，通过对比分析，得到CO2无水压裂液静态悬砂能力最强时的温度和压力条件。
本发明可以测试CO2泡沫压裂液、清水压裂液等其他类型压裂液的悬砂能力。测试CO2泡沫压裂液悬砂能力时只需把上述实验中活塞容器19中的添加剂换成水和适量的添加剂，其他步骤与上述一致；测试清水压裂液悬砂能力时，在活塞容器19中放入配好的清水压裂液，直接注入到中间容器23中，无需使用另一条支路，其他步骤与上述一致。
与现有技术相比，本发明的优势是：
(1)本发明专用于测试不同添加剂配比下的CO2无水压裂液在不同温度、不同压力、不同排量情况下的动态悬砂能力和静态悬砂能力。同时还可以利用该实验装置测试CO2泡沫压裂液、清水压裂液等其他类型压裂液的悬砂能力，也可用落球法测定各种压裂液的粘度。
(2)本发明的第一注入泵10和第二注入泵17，不仅可以为系统管路起到增压的作用，还可以根据需要，选择适当规格型号，设定排量，调节泵的流量。
(3)本发明利用活塞容器19向管路中注入压裂液添加剂等药品，是为了防止添加剂对泵造成伤害。
(4)本发明的中间容器23密封性好且可拆卸，内部设置有搅拌器，用于搅拌压裂液使其均匀，外部设置有可以调节温度的加热套，用于控制压裂液的温度。
(5)本发明的螺杆泵29、第四压力传感器30、温度传感器31、观测容器32、第五压力传感器37、螺旋管38和第九阀39构成一个循环回路43，能够使压裂液与支撑剂充分接触，螺旋管38可以控制管路的温度。
(6)本发明的观测容器32安装有带有刻度的透视窗33，便于观测容器32内压裂液的悬砂情况，且内部设置有旋转勺34、上筛网35和下筛网36，旋转勺34用于加入支撑剂，尺寸适当，不会影响支撑剂在压裂液中的运移，上筛网35和下筛网36用于防止支撑剂进入管路中，对管路阀门功能造成伤害。
(7)本发明的观测容器32的出口安装有真空泵41，用于实验前对装置进行抽真空，可以检测装置密封性，排除空气对实验的干扰。
(8)本发明装置中所有连接管路均采用316L管路，以防CO2对管路的酸性腐蚀；且连接中间容器23到观测容器32之间的所有管路，用保温材料缠绕包裹，便于防止热量传递、散失等引起的测试误差。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，一种压裂液悬砂能力测试系统，包括第一气瓶1和第二气瓶2，均与过滤器5的入口连接，过滤器5的出口依次连接有冷凝器6、储罐7、第一注入泵11、第一压力传感器12、第一流量计13和第一止回阀14，然后汇合另一条依次连接有盛液容器15、第二注入泵17、第二流量计18、活塞容器19、第二压力传感器20和第二止回阀21的支路，两条支路汇合处依次连接有安全阀22、中间容器23、第三压力传感器24、第七阀25、柱塞泵26、第三止回阀27、第八阀27和循环回路43，其中：
第一气瓶1和第二气瓶2分别通过第一阀3和第二阀4与过滤器5的入口连接，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，便于稳定地存储与输出气体。过滤器5的作用是除去原始气体中的杂质，提纯获得高纯度气体，以防对实验效果造成影响。过滤器5的出口依次连接有冷凝器6、储罐7、第一注入泵11、第一压力传感器12、第一流量计13和第一止回阀14，第一止回阀14可以防止流体倒流。
冷凝器6和储罐7并联后再串接有第三阀8，储罐7的出口同时连接有第四阀9和第五阀10，其中第五阀10依次连接第一注入泵11、第一压力传感器12、第一流量计13和第一止回阀14。第一注入泵11可以根据需要，选择适当规格型号，设定排量，能够调节泵的流量。
盛液容器15通过第六阀16与第二注入泵17连接，第二注入泵17可以根据需要，选择适当规格型号，设定排量，能够调节泵的流量。第二注入泵17依次连接第二流量计18、活塞容器19、第二压力传感器20和第二止回阀21，第二止回阀21可以防止流体倒流。利用活塞容器19向管路中注入添加剂，防止添加剂对泵造成伤害。
中间容器23密封性好且可拆卸，内部设置有搅拌器，用于搅拌压裂液使其均匀，外部设置有可以调节温度的加热套，用于控制压裂液的温度。
循环回路43由螺杆泵29、第四压力传感器30、温度传感器31、观测容器32、第五压力传感器37、螺旋管38和第九阀39依次连接而成，其中第九阀39和螺杆泵29的交汇处连接至第八阀28。循环回路43能够使压裂液与支撑剂充分接触，螺旋管38可以控制管路的温度。
观测容器32入口设置有第十一阀42，用于放空及残液的排放，出口依次连接有第十阀40和真空泵41。
观测容器32安装有带有刻度的透视窗33，便于观测容器32内压裂液的悬砂情况，且内部设置有旋转勺34、上筛网35和下筛网36。旋转勺34用于加入支撑剂，尺寸适当，不会影响支撑剂在压裂液中的运移，上筛网35和下筛网36用于防止支撑剂进入管路中，对管路阀门功能造成伤害。
本发明装置中所有连接管路均采用316L管路，以防CO2对管路的酸性腐蚀；且连接中间容器23到观测容器32之间的所有管路，用保温材料缠绕包裹。
本发明提供根据前述CO2无水压裂液动态悬砂能力和静态悬砂能力的测试方法，包括以下的实验步骤：
CO2无水压裂液动态悬砂能力测试方法步骤：
步骤1，按照图1的实验装置图组装实验设备，第一气瓶1或第二气瓶2中为CO2气体，在旋转勺34中放入支撑剂，安装在观测容器32中，将添加剂放入活塞容器19中，对中间容器23和螺旋管38设定实验温度。
步骤2，抽真空检测实验装置密封性。
打开第五阀10、第七阀25、第八阀28、第九阀39和第十阀40，启动真空泵41对整个系统进行抽真空，结束后关闭真空泵41和第十阀40，如果各压裂传感器的示数为0左右，并且一段时间之后其示数没有上升，则装置的密封性良好，关闭第五阀10、第七阀25、第八阀28和第九阀39。
步骤3，向中间容器23中注入实验设定配比的液态CO2和添加剂。
打开第一阀3或第二阀4，将CO2气体通入冷凝器6中冷凝呈液态储存在储罐7中，打开第五阀10，利用第一注入泵11将液态CO2注入中间容器23中，同时，打开第六阀16，利用第二注入泵17将盛液容器15中的液体泵入活塞容器19中，从而使活塞容器19中的添加剂注入中间容器23中。关闭第二阀4、第五阀10、第六阀16，用搅拌器搅拌CO2液体和添加剂使之混合均匀。
步骤4，向观测容器32中注入CO2无水压裂液。
打开第七阀25、第八阀28和第九阀39，利用柱塞泵26将中间容器23中混合好的CO2无水压裂液泵入循环回路43中，当第四压力传感器30和第五压力传感器37达到实验设定压力时，关闭第七阀25、柱塞泵26和第八阀28。
步骤5，循环CO2无水压裂液，加支撑剂，观测动态悬砂效果。
启动螺杆泵29，使CO2无水压裂液在循环回路43中循环流动，流动稳定后，转动旋转勺34，将支撑剂加入CO2无水压裂液中，利用带有刻度的透视窗33观测压裂液的动态悬砂效果，待循环回路43的温度、压力和排量都达到稳定时，记录支撑剂运移一段距离所需的时间。
步骤6，实验后处理，排出残液，清洗管路和设备。
实验结束后，关闭螺杆泵29，缓慢打开第十一阀42，将管路和观测容器32中的残液排除，打开第五阀10、第七阀25和第八阀28，将活塞容器19中的添加剂换成清水，打开第六阀16和第二注入泵17，将活塞容器19中的清水注入管路中，进行清洗。清洗后，打开第三阀8和第四阀9，对系统进行放空。放空后，拆卸观测容器32，取出支撑剂，对内部设备进行清洗。
步骤7，改变实验设定的添加剂配比、温度、压力或排量，重复以上步骤，可以得到不同情况下CO2无水压裂液的悬砂效果，利用支撑剂通过同一距离所用的时间来表征压裂液在该实验条件下的动态悬砂能力，通过对比分析，可以得到CO2无水压裂液动态悬砂能力最强时的温度、压力和排量条件。
CO2无水压裂液静态悬砂能力测试方法步骤：
步骤1、步骤2、步骤3和步骤4与上述一致。
步骤5，加支撑剂，观测静态悬砂效果。
压裂液静止且循环回路43的温度、压力都达到稳定时，转动旋转勺34，将支撑剂加入CO2无水压裂液中，利用带有刻度的透视窗33观测压裂液的静态悬砂效果，记录支撑剂沉降所需的时间。
步骤6，实验后处理，排出残液，清洗管路和设备。
实验结束后，缓慢打开第十一阀42，将管路和观测容器32中的残液排除，打开第五阀10、第七阀25和第八阀28，将活塞容器19中的添加剂换成清水，打开第六阀16和第二注入泵17，将活塞容器19中的清水注入管路中，进行清洗。清洗后，打开第三阀8和第四阀9，对系统进行放空。放空后，拆卸观测容器32，取出支撑剂，对内部设备进行清洗。
步骤7，改变实验设定的添加剂配比、温度或压力，重复以上步骤，可以得到不同情况下CO2无水压裂液的悬砂效果，利用支撑剂的沉降时间来表征压裂液在该实验条件下的静态悬砂能力，通过对比分析，可以得到CO2无水压裂液静态悬砂能力最强时的温度和压力条件。
本发明可以测试CO2泡沫压裂液、清水压裂液等其他类型压裂液的悬砂能力。测试CO2泡沫压裂液悬砂能力时只需把上述实验中活塞容器19中的添加剂换成水和适量的添加剂，其他步骤与上述一致；测试清水压裂液悬砂能力时，在活塞容器19中放入配好的清水压裂液，直接注入到中间容器23中，无需使用另一条支路，其他步骤与上述一致。
Claims (6)
1.一种基于压裂液悬砂能力测试系统的测试方法，所述压裂液悬砂能力测试系统，包括两条支路：
第一条支路包括均与过滤器(5)入口连接的第一气瓶(1)和第二气瓶(2)，过滤器(5)的出口依次连接冷凝器(6)和储罐(7)，储罐(7)连接支路汇合点且在连接管路上依次设置有第一注入泵(11)、第一压力传感器(12)、第一流量计(13)和第一止回阀(14)，
第二条支路包括盛液容器(15)，盛液容器(15)连接活塞容器(19)且在连接管路上依次设置第二注入泵(17)和第二流量计(18)，活塞容器(19)连接支路汇合点且在连接管路上依次设置有第二压力传感器(20)和第二止回阀(21)；
两条支路汇合后再依次连接中间容器(23)和循环回路(43)，其中支路汇合点与中间容器(23)之间管路上设置有安全阀(22)，中间容器(23)与循环回路(43)之间管路上依次设置有第三压力传感器(24)、第七阀(25)、柱塞泵(26)、第三止回阀(27)和第八阀(28)；
所述循环回路(43)由螺杆泵(29)、第四压力传感器(30)、温度传感器(31)、观测容器(32)、第五压力传感器(37)、螺旋管(38)和第九阀(39)依次连接而成，其中第九阀(39)和螺杆泵(29)的交汇处连接第八阀(28)；
所述观测容器(32)安装有带有刻度的透视窗(33)，且内部设置有大小合适的旋转勺(34)、上筛网(35)和下筛网(36)；
所述测试方法包括动态悬砂能力和静态悬砂能力的测试，其特征在于：
CO2无水压裂液动态悬砂能力测试方法步骤：
步骤11，组装实验设备，第一气瓶(1)或第二气瓶(2)中为CO2气体，在旋转勺(34)中放入适量的支撑剂，安装在观测容器(32)中，将添加剂放入活塞容器(19)中，对中间容器(23)和螺旋管(38)设定实验温度；
步骤12，抽真空检测实验装置密封性；
步骤13，向中间容器(23)中注入实验设定配比的液态CO2和添加剂；
步骤14，向观测容器(32)中注入CO2无水压裂液；
步骤15，循环CO2无水压裂液，加支撑剂，观测动态悬砂效果；
步骤16，实验后处理，排出残液，清洗管路和设备；
步骤17，改变实验设定的添加剂配比、温度、压力或排量，重复以上步骤，可以得到不同情况下CO2无水压裂液的悬砂效果，利用支撑剂通过同一距离所用的时间来表征压裂液在该实验条件下的动态悬砂能力，通过对比分析，得到CO2无水压裂液动态悬砂能力最强时的温度、压力和排量条件；
CO2无水压裂液静态悬砂能力测试方法步骤：
步骤21，组装实验设备，第一气瓶(1)或第二气瓶(2)中为CO2气体，在旋转勺(34)中放入适量的支撑剂，安装在观测容器(32)中，将添加剂放入活塞容器(19)中，对中间容器(23)和螺旋管(38)设定实验温度；
步骤22，抽真空检测实验装置密封性；
步骤23，向中间容器(23)中注入实验设定配比的液态CO2和添加剂；
步骤24，向观测容器(32)中注入CO2无水压裂液；
步骤25，加支撑剂，观测静态悬砂效果；
步骤26，实验后处理，排出残液，清洗管路和设备；
步骤27，改变实验设定的添加剂配比、温度或压力，重复以上步骤，可以得到不同情况下CO2无水压裂液的悬砂效果，利用支撑剂的沉降时间来表征压裂液在该实验条件下的静态悬砂能力，通过对比分析，得到CO2无水压裂液静态悬砂能力最强时的温度和压力条件。
2.根据权利要求1所述基于压裂液悬砂能力测试系统的测试方法，其特征在于，所述第一气瓶(1)与过滤器(5)入口之间的连接管道上设置有第一阀(3)，所述第二气瓶(2)与过滤器(5)入口之间的连接管道上设置有第二阀(4)，所述盛液容器(15)与第二注入泵(17)之间的连接管道上设置有第六阀(16)。
3.根据权利要求1所述基于压裂液悬砂能力测试系统的测试方法，其特征在于，所述冷凝器(6)和储罐(7)并联后再串接有第三阀(8)，储罐(7)的出口同时连接有并联的第四阀(9)和第五阀(10)，其中第五阀(10)设置在储罐(7)与第一注入泵(11)之间的连接管路上。
4.根据权利要求1所述基于压裂液悬砂能力测试系统的测试方法，其特征在于，所述中间容器(23)内设置有搅拌器，用于搅拌压裂液使其均匀，外部设置有温度可调的加热套，用于控制压裂液的温度。
5.根据权利要求1所述基于压裂液悬砂能力测试系统的测试方法，其特征在于，所述观测容器(32)入口设置有第十一阀(42)，用于放空及残液的排放，出口依次连接有第十阀(40)和真空泵(41)。
6.根据权利要求1所述基于压裂液悬砂能力测试系统的测试方法，其特征在于，装置中所有连接管路均采用316L管路，以防CO2对管路的酸性腐蚀；且连接中间容器(23)到观测容器(32)之间的所有管路，用保温材料缠绕包裹。
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