CN106153833A - 一种压裂液携砂效果评价装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压裂液携砂效果评价装置，包括压裂液釜，其出口依次连接第一螺杆泵、混砂搅拌釜、第二螺杆泵、电磁流量计和竖直井筒入口；混砂搅拌釜上方入口安装有加砂装置，竖直井筒出口同时连接三条支路，第一条支路依次连接第五阀、裂缝沉降模型和第六阀，第二条支路依次连接第七阀、第一水平井筒和第八阀，第三条支路依次连接第九阀、水平井裂缝模型和第十阀，三条支路交汇后依次连接温度传感器和沉降罐入口，沉降罐出口连接至压裂液釜入口构成回路。本发明可测试评价在不同支撑剂类型、条件下，各种压裂液在竖直井筒、水平井筒、单一裂缝和水平井复杂裂缝中携砂效果的方法，同时测试上述不同条件下携砂液在井筒或裂缝不同区间中的摩阻。

Description

一种压裂液携砂效果评价装置及方法

技术领域

本发明属于压裂技术领域，涉及一种压裂液携砂效果评价装置及方法。

背景技术

随着致密低渗油气藏的大规模开发，水力压裂技术成为油气藏增产开发的重要技术手段，压裂过程中主要是利用压裂液将支撑剂携带到裂缝中，在压裂裂缝闭合后能够在储层内形成高导流能力的支撑剂裂缝通道。压裂液的携砂能力对携砂液在井筒和裂缝中的流动状态，以及支撑剂在裂缝中铺设形态非常重要，它直接影响了人工裂缝的导流能力和形态，进而影响着储层的改造体积和产能。因此，研究压裂液在井筒和裂缝中的携砂性能至关重要。

目前，实际的调研发现，一般的评价压裂液携砂效果的实验装置，多为单个裂缝或垂直井筒裂缝模型，没有水平井裂缝模型，没有考虑近井各种角度裂缝、射孔相位角、孔径、孔密等因素对压裂液携砂效果的影响，另外，部分实验装置中裂缝模型的表面粗糙度与实际地层裂缝表面粗糙度并不相符，会影响最终的评价结果。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种压裂液携砂效果评价装置及方法，可以测试评价在不同条件下，各种压裂液在竖直井筒、水平井筒、单一裂缝和水平井复杂裂缝中携砂效果。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种压裂液携砂效果评价装置，包括压裂液釜，其出口依次连接第一螺杆泵、混砂搅拌釜、第二螺杆泵、电磁流量计和竖直井筒入口；混砂搅拌釜上方入口安装有加砂装置，竖直井筒出口同时连接三条支路，第一条支路依次连接第五阀、裂缝沉降模型和第六阀，第二条支路依次连接第七阀、第一水平井筒和第八阀，第三条支路依次连接第九阀、水平井裂缝模型和第十阀，三条支路交汇后依次连接温度传感器和沉降罐入口，沉降罐出口连接至压裂液釜入口构成回路。

所述压裂液釜出口分别连接有第一阀和第二阀，通过第二阀连接第一螺杆泵；

所述混砂搅拌釜出口分别连接有第三阀和第四阀，通过第四阀连接第二螺杆泵；

所述压裂液釜和混砂搅拌釜可拆卸，内部均设置有搅拌器，外部设置有可以调节温度的加热套；

所述加砂装置包括加砂漏斗和螺旋输送机，加砂漏斗与混砂搅拌釜相连接，螺旋输送机控制调节加砂速度和加砂量。

所述竖直井筒和第一水平井筒均采用分段的透明有机玻璃管，在每两段通过设计体相连接，井筒两端和连接体处均设有压力传感器，井筒上还分别设有刻度；竖直井筒的垂直倾角可调节。

所述裂缝沉降模型包括依次连接的入口井筒、裂缝模型和出口井筒，裂缝沉降模型两端分别设有压力传感器；

所述入口井筒采用不锈钢金属管，包括内管和外管，在内管壁上下均匀设置射孔，内管上部设有旋转装置；所述出口井筒采用不锈钢金属管，在管壁上仅设一条缝，供液体从裂缝模型中排出；

所述裂缝模型采用带刻度的透明PC平板，该PC平板内侧随机粘贴有胶斑和胶堤，使得其表面粗糙度与施工地层裂缝表面的粗糙度相匹配。

所述的入口井筒的内管上的射孔相位角可调，射孔个数通过旋转射孔内管进行遮挡调节；

所述的裂缝模型的PC平板长度足够长，能够满足模拟观测携砂液在裂缝中的运移、沉降的需要。

所述水平井裂缝模型包括第二水平井筒、若干条主裂缝和若干条分支裂缝；压差传感器一端连接第二水平井筒的入口端，另一端连接主裂缝之一的端部；

所述主裂缝并联设置，其与第二水平井筒间存在倾角θ，θ调节范围为0°～180°，以模拟近井各种角度裂缝；

所述分支裂缝通过连接体与主裂缝相连或彼此相连，分支裂缝与第二水平井筒间存在倾角，角度可调以模拟复杂的裂缝形态。

所述第二水平井筒采用带刻度的透明有机玻璃管，在管壁上下均匀设有射孔，射孔相位角可调；

所述主裂缝和分支裂缝均采用带刻度的透明PC平板，该PC平板内侧随机粘贴有胶斑和胶堤，使得其表面粗糙度与实际施工地层裂缝表面的粗糙度匹配。

所述的第二水平井筒、主裂缝和分支裂缝其均有足够长度，能够满足模拟观测携砂液在裂缝中的运移、沉降的需要。

所述沉降罐内部上方设置有过滤网，罐底有排料口，由第十一阀控制。装置中所有连接管路均采用保温材料缠绕包裹。

基于所述压裂液携砂效果评价装置的评价方法，包括如下步骤：

1)根据压裂液携砂效果评价需要，确定评价实验所需要用的压裂液和支撑剂类型，包括压裂液用量、支撑剂目数、砂比、温度、压力、排量、井筒长度、射孔相位角、孔径、孔密、裂缝形态在内的参数；

2)对压裂液釜和混砂搅拌釜设定实验温度，在压裂液釜中配制好压裂液，在加砂装置中放入适量的支撑剂；

3)按实验要求的砂比配制携砂液；

4)观测携砂液在裂缝沉降模型、第一水平井筒或水平井裂缝模型中的运移和沉降；

5)根据观察结果评价压裂液在实验条件下的携砂效果。

6)实验后处理，排出残液，清洗管路和设备；

7)单独更换其他压裂液，或改变压裂液用量、支撑剂种类、砂比、温度、压力、排量、井筒长度、射孔相位角、孔径、孔密、裂缝形态中的某一参数，其他条件不变，重复以上步骤；

利用相同时间内支撑剂的垂向堆积高度、水平运移距离及砂堤形态来表征在不同实验条件下的携砂性能；通过对比，评价以各种因素对压裂液携砂效果的影响；

在仅改变所述一个因素，其他条件都相同的情况下，在一定时间内，支撑剂堆积形成的砂堤分布高度越低，在裂缝中运移距离越远，表明该压裂液在该实验条件下对该支撑剂的携砂效果相对越好。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

(1)本发明可用于测试评价在不同支撑剂类型、砂比、温度、压力、排量、井筒长度、射孔相位角、孔径、孔密、裂缝形态等条件下，各种压裂液在竖直井筒、水平井筒、单一裂缝和水平井复杂裂缝中携砂效果的方法，同时可以测试上述不同条件下携砂液在井筒或裂缝不同区间中的摩阻。

(2)本发明的压裂液釜和混砂搅拌釜可拆卸，内部均设置有搅拌器，外部设置有可以调节温度的加热套，用于控制压裂液和携砂液的温度。

(3)本发明的第一螺杆泵和第二螺杆泵，可以根据需要，选择适当规格型号，设定排量，调节泵的流量。

(4)本发明的加砂装置包括加砂漏斗和螺旋输送机，螺旋输送机可以控制调节加砂速度和加砂量，从而调节携砂液中的砂比。

(5)本发明的竖直井筒、裂缝沉降模型、第一水平井筒和水平井裂缝模型均透明可视，带有刻度，便于模拟观测携砂液在井筒和裂缝中的运移、沉降情况。竖直井筒的倾角可调节。

(6)本发明的裂缝模型、主裂缝和分支裂缝均采用强度和厚度适当的透明PC板材，平板内侧随机粘贴有胶斑和胶堤，使其表面粗糙度与实际施工地层裂缝表面的粗糙度相似。

(7)本发明的入口井筒和第二水平井筒在管壁上下均匀射孔，根据需要相位角可调。

(8)本发明中，主裂缝与第二水平井筒间的角度θ可调，调节范围为0°～180°，用于模拟近井各种角度裂缝；分支裂缝可通过连接体与主裂缝相连或彼此相连，角度可调，用于模拟复杂的裂缝形态。

(9)本发明在竖直井筒、裂缝沉降模型和第一水平井筒设置有压力传感器，在水平井裂缝模型设置有压差传感器，可对井筒和裂缝不同区间中的摩阻进行测定，压差越小说明摩阻越小，越有利于携砂液的运移。

(10)本发明装置中所有连接管路均采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为本发明的结构示意图；

图2为入口井筒的结构示意图；

图3为水平井裂缝模型的结构示意图。

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。

如图1所示，一种压裂液携砂效果评价装置，包括：压裂液釜1，其出口依次连接有第一螺杆泵4、混砂搅拌釜6、第二螺杆泵9、电磁流量计10和竖直井筒11入口；

其中，混砂搅拌釜6上方入口安装有加砂装置5，竖直井筒11出口同时连接三条支路，第一条支路依次连接第五阀12、裂缝沉降模型13和第六阀14，第二条支路依次连接第七阀15、第一水平井筒16和第八阀17，第三条支路依次连接第九阀18、水平井裂缝模型20和第十阀21，三条支路交汇后依次连接有温度传感器22和沉降罐23入口，沉降罐23出口连接至压裂液釜1入口，构成回路。

进一步的，压裂液釜1出口通过第二阀3连接第一螺杆泵4，同时连接有第一阀2；混砂搅拌釜6出口通过第四阀8连接第二螺杆泵9，同时连接有第三阀7；压裂液釜1和混砂搅拌釜6可拆卸，内部均设置有搅拌器，由电动机控制，外部设置有可以调节温度的加热套，用于控制压裂液和携砂液的温度；第一螺杆泵4和第二螺杆泵9可以根据需要，选择适当规格型号，设定排量，能过调节泵的流量。

加砂装置5包括加砂漏斗和螺旋输送机，螺旋输送机可以控制调节加砂速度和加砂量，从而调节携砂液中的砂比。

竖直井筒11和第一水平井筒16均采用强度和厚度适当的透明有机玻璃管，井筒上带刻度，便于模拟观测携砂液在井筒中的运移、沉降情况，井筒分段，在每两段连接处设计连接体，可按要求设计成不同尺寸，井筒两端和连接体处均安装有压力传感器，可用于测定井筒内的摩阻，竖直井筒11的倾角可调节。

裂缝沉降模型13包括入口井筒13-1、裂缝模型13-2和出口井筒13-3，模型两端分别安装有压力传感器，可用于测定井筒和裂缝内的摩阻。

入口井筒13-1采用强度和厚度足够的不锈钢金属管，包括内管和外管，在内管壁上下均匀射孔，根据需要相位角可调，内管上部安装有旋转装置，孔眼个数可以通过旋转射孔内管进行遮挡调节，如图2，以相位角60°为例，为入口井筒13-1的俯视图和主视图；出口井筒13-3同样采用强度和厚度适当的不锈钢金属管，在管壁上仅造一条缝，方便液体从裂缝模型13-2中排出。

裂缝模型13-2采用强度和厚度适当的透明PC平板，平板内侧随机粘贴有胶斑和胶堤，使其表面粗糙度与实际施工地层裂缝表面的粗糙度相似，平板上带刻度，且长度足够，便于模拟观测携砂液在裂缝中的运移、沉降情况。

水平井裂缝模型20包括第二水平井筒20-1、若干条主裂缝20-2和若干条分支裂缝20-3。

第二水平井筒20-1采用强度和厚度适当的透明有机玻璃管，井筒上带刻度，且长度足够适当，便于模拟观测携砂液在井筒中的运移、沉降情况，在管壁上下均匀射孔，根据需要相位角可调，如图3，以相位角60°为例，为水平井裂缝模型20的侧视图和俯视图；压差传感器19一端连接第二水平井筒20-1的入口端，另一端可连接任意裂缝的端部，用于测定入口端到任意裂缝端部的摩阻。

主裂缝20-2和分支裂缝20-3采用强度和厚度适当的透明PC平板，平板内侧随机粘贴有胶斑和胶堤，使其表面粗糙度与实际施工地层裂缝表面的粗糙度相似，平板上带刻度，且长度足够适当，便于模拟观测携砂液在裂缝中的运移、沉降情况；主裂缝20-2与第二水平井筒20-1间的角度θ可调，调节范围为0°～180°，用于模拟近井各种角度裂缝；分支裂缝20-3可通过连接体与主裂缝20-2相连或彼此相连，角度可调，用于模拟复杂的裂缝形态。

沉降罐23内部上方设置有过滤网，罐底有排料口，用于放空及支撑剂的排放，由第十一阀24控制。

本发明装置中所有连接管路均采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。

本发明提供根据前述压裂液携砂效果的评价方法，包括以下的实验步骤：

步骤1，根据压裂液携砂效果评价需要(现场要求和实验目的)，确定实验中所需要用的压裂液和支撑剂类型，以及各种参数，包括压裂液用量、支撑剂目数、砂比、温度、压力、排量、井筒长度、射孔相位角、孔径、孔密、裂缝形态等。

步骤2，按照图1的实验装置图和步骤1的各种参数组装试验设备，对压裂液釜1和混砂搅拌釜6设定实验温度，在压裂液釜1中配制好压裂液，在加砂装置5中放入适量的支撑剂。

步骤3，按实验要求的砂比配制携砂液。

打开第二阀3，启动第一螺杆泵4，将压裂液釜1中配好的压裂液泵入混砂搅拌釜6，关闭第二阀3，同时启动加砂装置5的螺旋输送机和混砂搅拌釜6的电动机，将支撑剂以一定的速率输送到混砂搅拌釜6，并进行搅拌，配制好携砂液后关闭螺旋输送机。

步骤4，观测携砂液在裂缝沉降模型13(或第一水平井筒16，或水平井裂缝模型20)中的运移和沉降。

①观测携砂液在裂缝沉降模型13中的运移和沉降：打开第四阀8、第五阀12、第六阀14，启动第二螺杆泵9，将携砂液依次泵入竖直井筒11和裂缝沉降模型13中。

②观测携砂液在第一水平井筒16中的运移和沉降：打开第四阀8、第七阀15、第八阀17，启动第二螺杆泵9，将携砂液依次泵入竖直井筒11和第一水平井筒16中。

③观测携砂液在水平井裂缝模型20中的运移和沉降：打开第四阀8、第九阀18、第十阀21，启动第二螺杆泵9，将携砂液依次泵入竖直井筒11和水平井裂缝模型20中。

步骤5，评价压裂液在实验条件下的携砂效果。

采用高分辨率摄像机对透明井筒或者裂缝进行拍摄，跟踪支撑剂在人工裂缝中的运移轨迹和堆积形态。实验结束后，根据拍摄的不同时刻支撑剂在垂直方向的堆积高度和水平方向的铺设长度，以及支撑剂在该时间段内沉降所形成的砂堤形态，来评价压裂液在该实验条件下的携砂效果。

步骤6，实验后处理，排出残液，清洗管路和设备。

实验结束后，关闭混砂搅拌釜6的电动机和第二螺杆泵9，关闭所有的阀门，缓慢打开第一阀2，排出压裂液釜1中的压裂液，缓慢打开第三阀7，排出混砂搅拌釜6中的携砂液，缓慢打开第十一阀24，排出沉降罐23中的支撑剂和残液，清洗管路及设备。

步骤7，单独更换其他压裂液，或改变压裂液用量、支撑剂种类、砂比、温度、压力、排量、井筒长度、射孔相位角、孔径、孔密、裂缝形态中的某一参数，其他条件不变，重复以上步骤。

利用相同时间内支撑剂的垂向堆积高度、水平运移距离及砂堤形态来表征在不同实验条件下的携砂性能，通过对比，评价以上各种因素对压裂液携砂效果的影响。在仅改变上述一个因素，其他条件都相同的情况下，在一定时间内，支撑剂堆积形成的砂堤分布高度越低，在裂缝中运移距离越远，表明该压裂液在该实验条件下对该支撑剂的携砂效果相对越好。同时可以测试该压裂液在上述条件下的摩阻大小。

以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种压裂液携砂效果评价装置，其特征在于，包括压裂液釜(1)，其出口依次连接第一螺杆泵(4)、混砂搅拌釜(6)、第二螺杆泵(9)、电磁流量计(10)和竖直井筒(11)入口；混砂搅拌釜(6)上方入口安装有加砂装置(5)，竖直井筒(11)出口同时连接三条支路，第一条支路依次连接第五阀(12)、裂缝沉降模型(13)和第六阀(14)，第二条支路依次连接第七阀(15)、第一水平井筒(16)和第八阀(17)，第三条支路依次连接第九阀(18)、水平井裂缝模型(20)和第十阀(21)，三条支路交汇后依次连接温度传感器(22)和沉降罐(23)入口，沉降罐(23)出口连接至压裂液釜(1)入口构成回路。

2.如权利要求1所述的压裂液携砂效果评价装置，其特征在于，所述压裂液釜(1)出口分别连接有第一阀(2)和第二阀(3)，通过第二阀(3)连接第一螺杆泵(4)；

所述混砂搅拌釜(6)出口分别连接有第三阀(7)和第四阀(8)，通过第四阀(8)连接第二螺杆泵(9)；

所述压裂液釜(1)和混砂搅拌釜(6)可拆卸，内部均设置有搅拌器，外部设置有可以调节温度的加热套；

所述加砂装置(5)包括加砂漏斗和螺旋输送机，加砂漏斗与混砂搅拌釜(6)相连接，螺旋输送机控制调节加砂速度和加砂量。

3.如权利要求1所述的压裂液携砂效果评价装置，其特征在于，所述竖直井筒(11)和第一水平井筒(16)均采用分段的透明有机玻璃管，在每两段通过设计体相连接，井筒两端和连接体处均设有压力传感器，井筒上还分别设有刻度；竖直井筒(11)的垂直倾角可调节。

4.如权利要求1所述的压裂液携砂效果评价装置，其特征在于，所述裂缝沉降模型(13)包括依次连接的入口井筒(13-1)、裂缝模型(13-2)和出口井筒(13-3)，裂缝沉降模型(13)两端分别设有压力传感器；

所述入口井筒(13-1)采用不锈钢金属管，包括内管和外管，在内管壁上下均匀设置射孔，内管上部设有旋转装置；所述出口井筒(13-3)采用不锈钢金属管，在管壁上仅设一条缝，供液体从裂缝模型(13-2)中排出；

所述裂缝模型(13-2)采用带刻度的透明PC平板，该PC平板内侧随机粘贴有胶斑和胶堤，使得其表面粗糙度与施工地层裂缝表面的粗糙度相匹配。

5.如权利要求4所述的压裂液携砂效果评价装置，其特征在于，所述的入口井筒(13-1)的内管上的射孔相位角可调，射孔个数通过旋转射孔内管进行遮挡调节；

所述的裂缝模型(13-2)的PC平板长度足够长，能够满足模拟观测携砂液在裂缝中的运移、沉降的需要。

6.如权利要求1所述的压裂液携砂效果评价装置，其特征在于，所述水平井裂缝模型(20)包括第二水平井筒(20-1)、若干条主裂缝(20-2)和若干条分支裂缝(20-3)；压差传感器(19)一端连接第二水平井筒(20-1)的入口端，另一端连接主裂缝(20-2)之一的端部；

所述主裂缝(20-2)并联设置，其与第二水平井筒(20-1)间存在倾角θ，θ调节范围为0°～180°，以模拟近井各种角度裂缝；

所述分支裂缝(20-3)通过连接体与主裂缝(20-2)相连或彼此相连，分支裂缝(20-3)与第二水平井筒(20-1)间存在倾角，角度可调以模拟复杂的裂缝形态。

7.如权利要求6所述的压裂液携砂效果评价装置，其特征在于，所述第二水平井筒(20-1)采用带刻度的透明有机玻璃管，在管壁上下均匀设有射孔，射孔相位角可调；

所述主裂缝(20-2)和分支裂缝(20-3)均采用带刻度的透明PC平板，该PC平板内侧随机粘贴有胶斑和胶堤，使得其表面粗糙度与实际施工地层裂缝表面的粗糙度匹配。

8.如权利要求6所述的压裂液携砂效果评价装置，其特征在于，所述的第二水平井筒(20-1)、主裂缝(20-2)和分支裂缝(20-3)均有足够长度，能够满足模拟观测携砂液在裂缝中的运移、沉降的需要。

9.如权利要求1所述的压裂液携砂效果评价装置，其特征在于，所述沉降罐(23)内部上方设置有过滤网，罐底有排料口，由第十一阀(24)控制；所有连接管路均采用保温材料缠绕包裹。

10.一种基于权利要求1所述压裂液携砂效果评价装置的评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据压裂液携砂效果评价需要，确定评价实验所需要用的压裂液和支撑剂类型，包括压裂液用量、支撑剂目数、砂比、温度、压力、排量、井筒长度、射孔相位角、孔径、孔密、裂缝形态在内的参数；

2)对压裂液釜(1)和混砂搅拌釜(6)设定实验温度，在压裂液釜(1)中配制好压裂液，在加砂装置(5)中放入适量的支撑剂；

3)按实验要求的砂比配制携砂液；

4)观测携砂液在裂缝沉降模型(13)、第一水平井筒(16)或水平井裂缝模型(20)中的运移和沉降；

观测携砂液在裂缝沉降模型(13)中的运移和沉降：打开第四阀(8)、第五阀(12)、第六阀(14)，启动第二螺杆泵(9)，将携砂液依次泵入竖直井筒(11)和裂缝沉降模型(13)中；

观测携砂液在第一水平井筒(16)中的运移和沉降：打开第四阀(8)、第七阀(15)、第八阀(17)，启动第二螺杆泵(9)，将携砂液依次泵入竖直井筒(11)和第一水平井筒(16)中；

观测携砂液在水平井裂缝模型(20)中的运移和沉降：打开第四阀(8)、第九阀(18)、第十阀(21)，启动第二螺杆泵(9)，将携砂液依次泵入竖直井筒(11)和水平井裂缝模型(20)中；

5)采用高分辨率摄像机对透明井筒或者裂缝进行拍摄，跟踪支撑剂在人工裂缝中的运移轨迹和堆积形态；根据拍摄的不同时刻支撑剂在垂直方向的堆积高度和水平方向的铺设长度，以及支撑剂在该时间段内沉降所形成的砂堤形态，来评价压裂液在该实验条件下的携砂效果；

6)实验后处理，排出残液，清洗管路和设备；

7)单独更换其他压裂液，或改变压裂液用量、支撑剂种类、砂比、温度、压力、排量、井筒长度、射孔相位角、孔径、孔密、裂缝形态中的某一参数，其他条件不变，重复以上步骤；

利用相同时间内支撑剂的垂向堆积高度、水平运移距离及砂堤形态来表征在不同实验条件下的携砂性能；通过对比，评价以各种因素对压裂液携砂效果的影响；

在仅改变所述一个因素，其他条件都相同的情况下，在一定时间内，支撑剂堆积形成的砂堤分布高度越低，在裂缝中运移距离越远，表明该压裂液在该实验条件下对该支撑剂的携砂效果相对越好。