CN107262010A - 一种支撑剂改性实验装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
一种支撑剂改性实验装置，包括滚筒、驱动所述滚筒旋转的动力泵、用于向所述滚筒内喷射药剂的喷射管路，其特征在于，所述滚筒内壁为平滑连续曲面。所述滚筒一端设置有滚筒盖，在所述滚筒的另一端设置有供所述喷射管路延伸至滚筒内的滚筒轴孔；所述动力泵通过皮带驱动滚筒转动，其转动速度可以根据不同的物料及药剂的基本性质具体设定，以达到最好的混合效果。本发明的作用是使骨料支撑剂在所述实验装置中翻滚，在高温条件下均匀沾上改性药剂，并使所述药剂在所述骨料的表面固化，进而形成改性的支撑剂。所述的药剂为储存树脂及固化剂等药剂成分。
Description
技术领域
本发明涉及一种支撑剂改性实验装置及其应用，属于油气田开发的技术领域。
背景技术
压裂支撑剂在油气开采中发挥着重要的作用，是水力压裂技术的关键材料之一。低密度支撑剂能大幅度降低支撑剂在压裂液传输过程中的沉降，还能增加有效支撑裂缝长度；此外，压裂过程中使用低黏度的压裂液，可减小泵送功率，可有效地降低施工难度和作业成本。
实际工作中,技术人员通过对普通支撑剂进行改性，比如在常规支撑剂表面涂覆一层树脂薄膜,称为树脂覆膜支撑剂,树脂覆膜支撑剂能大幅度降低支撑剂的破碎率、浊度、酸溶解度,提高支撑剂的导流能力和延长压裂时效性，树脂覆膜支撑剂的用量在逐渐增加。此外，改进支撑剂的润湿性，可以对油井起到增油控水的作用，对提高油井产量具有积极意义。
传统的简单滚筒式的覆膜机制作仪器，使得支撑剂骨料在其中只有一个方向的滚动，容易使得支撑剂变成不规则的球形，即椭球型，这对于现场应用中是极其不利的。因此在实际的生产操作中，亟需一种配套完整的支撑剂改性的实验装置。
俄国专利文献RU2424971C1虽然提出一种混合物料装置，但是，该专利RU2424971C1与本发明存在实质性的技术区别：RU2424971C1所述装置内部为螺旋形状，颗粒在内部实现的翻滚运动与水泥车类似，而本发明为支撑剂表面改性实验装置，其滚筒内壁为平滑曲面，不存在螺旋结构，确保支撑剂颗粒可以实现双向运动。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种支撑剂改性实验装置。
本发明还提供利用上述实验装置实现支撑剂改性的方法。
本发明的技术方案如下：
一种支撑剂改性实验装置，包括滚筒、驱动所述滚筒旋转的动力泵、用于向所述滚筒内喷射药剂的喷射管路，其特征在于，所述滚筒内壁为平滑连续曲面。所述滚筒一端设置有滚筒盖，在所述滚筒的另一端设置有供所述喷射管路延伸至滚筒内的滚筒轴孔；所述动力泵通过皮带驱动滚筒转动，其转动速度可以根据不同的物料及药剂的基本性质具体设定，以达到最好的混合效果。本发明的作用是使骨料支撑剂在所述实验装置中翻滚，在高温条件下均匀沾上改性药剂，并使所述药剂在所述骨料的表面固化，进而形成改性的支撑剂。所述的药剂为储存树脂及固化剂等药剂成分。
根据本发明优选的，所述滚筒的外形为圆柱体。
根据本发明优选的，所述滚筒内壁为平滑连续曲面的设计方法如下：
首先，在滚筒的两个端面分别绘制尺寸、相对角度均一致的正三角形；
然后，在滚筒的中心轴向中部绘制一个与一侧端面正三角形尺寸一致，相对角度相差60°的正三角形；分别标记出所述正三角形的顶点和边长中点，对所述正三角形沿顺时针依次编号：左端面正三角形的顶点和边长中点编号依次为1、2、3、4、5、6；中部正三角形的顶点和边长中点编号依次为7、8、9、10、11、12；右端面正三角形的顶点和边长中点编号依次为13、14、15、16、17、18；
然后，利用平滑曲线依次连接：1、12、13；2、7、14；3、8、15；4、9、16；5、10、17；6、11、18，以得到六条平滑的曲线为扫描边界；
最后，分别以滚筒的两个端面上的正三角形与中部的正三角形为扫描图案，以滚筒的中心轴线为扫描路径，利用solidworks绘图软件扫描得到所述的平滑连续曲面。其扫描边界为图1所示的边界。本发明所述滚筒内壁为：沿中心轴线有六条扫描周线，其内表面沿轴向的两端面截图为正三角形，其内表面中心轴向中部截图也为正三角形，所述中部截图与所述两端面截图的正三角形之间角度相差60°。所述滚筒的外观为一个圆柱体，所述内表面呈现出特殊的曲面，可以形象地比喻为一个被捏扁了的易拉罐。与一般内部平滑的滚筒相比，本发明实现了支撑剂的双方向运动，即随滚筒运动方向的滚动和垂直于滚筒方向的滚动。因此本发明更有利于支撑剂与改性化学药剂充分接触。
根据本发明优选的，所述正三角形的边长为滚筒端面直径的0.5-0.8倍。
根据本发明优选的，在所述滚筒的外部设置有加热装置。该加热装置为所述滚筒内的物料及药剂进行混合加热，使其在反应温度下更有效的混合形成改性的支撑剂；同时，该温度可以根据不同的物料及药剂的基本性质具体设定，以达到最好的混合效果。
根据本发明优选的，所述喷射管路包括设置在所滚筒外的药剂驱动泵、药剂输送管线、设置在所述滚筒内的喷头。所述喷头包括沿所述滚筒中心轴向设置的多个喷孔。所述喷头设置在滚筒内，用于向滚筒内部均匀喷洒药剂，使支撑剂骨料与药剂充分接触后固化。
根据本发明优选的，所述喷头的安装方向为竖直向下。使得喷射药剂得以均匀呈雾状散开即可，无需特殊装置。
根据本发明优选的，所述药剂驱动泵为多个。用于改性支撑剂同时复合多种药剂。
根据本发明优选的，所述实验装置还包括用于支撑所述滚筒的滚筒支架。
根据本发明优选的，所述实验装置还包括计算控制系统，所述计算控制系统用于：控制所述加热装置加热温度，和/或控制所述滚筒的旋转速度，和/或控制所述喷射管路输送药剂的量及喷射药剂的量。
利用上述实验装置实现支撑剂改性的方法，包括，通过所述滚筒端盖向滚筒内加入支撑剂骨料，通过所述喷射管路向滚筒内加入药剂，驱动所述滚筒旋转，所述支撑剂骨料和所述药剂混合状态如下：
由于所述滚筒内壁为连续平滑曲面，当所述曲面局部结构为中间低、两端高时，所述支撑剂骨料集中在滚筒内壁的中部段；
滚筒继续旋转，当所述连续平滑曲面局部结构为中间高、两端低时，所述支撑剂骨料集中在滚筒内壁的两端。
根据本发明优选的，所述支撑剂骨料和所述药剂混合状态如下，在旋转的滚筒中，所述支撑剂骨料和所述药剂做两种运动：
第一随着滚筒内壁转动而滑动；
第二随着滚筒内壁由中间高、两端低变化到中间低两端高的结构时，支撑剂骨料和所述药剂滑动方向与滚筒滚动方向垂直。本发明与一般内部平滑的滚筒相比，本发明实现了支撑剂骨料和药剂的双方向运动，而非单方向运动。因此本发明更有利于支撑剂骨料与改性化学药剂充分接触，并能使得改性支撑剂的外观更加圆润。
本发明的特点及优势：
1、本发明设计了一款具有平滑连续曲面内表面结构的滚筒，使得支撑剂骨料立体转动，在充分与化学药剂接触的同时，也保证了改性后支撑剂的球度的规整。本发明的结构核心在于滚筒的内部设计，外观为一个圆柱体，内部为中空结构，但属于不均匀的设计，可以形象地比喻为一个被捏扁了的易拉罐。圆柱体内部凹凸不平，沿轴线有六条扫描周线。支撑剂骨料和所述药剂混合状态如下，在旋转的滚筒中，所述支撑剂骨料和所述药剂做两种运动：第一，随着滚筒内壁转动而滑动；第二，随着滚筒内壁由中间高、两端低变化到中间低两端高的结构时，支撑剂骨料和所述药剂滑动方向与滚筒滚动方向垂直。
2、本发明所述实验装置中的滚筒为平放状态，不需要倾斜任何角度就保证了支撑剂骨料在不同方向的转动，因此在仪器设备运行过程中，有很大的稳定性。
3、本发明所实验装置还包括计算控制系统，所述计算控制系统用于：控制所述加热装置加热温度，和/或控制所述滚筒的旋转速度，和/或控制所述喷射管路输送药剂的量及喷射药剂的量。所述滚筒通过皮带与动力泵相连，调节转速以适应不同改性支撑剂的制备要求；在滚筒的外围环绕一层加热装置，保证支撑剂改性的温度达到要求；所述喷头直接设置在滚筒内部，可在滚筒转动的过程中实时添加化学药品，更有利于化学药剂的附着，提升加工效果。
4、本发明所述装置采用多个药剂驱动泵，可通过计算控制系统来控制其加入不同药剂的药量及速度。
附图说明
图1为本发明所述滚筒内壁为曲面的设计示意图；
图2为本发明所述滚筒的端面剖视图；
图3为本发明所述滚筒如图2所述转动角度时的轴向剖视图；所述支撑剂骨料所处滚筒内的状态图；
图4为图2所述滚筒旋转60°后的端面剖视图；
图5为本发明所述滚筒如图4所述转动角度时的轴向剖视图；所述支撑剂骨料所处滚筒内的状态图；
图6为本发明所述实验装置的整体结构示意图；
图7为本发明所述滚筒的轴向剖视图。
在图1中，1-18分别为在所述正三角形顶点和边长中点的标号；
在图2-7中，21、滚筒；22、正三角形；23、滚筒内壁；24、支撑剂骨料；
31、滚筒端盖；32、加热装置；33、皮带；34、动力泵；35、滚筒支撑架；
36、药剂输送管线；37、药剂驱动泵；38、计算控制系统；39、喷头；
图8是利用本发明所述实验装置对陶粒进行覆膜氟化胶实验后形成的改性支撑剂，其利用30帧每秒的拍摄速度拍摄到的渗水过程；
图9是利用本发明所述实验装置对80/100目砂进行覆膜氟化胶实验后形成的改性支撑剂，其利用30帧每秒的拍摄速度拍摄到的渗水过程；
图10未覆膜的60/80目砂的渗水过程，即使利用30帧每秒的拍摄速度也未拍摄到的渗水过程：水滴滴入即马上渗透；
图11未覆膜的陶粒的渗水过程，即使利用30帧每秒的拍摄速度也未拍摄到的渗水过程：水滴滴入即马上渗透。
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1-7所示。
实施例1、
一种支撑剂改性实验装置，包括滚筒21、驱动所述滚筒旋转的动力泵34、用于向所述滚筒内喷射药剂的喷射管路，其特征在于，所述滚筒21的内表面为平滑连续曲面。
所述滚筒21的内表面为平滑连续曲面的设计方法如下：
首先，在滚筒21的两个端面分别绘制尺寸、相对角度均一致的正三角形22；
然后，在滚筒21的中心轴向中部绘制一个与一侧端面正三角形尺寸一致，相对角度相差60°的正三角形；分别标记出所述正三角形的顶点和边长中点，对所述正三角形沿顺时针依次编号：左端面正三角形的顶点和边长中点编号依次为1、2、3、4、5、6；中部正三角形的顶点和边长中点编号依次为7、8、9、10、11、12；右端面正三角形的顶点和边长中点编号依次为13、14、15、16、17、18；
然后，利用平滑曲线依次连接：1、12、13；2、7、14；3、8、15；4、9、16；5、10、17；6、11、18，以得到六条平滑的曲线为扫描边界；
最后，分别以滚筒的两个端面上的正三角形与中部的正三角形为扫描图案，以滚筒的中心轴线为扫描路径，利用绘图软件扫描得到所述的平滑连续曲面。
实施例2、
如实施例1所述的一种支撑剂改性实验装置，其区别在于，所述滚筒21的外形为圆柱体。
所述正三角形的边长为滚筒端面直径的0.5-0.8倍。
在本实施例中，所述滚筒的尺寸为：直径为15-20cm，长度为20-30cm，整体内部容积约为4L-6L，在进行支撑剂改性时，滚筒内部所装的支撑剂体积不超过1L。
实施例3、
如实施例1、2所述的一种支撑剂改性实验装置，其区别在于，在所述滚筒21的外部设置有加热装置32。
在本实施例中，所述加热装置32可设定的最高温度为260℃，在支撑剂改性过程中，可以由计算机控制系统自由调节温度可控范围。
实施例4、
如实施例1、2、3所述的一种支撑剂改性实验装置，其区别在于，所述喷射管路包括设置在所滚筒外的药剂驱动泵37、药剂输送管线36、设置在所述滚筒21内的喷头39。
所述喷头39的安装方向为竖直向下。
实施例5、
如实施例4所述的一种支撑剂改性实验装置，其区别在于，所述药剂驱动泵37为多个。
实施例6、
如实施例1-5所述的一种支撑剂改性实验装置，其区别在于，所述实验装置还包括用于支撑所述滚筒的滚筒支架35。
在本实施例中，所述动力泵34通过皮带33驱动滚筒21转动，使得滚筒21的转动速度为0.3r/s。所述滚筒支架35：通过轴承支撑滚筒并支持其旋转，使滚筒21水平放置于其上，保证了设备在正常运转时的稳定性。
实施例7、
如实施例1-6所述的一种支撑剂改性实验装置，其区别在于，所述实验装置还包括计算控制系统38，所述计算控制系统38用于：控制所述加热装置32加热温度，和/或控制所述滚筒21的旋转速度，和/或控制所述喷射管路输送药剂的量及喷射药剂的量。
实施例8、
利用如实施例1-7所述实验装置实现支撑剂改性的方法，包括，通过所述滚筒端盖31向滚筒21内加入支撑剂骨料24，通过所述喷射管路向滚筒21内加入药剂，驱动所述滚筒21旋转，所述支撑剂骨料24和所述药剂混合状态如下：
由于所述滚筒内壁23为连续平滑曲面，当所述曲面局部结构为中间低、两端高时，所述支撑剂骨料24集中在滚筒内壁23的中部段；
滚筒继续旋转，当所述连续平滑曲面局部结构为中间高、两端低时，所述支撑剂骨料集中在滚筒内壁23的两端。
应用例1、
利用如实施例8所述实验装置实现支撑剂改性的方法：
(1)取石英砂(粒径为0.5mm)1kg,简单清洗，过滤、干燥后，加热至100℃后,倒入滚筒21中，并打开滚筒21开关，使之在滚筒21内部旋转；
(2)取0.05kg含氟丙烯酸树脂混合溶液(含氟丙烯酸树脂合成制备参考：CN105542608A，一种含氟烷基改性的丙烯酸酯低表面能减阻防污涂料及其制备方法)，溶于二甲基亚砜溶剂中(质量比1:2)，混合均匀。加入质量分数4％(固化剂与混合物比重)的固化剂(二乙烯三胺，国产)，再次混合均匀；
(3)打开滚筒21周围的加热装置32至指定温度100℃后，保持滚筒21内恒温，利用化学药剂喷头加入以上配置溶液50g,与石英砂搅拌均匀；
(4)将温度上调至120℃，滚筒21滚动6小时后，停止加热，滚筒21滚动至温度降至常温25℃左右；
(5)出料，得到合格的覆膜砂。
对比例1、
针对应用例1合成的覆膜砂与原支撑剂比较测试水和煤油的渗流效果，结果如下：
表1渗流效果对比
从上表1中，可以看出由应用例1所作的覆膜砂有效提高了支撑剂表面疏水性，增大了油水通过比，更能有效地在地层支撑裂缝是时，提高采收率。
对比例2、
针对应用例1合成的覆膜砂与原支撑剂比较支撑剂表观疏水角测试，结果如图8-11：
图8是利用本发明所述实验装置对陶粒进行覆膜氟化胶实验后形成的改性支撑剂，其利用30帧每秒的拍摄速度拍摄到的渗水过程；
图9是利用本发明所述实验装置对80/100目砂进行覆膜氟化胶实验后形成的改性支撑剂，其利用30帧每秒的拍摄速度拍摄到的渗水过程；
图10未覆膜的60/80目砂的渗水过程，即使利用30帧每秒的拍摄速度也未拍摄到的渗水过程：水滴滴入即马上渗透；
图11未覆膜的陶粒的渗水过程，即使利用30帧每秒的拍摄速度也未拍摄到的渗水过程：水滴滴入即马上渗透。
从上图中可以看到，水滴在改性支撑剂表面有非常好的疏水效果。而使用未改性支撑剂做测试对比，发现其亲水性非常好，水滴滴入即马上渗透，利用30帧每秒的拍摄速度都无法测到其渗水过程，因此该实验装置对支撑剂改性非常有效。
实施例9、
如实施例8所述实验装置实现支撑剂改性的方法，所述支撑剂骨料24和所述药剂混合状态如下，在旋转的滚筒21中，所述支撑剂骨料24和所述药剂做两种运动：
第一随着滚筒内壁23转动而滑动；
第二随着滚筒内壁23由中间高、两端低变化到中间低两端高的结构时，支撑剂骨料24和所述药剂滑动方向与滚筒21滚动方向垂直。
Claims (10)
1.一种支撑剂改性实验装置，其特征在于，所述实验装置包括滚筒、驱动所述滚筒旋转的动力泵、用于向所述滚筒内喷射药剂的喷射管路，其特征在于，滚筒内壁为平滑连续曲面。
2.根据权利要求1所述的一种支撑剂改性实验装置，其特征在于，所述滚筒的外形为圆柱体。
3.根据权利要求2所述的一种支撑剂改性实验装置，其特征在于，所述滚筒内壁为平滑连续曲面的设计方法如下：
首先，在滚筒的两个端面分别绘制尺寸、相对角度均一致的正三角形；
然后，在滚筒的中心轴向中部绘制一个与一侧端面正三角形尺寸一致，相对角度相差60°的正三角形；分别标记出所述正三角形的顶点和边长中点，对所述正三角形沿顺时针依次编号：左端面正三角形的顶点和边长中点编号依次为1、2、3、4、5、6；中部正三角形的顶点和边长中点编号依次为7、8、9、10、11、12；右端面正三角形的顶点和边长中点编号依次为13、14、15、16、17、18；
然后，利用平滑曲线依次连接：1、12、13；2、7、14；3、8、15；4、9、16；5、10、17；6、11、18，以得到六条平滑的曲线为扫描边界；
最后，分别以滚筒的两个端面上的正三角形与中部的正三角形为扫描图案，以滚筒的中心轴线为扫描路径，利用solidworks绘图软件扫描得到所述的平滑连续曲面。
4.根据权利要求3所述的一种支撑剂改性实验装置，其特征在于，所述正三角形的边长为滚筒端面直径的0.5-0.8倍。
5.根据权利要求1所述的一种支撑剂改性实验装置，其特征在于，在所述滚筒的外部设置有加热装置。
6.根据权利要求1所述的一种支撑剂改性实验装置，其特征在于，所述喷射管路包括设置在所滚筒外的药剂驱动泵、药剂输送管线、设置在所述滚筒内的喷头。
7.根据权利要求6所述的一种支撑剂改性实验装置，其特征在于，所述喷头的安装方向为竖直向下；所述药剂驱动泵为多个；所述实验装置还包括用于支撑所述滚筒的滚筒支架。
8.根据权利要求1所述的一种支撑剂改性实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括计算控制系统，所述计算控制系统用于：控制所述加热装置加热温度，和/或控制所述滚筒的旋转速度，和/或控制所述喷射管路输送药剂的量及喷射药剂的量。
9.利用权利要求1-8中任意一项所述的一种支撑剂改性实验装置实现支撑剂改性的方法，包括，通过所述滚筒端盖向滚筒内加入支撑剂骨料，通过所述喷射管路向滚筒内加入药剂，驱动所述滚筒旋转，所述支撑剂骨料和所述药剂混合状态如下：
由于所述滚筒内壁为连续平滑曲面，当所述曲面局部结构为中间低、两端高时，所述支撑剂骨料集中在滚筒内壁的中部段；
滚筒继续旋转，当所述连续平滑曲面局部结构为中间高、两端低时，所述支撑剂骨料集中在滚筒内壁的两端。
10.利用权利要求9所述的一种支撑剂改性实验装置实现支撑剂改性的方法，所述支撑剂骨料和所述药剂混合状态如下，在旋转的滚筒中，所述支撑剂骨料和所述药剂做两种运动：
第一随着滚筒内壁转动而滑动；
第二随着滚筒内壁由中间高、两端低变化到中间低两端高的结构时，支撑剂骨料和所述药剂滑动方向与滚筒滚动方向垂直。
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