CN107305206A - 一种泡沫压裂液携砂性能的评价装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泡沫压裂液携砂性能的评价装置和方法，属于油气田开发技术领域。所述评价装置包括供气单元、与所述供气单元连通的处理单元、以及设置在所述处理单元上的加热单元，所述处理单元包括实验圆筒、旋转圆筒、搅拌器、翻转支架、电机；所述实验圆筒的侧壁开设有可视化窗口；所述旋转圆筒设置所述实验圆筒的一端上且位于所述实验圆筒内，所述旋转圆筒的轴线与所述实验圆筒的轴线平行；所述搅拌器设置在所述实验圆筒的另一端上且位于所述实验圆筒内；所述实验圆筒可转动地设置在所述翻转支架上；所述旋转圆筒和所述搅拌器上均设有可与所述电机同轴连接的连接件。本发明能准确评价泡沫压裂液在油层中的携砂性能。

Description

一种泡沫压裂液携砂性能的评价装置和方法

技术领域

本发明涉及油气田开发技术领域，特别涉及一种泡沫压裂液携砂性能的评价装置和方法。

背景技术

水力压裂是在地面采用高压泵，利用液体传压的原理，先通过井筒将具有一定粘度的压裂液以大于油层的吸收能力的压力注入油层，在井底油层上形成超过井壁附近的地应力和地层岩石的抗张强度的压力，使井底附近地层产生裂缝；再向油层注入带有支撑剂的压裂液，使裂缝向前延伸并支撑裂缝，最终在油层中留下一条或多条长、宽、高不等的裂缝，使油层和井筒之间建立起一条新的流体通道，使井达到增产增注的目的。由于水力压裂过程中压裂液及支撑剂注入油层会改变油层原有的结构，对油层具有改善和伤害的双重作用，因此为了促使水力压裂对油层的改善作用占主导，需要采用具有对油层伤害低、携砂性能好等优点的泡沫压裂液实现水力压裂。

携砂性能是压裂液对支撑剂的携带悬浮能力，不仅影响压裂液能否顺利将支撑剂带入油层的裂缝中，而且影响支撑剂在裂缝中的分布，决定油层中最终形成的裂缝形态和尺寸，影响裂缝的导流能力和水力压裂的增产增注效果，因此压裂液携砂性能的评价对实施水力压裂具有重要的指导意义。

现有泡沫压裂液携砂性能的评价方法包括：配置泡沫压裂液；将配好的泡沫压裂液和常规冻胶压裂液分别加入到量筒内；加入陶粒；将量筒置入恒温水浴中；通过观察陶粒的沉降速度，分析出泡沫压裂液的携砂性能。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

注入油层的泡沫压裂液是流动的，并且由于裂缝的不规则形态，泡沫压裂液的剪切速率(流体的流动速度相对圆流道半径的变化速率)会在一定范围内变化，但是现有的评价方法中，泡沫压裂液处于静止状态，与实际状况相差较远，因此现有的评价方法无法准确评价泡沫压裂液在油层中的携砂性能。

发明内容

为了解决现有技术无法准确评价泡沫压裂液在油层中的携砂性能的问题，本发明实施例提供了一种泡沫压裂液携砂性能的评价装置和方法。所述技术方案如下：

一方面，本发明实施提供了一种泡沫压裂液携砂性能的评价装置，所述评价装置包括供气单元、与所述供气单元连通的处理单元、以及设置在所述处理单元上的加热单元，所述处理单元包括实验圆筒、旋转圆筒、搅拌器、翻转支架、电机；所述实验圆筒的侧壁开设有可视化窗口；所述旋转圆筒设置所述实验圆筒的一端上且位于所述实验圆筒内，所述旋转圆筒的轴线与所述实验圆筒的轴线平行；所述搅拌器设置在所述实验圆筒的另一端上且位于所述实验圆筒内；所述实验圆筒可转动地设置在所述翻转支架上；所述旋转圆筒和所述搅拌器上均设有可与所述电机同轴连接的连接件。

在本发明一种可能的实现方式中，所述翻转支架包括底座、一对支撑杆和固定杆，所述一对支撑杆固定在所述底座上，所述固定杆的两端分别与所述一对支撑杆固定连接，所述固定杆可转动地插设于所述实验圆筒中且与所述实验圆筒的轴线垂直。

在本发明另一种可能的实现方式中，所述供气单元包括沿气体流动方向依次连接的气瓶、减压阀、气体流量计、单流阀。

在本发明又一种可能的实现方式中，所述供气单元还包括设置在所述减压阀和所述气体流量计之间的背压阀。

在本发明又一种可能的实现方式中，所述加热单元包括套设在所述实验圆筒外的电热套。

在本发明又一种可能的实现方式中，所述加热单元包括缠绕在所述实验圆筒的侧壁上的水管、以及向所述水管内供应流动热水的加热器，所述水管的两端分别与所述加热器连通。

在本发明又一种可能的实现方式中，所述评价装置还包括相对所述可视化窗口设置的微观摄像机、以及与所述微观摄像机电连接的计算机。

可选地，所述评价装置还包括设置在所述实验圆筒的侧壁上的温度压力传感器，所述温度压力传感器与所述计算机电连接。

在本发明又一种可能的实现方式中，所述可视化窗口上标有刻度。

另一方面，本发明实施例提供了一种泡沫压裂液携砂性能的评价方法，采用上一方面所述的评价装置实现，所述评价方法包括：

在旋转圆筒的轴线与实验圆筒的轴线平行的情况下，调整所述旋转圆筒的轴线和所述实验圆筒的轴线的间距；

向所述实验圆筒中加入泡沫压裂液和支撑剂并通入起泡气体，排空所述实验圆筒内的气体；

采用供气单元向所述实验圆筒中注入起泡气体，并采用加热单元对所述实验圆筒进行加热；

将电机与搅拌器同轴连接，采用电机驱动搅拌器转动，使所述泡沫压裂液起泡；

通过翻转支架翻转所述实验圆筒，将所述电机与所述旋转圆筒同轴连接，采用所述电机驱动所述旋转圆筒转动，带动所述实验圆筒中的所述泡沫压裂液流动；

通过可视化窗口获取所述支撑剂在所述泡沫压裂液中的沉降情况，分析所述泡沫压裂液的携砂性能。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过与旋转圆筒同轴连接的电机驱动旋转圆筒转动，带动位于实验圆筒和旋转圆筒之间的泡沫压裂液流动，同时旋转圆筒轴线与实验圆筒的轴线平行，旋转圆筒的侧壁与相对的实验圆筒的侧壁之间的距离在不同的方向上是不同的，进而泡沫压裂液的剪切速率在一定范围内变化，与注入油层的泡沫压裂液的实际情况相符，能准确评价泡沫压裂液在油层中的携砂性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的一种泡沫压裂液携砂性能的评价装置的结构示意图；

图2a和图2b是本发明实施例二提供的一种泡沫压裂液携砂性能的评价装置的结构示意图；

图3是本发明实施例二提供的实验圆筒和旋转圆筒的横截面的结构示意图；

图4是本发明实施例三提供的一种泡沫压裂液携砂性能的评价方法的流程图；

图5是本发明实施例四提供的一种泡沫压裂液携砂性能的评价方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

本发明实施例提供了一种泡沫压裂液携砂性能的评价装置，参见图1，该评价装置包括供气单元1、与供气单元1连通的处理单元2、以及设置在处理单元上的加热单元3。

在本实施例中，处理单元2包括实验圆筒21、旋转圆筒22、搅拌器23、翻转支架24、电机25。实验圆筒21的侧壁开设有可视化窗口21a，旋转圆筒22设置在实验圆筒21的一端上且位于实验圆筒21内，旋转圆筒22的轴线与实验圆筒21的轴线平行。搅拌器23设置在实验圆筒21的另一端上且位于实验圆筒21内。实验圆筒21可转动地设置在翻转支架24上。旋转圆筒22和搅拌器23上均设有可与电机25同轴连接的连接件。

本发明实施例通过与旋转圆筒同轴连接的电机驱动旋转圆筒转动，带动位于实验圆筒和旋转圆筒之间的泡沫压裂液流动，同时旋转圆筒轴线与实验圆筒的轴线平行，旋转圆筒的侧壁与相对的实验圆筒的侧壁之间的距离在不同的方向上是不同的，进而泡沫压裂液的剪切速率在一定范围内变化，与注入油层的泡沫压裂液的实际情况相符，能准确评价泡沫压裂液在油层中的携砂性能。

实施例二

本发明实施例提供了一种泡沫压裂液携砂性能的评价装置，是实施例一提供的评价装置的具体实现，参见图2a和图2b，该评价装置包括供气单元1、与供气单元1连通的处理单元2、以及设置在处理单元上的加热单元3。

在本实施例中，处理单元2包括实验圆筒21、旋转圆筒22、搅拌器23、翻转支架24、电机25。实验圆筒21的侧壁开设有可视化窗口21a，旋转圆筒22设置在实验圆筒21的一端上且位于实验圆筒21内，旋转圆筒22的轴线与实验圆筒21的轴线平行(参见图3)。搅拌器23设置在实验圆筒21的另一端上且位于实验圆筒21内。实验圆筒21可转动地设置在翻转支架24上。旋转圆筒22和搅拌器23上均设有可与电机25同轴连接的连接件。

具体地，如图2a所示，当翻转实验圆筒21使搅拌器23位于旋转圆筒22的下方时，电机25通过连接件与搅拌器23同轴连接；如图2b所示，当翻转实验圆筒21使旋转圆筒22位于搅拌器23的下方时，电机25通过连接件与旋转圆筒22同轴连接。

需要说明的是，该评价装置通过电机25驱动旋转圆筒22转动，带动实验圆筒21内的泡沫压裂液流动，实现泡沫压裂液处于流动状态。同时结合图2a、图2b、以及图3，旋转圆筒22的轴线与实验圆筒21的轴线平行，旋转圆筒22的侧壁与相对的实验圆筒21的侧壁之间的距离范围为(R-r-m)～(R-r+m)，实验圆筒21中的泡沫压裂液的剪切速率范围为[n*r/(R-r+m)]～[n*r/(R-r-m)]，实现泡沫压裂液的剪切速率在一定范围内变化。其中，R为实验圆筒的内径，r为旋转圆筒的外径，m为旋转圆筒22的轴线与实验圆筒21的轴线的间距，n为旋转圆筒22的转速。综上所述，本实施例提供的评价装置可以模拟出注入油层的泡沫压裂液的实际情况，因此可以用于准确评价泡沫压裂液在油层中的携砂性能。

在实际应用中，可以根据实际需要调整旋转圆筒22的轴线与实验圆筒21的轴线的间距，进而调整旋转圆筒22与实验圆筒21在横截面上的间距范围，达到使实验圆筒21中的泡沫压裂液的剪切速率范围满足实际情况的要求。

具体地，实验圆筒21的内部高度可以为20～40cm，实验圆筒21的内径可以为5～15cm，实验圆筒21的容积可以为1500～30000mL。旋转圆筒22的外部高度可以为10～30cm，旋转圆筒22的外径可以为3～12cm。实验证明，选择满足前述尺寸范围的实验圆筒和旋转圆筒，一方面可以达到泡沫压裂液在油层中的剪切速率的范围要求，另一方面占地面积小、操作简单、易于广泛应用。

具体地，实验圆筒21可以采用耐温耐压的材料，如陶瓷、石棉。

具体地，电机25可以为可变速电动机，可同时满足搅拌器23和旋转圆筒22不同的转速要求，使搅拌器23和旋转圆筒22共用一个电机，降低装置成本，节省装置空间。

具体地，翻转支架24可以采用不锈钢材料，稳定性好，而且采用常用材料，成本低。

可选地，参见图2a和图2b，旋转圆筒22不与实验圆筒21连接的端面为球面，沉降在该端面上的支撑剂在重力的作用下会沿着球面的轮廓从中心向边缘移动，防止支撑剂沉降在旋转圆筒22的端面上。

在本实施例的一种实现方式中，翻转支架24可以包括底座24a、一对支撑杆24b和固定杆24c，一对支撑杆24b固定在底座24a上，固定杆24c的两端分别与一对支撑杆24b固定连接，固定杆24c可转动地插设于实验圆筒21中且与实验圆筒21的轴线垂直，结构简单，易于搭建。

在本实施例的另一种实现方式中，供气单元1可以包括沿气体流动方向依次连接的气瓶11、减压阀12、气体流量计13、单流阀14。容易知道，气瓶11、减压阀12、气体流量计13、单流阀14之间采用管路连接。其中，气瓶11用于提供气体，减压阀12用于控制注入实验圆筒中的气体流量，气体流量计13用于确定注入实验圆筒中的气体流量，单流阀14用于避免气体倒流。

具体地，气瓶11可以为CO₂气瓶或N₂气瓶，使泡沫压裂液中形成常用的CO₂泡沫或N₂泡沫，满足泡沫压裂液的起泡要求。

可选地，供气单元1还可以包括设置在减压阀12和气体流量计13之间的背压阀15，以保持注入实验圆筒中的气体压力恒定。

在本实施例的又一种实现方式中，加热单元3可以包括套设在实验圆筒21外的电热套，模拟泡沫压裂液注入油层的过程中温度逐渐升高的环境，实现简单方便。

在本实施例的又一种实现方式中，加热单元3可以包括缠绕在实验圆筒21的侧壁上的水管、以及向水管内供应流动热水的加热器，水管的两端分别与加热器连通，模拟泡沫压裂液注入油层的过程中温度逐渐升高的环境，实现成本低。

在本实施例的又一种实现方式中，可视化窗口21a上可以标有刻度，以确定实验圆筒21中的泡沫压裂液的体积。

在本实施例的又一种实现方式中，该评价装置还可以包括相对可视化窗口21a设置的微观摄像机41、以及与微观摄像机41电连接的计算机42。其中，微观摄像机41用于拍摄支撑剂在泡沫压裂液中的沉降过程，计算机42用于根据微观摄像机41拍摄的图像分析泡沫压裂液的携砂性能。

优选地，该评价装置还可以包括设置在实验圆筒21的侧壁上的温度压力传感器43，温度压力传感器43与计算机42电连接，以便于计算机42监控实验圆筒21内的温度和压力。

本发明实施例通过与旋转圆筒同轴连接的电机驱动旋转圆筒转动，带动位于实验圆筒和旋转圆筒之间的泡沫压裂液流动，同时旋转圆筒轴线与实验圆筒的轴线平行，旋转圆筒的侧壁与相对的实验圆筒的侧壁之间的距离在不同的方向上是不同的，进而泡沫压裂液的剪切速率在一定范围内变化，与注入油层的泡沫压裂液的实际情况相符，能准确评价泡沫压裂液在油层中的携砂性能。而且通过与搅拌器同轴连接的电机驱动搅拌器转动，使实验圆筒中的泡沫压裂液和气体均匀混合和接触，泡沫压裂液充分起泡，进一步提高评价泡沫压裂液在油层中的携砂性能的准确性。另外，通过翻转支架翻转实验圆筒，分别设置在实验圆筒两端的搅拌器和旋转圆筒共用一个电机，大大节省了装置占用空间，降低装置成本，操作简单，可广泛应用。

实施例三

本发明实施例提供了一种泡沫压裂液携砂性能的评价方法，采用实施例一或实施例二提供的评价装置实现，参见图4，该评价方法包括：

步骤101：在旋转圆筒的轴线与实验圆筒的轴线平行的情况下，调整旋转圆筒的轴线和实验圆筒的轴线的间距。

步骤102：向实验圆筒中加入泡沫压裂液和支撑剂并通入起泡气体，排空实验圆筒内的气体。

步骤103：采用供气单元向实验圆筒中注入起泡气体，并采用加热单元对实验圆筒进行加热。

步骤104：将电机与搅拌器同轴连接，采用电机驱动搅拌器转动，使泡沫压裂液起泡。

步骤105：通过翻转支架翻转实验圆筒，将电机与旋转圆筒同轴连接，采用电机驱动旋转圆筒转动，带动实验圆筒中的泡沫压裂液流动。

步骤106：通过可视化窗口获取支撑剂在泡沫压裂液中的沉降情况，分析出泡沫压裂液的携砂性能。

本发明实施例通过采用电机驱动旋转圆筒转动，带动实验圆筒中的泡沫压裂液流动，同时旋转圆筒轴线与实验圆筒的轴线平行，旋转圆筒的侧壁与相对的实验圆筒的侧壁之间的距离在不同的方向上是不同的，进而泡沫压裂液的剪切速率在一定范围内变化，与注入油层的泡沫压裂液的实际情况相符，能准确评价泡沫压裂液在油层中的携砂性能。

实施例四

本发明实施例提供了一种泡沫压裂液携砂性能的评价方法，是实施例三提供的评价方法的具体实现，参见图5，该评价方法包括：

步骤201：在旋转圆筒的轴线与实验圆筒的轴线平行的情况下，调整旋转圆筒的轴线和实验圆筒的轴线的间距。

如实施例一或实施例二所述，调整旋转圆筒的轴线和实验圆筒的轴线的间距，可以最终调整实验圆筒中的泡沫压裂液的剪切速率范围，以满足实际情况。

步骤202：向实验圆筒中加入泡沫压裂液和支撑剂并通入起泡气体，排空实验圆筒内的气体。

可以理解地，随着起泡气体、泡沫压裂液和支撑剂加入实验圆筒中，实验圆筒内的气体随之被排出。具体地，先向实验圆筒中加入泡沫压裂液和支撑剂，排出实验圆筒内的气体，再向实验圆筒中通入起泡气体，直到排空实验圆筒内的气体。

在具体实现中，起泡气体、泡沫压裂液和支撑剂的用量可以根据旋转圆筒和实验圆筒的尺寸确定。例如，泡沫压裂液的用量等于实验圆筒的体积与旋转圆筒的体积的差值，支撑剂的用量等于泡沫压裂液的用量与设定比例(即支撑剂的浓度)的乘积。起泡气体的通入量＝(实验圆筒的体积-旋转圆筒的体积-泡沫压裂液和支撑剂的体积)×2。

具体地，支撑剂的浓度可以为100～800kg/m³。

步骤203：采用供气单元向实验圆筒中注入起泡气体，并采用加热单元对实验圆筒进行加热。

在具体实现中，起泡气体的流量可以根据泡沫压裂液的用量、泡沫比例确定。例如，气体的流量等于泡沫压裂液的用量与泡沫体积的比例的乘积。

具体地，泡沫体积的比例可以为50％～90％。

具体地，采用供气单元向实验圆筒中注入起泡气体，可以包括：

打开减压阀，气瓶中的气体通过气体流量计注入实验圆筒；

当通过气体流量计确定气体通入总量达到设定值时，关闭减压阀。

步骤204：将电机与搅拌器同轴连接，采用电机驱动搅拌器转动，使泡沫压裂液起泡。

具体地，搅拌器的转速可以为500～2000rpm，如500rpm。

具体地，搅拌器的转动时间可以为1～2min。

步骤205：通过翻转支架翻转实验圆筒，将电机与旋转圆筒同轴连接，采用电机驱动旋转圆筒转动，带动实验圆筒中的泡沫压裂液流动。

具体地，旋转圆筒的转速可以为50～600rpm。

步骤206：通过可视化窗口获取泡沫压裂液的起泡情况，分析出起泡剂的性能。

具体地，泡沫压裂液的起泡情况可以包括起泡体积、泡沫形态、泡沫体积变化大小。

可以理解地，起泡体积越大、泡沫形态越均匀、泡沫体积变化越小，起泡剂性能越好。

步骤207：通过可视化窗口获取支撑剂在泡沫压裂液中的沉降情况，分析出泡沫压裂液的携砂性能。

具体地，沉降情况可以包括沉降速率、沉降距离、沉降时间。

可以理解地，沉降速率越慢、沉降距离越长、沉积时间越长，携砂性能越好。

在具体实现中，在支撑剂完全沉降后，关闭加热单元，待实验圆筒的温度降低后，泄压、清理仪器。

本发明实施例通过采用电机驱动旋转圆筒转动，带动实验圆筒中的泡沫压裂液流动，同时旋转圆筒轴线与实验圆筒的轴线平行，旋转圆筒的侧壁与相对的实验圆筒的侧壁之间的距离在不同的方向上是不同的，进而泡沫压裂液的剪切速率在一定范围内变化，与注入油层的泡沫压裂液的实际情况相符，能准确评价泡沫压裂液在油层中的携砂性能。而且通过采用电机驱动搅拌器转动，使实验圆筒中的泡沫压裂液和气体均匀混合和接触，泡沫压裂液充分起泡，进一步提高评价泡沫压裂液在油层中的携砂性能的准确性。另外，通过翻转支架翻转实验圆筒，分别设置在实验圆筒两端的搅拌器和旋转圆筒共用一个电机，实现成本低，操作简单，可广泛应用。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种泡沫压裂液携砂性能的评价装置，所述评价装置包括供气单元、与所述供气单元连通的处理单元、以及设置在所述处理单元上的加热单元，其特征在于，所述处理单元包括实验圆筒、旋转圆筒、搅拌器、翻转支架、电机；所述实验圆筒的侧壁开设有可视化窗口；所述旋转圆筒设置所述实验圆筒的一端上且位于所述实验圆筒内，所述旋转圆筒的轴线与所述实验圆筒的轴线平行；所述搅拌器设置在所述实验圆筒的另一端上且位于所述实验圆筒内；所述实验圆筒可转动地设置在所述翻转支架上；所述旋转圆筒和所述搅拌器上均设有可与所述电机同轴连接的连接件。

2.根据权利要求1所述的评价装置，其特征在于，所述翻转支架包括底座、一对支撑杆和固定杆，所述一对支撑杆固定在所述底座上，所述固定杆的两端分别与所述一对支撑杆固定连接，所述固定杆可转动地插设于所述实验圆筒中且与所述实验圆筒的轴线垂直。

3.根据权利要求1所述的评价装置，其特征在于，所述供气单元包括沿气体流动方向依次连接的气瓶、减压阀、气体流量计、单流阀。

4.根据权利要求1所述的评价装置，其特征在于，所述供气单元还包括设置在所述减压阀和所述气体流量计之间的背压阀。

5.根据权利要求1所述的评价装置，其特征在于，所述加热单元包括套设在所述实验圆筒外的电热套。

6.根据权利要求1所述的评价装置，其特征在于，所述加热单元包括缠绕在所述实验圆筒的侧壁上的水管、以及向所述水管内供应流动热水的加热器，所述水管的两端分别与所述加热器连通。

7.根据权利要求1所述的评价装置，其特征在于，所述评价装置还包括相对所述可视化窗口设置的微观摄像机、以及与所述微观摄像机电连接的计算机。

8.根据权利要求7所述的评价装置，其特征在于，所述评价装置还包括设置在所述实验圆筒的侧壁上的温度压力传感器，所述温度压力传感器与所述计算机电连接。

9.根据权利要求1所述的评价装置，其特征在于，所述可视化窗口上标有刻度。

10.一种泡沫压裂液携砂性能的评价方法，采用如权利要求1-9任一项所述的评价装置实现，其特征在于，所述评价方法包括：

在旋转圆筒的轴线与实验圆筒的轴线平行的情况下，调整所述旋转圆筒的轴线和所述实验圆筒的轴线的间距；

向所述实验圆筒中加入泡沫压裂液和支撑剂并通入起泡气体，排空所述实验圆筒内的气体；

采用供气单元向所述实验圆筒中注入起泡气体，并采用加热单元对所述实验圆筒进行加热；

将电机与搅拌器同轴连接，采用电机驱动搅拌器转动，使所述泡沫压裂液起泡；

通过翻转支架翻转所述实验圆筒，将所述电机与所述旋转圆筒同轴连接，采用所述电机驱动所述旋转圆筒转动，带动所述实验圆筒中的所述泡沫压裂液流动；

通过可视化窗口获取所述支撑剂在所述泡沫压裂液中的沉降情况，分析所述泡沫压裂液的携砂性能。