CN107387075A - 一种用于观测煤储层压裂过程中支撑剂运移装置 - Google Patents

Abstract

一种用于观测煤储层压裂过程中支撑剂运移装置，包括储层模拟系统、围压加载系统、压裂液泵注系统、数据采集与分析系统和废料处理系统，压裂液泵注系统与储层模拟系统的进液口连接，废料处理系统与储层模拟系统的出液口连接；本发明针对目前不同压裂施工排量、支撑剂浓度、液量、煤储层裂隙发育下压裂后支撑剂在煤层裂隙通道内的分布情况不明，无法有效指导现场压裂设计的难题，设计出一种模拟不同煤储层裂隙发育程度、不同泵注参数下压裂过程中支撑剂运移铺置的可视化装置。该装置可以清晰观察到不同条件压裂后支撑剂的铺置情况，以期为现场压裂设计提供实验依据。

Description

一种用于观测煤储层压裂过程中支撑剂运移装置

技术领域

本发明属于煤储层开发生产技术领域，具体涉及一种用于观测煤储层压裂过程中支撑剂运移装置。

背景技术

煤层气主要以吸附状态赋存在煤层中。煤储层是由基质孔隙和裂隙组成的双重孔裂隙岩层，孔裂隙的形状、大小以及连通性等决定了煤层气的储集和运移。因我国煤储层原始裂隙不发育，要开发赋存在煤层中的煤层气，就必须对煤储层进行改造。为了防止改造后的裂缝闭合，需添加一定量的支撑剂支撑裂缝。煤层所处应力状态、煤层本身裂隙发育状况、煤岩力学性质、泵注时的排量大小、支撑剂粒径等差异都造成改造过程中支撑剂沉降规律、有效支撑长度、厚度及形态的不同，而这些不同导致煤储层改造效果的差异，最终决定着煤层气井的产气量。

为了研究压裂过程中支撑剂在煤储层中的运移状况，国内外一些研究者通过制作了一个箱状容器，在容器的一侧钻几个孔眼模拟压裂煤层的孔，通过泵把液体和支撑剂注入到箱状容器，看支撑剂的运移规律，因无法较真实的模拟煤储层裂隙及所受应力状态，模拟结果与实际存在一定的出入。一些研究者通过平板中来模拟单条裂缝，通过改变支撑剂的铺置浓度、支撑剂颗粒大小来测试其导流能力，无法较真实的模拟出压裂过程中支撑剂的铺置情况，指导现场压裂存在一定的局限。一些研究者通过平板改变裂隙宽度，通过泵把支撑剂注入平板模具中，测试注入前、后渗透率变化，对压裂设计有一定的指导意义，但该装置没有考虑压裂时裂缝的摩擦阻力和局部阻力，当现场摩阻较大时造成支撑剂铺置结果与实际出入较大，影响压裂设计结果。因此亟需研制一种装置，既能较好的模拟煤储层裂隙发育状况，同时又能查明不同液量、支撑剂浓度、排量等压裂泵注参数下支撑剂在其中的铺置情况，以便为现场压裂施工提供可靠的保障。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种结构简单、操作方便、能够模拟煤储层裂隙发育状况、同时又能清楚的观察到支撑剂转移情况的用于观测煤储层压裂过程中支撑剂运移装置。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种用于观测煤储层压裂过程中支撑剂运移装置，包括储层模拟系统、围压加载系统、压裂液泵注系统、数据采集与分析系统和废料处理系统，压裂液泵注系统与储层模拟系统的进液口连接，废料处理系统与储层模拟系统的出液口连接，围压加载系统与储层模拟系统的围压加载端连接，数据采集与分析系统与储层模拟系统数据连接。

储层模拟系统包括圆筒形的储层模拟筒，假定储层模拟筒的中心线沿左右水平方向设置，储层模拟筒的筒壁为三层结构，储层模拟筒的最外层筒壁由人造金刚石制成，储层模拟筒的中间层筒壁与最内层筒壁均由透明橡胶制成，储层模拟筒的最外层筒壁与中间层筒壁之间形成水压腔室，储层模拟筒的中间层筒壁与最内层筒壁之间形成气压腔室，储层模拟筒上安装有用于检测气压腔室内的压力的压力传感器，储层模拟筒的最内侧筒壁合围成圆筒形的安装腔室，安装腔室内安装有煤岩裂隙模拟机构；

煤岩裂隙模拟机构包括透明模拟煤样，透明模拟煤样内沿轴向方向开设有若干条主裂缝，透明模拟煤样内开设有若干条次裂缝，其中部分次裂缝与主裂缝连通，透明模拟煤样内开设有若干个滤失孔眼，其中部分滤失孔眼设置在主裂缝和次裂缝的缝壁上，每个滤失孔眼处均安装有孔眼调节阀，主裂缝和次裂缝的缝壁上布设有摩擦凸块；

压裂液泵注系统的出液口与所有的主裂缝左侧口连接，废液处理系统的进液口与所有的主裂缝的右侧口连接，围压加载系统分别与气压腔室和水压腔室连接，数据采集与分析系统通过数据线或无线信号传输分别与压力传感器以及所有的孔眼调节阀连接。

围压加载系统包括水池、防爆柜和加压气箱，水池上连接有注水管，注水管上设有注水阀，水池分别通过第一补水管和第二补水管与水压腔室连接，第一补水管上设有第一补水泵和第一补水阀，第二补水管上设有第二补水泵和第二补水阀；防爆柜上设有防爆铃和防爆开关，防爆柜通过第一气管与加压气箱的进气口连接，第一气管上设有气动球阀、第一阀门和第一压力表，加压气箱的出气口通过第二气管与气压腔室连通，第二气管上设有第二阀门和第二压力表；防爆柜内设有空压机和氮气罐，空压机和氮气罐分别通过支管与第一气管的进气口连接。

压裂液泵注系统包括压裂液箱体和搅拌箱，压裂液箱体通过第一压裂管与搅拌箱连接，第一压裂管上设有压裂泵和第三阀门，搅拌箱上安装有搅拌机构，搅拌箱连接有第二压裂管，第二压裂管上沿液体流动方向依次设有半圆球阀和加压泵，第二压裂管的出液口通过若干只压裂支管与所有的主裂缝左侧口连接。

废料处理系统包括收集池，主裂缝的右侧口通过回收管道与收集池连接，回收管道上设有流量计。

透明模拟煤样包括若干有机板，若干有机板上下并排设置且相邻的有机板通过有机黏胶粘结，每块有机板包括存放框，存放框内安装有若干块有机玻璃，有机玻璃左右并排设置，相邻的有机玻璃通过有机黏胶粘结。

用于观测煤储层压裂过程中支撑剂运移装置中煤岩裂隙模拟机构的制作方法，包括以下步骤：

（1）利用3ds Max根据实际需要生成透明模拟煤样模型，并导出STL文件； （2）将生成的STL文件导入到逆向工程软件Geomagic Studio，利用该逆向工程软件对模型进行修补和实体化操作，将完善后的模型另存为IGES文件； （3）将生成的IGES文件导入SolidWorks，对修复后的模型进行切片处理，该切片即有机玻璃，并将切片后的模型进行拉伸操作，生成透明模拟煤样离散模型； （4）对离散的切片进行优化，使之满足安装、定位需求，并生成工程图；（5）将生成的工程图导入到线切割机床中，生成各切片外形的线切割程序： （6）操控线切割机床加工透明模拟煤样模型预设置的若干个切片，完成切削外形的需求，同时完成定位孔的加工； （7）组装切片并通过有机黏胶粘结在一起，最终生成为透明模拟煤样模型。

采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：本发明主要包括储层模拟系统、围压加载系统、压裂泵注系统、数据采集与分析系统、废料处理系统等，其中储层模拟系统主要由透明有机材料、储层主次裂缝模拟系统、有机边框、摩擦体等组成，主要用来模拟煤储层裂隙发育程度及不同裂隙发育煤层的组合，是本装置的核心部件之一。围压加载系统通过气压、水压来模拟储层围压，以便较真实的模拟储层所受应力环境。压裂泵注系统主要通过电动搅拌机、搅拌杆、压裂液管、圆形铬桶、加压泵组成。数据采集与分析系统是利用传感器、相机和电脑等装置来实时采集各种数据，并对数据进行分析。废料处理系统通过缓存容器、收集池和一些连接管路来收集废弃残渣，维持清洁保护环境之用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中I处的放大图；

图3是储层模拟筒的侧视图；

图4是透明模拟煤样的结构示意图。

具体实施方式

如图1-4所示，本发明的用于观测煤储层压裂过程中支撑剂运移装置，包括储层模拟系统A、围压加载系统B、压裂液泵注系统C、数据采集与分析系统D和废料处理系统E，压裂液泵注系统C与储层模拟系统A的进液口连接，废料处理系统E与储层模拟系统A的出液口连接，围压加载系统B与储层模拟系统A的围压加载端连接，数据采集与分析系统D与储层模拟系统A数据连接。

储层模拟系统A包括圆筒形的储层模拟筒1，假定储层模拟筒1的中心线沿左右水平方向设置，储层模拟筒1的筒壁为三层结构，储层模拟筒1的最外层筒壁与中间层筒壁之间形成水压腔室2，储层模拟筒1的中间层筒壁与最内层筒壁之间形成气压腔室3，储层模拟筒1上安装有用于检测气压腔室3内的压力的压力传感器4，储层模拟筒1的最内侧筒壁合围成圆筒形的安装腔室，安装腔室内安装有煤岩裂隙模拟机构；

煤岩裂隙模拟机构包括透明模拟煤样6，透明模拟煤样6内沿轴向方向开设有若干主裂缝7，透明模拟煤样6内开设有若干次裂缝8，其中部分次裂缝8与主裂缝7连通，透明模拟煤样6内开设有若干滤失孔眼9，其中部分滤失孔眼9设置在主裂缝7和次裂缝8的缝壁上，每个滤失孔眼9处均安装有孔眼调节阀10，主裂缝7和次裂缝8的缝壁上布设有摩擦凸块11；

压裂液泵注系统C的出液口与所有的主裂缝7左侧口连接，废液处理系统的进液口与所有的主裂缝7的右侧口连接，围压加载系统B分别与气压腔室3和水压腔室2连接，数据采集与分析系统D通过数据线或无线信号传输分别与压力传感器4以及所有的孔眼调节阀10连接。

围压加载系统B包括水池12、防爆柜13和加压气箱14，水池12上连接有注水管15，注水管15上设有注水阀16，水池12分别通过第一补水管17和第二补水管18与水压腔室2连接，第一补水管17上设有第一补水泵19和第一补水阀20，第二补水管18上设有第二补水泵21和第二补水阀22；防爆柜13上设有防爆铃23和防爆开关24，防爆柜13通过第一气管25与加压气箱14的进气口连接，第一气管25上设有气动球阀26、第一阀门27和第一压力表28，加压气箱14的出气口通过第二气管29与气压腔室3连通，第二气管29上设有第二阀门30和第二压力表31；防爆柜13内设有空压机32和氮气罐33，空压机32和氮气罐33分别通过支管与第一气管25的进气口连接。

压裂液泵注系统C包括压裂液箱体34和搅拌箱35，压裂液箱体34通过第一压裂管36与搅拌箱35连接，第一压裂管36上设有压裂泵37和第三阀门38，搅拌箱35上安装有搅拌机构39，搅拌箱35连接有第二压裂管40，第二压裂管40上沿液体流动方向依次设有半圆球阀41和加压泵42，第二压裂管40的出液口通过若干只压裂支管43与所有的主裂缝7左侧口连接。

废料处理系统E包括收集池44，主裂缝7的右侧口通过回收管道与收集池44连接，回收管道上设有流量计45。

透明模拟煤样6包括若干有机板46，若干有机板46上下并排设置且相邻的有机板46通过有机黏胶粘结，每块有机板46包括存放框47，存放框47内安装有若干块有机玻璃48，有机玻璃48左右并排设置，相邻的有机玻璃48通过有机黏胶粘结。

本装置在具体进行煤储层压裂实验时，压裂液以及支撑剂形成压裂混合液并存储于压裂液箱体34内，支撑剂一般选用20-40目的石英砂或陶粒，启动压裂泵37并打开第三阀门38，在压裂泵37的作用下，压裂液箱体34内的压裂混合液经第一压裂管36进入搅拌箱35，启动搅拌箱35上的搅拌机构39，本实施例中搅拌机构39为电机和搅拌杆，通过电机带动搅拌杆对搅拌箱35内的压裂混合液进行搅拌，使得压裂液和支撑剂混合均匀；

接着模拟储层压力，根据现场累计产水量为零时的井底流压确定研究区储层压力，通过空压机32和氮气罐33向加压气箱14内冲入气压稍大于储层压力的气体，可以观察第一气管25上的第一压力表28来确定加压气箱14内的压力，之后关闭空压机32、氮气罐33、气动球阀26和第一阀门27，打开第二阀门30，加压气箱14通过第二气管29向气压腔室3内注入气体，通过第二压力计来确定气压值，保证气压值略小于储层压力；然后通过第一补水泵19和第二补水泵21将水池12内的水冲入水压腔室2，最后由压力传感器4将水压腔室2内的压力值传输给电脑，电脑显示的压力值等于储层压力时可以进行压裂液压入主裂缝7实验；整个过程中防爆柜13上的防爆开关24处于打开状态；

启动打开半圆球阀41加压泵42，在加压泵42给其加压，最终搅拌箱35内的压裂混合液在加压泵42的作用下射入主裂缝7中；通过滤失孔眼9、收集池44和流量计45计算压裂液滤失情况；模拟支撑剂运移实验完成之后，将透明模拟煤样6取出，并用自来水进行清洗，清洗后的污水注入收集池44内，最后统一处理污水。

另外本发明中煤岩裂隙模拟机构的制作方法如下：

（1）利用3ds Max根据实际需要生成透明模拟煤样模型，并导出STL文件； （2）将生成的STL文件导入到逆向工程软件Geomagic Studio，利用该逆向工程软件对模型进行修补和实体化操作，将完善后的模型另存为IGES文件； （3）将生成的IGES文件导入SolidWorks，对修复后的模型进行切片处理，该切片即有机玻璃，并将切片后的模型进行拉伸操作，生成透明模拟煤样离散模型； （4）对离散的切片进行优化，使之满足安装、定位需求，并生成工程图；（5）将生成的工程图导入到线切割机床中，生成各切片外形的线切割程序： （6）操控线切割机床加工透明模拟煤样模型预设置的若干个切片，完成切削外形的需求，同时完成定位孔的加工； （7）组装切片并通过有机黏胶粘结在一起，最终生成为透明模拟煤样模型。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于观测煤储层压裂过程中支撑剂运移装置，其特征在于：包括储层模拟系统、围压加载系统、压裂液泵注系统、数据采集与分析系统和废料处理系统，压裂液泵注系统与储层模拟系统的进液口连接，废料处理系统与储层模拟系统的出液口连接，围压加载系统与储层模拟系统的围压加载端连接，数据采集与分析系统与储层模拟系统数据连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于观测煤储层压裂过程中支撑剂运移装置，其特征在于：储层模拟系统包括圆筒形的储层模拟筒，假定储层模拟筒的中心线沿左右水平方向设置，储层模拟筒的筒壁为三层结构，储层模拟筒的最外层筒壁由人造金刚石制成，储层模拟筒的中间层筒壁与最内层筒壁均由透明橡胶制成，储层模拟筒的最外层筒壁与中间层筒壁之间形成水压腔室，储层模拟筒的中间层筒壁与最内层筒壁之间形成气压腔室，储层模拟筒上安装有用于检测气压腔室内的压力的压力传感器，储层模拟筒的最内侧筒壁合围成圆筒形的安装腔室，安装腔室内安装有煤岩裂隙模拟机构；

煤岩裂隙模拟机构包括透明模拟煤样，透明模拟煤样内沿轴向方向开设有若干条主裂缝，透明模拟煤样内开设有若干条次裂缝，其中部分次裂缝与主裂缝连通，透明模拟煤样内开设有若干个滤失孔眼，其中部分滤失孔眼设置在主裂缝和次裂缝的缝壁上，每个滤失孔眼处均安装有孔眼调节阀，主裂缝和次裂缝的缝壁上布设有摩擦凸块；

压裂液泵注系统的出液口与所有的主裂缝左侧口连接，废液处理系统的进液口与所有的主裂缝的右侧口连接，围压加载系统分别与气压腔室和水压腔室连接，数据采集与分析系统通过数据线或无线信号传输分别与压力传感器以及所有的孔眼调节阀连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于观测煤储层压裂过程中支撑剂运移装置，其特征在于：围压加载系统包括水池、防爆柜和加压气箱，水池上连接有注水管，注水管上设有注水阀，水池分别通过第一补水管和第二补水管与水压腔室连接，第一补水管上设有第一补水泵和第一补水阀，第二补水管上设有第二补水泵和第二补水阀；防爆柜上设有防爆铃和防爆开关，防爆柜通过第一气管与加压气箱的进气口连接，第一气管上设有气动球阀、第一阀门和第一压力表，加压气箱的出气口通过第二气管与气压腔室连通，第二气管上设有第二阀门和第二压力表；防爆柜内设有空压机和氮气罐，空压机和氮气罐分别通过支管与第一气管的进气口连接。

4.根据权利要求2所述的一种用于观测煤储层压裂过程中支撑剂运移装置，其特征在于：压裂液泵注系统包括压裂液箱体和搅拌箱，压裂液箱体通过第一压裂管与搅拌箱连接，第一压裂管上设有压裂泵和第三阀门，搅拌箱上安装有搅拌机构，搅拌箱连接有第二压裂管，第二压裂管上沿液体流动方向依次设有半圆球阀和加压泵，第二压裂管的出液口通过若干只压裂支管与所有的主裂缝左侧口连接。

5.根据权利要求2所述的一种用于观测煤储层压裂过程中支撑剂运移装置，其特征在于：废料处理系统包括收集池，主裂缝的右侧口通过回收管道与收集池连接，回收管道上设有流量计。

6.根据权利要求2所述的一种用于观测煤储层压裂过程中支撑剂运移装置，其特征在于：透明模拟煤样包括若干有机板，若干有机板上下并排设置且相邻的有机板通过有机黏胶粘结，每块有机板包括存放框，存放框内安装有若干块有机玻璃，有机玻璃左右并排设置，相邻的有机玻璃通过有机黏胶粘结。

7.根据权利要求6所述的一种用于观测煤储层压裂过程中支撑剂运移装置，其特征在于：煤岩裂隙模拟机构的制作方法，包括以下步骤：

（1）利用3ds Max根据实际需要生成透明模拟煤样模型，并导出STL文件； （2）将生成的STL文件导入到逆向工程软件Geomagic Studio，利用该逆向工程软件对模型进行修补和实体化操作，将完善后的模型另存为IGES文件； （3）将生成的IGES文件导入SolidWorks，对修复后的模型进行切片处理，该切片即有机玻璃，并将切片后的模型进行拉伸操作，生成透明模拟煤样离散模型； （4）对离散的切片进行优化，使之满足安装、定位需求，并生成工程图；（5）将生成的工程图导入到线切割机床中，生成各切片外形的线切割程序： （6）操控线切割机床加工透明模拟煤样模型预设置的若干个切片，完成切削外形的需求，同时完成定位孔的加工； （7）组装切片并通过有机黏胶粘结在一起，最终生成为透明模拟煤样模型。