CN107905777A - 一种可视化水平井井筒滞砂实验评价装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一套可视化水平井井筒滞砂实验评价装置，包括搅拌系统、泵液系统、可视化水平井井筒滞砂装置、压裂液汇积系统、废液回收系统、信息控制系统；所述搅拌系统由搅拌电机、储液罐、液位计组成；所述泵液系统由压裂泵、压裂液管线、阀门、变频器组成；所述可视化水平井井筒滞砂装置由透明由机玻璃射孔管、射孔孔口、法兰接头、阀门、压差传感器组成，射孔孔口设计在有机玻璃管前后两侧，压差传感器分别安装在有机玻璃井筒进出口；所述压裂液汇积系统由空腔型刚性连接器、垫圈、出液管线组成；所述废液回收系统由废液罐，压裂管线阀门组成。本发明适用于研究水平井井筒中滞留下的支撑剂的铺置规律，可优化现场压裂施工参数。

Description

一种可视化水平井井筒滞砂实验评价装置

技术领域

本发明为压裂测试技术领域，尤其涉及一套可视化水平井井筒滞砂实验评价装置。

背景技术

进入21世纪以来，全球油气资源勘探开发技术取得了显著进步。针对低渗透、致密油气藏和非常规油气藏的开发，从经济性角度考虑，由于其油气藏特性，常规生产措施不能满足开发的需求。因此，针对此类油气藏正式生产前期，通常采用水力压裂或者酸化眼压裂等增产措施，增大泄油/气面积，提高采收率，以达到高产、稳产的目的，并最终取得最大效益。

在现场水力压裂施工中，施工程序大致为：1)前置液，该阶段主要形成人工裂缝，为造缝阶段；2)携砂液，携砂液进入到人工裂缝中，支撑剂在压裂液的携带作用下，向裂缝深部运移，为支撑剂充填阶段；3)后置液，后置液实质为不含支撑剂的压裂液，后置液的作用为将井筒和裂缝出时端的支撑剂顶替进入到裂缝中；4)返排，该过程为依靠裂缝闭合和地层压力的作用，将起携带支撑剂的压裂液返排到地面。影响水力压裂增产效果因素有：造缝长度、支撑剂铺置形态、支撑剂铺置距离、支撑剂性能和压裂施工规模等。其中，四个施工程序前后互相衔接，前一个施工程序直接影响到后一施工程序的规模。目前国内外，针对支撑剂在裂缝中的沉降规律，研发出的相关装置已经很先进，理论也十分成熟。但是，当前采用的套管固井+射孔完井+分段分簇射孔技术下，众所周知，在压裂环节中，不同的施工条件下，携砂液在进入裂缝的同时，支撑剂在水平井井筒中也会随之沉降，支撑剂滞留在井筒中，并形成一定形态的砂堤。支撑剂在井筒中的沉降影响到顶替液的顶替规模，还会增加施工难度。该部分支撑剂在携砂液泵入阶段，在井筒滞留形成规律及规模等问题有待深入研究，具有重要的意义。

为了更准确地接近现场的实际施工特征，在进行支撑剂滞留评价过程中，一般要设置一套与井筒参数、地层裂缝特征相近的装置来研究支撑剂滞留规律，通过实验室研究，可以对现场水力压裂施工提供建议。根据相似准则，设计出一套可视化水平井井筒滞砂实验评价装置，就不同施工条件下，对支撑剂在水平井井筒滞留规律展开研究。但目前，尚无任何实验设备能够满足这方面的需求。

发明内容

针对上述问题，本发明专利利用相似准则设计了一套贴切实际地层特性的可视化水平井井筒滞砂实验评价装置。其结构简单、连接简便、模块化，能够满足水力压裂实验中对井筒的支撑剂滞留规律进行实验评价。

本发明的技术方案如下：

一种可视化水平井筒滞砂实验评价装置，包括搅拌系统、泵液系统、可视化水平井井筒滞砂单元、压裂液汇积系统、废液回收系统、信息控制系统；

所述搅拌系统由搅拌电机、储液罐、压差式液位计组成；搅拌电机安装于储液罐正上方，其下设有伸入储液罐的叶片搅拌器，压差式液位计安装于储液罐左侧端面，压差式液位计底部与储液罐底面平齐；

所述泵液系统由压裂螺杆泵、常规管线、压裂管线、蝶阀、波纹管、井筒根部组成；常规管线从储液罐下方连接到压裂螺杆泵，再通过压裂螺杆泵连接到压裂管线，蝶阀设置于常规管线中，波纹管通过法兰连接到压裂管线的另一端，波纹管让装置的倾斜角在60°-90°变化，模拟不同倾斜角的井况，波纹管底部连接有一小段管线，作为井筒根部。

所述可视化水平井井筒滞砂单元由水平井筒、压差传感器、法兰底座、螺栓、法兰接头、封闭法兰盘组成；水平井筒两端设有法兰接头，一端的法兰接头连接到设置于井筒根部上的法兰底座，法兰底座和法兰接头上都有4个孔，并通过螺栓连接；法兰底座内部设有内螺纹，水平井筒外部设有与其配合的外螺纹，法兰底座与水平井筒以此连接，并在内螺纹和外螺纹之间缠绕两层生胶带；水平井筒的包括有机玻璃圆管和压差传感器，有机玻璃圆管上设有多个射孔孔眼，压差传感器分别连接在水平井筒的两侧；水平井筒的另一端法兰接头连接到封闭法兰盘，封闭法兰盘结构与法兰接头相同，也由法兰、O型胶垫、螺栓组成，起到截流的作用；

压裂液汇积系统由刚性空腔型连接器、O型胶垫、排液管线组成，刚性空腔型连接器连接到每一簇射孔孔眼，并将射孔孔眼排出的压裂液汇集到空腔，然后通过前后两组排液管线进入到下一级可视化支撑剂铺置装置中；刚性空腔型连接器由两个腔室组成，上下两侧被在接触点设置的金属片隔离；

废液回收系统由排液管线及储液罐组成，实验后的废液经过废液回收系统回收处理，经处理达标后再排放；

信息控制系统由变频器、电源开关、计算机、摄像头、急停开关、适配器组成，并且电源开关、计算机、急停开关、适配器都集成在设置于外部的控制柜中，信息控制系统通过变频器控制压裂液配置是的搅拌速率，压裂泵的排量，通过摄像头实时监测实验现象，经过计算机处理分析，得出实验结果。

所述有机玻璃圆管内径为120mm，外径为140mm，长度为500mm，射孔孔眼采用3簇射孔，射孔孔眼呈不同相位角分布，相位角为0°、60°、90°、180°，并采用螺旋布孔方式，根据不同实验情况，射孔孔眼直径分别为10/12/14mm这三种，3簇射孔孔眼分布在有机玻璃圆管上，两端的射孔孔眼与有机玻璃圆管前后端的间距均为150mm，第一簇射孔孔眼的中心孔眼分布在与有机玻璃圆管最接近端150mm位置，第二簇射孔孔眼的中心孔眼分布在250mm位置，第三簇射孔孔眼的中心孔眼分布在350mm位置，压力传感器为单法兰压力传感器，压力测量范围为0KPa～2.5MPa，温度测量范围为-45℃～+125℃，两套传感器分别安装在有机玻璃水平圆管的前后两端，用于实时测量水平井筒压力变化。

所述法兰底座为不锈钢材质，最大直径为180mm。

所述法兰底座和所述法兰接头上都设有法兰加强杆，其为沿着法兰盘外侧设置的一圈横向的金属杆，并在法兰相对的另一侧设有用于放置法兰加强杆的孔，连接后提高了法兰圆盘的强度。

所述螺栓的型号为M10，长度35±6mm，螺帽直径16mm；

O形垫圈采用耐磨性、耐酸、耐老化的橡胶材质，中间环形直径120mm，外侧最大直径140mm，O型垫圈上端设计有5×10mm余料。

所述刚性空腔型连接器的腔室最小直径为140mm，最大直径为150mm。

采用上述可视化水平井井筒滞砂实验评价装置进行实验时，具体实验步骤及方法如下：

1)根据给的地质资料进行压裂液优化设计，优选实验排量、压裂液支撑剂及目数，调整装置参数；

2)计算好实验时所需的各类添加剂的量，支撑剂质量，前置液、携砂液、后置液使用量；

3)连接好实验装置，确认装置各阀门状态，检查装置清洁度，泵入清水确定工作状态并检查装置密封性；

4)在储液罐中装入实验所需的清水，打开搅拌器，量取实验所需的各类添加剂，称取实验时使用的支撑剂，配制压裂液；

5)实验时，开启高清摄像头，依次泵入前置液、携砂液、后置液；

6)观察支撑剂在水平井井筒中的滞留过程及现象，记录实验数据，拷贝实验图像；

7)实验后清洗装置，废液经达标后再排放。

本发明的优点在于：

通过设计出一种可视化水平井筒滞砂实验评价装置，通过更加真实的模拟地层的情况，尤其是井下射孔的各种不同排布模式，能更加真实有效的进行支撑剂滞留规律的研究，方便实验人员直观的观察到在不同情况下的携砂效果；所述孔眼的排布模式，结构尺寸，均是通过多次实验加以验证而得到的，是综合其实验的效果，以及前期加工的难度，做出的最优选择。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为3簇射孔、60°可视化水平井井筒支撑剂滞砂单元结构示意图；

图3为3簇射孔、180°相位角水平井井筒支撑剂滞砂单元结构正面示意图；

图4为3簇射孔、偏+30mm、180°相位角水平井井筒支撑剂滞砂单元结构正面示意图；

图5为3簇射孔、偏-30mm、、180°相位角水平井井筒支撑剂滞砂单元结构正面示意图；

图6为3簇射孔、偏+30mm、偏-30mm、3孔、60°相位角水平井井筒支撑剂滞砂单元结构正面示意图；

图7为3簇射孔、偏+50mm、180°相位角水平井井筒支撑剂滞砂单元结构正面示意图；

图8为3簇射孔、偏-50mm、180°相位角水平井井筒支撑剂滞砂单元结构正面示意图；

图9为3簇射孔、偏+50mm、偏-50mm、3孔、60°相位角水平井井筒支撑剂滞砂单元结构正面示意图；

图10为3簇射孔、螺旋式布孔、60°相位角水平井井筒支撑剂滞砂单元结构正面示意图；

图11为排液刚性空腔与滞砂装置水平井筒连接后结构侧面示意图；

图12为排液刚性空腔与滞砂装置水平井筒连接后结构正面示意图。

图中所示：

1为搅拌电机、2为储液罐、3为压差式液位计、4为阀门、5为压裂泵、6为注液管路、7为井筒根部、8为法兰、9为水平井筒、10为底部法兰、11为压力传感器、12为支撑架、13为摄像头、14为控制柜、15为法兰加强杆、16为法兰底座、17为螺栓、18为O型胶垫、19为法兰连接头、20为有机玻璃圆管、21为射孔孔眼、22为封闭法兰盘、23为环形胶垫、24为排液刚性空腔型连接器、25为出液管线、26为波纹管、27为水平井滞砂装置。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明做详细的说明，但不限于此。

如图1到图12所示，一种可视化水平井筒滞砂实验评价装置，包括搅拌系统、泵液系统、可视化水平井井筒滞砂单元、压裂液汇积系统、废液回收系统、信息控制系统；

所述搅拌系统由搅拌电机1、0～50L储液罐2、0～600mm压差式液位计3组成；搅拌电机1安装于储液罐2正上方，其下设有伸入储液罐2的叶片搅拌器，压差式液位计3安装于储液罐2左侧端面，压差式液位计3底部与储液罐2底面平齐；

所述泵液系统由6m³/min压裂螺杆泵5、常规管线、140mm管径的压裂管线6、蝶阀4、波纹管26、井筒根部7组成；常规管线从储液罐下方连接到压裂螺杆泵5，再通过压裂螺杆泵5连接到压裂管线6，蝶阀4设置于常规管线中，波纹管26通过法兰连接到压裂管线6的另一端，波纹管26让装置的倾斜角在60°-90°变化，模拟不同倾斜角的井况，波纹管26底部连接有一小段管线，作为井筒根部7。

所述可视化水平井井筒滞砂单元，采用与现场1：1比例设计，由水平井筒9、压差传感器11、法兰底座16、螺栓17、法兰接头19、封闭法兰盘22组成；水平井筒9两端设有法兰接头19，一端的法兰接头19连接到设置于井筒根部7上的法兰底座16，法兰底座16和法兰接头19上都有4个孔，并通过螺栓17连接；法兰底座19内部设有内螺纹，水平井筒9外部设有与其配合的外螺纹，法兰底座16与水平井筒9以此连接，并在内螺纹和外螺纹之间缠绕两层生胶带；水平井筒9的包括有机玻璃圆管20和压差传感器11，有机玻璃圆管上设有多个射孔孔眼21，压差传感器11分别连接在水平井筒9的两侧；水平井筒的另一端法兰接头19连接到封闭法兰盘22，封闭法兰盘22结构与法兰接头相同，也由法兰、O型胶垫18、螺栓17组成，起到截流的作用；

所述有机玻璃圆管20内径为120mm，外径为140mm，长度为500mm，射孔孔眼21采用3簇射孔，射孔孔眼21呈不同相位角分布，相位角为0°、60°、90°、180°，并采用螺旋布孔方式，根据不同实验情况，射孔孔眼直径分别为10/12/14mm这三种，3簇射孔孔眼分别在圆筒上前后段均间距150mm，第一簇中心孔眼分布在150mm位置，第二簇中心孔眼分布在250mm位置，第三簇中心孔眼分布在350mm位置，压力传感器11为单法兰压力传感器，压力测量范围为0KPa～2.5MPa，温度测量范围为-45℃～+125℃，两套传感器11分别安装在有机玻璃水平圆管20的前后两端，用于实时测量水平井筒压力变化。

所述法兰底座16为不锈钢材质，最大直径为180mm。

所述法兰底座16和所述法兰接头19上都设有法兰加强杆15，其为沿着法兰盘外侧设置的金属杆，在其对应的位置，如有机玻璃水平圆管20的右侧和封闭法兰盘22上，都设有用于容纳法兰加强杆15的小孔，法兰加强杆15插入小孔后，更进一步的提高了法兰的强度，使其不易折断。

所述螺栓17的型号为M10，长度35±6mm，螺帽直径16mm；O形垫圈18采用耐磨性、耐酸、耐老化的橡胶材质，中间环形直径120mm，外侧最大直径140mm，O型垫圈18上端设计有5×10mm余料，目的是为了安装时，方便O型垫圈18的定位，O型垫圈18有效的提高了法兰密封性，并且防止金属法兰之间的碰撞。

压裂液汇积系统由刚性空腔型连接器24、O型胶垫18、排液管线25组成，刚性空腔型连接器24连接到每一簇射孔孔眼21，并将射孔孔眼21排出的压裂液汇集到空腔，然后通过前后两组排液管线25进入到下一级可视化支撑剂铺置装置中；刚性空腔型连接器24由两个腔室组成，上下两侧被在接触点设置的金属片隔离。

废液回收系统由排液管线及储液罐组成，实验后的废液经过废液回收系统回收处理，经处理达标后再排放。

信息控制系统由变频器、电源开关、计算机、摄像头13、急停开关、适配器组成，并且电源开关、计算机、急停开关、适配器都集成在设置于外部的控制柜14中，信息控制系统通过变频器控制压裂液配置是的搅拌速率，压裂泵的排量，通过摄像头实时监测实验现象，经过计算机处理分析，得出实验结果。

刚性空腔型连接器24的腔室最小直径为140mm，最大直径为150mm。

本发明可视化水平井井筒滞砂装置单元体与支撑剂铺置装置、清洗系统组成一套完整的可视化水平井井筒滞实验评价装置，采用上述可视化水平井井筒滞砂实验评价装置进行实验时，具体实验步骤及方法如下：

1、根据给的地质资料进行压裂液优化设计，优选实验排量、压裂液支撑剂及目数，调整装置参数；

2、计算好实验时所需的各类添加剂的量，支撑剂质量，前置液、携砂液、后置液使用量；

3、连接好实验装置，确认装置各阀门(图中仅示出了蝶阀4，其他管线上也存在常规设置的阀门，未示出)的状态，检查装置清洁度，泵入清水确定工作状态并检查装置密封性；

4、在储液罐2中装入实验所需的清水，打开搅拌电机1，带动搅拌器旋转，量取实验所需的各类添加剂，称取实验时使用的支撑剂，配制压裂液；

5、实验时，开启高清摄像头，依次泵入前置液、携砂液、后置液；

6、观察支撑剂在水平井井筒中的滞留过程及现象，记录实验数据，拷贝实验图像；

7、实验后清洗装置，废液经达标后再排放。

需要注意的是，根据本发明，在实验之前检查装置清洁度并注入清水进行循环以检查装置密封性以及在模拟之后清洗装置，清洗装置时保持泵注系统关闭。若装置清洁度不够，则清理后再进行实验；若装置不密封，则确保密封后再进行实验，若装置密封，则放空清水后进行实验即可。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，本发明并不局限于上述方式，在不脱离本发明原理的前提下，还能进一步改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种可视化水平井筒滞砂实验评价装置，其特征在于，包括搅拌系统、泵液系统、可视化水平井井筒滞砂单元、压裂液汇积系统、废液回收系统、信息控制系统；

所述搅拌系统由搅拌电机(1)、储液罐(2)、压差式液位计(3)组成；搅拌电机(1)安装于储液罐(2)正上方，其下设有伸入储液罐(2)的叶片搅拌器，压差式液位计(3)安装于储液罐(2)左侧端面，压差式液位计(3)底部与储液罐(2)底面平齐；

所述泵液系统由压裂螺杆泵(5)、常规管线、压裂管线(6)、蝶阀(4)、波纹管(26)、井筒根部(7)组成；常规管线从储液罐下方连接到压裂螺杆泵(5)，再通过压裂螺杆泵(5)连接到压裂管线(6)，蝶阀(4)设置于常规管线中，波纹管(26)通过法兰连接到压裂管线(6)的另一端，波纹管(26)让装置的倾斜角在60°-90°变化，模拟不同倾斜角的井况，波纹管(26)底部连接有一小段管线，作为井筒根部(7)。

所述可视化水平井井筒滞砂单元由水平井筒(9)、压差传感器(11)、法兰底座(16)、螺栓(17)、法兰接头(19)、封闭法兰盘(22)组成；水平井筒(9)两端设有法兰接头(19)，一端的法兰接头(19)连接到设置于井筒根部(7)上的法兰底座(16)，法兰底座(16)和法兰接头(19)上都有4个孔，并通过螺栓(17)连接；法兰底座(19)内部设有内螺纹，水平井筒(9)外部设有与其配合的外螺纹，法兰底座(16)与水平井筒(9)以此连接，并在内螺纹和外螺纹之间缠绕两层生胶带；水平井筒(9)的包括有机玻璃圆管(20)和压差传感器(11)，有机玻璃圆管上设有多个射孔孔眼(21)，压差传感器(11)分别连接在水平井筒(9)的两侧；水平井筒的另一端法兰接头(19)连接到封闭法兰盘(22)，封闭法兰盘(22)结构与法兰接头相同，也由法兰、O型胶垫(18)、螺栓(17)组成，起到截流的作用；

压裂液汇积系统由刚性空腔型连接器(24)、O型胶垫(18)、排液管线(25)组成，刚性空腔型连接器(24)连接到每一簇射孔孔眼(21)，并将射孔孔眼(21)排出的压裂液汇集到空腔，然后通过前后两组排液管线(25)进入到下一级可视化支撑剂铺置装置中；刚性空腔型连接器(24)由两个腔室组成，上下两侧被在接触点设置的金属片隔离；

废液回收系统由排液管线及储液罐组成，实验后的废液经过废液回收系统回收处理，经处理达标后再排放；

信息控制系统由变频器、电源开关、计算机、摄像头(13)、急停开关、适配器组成，并且电源开关、计算机、急停开关、适配器都集成在设置于外部的控制柜(14)中，信息控制系统通过变频器控制压裂液配置是的搅拌速率，压裂泵的排量，通过摄像头实时监测实验现象，经过计算机处理分析，得出实验结果。

2.根据权利要求1所述的一种可视化水平井筒滞砂实验评价装置，其特征在于，所述有机玻璃圆管(20)内径为120mm，外径为140mm，长度为500mm，射孔孔眼(21)采用3簇射孔，射孔孔眼(21)呈不同相位角分布，相位角为0°、60°、90°、180°，并采用螺旋布孔方式，根据不同实验情况，射孔孔眼(21)直径分别为10/12/14mm这三种，3簇射孔孔眼(21)分布在有机玻璃圆管(20)上，两端的射孔孔眼(21)与有机玻璃圆管(20)前后端的间距均为150mm，第一簇射孔孔眼(21)的中心孔眼分布在与有机玻璃圆管(20)最接近端150mm位置，第二簇射孔孔眼(21)的中心孔眼分布在250mm位置，第三簇射孔孔眼(21)的中心孔眼分布在350mm位置，压力传感器(11)为单法兰压力传感器，压力测量范围为0KPa～2.5MPa，温度测量范围为-45℃～+125℃，两套传感器(11)分别安装在有机玻璃水平圆管(20)的前后两端，用于实时测量水平井筒压力变化。

3.根据权利要求2所述的一种可视化水平井筒滞砂实验评价装置，其特征在于，所述法兰底座(16)为不锈钢材质，最大直径为180mm。

4.根据权利要求3所述的一种可视化水平井筒滞砂实验评价装置，其特征在于，所述法兰底座(16)和所述法兰接头(19)上都设有法兰加强杆(15)，其为沿着法兰盘外侧设置的一圈横向的金属杆，并在法兰相对的另一侧设有用于放置法兰加强杆(15)的孔，连接后提高了法兰圆盘的强度，防止安装/实用时法兰损坏。

5.根据权利要求4所述的一种可视化水平井筒滞砂实验评价装置，其特征在于，所述螺栓(17)的型号为M10，长度35±6mm，螺帽直径16mm；

O形垫圈(18)采用耐磨性、耐酸、耐老化的橡胶材质，中间环形直径120mm，外侧最大直径140mm，O型垫圈(18)上端设计有5×10mm余料。

6.根据权利要求4所述的一种可视化水平井筒滞砂实验评价装置，其特征在于，所述刚性空腔型连接器(24)的腔室最小直径为140mm，最大直径为150mm。

7.采用如权利要求5或6所述可视化水平井筒滞砂实验评价装置的实验方法，其特征在于，步骤如下：

1)根据给的地质资料进行压裂液优化设计，优选实验排量、压裂液支撑剂及目数，调整装置参数；

2)计算好实验时所需的各类添加剂的量，支撑剂质量，前置液、携砂液、后置液使用量；

3)连接好实验装置，确认装置各阀门状态，检查装置清洁度，泵入清水确定工作状态并检查装置密封性；

4)在储液罐(2)中装入实验所需的清水，打开搅拌器(1)，量取实验所需的各类添加剂，称取实验时使用的支撑剂，配制压裂液；

5)实验时，开启高清摄像头，依次泵入前置液、携砂液、后置液；

6)观察支撑剂在水平井井筒中的滞留过程及现象，记录实验数据，拷贝实验图像；

7)实验后清洗装置，废液经达标后再排放。