CN109025947A - 一种基于非均质软磁性支撑剂的通道压裂研究装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于非均质软磁性支撑剂的通道压裂研究装置与方法，所述装置包括通过管路依次连接的压裂液容器、混砂容器、注入泵和裂缝模型，所述混砂容器还通过管路连接有非均质磁性支撑剂容器，所述压裂液容器还通过管路与注入泵连接；非均质软磁性支撑剂的磁性材料为粒径分布为20‑70目，球度分布为0.5‑0.9的大小不一的磁性颗粒；所述磁性材料包括铁、硅钢、镍铁合金中的一种或几种的组合。本发明以通道压裂的室内研究为出发点，通过调节可视化裂缝模型周围磁场强度进而控制非均质软磁性支撑剂在裂缝模型中的分布形态，达到非均匀铺砂的目的，该方法为通道压裂技术的室内研究提供了一种新的支撑剂铺置控制方法。

Description

一种基于非均质软磁性支撑剂的通道压裂研究装置与方法

技术领域

本发明涉及一种基于非均质软磁性支撑剂的通道压裂的研究装置，属于油气田开发的研究领域。

背景技术

自从出现水力压裂技术以来，如何获得更高的人工裂缝导流能力就成为了主要的研究方向，经过长时间的发展众多学者与工程师提出了一系列的改进措施，诸如减少支撑剂破碎率、提高支撑剂圆球度、增加压裂液返排量、降低残渣滞留伤害、使用新型压裂液等等，但是这些措施都是以连续铺砂为基础来获得理论上的最大导流能力，而且根据部分压后测评结果显示，实际裂缝导流能力远未达到设计最优值。

为了弥补传统压裂方式中所存在的缺点与不足，一种新的压裂法方法—通道压裂应时而生。通道压裂技术结合了地质力学模型、加有纤维的压裂液、特殊的加砂方式、非均匀射孔方案，使支撑剂在裂缝中成不连续柱状分布，既能通过支撑剂柱起到支撑裂缝的作用，又能通过支撑剂柱之间的通道让油气流通，而不是依靠支撑剂充填层的导流能力。这些开放的流动通道能够显著提高裂缝导流能力，减少裂缝内的压力降，进而提高产量。这种打破常规思维的技术极大地提高了裂缝导流能力，使其比传统支撑剂充填层导流能力高出几个数量级。

虽然通道压裂技术具有非常大的优势，但是支撑剂如何铺设才能使油气达到最佳渗流状态，由于缺乏有效的支撑剂铺设方法和铺设效果监测手段，一直是研究的热点与难点。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于非均质软磁性支撑剂的通道压裂研究装置。

本发明的技术方案如下：

一种基于非均质软磁性支撑剂的通道压裂研究装置，其特征在于包括通过管路依次连接的压裂液容器、混砂容器、注入泵和裂缝模型，所述混砂容器还通过管路连接有非均质磁性支撑剂容器，所述压裂液容器还通过管路与注入泵连接；

非均质软磁性支撑剂的磁性材料为粒径分布为20-70目，球度分布为0.5-0.9的大小不一的磁性颗粒；所述磁性材料包括铁、硅钢、镍铁合金中的一种或几种的组合。

优选的，各连接管路上设有阀门。

优选的，所述压裂液容器与所述注入泵的连接管路上、以及所述注入泵与所述裂缝模型连接管路上设有流量计。

优选的，所述搅拌器与所述混砂容器相连，通电后直接作用于所述混砂容器。

优选的，所述搅拌器将混砂容器内的压裂液与非均质软磁性支撑剂进行搅拌混合，形成混砂液。

优选的，流入混砂容器内压裂液与非均质软磁性支撑剂构成的混砂液砂比范围在5％-40％之间；压裂液的粘度使混砂液呈悬砂状态。

优选的，所述裂缝模型连接有电磁发生器和磁力计。

优选的，所述电磁发生器产生外加磁场，磁场强度由电磁发生器配合磁力计共同调节。

优选的，所述裂缝模型为可视化平板模型；所述裂缝模型裂缝的宽度为0.1cm-1cm。

一种基于非均质软磁性支撑剂的通道压裂方法，其特征在于前述的装置，包括以下步骤：

(1)配置压裂液、配置非均质软磁性支撑剂；

(2)开启注入泵，使压裂液直接经注入泵泵入裂缝模型中，并在裂缝模型中进行预循环；

(3)将压裂液、非均质软磁性支撑剂按比例注入混砂容器；

(4)开启搅拌器，对压裂液与非均质软磁性支撑剂进行充分搅拌形成混砂液，保证混砂液呈悬砂状态；

(5)开启磁力计，测量裂缝模型周围的初始磁场强度；

(6)开启电磁发生器，在裂缝模型周围施加磁场；

(7)只向裂缝模型中连续泵入混砂液；

(8)调节磁场强度，使支撑剂团簇在水力裂缝中达到预期分布形态；

(9)更换不同宽度的裂缝模型，重复(1)～(8)步，测取不同宽度的裂缝模型中支撑剂的分布形态。

本发明的技术效果：

本发明提出了一种基于非均质软磁性支撑剂的通道压裂装置与方法，是一种新型室内通道压裂研究方法，该方法中所使用的裂缝模型为可视化平板模型，可以直接的观察支撑剂聚集、运移、沉降过程，在调节磁场强度时，利于进行实时监测以及获取最终支撑剂铺置形态。

所使用的支撑剂材料为非均质软磁性支撑剂，利用非均质支撑剂在磁场作用下和压裂液中所受作用力以及裂缝壁面效应的差别，使其在裂缝中聚集成为大小不一的支撑剂团簇，并在磁场控制和压裂液携带的双重作用下实现支撑剂在水力裂缝中的非均匀铺置，最终形成支撑剂支柱与具有高导流能力的通道裂缝。

本发明可以根据非均质软磁性支撑剂的数量来调节外加磁场，使其到达足够的磁场强度，这有利于支撑剂的聚集以及调节支撑剂在裂缝中的分布，该方法中由于支撑剂具有不同的粒径、密度、圆球度等非均质性进而在磁场中受力不同达到非均匀铺砂、形成支撑剂支柱、从而获得高导流能力的裂缝，而且无需加入其它任何非磁性的支撑剂。

本发明首先向裂缝模型中通入压裂液，待压裂液在模型中预循环后再向裂缝模型中连续通入非均质软磁性支撑剂与压裂液的混合液，使裂缝模型条件更加接近真实压裂裂缝。

本发明与其它技术中支撑剂对于圆球度的要求相比，对支撑剂的圆球度要求更低，在本发明的方法中，由于采用非均质软磁性支撑剂，并通过磁场对非均质软磁性支撑剂的作用，使得圆球度对支撑剂沉降以及铺置产生的不利影响几乎可以忽略不计。

本发明以通道压裂的室内研究为出发点，通过调节可视化裂缝模型周围磁场强度进而控制非均质软磁性支撑剂在裂缝模型中的分布形态，达到非均匀铺砂的目的，该方法为通道压裂技术的室内研究提供了一种新的支撑剂铺置控制方法，简化了加砂程序，使得支撑剂在水力裂缝中的分布得到人为地控制，使支撑剂在通道中更容易呈柱状分布，形成高效导流能力通道及获取最佳裂缝导流能力。

本发明为进行通道压裂提供了一种新的方法与思路，同时对于通道压裂的现场实际施工和方案制定也具有着一定的现实意义。

附图说明

图1为本发明一种基于非均质软磁性支撑剂的通道压裂装置安装流程示意图。

图2-图9为本发明实施例2-9的支撑剂在裂缝模型中各自的铺置形态。

具体实施方式

为了更清楚的理解该发明的内容，将结合附图和实施例详细说明。

实施例1

一种基于非均质软磁性支撑剂的通道压裂装置，压裂液容器通过管路分别与混砂容器和注入泵连接，非均质软磁性支撑剂容器通过管路与混砂容器连接，混砂容器通过管路与注入泵连接，注入泵通过管路与裂缝模型连接，各连接管路上设有阀门。其中非均质软磁性支撑剂的磁性材料为粒径分布为20-70目，球度分布为0.5-0.9，大小不一的铁颗粒、硅钢颗粒、镍铁合金颗粒的组合。压裂液溶解器与所述注入泵的连接管路上设有流量计，注入泵与所述裂缝模型连接管路上设有流量计。搅拌器与所述混砂容器相连，通电后直接作用于所述混砂容器。搅拌器将流入混砂容器内的压裂液、非均质软磁性支撑剂进行搅拌混合，形成混砂液。裂缝模型连接有电磁发生器和磁力计。电磁发生器产生外加磁场，磁场强度由电磁发生器和磁力计共同调节。裂缝模型为可以直接观察支撑剂聚集、运移、沉降过程的平板模型，裂缝模型的裂缝的宽度为0.1cm-1cm。

实施例2

本实施例为实施例1描述装置的一种操作步骤：

(1)对室内实验场地进行布置，选择裂缝宽度为0.2cm的裂缝模型，按照实施例1所描述的连接方法并参照图1安装实验装置；

(2)在压裂液容器中配置压裂液，暂不加入非均匀软磁性支撑剂，接通电源，开启注入泵，打开压裂液输送管线上的阀门，将压裂液泵入裂缝模型中，使压裂液在裂缝模型中预循环；

(3)在非均质软磁性支撑剂容器中配置以铁颗粒、硅钢颗粒为主要材料、圆球度为0.5～0.9的软磁性支撑剂，其中支撑剂目数为20目；

(4)将(2)(3)步配置好的压裂液与非均质软磁性支撑剂按砂比为20％的比例输入混砂容器中；

(5)开启搅拌器，对压裂液与非均质软磁性支撑剂进行充分搅拌，使非均质软磁性支撑剂与压裂液混合均匀形成混砂液，保证混砂液呈悬砂状态；

(6)开启磁力计，测量裂缝模型周围的初始磁场强度，记录裂缝模型周围初始磁场强度是为之后调节磁场强度提供一定参考依据；

(7)开启电磁发生器，在裂缝模型周围施加磁场；

(8)开启注入泵，通过连续加砂的形式将混砂液泵入宽度为0.2cm裂缝模型；

(9)通过读取磁力计显示的磁场强度数值，通过电磁发生器不断调节磁场强度，透过可视化裂缝模型，使支撑剂在裂缝模型中达到预期的铺置状态；

(10)记录有关数据。

实验得到的经过虚化处理的模型平面局部图片分别如图2所示，图中图(b)为图(a)的局部放大形态。

从图2(a)中可以看出，在0.2cm宽度的裂缝模型中，目数为20目的支撑剂在磁场控制作用下形成的支撑剂分布形态达到了预期通道压裂裂缝中支撑剂的非均匀铺置形态，形成的支撑剂柱排列比较规则，分布的方向性较为明显，可供油气流通的高速通道面积较大，油气渗流能力相对较高。并且由于支撑剂颗粒带有磁性，彼此之间相互吸引，使得支撑剂团簇连接更加紧密，其抗剪切强度增加，破碎率减小。

图中的图(b)分别为图(a)的局部放大图片，从图2(b)中可以看出，支撑剂柱宽度大于通道宽度，但是数量级均为10^-5m，整个裂缝平面上的支撑剂柱所占的面积大于通道裂缝，通道率低于50％，其渗透率远高于图5(b)形成的支撑剂缝间渗透率。

根据记录的数据配合上述得到的铺置效果，可以给实际生产带来非常好的指导意义。

实施例3

本实施例与实施例2的区别在于所述支撑剂目数为40目，其它实验条件均相同，实验得到的经过虚化处理的模型平面局部图片分别如图3所示，图中图(b)为图(a)的局部放大形态。

从图3(a)中可以看出，40目支撑剂在宽度为0.2cm的裂缝模型中非均匀铺置形态与图2(a)中的支撑剂分布特点较为相似，支撑剂柱的宽度与通道裂缝的大致相同。从图3(b)中可以看出，支撑剂柱宽度与通道宽度的数量级也为10^-5m，整个裂缝平面上的支撑剂柱所占的面积大于通道裂缝，总体通道率几乎与图2相同。

实施例4

本实施例与实施例2的区别在于所述支撑剂目数为20目、40目各占50％，其它实验条件均相同，实验得到的经过虚化处理的模型平面局部图片分别如图4所示，图中图(b)为图(a)的局部放大形态。

与图2(a)、图3(a)相比，在其它实验条件相同的情况下，图4(a)中使用不同目数的支撑剂所形成的高速通道面积更大，且调节磁场的过程更为简单，耗时更少。并且由于支撑剂粒径彼此之间不同，支撑剂柱之间的渗透率比单一粒径支撑剂形成的支撑剂柱的渗透率更高，支撑剂与通道裂缝共同组成类似孔隙-裂缝系统，可以为油气提供更大的渗流空间。因此可以认为使用不同粒径、不同密度的非均质支撑剂比使用单一支撑剂具有更大的优势，除了可以获取更高的裂缝导流能力之外。还可以节省更多的操作时间、减小操作难度。

实施例5

本实施例为不施加磁场的对比例，实验方案如下：

(1)对室内实验场地进行布置，按照装置安装流程示意图安装各实验装置；

(2)在压裂液容器中配置压裂液，暂不加入非均匀软磁性支撑剂，而后接通电源，开启注入泵，打开压裂液输送管线上的阀门，将压裂液泵入裂缝模型中，使压裂液在裂缝模型中预循环；

(3)将压裂液与目数为40目、圆球度为0.5～0.9的软磁性支撑剂通过各自的输送管线在混砂容器中按照的砂比要求混合；

(4)接通电源，开启搅拌器，对压裂液与软磁性支撑剂进行充分搅拌，使软磁性支撑剂与压裂液混合均匀，保证软磁性支撑剂在压裂液中始终处于悬浮状态；

(5)通过注入泵采用连续加砂的形式将混砂液经由混砂输送管线泵入宽度为0.2cm裂缝模型；

(6)透过可视化裂缝模型，观察支撑剂在裂缝模型中的铺置状态。

实验得到的经过虚化处理的模型平面局部图片分别如图5所示，图中图(b)为图(a)的局部放大形态。

图5(a)中的支撑剂铺置形态为常规压裂方法中支撑剂铺置形态，主要依靠支撑剂充填层之间的孔隙为油气提供渗流空间，渗流能力较低。将图5(a)与图2(a)、图3(a)、图4(a)相比可见，即使不考虑支撑剂柱的渗流能力，单单就通过外加磁场控制支撑剂的分布形态所形成的通道裂缝而言，其油气导流能力就远大于支撑剂充填层的油气导流能力，也就是说利用磁场控制软磁性支撑剂在裂缝中的分布形态可以达到预期目的，完全可以通过这种方法达到通道压裂技术中形成支撑剂柱的要求。从图5(b)中可以看出，支撑剂彼此之间充填紧密，孔隙较小，渗透率虽然高于基质渗透率，但是却低于通道压裂形成的高导流能力裂缝几个数量级。

实施例6

本实施例与实施例2的区别在于所述裂缝模型宽度为0.4cm，其它实验条件均相同，实验得到的经过虚化处理的模型平面局部图片如图6所示。

从图6(a)中可以看出，在0.4cm宽度的裂缝模型中的支撑剂分布与图2(a)中的支撑剂分布特点较为相似，但是因为缝宽存在差异，支撑剂柱的高度不同。除此之外，与宽度为0.2cm的裂缝相比，随着裂缝宽度的增加，支撑剂支柱的分布规律性减弱，分布较复杂，通道裂缝的延伸性变差，支撑剂柱形成的条带宽度增加，条带之间的距离变大，总体通道率维持不变，但是油气渗流能力略低。

图中的图(b)同样分别为图(a)的局部放大图片，从图6(b)中可以看出，部分通道裂缝形状较不规则，但是彼此之间连通性较高。支撑剂柱宽度大于通道宽度，数量级均为10^-4m，整个裂缝平面上的支撑剂柱所占的面积大于通道裂缝，通道率低于50％，但是其渗透率依然远远高于图9(b)形成的支撑剂缝间渗透率。

实施例7

本实施例与实施例3的区别在于所述裂缝模型宽度为0.4cm，其它实验条件均相同，实验得到的经过虚化处理的模型平面局部图片如图7所示。

从图7中可以看出，在0.4cm宽度的裂缝模型中的支撑剂分布与图3中的支撑剂分布特点较为相似，差异之处与实施例2和实施例6相同。但是图7(a)与图6(a)相比可见，应用40目支撑剂形成的通道裂缝宽度虽然在数量级上与20目的相同，但是其通道率略高，这表明应用单一粒径支撑剂时，支撑剂粒径与裂缝宽度越匹配，通道的导流能力越高。

实施例8

本实施例与实施例4的区别在于所述裂缝模型宽度为0.4cm，其它实验条件均相同，实验得到的经过虚化处理的模型平面局部图片如图8所示。

图8(a)中可以明显看出，与图6(a)、图7(a)相比，应用非均质软磁性支撑剂所形成的通道裂缝面积明显增大，通道率更高，这与图4(a)和图2(a)、图3(a)对比得出的结论相同，同时其操作过程中耗费时间更少、操作难度更小。因此通过实施例1、2、3与实施例5、6、7可以得出在该种通道压裂方法中应用非均质支撑剂所得到的效果要优于应用单一粒径支撑剂。

实施例9

本实施例与实施例5的区别在于所述裂缝模型宽度为0.4cm，其它实验条件均相同，实验得到的经过虚化处理的模型平面局部图片如图9所示。

与图5(a)中的支撑剂铺置形态相比，图9中的支撑剂铺置形态也为常规压裂方法中支撑剂铺置形态，其特点与图5(a)中的支撑剂铺置特点相似。虽然本实施例中应用的支撑剂粒径大于实施例4，导致支撑剂充填层的导流能力略高于实施例4中的导流能力，但是却依然远低于应用通道压裂方法形成的通道裂缝的导流能力。

综上所述，常规压裂形成的支撑剂充填层的导流能力最低；应用单一粒径支撑剂的通道压裂形成的通道裂缝的导流能力居中，并且在支撑剂粒径与裂缝宽度相匹配的前提下，支撑剂目数越大，其导流能力越高；应用不同粒径的非均质支撑剂的通道压裂形成的通道裂缝导流能力最高。

本发明以通道压裂的支撑剂铺置控制方法为出发点，通过调节可视化裂缝模型周围磁场强度进而控制非均质软磁性支撑剂在裂缝模型中的分布形态，达到非均匀铺砂的目的，该方法为通道压裂技术的研究提供了一种新的支撑剂铺置控制方法，简化了加砂程序，使得支撑剂在水力裂缝中的分布得到人为地控制，使支撑剂在通道中更容易呈柱状分布，更易于形成高效导流能力通道及获取最佳裂缝导流能力，本发明跳出了现有技术的思维壁垒，为进行通道压裂的现场施工与方案制定提供了一种全新的思路与方法。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换等都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于非均质软磁性支撑剂的通道压裂研究装置，其特征在于包括通过管路依次连接的压裂液容器、混砂容器、注入泵和裂缝模型，所述混砂容器还通过管路连接有非均质磁性支撑剂容器，所述压裂液容器还通过管路与注入泵连接；

非均质软磁性支撑剂的磁性材料为粒径分布为20-70目，球度分布为0.5-0.9的大小不一的磁性颗粒；所述磁性材料包括铁、硅钢、镍铁合金中的一种或几种的组合。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于各连接管路上设有阀门。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述压裂液容器与所述注入泵的连接管路上、以及所述注入泵与所述裂缝模型连接管路上设有流量计。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述搅拌器与所述混砂容器相连，通电后直接作用于所述混砂容器。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述搅拌器将混砂容器内的压裂液与非均质软磁性支撑剂进行搅拌混合，形成混砂液。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述压裂液与非均质软磁性支撑剂构成的混砂液砂比范围在5％-40％之间；所述压裂液的粘度使混砂液呈悬砂状态。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述裂缝模型连接有电磁发生器和磁力计。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于所述电磁发生器产生外加磁场，磁场强度由电磁发生器配合磁力计共同调节。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述裂缝模型为可视化平板模型；所述裂缝模型裂缝的宽度为0.1cm-1cm。

10.一种基于非均质软磁性支撑剂的通道压裂方法，其特征在于采用权利要求1-9任一所述的装置，包括以下步骤：

(1)配置压裂液、配置非均质软磁性支撑剂；

(2)开启注入泵，使压裂液直接经注入泵泵入裂缝模型中，并在裂缝模型中进行预循环；

(3)将压裂液、非均质软磁性支撑剂按比例注入混砂容器；

(4)开启搅拌器，对压裂液与非均质软磁性支撑剂进行充分搅拌形成混砂液，保证混砂液呈悬砂状态；

(5)开启磁力计，测量裂缝模型周围的初始磁场强度；

(6)开启电磁发生器，在裂缝模型周围施加磁场；

(7)只向裂缝模型中连续泵入混砂液；

(8)调节磁场强度，使支撑剂团簇在水力裂缝中达到预期分布形态；

(9)更换不同宽度的裂缝模型，重复(1)～(8)步，测取不同宽度的裂缝模型中支撑剂的分布形态。