CN109209343B - 粗糙裂缝液固两相径向流动可视化模拟实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了粗糙裂缝液固两相径向流动可视化模拟实验装置及方法，该装置由模拟井眼流动系统、模拟粗糙裂缝系统和数据采集系统组成，该方法包括：(1)将液相流体和固相颗粒添加到混合流体储存罐中，搅拌均匀；(2)将混合流体泵入到模拟井眼中；(3)从模拟井眼中流入到模拟粗糙裂缝中的混合流体进一步从末端出口处流出，经输送管道流回到混合流体储存罐，模拟粗糙裂缝中液固两相径向流动过程；(4)读取压力表和混合流体流量计数值，收集高清摄像资料并进行数据整理和分析；(5)观察不同条件下的粗糙裂缝液固两相径向流动情况，并对实验室结果进行分析对比。本发明能够为粗糙裂缝液固两相径向流动机理的研究提供更为准确可行的数据支撑和理论基础。

Description

粗糙裂缝液固两相径向流动可视化模拟实验装置及方法
技术领域
本发明涉及油气开采室内实验装置研究领域，尤其涉及一种粗糙裂缝液固两相径向流动模拟实验装置及方法。
背景技术
随着勘探开发技术的提高，在世界油气资源中，裂缝性储层地质储量已经达到总的探明储量的50％以上，在我国裂缝性油气藏就有着广泛的分布，地层裂缝的研究日益受到重视。
裂缝性储层一般埋藏较深，裂缝分布复杂，使得储层地质条件复杂，给油气开采带来了许多问题。特别是在堵漏过程中，由于井下裂缝分布难以预测，同时裂缝空间分布复杂等原因，造成裂缝中堵漏剂等固相颗粒的运移情况复杂，使得堵漏效果评价困难。因此，在这种复杂条件下，固相颗粒在井下裂缝中的运移机理研究显得尤为重要。然而，目前关于井下裂缝液固两相流动的机理研究方面还存在很多问题：
(1)许多堵漏评价方法采用的平板裂缝与真实裂缝有很大的差别，平板裂缝往往没有考虑真实裂缝的空间形态特征；
(2)平行板流和井周裂缝的流动有着本质的区别，井周裂缝流体的流动方向往往是径向的，同时在平行板流动中，特别是湍流状态下，流体往往受到平行板边界阻流的影响；
(3)目前实验室通过采集裂缝岩样进行液固两相流动实验无法观测到裂缝内颗粒运移的具体情况，仅能通过流量等间接参数判定，无法对流动机理进行现象解释。
因此建立考虑真实裂缝空间形态特征，同时符合井周裂缝流体流动状态，以及规避平行板边界的影响，进一步能够做到裂缝流动可视化的实验装置，对于钻完井裂缝研究，尤其是裂缝性岩层漏失堵漏以及合理压裂液支撑剂方案设计等方面具有重大意义。
专利“一种井筒与地层裂缝耦合流动模拟实验装置及方法”(CN106640061A)用一组缝板连接模拟井筒和模拟地层，用于研究井筒和地层裂缝间的耦合流动机理，忽略了井周裂缝流体流动往往是径向流动，该装置无法模拟裂缝与井筒中流体的径向流动过程。
发明内容
本发明的目的在于提供粗糙裂缝液固两相径向流动可视化模拟实验装置，该装置模拟粗糙裂缝中液固两相流径向流动过程，可以通过控制装置中液固两相比例、混合流体流速、模拟粗糙裂缝开度和粗糙度、模拟粗糙裂缝倾角等条件来研究不同情况下的裂缝空间径向流动机理。
本发明的另一个目的还在于提供利用上述装置对粗糙裂缝进行液固两相径向流动可视化模拟实验的方法，该方法原理可靠，操作简便，成本低，在实际运用中能够为粗糙裂缝液固两相径向流动机理的研究提供更为准确可行的数据支撑和理论基础。
为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。
粗糙裂缝液固两相径向流动可视化模拟实验装置，包括模拟井眼流动系统、模拟粗糙裂缝系统和数据采集系统。
所述的模拟井眼流动系统包括模拟井眼、混合流体储存罐、电泵、变频器和控制井眼流动的多个阀门；电泵连接混合流体储存罐和模拟井眼入口端；所述混合流体储存罐中包含搅拌电机；所述变频器连接在电泵上，用以调节电泵的频率；所述控制井眼流动的多个阀门包括电泵和模拟井眼入口之间的液体调压阀和单向阀。
所述的模拟粗糙裂缝系统包括上下两块平行的圆形粗糙透明树脂板构成的空间、带有旋转角度标识的转轴以及固定透明树脂板的机架，模拟粗糙裂缝中央位置连接模拟井眼，模拟粗糙裂缝上方为高清摄像机。
所述的数据采集系统包括混合流体流量计、压力表、高清摄像机；混合流体流量计位于混合流体储存罐和模拟井眼之间；压力表位于液体调压阀和混合流体流量计之间；高清摄像机位于模拟粗糙裂缝上方。
所述模拟井眼为透明玻璃管材料，混合流体从模拟井眼流出，部分流体流入到模拟粗糙裂缝中，模拟钻井过程中钻遇裂缝时，液固两相流体在井周粗糙裂缝中的径向流动过程；所述模拟井眼流动系统中的电泵配套有供液阀和输液阀，用于将混合流体储存罐中的流体泵入到模拟井眼中。
所述模拟井眼流动系统中的液体调压阀用于调整经电泵泵出的混合流体压力，使其压力稳定不受电泵的振动影响；所述模拟井眼流动系统中的单向阀用于控制流体流向，使井眼中混合流体不至于倒流入混合流体储存罐，控制流体流动方向符合实际钻井过程中的流体流动状态。
利用上述装置对粗糙裂缝液固两相径向流动可视化进行模拟的方法，依次包括以下步骤：
(1)按照要求的配比将液相流体和固相颗粒添加到混合流体储存罐中，打开搅拌电机电源，利用搅拌电机把混合流体搅拌均匀；
(2)打开电泵电源并调节调频器到适宜频率，通过电泵将混合流体经过液体调压阀和单向阀泵入到模拟井眼中，进一步调节液体调压阀使得经电泵泵出的混合流体压力稳定；
(3)从模拟井眼中流入到模拟粗糙裂缝中的混合流体进一步从末端出口处流出，经输送管道流回到混合流体储存罐，该过程模拟粗糙裂缝中液固两相径向流动过程；
(4)打开模拟粗糙裂缝上方的高清摄像机，待整个流动过程稳定后，读取压力表和混合流体流量计数值，收集高清摄像资料并进行数据整理和分析；
(5)改变液固两相比例、混合流体流速、模拟粗糙裂缝开度和粗糙度、模拟粗糙裂缝倾角等条件，重复步骤(1)至(4)，观察不同条件下的粗糙裂缝液固两相径向流动情况，并对实验结果进行分析对比。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明所述可视化模拟装置中的裂缝板是基于真实裂缝岩样所建立的几何模型并进一步雕刻而成，裂缝板还原度高，具有真实裂缝的空间形态特征；
(2)本发明所述可视化模拟装置模拟的是井周裂缝的液固两相流径向流动过程，更加符合在石油钻井过程中，钻遇裂缝时井周裂缝流体流动状态，同时可以通过改变液固两相比例、混合流体流速、模拟粗糙裂缝开度和粗糙度、模拟粗糙裂缝倾角等条件，研究不同情况下的井周裂缝空间流动机理；
(3)本发明所述可视化模拟装置中的缝板材料采用透明树脂作为原材料，可以清楚观察到裂缝内的径向流动情况；
(4)本发明所述可视化模拟装置结构简单，原理可靠，操作方便、成本造价低，可以广泛制造并进行使用。
附图说明
图1是粗糙裂缝液固两相径向流动可视化模拟装置的结构示意图。
图2是模拟粗糙裂缝板的俯视图。
图中：1.混合流体储存罐；2.搅拌电机；3.电泵；4.调频器；5.液体调压阀；6.压力表；7.混合流体流量计；8.单向阀；9.模拟井眼；10.模拟粗糙裂缝板；11.高清摄像机；12.转轴；13.旋转角度标识；14.机架。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但并不作为对本发明的限定。
参看图1、图2。
粗糙裂缝液固两相径向流动可视化模拟实验装置，由模拟井眼流动系统、模拟粗糙裂缝系统和数据采集系统组成。
所述的模拟井眼流动系统包括模拟井眼9、混合流体储存罐1、搅拌电机2、电泵3、调频器4、液体调压阀5和单向阀8；所述电泵3连接混合流体储存罐1和模拟井眼9入口端；所述混合流体储存罐1中设置搅拌电机2；所述调频器4连接在电泵3上，用以调节电泵的频率；所述液体调压阀5和单向阀8位于电泵3和模拟井眼9入口端之间，用以控制井眼流动。
所述的模拟粗糙裂缝系统包括上下两块平行的圆形模拟粗糙裂缝板10构成的模拟粗糙裂缝、带有旋转角度标识13的转轴12以及固定模拟粗糙裂缝板的机架14，模拟粗糙裂缝中央位置有模拟井眼9，模拟粗糙裂缝上方有高清摄像机11。
所述的数据采集系统包括混合流体流量计7、压力表6、高清摄像机11，混合流体流量计7位于混合流体储存罐1和模拟井眼9之间，压力表6位于液体调压阀5和混合流体流量计7之间，高清摄像机11位于模拟粗糙裂缝上方。
所述模拟井眼9为透明玻璃管，混合流体从模拟井眼9流出，部分流体流入到模拟粗糙裂缝中，模拟钻井过程中钻遇裂缝时，液固两相流体在井周粗糙裂缝中的径向流动过程；所述电泵3配套有供液阀和输液阀，用于将混合流体储存罐1中的流体泵入到模拟井眼9中。
所述模拟粗糙裂缝板10为透明树脂材料基于真实裂缝岩样所建立的几何模型雕刻而成，具有真实裂缝的空间形态特征。
所述液体调压阀5用于调整经电泵3泵出的混合流体压力，使其压力稳定不受电泵的振动影响；所述单向阀8用于控制流体流向，使井眼中混合流体不至于倒流入混合流体储存罐1中，控制流体流动方向符合实际钻井过程中的流体流动状态。
利用上述装置对粗糙裂缝液固两相径向流动可视化进行模拟实验的具体步骤如下：
(1)实验前准备：
安装模拟粗糙裂缝板10，选择一定的模拟粗糙裂缝的开度和倾角；关闭整个装置的所有阀门；检查所有仪器仪表是否工作正常；按一定配比将固相颗粒和液相流体混合放入到混合流体储存罐1中。
(2)开启实验设备：
打开混合流体储存罐1中的搅拌电机2，把混合流体搅拌均匀；打开模拟井眼流动系统端阀门，形成通路，接着打开电泵3并调节调频器4到适宜频率，使模拟井眼流动系统形成流体流动有效的回路。
(3)进行粗糙裂缝液固两相径向流动模拟实验：
打开模拟粗糙裂缝系统中模拟粗糙裂缝板10两端出口的阀门，使模拟井眼9中的部分混合流体流入到模拟粗糙裂缝空间中，模拟在钻井过程中，钻遇裂缝时井周粗糙裂缝中液固两相流径向流动过程；调节液体调压阀5，使得经电泵3泵出的混合流体压力稳定；打开混合流体流量计7的阀门，关闭混合流体主流路的阀门，记录流体流入流量；打开高清摄像机11记录裂缝面径向流动情况，同时记录高精度压力表6的数值；实验完成后，关闭电泵和装置中的各个阀门，排出废液。
(4)实验结果整理：
收集高清摄像机11的摄像资料，整理混合流体流量计7和高精度压力表6所记录的数据，分析数据。

Claims (5)

1.粗糙裂缝液固两相径向流动可视化模拟实验装置，由模拟井眼流动系统、模拟粗糙裂缝系统和数据采集系统组成，其特征在于，所述模拟井眼流动系统包括模拟井眼(9)、混合流体储存罐(1)、搅拌电机(2)、电泵(3)、调频器(4)、液体调压阀(5)和单向阀(8)，所述电泵(3)连接混合流体储存罐(1)和模拟井眼(9)入口端，所述混合流体储存罐(1)中设置搅拌电机(2)，所述调频器(4)连接在电泵(3)上，所述液体调压阀(5)和单向阀(8)位于电泵(3)和模拟井眼(9)入口端之间；所述模拟粗糙裂缝系统包括上下两块平行的圆形模拟粗糙裂缝板(10)构成的模拟粗糙裂缝、带有旋转角度标识(13)的转轴(12)以及固定模拟粗糙裂缝板的机架(14)，模拟粗糙裂缝中央位置有模拟井眼(9)；所述数据采集系统包括混合流体流量计(7)、压力表(6)、高清摄像机(11)，混合流体流量计(7)位于混合流体储存罐(1)和模拟井眼(9)之间，压力表(6)位于液体调压阀(5)和混合流体流量计(7)之间，高清摄像机(11)位于模拟粗糙裂缝上方。
2.如权利要求1所述的粗糙裂缝液固两相径向流动可视化模拟实验装置，其特征在于，所述模拟井眼(9)为透明玻璃管，混合流体从模拟井眼(9)流出，部分流体流入到模拟粗糙裂缝中，模拟液固两相流体在井周粗糙裂缝中的径向流动过程。
3.如权利要求1所述的粗糙裂缝液固两相径向流动可视化模拟实验装置，其特征在于，所述电泵(3)配套有供液阀和输液阀，用于将混合流体储存罐(1)中的流体泵入到模拟井眼(9)中。
4.如权利要求1所述的粗糙裂缝液固两相径向流动可视化模拟实验装置，其特征在于，所述模拟粗糙裂缝板(10)为透明树脂材料基于真实裂缝岩样所建立的几何模型雕刻而成，具有真实裂缝的空间形态特征。
5.利用权利要求1、2、3或4所述的装置对粗糙裂缝液固两相径向流动可视化进行模拟的方法，依次包括以下步骤：
(1)将液相流体和固相颗粒添加到混合流体储存罐中，打开搅拌电机电源，利用搅拌电机把混合流体搅拌均匀；
(2)打开电泵电源并调节调频器到适宜频率，通过电泵将混合流体经过液体调压阀和单向阀泵入到模拟井眼中；
(3)从模拟井眼中流入到模拟粗糙裂缝中的混合流体进一步从末端出口处流出，经输送管道流回到混合流体储存罐，模拟粗糙裂缝中液固两相径向流动过程；
(4)打开模拟粗糙裂缝上方的高清摄像机，待整个流动过程稳定后，读取压力表和混合流体流量计数值，收集高清摄像资料并进行数据整理和分析；
(5)改变液固两相比例、混合流体流速、模拟粗糙裂缝开度和粗糙度、模拟粗糙裂缝倾角，重复步骤(1)至(4)，观察不同条件下的粗糙裂缝液固两相径向流动情况，并对实验结果进行分析对比。
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