CN109682932A - 一种大型压裂液携砂能力动态测试装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型压裂液携砂能力动态测试装置和方法，属油气田开发压裂技术研究领域。本发明由混料罐、螺杆泵、矩形模型和渣液收集罐构成，混料罐的流出端通过螺杆泵与可调缝宽可倾斜的矩形模型的输入端连通，矩形模型的流出端经过进出口扩散器后分为两条支路，一条通过管路和球阀VDd与渣液收集罐连通，另一条通过管路和VDe与混料罐连通。本发明的装置操作简单快捷，控制方便，安全可靠，结构合理，该装置的使用方法能综合评价压裂液的携砂能力，优先筛选合适的油气压裂用压裂液和支撑剂，并能依据水力压裂模型对典型裂缝宽度的预测结果进行实验研究验证，这种测试方法更接近于应用环境实况，对压裂液及支撑剂性能评价更科学。

Description

一种大型压裂液携砂能力动态测试装置和方法

技术领域

本发明涉及一种大型压裂液携砂能力动态测试装置和方法，属油气田开发压裂技术研究领域。

背景技术

压裂液是压裂技术的重要组成部分，起着传递压力和携带支撑剂的作用。支撑剂在压裂液中的沉降规律研究具有十分重要的意义,对于颗粒的群体沉降,由于现象复杂,严格的理论分析十分困难,大都采用试验方法进行。同时压裂施工过程中压裂液在不同的流速、不同的注砂浓度和不同的流体粘度下的携砂能力,都将直接影响砂粒的分布规律和填砂裂缝的导流能力。

现有的裂缝模拟装置的裂缝为固定式，不能实现缝宽的无极调节，模型尺寸小，模拟装置裂缝只安装单面透明玻璃，只能单侧观察，且模拟装置不能倾斜，无法模拟压裂液在不同缝隙结构的携砂能力，现有裂缝模拟装置的测试局限性可见一斑。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种在结构、原理及流体流动速率上采用相似原理进行模拟并通过螺杆泵作为流动动力的装置，通过测试不同流速、不同粘度下的压裂液携带不同砂比、不同性能指标的支撑剂在不同缝隙结构条件下的水平流动过程中支撑剂的沉降速度和沉降高度等数据，研究支撑剂动态沉降与压裂液性能、施工排量、施工时间及不同缝隙结构的关系，综合评价压裂液的携砂能力，筛选出合适的油气压裂用压裂液和支撑剂，并能依据水力压裂模型对典型裂缝宽度的预测结果进行实验研究验证的压裂液携砂能力动态测试方法。

本发明的技术方案是：

该大型压裂液携砂能力动态测试装置由混料罐、螺杆泵、质量流量计、进出口扩散器、矩形模型和渣液收集罐构成，其特征在于：混料罐的流出端通过球阀VDa和管路与螺杆泵的流入端连通，螺杆泵的流出端分为两条支路，一条通过球阀VDb、管路、质量流量计和进出口扩散器与矩形模型的输入端连通，另一条通过球阀VDc和管路与渣液收集罐连通；矩形模型的流出端连接有进出口扩散器，矩形模型的流出端经过进出口扩散器后分为两条支路，一条通过管路和球阀VDd与渣液收集罐连通，另一条通过管路和VDe与混料罐的上部连通。

所述的螺杆泵上设置有频率调节器。

所述的矩形模型由模型边框、固定玻璃、固定压板、固定玻璃密封垫、直线导轨、活动压板、缝宽调节螺丝、方形密封条、活动玻璃和活动压板固定螺丝构成，模型边框的一侧依次安装固定玻璃密封垫、固定玻璃和固定压板，并通过螺栓把固定压板与模型边框固定，模型边框另一侧的上下边框通过直线导轨设置有活动压板，活动压板上通过螺栓固装有活动玻璃，活动玻璃和活动压板之间的密封槽内设置有方形密封条，活动压板上安装有缝宽调节螺丝，活动压板四周通过活动压板固定螺丝与模型边框连接固定。

所述的矩形模型通过旋转支座和倾斜调节螺杆与模型支架连接。

所述的矩形模型与模型支架之间安装有渣液收集槽。

所述的矩形模型能实现与竖直方向0-45°范围内的倾角调节。

所述的旋转支座上设置有显示矩形模型与竖直方向倾角的量角器。

所述的矩形模型流入端上方装有压力显示器，流出端上方装有出口排气阀，矩形模型的底部呈间隔状装有快开排渣堵头。

所述的进出口扩散器一端为圆形，与管道连接；另一端为长条形，与矩形模型的缝隙连接。

所述的大型压裂液携砂能力动态测试装置的使用方法包括以下步骤：

1）根据井场地质资料设计实验方案，实验方案应包括但不限于以下内容：压裂液配方及性能指标、支撑剂粒径及比重、砂比、流速、缝宽与倾角；

2）压裂液的配制及性能测试；

3）按照实验方案分别调整测试装置的缝宽和倾角；

4）分别开展不同流速、不同支撑剂和砂比在不同压裂液条件下的携砂能力测试，记录砂堤形成的时间和高度以及沉降过程中可能出现的拐点或长度等分位置；

5）研究压裂液性能如比重、流体粘度对携砂能力的相对影响，研究流速、支撑剂比重、砂比、裂缝宽度及角度对携砂能力的相对影响；

6）综合评估压裂液的携砂能力，优先筛选合适的油气压裂用压裂液和支撑剂，调整优化现场施工方案。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

该大型压裂液携砂能力动态测试装置操作简单快捷，控制方便，安全可靠，结构合理，采用螺杆泵作为流动动力，实现了大型裂逢宽度无级可调、裂逢角度可倾斜的模拟测试、避免了固定模拟裂逢宽度及裂宽度不能倾斜的局限性；装置矩形模型的进出口安装的流动扩散器，提高了模型内流体流动的稳定性，有效的增强裂缝的利用率，使得后续实验中的流动形式能够保持一致，避免了直管插入式接口导致形成的较大紊流和端部效应，影响压裂液的有效扩散。

该大型压裂液携砂能力动态测试方法，通过测试不同流速、不同粘度条件下的压裂液携带不同砂比、不同性能指标的支撑剂在不同缝隙结构条件下的水平流动过程中支撑剂的沉降速度和沉降高度等数据，研究支撑剂动态沉降与压裂液性能、施工排量、施工时间及不同缝隙结构的关系，综合评价压裂液的携砂能力，优先筛选合适的油气压裂用压裂液和支撑剂，并能依据水力压裂模型对典型裂缝宽度的预测结果进行实验研究验证，这种测试方法更接近于应用环境实况，对压裂液及支撑剂性能评价更科学。

附图说明

图1为本发明的流程原理结构示意图；

图2为本发明中矩形模型的安装结构示意图；

图3为本发明中进出口扩散器的主视结构图；

图4为本发明中进出口扩散器的右视结构图；

图5为本发明中进出口扩散器的俯视结构图；

图6为本发明中快开排渣堵头堵住矩形模型时的结构图；

图7为本发明中快开排渣堵头拔出矩形模型时的结构图。

图中：1、混料罐，2、球阀VDa，3、螺杆泵，4、频率调节器，5、球阀VDb，6、球阀VDc，7、质量流量计，8、进出口扩散器，9、压力显示器，10、矩形模型，11、出口排气阀，12、快开排渣堵头，13、球阀VDd，14、球阀VDe,15、渣液收集罐，16、模型支架，17、渣液收集槽，18、旋转支座，19、倾斜调节螺杆，20、模型边框，21、固定玻璃，22、固定压板，23、固定玻璃密封垫，24，直线导轨，25、活动压板，26、缝宽调节螺丝，27、方形密封条，28、活动玻璃，29、活动压板固定螺丝。

具体实施方式

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的如“流入端”通常是指流体流入的端口，“流出端”是指流体流出的端口。

该大型压裂液携砂能力动态测试装置由混料罐1、螺杆泵3、质量流量计7、进出口扩散器8、矩形模型10和渣液收集罐15构成，混料罐1的流出端通过球阀VDa2和管路与螺杆泵3的流入端连通，螺杆泵3的流出端分为两条支路，一条通过球阀VDb5、管路、质量流量计7和进出口扩散器8与矩形模型10的输入端连通，另一条通过球阀VDc6和管路与渣液收集罐15连通，所述的螺杆泵3上设置有频率调节器4，转速和流量根据测试需要由频率调节器4控制，螺杆泵3的排量在质量流量计7上进行反馈显示，所述的螺杆泵3的最大排量为50m³/h；矩形模型10的流出端连接有进出口扩散器8，进出口扩散器8一端为圆形，与管道连接，另一端为长条形，与矩形模型10的缝隙连接，这样进出口扩散器8能有效改变流体的流动截面，提高了矩形模型10内流体流动的稳定性，增强裂缝的利用率；矩形模型10的流出端经过进出口扩散器8后分为两条支路，一条通过管路和球阀VDd13与渣液收集罐15连通，另一条通过管路和VDe14与混料罐1的上部连通。

所述的矩形模型10通过旋转支座18和倾斜调节螺杆19与模型支架16连接，矩形模型10由模型边框20、固定玻璃21、固定压板22、固定玻璃密封垫23、直线导轨24、活动压板25、缝宽调节螺丝26、方形密封条27、活动玻璃28和活动压板固定螺丝29构成，模型边框20的一侧依次安装固定玻璃密封垫23、固定玻璃21和固定压板22，并通过螺栓把固定压板22与模型边框20固定，模型边框20另一侧的上下边框通过直线导轨24设置有活动压板25，活动压板25上通过螺栓固装有活动玻璃28，活动玻璃28和活动压板25之间的密封槽内设置有方形密封条27，活动压板25上安装有缝宽调节螺丝26，缝宽调节螺丝26能实现缝宽的无级调节，直线导轨24可以保持缝宽调节的平行性，活动压板25四周通过活动压板固定螺丝29与模型边框20连接固定；该矩形模型10测试段长4000mm，高600mm，缝宽范围5-30mm，矩形模型10可视面为两块有机玻璃板，强度高，透光性好，无色差。

所述的矩形模型10通过旋转支座18和倾斜调节螺杆19与模型支架16连接，旋转支座18上设置有显示矩形模型10与竖直方向倾角的量角器，矩形模型10在倾斜调节螺杆19和旋转支座18的作用下，通过调节两侧的倾斜调节螺杆19的螺母向上调节可逐步倾斜矩形模型10，反之可逐步扶正矩形模型10，能实现与竖直方向0-45°范围内的倾角调节，且该倾角度数能通过旋转支座18上设置的量角器显示出来，便于模拟测试过程中直观快速调节该倾角度数，实现矩形模型10测试段根据需要实现倾角准确调节。

所述的矩形模型10与模型支架16之间安装有渣液收集槽17用于收集快开排渣堵头12处流出的渣液。

所述的矩形模型10流入端上方装有压力显示器9，用于测试矩形模型10的进口压力；流出端上方装有出口排气阀11，用于流体流动时排出矩形模型10末端上部的空气，防止水击及涡流的产生；矩形模型10的底部呈间隔状装有快开排渣堵头12，快开排渣堵头12上设计有凸台，通过旋转能快速取出和安装，快开排渣堵头12保证在流动测试时矩形模型10底部的平整，同时在测试完成后能快速折卸和复位，清洗矩形模型内残余的支撑剂。

使用该大型压裂液携砂能力动态测试装置的方法具体操作步骤如下：

1）根据井场地质资料设计实验方案，实验方案应包括但不限于以下内容：压裂液配方及性能指标、支撑剂粒径及比重、砂比、流速、缝宽与倾角等；

2）压裂液的配制及性能测试，如压裂液比重、粘度等；

3）调节缝宽，以活动压板25内边沿与模型边框20的间隙为基准，当完成靠拢时缝宽为5mm,需要增加缝宽时，松开活动压板固定螺丝29，用缝宽调节螺丝26将活动压板25慢慢平行顶出，调节完毕，拧紧活动压板固定螺丝29；当需要减小缝宽时，松出缝宽调节螺丝26，直接拧进活动压板固定螺丝29，测量间隙的大小，得出缝宽尺寸；

4）调节倾角，一般状态下矩形模型为垂直方向，即倾角为0°，矩形模型10倾角通过两个倾斜调节螺杆19的螺母调节，倾斜调节螺杆19上的螺母向上调节可逐步倾斜矩形模型10，反之可逐步扶正矩形模型10，该倾角度数能通过旋转支座18上设置的量角器显示出来；

5）试漏，按流程连接好进出口管道，打开球阀VDa2、球阀VDb5，球阀VDe14,关闭球阀VDc6、球阀VDd13，将清水倒入混料罐1中，打开主控柜电源开关，以5m³/h的排量启动螺杆泵3，观察矩形模型10四周及管道连接处是否有泄漏，如无泄漏时，打开球阀VDc6、球阀VDd13，关闭球阀VDb5，球阀VDe14,等水排出后停止螺杆泵3，打开快开排渣堵头12排出矩形模型10内的余水；

6）混砂配料，关闭球阀VDa2，将计量的压裂液倒入混料罐1内，启动搅拌电机，按实验方案逐步加入砂料，直至混砂均匀；

7）携砂试验，关闭球阀VDc6、球阀VDd13，打开球阀VDa2、球阀VDb5，球阀VDe14,以5m³/h的排量启动螺杆泵3并调整到试验方案的最大排量，砂堤稳定形成后按方案逐步降低实验排量；记录每一组排量下砂堤稳定形成的时间和高度，拍摄支撑剂沉降过程中可能出现的拐点或长度等分位置，同时记录相关试验参数；

8）清洗。打开球阀VDc6、球阀VDd13，关闭球阀VDb5，球阀VDe14,等试验流体排出后停止螺杆泵3，关闭球阀VDc6、球阀VDd13，打开球阀VDb5，球阀VDe14,向混料罐1中注入清水，启动螺杆泵3循环清洗并排出，最后打开快开排渣堵头12排出矩形模型10内的余水余渣。

9）采用数据、图表、曲线等方式对实验数据进行分析，总结实验结果，进一步优化实验设计及现场施工方案。

以上所述只是本发明的较佳实施例而已，上述举例说明不对本发明的实质内容作任何形式上的限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了本说明书后依据本发明的技术实质对以上具体实施方式所作的任何简单修改或变形，以及可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实施例，均仍属于本发明技术方案的范围内，而不背离本发明的实质和范围。

Claims (10)

1.一种大型压裂液携砂能力动态测试装置，它由混料罐（1）、螺杆泵（3）、质量流量计（7）、进出口扩散器（8）、矩形模型（10）和渣液收集罐（15）构成，其特征在于：混料罐（1）的流出端通过球阀VDa（2）和管路与螺杆泵（3）的流入端连通，螺杆泵（3）的流出端分为两条支路，一条通过球阀VDb（5）、管路、质量流量计（7）和进出口扩散器（8）与矩形模型（10）的输入端连通，另一条通过球阀VDc（6）和管路与渣液收集罐（15）连通；矩形模型（10）的流出端连接有进出口扩散器（8），矩形模型（10）的流出端经过进出口扩散器（8）后分为两条支路，一条通过管路和球阀VDd（13）与渣液收集罐（15）连通，另一条通过管路和VDe（14）与混料罐（1）的上部连通。

2.根据权利要求1所述的一种大型压裂液携砂能力动态测试装置，其特征在于：所述的螺杆泵（3）上设置有频率调节器（4）。

3.根据权利要求1所述的一种大型压裂液携砂能力动态测试装置，其特征在于：所述的矩形模型（10）由模型边框（20）、固定玻璃（21）、固定压板（22）、固定玻璃密封垫（23）、直线导轨（24）、活动压板（25）、缝宽调节螺丝（26）、方形密封条（27）、活动玻璃（28）和活动压板固定螺丝（29）构成，模型边框（20）的一侧依次安装固定玻璃密封垫（23）、固定玻璃（21）和固定压板（22），并通过螺栓把固定压板（22）与模型边框（20）固定，模型边框（10）另一侧的上下边框通过直线导轨（24）设置有活动压板（25），活动压板（25）上通过螺栓固装有活动玻璃（28），活动玻璃（28）和活动压板（25）之间的密封槽内设置有方形密封条（27），活动压板（25）上安装有缝宽调节螺丝（26），活动压板（25）四周通过活动压板固定螺丝（29）与模型边框（20）连接固定。

4.根据权利要求1或3所述的一种大型压裂液携砂能力动态测试装置，其特征在于：所述的矩形模型（10）通过旋转支座（18）和倾斜调节螺杆（19）与模型支架（16）连接。

5.根据权利要求4所述的一种大型压裂液携砂能力动态测试装置，其特征在于：所述的矩形模型（10）与模型支架（16）之间安装有渣液收集槽（17）。

6.根据权利要求4或5所述的一种大型压裂液携砂能力动态测试装置，其特征在于：所述的矩形模型（10）能实现与竖直方向0-45°范围内的倾角调节。

7.根据权利要求4或5所述的一种大型压裂液携砂能力动态测试装置，其特征在于：所述的旋转支座（18）上设置有显示矩形模型（10）与竖直方向倾角的量角器。

8.根据权利要求1或3所述的一种大型压裂液携砂能力动态测试装置，其特征在于：所述的矩形模型（10）流入端上方装有压力显示器（9），流出端上方装有出口排气阀（11），矩形模型（10）的底部呈间隔状装有快开排渣堵头（12）。

9.根据权利要求1或3所述的一种大型压裂液携砂能力动态测试装置，其特征在于：所述的进出口扩散器（8）一端为圆形，与管道连接；另一端为长条形，与矩形模型（10）的缝隙连接。

10.根据权利要求1所述的一种大型压裂液携砂能力动态测试装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）根据井场地质资料设计实验方案，实验方案应包括但不限于以下内容：压裂液配方及性能指标、支撑剂粒径及比重、砂比、流速、缝宽与倾角；

2）压裂液的配制及性能测试；

3）按照实验方案分别调整测试装置的缝宽和倾角；

4）分别开展不同流速、不同支撑剂和砂比在不同压裂液条件下的携砂能力测试，记录砂堤形成的时间和高度以及沉降过程中可能出现的拐点或长度等分位置；

5）研究压裂液性能如比重、流体粘度对携砂能力的相对影响，研究流速、支撑剂比重、砂比、裂缝宽度及角度对携砂能力的相对影响；

6）综合评估压裂液的携砂能力，优先筛选合适的油气压裂用压裂液和支撑剂，调整优化现场施工方案。