CN109812254B - 一种模拟压裂裂缝内携砂液输送实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种模拟压裂裂缝内携砂液输送实验装置及方法，包括螺旋式支撑剂输送装置、搅拌罐、螺杆泵、液体输送泵、压力计、支撑剂运移展布系统、旋流除砂器、废液回收桶、支撑剂回收桶、压裂液储罐；所述螺旋式支撑剂输送装置与搅拌罐连通，所述废液回收桶、压裂液储罐均通过液体输送泵与搅拌罐连通；所述搅拌罐底端通过螺杆泵与支撑剂运移展布系统连通。本发明通过设置计算机对含有液压槽的透明立体裂缝构件的精确控制，能够实现模拟在一定闭合压力下的携砂液铺置，此外透明立体裂缝构件能够在不发生损伤的条件下产生微小的形变，以此研究水力裂缝和天然裂缝所构成的缝网系统在张开和扩展阶段的携砂液铺置规律。
Description
技术领域
本发明属于水力压裂技术领域，尤其涉及一种模拟压裂裂缝内携砂液输送实验装置及方法。
背景技术
随着全球化的发展，受到国内外油气形势的影响，为保障国家能源安全，提升我国国内油气勘探开发力度，国家做出了增产油气的重要批示。水力压裂过程中，除了滑溜水之外，需要泵入大量的支撑剂用以支撑压开的裂缝。因此，如何更好地以接近地层情况来探究携砂液在压裂裂缝内的铺置情况具有重要意义。
然而，在现有的实验模拟技术中，仍然存在以下几点问题：(1)水力裂缝和天然裂缝的宽度虽然可以人工调整，但是其等同于在进行模拟实验前已经人为设定好，无法突出支撑剂在铺置过程中的宽度变化规律；(2)已有的装置中，模拟裂缝的两块玻璃板被人为固定，没有考虑人工裂缝和天然裂缝起裂时候存在裂缝闭合压力的情况，因此在进行实验时，裂缝处于张开状态，无法模拟在水力裂缝和天然裂缝开启并张开阶段的支撑剂铺砂分布；(3)支撑剂在运移铺置过程中会发生沉降作用，特别是采用滑溜水携砂时，支撑剂的沉降速度较快，从而导致裂缝的下部分宽度较上部分的宽度大，而已有的装置无法考虑该情况。综上所述，在现有的技术中，与真实的携砂液在裂缝中的输送情况相比较，仍存在较大的差距。
发明内容
本发明主要是克服现有技术中的不足之处，提出一种模拟压裂裂缝内携砂液输送实验装置及方法，本发明能够更加接近真实的情况来模拟携砂液的输送规律，本发明能够设置实现存在不同的水力裂缝和天然裂缝闭合压力，考虑裂缝张开过程以及支撑剂沉降作用分别引起的沿缝长和缝高方向裂缝宽度的变化，进而通过精确测量裂缝宽度，得到考虑闭合压力和裂缝张开下的携砂液在压裂裂缝内的输送规律。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种模拟压裂裂缝内携砂液输送实验装置，包括螺旋式支撑剂输送装置、搅拌罐、螺杆泵、液体输送泵、压力计、支撑剂运移展布系统、旋流除砂器、废液回收桶、支撑剂回收桶、压裂液储罐；
所述螺旋式支撑剂输送装置与搅拌罐连通，所述废液回收桶、压裂液储罐均通过液体输送泵与搅拌罐连通；所述搅拌罐底端通过螺杆泵与支撑剂运移展布系统连通；
所述支撑剂运移展布系统与旋流除砂器连通，所述旋流除砂器上端与废液回收桶连通，底端与支撑剂回收桶连通；
所述旋流除砂器与支撑剂运移展布系统之间设有流量计，所述压力计并联设置在支撑剂运移展布系统的两端；
所述支撑剂运移展布系统包括透明立体裂缝构件块和分别连接在透明立体裂缝构件块上、下两端的上盖板、下盖板；所述透明立体裂缝构件块内设有充满液压液的液压槽，所述透明立体裂缝构件块的左端设有主裂缝入口，右端设有主裂缝出口，上端设有天然裂缝出口。
进一步的技术方案是，所述支撑剂运移展布系统上设有液压控制装置。
进一步的技术方案是，所述主裂缝入口、主裂缝出口、天然裂缝出口处均设有橡胶，并在橡胶上开设三个孔眼。
进一步的技术方案是，所述流量计为电磁流量计。
进一步的技术方案是，所述搅拌罐内设有由搅拌电机带动的搅拌转轴，所述搅拌转轴上设有若干搅拌叶。
进一步的技术方案是，所述搅拌罐下方设有重量测试器。
一种模拟压裂裂缝内携砂液输送实验方法，包括以下步骤：
(1)按照实验所设置的砂比值，配置好实验所需的支撑剂和压裂液用量，通过螺旋式支撑剂输送装置输送至搅拌罐内，并打开搅拌电机进行搅拌，使携砂液能够得到充分混合；
(2)按照实验所需的主裂缝长度，天然裂缝排布方式以及天然裂缝之间的间距，配置好所需的透明立体裂缝构件块，组装透明立体裂缝构件，并将上盖板、下盖板用螺栓固定；
(3)通过液压控制装置对液压槽的控制，模拟实验所需的裂缝闭合压力；
(4)打开驱动控制面板，启动螺杆泵；
(5)打开水力裂缝和天然裂缝携砂液出口处的阀门，以及旋流除砂器的阀门；
(6)观察透明立体裂缝构件逐渐产生的形变即水力裂缝和天然裂缝发生张开并逐步扩展的沙堤形状，并用高清摄像机记录过程；
(7)使用裂缝宽度测量仪器测量不同位置的裂缝张开度，利用计算机处理数据，最终得到更加接近真实条件下的裂缝中携砂液铺置规律。
本发明具有以下优点：
1、本发明通过设置计算机对含有液压槽的透明立体裂缝构件的精确控制，能够实现在一定闭合压力下的携砂液铺置模拟，此外透明立体裂缝构件能够随着注入压力的变化产生微小的形变，以此研究水力裂缝和天然裂缝在张开和扩展阶段的携砂液铺置规律；
2、本发明通过设置不同形状液压槽的透明立体裂缝构件，能够实现含有天然裂缝，不同天然裂缝排布与间距下的携砂液铺置实验模拟；
3、本文明在水力裂缝的入口、出口和天然裂缝的出口处安装有电磁流量计和压力测试表，能够对各天然裂缝的流量进行实时监测，从而对比不同时刻天然裂缝所获得的流量；
4、本发明考虑了裂缝内支撑剂的沉降作用，充分反映了在缝高、缝长方向上的水力裂缝和天然裂缝的支撑缝宽分布；
5、本发明操作简单，具备大尺度、可视化的特点，能够直接地用肉眼观察实验过程，分析实验现象和规律，为压裂工程参数优化提供依据，模型制作简单，便于推广。
附图说明
图1为本发明实验装置结构图；
图2为存在闭合压力下，支撑剂运移展布系统初始状态(俯视图)；
图3为由于携砂液的泵入，支撑剂运移展布系统中的透明立体裂缝构件发生形变(俯视图)；
图4为支撑剂运移展布系统在主裂缝入口、出口处的侧视图；
图5为透明立体裂缝构件发生形变后，支撑剂运移展布系统在主裂缝入口、出口处的侧视图(即主裂缝宽度方向)；
图6为支撑剂运移展布系统沿着主裂缝长度方向的侧视图；
图7为透明立体裂缝构件发生形变后，支撑剂运移展布系统沿主裂缝长度方向的侧视图；
图8为水力裂缝入口、出口以及天然裂缝出口处的橡胶图，其中间有孔眼；
图9为透明立体裂缝构件发生形变后，水力裂缝入口、出口以及天然裂缝出口处的橡胶变形图；
图10为本发明实施案例的裂缝宽度分布图。
图中所示：1-螺旋式支撑剂输送装置，2-搅拌罐，3-搅拌叶，4-搅拌电机，5、501～505-阀门，6-螺杆泵，7-液体输送泵，8-压力计，9-支撑剂运移展布系统，10-流量计，11-管汇，12-液压控制装置，13-旋流除砂器，14-废液回收桶，15-支撑剂回收桶，16-螺杆泵控制面板，17-压裂液储罐，901-液压槽，902-螺栓，903-透明里立体裂缝构件块，904-主裂缝入口，905-主裂缝出口，906-天然裂缝出口，907-上盖板，908-下盖板，909-橡胶，910-孔眼。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的说明。
如图1-9所示：本发明的一种模拟压裂裂缝内携砂液输送实验装置，包括螺旋式支撑剂输送装置1、搅拌罐2、螺杆泵6、液体输送泵7、压力计8、支撑剂运移展布系统9、旋流除砂器13、废液回收桶14、支撑剂回收桶15、压裂液储罐17，上述各个装置之间均是通过管汇11连接相通；
所述螺旋式支撑剂输送装置1与搅拌罐2连通，所述废液回收桶14、压裂液储罐17均通过液体输送泵7与搅拌罐2连通；所述搅拌罐2底端通过螺杆泵6与支撑剂运移展布系统9连通；所述搅拌罐2内设有由搅拌电机4带动的搅拌转轴，所述搅拌转轴上设有若干搅拌叶3，所述搅拌罐2下方设有重量测试器；
所述支撑剂运移展布系统9与旋流除砂器13连通，所述旋流除砂器13上端与废液回收桶14连通，底端与支撑剂回收桶15连通；
所述旋流除砂器13与支撑剂运移展布系统9之间设有流量计10，流量计10为电磁流量计，所述压力计8并联设置在支撑剂运移展布系统9的两端；
所述支撑剂运移展布系统9包括透明立体裂缝构件块903和分别通过螺栓902固定在透明立体裂缝构件块903上、下两端的上盖板907、下盖板908；所述透明立体裂缝构件块903内设有充满液压液的液压槽901，液压槽901的形状因立体裂缝构件块位置的不同而不同，所述支撑剂运移展布系统9上设有用于控制液压槽901内液压的液压控制装置12，所述透明立体裂缝构件块903的左端设有主裂缝入口904，右端设有主裂缝出口905，上端设有天然裂缝出口906，所述主裂缝入口904、主裂缝出口905、天然裂缝出口906处均设有橡胶909，并在橡胶909上开设三个孔眼910。
图2为存在闭合压力下，支撑剂运移展布系统初始状态(俯视图)，也就是实施例中支撑剂运移展布系统9的俯视图，在主裂缝的入口和出口处的透明立体裂缝构件上下表面布置有螺栓902，用以固定上下盖板，从而防止携砂液向外喷出，保证携砂液能够被泵入裂缝中，图4为支撑剂运移展布系统在主裂缝入口、出口处的侧视图，图6为支撑剂运移展布系统沿着主裂缝缝长方向的侧视图，本实施案例中，除了携砂液注入口和出口用“L”字形液压槽901裂缝构件外，缝长中间部分的裂缝构件采用“T”字形，当进行天然裂缝的不同排布方式和不同间距模拟实验时，可以采用不同尺寸大小的“T”字形裂缝构件，在支撑剂运移展布系统9的两端设有流量计和压力计，携砂液从支撑剂运移展布系统9的主裂缝出口905处出来后，沿着管汇11进入旋流式除砂器13，经过固液分离，废液流入废液回收桶14，废固经过底部出口流入支撑剂回收桶15，废液经过处理达标后，通过液体输送泵7重新泵入搅拌罐2。
需要说明的是，为保证不影响实验的可视化，所有的透明立体裂缝构件、盖板均为透明体，液压槽中的液压油为透明体，通过液压控制装置12来精确控制液压油的压力大小。
图4为主裂缝注入口和出口处的侧视图。
图6为沿着主裂缝缝长方向的侧视图。
在图4、图6处的各个裂缝注入口和出口处，使用橡胶909将裂缝出入口处相邻的裂缝面粘连，并在橡胶面上设置三个孔眼910。
一种模拟压裂裂缝内携砂液输送实验方法，包括以下步骤：
(1)按照实验所设置的砂比值，配置好实验所需的支撑剂和压裂液用量，通过螺旋式支撑剂输送装置1输送至搅拌罐2内，并打开搅拌电机4进行搅拌，使携砂液能够得到充分混合；
(2)按照实验所需的主裂缝长度，天然裂缝排布方式以及天然裂缝之间的间距，配置好所需的透明立体裂缝构件块903，组装透明立体裂缝构件，并将上盖板907、下盖板908用螺栓902固定，使之与透明立体裂缝构件保持良好的密封性；
需要说明的是，当裂缝发生变形时，液压流体内部压力会有所增加，需要在外部设置液压活塞装置，通过计算机实现精确控制，使其加载的闭合压力保持恒定，并且裂缝构件处于弹性范围内，没有任何力学损伤。
(3)打开各个裂缝出口处的阀门，泵入携砂液后，当所憋压力满足裂缝张开所需压力时，主裂缝和天然裂缝的裂缝面发生相对位移，即张开和扩展，其效果，俯视图如图3所示，水力裂缝主入口一侧侧视图如图5所示，沿着水力裂缝长度方向的外侧效果图如图7所示，此外在各个裂缝注入口和出口处的橡胶变形如图9所示，同时，各个裂缝注入口和出口处的电磁流量计和压力记录各个时刻的流量和压力，并将实时数据传输至计算机12；
需要说明的是橡胶能够在所粘连的裂缝面发生相对位移(mm级别)即裂缝发生扩张时，橡胶尚未达到屈服状态，仍然能够保持一定的密封性。
(4)携砂液进入旋流除砂器13后，经过固液分离，压裂液和支撑剂分别进入废液回收桶14和支撑剂回收桶15；
需要说明的是，经过处理达标后的压裂液可以通过液体输送泵7直接输送至搅拌罐2中，同样，在不改变支撑剂性能指标的条件下，支撑剂经过晾干后也能循环使用。
(5)当携砂液的铺置模拟实验结束后，松开上盖板，将裂缝宽度测量仪器在透明立体裂缝构件的四个外侧面进行裂缝宽度测试；
需要说明的是，本发明的实验方法中，测量仪器精度满足实验要求，其测出来的数据是声波的回波幅度值，需经过计算机的数据处理和反演，从而得到不同位置的裂缝宽度值。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，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，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种模拟压裂裂缝内携砂液输送实验装置，其特征在于，包括螺旋式支撑剂输送装置（1）、搅拌罐（2）、螺杆泵（6）、液体输送泵（7）、压力计（8）、支撑剂运移展布系统（9）、旋流除砂器（13）、废液回收桶（14）、支撑剂回收桶（15）、压裂液储罐（17）；
所述螺旋式支撑剂输送装置（1）与搅拌罐（2）连通，所述废液回收桶（14）、压裂液储罐（17）均通过液体输送泵（7）与搅拌罐（2）连通；所述搅拌罐（2）底端通过螺杆泵（6）与支撑剂运移展布系统（9）连通；
所述支撑剂运移展布系统（9）与旋流除砂器（13）连通，所述旋流除砂器（13）上端与废液回收桶（14）连通，底端与支撑剂回收桶（15）连通；
所述旋流除砂器（13）与支撑剂运移展布系统（9）之间设有流量计（10），所述压力计（8）并联设置在支撑剂运移展布系统（9）的两端；
所述支撑剂运移展布系统（9）包括透明立体裂缝构件块（903）和分别连接在透明立体裂缝构件块（903）上、下两端的上盖板（907）、下盖板（908）；所述透明立体裂缝构件块（903）内设有充满透明液压液的液压槽（901），透明立体裂缝构件块（903）的左端设有主裂缝入口（904），右端设有主裂缝出口（905），上端设有天然裂缝出口（906）。
2.根据权利要求1所述的一种模拟压裂裂缝内携砂液输送实验装置，其特征在于，所述支撑剂运移展布系统（9）上设有液压控制装置（12）。
3.根据权利要求2所述的一种模拟压裂裂缝内携砂液输送实验装置，其特征在于，所述主裂缝入口（904）、主裂缝出口（905）、天然裂缝出口（906）处均设有橡胶（909），并在橡胶（909）上开设三个孔眼（910），由透明立体裂缝构件组装成透明立体裂缝构件块（903），当透明立体裂缝构件发生微小变形时，该橡胶尚未达到屈服状态，仍然能够保持密封性，并且透明立体裂缝构件处于弹性范围内，没有任何力学损伤。
4.根据权利要求1所述的一种模拟压裂裂缝内携砂液输送实验装置，其特征在于，所述流量计（10）为电磁流量计。
5.根据权利要求1所述的一种模拟压裂裂缝内携砂液输送实验装置，其特征在于，所述搅拌罐（2）内设有由搅拌电机（4）带动的搅拌转轴，所述搅拌转轴上设有若干搅拌叶（3）。
6.根据权利要求5所述的一种模拟压裂裂缝内携砂液输送实验装置，其特征在于，所述搅拌罐（2）下方设有重量测试器。
7.一种采用权利要求1-6中任一权利要求所述模拟压裂裂缝内携砂液输送实验装置的模拟压裂裂缝内携砂液输送 实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按照实验所设置的砂比值，配置好实验所需的支撑剂和压裂液用量，通过螺旋式支撑剂输送装置（1）输送至搅拌罐（2）内，并打开搅拌电机（4）进行搅拌，使携砂液能够得到充分混合；
（2）按照实验所需的主裂缝长度，天然裂缝排布方式以及天然裂缝之间的间距，配置好所需的透明立体裂缝构件块（903），组装透明立体裂缝构件形成透明立体裂缝构件块（903），所述透明立体裂缝构件块（903）内设有充满透明液压液的液压槽（901），并将上盖板（907）、下盖板（908）用螺栓（902）固定；
（3）通过液压控制装置（12）对液压槽（901）的控制，模拟实验所需的裂缝闭合压力；
（4）打开驱动控制面板，启动螺杆泵（6）；
（5）打开水力裂缝和天然裂缝携砂液出口处的阀门，以及旋流除砂器（13）的阀门；
（6）观察透明立体裂缝构件逐渐产生的形变即水力裂缝和天然裂缝发生张开并逐步扩展的沙堤形状，并用高清摄像机记录过程；
（7）使用裂缝宽度测量仪器测量不同位置的裂缝张开度，利用计算机处理数据，最终得到更加接近真实条件下的裂缝中携砂液铺置规律。
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