CN110596319B - 一种实时变砂比的压裂支撑剂输送模拟实验方法及实验装置 - Google Patents

一种实时变砂比的压裂支撑剂输送模拟实验方法及实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实时变砂比的压裂支撑剂输送模拟实验方法，包括如下步骤：(1)测量支撑剂的体积密度ρt和视密度ρs；(2)设定初始砂比的数值C1；(3)设定压裂液体积流量Vf；(4)通过压裂液的体积流量和给定砂比值计算所需支撑剂的质量流量Wp，根据Wp计算出伺服电机转速n；(5)根据确定的压裂液体积流量Vf和伺服电机转速n同时向混砂筒泵入支撑剂和压裂液，当混砂筒内液体达到高水位极限时，停止泵入压裂液和支撑剂，打开混砂筒混砂液出口，混砂液注入模拟裂缝；当混砂筒内液体达到低水位极限时，再向混砂筒中泵入压裂液和支撑剂；(6)改变砂比的数值，重复步骤(3)～(5)，实现压裂支撑剂输送模拟实验实时变砂比的目的。

Description

一种实时变砂比的压裂支撑剂输送模拟实验方法及实验装置
技术领域
本发明涉及油气井、煤层气井压裂改造技术领域。特别是一种实时变砂比的压裂支撑剂输送模拟实验方法及实验装置。
背景技术
水力压裂是油气井、煤层气井投产、增产的一项重要措施，其基本原理是利用地面高压泵组，将压裂液泵入井内，使地层产生裂缝。当地层产生裂缝后再泵入含有支撑剂的压裂液(又称为混砂液)，目的是为了防止压后的裂缝重新闭合。压裂液携带支撑剂进入地层裂缝的过程，称之为支撑剂的输送过程。支撑剂的输送影响了支撑剂在裂缝中的分布状态，是决定压裂改造效果的关键。因此，对水力压裂来说，研究支撑剂的输送规律显得十分重要。
压裂支撑剂的输送过程的研究可以分为数值模拟、物理模拟两大类。由于支撑剂的输送过程属于固液两相流的力学范畴，其理论复杂，在数学模型中存在假设条件多，计算难度大等缺点，因此，针对支撑剂输送过程的研究多用到物理实验装置。支撑剂输送物理装置至少包含以下三个单元：混砂单元、输砂单元、裂缝单元。目前，对支撑剂输送物理模拟装置的改进主要集中在裂缝单元，通过增加裂缝条数和角度来模拟地下多尺度的裂缝，而忽略了其他单元如混砂单元的改进。但是，在实际的压裂施工过程中，支撑剂的混合比例，即砂比不是一成不变的，而传统的支撑剂输送装置多是研究砂比一定后支撑剂的输送规律，不能实现实时改变砂比。
发明内容
本发明的一个目的针对传统的支撑剂输送装置多不能实现实时改变砂比的不足，提供一种实时变砂比的压裂支撑剂输送模拟实验方法。
本发明的另一个目的是提供一种上述实时变砂比的压裂支撑剂输送模拟实验方法过程中使用的实验装置。
压裂过程中，砂比可以表示为：
Figure BDA0002211116700000011
式中：Vst是支撑剂体积流量，m3/min；
Vf是压裂液体积流量，m3/min；
Φ是支撑剂的堆积孔隙度，小数。
支撑剂体积流量可以用质量流量来表示：
Figure BDA0002211116700000021
式中：Wp是支撑剂质量流量，kg/min；
ρt是支撑剂体积密度，kg/m3。
在压裂支撑剂输送模拟实验过程中，支撑剂的体积密度一般是已知量，因此，控制支撑剂输送实验过程中砂比的变化，实际上可以通过控制支撑剂质量变化和压裂液液量变化实现。因此，本发明提供一种支撑剂输送模拟实时变砂比的方法。
本发明提供的实时变砂比的压裂支撑剂输送模拟实验方法，包括如下步骤：
(1)测量支撑剂的体积密度ρt和视密度ρs。
(2)给定初始砂比的数值C1。
(3)设定压裂液体积流量Vf。
(4)通过压裂液的体积流量和给定砂比值计算所需支撑剂的质量流量Wp，质量流量Wp计算公式如下：
Figure BDA0002211116700000022
式中，Vf是压裂液体积流量，m3/min；ρs是支撑剂体积密度，kg/m3；C1是初始砂比的数值；φ是支撑剂的堆积孔隙度，计算公式如下：
Figure BDA0002211116700000023
支撑剂的体积密度ρt和视密度ρs按照“中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T5108-2014”中的视密度和体积密度测定方法进行测定。
通过控制输送支撑剂的伺服电机的转速来控制支撑剂的质量流量；伺服电机的最大转速在3000r/min，控制支撑剂最大质量流量为99kg/min，伺服电机转速与质量流量的关系表示如下：
Wp＝0.033n
根据Wp计算出伺服电机转速n。
(5)根据确定的压裂液体积流量和伺服电机转速同时向混砂筒泵入支撑剂和压裂液，当混砂筒内液体达到高水位极限时，停止泵入压裂液和支撑剂，打开混砂筒混砂液出口，混砂液被不断注入模拟裂缝；当混砂筒内液体达到低水位极限时，再向混砂筒中泵入压裂液和支撑剂，保证混砂液持续注入模拟裂缝。
(6)改变砂比的数值，重复步骤(3)～(5)，实现压裂支撑剂输送模拟实验实时变砂比的目的。
本发明还提供了一种用于上述实验方法中的实验装置。该实验装置包括模拟裂缝、与模拟裂缝连接的混砂筒、与混砂筒的进砂口连接的进砂系统、与混砂筒的进液口连接的进液系统。
所述进砂系统包括储砂料斗，储砂料斗前后左右四个侧壁面各安装有一个称重传感器，可以称量记录支撑剂质量变化。四个称重传感器同时测量储砂料斗内的支撑剂重量，加和以后求平均值，尽量减小称重误差。储砂料斗底部出口通过伺服电机与混砂筒的进砂口连接。所述储砂料斗用铝合金支架固定。所述进液系统包括压裂液储罐、压裂液储罐与混砂筒连通的管路上设有离心泵、液体流量计和电磁阀。
所述混砂筒外侧安装有透明液位计，液位计内装有不锈钢浮球。利用U型管原理，能够实时探测混砂筒内液位高度。在液位计内上部和下部分别设有高水位接触式感应开关和低水位接触式感应开关。高水位接触式感应开关的安装位置与混砂筒内设定的最高液位相对应，低水位接触式感应开关的安装位置与混砂筒内设定的最低液位相对应。当浮球下移至接触到低水位感应开关时，低水位开关控制电磁阀和伺服电机开启；当浮球上移至接触高水位开关时，高水位感应开关控制电磁阀和伺服电机关闭。电磁阀开启，混砂筒进压裂液；电磁阀关闭，混砂筒停止进压裂液。避免混砂筒内液位过高或过低影响支撑剂和压裂液的均匀混合。所述混砂筒内设置用于搅拌混料的旋转叶片，使支撑剂和压裂液在混砂筒内均匀混合。混砂筒底部设置与模拟裂缝连接的混砂液出口。所述混砂液出口通过螺杆泵与模拟裂缝进液口连接。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
本发明提供了一种压裂支撑剂输送模拟实验实时变砂比的方法，即将支撑剂的体积用可测量的质量代替，通过控制支撑剂的质量流量，实现了支撑剂输送模拟实时变砂比的目的，替代了以往支撑剂输送模拟中砂比单一的这种情况。本发明中的压裂支撑剂输送模拟实验实时变砂比的装置可以用来研究变砂比的支撑剂输送规律。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1、本发明的实时变砂比的压裂支撑剂输送模拟实验装置示意图。
图2、本发明的实时变砂比的压裂支撑剂输送模拟实验方法的流程图。
图中标号：1-模拟裂缝、2-储砂料斗、3-称重传感器、4-伺服电机、5-混砂筒进砂口、6-浮球、7-液位计、8-旋转叶片、9-混砂筒、10-混砂液出口、11-螺杆泵、12-混砂筒进液口、13-电磁阀、14-液体流量计、15-离心泵、16-压裂液液罐、17-高水位接触式感应开关、18-低水位接触式感应开关。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的实时变砂比的压裂支撑剂输送模拟实验装置，包括模拟裂缝1、与模拟裂缝连接的混砂筒9、与混砂筒的进砂口5连接的进砂系统、与混砂筒的进液口12连接的进液系统。
所述进砂系统包括储砂料斗2，储砂料斗前后左右四个侧壁面各安装有一个称重传感器3，可以称量记录支撑剂质量变化。四个称重传感器同时测量储砂料斗内的支撑剂重量，加和以后求平均值，尽量减小称重误差。储砂料斗2底部出口通过伺服电机4与混砂筒的进砂口5连接。所述储砂料斗2用铝合金支架固定。所述进液系统包括压裂液储罐16、压裂液储罐与混砂筒连通的管路上设有离心泵15、液体流量计14和电磁阀13。
所述混砂筒9外侧安装有透明液位计7，液位计内装有不锈钢浮球6。利用U型管原理，能够实时探测混砂筒内液位高度。在液位计内上部和下部分别设有高水位接触式感应开关17和低水位接触式感应开关18。高水位接触式感应开关的安装位置与混砂筒设定的最高液位相对应，低水位接触式感应开关的安装位置与混砂筒内设定的最低液位相对应。低水位接触式感应开关用于控制电磁阀和伺服电机开启。高水位接触式感应开关用于控制电磁阀和伺服电机关闭。当浮球接触低水位开关时，控制电磁阀和伺服电机开启；当浮球接触高水位开关时，控制电磁阀和伺服电机关闭。电磁阀开启，混砂筒进压裂液；电磁阀关闭，混砂筒停止进压裂液。避免混砂筒内液位过高或过低影响支撑剂和压裂液的均匀混合。所述混砂筒内设置用于搅拌混料的旋转叶片8，在混砂筒进液后不断旋转，保证砂液的混合均匀，使支撑剂和压裂液在混砂筒内均匀混合。混砂筒底部设置与模拟裂缝连接的混砂液出口10。所述混砂液出口通过螺杆泵11与模拟裂缝进液口连接。螺杆泵11负责将混合均匀的混砂液带入裂缝1内。
采用上述的实时变砂比的压裂支撑剂输送模拟实验装置进行实验的方法，流程图如图2所示。一个具体实施例包括如下步骤：
(1)选取20～40目的石英砂支撑剂10kg，测量其体积密度约为1600kg/m3，视密度是2462kg/m3，计算出堆积孔隙度φ为0.35，通过升降机倒入储砂料斗。
(2)选用清水作为压裂液材料，使液体体积占压裂液液罐的80％～90％
(3)设定初始砂比为5％，设定初始压裂液排量为0.4m3/min，经过计算得到的支撑剂质量流量为33.075kg/min，伺服电机转速为1002r/min。
(4)混砂筒不断进液，达到其高水位极限时，关闭电磁阀和伺服电机，打开混砂筒出液口，携砂液被不断带出。
(5)混砂筒不断出液，达到其低水位极限时，打开电磁阀和伺服电机，混砂筒重新进液。
(6)将实验砂比更换为7％，初始压裂液排量保存不变，经过计算得到的支撑剂质量流量为45.97kg/min，伺服电机转速为1393r/min。重复步骤(4)～(5)，可以实现实时变砂比的功能。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，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许更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 (3)

1.一种实时变砂比的压裂支撑剂输送模拟实验方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)测量支撑剂的体积密度ρt和视密度ρs；
(2)设定初始砂比的数值C1；
(3)设定压裂液体积流量Vf；
(4)通过压裂液的体积流量和给定砂比值计算所需支撑剂的质量流量Wp，质量流量Wp计算公式如下：
Figure FDA0002920573960000011
式中，φ是支撑剂的堆积孔隙度，计算公式如下：
Figure FDA0002920573960000012
通过控制输送支撑剂的伺服电机的转速来控制支撑剂的质量流量；伺服电机的最大转速在3000r/min，控制支撑剂最大质量流量为99kg/min，伺服电机转速与质量流量的关系表示如下：
Wp＝0.033n
根据Wp计算出伺服电机转速n；
(5)根据确定的压裂液体积流量Vf和伺服电机转速n同时向混砂筒泵入支撑剂和压裂液，当混砂筒内液体达到高水位极限时，停止泵入压裂液和支撑剂，打开混砂筒混砂液出口，混砂液被不断注入模拟裂缝；当混砂筒内液体达到低水位极限时，再向混砂筒中泵入压裂液和支撑剂，保证混砂液持续注入模拟裂缝；
(6)改变砂比的数值，重复步骤(3)～(5)，实现压裂支撑剂输送模拟实验实时变砂比的目的。
2.一种用于如权利要求1所述的实验方法中的实验装置，其特征在于，包括模拟裂缝、与模拟裂缝连接的混砂筒、与混砂筒的进砂口连接的进砂系统、与混砂筒的进液口连接的进液系统；
所述进砂系统包括储砂料斗，储砂料斗用铝合金支架固定，储砂料斗前后左右四个侧壁面各安装有一个称重传感器，储砂料斗底部出口通过伺服电机与混砂筒的进砂口连接；
所述进液系统包括压裂液储罐、压裂液储罐与混砂筒连通的管路上设有离心泵、液体流量计和电磁阀；
所述混砂筒外侧安装有透明液位计，液位计内装有不锈钢浮球，在液位计内上部和下部分别设有高水位接触式感应开关和低水位接触式感应开关；高水位接触式感应开关的安装位置与混砂筒内设定的最高液位相对应，低水位接触式感应开关的安装位置与混砂筒内设定的最低液位相对应；当浮球接触低水位开关时，低水位开关控制电磁阀和伺服电机开启；当浮球接触高水位开关时，高水位开关控制电磁阀和伺服电机关闭；混砂筒底部设置与模拟裂缝连接的混砂液出口；混砂液出口通过螺杆泵与模拟裂缝进液口连接。
3.如权利要求2所述的实验装置，其特征在于，所述混砂筒内设置用于搅拌混料的旋转叶片。
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