CN110685660A - 实现支撑剂输送实验携砂液浓度精确控制的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及实现支撑剂输送实验携砂液浓度精确控制的装置及方法。该装置由压裂液罐1、螺杆泵2、分流三通16、密闭式混砂罐19、滑片泵7、进砂罐6、汇流三通18、模拟井筒20、可视化平板裂缝10、摄像机21组成。该方法包括：将可视化平板裂缝固定于支座上，形成垂直裂缝；启动螺杆泵，压裂液在分流三通处分流为向上流动与向前流动两部分；向上流动的压裂液进入密闭式混砂罐中，压裂液和支撑剂在混砂罐内混合形成携砂液；向前分流的压裂液与混砂罐内的携砂液在汇流三通处进行充分混合；将充分混合后的携砂液经过模拟井筒泵注到平板裂缝中。本发明原理可靠，操作简便，极大地提高实验的准确性，使支撑剂输送和铺置优化结果更具有现场指导意义。

Description

实现支撑剂输送实验携砂液浓度精确控制的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种实现支撑剂输送实验携砂液浓度精确控制的实验装置及方法，属于油气田开发领域。

背景技术

水力压裂是利用高压泵组，将压裂液泵注入地层，在超过地层破裂压力时压开油气储层，从而释放油气产能，提高油气采收率，达到增产效果。而在地面停泵后，人工裂缝会因为地层压力发生闭合，因此在压开储层后，会接着注入支撑剂颗粒使所压开的裂缝仍然能够保持一定的开度，从而使地层裂缝保持一定的导流能力。因此，支撑剂颗粒在裂缝中的运移及铺置将会极大地影响最终的增产效果，研究支撑剂在缝内的运移规律对于指导水力压裂施工有着较大意义。

目前研究水力压裂过程中的支撑剂运移主要是利用大型可视化平板实验手段，通过将含支撑剂的携砂液泵注至可视化平板裂缝中，进而通过对平板裂缝中的支撑剂输送过程的观察来研究其运动规律。中国专利申请CN106151833A公开了一种压裂液携砂效果评装置及方法，该装置是将携砂液提前配置好，然后通过注入泵和管线直接输送至平板裂缝。在这个过程中，特别是模拟页岩滑溜水输送支撑剂的实验，由于滑溜水粘度较低，支撑剂会在多相混输泵内出现一定的沉降，导致进入平板内的支撑剂浓度不能保持一个稳定值，影响实验的测试精度，最终影响支撑剂输送优化研究结果。2016年Songyang Tong等人在文章（Proppant transport study in fractures with intersections[J].Fuel,2016,181:463-477）中提到了一种不利用混输泵直接输送混砂液的实验装置，该装置使支撑剂和压裂液在裂缝入口处进行混合，仅靠重力实现混砂液的注入，因此只能模拟较小压力的工况，同时混砂罐未保持密闭，会导致空气进入到平板裂缝中，对支撑剂输送过程产生干扰。

发明内容

本发明的目的在于提供实现支撑剂输送实验携砂液浓度精确控制的装置，该装置在螺杆泵后设置分流管路，通过密闭式混砂罐实现均匀进砂，并通过调节汇流管路流量来精确控制携砂液浓度，既避免携砂液通过混输泵时支撑剂发生沉降，同时能防止空气进入到平板裂缝中，极大地提高实验的准确性，使支撑剂输送和铺置优化结果更具有现场指导意义。

本发明的另一目的还在于提供利用上述装置实现支撑剂输送实验携砂液浓度精确控制的方法，该方法原理可靠，操作简便，在能够满足模拟水力裂缝中支撑剂输送铺置实验测试要求的同时，有效地避免了支撑剂颗粒在泵内沉降，从而导致实验条件无法精确控制的问题。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

实现支撑剂输送实验携砂液浓度精确控制的装置，由压裂液罐、螺杆泵、流量计、分流三通、密闭式混砂罐、汇流三通、模拟井筒、可视化平板裂缝、废液罐、调节阀门、压力计、摄像机组成。

所述压裂液罐用于配置实验所用的纯压裂液，其通过管线直接连接动力设备螺杆泵。压裂液被螺杆泵增压后，通过流量计计量压裂液的流量，并用阀门进行调节。泵后连接三通形式的管路，流体被分流为向上流动与向前流动两部分，向上流动的流体由进液口进入到密闭式混砂罐中，用阀门控制进入密闭式混砂罐的流量。

所述密闭式混砂罐主要由水量保持装置与均匀进砂装置构成。

所述水量保持装置由浮球、固定杆、杠杆以及防水垫片组成。在注入前期，由于混砂罐中液面较低，在重力作用条件下，防水垫片没有将进液口封住，压裂液能够顺利进入罐中；而随着液面的上升，在浮力作用的条件下，浮球将向上移动，通过杠杆，防水垫片会将进液口封住，向上分流的压裂液不再进入；而随着实验的进行，罐中的液面又将稍有下降，入水口将再次被打开；如此循环，可以保证在密闭式混砂罐中的水位保持动态平衡。

所述均匀进砂装置由进砂罐与滑片泵组成。支撑剂被加入到进砂罐中，通过调节滑片泵的转速，准确控制进入混砂罐的砂量。支撑剂进入罐内后与压裂液混合成携砂液，其在重力作用下向下沉降，最终进入罐内的所有支撑剂颗粒均会由罐底部管线注入到主管线中，与上游向前分流的流体在三通处汇合。

向前分流的流体在与上方携砂液汇合前将经过一个收缩喷嘴，流体在此会形成为高速射流，因而产生的负压能够将携砂液更好地抽吸下来进行充分混合。汇流管路的总流量和分流前管路总流量一样，因此结合加砂量就可以得出并精确控制携砂液的支撑剂浓度。在保持到支撑剂浓度稳定不变的情况下将携砂液泵注到平板中，整个泵注流程的压力由压力计进行测量。汇合后的携砂液体系将经过模拟井筒注入平板裂缝，通过摄像机进行携砂液输送过程的观测，最终流体流入废液罐中。

利用上述装置实现支撑剂输送实验携砂液浓度精确控制的方法，依次包括以下步骤：

（1）将可视化平板裂缝固定于支座上，形成垂直裂缝；

（2）将配制好的压裂液装入压裂液罐，向进砂罐中加入支撑剂；

（3）启动螺杆泵，压裂液在分流三通处分流为向上流动与向前流动两部分；

（4）向上流动的压裂液由进液口进入到密闭式混砂罐中，混砂罐通过浮球、固定杆、杠杆以及防水垫片保持液量，进砂罐通过调节滑片泵的转速，准确控制进入混砂罐的支撑剂量，压裂液和支撑剂在混砂罐内混合形成携砂液；

（5）向前分流的压裂液在收缩喷嘴处形成高速射流，产生负压将上方混砂罐内的携砂液抽吸下来在汇流三通处进行充分混合；

（6）将充分混合后的携砂液经过模拟井筒泵注到平板裂缝中，整个泵注过程的压力由压力计进行测量，通过摄像机监测携砂液的输送过程，最终流体流入废液罐中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在进行支撑剂输送实验过程中，避免携砂液通过混输泵时支撑剂发生沉降，能实现均匀进砂并精确控制携砂液浓度，同时能防止空气进入到平板裂缝中，从而极大地提高实验的精确性，使支撑剂输送和铺置优化结果更具有现场指导意义。

附图说明

图1是实现支撑剂输送实验携砂液浓度精确控制的装置结构示意图。

图2是密闭式携砂罐结构示意图。

图中：1、压裂液罐；2、螺杆泵；3、防水垫片；4、固定杆；5、杠杆；6、进砂罐；7、滑片泵；8、浮球；9、压力计；10、可视化平板裂缝；11、废液罐；12、调节阀门；13、泵前管线；14、泵后管线；15、流量计；16、分流三通；17、缩径喷嘴；18、汇流三通；19、密闭式混砂罐；20、模拟井筒；21、摄像机；22、进液口。

具体实施方式

下面根据附图和实例进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均在保护之列。

参看图1、图2。

实现支撑剂输送实验携砂液浓度精确控制的装置，由压裂液罐1、螺杆泵2、分流三通16、密闭式混砂罐19、滑片泵7、进砂罐6、汇流三通18、模拟井筒20、可视化平板裂缝10、废液罐11、摄像机21组成。

所述压裂液罐1与螺杆泵2连接的泵前管线13上有调节阀门12，螺杆泵与分流三通16连接的泵后管线14上有流量计15，所述分流三通向上通过管线连接密闭式混砂罐19的进液口22，向前通过管线连接汇流三通18；所述混砂罐的顶端连接滑片泵7和进砂罐6；压裂液罐内的压裂液通过进液口进入混砂罐，进砂罐内的支撑剂通过滑片泵进入混砂罐，二者混合后形成携砂液；所述汇流三通向上通过管线连接混砂罐的罐底出口，向前通过管线（该管线上设置压力计9）连接模拟井筒20内的可视化平板裂缝10和废液罐11；所述摄像机21监测可视化平板裂缝的携砂液输送过程。

所述密闭式混砂罐通过浮球8、固定杆4、杠杆5以及防水垫片3保持液量，固定杆固定杠杆，杠杆两端分别是防水垫片和浮球，压裂液通过进液口进入罐中，随着液面上升到一定高度，浮球向上移动，通过杠杆，防水垫片将进液口封住。

所述进砂罐通过调节滑片泵的转速，准确控制进入混砂罐的支撑剂量。

所述分流三通连接汇流三通的管线上有缩径喷嘴17，流体经过缩径喷嘴形成高速射流，产生的负压将混砂罐内的携砂液抽吸下来在汇流三通处进行充分混合。

所述可视化平板裂缝（张涛等.一种可实现三维流场测试的可视化平板裂缝装置，申请号：2019100874395）由多段流动通道（两段以上）组成，每段流动通道包含两块透明平板和两幅框架，两块透明平板分别镶嵌于两幅框架内，平行布置，中间形成较窄的流动间隙，间隙的上下端均由包边框密封。每两段流动通道之间通过螺栓相连接，从而形成可调节长度的裂缝通道，整个平板裂缝的左右两端与模拟井筒相连。

利用上述实验装置进行支撑剂输送实验携砂液浓度精确控制的方法，步骤如下：

1、按照图1和图2所示，依次安装、连接装置的所有零部件；

2、将组装后的平板裂缝固定于支座上，形成垂直裂缝；

3、在配水罐中注入约300 L清水，打开阀门并启动泵，检查系统的密封性能，确保混砂罐内液面在高于进液口前，防水垫片能将其密封住；

4、在压裂液罐内配置300 L压裂液；

5、运行螺杆泵，用压裂液将管线及裂缝中清水排出，使整个装置系统内充满压裂液，并通过阀门调节流量达到实验工况；

6、开启滑片泵，调节转速使其能达到实验所需的携砂液浓度要求；

7、向进砂罐中加入支撑剂；

8、启动摄像系统，拍摄支撑剂输送和沉降的过程；

9、记录流量、压力等数据；

10、拍摄完成后关停泵和阀门，停止实验。

上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过以上描述或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.实现支撑剂输送实验携砂液浓度精确控制的装置，由压裂液罐（1）、螺杆泵（2）、分流三通（16）、密闭式混砂罐（19）、滑片泵（7）、进砂罐（6）、汇流三通（18）、模拟井筒（20）、可视化平板裂缝（10）、废液罐（11）、摄像机（21）组成，其特征在于，所述压裂液罐（1）与螺杆泵（2）连接的泵前管线（13）上有调节阀门（12），螺杆泵与分流三通（16）连接的泵后管线（14）上有流量计（15），所述分流三通向上通过管线连接密闭式混砂罐（19）的进液口（22），向前通过管线连接汇流三通（18）；所述混砂罐的顶端连接滑片泵（7）和进砂罐（6）；压裂液罐内的压裂液通过进液口进入混砂罐，进砂罐内的支撑剂通过滑片泵进入混砂罐，二者混合后形成携砂液；所述汇流三通向上通过管线连接混砂罐的罐底出口，向前通过管线连接模拟井筒（20）内的可视化平板裂缝（10）和废液罐（11），该管线上设置压力计（9）；所述摄像机（21）监测可视化平板裂缝的携砂液输送过程。

2.如权利要求1所述的实现支撑剂输送实验携砂液浓度精确控制的装置，其特征在于，所述密闭式混砂罐通过浮球（8）、固定杆（4）、杠杆（5）以及防水垫片（3）保持液量，固定杆固定杠杆，杠杆两端分别是防水垫片和浮球，压裂液通过进液口进入罐中，随着液面上升到一定高度，浮球向上移动，通过杠杆，防水垫片将进液口封住。

3.如权利要求1所述的实现支撑剂输送实验携砂液浓度精确控制的装置，其特征在于，所述进砂罐通过调节滑片泵的转速，准确控制进入混砂罐的支撑剂量。

4.如权利要求1所述的实现支撑剂输送实验携砂液浓度精确控制的装置，其特征在于，所述分流三通连接汇流三通的管线上有缩径喷嘴（17），流体经过缩径喷嘴形成高速射流，产生的负压将混砂罐内的携砂液抽吸下来在汇流三通处进行充分混合。

5.如权利要求1所述的实现支撑剂输送实验携砂液浓度精确控制的装置，其特征在于，所述可视化平板裂缝由多段流动通道组成，每段流动通道包含两块透明平板和两幅框架，两块透明平板分别镶嵌于两幅框架内，平行布置，中间形成较窄的流动间隙，间隙的上下端均密封，每两段流动通道之间通过螺栓相连接，形成可调节长度的裂缝通道，整个平板裂缝的左右两端与模拟井筒相连。

6.利用权利要求1、2、3、4或5所述的装置实现支撑剂输送实验携砂液浓度精确控制的方法，依次包括以下步骤：

（1）将可视化平板裂缝固定于支座上，形成垂直裂缝；

（2）将配制好的压裂液装入压裂液罐，向进砂罐中加入支撑剂；

（3）启动螺杆泵，压裂液在分流三通处分流为向上流动与向前流动两部分；

（4）向上流动的压裂液由进液口进入到密闭式混砂罐中，混砂罐通过浮球、固定杆、杠杆以及防水垫片保持液量，进砂罐通过调节滑片泵的转速，准确控制进入混砂罐的支撑剂量，压裂液和支撑剂在混砂罐内混合形成携砂液；

（5）向前分流的压裂液在收缩喷嘴处形成高速射流，产生负压将上方混砂罐内的携砂液抽吸下来在汇流三通处进行充分混合；

（6）将充分混合后的携砂液经过模拟井筒泵注到平板裂缝中，整个泵注过程的压力由压力计进行测量，通过摄像机监测携砂液的输送过程，最终流体流入废液罐中。

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