CN110792426A - 一种可视化动态裂缝自支撑压裂工艺研究实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可视化动态裂缝自支撑压裂工艺研究实验装置，包括如下单元：(1)可视化可变缝宽模拟平板及液压控制与测定单元；(2)可视化夹持控温单元；(3)可视化注液管线、井筒、混砂车模拟单元；(4)供液单元；(5)控压、控流量单元；(6)自支撑压裂液与通道压裂液分离器；(7)图像采集单元；上述单元组合在一起将形成一个具有耐10MPa液体压力的可模拟射孔带、平行裂缝空间内自支撑压裂液体系流动分布规律的流动空间，同时此流动空间配有加热控温系统，能够提供模拟地层的加热条件，使不同分布的自支撑压裂液产生相变形成自支撑固相。
Description
技术领域
本发明属于石油开采领域，尤其属于采油采气增产措施工艺领域，特别涉及一种可视化动态裂缝自支撑压裂工艺研究实验装置。
背景技术
面对目前体积压裂技术存在的滑溜水携带石英砂运移距离有限、加砂粒径极小、通常无法连续作业的技术难题。目前研发出一种全新的水力压裂工艺措施——液体自支撑压裂技术。其技术原理为：利用不混相的自支撑压裂液(常温下不含固相，为具有良好流动能力的液体，具有独特的热敏感性，被加热至一定温度时产生自支撑固相)与通道压裂液(常温下同样为不含固相且流动性良好的液体。通道压裂液与自支撑压裂液呈非互溶、非混相状态，具有降低自支撑压裂液滤失、控制自支撑压裂液在裂缝内分布的功能，以保证形成具有高导流能力的自支撑裂缝)将地层压开(或同时配合常规压裂液等)，利用自支撑压裂液所具有的特殊的热敏性质，在形成的裂缝中受地层的加热作用后形成具有良好强度的自支撑固相以支撑裂缝；同时通过控制通道压裂液的液体性质与施工参数，控制形成自支撑固相在裂缝中的分布，以形成高导流能力的自支撑裂缝，达到提高油气井产能之目标。这一技术配合体积压裂使用时可有效提高体积压裂后的有效改造体积，自支撑固相可在裂缝最深处形成与裂缝尺寸相匹配的大粒径支撑颗粒，大幅提高压后产量。
根据自支撑压裂技术的原理，自支撑压裂形成具有一定形状与尺寸的自支撑固相的过程中，受到自支撑压裂液与通道压裂液(合并称为自支撑压裂液体系)的配方、两相液体比例、施工注液排量等参数的复杂影响。而不同形状和尺寸的自支撑固相对形成自支撑裂缝的导流能力差异极大，因此为了保证自支撑压裂技术的施工效果，对自支撑压裂液的流动、自支撑固相分布规律与自支撑裂缝的导流能力开展研究有必要性。
自支撑压裂液体系的流动过程分为以下几个步骤：
①自支撑压裂液与通道压裂液从不同的地面液罐中经过地面流动管线流动至混砂车(流动管线为地面低压3寸左右粗管线)；
②进入混砂车后从混砂车出口处的吸液泵(转速可达1450转/分钟)经过高速剪切后流出；
③经过压裂车后经由压裂撬管汇接至井口；
④经过井口采油树进入套管、油管或油管套管混合注入(根据具体施工设计)；
⑤经过射孔带进入地层裂缝。
因此，自支撑压裂液体系的各流动过程决定了自支撑压裂液在地层裂缝内的流动形态与自支撑固相的最终分布形态。为真实模拟自支撑压裂工艺过程需要对整个施工过程进行全程模拟研究。
根据水力压裂基本原理，在裂缝压开后自支撑压裂液以一定的排量与压力泵注地层裂缝过程中，地层裂缝的张开宽度与地层内静压力动态正相关，而裂缝内流体的静压力决定于施工排量及液体滤失速度。在施工的后期，自支撑压裂液逐渐被地层加热升温发生相变形成自支撑固相，由于压裂液的滤失与停止注液导致裂缝宽度不断减小，最终将自支撑固相挤压固定至裂缝的某一具体位置。因此，为了保证研制的实验装置可模拟自支撑固相固化后的分布情况，裂缝宽度需要根据模拟裂缝内的静压力动态调节。同时整体装置需要具备在150℃温度下耐10MPa压力时仍不泄露液体的能力。
因为压裂技术需要在大排量高泵压下泵注压裂液将自支撑裂缝压开，因此实验设备必须达到实际压裂施工时的液体的注入速度才可真实模拟液体流动的剪切情况，同时注液排量需要根据设计排量与注液速度的要求进行准确调整，这对注液与控制设备提出了较高的要求。最后，由于压裂施工排量大、液量大，因此自支撑压裂工艺模拟要求长时间进行注液与相变现象观察，设计可循环连续进行实验观察的实验装置将大大降低人力，降低实验成本，提高实验效率。
发明内容
针对上述现有技术研究过程中的诸多局限性，本发明的目的是提供一种可视化动态裂缝自支撑压裂工艺研究实验装置，通过此装置可以在高泵压与大排量下模拟自支撑压裂液体系在各相关设备(地面直流动管线、弯流动管线、混砂车、直压裂管线、采油树、套管(油管)、射孔带、地层裂缝)内的流动过程进行全程模拟，记录全程压降与液体形态变化。然后对地层裂缝内的温度与压力条件变化进行模拟，根据压力动态改变缝宽从而将自支撑固相固定在裂缝原处，形成具有一定分布规律的高导流自支撑裂缝，并测定其导流能力。最后，通过改变自支撑压裂液与通道压裂液的各项液体性质、采用不同的施工参数进行多次反复实验，可指导自支撑压裂液的配方优化与自支撑压裂工艺设计。
为实现本发明的目的，本发明提供了一种可视化动态裂缝自支撑压裂工艺研究实验装置，包括如下单元：
(1)可视化可变缝宽模拟平板及液压控制与测定单元；(2)可视化夹持控温单元；(3)可视化注液管线、井筒、混砂车模拟单元；(4)供液单元；(5)控压、控流量单元；(6)自支撑压裂液与通道压裂液分离器；(7)图像采集单元；
上述单元组合在一起将形成一个具有耐10MPa液体压力的可模拟射孔带、平行裂缝空间内自支撑压裂液体系流动分布规律的流动空间，同时此流动空间配有加热控温系统，能够提供模拟地层的加热条件，使不同分布的自支撑压裂液产生相变形成自支撑固相，并且实验过程中能够根据模拟裂缝内流体压力变化动态改变裂缝宽度。
优选地，
所述可视化可变缝宽模拟平板及液压控制与测定单元，具体包括如下构件：主体框架、钢化玻璃、模拟移动裂缝滑块、底框、压力变送器，
所述主体框架的上端面密封连接有钢化玻璃，下端面密封连接有底框，其具有一个用以容纳模拟移动裂缝滑块的内部空腔，所述内部空腔的左侧具有一个注入端内腔，注入端内腔与注液孔相通，所述内部空腔的中间部位为中间空腔，所述模拟移动裂缝滑块安装在主体框架的中间内腔内，所述中间空腔与注入端内腔之间的钢面的形状为右边高、左边低的斜面，该斜面为模拟射孔带斜坡，其用以模拟锥形的射孔带内自支撑压裂液体系的流动形态，所述内部空腔的最右侧具有一个流出端内腔与流出孔相通，在中间空腔与流出端空腔之间具有一个平行与上端面的钢平面，该钢平面为平行裂缝面；
所述压力变送器的两个测量端分别连接在与注液孔和流出孔连接的液体流入端管路与流出端管路上，压力变送器的实验数据被传送至电脑软件上进行记录；
所述内部空腔有两个腔体，分别是主体框架、模拟移动裂缝滑块的上平面与钢化玻璃的下平面所形成的可供自支撑压裂液体系高速流动的耐10Mpa液压的第一腔体以及模拟移动裂缝滑块的下平面、主体框架和底框所形成的液压油内腔，所述液压油内腔的压力可由液压泵泵头、耐震压力表、调压阀、液压油流入单向阀、液压油流出单向阀所组成的液压控制系统而调节，所述液压油箱连接有液压泵泵头、耐震压力表，所述液压油箱通过设置有液压油流出单向阀的流出管路和设置有液压油流入单向阀的流入管路与液压油箱连通。
优选地，
所述主体框架与底框之间通过6根螺栓相连，在底框的下面具有2个用以固定可调旋钮的固定可调旋钮架，其中间加工有可调旋钮匹配转动的螺纹，同时在固定可调旋钮架的左右各有两个供2根固定销转动固定的小孔，所述模拟移动裂缝滑块的底面与穿过底框且滑动密封连接的可调旋钮、固定销垂直相接触，通过转动两根可调旋钮可实现模拟移动裂缝滑块的移动，通过固定销能够保证模拟移动裂缝滑块在中间内腔中的稳定。
优选地，
所述主体框架、固定可调旋钮架、可调旋钮、固定销、底框、模拟移动裂缝滑块的材质均为渗碳钢，加工后采取3次淬火进行强化，且在表面进行磷化处理，防水、耐有机溶剂、耐强酸、抗强碱。
优选地，
所述可视化夹持控温单元，具体包括如下构件：油浴搅拌器、油浴加热控温装置、可视化油浴槽、可视化平板夹持固定支架，所述可视化油浴槽内放置有油浴油，油浴加热控温装置放置在所述可视化油浴槽内，所述油浴加热控温装置配有U型大功率加热管，能够迅速将油浴槽内的油浴油加热至设定温度，同时配合搅拌器能够将加热管产生的热量均匀传递给油浴槽内加热油；
所述可视化平板夹持固定支架上配有三个大尺寸钢爪，能够夹持模拟炮眼、射孔带、裂缝平板至多种角度，从而进行不同角度的地层裂缝内的自支撑压裂工艺模拟。
优选地，
所述可视化注液管线、井筒、混砂车模拟单元，具体包括如下构件：若干个管路压降压力变送器、两根模拟地面集输可视化管线、一根模拟压裂管线、一根模拟套管(油管)管线、一个模拟地面集输可视化弯头、一个模拟井口可视化弯头、若干高压密封接头、一台模拟混砂车剪切泵，
其中，模拟地面集输可视化弯头的两端分别通过一个高压密封接头与两根模拟地面集输可视化管线连接，其中一根模拟地面集输可视化管线通过一台模拟混砂车剪切泵与模拟压裂管线连接，模拟压裂管线通过模拟井口可视化弯头与模拟套管(油管)管线连接；
所述管路压降压力变送器的两端接头分别与各组件的流入端与流出端保持连接，实验过程中能够不断测定压降数据并传输至电脑进行储存。
优选地，
所述供液单元所述可视化注液管线、井筒、混砂车模拟单元，具体包括如下构件：双路变频泵、配液搅拌器、两个液桶以及大排量变频泵，
其中，每台大排量变频泵均能够稳定提供自支撑压裂液以最大20m3/h的排量进行流动；两个液桶容量达到0.5m3，分别用来盛放自支撑压裂液与通道压裂液，并分别通过支架与蝶阀安装在两台大排量变频泵的入液口上方，以快速提供足够的实验液体；所述配液搅拌器能够提供高速稳定的搅拌，以便两种液体在液桶内的配制；所述双路变频泵通过分别控制两台大排量变频泵的频率以控制泵的转速来灵敏调节排量，进而模拟不同排量(注液速度)下自支撑压裂液的流动分布形态。
优选地，
所述控压、控流量单元，具体包括如下构件：流量计、耐震压力表以及单流阀，
设置在两根管线上的流量计能够分别读取自支撑压裂液与通道压裂液流入可视化模拟裂缝的排量；所述耐震压力表能够读取管路的压力，为整条管路的摩阻计算提供实验参数，同时起到安全压力预警作用；所述单流阀能够限制每条管路的流体流向只能向右，避免两种液体排量与压力不同而造成的液体返流现象。
优选地，
所述自支撑压裂液与通道压裂液分离器，内部有一台高转速离心机，其外壁上设置有混合液流入口、通道压裂液流出口、自支撑压裂液流出口，
所述自支撑压裂液与通道压裂液存在密度差异与界面张力差异，使自支撑压裂液体系注入后被快速加速，通道压裂液迅速上浮并最终从通道压裂液流出口流出，并回到注液液灌中，而自支撑压裂液快速下沉并从自支撑压裂液流出口流回到注液管中。
优选地，
所述图像采集单元，具体包括如下构件：摄像机、补光灯，在实验中透过钢化玻璃能够清楚记录自支撑压裂液体系的动态流动、静态分布。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)根据不同该实验参数，此装置可以直观可视化地观察到自支撑压裂液在地面直流动管线、弯流动管线、混砂车、直压裂管线、采油树、套管(油管)、射孔带、地层裂缝内的流动与分布现象；
(2)具有独特设计的模拟射孔带流动空间，可以模拟射孔带对自支撑压裂液的分布影响；
(3)可以实现在不同地层温度、压力、注液排量下，模拟的不同密度、表面张力、粘度的自支撑压裂液体系在不同宽度的裂缝内的流动现象，进而优化自支撑压裂液和通道压裂液的配方与施工参数和工艺；
(4)裂缝宽度根据裂缝内压力动态可调，可模拟真实地层内自支撑固相的分布形态；
(5)可实测一定闭合应力下自支撑裂缝的导流能力，得到至关重要的实验结论；
(6)此装置可注入强酸或强碱性流体、腐蚀性有机溶剂、适用面广。可模拟自支撑压裂液与不同种类通道压裂液的流动现象；
(7)采用端面密封，内部流体压力可达10MPa，满足高注入压力与大排量泵注的要求，更加接近现场模拟施工条件；
(8)此装置各组件加工相对简单，可操作性强；
(9)装置组件可拆洗、方便组装、操作简单、实用性强。
附图说明
图1所示为本申请一种可视化动态裂缝自支撑压裂工艺研究实验装置的结构示意图；
图2所示为可视化可变缝宽模拟平板及液压控制与测定单元的结构第一示意图(区域(1))；
图3所示为可视化可变缝宽模拟平板及液压控制与测定单元的结构第二示意图(区域(1))；
图4所示为可视化可变缝宽模拟平板及液压控制与测定单元的结构第三示意图(区域(1))；
图5所示为可视化可变缝宽模拟平板及液压控制与测定单元的主体框架的结构第一示意图；
图6所示为可视化可变缝宽模拟平板及液压控制与测定单元的主体框架的结构第二示意图；
图7所示为可视化可变缝宽模拟平板及液压控制与测定单元的底框的结构示意图；
图8所示为可视化可变缝宽模拟平板及液压控制与测定单元的模拟移动裂缝滑块的结构示意图；
图9所示为可视化可变缝宽模拟平板及液压控制与测定单元的上端面方形密封圈的结构示意图；
图10所示为可视化可变缝宽模拟平板及液压控制与测定单元的下端面方形密封圈的结构示意图；
图11所示为可视化可变缝宽模拟平板及液压控制与测定单元的O型密封圈的结构示意图；
图12所示为可视化夹持控温单元的结构示意图(区域(2))；
图13所示为可视化注液管线、井筒、混砂车模拟单元的结构示意图(区域(3))；
图14所示为供液单元的结构示意图(区域(4))；
图15所示为控压、控流量单元的结构示意图(区域(5))；
图16所示为自支撑压裂液与通道压裂液分离器的结构示意图(区域(6)；
图17所示为图像采集单元的结构示意图(区域(7))；
图18所示为自支撑压裂液体系在可视化注液管线、井筒、混砂车模拟单元的管流现象图，其中，(a)模拟地面集输可视化管线(b)模拟压裂管线(c)模拟套管(油管)管线；
图19所示为自支撑压裂液体系在可视化可变缝宽模拟裂缝内的流动现象图；
图20所示为自支撑固相在可视化可变缝宽模拟裂缝内的流动现象图；
图中，主体框架1、注液孔2、流出孔3、固定可调旋钮架4、可调旋钮5、固定销6、钢化玻璃7、底框8、模拟移动裂缝滑块9、上端面方形密封圈10、下端面方形密封圈11、O型密封圈12、注入端内腔13、流出端内腔14、模拟射孔带斜坡15、平行裂缝面16、钢化玻璃固定架17、电动液压泵泵头18、耐震压力表19、调压阀20、液压油流入单向阀21、液压油流出单向阀22、油浴搅拌器23、油浴加热控温装置24、可视化油浴槽25、油浴油26、可视化平板夹持固定支架27、管路压降压力变送器28、模拟地面集输可视化管线29、模拟压裂管线30、模拟套管(油管)管线31、模拟地面集输可视化弯头32、模拟井口可视化弯头33、高压密封接头34、模拟混砂车剪切泵35、双路变频泵36、配液搅拌器37、液桶38、大排量变频泵39、流量计40、耐震压力表41、单流阀42、流入与流出控制开关43、压力变送器44、混合液流入口45、通道压裂液流出口46、自支撑压裂液流出口47、高速离心机、48、摄像机49、补光灯50、滑块上模拟射孔带斜坡51、滑块上平行裂缝面52。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明的工作原理是，在高泵注压力与排量下直观地观察到模拟射孔带、裂缝内不同液体性质、不同施工参数的自支撑压裂液体系的流动与相变现象，进而研究其影响规律。
如图1所示，本发明一种可视化动态裂缝自支撑压裂工艺研究实验装置，至少需要以下组成单元：
(1)可视化可变缝宽模拟平板及液压控制与测定单元；(2)可视化夹持控温单元；(3)可视化注液管线、井筒、混砂车模拟单元；(4)供液单元；(5)控压、控流量单元；(6)自支撑压裂液与通道压裂液分离器；(7)图像采集单元。
其中，上述单元至少需要以下构件：包括主体框架1、注液孔2、流出孔3、固定可调旋钮架4、可调旋钮5、固定销6、钢化玻璃7、底框8、模拟移动裂缝滑块9、上端面方形密封圈10、下端面方形密封圈11、O型密封圈12、注入端内腔13、流出端内腔14、模拟射孔带斜坡15、平行裂缝面16、钢化玻璃固定架17、电动液压泵泵头18、耐震压力表19、调压阀20、液压油流入单向阀21、液压油流出单向阀22、油浴搅拌器23、油浴加热控温装置24、可视化油浴槽25、油浴油26、可视化平板夹持固定支架27、管路压降压力变送器28、模拟地面集输可视化管线29、模拟压裂管线30、模拟套管(油管)管线31、模拟地面集输可视化弯头32、模拟井口可视化弯头33、高压密封接头34、模拟混砂车剪切泵35、双路变频泵36、配液搅拌器37、液桶38、大排量变频泵39、流量计40、耐震压力表41、单流阀42、流入与流出控制开关43、压力变送器44、混合液流入口45、通道压裂液流出口46、自支撑压裂液流出口47、高速离心机48、摄像机49、补光灯50。
这些基本构件组合在一起将形成一个具有耐10MPa液体压力的可模拟射孔带、平行裂缝空间内自支撑压裂液体系流动分布规律的流动空间，同时此流动空间配有加热控温系统，可提供模拟地层的加热条件，使不同分布的自支撑压裂液产生相变形成自支撑固相，并且实验过程中可根据模拟裂缝内流体压力变化动态改变裂缝宽度。
如图1-11所示，所述主体框架1的上端面加工有两排用来固定钢化玻璃7的L型固定架17的安装孔，在两排安装孔的中间是一圈用以塞入上端面方形密封圈10的内槽。主体框架具有一个内部空腔，用以容纳模拟移动裂缝滑块9。在内部空腔的左侧具有一个注入端内腔13与注液孔2相通，可提供自支撑压裂液的流入通道。其中间空腔与注入端内腔13之间的钢面的形状为右边高，左边低的斜面15，用以模拟锥形的射孔带内自支撑压裂液体系的流动形态。主体框架1内腔的最右侧具有一个流出端内腔14与流出孔3相通，可提供流体流出通道。在中间空腔与流出端空腔14之间具有一个平行与上端面的钢平面16，如图5所示。模拟移动裂缝滑块9上端面左侧和右侧分别设置有滑块上模拟射孔带斜坡46、滑块上平行裂缝面47，其中，滑块上模拟射孔带斜坡46、滑块上平行裂缝面47当与中间框架滑动到重叠位置时将组成一个连续的平面。
其中，中间空腔为槽状结构，所述模拟移动裂缝滑块9的侧周面通过O型密封圈12，被安装在主体框架1的中间空腔内，所述模拟移动裂缝滑块9下端面和主体框架1、底框8围成密封腔体，滑块9的底面与可调旋钮5、固定销6垂直相接触，通过转动两根可调旋钮5可实现滑块9的移动，通过固定销6可保证滑块9在内腔中的稳定，如图8所示。
主体框架1与底框8之间通过6根螺栓相连。在底框8的下面具有2个用以固定可调旋钮5的固定架4，其中间加工有可调旋钮5匹配转动的螺纹。同时在固定可调旋钮架4的左右各有两个供2根固定销6转动固定的小孔，如图7所示。
所述钢化玻璃7的材质为高强度钢化防火玻璃，在180℃温度下不变形、不炸裂，耐内部10MPa的流体压力。所述上端面方形密封圈10、下端面方形密封圈11、O型密封圈12的材质为含氟或聚四氟橡胶等耐有机、耐强酸碱材料，如图9、10、11所示。
所述主体框架1、固定可调旋钮架4、可调旋钮5、固定销6、底框8、模拟移动裂缝滑块9的材质均为渗碳钢，加工后采取3次淬火进行强化，且在表面进行磷化处理，防水、耐有机溶剂、耐强酸、抗强碱。
所述装置内部有两个腔体，分别是主体框架1、模拟移动裂缝滑块9的上平面与钢化玻璃7的下平面所形成的可供自支撑压裂液体系高速流动的耐10Mpa液压的第一腔体以及移动裂缝滑块9的下平面、主体框架1和底框8所形成的液压油内腔第二腔体。第二腔体的压力可由液压泵泵头18、耐震压力表19、调压阀20、液压油流入单向阀21、液压油流出单向阀22所组成的液压控制系而调节。这一液压油控制系统可通过电能设定液压油内腔中的压力，并在实验过程中保证设定压力的稳定。当自支撑压裂液体系被高速泵注至第一腔体时，腔体内部开始出现液压，当此时液压小于第二腔体的内压时，模拟裂缝处于闭合形态。而第一腔体压力大于第二腔体的内压时，模拟裂缝宽度会逐渐增加，进而模拟裂缝压力不断降低，当2个腔体的压力相等时，模拟裂缝滑块不再移动，裂缝达到动态平衡。而自支撑固相在第一腔体内部受热固化后，由于停止泵送液体，因此第一腔体内部压力下降，模拟裂缝滑块会向钢化玻璃移动，导致裂缝宽度减小，并最终将自支撑固相挤压固定在模拟裂缝壁面上。此时通过调节液压泵的压力可调节施加在自支撑固相的受挤压应力，进而模拟地层闭合应力下自支撑固相的受压状态。此时再以不同的排量泵送原油或气体即可模拟出此时裂缝的导流能力，进而可模拟出不同自支撑压裂液配方与自支撑压裂工艺的效果，如图3所示。
所述油浴加热控温装置24配有U型大功率加热管，可迅速将油浴槽25内的油浴油26加热至设定温度，同时配合搅拌器23可将加热管产生的热量均匀传递给油浴槽内加热油。同时其配备精准数显控温装置，可保持实验温度的温度。所述可视化油浴槽25的材质为钢化防火玻璃，尺寸长达2m,具有耐温200℃的性能，且透光性好，不影响内部模拟炮眼、射孔带、裂缝平板的现象观察。所述可视化平板夹持固定支架27上配有3个大尺寸钢爪，可夹持模拟炮眼、射孔带、裂缝平板至水平、垂直等各角度，从而进行不同角度的地层裂缝内的自支撑压裂工艺模拟，如图12所示。
所述可视化注液管线、井筒、混砂车模拟单元由若干个管路压降压力变送器28、2根模拟地面集输可视化管线29、1根模拟压裂管线30、1根模拟套管(油管)管线31、1个模拟地面集输可视化弯头32、1个模拟井口可视化弯头33、若干高压密封接头34、1台模拟混砂车剪切泵35所组成。该单元各组件的先后顺序与管径的直径、角度等完全根据实际压裂液流动过程而设计。同样，模拟可视化地层模拟裂缝的高度也根据这一原则进行了匹配设计。对于管径的设计原则主要参考内径的截面积，各组件之间的内截面积之比与现场所用各设备保持一致。因此在室内实验时参考地面集输管线与模拟地面集输可视化管线29的截面积之比等比例缩小实验排量，在各实验组件中的自支撑压裂液的流动现象、流动速度(剪切速率)与现场设备则可保持一致，得到的实验数据与现象则具有足够的还原度。所述模拟地面集输可视化管线29、模拟压裂管线30、模拟套管(油管)管线31、模拟地面集输可视化弯头32、模拟井口可视化弯头33的材质均为耐酸碱、耐有机材料腐蚀的无色透明有机玻璃，且厚度大于2CM，可承受内部10MPa的流体压力。所述管路压降压力变送器28的两端接头分别与各组件的流入端与流出端保持连接，实验过程中可不断测定压降数据并传输至电脑进行储存。所述高压密封接头34的材质为耐腐蚀加厚纯铜3通，并通过耐高压快速接头与各连接组件相连，具有耐10MPa压力不刺漏的性能。所述模拟混砂车剪切泵30采用与混砂车一致的离心泵，其配有变频控制器，其转速可根据具体现场所用的混砂车上的变频泵速率进行调节，其调节范围在500～5000转之间，如图13所示。
所述供液单元的组成如下，大排量变频泵35每台都可稳定提供自支撑压裂液以最大20m3/h的排量进行流动，两个液桶37容量达到0.5m3，分别用来盛放自支撑压裂液与通道压裂液，并分别通过支架与蝶阀安装在两台大排量变频泵39的入液口上方，以快速提供足够的实验液体；配液搅拌器37可提供高速稳定的搅拌，以便两种液体在液桶37内的配制；双路变频泵36通过分别控制两台大排量变频泵39的频率以控制泵的转速来灵敏调节排量，进而模拟不同排量(注液速度)下自支撑压裂液的流动分布形态，如图14所示。
所述控压、控流单元的组成如下,两根管线上的流量计40可分别读取自支撑压裂液与通道压裂液流入可视化模拟裂缝的排量；耐震压力表41可以读取管路的压力，为整条管路的摩阻计算提供实验参数，同时起到安全压力预警作用；单流阀42的作用主要为限制每条管路的流体流向只能向右，避免两种液体排量与压力不同而造成的液体返流现象，如图15所示。
所述自支撑压裂液与通道压裂液分离器内部有一台高转速离心机48，转速可达8000转/分钟。根据斯托克斯原理，因自支撑压裂液与通道压裂液存在密度差异与界面张力差异，使自支撑压裂液体系注入后被快速加速，通道压裂液迅速上浮并最终从通道压裂液流出口46流出，并回到注液液灌中，而自支撑压裂液快速下沉并从自支撑压裂液流出口47流回到注液管中。进一步地，利用此装置两相液体的分离率可达97％以上，可保证实验连续进行2小时以上(无油水分离器单次实验只能进行10min)，可满足长时间大排量的模拟实验对液量的要求，如图16所示。
所述图像采集单元包括4台无频闪高功率补光灯50与2台高速、高像素摄像机49，在实验中透过玻璃板7可以清楚记录自支撑压裂液体系的动态流动、静态分布，如图17所示。
在进行自支撑压裂施工时，要使形成的自支撑裂缝达到较高的导流能力，关键在于让自支撑压裂液形成稳定有效的支撑，而自支撑压裂液体系的流动形态分布决定了相变后的自支撑固相的分布特征，所以研究自压裂液体系在不同液体配方和不同施工参数下的流动分布规律，对于优化自支撑压裂液配方与自支撑压裂工艺设计参数十分必要。
而经过系统调研，目前可以直接进行自支撑压裂液分布规律的可视化物理模拟实验装置寥寥无几，特别是可以模拟出炮眼对自支撑压裂液的流动分布规律影响的实验装置是没有的。同时，由于压裂技术需要在大排量高泵压下泵注大量压裂液，因此以高泵注压力与大排量进行自支撑压裂液体系注液模拟时其内部液体压力将大幅上升，因此研发具有良好耐压性能的可视化模拟自支撑压裂液流动分布规律的实验装置具有重要意义。正因为压裂技术需要在大排量高泵压下泵注压裂液将自支撑裂缝压开，因此实验设备必须达到实际压裂施工时的液体的注入速度才可真实模拟液体流动的剪切情况，同时注液排量需要根据设计排量与注液速度的要求进行准确调整，这对注液与控制设备提出了较高的要求。在施工的后期，自支撑压裂液逐渐被地层加热升温发生相变形成自支撑固相，由于压裂液的滤失与停止注液导致裂缝宽度不断减小，最终将自支撑固相挤压固定至裂缝的某一具体位置。因此，为了保证研制的实验装置可模拟自支撑固相固化后的分布情况，裂缝宽度需要根据模拟裂缝内的静压力动态调节。因此，本专利进行了如下的发明。
本申请的具体组装方式如下：
①上端面方形密封圈10、下端面方形密封圈11分别安装进主体框架1的上端与下端的内槽中。将O型密封圈12塞入模拟移动裂缝滑块9对应的嵌槽中。
②将装配好O型密封圈的模拟移动裂缝滑块平行于上下端面装入中间内腔中。将底框8通过螺丝安装在主体框架1下方。
③将2个固定可调旋钮架4安装在底框8的对应孔位上，之后将可调旋钮5通过可调旋钮架4内部的螺纹，拧入过程中保持两根可调旋钮同时转动，以保证模拟移动裂缝滑块平行于上端面移动。将固定销6拧入底框8上的对应孔位中，使其同时与模拟移动裂缝滑块接触。
④将钢化玻璃7通过钢化玻璃固定架17安装在对应的位置，放入模拟移动裂缝滑块。
⑤最后将注液孔2与流出孔3连接对应尺寸的管线，即完成①～⑤及完成区域(1)的安装。
⑥按照图12～16安装区域(2)～(6)内的实验装置。
具体实施例如下：
自支撑压裂液体系在全程可视化自支撑压裂工艺研究装置内的流动过程如下，首先自支撑压裂液与通道压裂液分别装入两个液灌，以自支撑压裂液注入排量5m3/h通道压裂液注入排量10m3/h、油浴温度150℃，设置电动液压泵恒定压力为40MPa。此时开始实验，自支撑压裂液体系在全程可视化自支撑压裂工艺研究装置内的流动过程如下，首先自支撑压裂液与通道压裂液分别以不同的变频螺杆泵被驱替经过模拟地面集输可视化管线、模拟地面集输可视化弯头、模拟混砂车剪切泵、模拟井口可视化弯头、模拟套管(油管)管线，此时由高速摄像机拍摄记录下的分布形态如图18所示(白色的点状或粒装颗粒为自支撑压裂液)。之后自支撑压裂液体系通过注液孔进入空腔之后，在流体压力的作用下通过模拟射孔带斜坡、流出端平面，在此过程中自支撑压裂液受到射孔带剪切与平行空间的剪切后其分布形态如图19所示(透明浅色液体为自支撑压裂液)。之后待自支撑压裂液固化形成自支撑固相后的分布形态如图20所示(深色非透明块状为自支撑压裂液、深色非透明块状为自支撑固相),此时测得自支撑裂缝的导流能力为77.3μm2·cm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种可视化动态裂缝自支撑压裂工艺研究实验装置，其特征在于，包括如下单元：
(1)可视化可变缝宽模拟平板及液压控制与测定单元；(2)可视化夹持控温单元；(3)可视化注液管线、井筒、混砂车模拟单元；(4)供液单元；(5)控压、控流量单元；(6)自支撑压裂液与通道压裂液分离器；(7)图像采集单元；
上述单元组合在一起将形成一个具有耐10MPa液体压力的可模拟射孔带、平行裂缝空间内自支撑压裂液体系流动分布规律的流动空间，同时此流动空间配有加热控温系统，能够提供模拟地层的加热条件，使不同分布的自支撑压裂液产生相变形成自支撑固相，并且实验过程中能够根据模拟裂缝内流体压力变化动态改变裂缝宽度。
2.根据权利要求1所述的一种可视化动态裂缝自支撑压裂工艺研究实验装置，其特征在于，
所述可视化可变缝宽模拟平板及液压控制与测定单元，具体包括如下构件：主体框架(1)、钢化玻璃(7)、模拟移动裂缝滑块(9)、底框(8)、压力变送器(39)，
所述主体框架(1)的上端面密封连接有钢化玻璃(7)，下端面密封连接有底框(8)，其具有一个用以容纳模拟移动裂缝滑块(9)的内部空腔，所述内部空腔的左侧具有一个注入端内腔(13)，注入端内腔(13)与注液孔(2)相通，所述内部空腔的中间部位为中间空腔，所述模拟移动裂缝滑块(9)安装在主体框架(1)的中间内腔内，所述中间空腔与注入端内腔(13)之间的钢面的形状为右边高、左边低的斜面，该斜面为模拟射孔带斜坡(15)，其用以模拟锥形的射孔带内自支撑压裂液体系的流动形态，所述内部空腔的最右侧具有一个流出端内腔(14)与流出孔(3)相通，在中间空腔与流出端空腔(14)之间具有一个平行与上端面的钢平面，该钢平面为平行裂缝面(16)；
所述压力变送器(44)的两个测量端分别连接在与注液孔(2)和流出孔(13)连接的液体流入端管路与流出端管路上，压力变送器(39)的实验数据被传送至电脑软件上进行记录；
所述内部空腔有两个腔体，分别是主体框架(1)、模拟移动裂缝滑块(9)的上平面与钢化玻璃(7)的下平面所形成的可供自支撑压裂液体系高速流动的耐10Mpa液压的第一腔体以及模拟移动裂缝滑块(9)的下平面、主体框架(1)和底框(8)所形成的液压油内腔，所述液压油内腔的压力可由液压泵泵头(18)、耐震压力表(19)、调压阀(20)、液压油流入单向阀(21)、液压油流出单向阀(22)所组成的液压控制系统而调节，所述液压油箱连接有液压泵泵头(18)、耐震压力表(19)，所述液压油箱通过设置有液压油流出单向阀(22)的流出管路和设置有液压油流入单向阀(21)的流入管路与液压油箱连通。
3.根据权利要求2所述的一种可视化动态裂缝自支撑压裂工艺研究实验装置，其特征在于，
所述主体框架(1)与底框(8)之间通过6根螺栓相连，在底框(8)的下面具有2个用以固定可调旋钮(5)的固定可调旋钮架(4)，其中间加工有可调旋钮(5)匹配转动的螺纹，同时在固定可调旋钮架(4)的左右各有两个供2根固定销(6)转动固定的小孔，所述模拟移动裂缝滑块(9)的底面与穿过底框(8)且滑动密封连接的可调旋钮(5)、固定销(6)垂直相接触，通过转动两根可调旋钮(5)可实现模拟移动裂缝滑块(9)的移动，通过固定销(6)能够保证模拟移动裂缝滑块(9)在中间内腔中的稳定。
4.根据权利要求3所述的一种可视化动态裂缝自支撑压裂工艺研究实验装置，其特征在于，
所述主体框架(1)、固定可调旋钮架(4)、可调旋钮(5)、固定销(6)、底框(8)、模拟移动裂缝滑块(9)的材质均为渗碳钢，加工后采取3次淬火进行强化，且在表面进行磷化处理，防水、耐有机溶剂、耐强酸、抗强碱。
5.根据权利要求1所述的一种可视化动态裂缝自支撑压裂工艺研究实验装置，其特征在于，
所述可视化夹持控温单元，具体包括如下构件：油浴搅拌器(23)、油浴加热控温装置(24)、可视化油浴槽(25)、可视化平板夹持固定支架(27)，所述可视化油浴槽(25)内放置有油浴油(26)，油浴加热控温装置(24)放置在所述可视化油浴槽(25)内，所述油浴加热控温装置(24)配有U型大功率加热管，能够迅速将油浴槽(25)内的油浴油(26)加热至设定温度，同时配合搅拌器(18)能够将加热管产生的热量均匀传递给油浴槽内加热油；
所述可视化平板夹持固定支架(27)上配有三个大尺寸钢爪，能够夹持模拟炮眼、射孔带、裂缝平板至多种角度，从而进行不同角度的地层裂缝内的自支撑压裂工艺模拟。
6.根据权利要求1所述的一种可视化动态裂缝自支撑压裂工艺研究实验装置，其特征在于，
所述可视化注液管线、井筒、混砂车模拟单元，具体包括如下构件：若干个管路压降压力变送器(28)、两根模拟地面集输可视化管线(29)、一根模拟压裂管线(30)、一根模拟套管(油管)管线(31)、一个模拟地面集输可视化弯头(32)、一个模拟井口可视化弯头(33)、若干高压密封接头(34)、一台模拟混砂车剪切泵(35)，
其中，模拟地面集输可视化弯头(32)的两端分别通过一个高压密封接头(34)与两根模拟地面集输可视化管线(29)连接，其中一根模拟地面集输可视化管线(29)通过一台模拟混砂车剪切泵(35)与模拟压裂管线(30)连接，模拟压裂管线(30)通过模拟井口可视化弯头(33)与模拟套管(油管)管线(31)连接；
所述管路压降压力变送器(28)的两端接头分别与各组件的流入端与流出端保持连接，实验过程中能够不断测定压降数据并传输至电脑进行储存。
7.根据权利要求1所述的一种可视化动态裂缝自支撑压裂工艺研究实验装置，其特征在于，
所述供液单元所述可视化注液管线、井筒、混砂车模拟单元，具体包括如下构件：双路变频泵(36)、配液搅拌器(37)、两个液桶(38)以及大排量变频泵(39)，
其中，每台大排量变频泵(39)均能够稳定提供自支撑压裂液以最大20m3/h的排量进行流动；两个液桶(38)容量达到0.5m3，分别用来盛放自支撑压裂液与通道压裂液，并分别通过支架与蝶阀安装在两台大排量变频泵(39)的入液口上方，以快速提供足够的实验液体；所述配液搅拌器(37)能够提供高速稳定的搅拌，以便两种液体在液桶(38)内的配制；所述双路变频泵(36)通过分别控制两台大排量变频泵(39)的频率以控制泵的转速来灵敏调节排量，进而模拟不同排量(注液速度)下自支撑压裂液的流动分布形态。
8.根据权利要求1所述的一种可视化动态裂缝自支撑压裂工艺研究实验装置，其特征在于，
所述控压、控流量单元，具体包括如下构件：流量计(40)、耐震压力表(41)以及单流阀(42)，
设置在两根管线上的流量计(40)能够分别读取自支撑压裂液与通道压裂液流入可视化模拟裂缝的排量；所述耐震压力表(41)能够读取管路的压力，为整条管路的摩阻计算提供实验参数，同时起到安全压力预警作用；所述单流阀(42)能够限制每条管路的流体流向只能向右，避免两种液体排量与压力不同而造成的液体返流现象。
9.根据权利要求1所述的一种可视化动态裂缝自支撑压裂工艺研究实验装置，其特征在于，
所述自支撑压裂液与通道压裂液分离器，内部有一台高转速离心机(48)，其外壁上设置有混合液流入口(45)、通道压裂液流出口(46)、自支撑压裂液流出口(47)，
所述自支撑压裂液与通道压裂液存在密度差异与界面张力差异，使自支撑压裂液体系注入后被快速加速，通道压裂液迅速上浮并最终从通道压裂液流出口(46)流出，并回到注液液灌中，而自支撑压裂液快速下沉并从自支撑压裂液流出口(47)流回到注液管中。
10.根据权利要求1所述的一种可视化动态裂缝自支撑压裂工艺研究实验装置，其特征在于，
所述图像采集单元，具体包括如下构件：摄像机(49)、补光灯(50)，在实验中透过钢化玻璃(7)能够清楚记录自支撑压裂液体系的动态流动、静态分布。
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