CN110821467B - 一种耐压可视化的压裂工艺研究实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐压可视化的压裂工艺研究实验装置，包括可视化流动模拟单元(100)，用于模拟自支撑压裂液体在炮眼、射孔带和裂缝平板内的流动分布过程和固化过程；可视化夹持控温单元(200)，与可视化流动模拟单元相连，用于对可视化流动模拟单元内的自支撑压裂液和通道压裂液进行加热，形成自支撑固相；供液控压单元(300)，与可视化流动模拟单元相连，用于向可视化流动模拟单元提供自支撑压裂液和通道压裂液；拍摄单元(400)，用于实时拍摄采集自支撑压裂液在可视化流动模拟单元内的流动分布过程和固化过程。本发明具有良好的耐压性能，能够实现可视化模拟自支撑压裂液在模拟流动空间内的流动分布规律。

Description

一种耐压可视化的压裂工艺研究实验装置

技术领域

本发明涉及石油开采领域，尤其属于采油采气增产措施工艺领域，特别是涉及一种耐压可视化的压裂工艺研究实验装置。

背景技术

目前，在石油开采领域，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。

对于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的目标。这一技术配合体积压裂技术使用时，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，大幅提高压后油气井的产量。

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，会导致形成具有不同形状和尺寸的自支撑固相。而不同形状和尺寸的自支撑固相，所形成的自支撑裂缝的导流能力差异极大。

为了保证自支撑压裂技术的施工效果，掌握自支撑压裂液在地层等空间内的流动分布规律，需要对其进行模拟实验研究。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的模拟实验时，在模拟流动空间(例如模拟的地层)内部的液体压力将大幅上升。

目前，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。

但是，目前还缺少一种实验装置，其具有良好的耐压性能，能够实现可视化模拟自支撑压裂液在模拟流动空间(例如模拟地层)内的流动分布规律，使自支撑压裂液可在模拟流动空间内固化，及时观察和掌握自支撑压裂液在模拟流动空间内的流动现象以及固化过程。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种耐压可视化的压裂工艺研究实验装置。

为此，本发明提供了一种耐压可视化的压裂工艺研究实验装置，其特征在于，包括可视化流动模拟单元、可视化夹持控温单元、供液控压单元和拍摄单元，其中：

可视化流动模拟单元，用于模拟自支撑压裂液体在炮眼、射孔带和裂缝平板内的流动分布过程和固化过程；

可视化夹持控温单元，与可视化流动模拟单元相连，用于对可视化流动模拟单元内的自支撑压裂液和通道压裂液进行加热，形成自支撑固相；

供液控压单元，与可视化流动模拟单元相连，用于向可视化流动模拟单元提供自支撑压裂液和通道压裂液；

拍摄单元，用于实时拍摄采集自支撑压裂液在可视化流动模拟单元内的流动分布过程和固化过程，进而获得自支撑压裂液体模拟在炮眼、射孔带和裂缝平板内的流动分布过程和固化过程。

其中，可视化流动模拟单元，具体包括：前后对称分布的、透明的两个第一有机玻璃和第二有机玻璃；

第一有机玻璃和第二有机玻璃相对的一侧，分别具有液体流动凹槽；

第一有机玻璃和第二有机玻璃相对的一侧(即内侧)的上下两端，相互贴合接触；

第一有机玻璃和第二有机玻璃纵向固定连接在一起；

第一有机玻璃和第二有机玻璃两者相对的一侧的液体流动凹槽前后合在一起后，形成横向分布的、中空的液体流动内腔；

液体流动内腔的左右两端分别具有液体注入口和液体流出口；

液体流动内腔左端的液体注入口上安装有中空的注入端壳体；

液体流动内腔右端的液体流出口上安装有中空的流出端壳体；

注入端壳体的顶部，与液体注入管相连通；

流出端壳体的顶部，与液体流出管相连通；

液体注入口，通过注入端壳体，与液体注入管相连通；

液体流出口，通过流出端壳体，与液体流出管相连通；

液体流出管，通过中空的连接管道，与一个中空的废液收集容器相连通。

其中，注入端壳体的上下两端，分别具有一个流入端螺纹孔；

其中，注入端壳体上端的流入端螺纹孔，与液体注入管相连通；

注入端壳体下端的流入端螺纹孔，用丝堵进行密封；

流出端壳体的上下两端，分别具有一个流出端螺纹孔；

其中，流出端壳体上端的流出端螺纹孔，与液体流出管相连通；

流出端壳体下端的流出端螺纹孔，用丝堵进行密封。

其中，注入端壳体内部具有沿垂直上下方向分布的内腔；

注入端壳体的右侧壁，开有横向贯穿分布的多个注入端模拟炮眼通道；

注入端壳体的内腔与注入端模拟炮眼通道的左端相连通；

注入端模拟炮眼通道的右端，与液体流动内腔左端的液体注入口相连通；

流出端壳体内部具有沿垂直上下方向分布的内腔；

流出端壳体的左侧壁，开有横向贯穿分布的多个流出端模拟裂缝尖端通道；

流出端壳体的内腔，与流出端模拟裂缝尖端通道的右端相连通；

流出端模拟裂缝尖端通道的左端，与液体流动内腔右端的液体流出口相连通。

其中，注入端壳体的右侧壁，具有向右突出的注入端模拟炮眼通道设置凸块；

多个注入端模拟炮眼通道横向贯穿注入端模拟炮眼通道设置凸块；

注入端模拟炮眼通道设置凸块插入到液体流动内腔左端的液体注入口中；

流出端壳体的左侧壁，具有向左突出的流出端模拟裂缝尖端通道设置凸块；

多个流出端模拟裂缝尖端通道横向贯穿流出端模拟裂缝尖端通道设置凸块；

流出端模拟裂缝尖端通道设置凸块，插入到液体流动内腔右端的液体流出口中。

其中，注入端壳体和流出端壳体的前后两侧，分别固定连接一个垂直分布的螺栓固定块；

位于注入端壳体和流出端壳体同一侧的两个螺栓固定块相互之间，通过横向分布的固定长螺栓固定连接在一起；

第一有机玻璃和第二有机玻璃的上下两端，分别通过多个纵向分布的短螺栓固定连接在一起；

液体注入管和液体流出管，分别连接与压力变送器的一个测量端；

液体注入管和液体流出管上，还分别安装有一个流入与流出控制开关；

注入端壳体右侧的注入端模拟炮眼通道设置凸块的四周外壁，套有一个注入端端面密封垫圈；

注入端端面密封垫圈位于由第一有机玻璃和第二有机玻璃组成的有机玻璃整体的左侧与注入端壳体右侧壁之间的位置；

流出端壳体左侧流出端模拟裂缝尖端通道设置凸块的四周外壁，套有流出端端面密封垫圈；

流出端端面密封垫圈，位于由第一有机玻璃和第二有机玻璃组成的有机玻璃整体的右侧与流出端壳体左侧壁之间的位置。

其中，第一有机玻璃和第二有机玻璃两者相对的一侧具有的液体流动凹槽，为前后对称分布；

两个液体流动凹槽的左端，均具有垂直水平面且横向分布的台阶面；

每个台阶面的右侧分别具有一个模拟射孔带斜坡面；

两个模拟射孔带斜坡面为前后对称分布，并且两个模拟射孔带斜坡面在纵向上的间隔距离，从左到右逐渐缩小。

其中，可视化夹持控温单元，其是用于油浴加热控温的装置，其具体包括中空透明的可视化油浴槽；

可视化油浴槽内预先存储有油浴油；

可视化油浴槽内的油浴油中，安装有U形的加热管；

由第一有机玻璃和第二有机玻璃组成的有机玻璃整体，位于油浴油中；

可视化油浴槽的顶部开口；

可视化油浴槽的油浴油中，放入油浴搅拌器的搅拌桨；

可视化油浴槽的右边，设置有一个可视化平板夹持固定支架；

可视化平板夹持固定支架上安装有三个机械爪。

其中，供液控压单元，具体包括两个氮气瓶；

两个氮气瓶的气体出口，分别通过一条中空的连接管道，与自支撑压裂液盛放中间容器和通道压裂液盛放中间容器的顶部进气口相连通；

自支撑压裂液盛放中间容器，与自支撑压裂液注入管道的一端相连通；

通道压裂液盛放中间容器，与通道压裂液注入管道的一端相连通；

自支撑压裂液注入管道和通道压裂液注入管道的另一端，在汇流后，与位于注入端壳体顶部的液体注入管相连通；

自支撑压裂液注入管道和通道压裂液注入管道上，分别安装有单流阀；

自支撑压裂液盛放中间容器与氮气瓶的气体出口之间的连接管道上，安装有一个减压阀和一个六通阀；

通道压裂液盛放中间容器与氮气瓶的气体出口之间的连接管道上，也安装有一个减压阀和一个六通阀；

每个六通阀与一个压力表相连。

其中，拍摄单元，具体包括摄像机；

摄像机的左右两侧分别设置有至少一个补光灯。

由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提出了一种耐压可视化的压裂工艺研究实验装置，其具有良好的耐压性能，能够实现可视化模拟自支撑压裂液在模拟流动空间(例如模拟地层)内的流动分布规律，使自支撑压裂液可在模拟流动空间内固化，及时观察和掌握自支撑压裂液在模拟流动空间内的流动现象以及固化过程，具有重大的生产实践意义。

对于本发明，其可以通过可视化夹持控温单元，控制可视化流动模拟单元在不同温度下以不同的模拟裂缝角度进行自支撑压裂液体系流动与相变行为观察，并通过记录研究不同液体性质、不同施工参数的自支撑压裂液体系在模拟射孔带、裂缝内的流动现象与自支撑压裂液在裂缝空间内的固化过程，进而得出流动规律指导配方研究与施工参数设计。

附图说明

图1为本发明提供的一种耐压可视化的压裂工艺研究实验装置的整体结构示意图；

图2为本发明提供的一种耐压可视化的压裂工艺研究实验装置中的可视化流动模拟单元的正视图(第一有机玻璃为透明玻璃)；

图3为本发明提供的一种耐压可视化的压裂工艺研究实验装置中的可视化流动模拟单元的俯视图；

图4a、图4b分别为本发明提供的一种耐压可视化的压裂工艺研究实验装置中的可视化流动模拟单元，具有的位于后侧的第二有机玻璃的正视图、左视图(与第一有机玻璃的形状大小一致，只是前后对称放置)；

图5a、图5b、图5c分别为本发明提供的一种耐压可视化的压裂工艺研究实验装置中的可视化流动模拟单元，具有的注入端壳体的正视图、正视图、俯视图和内腔的左视图；

图6a、图6b、图6c分别为本发明提供的一种耐压可视化的压裂工艺研究实验装置中的可视化流动模拟单元，具有的流出端壳体的正视图、正视图、俯视图和内腔的右视图；

图7为本发明提供的一种耐压可视化的压裂工艺研究实验装置中的可视化流动模拟单元内部，具有的用于密封两块有机玻璃的有机玻璃端面密封垫条的正视图；

图8为本发明提供的一种耐压可视化的压裂工艺研究实验装置中的可视化流动模拟单元内部，具有的注入端端面密封垫圈的结构示意图；

图9为本发明提供的一种耐压可视化的压裂工艺研究实验装置中的可视化流动模拟单元内部，具有的流出端端面密封垫圈的结构示意图；

图10为本发明提供的一种耐压可视化的压裂工艺研究实验装置中的可视化夹持控温单元的结构示意图；

图11为本发明提供的一种耐压可视化的压裂工艺研究实验装置中的供液控压单元元的结构示意图；

图12为本发明提供的一种耐压可视化的压裂工艺研究实验装置中的拍摄单元的结构示意图；

图13为本发明提供的一种耐压可视化的压裂工艺研究实验装置中拍摄单元具有的摄像机所拍摄的图片，反映了自支撑压裂液体系在耐压可视化的压裂工艺研究实验装置内的分布形态，其中的深色非透明块状为自支撑压裂液；

图14为本发明提供的一种耐压可视化的压裂工艺研究实验装置中拍摄单元具有的摄像机所拍摄的图片，反映了自支撑固相在耐压可视化的压裂工艺研究实验装置内的分布形态，其中的深色非透明块状为自支撑固相。

图中，1为螺栓固定块，2为固定长螺栓，3为注入端模拟炮眼通道，4为模拟射孔带斜坡面，15为台阶面，5为流出端模拟裂缝尖端通道；6为有机玻璃端面密封垫条；

70为液体流动凹槽，71为第一有机玻璃，72为第二有机玻璃；

8为注入端端面密封垫圈，9为流出端端面密封垫圈，10为流入端螺纹孔；

11为流出端螺纹孔，12为注入端壳体，13为流出端壳体，14为短螺栓，16为流入与流出控制开关；

17为压力变送器，18为油浴搅拌器，19为加热管，20为可视化油浴槽，21为油浴油，22为可视化平板夹持固定支架；

23为氮气瓶，24为减压阀，

25为六通阀；

26为自支撑压裂液盛放中间容器，27为通道压裂液盛放中间容器；

28为单流阀；

29为补光灯，30为摄像机，31为废液收集容器；

250为压力表，291为自支撑压裂液注入管道，292为通道压裂液注入管道。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

对于本发明，首先需要说明的是，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，而自支撑固相的大小尺寸与分布形态等详细参数，主要决定于自支撑压裂液体系的流动分布形态以及之后自支撑压裂液在模拟裂缝中相变的过程，研发此装置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。

自支撑压裂液在地面从地面液灌中经过管线进入井筒，在井底经过炮眼进入裂缝的过程中，炮眼处的截面积最小。根据流体流动速度的计算公式判断，同一排量下流体的流动速度与流动截面积成反比。因此，炮眼及射孔带对自支撑压裂液体系的分布规律影响巨大。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与自支撑固相相变分布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。因此，本专利进行了如下的发明。

参见图1至图14所示，本发明提供的一种耐压可视化的压裂工艺研究实验装置，包括可视化流动模拟单元100、可视化夹持控温单元200、供液控压单元300和拍摄单元400，其中：

可视化流动模拟单元100，其具有可模拟炮眼、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，用于模拟自支撑压裂液体在炮眼、射孔带和裂缝平板内的流动分布过程和固化过程；

可视化夹持控温单元200，与可视化流动模拟单元100相连，用于对可视化流动模拟单元100内的自支撑压裂液和通道压裂液进行加热，形成自支撑固相；

供液控压单元300，与可视化流动模拟单元100相连，用于向可视化流动模拟单元100提供自支撑压裂液和通道压裂液；

拍摄单元400，用于实时拍摄采集自支撑压裂液在可视化流动模拟单元100内的流动分布过程(包括动态流动和静态分布)和固化过程，进而获得自支撑压裂液体模拟在炮眼、射孔带和裂缝平板内的流动分布过程和固化过程。

在本发明中，具体实现上，可视化流动模拟单元100，其可以称为可视化模拟炮眼、射孔带和平行裂缝单元，具体包括：前后对称分布的、透明的两个第一有机玻璃71和第二有机玻璃72；

需要说明的是，第一有机玻璃71和第二有机玻璃72的形状大小相同，只是前后对称放置。

第一有机玻璃71和第二有机玻璃72相对的一侧(即内侧)，分别具有液体流动凹槽70；

第一有机玻璃71和第二有机玻璃72相对的一侧(即内侧)的上下两端，相互贴合接触；

第一有机玻璃71和第二有机玻璃72纵向固定连接在一起；

第一有机玻璃71和第二有机玻璃72两者相对的一侧的液体流动凹槽70前后合在一起后，形成横向分布的、中空的液体流动内腔(即两个凹槽的内腔空间组合)；

液体流动内腔的左右两端分别具有液体注入口和液体流出口；

液体流动内腔左端的液体注入口上安装有中空的注入端壳体12；

液体流动内腔右端的液体流出口上安装有中空的流出端壳体13；

注入端壳体12的顶部，与液体注入管101相连通；

流出端壳体13的顶部，与液体流出管102相连通；

液体注入口，通过注入端壳体12，与液体注入管101相连通；

液体流出口，通过流出端壳体13，与液体流出管102相连通。

具体实现上，液体流出管102，通过中空的连接管道，与一个中空的废液收集容器31相连通。

在本发明中，具体实现上，注入端壳体12的上下两端，分别具有一个流入端螺纹孔10；

其中，注入端壳体12上端的流入端螺纹孔10，与液体注入管101相连通；

注入端壳体12下端的流入端螺纹孔10，用丝堵进行密封。

具体实现上，流出端壳体13的上下两端，分别具有一个流出端螺纹孔11；

其中，流出端壳体13上端的流出端螺纹孔11，与液体流出管102相连通；

流出端壳体13下端的流出端螺纹孔11，用丝堵进行密封。

在本发明中，具体实现上，注入端壳体12内部具有沿垂直上下方向分布的内腔；

注入端壳体12的右侧壁，开有横向贯穿分布的多个(不限于图中5所示的四个)注入端模拟炮眼通道3；

注入端壳体12的内腔与注入端模拟炮眼通道3的左端相连通；

注入端模拟炮眼通道3的右端，与液体流动内腔左端的液体注入口相连通；

需要说明的是，多个(不限于图中5所示的四个)注入端模拟炮眼通道3的直径以及间距一致，从而可以用于模拟射孔炮眼对自支撑压裂液体系的流动剪切作用。

具体实现上，流出端壳体13内部具有沿垂直上下方向分布的内腔；

流出端壳体13的左侧壁，开有横向贯穿分布的多个流出端模拟裂缝尖端通道5；

流出端壳体13的内腔，与流出端模拟裂缝尖端通道5的右端相连通；

流出端模拟裂缝尖端通道5的左端，与液体流动内腔右端的液体流出口相连通。

需要说明的是，流出端模拟裂缝尖端通道5的加工方法为：用电化学(酸性电解液)打孔方式，在流出端壳体13的左侧壁加工有一列密集的小孔(即流出端模拟裂缝尖端通道5)，多个流出端模拟裂缝尖端通道5的直径一致，直径1～2mm，流出端壳体13沿垂直的长度方向具有连通的内腔，同时与左侧的多个流出端模拟裂缝尖端通道5相连，通过多个流出端模拟裂缝尖端通道5，可以模拟裂缝尖端压裂液的流动情况(如图6所示)。

具体实现上，注入端壳体12的右侧壁，具有向右突出的注入端模拟炮眼通道设置凸块301；

多个注入端模拟炮眼通道3横向贯穿注入端模拟炮眼通道设置凸块301；

注入端模拟炮眼通道设置凸块301插入到液体流动内腔左端的液体注入口中；

流出端壳体13的左侧壁，具有向左突出的流出端模拟裂缝尖端通道设置凸块50；

多个流出端模拟裂缝尖端通道5横向贯穿流出端模拟裂缝尖端通道设置凸块50；

流出端模拟裂缝尖端通道设置凸块50，插入到液体流动内腔右端的液体流出口中。

具体实现上，注入端壳体12和流出端壳体13的前后两侧，分别固定连接(例如焊接或者螺钉连接)一个垂直分布的螺栓固定块1；

位于注入端壳体12和流出端壳体13同一侧(如前侧或后侧)的两个螺栓固定块1相互之间，通过横向分布的固定长螺栓2固定连接在一起。

需要说明的是，固定长螺栓2与螺栓固定块1内预留的螺纹孔之间为螺纹连接。

具体实现上，注入端壳体12右侧的注入端模拟炮眼通道设置凸块301的四周外壁，套有一个注入端端面密封垫圈8；

注入端端面密封垫圈8位于由第一有机玻璃71和第二有机玻璃72组成的有机玻璃整体的左侧与注入端壳体12右侧壁之间的位置；

因此，能够实现对由第一有机玻璃71和第二有机玻璃72组成的有机玻璃整体左端的密封连接；

流出端壳体13左侧流出端模拟裂缝尖端通道设置凸块50的四周外壁，套有流出端端面密封垫圈9；

流出端端面密封垫圈9，位于由第一有机玻璃71和第二有机玻璃72组成的有机玻璃整体的右侧与流出端壳体13左侧壁之间的位置；

因此，能够实现对由第一有机玻璃71和第二有机玻璃72组成的有机玻璃整体右端的密封连接。

需要说明的是，对于本发明，参见图8、图9所示，注入端端面密封垫圈8与流出端端面密封垫圈9均为中间开口的框形，其尺寸设计与第一有机玻璃71和第二有机玻璃72这两块有机玻璃合并在一起后，形成的有机玻璃整体的左右端面的形状一致。具体实现上，注入端端面密封垫圈8与流出端端面密封垫圈9的材质为含氟或聚四氟橡胶等耐有机、耐强酸碱材料。

在本发明中，具体实现上，第一有机玻璃71和第二有机玻璃72两者相对的一侧具有的液体流动凹槽70，为前后对称分布；

两个液体流动凹槽70的左端，均具有垂直水平面且横向分布的台阶面15；

每个台阶面15的右侧分别具有一个模拟射孔带斜坡面4；

两个模拟射孔带斜坡面5为前后对称分布，并且两个模拟射孔带斜坡面4在纵向上的间隔距离，从左到右逐渐缩小。两个模拟射孔带斜坡面4之间的空间呈锥形。

具体实现上，台阶面15，与注入端壳体12右侧的注入端模拟炮眼通道设置凸块301相接。

需要说明的是，对于前后对称分布的第一有机玻璃71和第二有机玻璃72，两者具有液体流动凹槽70的左侧具有一个台阶面15、这是为了与注入端壳体12的注入端模拟炮眼通道设置凸块301相接，从而让注入端模拟炮眼通道设置凸块301上的模拟炮眼通道3，与两个液体流动凹槽70前后合在一起形成的液体流动内腔相互连通，组成一个连通通道。同时，台阶面15的右侧具有一个模拟射孔带斜坡面4，用以模拟地层内射孔带的锥形流动空间(如图4所示)。

在本发明中，具体实现上，为了让第一有机玻璃71和第二有机玻璃72纵向固定连接在一起，具体结构为：

第一有机玻璃71和第二有机玻璃72的上下两端，分别通过多个纵向分布的短螺栓14固定连接在一起。

具体实现上，对于由第一有机玻璃71和第二有机玻璃72组成的有机玻璃整体，其具有的液体流动内腔顶面和底面，分别设置有横向水平分布的有机玻璃端面密封垫条6。

具体实现上，第一有机玻璃71和第二有机玻璃72具有的液体流动凹槽70的上下两侧，分别具有前后对称分布的预留卡槽；

第一有机玻璃71和第二有机玻璃72上侧或者下侧的预留卡槽前后对称组合在一起，用于放入(如塞入)一个有机玻璃端面密封垫条6。

需要说明的是，有机玻璃端面密封垫条6为矩形的垫条，用于增强第一有机玻璃71和第二有机玻璃72的密封效果，在液体流动内腔上下两侧形成阻隔密封，有效避免液体流动内腔内流过的液体，通过第一有机玻璃71和第二有机玻璃72上下两侧的、细小的接触缝隙泄漏出去。

需要说明的是，具体实现上，两条有机玻璃端面密封垫条6为长条矩形，由含氟或聚四氟橡胶等耐有机、耐强酸碱材料制成。具体实现上，有机玻璃端面密封垫条6可根据模拟裂缝的宽度要求，而选用不同的厚度(如图7所示)。其中，还需要说明的是，第一有机玻璃71和第二有机玻璃72合在一起后，形成的液体流动内腔即用于作为模拟裂缝使用，模拟裂缝的垂直方向宽度，受有机玻璃端面密封垫条6的影响，有机玻璃端面密封垫条6的厚度越厚，那么模拟裂缝的垂直方向宽度的垂直方向宽度越小。

因此，对于本发明，能够对模拟裂缝的宽度调整，可以模拟不同裂缝宽度对自支撑压裂液流动分布的影响。

需要说明的是，炮眼指的是：通过射孔弹在井筒对应深处利用射孔弹引爆，并进入地层，使得井筒与地层裂缝进行联通，形成油气从地层向井筒内流动的通道，其形状为圆筒状，直径在1～10CM的范围内，长度1CM～数米之间。

本发明根据实际井筒与裂缝的尺寸，对实验装置的对应部分进行了等比例缩减。由于模拟炮眼处的流动截面积相比于井筒与裂缝小太多，为了模拟实际炮眼的剪切情况，因此将炮眼尺寸设定为与实际地层内的炮眼相符合。

在本发明中，射孔带是射孔弹射穿井筒壁面后穿过地层，在地层中所形成的流动通道。本专利中的射孔带，根据射孔带的形状与角度，加工了对应的形状，以模拟自支撑压裂液在其中的流动过程。

需要说明的是，水力压裂，简称压裂，是指在高压下通过注入压裂液将岩石压开并产生裂缝的过程，产生的裂缝长度范围在数十米至数百米的范围、高度数米至数十米、宽度在二十毫米以内，

在本专利的装置中，利用两块加工好的有机玻璃板，并通过密封圈实现端面密封，内部形成一个平行的裂缝通道，进而实现模拟裂缝对液体流动的剪切作用。

在本发明中，具体实现上，液体注入管101和液体流出管102，分别连接与压力变送器17的一个测量端。

具体实现上，液体注入管101和液体流出管102上，还分别安装有一个流入与流出控制开关16(例如一个球阀或者电磁阀)。

需要说明的是，压力变送器17的两个测量端，分别连接可视化流动模拟单元100的液体流入端与流出端上，压力变送器的实验数据可以被传送至外部的电脑上，通过软件上进行记录。可视化流动模拟单元100两端的压力数据变化被时时刻刻记录下来。流入与流出控制开关16可控制自支撑压裂液与通道压裂液的流入与流出，如图2所示。

在本发明中，具体实现上，螺栓固定块1、固定长螺栓2、注入端壳体12、流出端壳体13、短螺栓14的材质均为渗碳钢，在加工后采取三次淬火进行强化，且在表面进行磷化处理，具有防水、耐有机溶剂、耐强酸、抗强碱的优良性能。

在本发明中，具体实现上，可视化夹持控温单元200，其是用于油浴加热控温的装置，其具体包括中空透明的可视化油浴槽20；

可视化油浴槽20内预先存储有油浴油21；

可视化油浴槽20内的油浴油21中，安装有U形的加热管19(具体可以为常见的电加热管)；

由第一有机玻璃71和第二有机玻璃72组成的有机玻璃整体，位于油浴油21中，也就是说，可视化流动模拟单元100的主体部分，位于油浴油21，从而可以让可视化夹持控温单元200，对可视化流动模拟单元100内流入的自支撑压裂液和通道压裂液进行加热，形成自支撑固相。

具体实现上，可视化油浴槽20的顶部开口；

可视化油浴槽20的油浴油21中，放入油浴搅拌器18的搅拌桨。

具体实现上，可视化油浴槽20的右边，设置有一个可视化平板夹持固定支架22；

可视化平板夹持固定支架22上安装有三个机械爪(钢爪)，用于抓取可视化流动模拟单元100(具体是由第一有机玻璃71和第二有机玻璃72组成的有机玻璃整体)。

需要说明的是，对于本发明，可视化夹持控温单元200，其配有U型大功率的加热管19，可迅速将可视化油浴槽20内的油浴油21加热至设定温度，同时配合搅拌器18，可将加热管19产生的热量均匀传递给可视化油浴槽20内的油浴油21(即加热油)。同时其配备精准数显控温装置，可保持实验温度的温度。

具体实现上，可视化油浴槽20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。可视化平板夹持固定支架22上配有三个大尺寸的钢爪，可夹持模拟炮眼、射孔带、裂缝平板的可视化流动模拟单元100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10所示)。

具体实现上，油浴油21(即加热油)可以选用二甲基硅油，耐温250℃，无色透明，便于实验现象的观察。

在本发明中，具体实现上，供液控压单元300，具体包括两个氮气瓶23；

两个氮气瓶23的气体出口，分别通过一条中空的连接管道，与自支撑压裂液盛放中间容器26和通道压裂液盛放中间容器27的顶部进气口相连通；

自支撑压裂液盛放中间容器26，与自支撑压裂液注入管道291的一端相连通；

通道压裂液盛放中间容器27，与通道压裂液注入管道292的一端相连通；

自支撑压裂液注入管道291和通道压裂液注入管道292的另一端，在汇流后，与位于注入端壳体12顶部的液体注入管101相连通。

具体实现上，自支撑压裂液注入管道291和通道压裂液注入管道292上，分别安装有单流阀(即单向阀)28。

具体实现上，自支撑压裂液盛放中间容器26与氮气瓶23的气体出口之间的连接管道上，安装有一个减压阀24和一个六通阀25；

通道压裂液盛放中间容器27与氮气瓶23的气体出口之间的连接管道上，也安装有一个减压阀24和一个六通阀25；

每个六通阀25与一个压力表250相连。

需要说明的是，对于本发明，氮气瓶23可稳定提供高达12MPa的注液压力，保证自支撑压裂液盛放中间容器26和通道压裂液盛放中间容器27，能够在向外输出自支撑压裂液与通道压裂液时，能够提供足够的注液压力。

具体实现上，氮气瓶23上连接有减压阀24，这一装置可将进口压力减至某一需要的出口压力，并依靠介质本身的能量，使出口压力自动保持稳定(如图11所示)。

需要说明的是，对于本发明，可以由六通阀25和压力表250一起，组成集成压力控制单元，可以用来分别读取自支撑压裂液与通道压裂液各自的注入压力，通过减压阀24与六通阀25后的开关开度，可以实现控制自支撑压裂液与通道压裂液的注入流量控制。

具体实现上，其六通阀上的开关，可以在实验结束后用作泄压(如图11所示)。

在本发明中，具体实现上，拍摄单元400，具体包括摄像机30,；

摄像机30的左右两侧分别设置有至少一个补光灯29。

需要说明的是，对于本发明，拍摄单元400，作为图像采集单元，具体可以包括2台无频闪高功率的补光灯29与高速、高像素的摄像机30，在实验中，透过透明的可视化油浴槽20和透明的第一有机玻璃板71，可以清楚拍摄并记录，在可视化流动模拟单元100内部的自支撑压裂液体系的动态流动、静态分布情况(如图12所示)。

对于拍摄单元400，在观测自支撑压裂液体系高速动态流动时，必须以高像素、高感光度的全画幅级别或以上相机或录像机进行拍摄，透过透明的可视化油浴槽20和透明的第一有机玻璃板71，可以清楚记录可视化流动模拟单元100内部的自支撑压裂液体系的动态流动、静态分布。

基于以上技术方案设计可知，本发明提供的耐压可视化的压裂工艺研究实验装置，能够通过多个基本构件组合在一起，在可视化流动模拟单元100内形成一个具有耐5MPa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，此流动空间配有可视化夹持控温单元300(即作为加热控温系统)，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被加热而发生相变，形成自支撑固相。

对于本发明，其具有独特设计的模拟炮眼，以及两个模拟射孔带斜坡面4之间的锥形空间，可以模拟射孔炮眼以及射孔带对自支撑压裂液流动分布的影响。

为了更加清楚地理解本发明，下面就本发明的具体组装过程，进行说明如下：

1、将上下两条有机玻璃端面密封垫条6，分别塞入第一有机玻璃71和第二有机玻璃72上的预留卡槽中，然后将第一有机玻璃71和第二有机玻璃72这两块有机玻璃，按照孔位进行对接。

2、将注入端壳体12右端面的注入端端面密封垫圈8，挂到(套在)注入端壳体12的密封面(具体挂在注入端壳体12右侧的注入端模拟炮眼通道设置凸块301)上，之后将注入端壳体12右侧的注入端模拟炮眼通道设置凸块301，插入到第一有机玻璃71和第二有机玻璃72这两块有机玻璃中的液体流动内腔左侧的注入口中。接着，将流出端端面密封垫圈9挂到流出端壳体13的密封面(具体为挂在流出端模拟裂缝尖端通道设置凸块50)上，之后，将流出端模拟裂缝尖端通道设置凸块50插入有机玻璃7第一有机玻璃71和第二有机玻璃72这两块有机玻璃中的液体流动内腔的右侧的流出口中。

3、将四条固定长螺栓2分别穿过螺栓固定块1，再逐渐按照前上10圈、前下10圈，再后上10圈、后下10圈(之后在进行循环)的顺序，通过逐渐将这四条螺栓与螺栓固定块1进行紧固，避免紧固过程中应力集中，造成有机玻璃扭断。

4、将第一有机玻璃71和第二有机玻璃72的穿孔，均穿入短螺栓14，在拧紧螺栓的过程中，注意按照对向优先的方式逐渐加固，避免玻璃上的应力集中，造成破裂。

5、最后，将注入端壳体12下端的流入端螺纹孔10以及流出端壳体13下端的流出端螺纹孔11，用丝堵进行密封，然后，将注入端壳体12上端的流入端螺纹孔10和流出端壳体13上端的流出端螺纹孔11，分别连接液体注入管101、液体流出管102，接上对应尺寸的管线，其中，液体注入管101用于与供液控压单元300相连接，液体流出管102与废液收集容器31相连接，从而完成可视化流动模拟单元100部分的安装。

6、接着，按照图10～12所示，继续安装可视化夹持控温单元200、供液控压单元300和拍摄单元400内的组成部件，最终组装获得本发明的耐压可视化的压裂工艺研究实验装置。

为了更加清楚地理解本发明，下面结合具体实施例进行说明如下：

自支撑压裂液体系在耐压可视化模拟自支撑压裂液流动分布规律的实验装置内的流动过程如下：

首先，将自支撑压裂液与通道压裂液分别装入自支撑压裂液盛放中间容器26与通道压裂液盛放中间容器27，以自支撑压裂液注入压力5MPa、通道压裂液注入压力5MPa、油浴温度100℃时，此时由高速的摄像机30拍摄记录下的自支撑压裂液与之后形成的自支撑固相的分布形态，如图13(图中的深色非透明块状为自支撑压裂液)、图14(图中的深色非透明块状为自支撑固相)所示。

与现有技术相比较，本发明提供的耐压可视化的压裂工艺研究实验装置，具有以下的有益技术效果：

1、可以实现在不同地层温度、压力、注液排量下，模拟不同密度、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；

2、可视化观测装置上具有独特设计的锥形流动空间，可以模拟射孔带对自支撑压裂液的分布影响；

3、能够可视化地观察自支撑压裂液体系注入地层裂缝逐渐受热相变形成自支撑固相的过程；

4、本发明的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；

5、本发明的可视化观测装置采用端面密封，内部流体压力可达5MPa，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；

6、本发明的装置各组件加工相对简单，可操作性强；

7、本发明的装置可拆洗、方便组装、操作简单、实用性强。

综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种耐压可视化的压裂工艺研究实验装置，其具有良好的耐压性能，能够实现可视化模拟自支撑压裂液在模拟流动空间(例如模拟地层)内的流动分布规律，使自支撑压裂液可在模拟流动空间内固化，及时观察和掌握自支撑压裂液在模拟流动空间内的流动现象以及固化过程，具有重大的生产实践意义。

对于本发明，其可以通过可视化夹持控温单元，控制可视化流动模拟单元在不同温度下以不同的模拟裂缝角度进行自支撑压裂液体系流动与相变行为观察，并通过记录研究不同液体性质、不同施工参数的自支撑压裂液体系在模拟射孔带、裂缝内的流动现象与自支撑压裂液在裂缝空间内的固化过程，进而得出流动规律指导配方研究与施工参数设计。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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 (7)

1.一种耐压可视化的压裂工艺研究实验装置，其特征在于，包括可视化流动模拟单元(100)、可视化夹持控温单元(200)、供液控压单元(300)和拍摄单元(400)，其中：

可视化流动模拟单元(100)，用于模拟自支撑压裂液体在炮眼、射孔带和裂缝平板内的流动分布过程和固化过程；

可视化夹持控温单元(200)，与可视化流动模拟单元(100)相连，用于对可视化流动模拟单元(100)内的自支撑压裂液和通道压裂液进行加热，形成自支撑固相；

供液控压单元(300)，与可视化流动模拟单元(100)相连，用于向可视化流动模拟单元(100)提供自支撑压裂液和通道压裂液；

拍摄单元(400)，用于实时拍摄采集自支撑压裂液在可视化流动模拟单元(100)内的流动分布过程和固化过程，进而获得自支撑压裂液体模拟在炮眼、射孔带和裂缝平板内的流动分布过程和固化过程；

压裂工艺研究实验装置可视化流动模拟单元(100)，具体包括：前后对称分布的、透明的两个第一有机玻璃(71)和第二有机玻璃(72)；

第一有机玻璃(71)和第二有机玻璃(72)相对的一侧，分别具有液体流动凹槽(70)；

第一有机玻璃(71)和第二有机玻璃(72)相对的一侧的上下两端，相互贴合接触；

第一有机玻璃(71)和第二有机玻璃(72)纵向固定连接在一起；

第一有机玻璃(71)和第二有机玻璃(72)两者相对的一侧的液体流动凹槽(70)前后合在一起后，形成横向分布的、中空的液体流动内腔；

液体流动内腔的左右两端分别具有液体注入口和液体流出口；

液体流动内腔左端的液体注入口上安装有中空的注入端壳体(12)；

液体流动内腔右端的液体流出口上安装有中空的流出端壳体(13)；

注入端壳体(12)的顶部，与液体注入管(101)相连通；

流出端壳体(13)的顶部，与液体流出管(102)相连通；

液体注入口，通过注入端壳体(12)，与液体注入管(101)相连通；

液体流出口，通过流出端壳体(13)，与液体流出管(102)相连通；

液体流出管(102)，通过中空的连接管道，与一个中空的废液收集容器(31)相连通；

第一有机玻璃(71)和第二有机玻璃(72)两者相对的一侧具有的液体流动凹槽(70)，为前后对称分布；

两个液体流动凹槽(70)的左端，均具有垂直水平面且横向分布的台阶面(15)；

每个台阶面(15)的右侧分别具有一个模拟射孔带斜坡面(4)；

两个模拟射孔带斜坡面(4)为前后对称分布，并且两个模拟射孔带斜坡面(4)在纵向上的间隔距离，从左到右逐渐缩小；

可视化夹持控温单元(200)，其是用于油浴加热控温的装置，其具体包括中空透明的可视化油浴槽(20)；

可视化油浴槽(20)内预先存储有油浴油(21)；

可视化油浴槽(20)内的油浴油(21)中，安装有U形的加热管(19)；

由第一有机玻璃(71)和第二有机玻璃(72)组成的有机玻璃整体，位于油浴油(21)中；

可视化油浴槽(20)的顶部开口；

可视化油浴槽(20)的油浴油(21)中，放入油浴搅拌器(18)的搅拌桨；

可视化油浴槽(20)的右边，设置有一个可视化平板夹持固定支架(22)；

可视化平板夹持固定支架(22)上安装有三个机械爪，用于抓取可视化流动模拟单元(100)，并将可视化流动模拟单元(100)转动至多个不同的角度。

2.如权利要求1所述的耐压可视化的压裂工艺研究实验装置，其特征在于，注入端壳体(12)的上下两端，分别具有一个流入端螺纹孔(10)；

其中，注入端壳体(12)上端的流入端螺纹孔(10)，与液体注入管(101)相连通；

注入端壳体(12)下端的流入端螺纹孔(10)，用丝堵进行密封；

流出端壳体(13)的上下两端，分别具有一个流出端螺纹孔(11)；

其中，流出端壳体(13)上端的流出端螺纹孔(11)，与液体流出管(102)相连通；

流出端壳体(13)下端的流出端螺纹孔(11)，用丝堵进行密封。

3.如权利要求1所述的耐压可视化的压裂工艺研究实验装置，其特征在于，注入端壳体(12)内部具有沿垂直上下方向分布的内腔；

注入端壳体(12)的右侧壁，开有横向贯穿分布的多个注入端模拟炮眼通道(3)；

注入端壳体(12)的内腔与注入端模拟炮眼通道(3)的左端相连通；

注入端模拟炮眼通道(3)的右端，与液体流动内腔左端的液体注入口相连通；

流出端壳体(13)内部具有沿垂直上下方向分布的内腔；

流出端壳体(13)的左侧壁，开有横向贯穿分布的多个流出端模拟裂缝尖端通道(5)；

流出端壳体(13)的内腔，与流出端模拟裂缝尖端通道(5)的右端相连通；

流出端模拟裂缝尖端通道(5)的左端，与液体流动内腔右端的液体流出口相连通。

4.如权利要求3所述的耐压可视化的压裂工艺研究实验装置，其特征在于，注入端壳体(12)的右侧壁，具有向右突出的注入端模拟炮眼通道设置凸块(301)；

多个注入端模拟炮眼通道(3)横向贯穿注入端模拟炮眼通道设置凸块(301)；

注入端模拟炮眼通道设置凸块(301)插入到液体流动内腔左端的液体注入口中；

流出端壳体(13)的左侧壁，具有向左突出的流出端模拟裂缝尖端通道设置凸块(50)；

多个流出端模拟裂缝尖端通道(5)横向贯穿流出端模拟裂缝尖端通道设置凸块(50)；

流出端模拟裂缝尖端通道设置凸块(50)，插入到液体流动内腔右端的液体流出口中。

5.如权利要求1所述的耐压可视化的压裂工艺研究实验装置，其特征在于，注入端壳体(12)和流出端壳体(13)的前后两侧，分别固定连接一个垂直分布的螺栓固定块(1)；

位于注入端壳体(12)和流出端壳体(13)同一侧的两个螺栓固定块(1)相互之间，通过横向分布的固定长螺栓(2)固定连接在一起；

第一有机玻璃(71)和第二有机玻璃(72)的上下两端，分别通过多个纵向分布的短螺栓(14)固定连接在一起；

液体注入管(101)和液体流出管(102)，分别连接与压力变送器(17)的一个测量端；

液体注入管(101)和液体流出管(102)上，还分别安装有一个流入与流出控制开关(16)；

注入端壳体(12)右侧的注入端模拟炮眼通道设置凸块(301)的四周外壁，套有一个注入端端面密封垫圈(8)；

注入端端面密封垫圈(8)位于由第一有机玻璃(71)和第二有机玻璃(72)组成的有机玻璃整体的左侧与注入端壳体(12)右侧壁之间的位置；

流出端壳体(13)左侧流出端模拟裂缝尖端通道设置凸块(50)的四周外壁，套有流出端端面密封垫圈(9)；

流出端端面密封垫圈(9)，位于由第一有机玻璃(71)和第二有机玻璃(72)组成的有机玻璃整体的右侧与流出端壳体(13)左侧壁之间的位置。

6.如权利要求1所述的耐压可视化的压裂工艺研究实验装置，其特征在于，供液控压单元(300)，具体包括两个氮气瓶(23)；

两个氮气瓶(23)的气体出口，分别通过一条中空的连接管道，与自支撑压裂液盛放中间容器(26)和通道压裂液盛放中间容器(27)的顶部进气口相连通；

自支撑压裂液盛放中间容器(26)，与自支撑压裂液注入管道(291)的一端相连通；

通道压裂液盛放中间容器(27)，与通道压裂液注入管道(292)的一端相连通；

自支撑压裂液注入管道(291)和通道压裂液注入管道(292)的另一端，在汇流后，与位于注入端壳体(12)顶部的液体注入管(101)相连通；

自支撑压裂液注入管道(291)和通道压裂液注入管道(292)上，分别安装有单流阀(28)；

自支撑压裂液盛放中间容器(26)与氮气瓶(23)的气体出口之间的连接管道上，安装有一个减压阀(24)和一个六通阀(25)；

通道压裂液盛放中间容器(27)与氮气瓶(23)的气体出口之间的连接管道上，也安装有一个减压阀(24)和一个六通阀(25)；

每个六通阀(25)与一个压力表(250)相连。

7.如权利要求1所述的耐压可视化的压裂工艺研究实验装置，其特征在于，拍摄单元(400)，具体包括摄像机(30)；

摄像机(30)的左右两侧分别设置有至少一个补光灯(29)。

Images