CN110939423B - 一种耐压可视化模拟自支撑压裂液流动规律的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐压可视化模拟自支撑压裂液流动规律的实验装置，包括如下构件：四块螺栓固定框、四条长固定螺栓、上下两块有机玻璃、注入端、流出端、短密封螺栓，上述构件组合在一起形成一个具有耐5MPa液体压力的连续内部流动通道。与现有技术相比，本发明的有益效果为，(1)根据不同实验参数，此装置可以直观可视化地观察到自支撑压裂液在模拟地层裂缝的分布情况；(2)具有独特设计的模拟炮眼与锥形流动空间，可以模拟射孔炮眼及射孔带对自支撑压裂液的分布影响。

Description

一种耐压可视化模拟自支撑压裂液流动规律的实验装置

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，特别涉及一种耐压可视化模拟自支撑压裂液流动规律的实验装置。

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，研发可视化自支撑压裂液流动分布规律实验装置有必要性。

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。

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具有高压力密封性能的可视化研究自支撑压裂液流动分布的实验装置，通过此装置可以在高泵注压力与排量下直观地观察到模拟炮眼处、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现象，进而得出流动规律指导配方研究与施工参数设计。

为实现本发明的目的，本发明提供了一种耐压可视化模拟自支撑压裂液流动规律的实验装置，

包括如下构件：四块螺栓固定框、四条长固定螺栓、上下两块有机玻璃、注入端、流出端、短密封螺栓，上述构件组合在一起形成一个具有耐5MPa液体压力的连续内部流动通道。

进一步地，

所述上下两块有机玻璃的左侧具有一个台阶面，台阶面的右侧具有一个斜坡面用以模拟地层内射孔带的锥形流动空间，

所述注入端沿长度方向具有联通的内腔，同时与右侧的多个开孔相连，多个开孔形成注入端模拟炮眼通道，所述注入端模拟炮眼通道插入两块有机玻璃的台阶面形成的通道内；

所述流出端沿长度方向具有联通的内腔，同时与左侧的多个小孔相连，多个小孔形成流出端模拟裂缝尖端通道，能够模拟裂缝尖端压裂液的流动情况，所述流出端模拟裂缝尖端通道插入两块有机玻璃之间。

进一步地，

所述注入端和流出端的两侧均分别连接一个螺栓固定块，四个螺栓固定块的上下两端均分别设置一个螺栓孔，通过四个长固定螺栓将注入端和流出端位置对应的螺栓孔穿过固定。

进一步地，

所述注入端的内腔的上下两端均设置有流入端螺纹孔；所述流出端的内腔的上下两端均设置有流出端螺纹孔。

进一步地，

所述流出端模拟裂缝尖端通道的加工方法是用电化学打孔方式加工有一列密集小孔，其直径一致，直径1-2mm。

进一步地，

所述注入端模拟炮眼通道的多个开孔的直径和间距一致。

进一步地，所述有机玻璃设置有穿孔，两块有机玻璃对应的穿孔，均穿入短密封螺栓进行固定。

进一步地，两条有机玻璃端面密封垫圈塞入有机玻璃的卡槽中，然后将两块有机玻璃按照孔位进行对接。

进一步地，

注入端端面密封垫圈挂到注入端的密封面上，将其插入两块有机玻璃左侧的台阶面内进行密封。

进一步地，

流出端端面密封垫圈挂到流出端的密封面上，将其插入两块有机玻璃右侧的流出口中。

与现有技术相比，本发明的有益效果为，

(1)根据不同实验参数，此装置可以直观可视化地观察到自支撑压裂液在模拟地层裂缝的分布情况；

(2)具有独特设计的模拟炮眼与锥形流动空间，可以模拟射孔炮眼及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)裂缝宽度可调，可模拟不同裂缝宽度对自支撑压裂液流动分布的影响；

(5)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；

(6)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；

(7)此装置各组件加工相对简单，可操作性强；

(8)此装置可拆洗、方便组装、操作简单、实用性强。

附图说明

图1所示为本申请一种耐压可视化模拟自支撑压裂液流动规律的实验装置的结构第一示意图；

图2所示为本申请一种耐压可视化模拟自支撑压裂液流动规律的实验装置的结构第二示意图；

图3所示为本申请的有机玻璃的结构示意图；

图4所示为本申请注入端的示意图；

图5所示为本申请流出端的示意图；

图6所示为本申请有机玻璃端面密封垫条的结构示意图；

图7所示为本申请注入端端面密封垫圈的结构示意图；

图8所示为本申请流出端端面密封垫圈的结构示意图；

图9所示为本申请自支撑压裂液体系分布的形态图。

图中，螺栓固定块1、长固定螺栓2、注入端模拟炮眼通道3、有机玻璃上的斜坡面4、流出端模拟裂缝尖端通道5、有机玻璃端面密封垫圈6、有机玻璃 7、注入端端面密封垫圈8、流出端端面密封垫圈9、流入端螺纹孔10、流出端螺纹孔11、注入端12、流出端13、短密封螺栓14、有机玻璃台阶面15。

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，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

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。

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。

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，炮眼及炮眼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。

如图1到图7所示，本申请一种耐压可视化模拟自支撑压裂液流动规律的实验装置，包括四条螺栓固定块1、四条长固定螺栓2、注入端模拟炮眼通道3、有机玻璃上的斜坡面4、流出端模拟裂缝尖端通道5、有机玻璃端面密封垫圈6、有机玻璃7、注入端端面密封垫圈8、流出端端面密封垫圈9、流入端螺纹孔10、流出端螺纹孔11、注入端12、流出端13、短密封螺栓14、有机玻璃台阶面15、图像采集设备。

这些基本构件组合在一起将形成一个具有耐5MPa液体压力的连续内部流动通道。

所述四条长固定螺栓2在左右穿过四块螺栓固定框1，这四条固定螺栓在横向上将注入端12、流出端13通过注入端端面密封垫圈8、流出端端面密封垫圈 9进行密封(如图1所示)。

所述多个短密封螺栓14上下穿过上下两块有机玻璃7，通过上下两条有机玻璃端面密封垫圈6进行密封(如图2所示)。

所述四条螺栓固定块1通过焊接方法分别与注入端12和流出端13进行固定(如图4、5所示)。

所述上下两块有机玻璃7的左侧具有一个台阶面15、这是为了与注入端模拟炮眼通道3进行对接，组成一个联通通道。同时，台阶面15的右侧具有一个斜坡面4用以模拟地层内射孔带的锥形流动空间(如图3所示)。

所述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。进一步地，密封垫条可根据模拟裂缝的宽度要求，而选用不同的厚度(如图6所示)。进一步地注入端端面密封垫圈8与流出端端面密封垫圈9为框形，其尺寸设计与两块有机玻璃7合并在一起后的左右端面的形状一致(如图7、8所示)。进一步地，6、8、9的材质为含氟或聚四氟橡胶等耐有机、耐强酸碱材料。

所述注入端在上下各具有两个加工好的流入端螺纹孔10，便于与开关、堵头或管线相连。进一步地，注入端12沿长度方向具有联通的内腔同时与右侧的四个开孔相连。进一步地，所述四个开孔的直径和间距一致，可模拟射孔炮眼对自支撑压裂液体系的流动剪切作用。

所述流出端在上下各具有两个加工好的流出端螺纹孔11，进一步地流出端的左侧流出端模拟裂缝尖端通道5的加工方法是用电化学(酸性电解液)打孔方式加工有一列密集小孔，其直径一致，直径1-2mm，流出端13沿长度方向具有联通的内腔同时与左侧的多个小孔相连可模拟裂缝尖端压裂液的流动情况 (如图5所示)。

所述四块螺栓固定框1、四条长固定螺栓2、注入端12、流出端13、短螺栓14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。

所述图像采集设备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，透过有机玻璃7可以清楚记录自支撑压裂液体系的动态流动、静态分布。

具体组装方式如下：

①将上下两条有机玻璃端面密封垫圈6塞入有机玻璃7的卡槽中，然后将两块有机玻璃7按照孔位进行对接。

②将注入端端面密封垫圈8挂到注入端12的密封面上，之后将其插入玻璃 7左侧的注入口中。将流出端端面密封垫圈9挂到流出端13的密封面上，之后将其插入有机玻璃7右侧的流出口中。

③将四条固定螺栓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)的顺序逐渐将这4条螺栓进行紧固，避免紧固过程中应力集中造成有机玻璃扭断。

④将所有的有机玻璃7的穿孔均穿入短密封螺栓14，注意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7上的应力集中造成破裂。

⑤最后将上侧的注入端螺纹孔10与下侧的流出端螺纹孔11用丝堵进行密封后，将下侧注入端螺纹孔10与上侧流出端螺纹孔11接上对应尺寸的管线，即可开始实验。

具体实施例如下：

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，首先自支撑压裂液与通道压裂液分别以不同的氮气瓶与液灌被驱替至下侧的注入端螺纹孔10(此时上螺纹孔被堵头所密封)，自支撑压裂液体系经过注入端内部空腔之后，在流体压力的作用下通过流入端模拟炮眼通道3进入上下两块有机玻璃7所形成的锥形流动空间的剪切后进入平行裂缝空间，之后自支撑压裂液体系迅速流至流出端的模拟裂缝尖端通道5，进入流出端内部空腔。在流动压差的作用下，从上侧的流出端螺纹孔11流出(流出端下螺纹孔封闭)。此时由高速摄像机拍摄记录下的自支撑压裂液体系分布的形态如图9所示(透明浅色液体为自支撑压裂液)。

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 (4)

1.一种耐压可视化模拟自支撑压裂液流动规律的实验装置，其特征在于，包括如下构件：四块螺栓固定框(1)、四条长固定螺栓(2)、上下两块有机玻璃(7)、注入端(12)、流出端(13)、短密封螺栓(14)，上述构件组合在一起形成一个具有耐5MPa液体压力的连续内部流动通道；

所述上下两块有机玻璃(7)的左侧具有一个台阶面(15)，台阶面(15)的右侧具有一个斜坡面(4)用以模拟地层内射孔带的锥形流动空间，

所述注入端(12)沿长度方向具有联通的内腔，同时与右侧的多个开孔相连，多个开孔形成注入端模拟炮眼通道(3)，所述注入端模拟炮眼通道(3)插入两块有机玻璃(7)的台阶面(15)形成的通道内；

所述流出端(13)沿长度方向具有联通的内腔，同时与左侧的多个小孔相连，多个小孔形成流出端模拟裂缝尖端通道(5)，能够模拟裂缝尖端压裂液的流动情况，所述流出端模拟裂缝尖端通道(5)插入两块有机玻璃(7)之间；

所述注入端(12)和流出端(13)的两侧均分别连接一个螺栓固定块(1)，四个螺栓固定块(1)的上下两端均分别设置一个螺栓孔，通过四个长固定螺栓(2)将注入端(12)和流出端(13)位置对应的螺栓孔穿过固定；

所述有机玻璃(7)设置有穿孔，两块有机玻璃(7)对应的穿孔，均穿入短密封螺栓(14)进行固定；

两条有机玻璃端面密封垫圈(6)塞入有机玻璃(7)的卡槽中，然后将两块有机玻璃(7)按照孔位进行对接；

注入端端面密封垫圈(8)挂到注入端(12)的密封面上，将其插入两块有机玻璃(7)左侧的台阶面(15)内进行密封；

流出端端面密封垫圈(9)挂到流出端(13)的密封面上，将其插入两块有机玻璃(7)右侧的流出口中。

2.根据权利要求1所述的一种耐压可视化模拟自支撑压裂液流动规律的实验装置，其特征在于，

所述注入端(12)的内腔的上下两端均设置有流入端螺纹孔(10)；所述流出端(13)的内腔的上下两端均设置有流出端螺纹孔(11)。

3.根据权利要求1所述的一种耐压可视化模拟自支撑压裂液流动规律的实验装置，其特征在于，

所述流出端模拟裂缝尖端通道(5)的加工方法是用电化学打孔方式加工有一列密集小孔，其直径一致，直径1-2mm。

4.根据权利要求1所述的一种耐压可视化模拟自支撑压裂液流动规律的实验装置，其特征在于，

所述注入端模拟炮眼通道(3)的多个开孔的直径和间距一致。

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