CN111119848A - 一种流场全域可测量的支撑剂输送复杂裂缝实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流场全域可测量的支撑剂输送复杂裂缝实验装置，由压裂液配置罐1、输送泵3、模拟井筒4、可视化复杂平板裂缝、出液管11、废液处理罐17、CCD相机9、PIV激光仪10组成，配置罐的混合物经过出料口、输送泵自模拟井筒顶端进入后，流入平板裂缝中；平板裂缝由单缝模块和分支缝模块拼接而成，单缝模块由一种可变缝宽的单裂缝通道构成，分支缝模块由主裂缝‑一级次生缝、一级次生缝‑二级次生缝两种不同缝宽的裂缝通道构成；各级裂缝出口处均连接出液管，自平板裂缝流出的流体进入出液管后流入废液处理罐；该装置利用CCD相机、PIV激光仪对平板裂缝的流场速度进行测试和记录。本发明能够为水力压裂施工参数优化、支撑剂优选提供理论依据。

Description

一种流场全域可测量的支撑剂输送复杂裂缝实验装置

技术领域

本发明涉及一种流场全域可测量的支撑剂输送复杂裂缝实验装置，属于油气田开发和实验流体力学研究技术领域。

背景技术

页岩气作为一种非常规的天然气资源在我国储量丰富，具有广阔的开采前景。水力压裂技术是页岩气开采的核心技术，是页岩气储层增产改造的一项重要手段。页岩的压裂主要是采用低黏的滑溜水向地层进行高排量的泵注，实现页岩储层中的层理和天然裂缝的沟通，从而形成多级复杂裂缝。为了在裂缝闭合时形成有效的支撑，随压裂液进入裂缝通道的支撑剂需要具有较好的输送沉降特性，从而来提高储层的导流能力，达到增产的目的。压裂液中的支撑剂在裂缝中的输送和沉降性能将直接影响到裂缝的导流能力，因此研究支撑剂在裂缝中的输运特性对于页岩气的高效开采具有重要的指导意义。

通过各种平板裂缝实验装置模拟页岩复杂裂缝中支撑剂的输送过程，可以认识其输送规律以及建立相应理论模型，为工程应用提供依据。目前已有的模拟实验装置中，大都通过透明材料搭建人工裂缝通道实现支撑剂输送过程的可视化来研究支撑剂的运移特性。由于滑溜水压裂形成的复杂裂缝的缝宽较小，同时压裂液在缝内高速流动，所以流体在其中的流动状态、支撑剂的输送和沉降规律都异常复杂，因此仅通过可视化装置定性观察支撑剂输送和沉降的宏观特征有一定局限性，而对复杂裂缝中的压裂液和支撑剂颗粒的速度场进行定量化表征则能够更好地研究支撑剂在复杂裂缝里的运移铺置机理。

中国专利申请CN107816342A公开了一种裂缝内支撑剂运移可视化实验装置，由两块透明板夹设成一段长裂缝通道，仅能观察和记录支撑剂在其中的运移规律。中国专利申请CN104792491A公开了一种模拟多角度缝网支撑剂沉降规律装置，包含了主缝和次生缝结构，充分反映了天然裂缝的形态，但也仅能定性观察支撑剂运移堆积情况。中国专利申请CN109779593A公开了一种可实现单裂缝通道中三维流场测试的可视化平板裂缝装置，结合流场测试工具，仅能实现对常规油气田压裂过程中长单缝通道内压裂液和支撑剂颗粒的速度场的测量。然而页岩复杂裂缝通道中包括单缝内和分支缝接头处两种类型的流场特征，其中分支缝接头处的流场测量更为困难，对于研究整个页岩复杂裂缝中流体和颗粒的运动规律也更为重要，目前相关的专利都未能实现该功能。

基于此，本发明提供了一种流场全域可测量的支撑剂输送复杂裂缝实验装置，结合先进的流场测试工具可以实现对复杂裂缝中单缝内、各分支缝接头处等关键区域的压裂液和支撑剂速度场进行定量化表征，同时裂缝中各级分支裂缝可以按实验需求增添延伸且方便组装和拆洗，能够真实地模拟天然页岩地层中复杂裂缝的结构形态，克服了同类平板装置的缺点，为研究页岩储层水力压裂过程中支撑剂的输送规律提供了一种更好的实验装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种流场全域可测量的支撑剂输送复杂裂缝实验装置，该装置能较真实地模拟水力压裂过程中支撑剂在页岩复杂裂缝中的输送铺置过程，并结合流场测试工具获得整个复杂裂缝中单缝内、各分支缝接头处等关键区域压裂液和支撑剂的速度分布，从而定量化表征压裂液和支撑剂在裂缝中流动的参数及相互作用规律，同时该装置实现了模块化，利于组装和拆洗，能够更好地研究支撑剂在复杂裂缝里的运移铺置机理，为页岩气开采过程中的水力压裂施工参数优化、支撑剂优选提供更好的理论依据。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

一种流场全域可测量的支撑剂输送复杂裂缝实验装置，主要由压裂液配置罐、压裂液和支撑剂混合物输送泵、模拟井筒、可视化复杂平板裂缝、出口立管、排出液回收罐、连接管路、平板裂缝支座、压力计、控制阀、流量计组成。

所述压裂液配置罐为圆柱形罐体，包含进液口、支撑剂进口、罐体自身、搅拌机、出料口和回料口，所述出料口通过管线连接混合物输送泵入口，泵出口通过管线与圆柱形模拟井筒顶端连接。混合物自模拟井筒顶端进入后，通过与平板连通的模拟射孔孔口流入平板裂缝中。

所述可视化复杂平板裂缝由多段空间连通的缝状流动通道互联而成，并结合支撑剂输送铺置模拟实验的完整性要求，确定可视化复杂平板裂缝包含三种缝宽依次减小的裂缝通道，分别为主裂缝、一级次生缝、二级次生缝。整个可视化复杂平板裂缝由单缝和分支缝两种模块组装拼接而成。单缝模块由一种可变缝宽的单裂缝通道构成，分支缝模块则由主裂缝-一级次生缝或一级次生缝-二级次生缝两种不同缝宽组合的裂缝通道构成。

所述单缝模块包含两块竖立且平行放置的透明平板和两幅用于固定的外框架。将透明平板镶嵌于两幅框架内进行固定，使其能够承受实验过程中较高的流体压力。为了实现框架对平板的固定，在两幅框架上下两端加工足够多个对称布置的螺孔，用于螺栓连接。

所述分支缝模块包含五块竖立的透明平板和三幅用于固定的外框架，上一级裂缝一侧由一整块透明平板构成，另一侧由两块在空间上共面且留有一定间隔的透明平板构成。次级裂缝的两块透明平板的端面直接延伸至与上一级裂缝留有间隔的一侧透明平板的内侧平齐，同时形成不同的分支缝角度，并通过相应的特制框架螺孔中的螺栓进行连接和固定。

为了在透明平板之间形成从前至后的流动通道，平板间上下两侧采用具有一定宽度的有机玻璃长条支撑平板，有机玻璃长条和平板之间进行粘接密封，从而形成可视化的平板裂缝流动通道。单缝模块和分支缝模块均可根据实验要求进行增添延伸，通过框架前后侧边螺孔中的螺栓进行连接和固定，从而形成可以多段互联、可调节长度的复杂平板裂缝模型。可视化复杂平板裂缝放置于支座上，形成垂直缝。各级裂缝出口处连接一割缝圆形立管，流体流入立管后自上端流出，进入出口管汇，并最后流入回收罐。

为了实现平板裂缝中压裂液和支撑剂速度场的测试，本发明拟利用粒子图像测速仪(PIV)实现流场速度测试。采用PIV进行流场测试时，激光片光源平行于流动方向自平板裂缝顶部的有机玻璃长条射入流动通道之中，采用CCD相机从裂缝通道正面接收被流场中示踪粒子反射的激光，从而获得示踪粒子的运动图像，并传输至电脑保存，然后采用PIV装置后处理软件即可得到测试区域流体的速度场, 从而可以分析得到其流动规律。为了满足激光入射和反射不被遮挡的问题，安装时两幅框架顶部之间需留有足够的间隙（即光源入射通道），同时不安装入射光经过区域的螺栓，避免螺栓对入射光路的阻挡，入射后的激光自玻璃平板正面反射被CCD接收。PIV激光器入射光为片光源，单次可以直接测量平行于流动方向某个面的速度场，同时采用两台CCD即可得到该平面上三维速度矢量。若需不同平面的三维速度场，可沿垂直于流动方向前后移动片光源，再次测量即可。

对于整个裂缝中具有平板裂缝特征的任意位置，CCD相机摆放至裂缝通道任意一侧即可进行对单缝通道流场的测试。对于分支缝模块接头处，CCD只需置于该模块上一级裂缝无遮挡的一侧，便可进行对分支裂缝接头处流场的测试，由于可实现该位置流出的三维测量，所以从该位置进入支缝的流动参数也能由此测得。由此可看出，通过这样的组合方式，可以构建不同形态的组合复杂裂缝模拟结构，并实现整个裂缝中所有位置流场测试。

利用上述装置测试复杂裂缝单缝内或分支缝接头处流体、颗粒速度场的方法，依次包括以下步骤：

（1）根据所需开展实验内容，如滑溜水携支撑剂输送实验或者冻胶携支撑剂输送实验等，确定所需要的单缝模块和分支缝模块的数量；

（2）确定需要进行液相速度场和支撑剂颗粒速度场测试的流场区域；

（3）对可视化复杂平板裂缝实验段进行组装、固定和连接，即先安装单缝模块和分支缝模块，然后进行模块之间的连接，该过程中保证所需流场测试区域的裂缝顶端框架连接螺栓不进行安装；

（4）将组装后的复杂平板裂缝固定于支座上，形成垂直裂缝；

（5）依次将压裂液配置罐、输送泵、控制阀门、流量计、压力计、模拟井筒、平板裂缝、出口立管、回收罐采用管线连接起来；

（6）检查系统的密封性；

（7）选择流场测试类型（压裂液流场、支撑剂速度场或者两者同时进行）；

（8）按照PIV装置安装的相关流程在需要流场测量的位置安装好相应设备，对于单缝通道，CCD相机摆放至测试区域裂缝通道任意一侧即可；对于分支缝接头处，CCD相机需摆放至该分支缝模块上一级通道无遮挡的一侧，调试完毕后准备实验测量；

（9）在液罐中配置压裂液；

（10）启动泵，打开阀门，让罐中的压裂液缓慢注入管线和平板裂缝中，充满后静置，关闭泵；

（11）再次配置好携砂液，然后加入所需的微球示踪粒子，搅拌使得相互之间充分混合；

（12）启动泵，调节电机按照所设计的实验排量向可视化复杂平板裂缝中注入携砂液；

（13）记录流量、压力等相关数据；

（14）根据需要，启动PIV装置，开展所设定位置的流场测量，获取三维流场数据；

（15）采用后处理软件处理所获得的图像，得到压裂液或支撑剂颗粒的速度场。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：设计了一种流场全域可测量的支撑剂输送复杂裂缝实验装置，结合先进的流场测试工具可以实现对复杂裂缝中单缝内、各分支缝处等关键区域的压裂液和支撑剂速度场进行定量化表征，同时装置中的单缝模块和分支缝模块可以按具体需求增添延伸且方便组装和拆洗，能够真实地模拟天然页岩地层中复杂裂缝的结构形态，克服了同类平板装置的缺点，为研究页岩储层水力压裂复杂裂缝中支撑剂的输送规律提供了一种更好的实验装置。

附图说明

图1 为一种流场全域可测量的支撑剂输送复杂裂缝实验装置结构示意图。

图2 为图1中可视化复杂平板裂缝流动通道结构图。

图3 为图2中分支缝模块中垂直分支处的连接结构图。

图4 为图2中分支缝模块中倾斜分支处的连接结构图。

图中：1、压裂液配制罐；2、阀门；3、输送泵4、模拟井筒；5、主裂缝；6、平板裂缝支座；7、一级次生缝；8、二级次生缝；9、CCD相机；10、PIV激光仪；11、出液管；12、主管线；13、分支管线；14、压力计；15、流量调节阀；16、流量计；17、废液处理罐；18、搅拌机；19、支撑剂进口；20、进液口；21、流动通道；22、外框架；23、透明平板；24、螺栓；25、玻璃长条。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。

如图1、图2所示。

一种流场全域可测量的支撑剂输送复杂裂缝实验装置，由压裂液配置罐1、输送泵3、模拟井筒4、可视化复杂平板裂缝、出液管11、废液处理罐17、压力计14、流量调节阀15、流量计16、CCD相机9、PIV激光仪10组成。所述压裂液配置罐1为圆柱形罐体，包含进液口20、支撑剂进口19、搅拌机18、出料口和回料口，所述出料口通过管线、阀门2连接输送泵3的入口，输送泵的出口通过管线与模拟井筒4顶端连接；配置罐的混合物经过出料口、输送泵自模拟井筒顶端进入后，通过模拟射孔孔口流入平板裂缝中；所述可视化复杂平板裂缝由单缝模块和分支缝模块拼接而成，单缝模块由一种可变缝宽的单裂缝通道构成，分支缝模块由主裂缝-一级次生缝、一级次生缝-二级次生缝两种不同缝宽的裂缝通道构成；复杂平板裂缝置于支座6上，形成垂直缝，各级裂缝出口处均连接一出液管11，自平板裂缝流出的流体进入出液管后自上端流出后，分别经过主管线12或分支管线13流入废液处理罐17，主管线上设置压力计14、流量调节阀15、流量计16，废液处理罐连接压裂液配置罐的回料口；该装置利用CCD相机9、PIV激光仪10对复杂平板裂缝的流场速度进行测试和记录。

所述可视化复杂平板裂缝由多段空间连通的缝状流动通道互联而成，如图2所示，可视化复杂平板裂缝包含三种缝宽依次减小的裂缝通道，分别为主裂缝5、一级次生缝7、二级次生缝8。

所述单缝模块包含两块竖立且平行放置的透明平板23和两幅用于固定透明平板的外框架22，透明平板之间形成流动通道21，在两幅外框架上下两端设置多个对称布置的螺孔，通过螺栓24连接。

所述分支缝模块（见图3、图4）包含五块竖立的透明平板23和三幅用于固定的外框架22，上一级裂缝一侧由一整块透明平板构成，另一侧由两块在空间上共面且留有一定间隔的透明平板构成，次级裂缝的两块透明平板的端面直接延伸至与上一级裂缝留有间隔的一侧透明平板的内侧平齐，同时形成不同的分支缝角度，并通过相应的外框架螺孔中的螺栓24进行连接和固定。

所述透明平板间上下两侧采用具有一定宽度的有机玻璃长条25支撑平板，有机玻璃长条和平板之间进行粘接密封，形成可视化的平板裂缝流动通道。

单缝模块和分支缝模块可根据实验要求进行增添，通过外框架螺孔中的螺栓进行连接和固定，形成可以多段互联、可调节长度的复杂平板裂缝模型。

采用PIV激光仪进行流场测试，激光片光源平行于流动方向自平板裂缝顶部的有机玻璃长条射入流动通道之中，CCD相机从裂缝通道正面接收被流场中示踪粒子反射的激光，获得示踪粒子的运动图像，并传输至计算机。

PIV激光器入射光为片光源，单次可以直接测量平行于流动方向某个面的速度场，同时采用两台CCD即可得到该平面上三维速度矢量。

对于单缝模块，CCD相机摆放至裂缝任意一侧即可进行对单缝通道流场的测试；对于分支缝模块接头处，将CCD置于该模块上一级裂缝无遮挡的一侧，可进行对分支裂缝接头处流场的测试，从而实现整个裂缝中所有位置的流场测试。

利用上述实验装置进行分支缝接头处三维流场测试的方法，步骤如下：

1、制作如图2所示可视化复杂平板裂缝，需要两个单缝模块和五个分支缝模块。在此选取长度为2.0 m，高度为0.62 m，厚2.0 cm的二十四块透明有机玻璃板。对于单缝模块，直接使用所述有机玻璃板即可；对于分支缝模块，上一级裂缝通道一侧仍为所述有机玻璃板，上一级裂缝与次级裂缝连接侧的有机玻璃则被需分割为两块，在空间上共面且留有一定间隔。次级裂缝的两块透明平板的端面直接延伸至与上一级裂缝留有间隔的一侧透明平板的内侧平齐，且形成的分支缝几何角度分别为60°，90°，120°。在竖立平行放置的玻璃板上下端用长2.0 m（也可以多个玻璃条连接而成）、高1.0 cm的三种不同宽度的有机玻璃长条粘接，从而形成长2.0 m、高0.6 m的三种不同缝宽的流动通道，使得主裂缝、一级次生缝、二级次生缝的缝宽依次为0.6cm、0.4cm、0.2cm。

2、制作19个能够贴合并固定所述有机玻璃流动通道的不锈钢框架。框架内部无材料区域大小为1.9m×0.6 m，顶部和底部各有高为3.0cm部分向内突出1.0cm厚度，并在突出部分中心位置等间距加工9个螺栓孔（从进口向出口方向编号依次为①、②、③、……、⑨），孔径为1cm，孔间距为0.2 m。此外，框架前端和后端均设置向前和向后连接的幅板并开设螺栓孔。

3、确定主裂缝通道第四段平板裂缝距该块平板左端面0.8m为中心，宽0.4 m的分支缝区域为本次实验流场测试区。

4、在可视化玻璃平板通道上安装外框架，其中主裂缝第四块平板裂缝框架上侧④号和⑤号螺栓不进行安装。

5、按照图1和图2所示，依次连接系统的所有构件。

6、在压裂液配置罐中注入约300 L清水，打开阀门并启动泵，检查系统的密封性能。

7、按照PIV装置的安装要求，在该分支缝模块主裂缝通道无遮挡的一侧安装好CCD相机，在通道上方架设好激光仪。

8、完成测试装置（PIV）工作状态调试。

9、在压裂配置罐内配置300 L压裂液。

10、运行注入泵，用前置液将管线及裂缝中清水排出，使整个循环系统内充满前置液。

11、在压裂液配置罐内配置300 L携砂压裂液，并加入微球示踪粒子搅拌均匀，维持搅拌状态。

12、启动混输泵向裂缝内注入携砂压裂液，并通过阀门控制流量达到实验工况。

13、启动PIV装置开展流场测试，获得流动过程的测试图像。

14、采用PIV测试时，可以调整激光片光源前后的位置，获得不同流面的速度场图像。

15、测试完成后关停泵，停止实验。

16、对装置内液体进行回收和处理，清洗管路及平板裂缝。

17、采用PIV后处理软件分析处理实验过程中所获得的图像，得到测试位置流体相速度场（PIV测试）。

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 (9)

1.一种流场全域可测量的支撑剂输送复杂裂缝实验装置，由压裂液配置罐（1）、输送泵（3）、模拟井筒（4）、可视化复杂平板裂缝、出液管（11）、废液处理罐（17）、CCD相机（9）、PIV激光仪（10）组成，其特征在于，所述压裂液配置罐（1）为圆柱形罐体，包含进液口（20）、支撑剂进口（19）、搅拌机（18）、出料口和回料口，所述出料口通过管线连接输送泵（3）的入口，输送泵的出口通过管线与模拟井筒（4）顶端连接；配置罐的混合物经过出料口、输送泵自模拟井筒顶端进入后流入平板裂缝中；所述可视化复杂平板裂缝由单缝模块和分支缝模块拼接而成，单缝模块由一种可变缝宽的单裂缝通道构成，分支缝模块由主裂缝-一级次生缝、一级次生缝-二级次生缝两种不同缝宽的裂缝通道构成；平板裂缝置于支座（6）上，形成垂直缝，各级裂缝出口处均连接一出液管（11），自平板裂缝流出的流体进入出液管后流入废液处理罐（17），废液处理罐连接压裂液配置罐的回料口；该装置利用CCD相机（9）、PIV激光仪（10）对平板裂缝的流场速度进行测试和记录。

2.如权利要求1所述的一种流场全域可测量的支撑剂输送复杂裂缝实验装置，其特征在于，自平板裂缝流出的流体进入出液管后自上端流出，分别经过主管线（12）或分支管线（13）流入废液处理罐（17），主管线上设置压力计（14）、流量调节阀（15）、流量计（16）。

3.如权利要求1所述的一种流场全域可测量的支撑剂输送复杂裂缝实验装置，其特征在于，所述单缝模块包含两块竖立且平行放置的透明平板（23）和两幅用于固定透明平板的外框架（22），透明平板之间形成流动通道（21），在两幅外框架上下两端设置多个对称布置的螺孔，通过螺栓（24）连接。

4.如权利要求1所述的一种流场全域可测量的支撑剂输送复杂裂缝实验装置，其特征在于，所述分支缝模块包含五块竖立的透明平板和三幅用于固定的外框架，上一级裂缝一侧由一整块透明平板构成，另一侧由两块在空间上共面且留有一定间隔的透明平板构成，次级裂缝的两块透明平板的端面直接延伸至与上一级裂缝留有间隔的一侧透明平板的内侧平齐，同时形成不同的分支缝角度，并通过相应的外框架螺孔中的螺栓进行连接和固定。

5.如权利要求1所述的一种流场全域可测量的支撑剂输送复杂裂缝实验装置，其特征在于，所述透明平板间上下两侧采用具有一定宽度的有机玻璃长条（25）支撑平板，有机玻璃长条和平板之间进行粘接密封，形成可视化的平板裂缝流动通道。

6.如权利要求1所述的一种流场全域可测量的支撑剂输送复杂裂缝实验装置，其特征在于，单缝模块和分支缝模块可根据实验要求进行增添，通过外框架螺孔中的螺栓进行连接和固定，形成多段互联、可调节长度的复杂平板裂缝。

7.如权利要求1所述的一种流场全域可测量的支撑剂输送复杂裂缝实验装置，其特征在于，采用PIV激光仪进行流场测试，激光片光源平行于流动方向自平板裂缝顶部的有机玻璃长条射入流动通道之中，CCD相机从裂缝通道正面接收被流场中示踪粒子反射的激光，获得示踪粒子的运动图像，并传输至计算机。

8.如权利要求1所述的一种流场全域可测量的支撑剂输送复杂裂缝实验装置，其特征在于，PIV激光器入射光为片光源，单次可以直接测量平行于流动方向某个面的速度场，同时采用两台CCD可得到该平面上三维速度矢量。

9.如权利要求1所述的一种流场全域可测量的支撑剂输送复杂裂缝实验装置，其特征在于，对于单缝模块，CCD相机摆放至裂缝任意一侧即可进行对单缝通道流场的测试；对于分支缝模块接头处，将CCD置于该模块上一级裂缝无遮挡的一侧，可进行对分支裂缝接头处流场的测试，从而实现整个裂缝中所有位置的流场测试。

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