CN111272637B - 一种压裂充填防砂性能测试系统及其测试方法与评价方法 - Google Patents

一种压裂充填防砂性能测试系统及其测试方法与评价方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111272637B
CN111272637B CN202010230549.5A CN202010230549A CN111272637B CN 111272637 B CN111272637 B CN 111272637B CN 202010230549 A CN202010230549 A CN 202010230549A CN 111272637 B CN111272637 B CN 111272637B
Authority
CN
China
Prior art keywords
sand
crack
wing
fracturing
simulation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010230549.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111272637A (zh
Inventor
董长银
周博
王力智
李志芬
刘永红
蔡宝平
纪仁杰
赛福拉·地力木拉提
甘凌云
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China University of Petroleum East China
Original Assignee
China University of Petroleum East China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China University of Petroleum East China filed Critical China University of Petroleum East China
Priority to CN202010230549.5A priority Critical patent/CN111272637B/zh
Publication of CN111272637A publication Critical patent/CN111272637A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111272637B publication Critical patent/CN111272637B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials
    • G01N15/082—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample
    • G01N15/0826—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample and measuring fluid flow rate, i.e. permeation rate or pressure change
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M10/00—Hydrodynamic testing; Arrangements in or on ship-testing tanks or water tunnels
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N13/00—Investigating surface or boundary effects, e.g. wetting power; Investigating diffusion effects; Analysing materials by determining surface, boundary, or diffusion effects
    • G01N13/04—Investigating osmotic effects
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials
    • G01N15/088—Investigating volume, surface area, size or distribution of pores; Porosimetry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N5/00—Analysing materials by weighing, e.g. weighing small particles separated from a gas or liquid

Abstract

本发明公开了一种压裂充填防砂性能测试系统及其测试方法与评价方法，可以优化压裂防砂施工参数，提高压裂防砂效果。本发明的系统包括了并连设置的压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置和压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置，可以实现针对压裂充填防砂裂缝充填带流动及挡砂的不同实验测试和评价目的。整个系统功能全面、流程合理，可以实现自动加砂、过砂自动收集、自动数据采集等。实验系统监测的数据全面，为裂缝充填带的综合防砂性能评价提供全方位的测试数据支持。本发明提供的性能指标评价方法测量了压裂防砂的充填层的导流性能和挡砂性能，以及综合性能，评价科学合理。

Description

一种压裂充填防砂性能测试系统及其测试方法与评价方法
技术领域
本发明涉及石油与天然气开发、开采技术领域，具体涉及一种压裂充填防砂性能测试系统及其测试方法与评价方法。
背景技术
目前世界上的常规油气田超过70％都是弱胶结疏松砂岩油藏，此类油藏具有高渗透性、胶结差的特点，在开采过程中油井出砂是常遇到的工程问题之一。压裂充填防砂是一种主流的防砂工艺技术，将水力压裂和砾石充填结合起来，在水力压裂压开的裂缝里充填砾石或陶粒，实现防砂和增产的双重目的。压裂充填防砂主要依靠裂缝中的充填带阻挡地层砂，同时保持高流通性。因此，压裂充填防砂裂缝充填带的综合防砂性能评价是一项十分重要的工作。但存在的问题有：
(1)现有的评价裂缝充填带的充填介质防砂特性使用的测试装置比较简单，主要评价充填介质本身的挡砂特性，无法模拟裂缝在地层环境下的挡砂和流动特性。缺乏真实的裂缝条件下的充填介质性能评价测试系统。
(2)针对压裂防砂裂缝充填介质的综合性能评价，考虑的评价因素主要是导流能力，缺乏对挡砂效果、综合效果的评价，并缺乏系统的定量评价方法。
发明内容
本发明针对上述问题，提供了一种压裂充填防砂性能测试系统及其测试方法与评价方法，为压裂充填防砂综合性能测试与评价提供系统的实验装置、实验方法和数据处理与评价方法，用于优化压裂防砂施工参数，提高压裂防砂效果。
本发明解决技术问题的技术方案为：
一种压裂充填防砂性能测试系统，包括数据采集电脑和通过管道依次连接的恒流供液系统、主体装置、出砂量监测系统，且所述的出砂量监测系统的出液口与恒流供液系统的进液口通过管道连接，所述的恒流供液系统与主体装置之间的管道上设置有流量实时监测系统和加砂器，所述的主体装置包括通过管道并连设置的压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置和压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置，所述的压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置和压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置的前端分别设置有分流器，所述的压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置和压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置内设置有压力实时采集系统，所述的流量实时监测系统、压力实时采集系统分别与数据采集电脑连接。
所述的压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置和压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置的支路管道上均设置有第一液压传感器和阀门。
所述的恒流供液系统包括储液罐和柱塞泵，所述的储液罐的出液口与柱塞泵的进液口连接，所述柱塞泵的出液口通过管道与主体装置连接。
所述的流量实时监测系统包括流量计，流量计与采集电脑相连，所述的流量计安装于管道上。
所述的压力实时采集系统包括第一液压传感器、第二液压传感器、第三液压传感器、第一闭合应力传感器、第二闭合应力传感器。且所述的第一液压传感器、第二液压传感器、第三液压传感器、第一闭合应力传感器、第二闭合应力传感器分别与数据采集电脑连接。
所述的出砂量监测系统包括沉砂罐和集砂器，所述的集砂器设置于沉砂罐的底部，所述的沉砂罐的出液口与恒流供液系统的进液口之间的管道上设置有回水泵。沉砂罐为圆柱形罐体，底部为漏斗状，漏斗的最底部通过阀门和接头与集砂器连接。集砂器就是透明管的圆柱状容器，带有刻度。
所述的压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置包括槽室、第一模拟井筒、模拟单翼裂缝模具和第一密封盖板，所述的第一密封盖板通过螺栓设置于槽室的顶部，所述的第一密封盖板与槽室之间设置有第一密封圈，所述的第一密封盖板上设有透明观察窗口，所述的槽室的前侧壁的上部设有第一进液孔，后侧壁的下部开设有第一出液口，所述的槽室的左侧壁和右侧壁各设有四个第一进液口，第一模拟井筒为金属圆筒，直径10cm，第一模拟井筒底端通过螺旋丝扣连接固定在槽室的底座上且第一模拟井筒的底端与第一出液口连通，模拟单翼裂缝模具包括两片竖直设置的第一孔板，所述的第一孔板上设有均匀排布的排液孔，两片所述的第一孔板的前端铰接在一起，所述的两片第一孔板的后端与第一模拟井筒的侧壁螺栓连接，所述的第一模拟井筒的侧壁与模拟单翼裂缝模具的贴合处设有多个螺纹孔，一是供流体从裂缝流入井筒，二是便于灵活调整固定螺母位置，以便适应不同的裂缝宽度。所述的槽室的左侧壁和右侧壁上各螺纹有五个第一加压螺栓，所述的第一加压螺栓水平设置且内端与模拟单翼裂缝模具接触，所述槽室的内腔的底部设置有多个孔板加持固定立柱，槽室的内腔的中间位置沿前后方向依次设置有多个第一闭合应力传感器和第二液压传感器，所述的第一闭合应力传感器的两端分别与两个第一孔板连接。
且所述的第二液压传感器与第一闭合应力传感器交替均匀设置。
所述的第一闭合应力传感器的数量为四个，所述的第二液压传感器的数量为四个。
第一模拟井筒的顶端和模拟单翼裂缝模具的顶端被第一密封盖板压实固定。
压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置包括圆筒状的主罐体、第二模拟井筒、模拟双翼裂缝模具和第二密封盖板，所述的第二密封盖板通过螺栓设置于主罐体的顶部，所述的第二密封盖板与主罐体之间设置有第二密封圈，所述的第二密封盖板上设有透明观察窗口，所述的主罐体的侧壁上设置有八个第二进液孔，所述的第二进液孔分上下两层均匀分布于主罐体的侧壁上，每层各设有四个第二进液孔，主罐体的底部中心处设有第二出液口，所述的第二模拟井筒为金属圆柱筒，所述的第二模拟井筒的底部与第二出液口连通，所述的模拟双翼裂缝模具包括前、后两组裂缝模具，所述的裂缝模具包括两片竖直设置的第二孔板，所述的第二孔板上设有均匀排布的排液孔，所述的第二孔板的外端铰接在一起，所述的第二孔板的内端通过螺栓与第二模拟井筒的侧壁连接，所述的第二模拟井筒的侧壁与模拟双翼裂缝模具的贴合处设有多个螺纹孔，裂缝模具的内腔的中间位置沿前后方向依次设置有多个交替均匀设置的第二闭合应力传感器和第三液压传感器，所述的第二闭合应力传感器的两端分别与两个第二孔板连接，所述的模拟双翼裂缝模具的左右两侧分别设置有四个第二加压螺栓，所述的第二加压螺栓水平设置且螺纹连接于主罐体的侧壁上，所述的第二加压螺栓的内端与模拟双翼裂缝模具接触，所述主罐体的内腔的底部设置有多个孔板加持固定立柱。
所述的恒流供液系统的出液口通过管道与分流器的进液口连接，两个所述的分流器的出液口分别与压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置和压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置的进液口通过管道连接。
一种压裂充填防砂性能测试系统的测试方法：
在进行单翼裂缝的模拟实验时，将压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置的第一孔板调整至模拟裂缝的角度，并在第一孔板模拟的裂缝内铺设支撑剂，在槽室内铺设地层砂或者在设备启动时通过加砂器向管道的流体中加入地层砂，盖上第一密封盖板并紧固，拧动第一加压螺栓对第一孔板模拟的裂缝施加闭合应力，关闭压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置的支路管道上的阀门，打开储液罐的出液口阀门，并启动柱塞泵以及回水泵，调整柱塞泵的排量至定量开始实验，开启压力实时采集系统，每隔5-10分钟记录数据并观察压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置内的堵塞形态，驱替至第一液压传感器测量的管线内的压力稳定，关闭柱塞泵并停止数据实时采集，并通过沉砂罐和集砂器收集砂，通过离心机分离固液，烘干称量砂的质量，利用激光粒度仪或标准筛获取砂粒径大小，将第一孔板拆除，取出地层砂和支撑剂，清理实验装置；
进行双翼裂缝的模拟实验时，将压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置内的第二孔板调整至模拟裂缝的角度，并在第二孔板模拟的裂缝内铺设支撑剂，在主罐体内铺设地层砂，盖上第二密封盖板并紧固，拧动第二加压螺栓对第二孔板模拟的裂缝施加闭合应力，关闭压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置的支路管道上的阀门，打开储液罐的出液口阀门，并启动柱塞泵以及回水泵，调整柱塞泵的排量至定量开始实验，开启压力实时采集系统，每隔5-10分钟记录数据并观察压裂充填带双翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置内的堵塞形态，驱替至第一液压传感器测量的管线内的压力稳定，关闭柱塞泵并停止数据实时采集，并通过沉砂罐和集砂器收集砂，通过离心机分离固液，烘干称量砂的质量，利用激光粒度仪或标准筛获取砂粒径大小，将第二孔板拆除，取出地层砂和支撑剂，清理实验装置。
一种压裂充填防砂性能测试系统的评价方法：
实验时传感器按照设定的时间步长Δt自动测试与采集的数据包括：q—液体流量，单位m3/s；qs—加砂速度qs，单位g/s；ΔP—主体装置从出口到入口的总压降，单位MPa；ΔPi—裂缝内第i对相邻闭合应力传感器之间的压力差，单位MPa；
实验结束后通过人工测试的数据包括：Ms0—总实验加砂量，单位g；Msp—通过裂缝充填层产出的过砂量，单位g；Lfs—裂缝内的地层砂侵入段长度，单位mm；
(1)挡砂性能指标评价计算
挡砂性能指标用来表征裂缝充填层阻挡地层砂的能力，评价挡砂性能指标至少包括：一是实验过程中通过裂缝充填层产出的过砂量多少，过砂量越大，说明挡砂能力越弱；二是从裂缝缝端入口开始，目测地层砂能够侵入裂缝的长度，这个侵入长度越大，说明挡砂能力越弱；
定义挡砂率为裂缝充填层阻挡滞留的砂量与总实验加砂量的比值，用下式计算：
Figure GDA0003003861670000061
式中Rsp—挡砂率，无量纲。
定义净缝比为实验结束时裂缝充填层中目测保持洁净的长度与总裂缝长度的比值，用下式计算：
Figure GDA0003003861670000071
式中Lf—单翼填砂裂缝总长，单位mm；Lfs—目测的裂缝内地层砂侵入段长度，单位mm；Rsf—净缝比，无量纲。
挡砂性能指标通过挡砂率和净缝比加权平均计算得到：
Sd＝Rsp·Xd+Rsf·(1-Xd)
式中，Sd—挡砂性能指标，无量纲；Xd—加权平均系数，无量纲；
Xd的取值介于0-1之间,原则上由实验人员根据经验或实验分析的侧重点确定，一般推荐Xd取值0.5；如果实验目的侧重评价裂缝的总体挡砂效果，推荐取值0.65；如果侧重评价地层砂对裂缝充填层的侵入程度，推荐取值0.35。
挡砂性能指标Sd介于0-1之间，挡砂性能指标越大表示挡砂性能越好；
(2)导流性能指标计算
导流性能指标用来表征裂缝充填层在整个实验过程中的导流性能，导流性能指标为介于0-1之间的无量纲值；导流性能指标数值越大，表示导流能力越好。
计算裂缝充填介质的导流性能指标，首先需要计算裂缝充填层的渗透率变化。实验过程中，单翼裂缝的表观渗透率用下式计算：
单翼裂缝矩形容腔的表观渗透率为：
Figure GDA0003003861670000072
单翼裂缝的裂缝充填层的表观渗透率为：
Figure GDA0003003861670000073
式中wf—平均裂缝宽度；Lf—单翼填砂裂缝总长，单位mm；L—压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置内部有效填砂长度，单位mm；W—压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置内部有效填砂宽度，单位mm；H—压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置内部有效填砂高度，单位mm；ΔPa—容腔出入口压力差，MPa；ΔPf—裂缝充填段的流动压力差，MPa；μ—实验用流体粘度，Pa.s；Ka—单翼裂缝矩形容腔的表观渗透率，μm2；Kf—单翼裂缝的裂缝充填层的表观渗透率，μm2。
按照上式，根据不同时间ti的测试数据，即可计算相应时间的表观渗透率。则裂缝导流能力用下式计算：
Cf＝Kf·wf
由于上述测试计算得到的裂缝导流能力Cf是随实验时间发生变化的。使用综合导流能力表征整个实验过程中的裂缝充填层的导流性能。综合导流能力不但考虑初始渗透率及导流能力，而且还考虑实验过程中的渗透率和导流能力变化，该指标能够客观反映整个实验过程中的总体导流性能。综合导流能力为初始导流能力与实验全过程中的平均导流能力按照系数的加权平均值：
CF＝Cf0×Xc+Cfa×(1-Xc)
Figure GDA0003003861670000081
式中，N—实验过程的测试点数；Cf0—初始导流能力，使用不加砂驱替3-5min测试得到，单位mm·μm2；Cfa—实验全过程中的平均导流能力，单位mm·μm2；CF—综合导流能力，单位mm·μm2；Xc—加权平均系数，由经验确定；Cfi—第i次测量的裂缝导流能力；
为了便于多种实验的导流性能横向对比以及计算后续的各种无量纲指标，提出多个实验的导流性能指标Si计算公式为：
Figure GDA0003003861670000082
式中，CF(i)—第i个实验的综合导流能力，单位mm·μm2；CFmax—全部实验中的综合导流能力的最大值，单位mm·μm2；Si—第i个实验的导流性能指标。
(3)压裂防砂综合性能指标计算方法
压裂防砂综合性能指标为位于0-1之间的无量纲值，数值越大表述防砂性能越好。压裂防砂综合性能指标S根据导流性能指标Si和挡砂性能指标Sd两者加权平均得到：
S＝Si·Xs+Sd·(1-Xs)
式中，Xs—加权平均系数；S—压裂防砂综合性能指标，无量纲。
如果是多个实验的横向对比测试评价，使用下式根据限定值{Qmin,Qmax}进行匀整计算：
Figure GDA0003003861670000091
式中Qmin、Qmax—人工限定的单项性能指标的最小值和最大值，默认值为0和1，推荐分别取值0.5和1.0；Smin、Smax—多个裂缝充填层中某单项性能指标的最小值和最大值，无量纲，其中某单项性能指标指“挡砂性能指标”和“导流性能指标”的任一项；S(i)—计算得到的第i个实验的压裂防砂综合性能指标，无量纲；S’(i)—匀整后的第i个实验的压裂防砂综合性能指标，无量纲。
发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
1、本发明为压裂充填防砂综合性能测试与评价提供系统的实验装置、实验方法和数据处理与评价方法，可以优化压裂防砂施工参数，提高压裂防砂效果。
2、本发明的系统包括了并连设置的压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置和压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置，可以实现针对压裂充填防砂裂缝充填带流动及挡砂的不同实验测试和评价目的。整个系统功能全面、流程合理，可以实现自动加砂、过砂自动收集、自动数据采集等。实验系统监测的数据全面，为裂缝充填带的综合防砂性能评价提供全方位的测试数据支持。
3、本发明通过系统中包含的两套裂缝模拟单元中，单翼裂缝有效缝长接近5m，裂缝宽度10-40mm内可调，裂缝角度在0-5度内可调，双翼裂缝宽度在5-25mm内可调，裂缝角度在0-10度内可调。两者互补可以模拟不同尺度、不同形态的裂缝流动和挡砂过程。
4、本发明的实验系统观察方便，实验条件设置和参数调整灵活。透明视窗可以实现可视化模拟，可以直接观察地层砂在裂缝充填带中的侵入运移动态；通过机械应力加载装置可以模拟裂缝闭合应力对充填颗粒的压实作用，闭合应力可以用过传感器监测和测试；设置的液压传感器和闭合应力传感器可以测试裂缝总体压降和裂缝内的压力分布及分段压降。
5、本发明提供的性能指标评价方法测量了压裂防砂的充填层的导流性能和挡砂性能，以及综合性能，评价科学合理。导流性能指标包括了裂缝充填层的初始渗透率和堵塞后渗透率及其变化规律；挡砂性能指标则包括了地层砂侵入裂缝充填层的深度，和通过防砂介质的地过砂量。评价客观合理，通过特定的计算方法可以计算得到定量评价指标，便于多个实验的横向对比评价。此评价指标体系及其计算方法对于以优化裂缝充填材料、优选充填参数为目的的实验测试尤其有益。
附图说明
图1为本发明一种压裂充填防砂性能测试系统的整体结构示意图；
图2为压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置的立体图结构示意图；
图3为压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置的水平截面结构示意图；
图4为压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置中孔板加持固定立柱的位置、结构示意图；
图5为压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置的立体结构示意图；
图6为压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置的水平截面示意图；
图7为压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置中孔板加持固定立柱的位置、结构示意图；
压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置1，压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置2，储液罐3，柱塞泵4，流量计5，加沙器6，分流器7，第一液压传感器8，集砂器9，沉砂罐10，回水泵101，
槽室11，第一模拟井筒12，模拟单翼裂缝模具13，第一孔板131，第一密封盖板14，第一密封圈15，第一进液孔16，第一出液口17，第一加压螺栓18，孔板加持固定立柱19，第二液压传感器102，第一闭合应力传感器103，
主罐体21，第二模拟井筒22，模拟双翼裂缝模具23，第二孔板231，第二密封盖板24，第二密封圈25，第二进液孔26，第二出液口27，第二加压螺栓28，第二闭合应力传感器29，第三液压传感器210。
具体实施方式
为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
一种压裂充填防砂性能测试系统，包括数据采集电脑和通过管道依次连接的恒流供液系统、主体装置、出砂量监测系统，且所述的出砂量监测系统的出液口与恒流供液系统的进液口通过管道连接，所述的恒流供液系统与主体装置之间的管道上设置有流量实时监测系统和加砂器6，加砂器为现有技术，所述的主体装置包括通过管道并连设置的压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置1和压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置2，所述的压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置1和压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置2的前端分别设置有分流器7，所述的压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置1和压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置2内设置有压力实时采集系统，所述的流量实时监测系统、压力实时采集系统分别与数据采集电脑连接。本发明的系统包括了并连设置的压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置1和压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置2，可以实现针对压裂充填防砂裂缝充填带流动及挡砂的不同实验测试和评价目的。整个系统功能全面、流程合理，可以实现自动加砂、过砂自动收集、自动数据采集等。实验系统监测的数据全面，为裂缝充填带的综合防砂性能评价提供全方位的测试数据支持。
所述的压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置1和压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置2的支路管道上均设置有第一液压传感器8和阀门。
所述的恒流供液系统包括储液罐3和柱塞泵4，所述的储液罐3的出液口与柱塞泵4的进液口连接，所述柱塞泵4的出液口通过管道与主体装置连接。
所述的流量实时监测系统包括流量计5，流量计5与采集电脑相连，所述的流量计5安装于管道上。
所述的压力实时采集系统包括第一液压传感器8、第二液压传感器102、第三液压传感器210、第一闭合应力传感器、第二闭合应力传感器29。且所述的第一液压传感器8、第二液压传感器102、第三液压传感器210、第一闭合应力传感器、第二闭合应力传感器29分别与数据采集电脑连接。
所述的出砂量监测系统包括沉砂罐10和集砂器9，所述的集砂器9设置于沉砂罐10的底部，所述的沉砂罐10的出液口与恒流供液系统的进液口之间的管道上设置有回水泵101。沉砂罐10为圆柱形罐体，底部为漏斗状，漏斗的最底部通过阀门和接头与集砂器9连接，集砂器9就是透明管的圆柱状容器，带有刻度。
所述的压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置1包括槽室11、第一模拟井筒12、模拟单翼裂缝模具13和第一密封盖板14，压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置1，压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置1长5.0m，宽0.5m，高0.5m，所述的第一密封盖板14通过16个螺栓设置于槽室11的顶部，所述的第一密封盖板14与槽室11之间设置有第一密封圈15，所述的第一密封盖板14上设有矩形透明观察窗口，所述的槽室11的前侧壁的上部设有第一进液孔16，后侧壁的下部开设有第一出液口17，所述的槽室11的左侧壁和右侧壁各设有四个第一进液口，第一模拟井筒为金属圆筒，直径10cm，第一模拟井筒底端通过螺旋丝扣连接固定在槽室11的底座上，且第一模拟井筒的底端与第一出液口连通，模拟单翼裂缝模具13包括两片竖直设置的第一孔板131，所述的第一孔板上设有均匀排布的排液孔，两片所述的第一孔板的前端铰接在一起，具体的铰接方式为两个第一孔板通过合页铰接，所述的两片第一孔板131的后端与第一模拟井筒的侧壁螺栓连接，所述的第一模拟井筒的侧壁与模拟单翼裂缝模具13的贴合处设有多个螺纹孔。一是供流体从裂缝流入井筒，二是便于灵活调整固定螺母位置，以便适应不同的裂缝宽度。所述的槽室11的左侧壁和右侧壁上各螺纹有五个第一加压螺栓18，所述的第一加压螺栓18水平设置且内端与模拟单翼裂缝模具13接触，所述槽室11的内腔的底部设置有多个孔板加持固定立柱19，槽室11的内腔的中间位置沿前后方向依次设置有多个第一闭合应力传感器和第二液压传感器102，所述的第一闭合应力传感器103的两端分别与两个第一孔板131连接。
且所述的第二液压传感器102与第一闭合应力传感器交替均匀设置。
所述的第一闭合应力传感器103的数量为四个，所述的第二液压传感器102的数量为四个。
第一模拟井筒的顶端和模拟单翼裂缝模具的顶端被第一密封盖板14压实固定。
压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置2包括圆筒状的主罐体21、第二模拟井筒22、模拟双翼裂缝模具23和第二密封盖板24，主罐体21直径为0.8m，高0.3m，材质采用304钢材，所述的第二密封盖板24通过螺栓设置于主罐体21的顶部，所述的第二密封盖板24与主罐体21之间设置有第二密封圈25，所述的第二密封盖板24上设有透明观察窗口，所述的主罐体21的侧壁上设置有八个第二进液孔26，所述的第二进液孔分上下两层均匀分布于主罐体21的侧壁上，每层各设有四个第二进液孔26，主罐体21的底部中心处设有第二出液口27，所述的第二模拟井筒为直径40mm的金属圆柱筒，所述的第二模拟井筒的底部与第二出液口27连通，所述的模拟双翼裂缝模具23包括前、后两组裂缝模具，所述的裂缝模具包括两片竖直设置的第二孔板231，所述的第二孔板上设有均匀排布的排液孔，所述的第二孔板231的外端铰接在一起，具体的铰接方式为通过合页铰接，所述的第二孔板231的内端通过螺栓与第二模拟井筒22的侧壁连接，所述的第二模拟井筒的侧壁与模拟双翼裂缝模具23的贴合处设有多个螺纹孔，裂缝模具的内腔的中间位置沿前后方向依次设置有多个第二闭合应力传感器29和第三液压传感器210，所述的第二闭合应力传感器的两端分别与两个第二孔板231连接，所述的模拟双翼裂缝模具23的左右两侧分别设置有四个第二加压螺栓28，所述的第二加压螺栓水平设置且螺纹连接于主罐体21的侧壁上，所述的第二加压螺栓28的内端与模拟双翼裂缝模具23接触，所述主罐体21的内腔的底部设置有多个孔板加持固定立柱19。
所述的恒流供液系统的出液口通过管道与分流器7的进液口连接，两个所述的分流器7的出液口分别与压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置1和压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置2的进液口通过管道连接。
本发明通过系统中包含的两套裂缝模拟单元中，单翼裂缝有效缝长接近5m，裂缝宽度10-40mm内可调，裂缝角度在0-5度内可调，双翼裂缝宽度在5-25mm内可调，裂缝角度在0-10度内可调。两者互补可以模拟不同尺度、不同形态的裂缝流动和挡砂过程。
一种压裂充填防砂性能测试系统的测试方法：
在进行单翼裂缝的模拟实验时，将压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置1的第一孔板调整至模拟裂缝的角度，并在第一孔板模拟的裂缝内铺设支撑剂，在槽室11内铺设地层砂，盖上第一密封盖板14并紧固，拧动第一加压螺栓18对第一孔板模拟的裂缝施加闭合应力，关闭压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置2的支路管道上的阀门，打开储液罐3的出液口阀门，并启动柱塞泵4以及回水泵101，调整柱塞泵的排量至定量开始实验，开启压力实时采集系统，每隔5-10分钟记录数据并观察压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置1内的堵塞形态，驱替至第一液压传感器8测量的管线内的压力稳定，这个压力稳定和裂缝内压力稳定是同一回事。对于一个连通的压力系统，一个点压力稳定，意味着系统压力稳定，但数值可能是不一样的，关闭柱塞泵4并停止数据实时采集，并通过沉砂罐10和集砂器9收集砂，通过离心机分离固液，烘干称量砂的质量，利用激光粒度仪或标准筛获取砂粒径大小，将第一孔板拆除，取出地层砂和支撑剂，清理实验装置；
进行双翼裂缝的模拟实验时，将压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置2内的第二孔板调整至模拟裂缝的角度，并在第二孔板模拟的裂缝内铺设支撑剂，在主罐体21内铺设地层砂，盖上第二密封盖板24并紧固，拧动第二加压螺栓28对第二孔板模拟的裂缝施加闭合应力，关闭压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置1的支路管道上的阀门，打开储液罐3的出液口阀门，并启动柱塞泵4以及回水泵101，调整柱塞泵的排量至定量开始实验，开启压力实时采集系统，每隔5-10分钟记录数据并观察压裂充填带双翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置1内的堵塞形态，驱替至第一液压传感器8测量的管线内的压力稳定，关闭柱塞泵4并停止数据实时采集，并通过沉砂罐10和集砂器9收集砂，通过离心机分离固液，烘干称量砂的质量，利用激光粒度仪或标准筛获取砂粒径大小，将第二孔板拆除，取出地层砂和支撑剂，清理实验装置。
本实验有两种加砂模式：
模式1：将地层砂填在容器中的裂缝外部空间，通过流体驱替将预先填埋的地层砂携带进入裂缝，地层砂的产出和侵入裂缝过程。此种情形下，加砂器可以不加砂，只作为流体通道。
模式2：模拟裂缝外部的容器空间中不填地层砂，此时使用加砂器加砂，流体和地层砂混合物从加砂器中流进容器，进入裂缝。这种情况应用比较少，只作为特殊情况的实验进行。
一种压裂充填防砂性能测试系统的评价方法：
实验时传感器按照设定的时间步长Δt自动测试与采集的数据包括：q—液体流量，单位m3/s；qs—加砂速度qs，单位g/s；ΔP—主体装置从出口到入口的总压降，单位MPa；ΔPi—裂缝内第i对相邻闭合应力传感器之间的压力差，单位MPa；
实验结束后通过人工测试的数据包括：Ms0—总实验加砂量，单位g；Msp—通过裂缝充填层产出的过砂量，单位g；Lfs—裂缝内的地层砂侵入段长度，单位mm；
(1)挡砂性能指标评价计算
挡砂性能指标用来表征裂缝充填层阻挡地层砂的能力，评价挡砂性能指标至少包括：一是实验过程中通过裂缝充填层产出的过砂量多少，过砂量越大，说明挡砂能力越弱；二是从裂缝缝端入口开始，目测地层砂能够侵入裂缝的长度，这个侵入长度越大，说明挡砂能力越弱；
定义挡砂率为裂缝充填层阻挡滞留的砂量与总实验加砂量的比值，用下式计算：
Figure GDA0003003861670000171
式中Rsp—挡砂率，无量纲。
定义净缝比为实验结束时裂缝充填层中目测保持洁净的长度即地层砂未侵入到的长度与总裂缝长度的比值，用下式计算：
Figure GDA0003003861670000181
式中Lf—单翼填砂裂缝总长，单位mm；Lfs—目测的裂缝内地层砂侵入段长度，单位mm；Rsf—净缝比，无量纲。
挡砂性能指标通过挡砂率和净缝比加权平均计算得到：
Sd＝Rsp·Xd+Rsf·(1-Xd)
式中，Sd—挡砂性能指标，无量纲；Xd—加权平均系数，无量纲；
挡砂性能指标Sd介于0-1之间，挡砂性能指标越大表示挡砂性能越好；
(2)导流性能指标计算
导流性能指标用来表征裂缝充填层在整个实验过程中的导流性能，导流性能指标为介于0-1之间的无量纲值；导流性能指标数值越大，表示导流能力越好。
计算裂缝充填介质的导流性能指标，首先需要计算裂缝充填层的渗透率变化。实验过程中，单翼裂缝的表观渗透率用下式计算：
单翼裂缝矩形容腔的表观渗透率为：
Figure GDA0003003861670000182
单翼裂缝的裂缝充填层的表观渗透率为：
Figure GDA0003003861670000183
式中wf—平均裂缝宽度；Lf—单翼填砂裂缝总长，单位mm；L—压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置内部有效填砂长度，单位mm；W—压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置内部有效填砂宽度，单位mm；H—压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置内部有效填砂高度，单位mm；ΔPa—容腔出入口压力差，MPa；ΔPf—裂缝充填段的流动压力差，MPa；μ—实验用流体粘度，Pa.s；Ka—单翼裂缝矩形容腔的表观渗透率，μm2；Kf—单翼裂缝的裂缝充填层的表观渗透率，μm2。
按照上式，根据不同时间ti的测试数据，即可计算相应时间的表观渗透率。则裂缝导流能力用下式计算：
Cf＝Kf·wf如果实验测试对象只是裂缝内的性能或动态，评价指标计算Cf时裂缝渗透率就是用Kf；如果实验观察或考察的目标是裂缝及其周围地层的总体变化，这个时候，考察对象就是包含裂缝在内的整个容纳腔，他的流通性能就是Ka了。这些指标具体用哪个，和实验目的有关。
由于上述测试计算得到的裂缝导流能力Cf是随实验时间发生变化的。使用综合导流能力表征整个实验过程中的裂缝充填层的导流性能。综合导流能力不但考虑初始渗透率及导流能力，而且还考虑实验过程中的渗透率和导流能力变化，该指标能够客观反映整个实验过程中的总体导流性能。综合导流能力为初始导流能力与实验全过程中的平均导流能力按照系数的加权平均值：
CF＝Cf0×Xc+Cfa×(1-Xc)
Figure GDA0003003861670000191
式中，N—实验过程的测试点数；Cf0—初始导流能力，使用不加砂驱替3-5min测试得到，单位mm·μm2；Cfa—实验全过程中的平均导流能力，单位mm·μm2；CF—综合导流能力，单位mm·μm2；Xc—加权平均系数，由经验确定。
这些公式都是针对某一个时间ti而言的。实验过程中，时间每间隔Δt，对应时间ti都会有一组流量、压力、压差等测试数据。利用一个ti下的测试数据即可计算得到Kf和Ka和Cf。把每个时间都计算一下，就可以得到上述数据随时间的变化曲线。
为了便于多种实验的导流性能横向对比以及计算后续的各种无量纲指标，提出多个实验的导流性能指标Si计算公式为：
Figure GDA0003003861670000192
式中，CF(i)—第i个实验的综合导流能力，单位mm·μm2；CFmax—全部实验中的综合导流能力的最大值，单位mm·μm2；Si—第i个实验的导流性能指标。
(3)压裂防砂综合性能指标计算方法
压裂防砂综合性能指标为位于0-1之间的无量纲值，数值越大表述防砂性能越好。压裂防砂综合性能指标S根据导流性能指标Si和挡砂性能指标Sd两者加权平均得到：
S＝Si·Xs+Sd·(1-Xs)
式中，Xs—加权平均系数；S—压裂防砂综合性能指标，无量纲。
加权平均系数Xs一般根据实验目的和评价重点由经验确定。一般情况，推荐Xs取值0.5；当实验目的侧重考察流通性能时，取值0.65-0.75；当实验目的侧重评价挡砂效果时，取值0.25-0.35。取值越高，表示流通性能所占权重越高，挡砂性能所占权重越低；取值越低，则相反。
如果是多个实验的横向对比测试评价，使用下式根据限定值{Qmin,Qmax}进行匀整计算：
Figure GDA0003003861670000201
式中Qmin、Qmax—人工限定的单项性能指标的最小值和最大值，默认值为0和1，推荐分别取值0.5和1.0；Smin、Smax—多个裂缝充填层中某单项性能指标的最小值和最大值，无量纲；S(i)—计算得到的第i个实验的压裂防砂综合性能指标，无量纲；S’(i)—匀整后的第i个实验的压裂防砂综合性能指标，无量纲，指标数值越大越好。
本发明提供的性能指标评价方法测量了压裂防砂的充填层的导流性能和挡砂性能，以及综合性能，评价科学合理。导流性能指标包括了裂缝充填层的初始渗透率和堵塞后渗透率及其变化规律；挡砂性能指标则包括了地层砂侵入裂缝充填层的深度，和通过防砂介质的地过砂量。评价客观合理，通过特定的计算方法可以计算得到定量评价指标，便于多个实验的横向对比评价。此评价指标体系及其计算方法对于以优化裂缝充填材料、优选充填参数为目的的实验测试尤其有益。
上述虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种压裂充填防砂性能测试系统，其特征在于，包括数据采集电脑和通过管道依次连接的恒流供液系统、主体装置、出砂量监测系统，且所述的出砂量监测系统的出液口与恒流供液系统的进液口通过管道连接，所述的恒流供液系统与主体装置之间的管道上设置有流量实时监测系统和加砂器(6)，所述的主体装置包括通过管道并连设置的压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置(1)和压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置(2)，所述的压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置(1)和压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置(2)的前端分别设置有分流器(7)，所述的压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置(1)和压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置(2)内设置有压力实时采集系统，所述的流量实时监测系统、压力实时采集系统分别与数据采集电脑连接；
所述的压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置(1)包括槽室(11)、第一模拟井筒(12)、模拟单翼裂缝模具(13)和第一密封盖板(14)，所述的第一密封盖板(14)通过螺栓设置于槽室(11)的顶部，所述的第一密封盖板(14)与槽室(11)之间设置有第一密封圈(15)，所述的第一密封盖板(14)上设有透明观察窗口，所述的槽室(11)的前侧壁的上部设有第一进液孔(16)，后侧壁的下部开设有第一出液口(17)，所述的槽室(11)的左侧壁和右侧壁各设有四个第一进液口，第一模拟井筒为金属圆筒，第一模拟井筒底端通过螺旋丝扣连接固定在槽室(11)的底座上，且第一模拟井筒的底端与第一出液口连通，模拟单翼裂缝模具(13)包括两片竖直设置的第一孔板(131)，所述的第一孔板上设有均匀排布的排液孔，两片所述的第一孔板的前端铰接在一起，所述的两片第一孔板(131)的后端与第一模拟井筒的侧壁螺栓连接，所述的第一模拟井筒的侧壁与模拟单翼裂缝模具(13)的贴合处设有多个螺纹孔，所述的槽室(11)的左侧壁和右侧壁上各螺纹有五个第一加压螺栓(18)，所述的第一加压螺栓(18)水平设置且内端与模拟单翼裂缝模具(13)接触，所述槽室(11)的内腔的底部设置有多个孔板加持固定立柱(19)，所述的压力实时采集系统包括第一闭合应力传感器和第二液压传感器(102)，槽室(11)的内腔的中间位置沿前后方向依次设置有多个第一闭合应力传感器和第二液压传感器(102)，所述的第一闭合应力传感器(103)的两端分别与两个第一孔板(131)连接；
压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置(2)包括圆筒状的主罐体(21)、第二模拟井筒(22)、模拟双翼裂缝模具(23)和第二密封盖板(24)，所述的第二密封盖板(24)通过螺栓设置于主罐体(21)的顶部，所述的第二密封盖板(24)与主罐体(21)之间设置有第二密封圈(25)，所述的第二密封盖板(24)上设有透明观察窗口，所述的主罐体(21)的侧壁上设置有八个第二进液孔(26)，所述的第二进液孔分上下两层均匀分布于主罐体(21)的侧壁上，每层各设有四个第二进液孔(26)，主罐体(21)的底部中心处设有第二出液口(27)，所述的第二模拟井筒为金属圆柱筒，所述的第二模拟井筒的底部与第二出液口(27)连通，所述的模拟双翼裂缝模具(23)包括前、后两组裂缝模具，所述的裂缝模具包括两片竖直设置的第二孔板(231)，所述的第二孔板上设有均匀排布的排液孔，所述的第二孔板(231)的外端铰接在一起，所述的第二孔板(231)的内端通过螺栓与第二模拟井筒(22)的侧壁连接，所述的第二模拟井筒的侧壁与模拟双翼裂缝模具(23)的贴合处设有多个螺纹孔，所述的压力实时采集系统包括第二闭合应力传感器(29)和第三液压传感器，裂缝模具的内腔的中间位置沿前后方向依次设置有多个第二闭合应力传感器(29)和第三液压传感器，所述的第二闭合应力传感器的两端分别与两个第二孔板(231)连接，所述的模拟双翼裂缝模具(23)的左右两侧分别设置有四个第二加压螺栓(28)，所述的第二加压螺栓水平设置且螺纹连接于主罐体(21)的侧壁上，所述的第二加压螺栓(28)的内端与模拟双翼裂缝模具(23)接触，所述主罐体(21)的内腔的底部设置有多个孔板加持固定立柱(19)。
2.如权利要求1所述的一种压裂充填防砂性能测试系统，其特征在于，所述的第二液压传感器(102)与第一闭合应力传感器交替均匀设置。
3.如权利要求1或2所述的一种压裂充填防砂性能测试系统，其特征在于，所述的恒流供液系统包括储液罐(3)和柱塞泵(4)，所述的储液罐(3)的出液口与柱塞泵(4)的进液口连接，所述柱塞泵(4)的出液口通过管道与主体装置连接。
4.如权利要求1或2所述的一种压裂充填防砂性能测试系统，其特征在于，所述的流量实时监测系统包括流量计(5)，流量计(5)与采集电脑相连，所述的流量计(5)安装于主管道上。
5.如权利要求1或2所述的一种压裂充填防砂性能测试系统，其特征在于，所述的出砂量监测系统包括沉砂罐(10)和集砂器(9)，所述的集砂器(9)设置于沉砂罐(10)的底部，所述的沉砂罐(10)的出液口与恒流供液系统的进液口之间的管道上设置有回水泵(101)。
6.如权利要求1或2所述的一种压裂充填防砂性能测试系统，其特征在于，所述的压力实时采集系统包括第一液压传感器(8)，所述的压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置(1)和压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置(2)的支路管道上均设置有第一液压传感器(8)和阀门。
7.一种压裂充填防砂性能测试系统的测试方法，其特征在于，
一种压裂充填防砂性能测试系统，包括数据采集电脑和通过管道依次连接的恒流供液系统、主体装置、出砂量监测系统，且所述的出砂量监测系统的出液口与恒流供液系统的进液口通过管道连接，所述的恒流供液系统与主体装置之间的管道上设置有流量实时监测系统和加砂器(6)，所述的主体装置包括通过管道并连设置的压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置(1)和压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置(2)，所述的压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置(1)和压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置(2)的前端分别设置有分流器(7)，所述的压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置(1)和压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置(2)内设置有压力实时采集系统，所述的流量实时监测系统、压力实时采集系统分别与数据采集电脑连接；
所述的压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置(1)包括槽室(11)、第一模拟井筒(12)、模拟单翼裂缝模具(13)和第一密封盖板(14)，所述的第一密封盖板(14)通过螺栓设置于槽室(11)的顶部，所述的第一密封盖板(14)与槽室(11)之间设置有第一密封圈(15)，所述的第一密封盖板(14)上设有透明观察窗口，所述的槽室(11)的前侧壁的上部设有第一进液孔(16)，后侧壁的下部开设有第一出液口(17)，所述的槽室(11)的左侧壁和右侧壁各设有四个第一进液口，第一模拟井筒为金属圆筒，第一模拟井筒底端通过螺旋丝扣连接固定在槽室(11)的底座上，且第一模拟井筒的底端与第一出液口连通，模拟单翼裂缝模具(13)包括两片竖直设置的第一孔板(131)，所述的第一孔板上设有均匀排布的排液孔，两片所述的第一孔板的前端铰接在一起，所述的两片第一孔板(131)的后端与第一模拟井筒的侧壁螺栓连接，所述的第一模拟井筒的侧壁与模拟单翼裂缝模具(13)的贴合处设有多个螺纹孔，所述的槽室(11)的左侧壁和右侧壁上各螺纹有五个第一加压螺栓(18)，所述的第一加压螺栓(18)水平设置且内端与模拟单翼裂缝模具(13)接触，所述槽室(11)的内腔的底部设置有多个孔板加持固定立柱(19)，所述的压力实时采集系统包括第一闭合应力传感器和第二液压传感器(102)，槽室(11)的内腔的中间位置沿前后方向依次设置有多个第一闭合应力传感器和第二液压传感器(102)，所述的第一闭合应力传感器(103)的两端分别与两个第一孔板(131)连接；
压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置(2)包括圆筒状的主罐体(21)、第二模拟井筒(22)、模拟双翼裂缝模具(23)和第二密封盖板(24)，所述的第二密封盖板(24)通过螺栓设置于主罐体(21)的顶部，所述的第二密封盖板(24)与主罐体(21)之间设置有第二密封圈(25)，所述的第二密封盖板(24)上设有透明观察窗口，所述的主罐体(21)的侧壁上设置有八个第二进液孔(26)，所述的第二进液孔分上下两层均匀分布于主罐体(21)的侧壁上，每层各设有四个第二进液孔(26)，主罐体(21)的底部中心处设有第二出液口(27)，所述的第二模拟井筒为金属圆柱筒，所述的第二模拟井筒的底部与第二出液口(27)连通，所述的模拟双翼裂缝模具(23)包括前、后两组裂缝模具，所述的裂缝模具包括两片竖直设置的第二孔板(231)，所述的第二孔板上设有均匀排布的排液孔，所述的第二孔板(231)的外端铰接在一起，所述的第二孔板(231)的内端通过螺栓与第二模拟井筒(22)的侧壁连接，所述的第二模拟井筒的侧壁与模拟双翼裂缝模具(23)的贴合处设有多个螺纹孔，所述的压力实时采集系统包括第二闭合应力传感器(29)和第三液压传感器，裂缝模具的内腔的中间位置沿前后方向依次设置有多个第二闭合应力传感器(29)和第三液压传感器，所述的第二闭合应力传感器的两端分别与两个第二孔板(231)连接，所述的模拟双翼裂缝模具(23)的左右两侧分别设置有四个第二加压螺栓(28)，所述的第二加压螺栓水平设置且螺纹连接于主罐体(21)的侧壁上，所述的第二加压螺栓(28)的内端与模拟双翼裂缝模具(23)接触，所述主罐体(21)的内腔的底部设置有多个孔板加持固定立柱(19)；
所述的第二液压传感器(102)与第一闭合应力传感器交替均匀设置；
所述的恒流供液系统包括储液罐(3)和柱塞泵(4)，所述的储液罐(3)的出液口与柱塞泵(4)的进液口连接，所述柱塞泵(4)的出液口通过管道与主体装置连接；
所述的流量实时监测系统包括流量计(5)，流量计(5)与采集电脑相连，所述的流量计(5)安装于主管道上；
所述的出砂量监测系统包括沉砂罐(10)和集砂器(9)，所述的集砂器(9)设置于沉砂罐(10)的底部，所述的沉砂罐(10)的出液口与恒流供液系统的进液口之间的管道上设置有回水泵(101)；
所述的压力实时采集系统包括第一液压传感器(8)，所述的压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置(1)和压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置(2)的支路管道上均设置有第一液压传感器(8)和阀门；
测试方法包括：
在进行单翼裂缝的模拟实验时，将压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置(1)的第一孔板调整至模拟裂缝的角度，并在第一孔板模拟的裂缝内铺设支撑剂，在槽室(11)内铺设地层砂或者在设备启动时通过加砂器向管道的流体中加入地层砂，盖上第一密封盖板(14)并紧固，拧动第一加压螺栓(18)对第一孔板模拟的裂缝施加闭合应力，关闭压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置(2)的支路管道上的阀门，打开储液罐(3)的出液口阀门，并启动柱塞泵(4)以及回水泵(101)，调整柱塞泵的排量至定量开始实验，开启压力实时采集系统，每隔5-10分钟记录数据并观察压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置(1)内的堵塞形态，驱替至第一液压传感器(8)测量的管线内的压力稳定，关闭柱塞泵(4)并停止数据实时采集，并通过沉砂罐(10)和集砂器(9)收集砂，通过离心机分离固液，烘干称量砂的质量，利用激光粒度仪或标准筛获取砂粒径大小，将第一孔板拆除，取出地层砂和支撑剂，清理实验装置；
进行双翼裂缝的模拟实验时，将压裂充填带双翼裂缝挡砂双线性流动可视化模拟主体装置(2)内的第二孔板调整至模拟裂缝的角度，并在第二孔板模拟的裂缝内铺设支撑剂，在主罐体(21)内铺设地层砂或者在设备启动时通过加砂器向管道的流体中加入地层砂，盖上第二密封盖板(24)并紧固，拧动第二加压螺栓(28)对第二孔板模拟的裂缝施加闭合应力，关闭压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置(1)的支路管道上的阀门，打开储液罐(3)的出液口阀门，并启动柱塞泵(4)以及回水泵(101)，调整柱塞泵的排量至定量开始实验，开启压力实时采集系统，每隔5-10分钟记录数据并观察压裂充填带双翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置(1)内的堵塞形态，驱替至第一液压传感器(8)测量的管线内的压力稳定，关闭柱塞泵(4)并停止数据实时采集，并通过沉砂罐(10)和集砂器(9)收集砂，通过离心机分离固液，烘干称量砂的质量，利用激光粒度仪或标准筛获取砂粒径大小，将第二孔板拆除，取出地层砂和支撑剂，清理实验装置。
8.一种压裂充填防砂性能测试系统的评价方法，其特征在于，应用权利要求7所述的测试方法，
实验时传感器按照设定的时间步长Δt自动测试与采集的数据包括：q—液体流量，单位m3/s；qs—加砂速度，单位g/s；ΔP—主体装置从出口到入口的总压降，单位MPa；ΔPi—裂缝内第i对相邻闭合应力传感器之间的压力差，单位MPa；
实验结束后通过人工测试的数据包括：Ms0—总实验加砂量，单位g；Msp—通过裂缝充填层产出的过砂量，单位g；Lfs—裂缝内的地层砂侵入段长度，单位mm；
(1)挡砂性能指标评价计算
挡砂性能指标用来表征压裂防砂裂缝充填层阻挡地层砂的能力，评价挡砂性能指标至少包括：一是实验过程中通过裂缝充填层产出的过砂量多少，过砂量越大，说明挡砂能力越弱；二是从裂缝缝端入口开始，目测地层砂能够侵入裂缝的长度，这个侵入长度越大，说明挡砂能力越弱；
定义挡砂率为裂缝充填层阻挡滞留的砂量与总实验加砂量的比值，用下式计算：
Figure FDA0003003861660000081
式中Rsp—挡砂率，无量纲；
定义净缝比为实验结束时裂缝充填层中目测保持洁净的长度与总裂缝长度的比值，用下式计算：
Figure FDA0003003861660000091
式中Lf—单翼填砂裂缝总长，单位mm；Lfs—目测的裂缝内地层砂侵入段长度，单位mm；Rsf—净缝比，无量纲；
挡砂性能指标通过挡砂率和净缝比加权平均计算得到：
Sd＝Rsp·Xd+Rsf·(1-Xd)
式中，Sd—挡砂性能指标，无量纲；Xd—加权平均系数，无量纲；
挡砂性能指标Sd介于0-1之间，挡砂性能指标越大表示挡砂性能越好；
(2)导流性能指标计算
导流性能指标用来表征裂缝充填层在整个实验过程中的导流性能，导流性能指标为介于0-1之间的无量纲值；导流性能指标数值越大，表示导流能力越好；
计算裂缝充填介质的导流性能指标，首先需要计算裂缝充填层的渗透率变化；实验过程中，单翼裂缝的表观渗透率用下式计算：
单翼裂缝矩形容腔的表观渗透率为：
Figure FDA0003003861660000092
单翼裂缝的裂缝充填层的表观渗透率为：
Figure FDA0003003861660000093
式中wf—平均裂缝宽度；Lf—单翼填砂裂缝总长，单位mm；L—压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置(1)内部有效填砂长度，单位mm；W—压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置(1)内部有效填砂宽度，单位mm；H—压裂充填带单翼裂缝挡砂可视化模拟主体装置(1)内部有效填砂高度，单位mm；ΔPa—容腔出入口压力差，MPa；ΔPf—裂缝充填段的流动压力差，MPa；μ—实验用流体粘度，Pa.s；Ka—单翼裂缝矩形容腔的表观渗透率，μm2；Kf—单翼裂缝的裂缝充填层的表观渗透率，μm2；
按照上式，根据不同时间ti的测试数据，即可计算相应时间的表观渗透率；则裂缝导流能力用下式计算：
Cf＝Kf·wf
由于上述测试计算得到的裂缝导流能力Cf是随实验时间发生变化的；综合导流能力为初始导流能力与实验全过程中的平均导流能力按照系数的加权平均值：
CF＝Cf0×Xc+Cfa×(1-Xc)
Figure FDA0003003861660000101
式中，N—实验过程的测试点数；Cf0—初始导流能力，采用不加砂驱替3-5min测试得到，单位mm·μm2；Cfa—实验全过程中的平均导流能力，单位mm·μm2；CF—综合导流能力，单位mm·μm2；Xc—加权平均系数，由经验确定；Cfi—第i次测量的裂缝导流能力；
为了便于多种实验的导流性能横向对比以及计算后续的各种无量纲指标，提出多个实验的导流性能指标Si计算公式为：
Figure FDA0003003861660000102
式中，CF(i)—第i个实验的综合导流能力，单位mm·μm2；CFmax—全部实验中的综合导流能力的最大值，单位mm·μm2；Si—第i个实验的导流性能指标；
(3)压裂防砂综合性能指标计算方法
压裂防砂综合性能指标为位于0-1之间的无量纲值，数值越大表述防砂性能越好；压裂防砂综合性能指标S根据导流性能指标Si和挡砂性能指标Sd两者加权平均得到：
S＝Si·Xs+Sd·(1-Xs)
式中，Xs—加权平均系数；S—压裂防砂综合性能指标，无量纲；
多个实验的横向对比测试评价，使用下式根据限定值{Qmin,Qmax}进行匀整计算：
Figure FDA0003003861660000103
式中Qmin、Qmax—人工限定的单项性能指标的最小值和最大值，默认值为0和1，推荐分别取值0.5和1.0；Smin、Smax—多个裂缝充填层中某单项性能指标的最小值和最大值，无量纲；S(i)—计算得到的第i个实验的压裂防砂综合性能指标，无量纲；S’(i)—匀整后的第i个实验的压裂防砂综合性能指标，无量纲。
CN202010230549.5A 2020-03-27 2020-03-27 一种压裂充填防砂性能测试系统及其测试方法与评价方法 Active CN111272637B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010230549.5A CN111272637B (zh) 2020-03-27 2020-03-27 一种压裂充填防砂性能测试系统及其测试方法与评价方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010230549.5A CN111272637B (zh) 2020-03-27 2020-03-27 一种压裂充填防砂性能测试系统及其测试方法与评价方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111272637A CN111272637A (zh) 2020-06-12
CN111272637B true CN111272637B (zh) 2021-05-28

Family

ID=71000905

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010230549.5A Active CN111272637B (zh) 2020-03-27 2020-03-27 一种压裂充填防砂性能测试系统及其测试方法与评价方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111272637B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114459782A (zh) * 2020-10-22 2022-05-10 中国石油化工股份有限公司 充填防砂工具机械性能评价试验装置及方法
CN114166720A (zh) * 2021-12-07 2022-03-11 西南石油大学 一种储层压裂裂缝导流能力的测试方法
CN117588188B (zh) * 2024-01-19 2024-03-19 中国石油大学(华东) 一种多层位开采出砂与挤压充填可视化模拟系统和方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1884792A (zh) * 2005-06-23 2006-12-27 中国石油天然气股份有限公司 纤维复合无筛管防砂工艺及处理剂配方
WO2007117787A3 (en) * 2006-03-29 2009-01-29 Geosierra Llc Enhanced hydrocarbon recovery by convective heating of oil sand formations
CN101968348A (zh) * 2010-09-07 2011-02-09 中国石油大学(北京) 对压裂裂缝进行可视化监测的方法
CN102094641A (zh) * 2010-12-28 2011-06-15 中国海洋石油总公司 一种压裂充填防砂模型
CN102353550A (zh) * 2011-06-08 2012-02-15 中国石油大学(华东) 一种防砂筛管综合性能检测实验装置及性能评价方法
CN102590456A (zh) * 2012-02-20 2012-07-18 中国石油大学(华东) 一种模拟页岩储层水平井体积压裂的装置及方法
CN104265258A (zh) * 2014-09-03 2015-01-07 雷春娣 一种压裂辅助火烧油层吞吐开采稠油的方法
CN108222895A (zh) * 2016-12-14 2018-06-29 中国石油天然气股份有限公司 一种砾石充填防砂方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1884792A (zh) * 2005-06-23 2006-12-27 中国石油天然气股份有限公司 纤维复合无筛管防砂工艺及处理剂配方
WO2007117787A3 (en) * 2006-03-29 2009-01-29 Geosierra Llc Enhanced hydrocarbon recovery by convective heating of oil sand formations
CN101968348A (zh) * 2010-09-07 2011-02-09 中国石油大学(北京) 对压裂裂缝进行可视化监测的方法
CN102094641A (zh) * 2010-12-28 2011-06-15 中国海洋石油总公司 一种压裂充填防砂模型
CN102353550A (zh) * 2011-06-08 2012-02-15 中国石油大学(华东) 一种防砂筛管综合性能检测实验装置及性能评价方法
CN102590456A (zh) * 2012-02-20 2012-07-18 中国石油大学(华东) 一种模拟页岩储层水平井体积压裂的装置及方法
CN104265258A (zh) * 2014-09-03 2015-01-07 雷春娣 一种压裂辅助火烧油层吞吐开采稠油的方法
CN108222895A (zh) * 2016-12-14 2018-06-29 中国石油天然气股份有限公司 一种砾石充填防砂方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111272637A (zh) 2020-06-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111272637B (zh) 一种压裂充填防砂性能测试系统及其测试方法与评价方法
CN104594871B (zh) 一种模拟页岩复杂裂缝铺砂的装置和方法
CN107044273B (zh) 防砂井筒堵塞-解堵一体化评价实验模拟装置及方法
CN102094641B (zh) 一种压裂充填防砂模型
Robbins et al. A novel laboratory test for backward erosion piping
CN108982342A (zh) 一种高温高压气藏水平井防砂筛管抗冲蚀性能评价装置及评价方法与应用
CN208206964U (zh) 模拟深埋地层动水条件下高压注浆装置
CN103410483B (zh) 水平井筛管防砂效果评价装置及方法
CN105544494B (zh) 一种可控温洗‑补盐土壤试验装置及其测试土样的方法
CN110297076A (zh) 一种三维可视渗透注浆模型试验装置及方法
CN108196034A (zh) 模拟深埋地层动水条件下高压注浆装置及试验方法
CN105507894B (zh) 煤层气垂直井水力压裂过程煤粉产出测试装置与方法
CN108287123B (zh) 一种动滤失下co2压裂液携砂可视化测试装置及方法
CN110965980B (zh) 一种可获取支撑剂粒径分布的支撑剂输送实验装置及方法
CN111505248A (zh) 一种可变水位粘土坝坡渗透破坏发生条件试验装置及试验方法
CN105298488A (zh) 非连续充填方式下导流能力测试方法
CN111044704A (zh) 一种基于土体内部侵蚀的管道溶解试验设备及试验方法
CN109187309A (zh) 一种研究断层弱胶结破碎岩体的试验装置和试验方法
CN103437745B (zh) 模拟聚合物对储层出砂及防砂效果影响的实验装置及其填砂模型
CN104712295B (zh) 一种可视化水平井油藏填砂物理模型及系统
CN109060624B (zh) 一种研究排渗管排渗效果的方法及渗透装置
CN107860694A (zh) 测量预交联凝胶颗粒在岩石微观孔喉中运移规律的方法
Shih Permeability characteristics of rubble material–New formulae
CN205209887U (zh) 煤储层真三轴水力压裂过程煤粉产出试验装置
CN109594980B (zh) 一种用于模拟砾石层动态砂堵规律的可视化实验装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20200612

Assignee: JIANGSU TOUCHUANG SCIENTIFIC RESEARCH INSTRUMENT Co.,Ltd.

Assignor: CHINA University OF PETROLEUM (EAST CHINA)

Contract record no.: X2022370010009

Denomination of invention: A fracturing filling sand control performance test system and its test method and evaluation method

Granted publication date: 20210528

License type: Common License

Record date: 20220511