CN111594129A - 一种模拟支撑剂在复杂缝网运移规律的可视化装置 - Google Patents

Abstract

一种模拟支撑剂在复杂缝网运移规律的可视化装置，包括单簇压裂缝网模拟装置，次裂缝固定装置，井筒装置，流量控制装置，泵液装置和压裂液配置器；通过调节流量控制装置中流量板的位置控制单簇压裂缝网装置与井筒相交位置处孔眼的连通性，构造分段多簇压裂的簇数、簇间距；通过止水夹控制单簇压裂缝网装置中次裂缝与主裂缝的连通性，构造次裂缝的密度及间距；通过不同直径的转换接头连接相邻单簇压裂缝网模拟装置的次裂缝，构造相邻单簇压裂缝网的连通性；通过将次裂缝卡入不同卡槽以及调节卡杆的空间位置和高度，构造不同次裂缝的方位和走向；本发明能够构造不同岩性和地应力状态下的复杂裂缝网络系统，模拟观察支撑剂在其中的运移规律。

Description

一种模拟支撑剂在复杂缝网运移规律的可视化装置

技术领域

本发明属于油气田开采技术领域，更具体地涉及一种模拟支撑剂在复杂缝网运移规律的可视化装置。

背景技术

在非常规油气开采技术领域中，水平井分段多簇水力压裂形成复杂裂缝网络是提高产能的关键技术。其中，用于压裂过程的携砂液会将支撑剂带入储层中用于防止裂缝闭合，从而增加储层导流能力。但支撑剂在复杂缝网中的流动过程非常复杂，受到压裂簇数、簇间距、缝网几何形态(次裂缝分布结构和形状特征)、支撑剂浓度和性质、流体性质以及施工条件等多种参数的共同影响。目前，关于携砂液在裂缝中的流动规律，已经有学者采用窄缝平行板进行了大量的实验研究，对携砂液的基本运移机理取得了很多的认识。但是已有的模拟实验装置主要关注于单簇、平行缝面、简单固定角度次裂缝的情况，和实际地层的裂缝网络结构相差甚远，因此，有必要提供一种模拟支撑剂在分段多簇复杂裂缝网络中运移规律的可视化装置，为现场施工提供理论依据和指导。

发明内容

针对以上不足，本发明的目的在于提供一种模拟支撑剂在复杂缝网运移规律的可视化装置，能够设定分段多簇压裂时压裂簇数、簇间距、缝网的几何形态，构造不同岩性和地应力状态下的复杂裂缝网络系统，模拟观察支撑剂在其中的运移规律。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种模拟支撑剂在复杂缝网运移规律的可视化装置，包括：单簇压裂缝网模拟装置1，次裂缝固定装置2，井筒装置3，流量控制装置4，泵液装置5和压裂液配置器6；

所述的井筒装置3为透明可视管状结构，井筒装置3一端与泵液装置5连接，另一端密封闭合；所述的泵液装置5另一端连接压裂液配置器6；垂直于井筒装置3的轴向方向穿过并固定有若干个单簇压裂缝网模拟装置1；所述的单簇压裂缝网模拟装置1包含有一条与井筒装置3相连通的椭圆形的透明材质构成的主裂缝1-1以及若干条与主裂缝1-1相连通的透明软管构成的次裂缝1-2，所述的次裂缝1-2通过次裂缝固定装置2均匀分布于主裂缝1-1的椭圆缝面两侧；

任意两个单簇压裂缝网模拟装置1的次裂缝1-2具有连通性，在井筒装置3与主裂缝1-1相交位置处的井筒壁面开有孔眼，孔眼处设置流量控制装置4；

所述的次裂缝固定装置2由卡槽2-1、卡杆2-2以及平行于井筒轴向的水平滑道2-3构成，卡槽2-1固定在可伸缩的卡杆2-2顶端，卡杆2-2底端装有滑轮和卡死装置，能够在水平滑道2-3上实现位移改变和固定，所述的次裂缝1-2通过穿越不同空间位置的卡槽2-1实现方位和走向的改变和固定。

所述的流量控制装置4由控制轨道4-1、控制柄4-2和流量板4-3组成，其中，控制轨道4-1固定在井筒装置3的外侧壁面，形状为圆环状且内直径等同于井筒装置3的外直径；控制柄4-2安装于控制轨道4-1中且能够手推滑动其位置；控制柄4-2和流量板4-3之间通过“L”型连杆连接固定；“L”型连杆中的“短杆”一端连接控制柄4-2，另一端穿透井筒壁进入井筒内部垂直连接“长杆”一端，“长杆”沿井筒轴向方向安装且另一端连接流量板4-3；流量板4-3的板面为曲面，与井筒内壁面曲率相同，并且紧密贴合于井筒内壁面，在“L”型连杆穿透井筒装置3壁面的环状位置处使用橡胶进行密封。

所述的卡槽2-1为“O”型环体，所述的“O”型环体由两部分组成，一部分为270度圆弧形不锈钢体，另一部分为180度圆弧形弹簧片，并且所述的270度圆弧形不锈钢体内部的1/3设计为空腔结构；当所述的180度圆弧形弹簧片处于自由状态时，弹簧片的一半结构处于不锈钢体右上侧的空腔中，另一半结构与270度弧形不锈钢体闭合为完整的圆形结构；当所述的180度弧形弹簧片被拨动后，弹簧片将发生压缩退入不锈钢体右上侧空腔中，使得“O”型环形成90度缺口，实现次裂缝1-2的卡入或取出。

所述的次裂缝1-2均匀分布并固定在主裂缝1-1椭圆缝面两侧空间，并且次裂缝1-2与主裂缝1-1壁面的衔接处使用止水夹作为开关。

所述的任意两个单簇压裂缝网模拟装置1之间的次裂缝1-2通过不同直径的转换接头互相连接起来。

所述的井筒装置3轴向中心线嵌入并穿越五条主裂缝1-1的中心点位置并且与五条主裂缝1-1的中轴线垂直。

所述的单簇压裂缝网模拟装置1中主裂缝1-1是由高度为100cm、长轴为100cm、短轴为10cm的椭圆形透明有机玻璃构成；所述的单簇压裂缝网模拟装置1中次裂缝1-2是由直径为1～3cm、长度为200～300cm的透明耐压软管构成；所述的井筒装置3由直径为30cm、轴向长度为500cm的圆形有机玻璃管构成。

所述的水平滑道2-3固定在水平地面上，对称分布于井筒装置3两侧，每侧有五条，每条滑道长10m，每侧的第一条滑道距离井筒轴向中心线距离为25cm，第二条滑道距离井筒轴向中心位置距离为40cm，第三条滑道距离井筒轴向中心位置距离为60cm，第四条滑道距离井筒轴向中心位置距离为85cm，第五条滑道距离井筒轴向中心位置距离为115cm。

所述的卡杆2-2由内径为3cm的空心杆和外径为2.5cm的实心杆组成，且实心杆置于空心杆内。

本发明通过调节流量控制装置4中流量板4-3的位置控制所述的单簇压裂缝网装置1与井筒相交位置处孔眼的连通性，构造分段多簇压裂的簇数、簇间距；通过止水夹的开与关控制单簇压裂缝网装置1中次裂缝1-2与主裂缝1-1的连通性，构造次裂缝的密度及间距；通过不同直径的转换接头连接相邻单簇压裂缝网模拟装置1的次裂缝1-2，构造相邻单簇压裂缝网的连通性以及连通特征；通过将次裂缝1-2卡入不同卡槽2-1以及调节卡杆2-2的空间位置和高度，构造不同次裂缝1-2的方位和走向。因此，本发明能够构造不同岩性和地应力状态下的复杂裂缝网络系统，模拟观察支撑剂在其中的运移规律。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为流量控制装置4的工作原理图。

图3为次裂缝固定装置2的工作原理图。

具体实施方式

为便于理解本发明的设计方案及其效果，以下给出一个具体应用示例：构造支撑剂在分段三簇(簇间距为2m)压裂的复杂缝网中运移模拟的系统及具体实施方法。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。

参照图1，一种模拟支撑剂在复杂缝网运移规律的可视化装置，包括：单簇压裂缝网模拟装置1，次裂缝固定装置2，井筒装置3，流量控制装置4，泵液装置5和压裂液配置器6；

所述的井筒装置3为透明可视管状结构，井筒装置3一端与泵液装置5连接，另一端密封闭合；所述的泵液装置5另一端连接压裂液配置器6；垂直于井筒装置3的轴向方向穿过并固定有五个单簇压裂缝网模拟装置1；所述的单簇压裂缝网模拟装置1包含由1条与井筒装置3相连通的椭圆形的透明材质构成的主裂缝1-1以及40条与主裂缝1-1相连通的透明软管构成的次裂缝1-2，所述的次裂缝1-2通过次裂缝固定装置2均匀分布于主裂缝1-1的椭圆缝面两侧空间，单侧数量为20条；相邻两个单簇压裂缝网模拟装置1中主裂缝1-1的中心间距(簇间距)为1m，任意两个单簇压裂缝网模拟装置1的次裂缝1-2具有连通性，在井筒装置3与主裂缝1-1相交位置处的井筒壁面开有孔眼，孔眼处设置流量控制装置4；

所述的次裂缝固定装置2由卡槽2-1、卡杆2-2以及平行于井筒轴向的水平滑道2-3构成，卡槽2-1固定在可伸缩的卡杆2-2顶端，卡杆2-2底端装有滑轮和卡死装置，能够在水平滑道2-3上实现位移改变和固定，所述的次裂缝1-2通过穿越不同空间位置的卡槽2-1实现方位和走向的改变和固定。

所述的单簇压裂缝网模拟装置1中主裂缝1-1是由高度为100cm、长轴为100cm、短轴为10cm的椭圆形透明有机玻璃构成；所述的单簇压裂缝网模拟装置1中次裂缝1-2是由直径为1～3cm、长度为200～300cm的透明耐压软管构成；所述的井筒装置3由直径为30cm、轴向长度为500cm的圆形有机玻璃管构成。

所述的井筒装置3轴向中心线嵌入并穿越五条主裂缝1-1的中心点位置并且与五条主裂缝1-1的中轴线垂直，保证主裂缝1-1以井筒的轴向中心线为对称轴在井筒两侧呈现对称结构。

所述的流量控制装置4由控制轨道4-1、控制柄4-2、流量板4-3组成，其中，控制轨道4-1固定在井筒装置3的外侧壁面，形状为圆环状且内直径等同于井筒装置3的外直径；控制柄4-2安装于控制轨道4-1中且能够手推滑动其位置；控制柄4-2和流量板4-3之间通过“L”型连杆连接固定；“L”型连杆中的“短杆”一端连接控制柄4-2，另一端穿透井筒壁进入井筒内部垂直连接“长杆”一端，“长杆”沿井筒轴向方向安装且另一端连接流量板4-3。流量板4-3的板面为曲面，与井筒内壁面曲率相同，并且紧密贴合于井筒内壁面，在“L”型连杆穿透井筒装置3壁面的环状位置处使用橡胶填充孔隙实现密封，防止井筒内液体从此处漏失。因此，在控制轨道4-1中手推滑动控制柄4-2于不同位置时就能够调整流量板4-3在井筒内壁的位置，从而调节井筒和主裂缝之间孔眼的闭合或连通情况，控制井筒中流体的分流状态以及流量大小。另外，由于井筒装置3与每条主裂缝1-1相交位置有两处，因此对应位置处都需要安装流量控制装置4。

所述的次裂缝1-2均匀分布并固定在主裂缝1-1的两侧壁面，并且次裂缝1-2与主裂缝1-1壁面的衔接处使用止水夹作为开关，用于控制主裂缝与次裂缝之间的连通性，实现调节次裂缝密度和间距的目的。

所述的任意两个单簇压裂缝网模拟装置1之间的次裂缝1-2通过不同直径的转换接头互相连接起来，实现次裂缝之间的连通。

所述的水平滑道2-3固定在水平地面上，对称分布于井筒装置3两侧，每侧有五条，每条滑道长10m，每侧的第一条滑道距离井筒轴向中心线距离为25cm，第二条滑道距离井筒轴向中心位置距离为40cm，第三条滑道距离井筒轴向中心位置距离为60cm，第四条滑道距离井筒轴向中心位置距离为85cm，第五条滑道距离井筒轴向中心位置距离为115cm。水平滑道2-3数量和长度以及密度可以适量增加，便于次裂缝1-2的固定和延伸。

所述的卡槽2-1为“O”型环体，内径为3.5cm。所述的“O”型环体由两部分组成，一部分为270度圆弧形不锈钢体，一部分为180度圆弧形弹簧片，并且所述的270度圆弧形不锈钢体内部的1/3设计为空腔结构；当所述的180度圆弧形弹簧片处于自由状态时，弹簧片的一半结构处于不锈钢体右上侧的空腔中，另一半结构与270度弧形不锈钢体闭合为完整的圆形结构；当所述的180度弧形弹簧片被拨动后，弹簧片将发生压缩退入不锈钢体右上侧空腔中，使得“O”型环形成90度缺口，实现次裂缝1-2的卡入或取出。

所述的卡杆2-2由内径为3cm的空心杆和外径为2.5cm的实心杆组成，实心杆置于空心杆内。当旋紧空心杆外侧的旋钮时，旋钮中的螺杆会随之伸长，缩小两杆间隙，固定两杆相对位置，从而确定卡杆高度；当旋松空心杆外侧的旋钮时，旋钮中的螺杆会随之缩短，两杆间隙增加，从而能够调整两杆相对位置，实现卡杆高度的改变。

本发明的工作原理为：

(1)构造分段三簇、簇间距为2m压裂时的复杂缝网：如图1所示，从左到右的五个单簇压裂缝网装置分别编号为Ⅰ号、Ⅱ号、Ⅲ号、Ⅳ号、Ⅴ号。如图2所示，调节Ⅰ号、Ⅲ号、Ⅴ号装置中流量板至完全开启状态，调节Ⅱ号、Ⅳ号装置中流量板为完全关闭状态。打开Ⅰ号、Ⅲ号、Ⅴ号装置中主裂缝与次裂缝衔接处的止水夹，维持所有次裂缝与主裂缝之间的连通性。使用不同直径的转换接头连接Ⅰ号和Ⅲ号装置中相邻主裂缝之间的次裂缝以及Ⅲ号和Ⅴ号装置中相邻主裂缝之间的次裂缝，Ⅰ号、Ⅲ号和Ⅴ号装置中未进行连接的次裂缝端口可连接针型阀来控制压裂液的滤失量。如图3所示，调整状态中，拨动卡槽中的弹簧片，将次裂缝依次卡入不同滑道的卡槽中，旋松卡杆上旋钮调整卡杆高度，上提卡死装置改变不同滑道上每个卡杆的水平位置；工作状态时，旋紧卡杆上旋钮固定卡杆高度，下按卡死装置防止滑轮移动，从而定位各条次裂缝走向和方位。至于各条次裂缝的走向和方位如何确定，实验员可以人为设定或者依据不同岩性和地应力状态下小型压裂实验后实际裂缝的走向和方位进行设定。

(2)配置压裂液：按照已定的压裂液配方将水、化学试剂以及支撑剂依次放入压裂液配置器6中进行混合搅拌，配置出所需的压裂液。

(3)设置排量，开启泵液装置5，通过泵液装置5将配置好的压裂液泵送入井筒装置中，压裂液流入(1)中构造成功的复杂缝网内，开展水力压裂物理模拟试验，观察拍摄记录支撑剂在该复杂裂缝系统中的运移规律。

Claims (9)

1.一种模拟支撑剂在复杂缝网运移规律的可视化装置，其特征在于，包括：单簇压裂缝网模拟装置(1)，次裂缝固定装置(2)，井筒装置(3)，流量控制装置(4)，泵液装置(5)和压裂液配置器(6)；

所述的井筒装置(3)为透明可视管状结构，井筒装置(3)一端与泵液装置(5)连接，另一端密封闭合；所述的泵液装置(5)另一端连接压裂液配置器(6)；垂直于井筒装置(3)的轴向方向穿过并固定有若干个单簇压裂缝网模拟装置(1)；所述的单簇压裂缝网模拟装置(1)包含由一条与井筒装置3相连通的椭圆形的透明材质构成的主裂缝(1-1)以及若干条与主裂缝1-1相连通的透明软管构成的次裂缝(1-2)，所述的次裂缝(1-2)通过次裂缝固定装置(2)均匀分布于主裂缝(1-1)的椭圆缝面两侧；

任意两个单簇压裂缝网模拟装置(1)的次裂缝(1-2)具有连通性，在井筒装置(3)与主裂缝(1-1)相交位置处的井筒壁面开有孔眼，孔眼处设置流量控制装置(4)；

所述的次裂缝固定装置(2)由卡槽(2-1)、卡杆(2-2)以及平行于井筒轴向的水平滑道(2-3)构成，卡槽(2-1)固定在可伸缩的卡杆(2-2)顶端，卡杆(2-2)底端装有滑轮和卡死装置，能够在水平滑道(2-3)上实现位移改变和固定，所述的次裂缝(1-2)通过穿越不同空间位置的卡槽(2-1)实现方位和走向的改变和固定。

2.根据权利要求1所述的一种模拟支撑剂在复杂缝网运移规律的可视化装置，其特征在于，所述的流量控制装置(4)由控制轨道(4-1)、控制柄(4-2)和流量板(4-3)组成，其中，控制轨道(4-1)固定在井筒装置(3)的外侧壁面，形状为圆环状且内直径等同于井筒装置(3)的外直径；控制柄(4-2)安装于控制轨道(4-1)中且能够手推滑动其位置；控制柄(4-2)和流量板(4-3)之间通过“L”型连杆连接固定；“L”型连杆中的“短杆”一端连接控制柄(4-2)，另一端穿透井筒壁进入井筒内部垂直连接“长杆”一端，“长杆”沿井筒轴向方向安装且另一端连接流量板(4-3)；流量板(4-3)的板面为曲面，与井筒内壁面曲率相同，并且紧密贴合于井筒内壁面，在“L”型连杆穿透井筒装置(3)壁面的环状位置处使用橡胶进行密封。

3.根据权利要求1所述的一种模拟支撑剂在复杂缝网运移规律的可视化装置，其特征在于，所述的卡槽(2-1)为“O”型环体，所述的“O”型环体由两部分组成，一部分为270度圆弧形不锈钢体，另一部分为180度圆弧形弹簧片，并且所述的270度圆弧形不锈钢体内部的1/3设计为空腔结构；当所述的180度圆弧形弹簧片处于自由状态时，弹簧片的一半结构处于不锈钢体右上侧的空腔中，另一半结构与270度弧形不锈钢体闭合为完整的圆形结构；当所述的180度弧形弹簧片被拨动后，弹簧片将发生压缩退入不锈钢体右上侧空腔中，使得“O”型环形成90度缺口，实现次裂缝(1-2)的卡入或取出。

4.根据权利要求1所述的一种模拟支撑剂在复杂缝网运移规律的可视化装置，其特征在于，所述的次裂缝(1-2)均匀分布并固定在主裂缝(1-1)两侧壁面，并且次裂缝(1-2)与主裂缝(1-1)壁面的衔接处使用止水夹作为开关。

5.根据权利要求1所述的一种模拟支撑剂在复杂缝网运移规律的可视化装置，其特征在于，所述的任意两个单簇压裂缝网模拟装置(1)之间的次裂缝(1-2)通过不同直径的转换接头互相连接起来。

6.根据权利要求1所述的一种模拟支撑剂在复杂缝网运移规律的可视化装置，其特征在于，所述的井筒装置(3)轴向中心线嵌入并穿越五条主裂缝(1-1)的中心点位置并且与五条主裂缝(1-1)的中轴线垂直。

7.根据权利要求6所述的一种模拟支撑剂在复杂缝网运移规律的可视化装置，其特征在于，所述的单簇压裂缝网模拟装置(1)中主裂缝(1-1)是由高度为100cm、长轴为100cm、短轴为10cm的椭圆形透明有机玻璃构成；所述的单簇压裂缝网模拟装置(1)中次裂缝(1-2)是由直径为1～3cm、长度为200～300cm的透明耐压软管构成；所述的井筒装置(3)由直径为30cm、轴向长度为500cm的圆形有机玻璃管构成。

8.根据权利要求7所述的一种模拟支撑剂在复杂缝网运移规律的可视化装置，其特征在于，所述的水平滑道(2-3)固定在水平地面上，对称分布于井筒装置(3)两侧，每侧有五条，每条滑道长10m，每侧的第一条滑道距离井筒轴向中心线距离为25cm，第二条滑道距离井筒轴向中心位置距离为40cm，第三条滑道距离井筒轴向中心位置距离为60cm，第四条滑道距离井筒轴向中心位置距离为85cm，第五条滑道距离井筒轴向中心位置距离为115cm。

9.根据权利要求1所述的一种模拟支撑剂在复杂缝网运移规律的可视化装置，其特征在于，所述的卡杆(2-2)由内径为3cm的空心杆和外径为2.5cm的实心杆组成，且实心杆置于空心杆内。

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