CN112647922B - 一种模拟储层改造射孔-微裂缝缝内多尺度铺砂实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟储层改造射孔‑微裂缝缝内多尺度铺砂实验装置，包括配液系统、加砂系统、混液系统、裂缝模拟系统、废液回收系统、参数测量系统和控制系统；所述配液系统与所述混液系统各自与所述模拟裂缝之间可开放或闭合地连通设置；所述裂缝模拟系统包括入口井筒、射孔缝装置、垂直主裂缝装置、垂直次级裂缝装置和出口井筒，裂缝装置侧壁上具有可用丝堵控制滤失量的滤失口。通过上述设计，解决了现有技术中此类装置无法模拟不同铺砂工艺下支撑剂在射孔缝的铺砂规律，且无法从一定程度上控制滤失量的技术问题。

Description

一种模拟储层改造射孔-微裂缝缝内多尺度铺砂实验装置

技术领域

本发明涉及模拟水力压裂技术领域，具体涉及一种模拟储层改造射孔-微裂缝缝内多尺度铺砂实验装置。

背景技术

水力压裂技术是通过高压泵车向地层注入大于地层压力的高压流体，致使地层岩石破裂，形成一条或多条的裂缝结构；将压裂液与支撑剂的混合物输送到压裂裂缝内，致使经过压裂过后的裂缝在支撑剂颗粒的填充、支撑的作用下形成具有高导流能力的填砂裂缝。其中，为实现填砂裂缝内导流能力强的效果，压裂裂缝内中形成支撑剂的砂堤形态，就必须满足裂缝高导流能力的条件。因此研究压裂裂缝内支撑剂的运移规律对裂缝内形成合理的砂堤形态与压裂增产效果具有重要意义。

目前，研究水力压裂过程中的支撑剂运移主要是依据物理实验装置，即将压裂液和支撑剂的混合物泵注至可视化平板中，通过对平板中的支撑剂输送过程的实时记录，从而研究其运动规律。

现有支撑剂运移规律物理实验装置主要存在如下问题：(1)未能模拟支撑剂在射孔缝的运移规律；(2)滤失量不能控制。现有技术CN110952971A中公开了一种模拟储层均匀滤失对支撑剂铺置影响的平板及实验装置，通过在可视化平板内表面设有滤网，从而模拟滤失，但是这种滤失量不能控制。(3)主要是模拟连续铺砂裂缝内支撑剂运移规律，未能模拟不同铺砂工艺对其的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟储层改造射孔-微裂缝缝内多尺度铺砂实验装置，以解决现有技术中此类装置无法模拟不同铺砂工艺下支撑剂在射孔缝的铺砂规律，且无法从一定程度上控制滤失量的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：

一种模拟储层改造射孔-微裂缝缝内多尺度铺砂实验装置，包括：配液系统、加砂系统、混液系统、裂缝模拟系统、废液回收系统、参数测量系统和控制系统；

所述混液系统连通所述配液系统与所述加砂系统，出口管线依次与裂缝模拟系统、废液回收系统和配液系统相连形成环路；其中，所述配液系统与所述混液系统各自与所述模拟裂缝之间可开放或闭合地连通设置。

优选地，所述配液系统至少包括配液罐，所述配液罐包括罐体，设置于所述罐体内部的加热器、搅拌装置和液位控制装置。

优选地，所述配液罐至少包括可供选择的第一配液罐和第二配液罐。

优选地，所述裂缝模拟系统包括入口井筒、射孔缝装置，垂直主裂缝装置，与所述垂直主裂缝相连通的垂直次级裂缝装置以及出口井筒，且所述射孔缝装置、所述垂直主裂缝装置和/或所垂直次级裂缝装置的至少部分侧壁上贯通形成有滤失口，所述滤失口上连接有用于对滤失量进行控制的丝堵。

优选地，所述射孔缝装置、所述垂直主裂缝装置和/或所述垂直次级裂缝装置包括至少一组平行设置且相对形成有裂缝间隙的可视化平板，用于固定所述可视化平板并围合所述裂缝间隙形成腔体的固定框，设置于所述裂缝间隙中的多个固定垫块，以及交错分布于多个所述固定垫块之间的滤网；

所述射孔缝装置、所述垂直主裂缝装置与所述垂直次级裂缝装置之间通过三通连接件连接。

优选地，所述射孔缝装置包括至少两组不同形状的射孔缝平板。

优选地，所述入口井筒连接所述混液系统和所述射孔缝装置/所述垂直主裂缝装置，所述出口井筒连接所述垂直主裂缝装置，所述入口井筒包括自所述配液系统至所述裂缝模拟系统顺次连通的连接口和调节结构，所述调节结构包括自外而内顺次套接的外筒和内筒，且所述内筒的侧壁上形成有多个射孔参数不同的井眼，以及用于与所述连接口相连的接料口，所述外筒与所述内筒之间通过旋转调节结构相连，转动所述旋转调节结构以使得所述内筒通过不同的所述井眼与所述裂缝模拟系统相连通；

所述入口井筒还包括自所述外筒延伸至所述内筒中的放空口。

优选地，所述加砂系统包括顺次连通设置的进料口、加料腔和出料口，且所述加料腔中设置有通过控制电机带动的螺旋推进器，通过控制所述控制电机带动所述螺旋推进器完成定量加砂。

优选地，还包括：

废液回收系统，用于回收裂缝模拟系统中流出的压裂液；

参数测量系统，用于测量实验中的泵入压力和压裂液的流速；

控制系统，用于控制实验过程，并对实验过程的数据进行采集和分析，并将结果输出。

优选地，所述废液回收系统包括沉降罐和废液罐，且所述沉降罐中通过过滤挡砂装置，回收压裂液，所述废液回收系统与所述配液系统相连通，所述废液罐用于收集实验排空的压裂液；

所述废液回收系统还设置有浮球调控装置，当所述浮球调控装置中的浮球高度达到预设值时，浮球调控装置开放所述废液回收系统与所述配液系统之间的连通通道。

优选地，所述参数测量系统包括多套压力传感器和流量计；

所述控制系统包括数据接收模块、数据分析模块和数据结果输出模块。

本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：

基于裂缝模拟系统，形成有射孔缝和垂直裂缝，可模拟支撑剂在射孔缝中的运移规律；配液系统和混液系统各自连通裂缝模拟系统，形成不同的模拟通道，从而基于二者的配合实现不同铺砂工艺的切换；并且，进一步通过模拟参数的控制，能够针对性计算出滤失量并对其整体进行有效控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明实施例提供的模拟储层改造射孔-微裂缝缝内多尺度铺砂实验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的裂缝模拟系统的主视图。

图3为本发明实施例提供的垂直主裂缝装置的俯视图；

图中的标号分别表示如下：

1-配液罐；2-加砂系统；3-混液系统；4-第一螺杆泵；5-压力计；6-流量计；7-入口井筒；8-射孔缝装置；9-垂直主裂缝装置；10-垂直次级裂缝装置；11-出口井筒；12-沉降罐；13-废液罐；14-控制系统；15-第一阀门；16-第二阀门；17-第三阀门；18-第二螺杆泵；19-第三螺杆泵；

121-浮球调控装置；122-过滤挡砂装置；

71-连接口；72-连接法兰；73-外筒；74-内筒；75-放空口；76-旋转调节结构；77-井眼；

81-射孔缝平板；82-螺栓；

91-固定框；92-滤失口；93-可视化平板；94-支撑架；95-固定垫块；96-丝堵；97-滤网；98-LED灯板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下通过具体结构进行详细阐述：

如图1-图3所示，本发明提供了一种模拟储层改造射孔-微裂缝缝内多尺度铺砂实验装置，具体地，包括：

裂缝模拟系统，包括入口井筒7、多条射孔缝装置8、多条垂直主裂缝装置9、多条与垂直主裂缝装置9相连通的垂直次级裂缝装置10(垂直次级裂缝装置10条数可根据实际情况增减)和出口井筒11组成。射孔缝装置8由射孔缝平板81和螺栓82组成，射孔缝平板81内部可通过铣床形成不同的射孔缝形状，通过螺栓82上下连接，侧面有与入口井筒相连的连通接口。

所述垂直主裂缝装置9包括多块平行的可视化平板93，可视化平板93四周围合有固定框91，透明的可视化平板93与固定框91之间形成有用来模拟裂缝的空间。所述垂直主裂缝装置9一侧设有多个均匀排列的滤失口92，可视化平板93上设置有刻度线，用来观测砂体铺置的情况，其内表面通过固定垫块95设置了交错分布的多层滤网97，外侧布置有滤失口，从而来实现流体在裂缝中的滤失。而裂缝中的滤失量可由滤失口92上的丝堵96控制。所述垂直主裂缝装置9的另一侧设有一等大小的LED灯板98，通过螺栓82固定在可视化平板93外侧。可视化平板93可通过三维激光扫描和3D打印成模具，或通过模拟样品平铺粘结于可视化平板93上，以模拟实际裂缝的粗糙度。可视化平板93与固定框91之间由螺栓82连接。可视化平板93通过螺栓82并排设置，且通过固定框91上的螺栓82首尾相连来控制主裂缝装置的长度。透明板的外壁上有用于连接次级裂缝的三通连接件，侧面有与入口井筒7和出口井筒11分别相连的连通接口，底部可通过螺栓82将垂直主裂缝装置9固定在支撑架94上。垂直次级裂缝装置10与主裂缝之间的角度通过更换不同的三通连接件来实现控制。主裂缝缝宽根据不同的设置，可以呈楔形或者平行状态，裂缝的宽度可由不同规格的固定垫块95调节。每个裂缝下部，放有清洗接砂用的漏砂罐。根据实验的需求，射孔缝装置可拆卸，垂直主裂缝装置通过固定框91与入口井筒7相连。

入口井筒7，包括连接口71、连接法兰72、外筒73、内筒74、放空口75、旋转调节结构76和井眼77。所述内筒74的侧壁有与连接口71相连的接口和多套不同射孔参数(射孔密度、直径)的井眼77。内筒74上端的旋转调节结构76与外筒73的扣盘连接，刻有指示圈，该指示圈与各孔眼的对齐，并通过激光打印该规格井孔标识，可根据需求选择，通过旋转调节结构76，选择不同射孔参数的井眼77对准裂缝。连接口71位于外筒73侧壁上，通过连接法兰72与配液系统连接。放空口75位于外筒73下端，与内筒74内腔连通，可通过所述放空口75对入口井筒7进行清洗。内筒74与外筒73之间间隙为1mm，同时由于携砂时模型中会预先充满基液排出模型中气体，砂粒进入井筒后不能进入内筒74与外筒73之间，从而也不会存在内筒74卡死的现象。

配液系统，用于不间断配样，或用于配置不同规格压裂液，由2个配液罐1组成。配液罐1内部含有加热器、浮球和搅拌装置。通过浮球液位控制，来实现不间断配制压裂液。配液罐1出口分为两条支路，其中一条用于跳过混液系统3直接将压裂液注入至裂缝模拟系统中，排出模型中空气。另一条用于将配制后的压裂液通过螺杆泵注入至混液系统3中。每个配液罐1设置有一个出口，方便清洗。

混液系统3，用来将支撑剂及配液系统中被泵送过来的压裂液进行混合搅拌，由具有搅拌功能的混砂罐组成。混合后的压裂液通过螺杆泵，沿管道注入至入口井筒7中。

加砂系统2，用于匀速定量加入支撑剂，由支撑加砂装置组成。所述支撑加砂装置包括加料口、螺旋推进器、控制电机和出砂口。支撑剂由人工添至加料口中，通过控制电机带动螺旋推进器，将支撑剂定量加入至混砂罐中。螺旋推进器下部为出砂口，方便清洗。

废液回收系统，用于回收从裂缝模拟系统流出的压裂液。由沉降罐12和废液罐13组成。沉降罐12内部设有浮球调控装置121和过滤挡砂装置122。通过过滤砂挡装置的处理，将压裂液处理回收。并根据浮球调控装置121，一旦压裂液超过浮球所在位置，就自动将其泵入至配液罐1中，有利于节省压裂液。沉降罐12下部留有一出口，与废液罐13相连，方便清洗。

参数测量系统，用于测量模拟实验中的泵入压力、压裂液的流速，包括数套压力传感器(压力计5)和流量计6。

控制系统14，包括带有数据处理软件的控制系统14，在控制实验过程的同时对不同的实验过程实现数据采集、分析和结果输出。

在具体操作过程，按照以下方式进行操作：

1.压裂液预充注入

打开连接配液罐1的阀门，关闭第一阀门15、第二阀门16和第三阀门17，将压裂液添加至配液罐1中，通过控制系统14打开螺杆泵，将压裂液直接泵入至入口井筒7中，压裂液经裂缝系统和沉降罐12，回到配液罐1中，循环利用。该过程排出了装置中的空气。待各部分流量稳定后，就可以开展后续实验。

2.射孔缝-微裂缝缝内连续铺砂实验

打开连接配液罐1的阀门，将压裂液添加至配液罐1中。打开第一阀门15和第二阀门16，关闭第三阀门17，通过控制系统14打开第一螺杆泵4和第二螺杆泵18，将压裂液与支撑剂在混液罐中混合，通过控制系统14打开第一螺杆泵4，调至方案设计的实验排量，将混合液泵入至入口井筒7中，经射孔缝装置8、垂直主裂缝装置9、垂直次级裂缝装置10、出口井筒11和沉降罐12，过滤处理后，回到配液罐1中，循环利用。实验过程中，第一螺杆泵4和第二螺杆泵18一直保持相同的排量。根据需求，提前设置好裂缝的宽度、次级裂缝10与主裂缝之间的角度和入口井筒7中的射孔参数，打开LED灯板98，并通过安装丝堵96来调控垂直主裂缝装置9和/或垂直次级裂缝装置10中滤失口92的数量。压裂过程中，利用强光源、刻度尺和摄像系统，实时监测支撑剂在复杂裂缝中的铺置情况。

3.射孔缝-微裂缝缝内非连续铺砂实验

打开连接配液罐1的阀门，将压裂液添加至配液罐1中。打开第一阀门15和第二阀门16，关闭第三阀门17，通过控制系统14打开第二螺杆泵18，将压裂液与支撑剂在混液罐中混合。根据需求，通过控制系统14，轮流打开第二阀门16和第三阀门17，将含有支撑剂的携砂液和不含有支撑剂的压裂液，分别通过第一螺杆泵4和第三螺杆泵19，交替注入至管路中，在到达入口井筒7前，形成多个支撑剂段塞。实验过程中，螺杆泵一直保持相同的排量。其他步骤与连续铺砂一致。

以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。

Claims (9)

1.一种模拟储层改造射孔-微裂缝缝内多尺度铺砂实验装置，其特征在于，包括配液系统、加砂系统、混液系统、裂缝模拟系统、废液回收系统、参数测量系统和控制系统；

所述混液系统连通所述配液系统与所述加砂系统，出口管线依次与裂缝模拟系统、废液回收系统和配液系统相连形成环路；其中，所述配液系统与所述混液系统各自与所述裂缝模拟系统之间可开放或闭合地连通设置；

所述裂缝模拟系统包括入口井筒（7）、射孔缝装置（8）、垂直主裂缝装置（9）、与所述垂直主裂缝装置（9）相连通的垂直次级裂缝装置（10）和出口井筒（11）；

所述射孔缝装置（8）、所述垂直主裂缝装置（9）和/或所垂直次级裂缝装置（10）的至少部分侧壁上贯通形成有滤失口（92），所述滤失口（92）上连接有用于对滤失量进行控制的丝堵（96）；

射孔缝装置（8）由射孔缝平板（81）和螺栓（82）组成，射孔缝平板（81）内部可通过铣床形成不同的射孔缝形状，通过螺栓（82）上下连接，侧面有与入口井筒相连的连通接口。

2.根据权利要求1所述的一种多尺度铺砂实验装置，其特征在于，所述配液系统至少包括配液罐（1），所述配液罐（1）包括罐体，设置于所述罐体内部的加热器、搅拌装置和液位控制装置。

3.根据权利要求2所述的一种多尺度铺砂实验装置，其特征在于，所述配液罐（1）至少包括可供选择的第一配液罐（1）和第二配液罐（1）。

4.根据权利要求1所述的一种多尺度铺砂实验装置，其特征在于，所述射孔缝装置（8）、所述垂直主裂缝装置（9）和/或所述垂直次级裂缝装置（10）包括至少一组平行设置且相对形成有裂缝间隙的可视化平板（93），用于固定所述可视化平板（93）并围合所述裂缝间隙形成腔体的固定框（91），设置于所述裂缝间隙中的多个固定垫块（95），以及交错分布于多个所述固定垫块（95）之间的滤网（97）；

所述射孔缝装置（8）、所述垂直主裂缝装置（9）与所述垂直次级裂缝装置（10）之间通过三通连接件连接。

5.根据权利要求1所述的一种多尺度铺砂实验装置，其特征在于，所述入口井筒（7）连接所述混液系统和所述射孔缝装置（8）/所述垂直主裂缝装置（9），所述出口井筒（11）连接所述垂直主裂缝装置（9），所述入口井筒（7）包括自混液装置至所述裂缝模拟系统顺次连通的连接口（71）和调节结构，所述调节结构包括自外而内顺次套接的外筒（73）和内筒（74），且所述内筒（74）的侧壁上形成有多个射孔参数不同的井眼（77），以及用于与所述连接口（71）相连的接料口，所述外筒（73）与所述内筒（74）之间通过旋转调节结构（76）相连，转动所述旋转调节结构（76）以使得所述内筒（74）通过不同的所述井眼（77）与所述裂缝模拟系统相连通；

所述入口井筒（7）还包括自所述外筒（73）延伸至所述内筒（74）中的放空口（75）。

6.根据权利要求1所述的一种多尺度铺砂实验装置，其特征在于，所述加砂系统（2）包括顺次连通设置的进料口、加料腔和出料口，且所述加料腔中设置有通过控制电机带动的螺旋推进器，通过控制所述控制电机带动所述螺旋推进器完成定量加砂。

7.根据权利要求1所述的一种多尺度铺砂实验装置，其特征在于，还包括：

废液回收系统，用于回收裂缝模拟系统中流出的压裂液；

参数测量系统，用于测量实验中的泵入压力和压裂液的流速；

控制系统（14），用于控制实验过程，并对实验过程的数据进行采集和分析，并将结果输出。

8.根据权利要求7所述的一种多尺度铺砂实验装置，其特征在于，所述废液回收系统包括沉降罐（12）和废液罐（13），且所述沉降罐（12）中通过过滤挡砂装置（122）回收压裂液，所述废液回收系统与所述配液系统相连通，所述废液罐用于收集实验排空的压裂液；

所述废液回收系统还设置有浮球调控装置（121），当所述浮球调控装置（121）中的浮球高度达到预设值时，浮球调控装置（121）开放所述废液回收系统与所述配液系统之间的连通通道。

9.根据权利要求7所述的一种多尺度铺砂实验装置，其特征在于，所述参数测量系统包括多套压力传感器和流量计；

所述控制系统（14）包括数据接收、数据分析和数据结果输出模块。

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