CN113006762B - 一种考虑真实裂缝闭合压力的可视化支撑剂铺置及压后生产模拟装置 - Google Patents

Abstract

一种考虑真实裂缝闭合压力的可视化支撑剂铺置及压后生产模拟装置，属于油气田开发领域，装置包括压裂液注入装置、模拟裂缝装置、缝口注排切换装置、油水混合物注入装置。所述模拟裂缝装置由第一透明平行板、第二透明平行板、液压加压装置组成，所述第一透明平行板、第二透明平行板材料为高强度帕姆板，可承受100‑200MPa压力。模拟裂缝装置两侧缝口分别装有缝口注排切换装置，缝口注排切换装置实现支撑剂铺置流程和压后生产流程的切换，本装置可实现考虑支撑剂运移铺置和真实裂缝闭合压力的支撑剂层内油水两相流动的可视化研究，可为压裂参数优化和压裂材料优选提供理论依据。

Description

一种考虑真实裂缝闭合压力的可视化支撑剂铺置及压后生产 模拟装置

技术领域

本发明属于油气田开发技术研究领域，具体涉及一种考虑真实裂缝闭合压力的可视化支撑剂铺置及压后生产模拟装置。

背景技术

随着老油田进入高含水、产量递减阶段，为保证国家能源安全，需要针对老油田进行稳产并动用致密油气和页岩油气等超低渗油气藏。老油田的稳产需要使用水力压裂技术并控制采出液的含水率；超低渗油藏的孔隙度和渗透率低，需要进行大规模的水力压裂在储层中形成缝网增加有效渗流面积。目前水力压裂关键问题之一是压裂有效期的问题，一次压裂施工能够实现更长的有效期，减少压裂施工的次数，就能在保证油气产量的同时大幅减少压裂施工的成本。控制采出液含水率的关键问题之一在于控制地层中水相的流动，增加油相的流动。

支撑剂对裂缝的支撑情况是决定压裂效果和有效期的关键因素。裂缝的支撑情况受压裂过程中支撑剂运移的影响，同时还受裂缝闭合后支撑剂破碎率的影响。另外目前广泛应用的具有“透油阻水”等特殊功能的支撑剂则会影响采出液的含水率。

系统地研究压裂过程及后期生产过程中支撑剂对裂缝的支撑情况，明确不同施工参数对支撑剂运移铺置的影响；明晰油水两相在支撑剂层中的流动情况，才能对施工参数进行优化，优选出与地层采出液适配的“透油阻水”支撑剂，得到最优的裂缝支撑效果，降低采出液的含水率，提高油井产量。

目前研究压裂过程中支撑剂运移的实验方法主要是通过可视化平行板支撑剂运移装置。通过在可视化的平行板中模拟压裂液注入，观察支撑剂在裂缝中的运移铺置情况。相关专利考虑了裂缝闭合压力和裂缝壁面的粗糙等情况，但未给出装置的承压范围及承压的平行板材料。实际压裂过程中裂缝的闭合压力很大，可达60MPa以上，常规的平行板透明材料主要以有机玻璃和钢化玻璃为主，耐压不高，部分装置所使用的蓝宝石板由于成本和做工的限制尺寸较小，部分装置所使用的PC阳光板的承压能力有限，且硬度不够，施加大的压力会造成变形，支撑剂的嵌入严重。由于无法达到真实裂缝的闭合压力，就无法对支撑剂的破碎及支撑性能进行评价，就无法开展油水两相流动的可视化研究。

对于压裂后生产过程中支撑剂层中的油水两相流动的研究方面，目前主要采用API导流仪及其改进装置，该装置不能实现可视化，并且支撑剂是实验前人为预制的，无法模拟支撑剂的铺置过程。仪器模拟的裂缝面积小且为水平放置，所研究的结果与目前大规模体积压裂所形成的的垂直缝相差较大，无法就重力分异对支撑剂层内油水两相流动的影响进行研究。

本发明使用最大承压可达200MPa的帕姆板制作平行板裂缝装置，能够对模拟裂缝内的支撑剂施加与实际裂缝闭合压力相同的压力。通过在垂直的模拟裂缝的支撑剂层中注入油水混合物，实现可以考虑重力分异的支撑剂层内油水两相流动研究。

发明内容

本发明涉及一种考虑真实裂缝闭合压力的可视化支撑剂铺置及压后生产模拟装置，旨在解决目前可视化支撑剂运移铺置装置受平行板材料限制对模拟裂缝内部支撑剂层所施加闭合压力达不到实际裂缝闭合压力水平，无法有效可视化模拟裂缝支撑剂层内油水混合物流动的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：考虑真实裂缝闭合压力的可视化支撑剂铺置及压后生产模拟装置，包括压裂液注入装置、模拟裂缝装置、缝口注排切换装置、油水混合物注入装置，其特征在于：

所述压裂液注入装置由压裂液罐1和搅拌器2组成，压裂液罐1的出口通过压裂液注入管线101与第一缝口注排切换装置的上开口602通过法兰盘连接。压裂液注入管线101上设有压裂液注入泵3、流量计4、第一阀门5。第一缝口注排切换装置6的装配孔与模拟裂缝装置7的透明平行板左侧面螺孔通过螺栓连接并通过橡胶密封条密封，模拟裂缝装置7的透明平行板右侧面螺孔与第二缝口注排切换装置8的装配孔通过螺栓连接并通过橡胶密封条密封。第二缝口注排切换装置的上开口802通过法兰盘与压裂液排出管线连接，将压裂液排入压裂液收集罐10中，压裂液排出管线上设有第二阀门9。第二缝口注排切换装置8的侧面汇集管线803与第一油水混合物注入装置11通过丝扣连接。所述模拟裂缝装置7的模拟裂缝总汇集管线19与第二油水混合物注入装置12通过丝扣连接。

其中，参见图2和图3，所述模拟裂缝装置由第一透明平行板20、第二透明平行板21、液压加压装置25、裂缝背部管线组成，所述第一透明平行板20和第二透明平行板21的材料为高强度帕姆板，长度为1m，高度60cm，厚度20-45cm，可以承压100-200MPa；第一透明平行板20和第二透明平行板21相距5-10mm平行排列，之间形成空腔，空腔的上边界和下边界通过一定厚度的橡胶可变形密封条24密封并通过螺栓预紧，形成上下密封左右开口，宽度可变的模拟裂缝26。

所述第二透明平行板21上设有一定数量均匀分布的孔眼22(如图3)，所述孔眼22与模拟裂缝26连通，孔眼与平行板连通处设有高强度滤网27，防止支撑剂注入时进入堵塞孔眼。所述孔眼22内侧车有螺纹，通过与孔眼螺纹相匹配的空心连接头23实现孔眼与管线的连接。通过水平连接管线沿水平方向将孔眼按行通过丝扣连接(如图3)，每个水平连接管线上设有阀门，通过模拟裂缝总汇集管线19将所有水平连接管线汇集并通过丝扣连接第二油水混合物注入装置12。

如图2，第一透明平行板21、第二透明平行板22和液压加压装置25置于钢架13内部，第二平行板21左侧装有液压加压装置25，钢架可承受100MPa的压力，通过液压加压装置25对第二透明平行板22施加裂缝闭合压力。所述第一透明平行板20和第二透明平行板21与缝口注排切换装置连接侧分别车有螺孔201，以实现模拟裂缝装置与缝口注排切换装置的连接。

其中，参见图4，所述缝口注排切换装置主体是中空的钢制半圆筒32，半圆筒圆弧侧由上到下分布有车有螺纹的圆孔34，每个圆孔都通过螺纹分别和侧面管线35连接，侧面管线35上依次装有流量计29和阀门30。侧面管线35依次通过侧面汇集管线31连接汇集。圆筒底部密封，上部开口为缝口注排切换装置上开口28。对半圆筒的平面侧管壁进行左右延伸，在延伸的管壁处开装配孔33，使用与透明平行板侧面螺孔201相匹配的螺栓通过装配孔实现缝口注排切换装置和模拟裂缝装置的连接，连接处使用橡胶密封条密封，所述装配孔33的直径要比螺栓直径大，因为裂缝施加压力后缝宽相应会变化，需要留出缝宽变化的余量。

其中，参见图5，所述油水混合物注入装置由注油平流泵36、注水平流泵38和油水混相器37组成，注油平流泵36的入口接油储罐，出口接油水混相器37的油相入口。注水平流泵的入口接水储罐，出口接油水混相器37的水相入口。油水经过油水混相器混相之后由其出口排出。由于油水混合物注入装置管路中为高压流体，所以该装置中所有连接均为高压管路丝扣连接。

通过上述结构可知，本发明的一种考虑真实裂缝闭合压力的可视化支撑剂铺置及压后生产模拟装置实现了对模拟裂缝施加与实际裂缝闭合压力相同的压力，并且进行裂缝闭合后支撑剂层内油水两相流动可视化研究的问题，为研究具有“透油阻水”等特殊性能覆膜支撑剂性质方面提供了一种评价设备。

附图说明

图1是装置示意图。

图2是模拟裂缝结构侧视图。

图3是第二透明平行板开孔及管线分布示意图。

图4是缝口注排切换装置示意图。

图5是油水混合物注入装置示意图。

图中：1、配液罐，2、搅拌装置，3、压裂液注入泵，4、第一流量计，5、第一阀门，6、第一缝口注排切换装置，7、模拟裂缝装置，8、第二缝口注排切换装置，9、第二阀门，10、压裂液收集罐，11、第一油水混合物注入装置，12、第二油水混合物注入装置，13、钢架，14、第一水平连接管线阀门，15、第二水平连接管线阀门，16、第三水平连接管线阀门，17、第四水平连接管线阀门，18、第五水平连接管线阀门，19、模拟裂缝总汇集管线，20、第一透明平行板，21、第二透明平行板，22、孔眼，23、空心连接头，24、可变形橡胶密封圈，25、液压加压装置，26、模拟裂缝，27、高强度滤网，28、缝口注排切换装置上开口，29、缝口注排切换装置侧边流量计，30、缝口注排切换装置侧边阀门，31、缝口注排切换装置侧面汇集管线，32、模拟井筒，33、螺栓装配孔，34、模拟井筒圆弧侧开口，35、缝口注排切换装置侧面管线，36、注油平流泵，37、油水混相器，38、注水平流泵，101、压裂液注入管线，201、透明平行板与缝口注排切换装置装配侧螺孔，601、第一缝口注排切换装置侧面管线阀门，602、第一缝口注排切换装置上开口，603、第一缝口注排切换装置侧面汇集管线，801、第二缝口注排切换装置侧面管线阀门，802、第二缝口注排切换装置上开口，803、第一缝口注排切换装置侧面汇集管线。

具体实施方式

图1显示了本发明一种考虑真实裂缝闭合压力的可视化支撑剂运移铺置及压后生产模拟的实验装置，包括压裂液注入装置、模拟裂缝装置、缝口注排切换装置、油水混合物注入装置。

所述压裂液注入装置由压裂液罐1和搅拌器2组成，压裂液罐1的出口通过压裂液注入管线101与第一缝口注排切换装置的上开口602通过法兰盘连接。压裂液注入管线101上设有压裂液注入泵3、流量计4、第一阀门5。第一缝口注排切换装置6的装配孔与模拟裂缝装置7的透明平行板左侧面螺孔通过螺栓连接并通过橡胶密封条密封，模拟裂缝装置7的透明平行板右侧面螺孔与第二缝口注排切换装置8的装配孔通过螺栓连接并通过橡胶密封条密封。第二缝口注排切换装置的上开口802通过法兰盘与压裂液排出管线连接，将压裂液排入压裂液收集罐10中，压裂液排出管线上设有第二阀门9。第二缝口注排切换装置8的侧面汇集管线803与第一油水混合物注入装置11通过丝扣连接。所述模拟裂缝装置7的模拟裂缝总汇集管线19与第二油水混合物注入装置12通过丝扣连接。

其中，参见图2和图3，所述模拟裂缝装置由第一透明平行板20、第二透明平行板21、液压加压装置25、裂缝背部管线组成，所述第一透明平行板20和第二透明平行板21的材料为高强度帕姆板，长度为1m，高度60cm，厚度20-45cm，可以承压100-200MPa；第一透明平行板20和第二透明平行板21相距5-10mm平行排列，之间形成空腔，空腔的上边界和下边界通过一定厚度的橡胶可变形密封条24密封并通过螺栓预紧，形成上下密封左右开口，宽度可变的模拟裂缝26。

所述第二透明平行板21上设有一定数量均匀分布的孔眼22(如图3)，所述孔眼22与模拟裂缝26连通，孔眼与平行板连通处设有高强度滤网27，防止支撑剂注入时进入堵塞孔眼。所述孔眼22内侧车有螺纹，通过与孔眼螺纹相匹配的空心连接头23实现孔眼与管线的连接。通过水平连接管线沿水平方向将孔眼按行通过丝扣连接(如图3)，每个水平连接管线上设有阀门，通过模拟裂缝总汇集管线19将所有水平连接管线汇集并通过丝扣连接第二油水混合物注入装置12。

如图2，第一透明平行板21、第二透明平行板22和液压加压装置25置于钢架13内部，第二平行板21左侧装有液压加压装置25，钢架可承受100MPa的压力，通过液压加压装置25对第二透明平行板22施加裂缝闭合压力。所述第一透明平行板20和第二透明平行板21与缝口注排切换装置连接侧分别车有螺孔201，以实现模拟裂缝装置与缝口注排切换装置的连接。

其中，参见图4，所述缝口注排切换装置主体是中空的钢制半圆筒32，半圆筒圆弧侧由上到下分布有车有螺纹的圆孔34，每个圆孔都通过螺纹分别和侧面管线35连接，侧面管线35上依次装有流量计29和阀门30。侧面管线35依次通过侧面汇集管线31连接汇集。圆筒底部密封，上部开口为缝口注排切换装置上开口28。对半圆筒的平面侧管壁进行左右延伸，在延伸的管壁处开装配孔33，使用与透明平行板侧面螺孔201相匹配的螺栓通过装配孔实现缝口注排切换装置和模拟裂缝装置的连接，连接处使用橡胶密封条密封，所述装配孔33的直径要比螺栓直径大，因为裂缝施加压力后缝宽相应会变化，需要留出缝宽变化的余量。

其中，参见图5，所述油水混合物注入装置由注油平流泵36、注水平流泵38和油水混相器37组成，注油平流泵36的入口接油储罐，出口接油水混相器37的油相入口。注水平流泵的入口接水储罐，出口接油水混相器37的水相入口。油水经过油水混相器混相之后由其出口排出。由于油水混合物注入装置管路中为高压流体，所以该装置中所有连接均为高压管路丝扣连接。

考虑裂缝闭合压力的可视化支撑剂运移铺置及压后生产模拟的实验装置，包括两个流程，压裂支撑剂运移铺置流程和油气生产流程。

压裂液注入流程：

在压裂液罐1中配置压裂液并加入支撑剂，开启搅拌装置2搅拌，打开第一阀门5和第二阀门9，关闭第一缝口注排切换装置6的所有的侧边阀门601，关闭第二缝口注排切换装置8的所有侧边阀门801，关闭第一水平连接管线阀门14、第二水平连接管线阀门15、第三水平连接管线阀门16、第四水平连接管线阀门17、第五水平连接管线阀门。打开压裂液注入泵3将携砂液(压裂液和支撑剂的混合物)经第一缝口注排切换装置6注入到模拟裂缝26中，通过第一流量计4计量流量，携砂液经过模拟裂缝装置7中的模拟裂缝26并发生支撑剂沉降形成砂堤之后，通过第二缝口注排切换装置8的上开口排出到压裂液收集罐10中。压裂液注入完毕之后，关闭压裂液注入泵3。

油气生产流程：在压裂液注入流程之后，支撑剂在模拟裂缝中形成砂堤(如图4中粗黑色曲线)，此时打开液压加压装置对第二透明平行板21进行加压，压力与实际地层压力相同，使第一透明平行板20和第二透明平行板21闭合在模拟裂缝26中的砂堤上，此时可以观察支撑剂的破碎情况，砂堤上方未被支撑剂支撑的区域会发生一定程度的闭合，形成支撑裂缝。

之后关闭压裂液注入流程：关闭第一阀门5，关闭第二阀门9。打开生产流程：打开第一缝口注排切换装置侧边阀门601、第二缝口注排切换装置侧边阀门801和所有水平连接管线阀门，同时打开第一油水混合物注入装置11的注油平流泵和注水平流泵，原油和水通过油水混相器进行混相之后通过第二缝口注排切换装置向模拟裂缝中注入油水混合物；打开第二油水混合物注入装置12的注油平流泵和注水平流泵，原油和水通过油水混相器进行混相之后通过裂缝背面的水平连接管线向裂缝中注入油水混合物。注入的油和水为实际油层产出液，根据实际产出液的含水率(油井采出液中水的体积百分比)等于注水平流泵流量/注油平流泵的流量，确定两平流泵流量大小。通过模拟裂缝装置的第一透明平行板20侧观察油水混合物在砂堤中的流动，通过第一缝口注排切换装置6侧面管线上的流量计进行产出液流量的测量，产出液从第一缝口注排切换装置6的第一缝口注排切换装置侧面汇集管线流出，收集产出液并分别测量油水的流量。

在本发明中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”“顶”、“底”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者原件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因次不能理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种考虑真实裂缝闭合压力的可视化支撑剂铺置及压后生产模拟装置，包括压裂液注入装置、模拟裂缝装置、第一缝口注排切换装置、第二缝口注排切换装置、第一油水混合物注入装置、第二油水混合物注入装置，其特征在于：

所述模拟裂缝装置由第一透明平行板、第二透明平行板、液压加压装置、裂缝背部管线和钢架组成，所述第一透明平行板和第二透明平行板的材料为高强度帕姆板材料，长度为1m，高度60cm，厚度20-45cm，可以承压100-200MPa；第一透明平行板和第二透明平行板相距5-10 mm平行排列，之间形成空腔，空腔的上边界和下边界通过一定厚度的橡胶可变形密封条密封并通过螺栓预紧，形成上下密封，左右形成缝口，宽度可变的模拟裂缝；

所述模拟裂缝的两侧缝口分别与第一缝口注排切换装置和第二缝口注排切换装置连接；

所述第一透明平行板、第二透明平行板、液压加压装置依次置于钢架内部，通过液压加压装置对第二透明平行板施加裂缝闭合压力；

所述第一透明平行板和第二透明平行板与第一缝口注排切换装置和第二缝口注排切换装置连接侧分别车有螺孔，以实现模拟裂缝装置与缝口注排切换装置的连接；

所述第二缝口注排切换装置侧面设有与模拟裂缝连通的侧面管线，侧面管线由侧面汇集管线连通汇集并与第一油水混合物注入装置通过丝扣连接；

所述第二透明平行板上设有一定数量均匀分布的孔眼，孔眼与模拟裂缝连通，通过水平连接管线沿水平方向将孔眼按行连接，之后通过模拟裂缝总汇集管线将所有水平连接管线汇集，并将模拟裂缝总汇集管线与第二油水混合物注入装置连接。

2.根据权利要求1所述的一种考虑真实裂缝闭合压力的可视化支撑剂铺置及压后生产模拟装置，其特征在于，所述第二透明平行板上设有一定数量均匀分布的孔眼，所述孔眼与模拟裂缝连通，孔眼与平行板连通处设有高强度滤网；所述孔眼内侧车有螺纹，通过与孔眼螺纹相匹配的空心连接头实现孔眼与管线的连接；通过水平连接管线沿水平方向将孔眼按行通过丝扣连接，每个水平连接管线上设有阀门，通过模拟裂缝总汇集管线将所有水平连接管线汇集并通过丝扣连接第二油水混合物注入装置。

3.根据权利要求1所述的一种考虑真实裂缝闭合压力的可视化支撑剂铺置及压后生产模拟装置，其特征在于，所述缝口注排切换装置主体是中空的钢制半圆筒，半圆筒圆弧侧由上到下分布有车有螺纹的圆孔，每个圆孔都通过螺纹分别和侧面管线连接，侧面管线上依次装有流量计和阀门；侧面管线通过侧面汇集管线连接汇集；半圆筒底部密封，上部开口为缝口注排切换装置上开口；对半圆筒的平面侧管壁两侧分别焊接钢板，在钢板处开装配孔，使用与透明平行板侧面螺孔相匹配的螺栓通过装配孔实现缝口注排切换装置和模拟裂缝装置的连接，连接处使用橡胶密封条密封。

4.根据权利要求3所述的一种考虑真实裂缝闭合压力的可视化支撑剂铺置及压后生产模拟装置，其特征在于，所述装配孔的直径要比透明平行板侧面螺孔相匹配的螺栓的直径大，为缝宽变化的余量。

5.根据权利要求1所述的一种考虑真实裂缝闭合压力的可视化支撑剂铺置及压后生产模拟装置，其特征在于，所述压裂液注入装置由压裂液罐和搅拌器组成，压裂液罐的出口通过压裂液注入管线与第一缝口注排切换装置的上开口通过法兰盘连接；压裂液注入管线上设有压裂液注入泵、流量计、第一阀门；第一缝口注排切换装置的装配孔与模拟裂缝装置的透明平行板左侧面螺孔通过螺栓连接并通过橡胶密封条密封，模拟裂缝装置的透明平行板右侧面螺孔与第二缝口注排切换装置的装配孔通过螺栓连接并通过橡胶密封条密封；第二缝口注排切换装置的上开口通过法兰盘与压裂液排出管线连接，将压裂液排入压裂液收集罐中，压裂液排出管线上设有第二阀门；第二缝口注排切换装置的侧面汇集管线与第一油水混合物注入装置通过丝扣连接；所述模拟裂缝装置的模拟裂缝总汇集管线与第二油水混合物注入装置通过丝扣连接。

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