CN113404479A - 动态调节缝宽的支撑剂铺置可视化实验装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了动态调节缝宽的支撑剂铺置可视化实验装置及其使用方法，包括进料机构，所述进料机构用于制备混砂液并进行输送；所述进料机构的出料端连接有可视化平板裂缝，所述可视化平板裂缝是通过可视化平板（1）形成的，所述可视化平板（1）是由两个金属边框（3）和密封件（4）构成的，所述密封件（4）设置于两个金属边框（3）之间，所述金属边框（3）的框架内固定有强化玻璃（5）；两个所述可视化平板（1）之间形成用于模拟压裂裂缝的可视化平板裂缝，所述可视化平板裂缝的宽度是由限位固定机构（2）进行调节的。本发明适用于多级加砂和变排量加砂的实验，为研究压裂过程中泵注参数对支撑剂输送规律的影响提供了一种更好的装置。
Description
技术领域
本发明涉及石油开采和研究领域，尤其涉及动态调节缝宽的支撑剂铺置可视化实验装置及其使用方法。
背景技术
在非常规油气藏开发中，水力压裂已成为主要开发手段，而最终影响压裂效果的是支撑剂在压裂形成裂缝中发铺置效果。目前，对于携砂液在裂缝中的铺置效果及规律研究，已有许多学者利用平板铺砂装置进行研究。但现有的铺砂装置主要着重于分支缝可变角度和单一缝不同缝宽的研究，且对于变排量多级加砂的相关研究较少。
如申请号为CN206903650U的专利申请公开了一种可视化动态变缝宽的支撑剂铺砂模拟装置，该装置通过对有机玻璃板的结构进行改造，使其在金属外框内可以在敏感性弹簧和加压金属板的带动下移动，形成可变化的动态裂缝。同时，在敏感新弹簧的带动下，动态裂缝可以形成平行裂缝、楔形裂缝，更真实的模拟现场可能遇到的各种裂缝形状，但该装置通过弹簧控制金属板的相对位置以调整缝宽无法定量表征金属板表面压力分布特征，且该装置只能单向调整以提供平行缝合楔形缝两种形式，其被动调整缝宽的功能特点决定了其无法主动调整裂缝形状。
如申请号为CN111622730A的专利申请公开了一种基于大型平行板支撑剂运移铺置物模实验的压裂加砂设计方法，该方法根据压裂目标确定各施工参数的取值范围，利用大型平行板支撑剂运移铺置物模实验装置对各施工参数进行对照实验，获得不同参数下支撑剂的运移情况和最终砂堤形态图片，并利用砂堤形态评价参数对最终砂堤形态进行定量评价，优选施工参数，再在不同条件下测量支撑剂的水平运移速度和垂直沉降速度，计算支撑高度和水平支撑裂缝长度，校核后确定压裂各阶段的加砂参数，结合各阶段支撑剂与压裂液的比例，确定最终压裂加砂施工方案，该技术主要包含实验的设计和实验结果的分析，未结合铺砂装置的结构特点，同时该技术未针对多级加砂进行设计。
因此，有必要提供一种适用于多级加砂缝宽可调节的支撑剂可视化模拟实验装置，为现场施工提供理论依据和指导。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供动态调节缝宽的支撑剂铺置可视化实验装置及其使用方法，从而解决上述缺陷。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
动态调节缝宽的支撑剂铺置可视化实验装置，包括：
进料机构，所述进料机构用于制备混砂液并进行输送；所述进料机构的出料端连接有可视化平板裂缝，所述可视化平板裂缝是通过可视化平板形成的，所述可视化平板是由两个金属边框和密封件构成的，所述密封件设置于两个金属边框之间，所述金属边框的框架内固定有强化玻璃；两个所述可视化平板之间形成用于模拟压裂裂缝的可视化平板裂缝，所述可视化平板裂缝的宽度是由限位固定机构进行调节的。
进一步的，所述进料机构包括支架，所述支架上固定有备料罐，所述支架的下侧设有混砂罐，所述混砂罐与备料罐之间通过连接管连通，所述混砂罐的进料端还固定有进液管线，所述混砂罐出料端与可视化平板之间固定有进料管线；所述混砂罐内具有通过电机驱动的搅拌叶片。
进一步的，所述可视化平板的进料端与出料端分别设置有进料井筒和出料井筒，所述进料井筒与进液管线连通，所述出料井筒与可视化平板之间还设置有废液收集机构。
进一步的，所述废液收集机构包括滤液收集器和废液罐，所述滤液收集器位于可视化平板的底部，所述滤液收集器和废液罐之间通过第一收集管连通，所述出料井筒与废液罐之间通过第二收集管连通。
进一步的，所述限位固定机构包括伺服电机，所述伺服电机的输出端固定有螺杆，所述螺杆上套设有金属夹，所述金属边框丝接于金属夹上，所述螺杆上还安装有压力感应器。
进一步的，所述密封件是由平板左密封板、平板上密封板、平板下密封板和平板右密封板连接形成的，所述平板左密封板用于控制混砂液进入可视化平板裂缝的入口位置及尺寸，所述平板上密封板和平板下密封板用于模拟壁面滤失条件，所述平板右密封板用于控制混砂液离开可视化平板裂缝的出口位置及尺寸；所述平板左密封板、平板上密封板、平板下密封板和平板右密封板的连接处通过橡胶件进行连接。
进一步的，所述连接管、进液管线和第一收集管上都安装有阀门和流量计，所述进料管线上还安装有柱塞泵和压力计，所述第一收集管上还安装有螺杆泵，所述第二收集管上也安装有流量计。
更进一步的，所述金属边框内侧具有向内侧突起的限位块，所述平板左密封板、平板上密封板、平板下密封板和平板右密封板位于限位块的内侧并通过硅胶块进行挤压密封及固定；所述橡胶件与金属边框内侧进行粘接。
更进一步的，其中一个所述金属边框上开设有进液口，所述进液口贯穿进料井筒并与进料管线出料端连通；该装置还设置有控制器。
动态调节缝宽的支撑剂铺置可视化实验装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤一、在控制器中选择泵注排量稳态或瞬态，输入泵注参数，系统自动打开进液管线和备料罐的阀门，使得向混砂罐中注入压裂液和支撑剂，同时打开搅拌叶片进搅拌，使压裂液和支撑剂混合均匀；
步骤二、打开滤液收集器的阀门并设置限位固定机构为压感自动调节模式；
步骤三、启动柱塞泵向可视化平板内注入携砂液，并控制柱塞泵工作流量以达到实验工况；
步骤四、在沙堤形态区域稳定时关闭柱塞泵、搅拌叶片和阀门；
步骤五、待滤液收集器无成股液流时，通过限位固定机构将可视化平板裂缝间距调小，调节精度为1mm，待滤液收集装置无成股液流时关闭螺杆泵和阀门。
本发明的有益效果：
本发明创造解决了多级加砂模式下地层闭合对沙堤形态的影响及第一级沙堤经地层闭合压力作用后支撑剂颗粒整体性的增强；该装置解决了泵注过程中携砂液排量难以即时变化的难点，将支撑剂铺置装置与多级加砂工艺有效结合；该装置克服了缝宽变化范围难以量化控制的技术问题，还克服了现有压裂液滤失速率不可调节的不足，还克服了携砂液入口尺寸及位置固定不易调节的不足；本发明可以即时调节携砂液的砂比及排量，可以即时控制压裂液滤失速率；该装置密封件和可视化平板模块化设计的特点有效降低了装置的清洗难度及改造升级难度，其密封板件与金属框架挤压连接密封的连接方式便于组装和拆卸清洗；该装置采用柱塞泵泵注携砂液可有效提高泵注排量的调节精度；本发明可以模拟压裂后地层闭合状态及地层闭合对支撑剂铺置效果的影响，通过压力感应器的设置，使得对可视化平板的四点的压力状态可以量化监测；本发明适用于多级加砂和变排量加砂的实验，为研究压裂过程中泵注参数对支撑剂输送规律的影响提供了一种更好的装置。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是可视化平板的结构示意图；
图3是金属框架内侧与密封件的连接示意图；
图4是平板下密封板与平板右密封板的连接示意图；
图5是限位固定机构的结构示意图；
图6是实施例中平板左密封板的结构示意图；
图7是实施例中平板上密封板的结构示意图；
图8是实施例中平板下密封板的结构示意图；
图9是实施例中平板右密封板的结构示意图。
图中，1-可视化平板、2-限位固定机构、3-金属边框、4-密封件、5-强化玻璃、6-支架、7-备料罐、8-混砂罐、9-连接管、10-进液管线、11-进料管线、12-进料井筒、13-出料井筒、14-滤液收集器、15-废液罐、16-第一收集管、17-第二收集管、18-伺服电机、19-金属夹、20-压力感应器、21-橡胶件、41-平板左密封板、42-平板上密封板、43-平板下密封板、44-平板右密封板、22-阀门、23-流量计、24-柱塞泵、25-压力计、26-螺杆泵、27-限位块、28-硅胶块、29-进液口、30-控制器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
实施例一，本实施例中，如图1至图5所示，动态调节缝宽的支撑剂铺置可视化实验装置包括进料机构，所述进料机构用于制备混砂液并进行输送；所述进料机构的出料端连接有可视化平板裂缝，所述可视化平板裂缝是通过可视化平板1形成的，所述可视化平板1是由两个金属边框3和密封件4构成的，所述密封件4设置于两个金属边框3之间，所述金属边框3的框架内固定有强化玻璃5；两个所述可视化平板1之间形成用于模拟压裂裂缝的可视化平板裂缝，所述可视化平板裂缝的宽度是由限位固定机构2进行调节的。本实施例中，所述金属边框3采用不锈钢材料制作而成，其边框宽度为50mm，所述强化玻璃5的尺寸优选长度为3m，高度为0.4m，厚度为3mm的；所述强化玻璃5与金属边框3通过化学粘接剂连接固定。
通过上述技术方案，可视化平板1由金属边框3和密封件4组合而成，使得有效降低了可视化平板后期的清洗难度和改造升级难度，其挤压连接密封的连接方式也便于组装和拆卸清洗。
本实施例进一步设置为：所述进料机构包括支架6，所述支架6上固定有备料罐7，所述支架6的下侧设有混砂罐8，所述混砂罐8与备料罐7之间通过连接管9连通，所述混砂罐8的进料端还固定有进液管线10，所述混砂罐8出料端与可视化平板1之间固定有进料管线11；所述混砂罐8内具有通过电机驱动的搅拌叶片。
通过上述技术方案，所述进液管线10和备料罐7通过进料管线11输送实验材料进入混砂罐8，搅拌叶片将携砂液和支撑剂充分混合，支架6用于对备料罐7提供支撑和固定。
本实施例进一步设置为：所述可视化平板1的进料端与出料端分别设置有进料井筒12和出料井筒13，所述进料井筒12与进液管线10连通，所述出料井筒13与可视化平板1之间还设置有废液收集机构。
本实施例进一步设置为：所述废液收集机构包括滤液收集器14和废液罐15，所述滤液收集器14位于可视化平板1的底部，所述滤液收集器14和废液罐15之间通过第一收集管16连通，所述出料井筒13与废液罐15之间通过第二收集管17连通。本实施例中混砂液和滤液通过第一收集管16和第二收集管17进入废液罐15。
本实施例进一步设置为：所述限位固定机构2包括伺服电机18，所述伺服电机18的输出端固定有螺杆，所述螺杆上套设有金属夹19，所述金属边框3丝接于金属夹19上，所述螺杆上还安装有压力感应器20。本实施例中，所述限位固定机构2具体设置为四组，其分别位于可视化平板1的右上方、右下方、左上方和左下方的位置并通过固定架进行固定安装，使得对可视化平板的四点的压力状态可以量化监测，所述金属边框3与金属夹19通过螺钉进行固定；所述金属夹19用于夹取金属边框3。
通过上述技术方案，通过伺服电机18和螺杆控制两个金属夹19的间距，从而控制两个金属边框3之间的间距。
本实施例进一步设置为：进一步的，所述密封件4是由平板左密封板41、平板上密封板42、平板下密封板43和平板右密封板44连接形成的，所述平板左密封板41用于控制混砂液进入可视化平板裂缝的入口位置及尺寸，所述平板上密封板42和平板下密封板43用于模拟壁面滤失条件，所述平板右密封板44用于控制混砂液离开可视化平板裂缝的出口位置及尺寸；所述平板左密封板41、平板上密封板42、平板下密封板43和平板右密封板44的连接处通过橡胶件21进行连接。
参照图6至图9，本实施例中，密封件选用高弹性金属板构成的，其厚度取1mm，宽度取15mm，高度取380mm，采用激光切割工艺制作而成。所述平板右密封板44选用带有边长10mm均布滤孔的不锈钢板，滤孔间距为4倍滤孔边长，所述平板下密封板43选用带有直径0.01mm均布滤孔的不锈钢板，所述平板上密封板42采用无孔的不锈钢板，所述平板左密封板41选用中部开口宽度5mm、高40mm的不锈钢板；在调节两个金属边框的间距至10mm时，密封件弯曲凸面承受压力。
通过调节两个金属框架3之间的间距，使得四块密封板进行弯曲，进而使得调节可视化平板裂缝。
本实施例进一步设置为：所述连接管9、进液管线10和第一收集管16上都安装有阀门22和流量计23，所述进料管线11上还安装有柱塞泵24和压力计25，所述第一收集管16上还安装有螺杆泵26，所述第二收集管17上也安装有流量计23。本实施例中，进液管线10和备料罐7向混砂罐8进料时，由流量计23进行监测。
通过上述技术方案，采用柱塞泵24泵注携砂液可有效提高泵注排量的调节精度。
本实施例进一步设置为：所述金属边框3内侧具有向内侧突起的限位块27，所述平板左密封板41、平板上密封板42、平板下密封板43和平板右密封板44位于限位块27的内侧并通过硅胶块28进行挤压密封及固定；所述橡胶件21与金属边框3内侧进行粘接。
本实施例进一步设置为：其中一个所述金属边框3上开设有进液口29，所述进液口29贯穿进料井筒12并与进料管线11出料端连通；该装置还设置有控制器30。
本实施例中，所述阀门22、流量计23、柱塞泵24、压力计25螺杆泵26都与系统控制器30监测压力计25、压力感应器20和流量计23的数据并控制阀门22、柱塞泵24、螺杆泵26和伺服电机18。
实施例二，与实施例一的不同之处在于：所述强化玻璃5内侧安装有滤失板，使得便于模拟侧面滤失效果。
动态调节缝宽的支撑剂铺置可视化实验装置的使用方法，包括以下步骤：
先向混砂罐8内注入300L清水并配置压裂液，使用搅拌叶片使其充分混合；
步骤一、在控制器中选择泵注排量稳态或瞬态，输入泵注参数，系统自动打开进液管线10和备料罐7的阀门，使得向混砂罐8中注入压裂液和支撑剂，同时打开搅拌叶片进搅拌，使压裂液和支撑剂混合均匀；
步骤二、打开滤液收集器14的阀门并设置限位固定机构2为压感自动调节模式；
步骤三、启动柱塞泵24向可视化平板1内注入携砂液，并控制柱塞泵24工作流量以达到实验工况；
步骤四、在沙堤形态区域稳定时关闭柱塞泵24、搅拌叶片和阀门22；
步骤五、待滤液收集器14无成股液流时，通过限位固定机构2将可视化平板裂缝间距调小，调节顺序为右上、右下、左上、左下，调节精度为1mm，待滤液收集装置无成股液流时关闭螺杆泵26和阀门22；
步骤六、确定第二级加砂泵注参数，再重复步骤2-4，第三级及后续级加砂步骤同上，调节滤液收集器14下方的阀门和螺杆泵26可以在一定范围内控制平板滤失速率。
上述装置的参数表如下：
在第一级加砂实施例中，通过进液管线10输入压裂液，在系统控制器30中输入砂比20%、流量3m3/s等参数，系统控制器30自动调节进砂量和混砂液流量，混砂液通过进液口29进入可视化平板1，由密封件调节入口尺寸及位置。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
Claims (10)
1.动态调节缝宽的支撑剂铺置可视化实验装置，其特征在于，包括：
进料机构，所述进料机构用于制备混砂液并进行输送；所述进料机构的出料端连接有可视化平板裂缝，所述可视化平板裂缝是通过可视化平板（1）形成的，所述可视化平板（1）是由两个金属边框（3）和密封件（4）构成的，所述密封件（4）设置于两个金属边框（3）之间，所述金属边框（3）的框架内固定有强化玻璃（5）；两个所述可视化平板（1）之间形成用于模拟压裂裂缝的可视化平板裂缝，所述可视化平板裂缝的宽度是由限位固定机构（2）进行调节的。
2.根据权利要求1所述的动态调节缝宽的支撑剂铺置可视化实验装置，其特征在于：所述进料机构包括支架（6），所述支架（6）上固定有备料罐（7），所述支架（6）的下侧设有混砂罐（8），所述混砂罐（8）与备料罐（7）之间通过连接管（9）连通，所述混砂罐（8）的进料端还固定有进液管线（10），所述混砂罐（8）出料端与可视化平板（1）之间固定有进料管线（11）；所述混砂罐（8）内具有通过电机驱动的搅拌叶片。
3.根据权利要求2所述的动态调节缝宽的支撑剂铺置可视化实验装置，其特征在于：所述可视化平板（1）的进料端与出料端分别设置有进料井筒（12）和出料井筒（13），所述进料井筒（12）与进液管线（10）连通，所述出料井筒（13）与可视化平板（1）之间还设置有废液收集机构。
4.根据权利要求3所述的动态调节缝宽的支撑剂铺置可视化实验装置，其特征在于：所述废液收集机构包括滤液收集器（14）和废液罐（15），所述滤液收集器（14）位于可视化平板（1）的底部，所述滤液收集器（14）和废液罐（15）之间通过第一收集管（16）连通，所述出料井筒（13）与废液罐（15）之间通过第二收集管（17）连通。
5.根据权利要求1所述的动态调节缝宽的支撑剂铺置可视化实验装置，其特征在于：所述限位固定机构（2）包括伺服电机（18），所述伺服电机（18）的输出端固定有螺杆，所述螺杆上套设有金属夹（19），所述金属边框（3）丝接于金属夹（19）上，所述螺杆上还安装有压力感应器（20）。
6.根据权利要求1所述的动态调节缝宽的支撑剂铺置可视化实验装置，其特征在于：所述密封件（4）是由平板左密封板（41）、平板上密封板（42）、平板下密封板（43）和平板右密封板（44）连接形成的，所述平板左密封板（41）用于控制混砂液进入可视化平板裂缝的入口位置及尺寸，所述平板上密封板（42）和平板下密封板（43）用于模拟壁面滤失条件，所述平板右密封板（44）用于控制混砂液离开可视化平板裂缝的出口位置及尺寸；所述平板左密封板（41）、平板上密封板（42）、平板下密封板（43）和平板右密封板（44）的连接处通过橡胶件（21）进行连接。
7.根据权利要求4所述的动态调节缝宽的支撑剂铺置可视化实验装置，其特征在于：所述连接管（9）、进液管线（10）和第一收集管（16）上都安装有阀门（22）和流量计（23），所述进料管线（11）上还安装有柱塞泵（24）和压力计（25），所述第一收集管（16）上还安装有螺杆泵（26），所述第二收集管（17）上也安装有流量计（23）。
8.根据权利要求6所述的动态调节缝宽的支撑剂铺置可视化实验装置，其特征在于：所述金属边框（3）内侧具有向内侧突起的限位块（27），所述平板左密封板（41）、平板上密封板（42）、平板下密封板（43）和平板右密封板（44）位于限位块（27）的内侧并通过硅胶块（28）进行挤压密封及固定；所述橡胶件（21）与金属边框（3）内侧进行粘接。
9.根据权利要求3所述的动态调节缝宽的支撑剂铺置可视化实验装置，其特征在于：其中一个所述金属边框（3）上开设有进液口（29），所述进液口（29）贯穿进料井筒（12）并与进料管线（11）出料端连通；该装置还设置有控制器（30）。
10.权利要求1至9任一项所述的动态调节缝宽的支撑剂铺置可视化实验装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在控制器中选择泵注排量稳态或瞬态，输入泵注参数，系统自动打开进液管线（10）和备料罐（7）的阀门，使得向混砂罐（8）中注入压裂液和支撑剂，同时打开搅拌叶片进搅拌，使压裂液和支撑剂混合均匀；
步骤二、打开滤液收集器（14）的阀门并设置限位固定机构（2）为压感自动调节模式；
步骤三、启动柱塞泵（24）向可视化平板（1）内注入携砂液，并控制柱塞泵（24）工作流量以达到实验工况；
步骤四、在沙堤形态区域稳定时关闭柱塞泵（24）、搅拌叶片和阀门（22）；
步骤五、待滤液收集器（14）无成股液流时，通过限位固定机构（2）将可视化平板裂缝间距调小，调节精度为1mm，待滤液收集装置无成股液流时关闭螺杆泵（26）和阀门（22）。
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