CN114112304A - 一种模拟水力压裂套管射孔流动冲蚀的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模拟水力压裂套管射孔流动冲蚀的实验装置及方法，装置由注液系统、注砂系统、混砂系统、冲蚀系统以及分离回收系统五部分组成。冲蚀室内包含一块柱状岩石块和一根射孔套管，柱状岩石块内包括孔眼、定位凹槽以及裂缝，射孔套管与裂缝入口间的间隙尺寸通过更换不同直径的柱状岩石块来实现；柱状岩石块的裂缝宽度和裂缝形状通过更换柱状岩石块进行调整；在射孔套管底端不安装与安装旋塞，可分别实现模拟井下中段与井底两个部位的水力压裂套管射孔流动冲蚀实验。射孔块包括有孔射孔块以及无孔射孔块，通过调换射孔块调整射孔排布以及射孔的间距，实现多工况冲蚀测试。
Description
技术领域
本发明涉及一种流动冲蚀实验装置及方法，具体涉及一种模拟水力压裂套管射孔流动冲蚀的实验装置及方法。
背景技术
近年来，随着低渗透油田探明储量的不断增加，为缓冲国家能源危机，油田企业对低渗透油气藏的开发力度越来越大。大排量和高砂比水力压裂技术作为开发低渗、特低渗储层的重要手段之一而被广泛运用。在水力压裂过程中，支撑剂和砂等固体与压裂液构成的携砂液注入套管中，并通过套管的射孔孔眼流向裂缝达到支撑裂缝及导流的效果，在此过程中，携砂液在射孔孔眼处产生节流，对孔眼产生不同程度的流动冲蚀，从而导致套管的孔眼孔径增大、壁厚减薄，甚至出现裂纹而失效。
随着压裂技术的发展，为进一步提升压裂改造效果，在水平井多段分簇压裂工艺和主要参数初步定型的基础上，压裂改造段簇间距和射孔簇数被不断优化，簇间距大幅降低、单段射孔簇数增加，即孔眼数减少、单段加砂量增加，会导致孔眼冲蚀加剧，尤其在桥塞移位、段内暂堵失效等极端工况下，射孔孔眼受到的冲蚀明显增强。冲蚀的加剧会引起套管射孔孔眼扩径、壁厚减薄的情况加剧，进而导致套管强度降低，甚至出现套损变形，从而影响整个生产过程中的施工安全和生产效果。如何模拟水力压裂套管射孔流动冲蚀，从而探究其冲蚀规律是制定针对性措施的依据。
发明内容
本发明的目的在于针对当前背景中提出的实际问题，提供一种绿色、高效、循环的模拟水力压裂套管射孔流动冲蚀的实验装置及方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种模拟水力压裂套管射孔流动冲蚀的实验装置，由注液系统、注砂系统、混砂系统、冲蚀系统以及分离回收系统五部分组成。注液系统由压裂液箱、柱塞泵、流量计以及注液阀门组成，通过管道依次连接压裂液箱、柱塞泵、流量计以及注液阀门，其中，管道开口端伸入压裂液箱，并没入压裂液箱的液面下方；混砂系统包括混浆罐及混流泵，混浆罐与上游注液系统相连，混浆罐内部安装有一根搅拌器，混浆罐底部通过管道连接至混流泵；冲蚀系统由压力计、多相流量计以及冲蚀室组成，在混流泵下游通过管道依次连接压力计、多相流量计以及冲蚀室，冲蚀室的漏斗底端与出口端分别连接有管道，且这两根管道由三通接头汇聚成一根管道，其中冲蚀室的出口端管道在汇聚前安有一个出口流量计；分离系统由螺旋固液分离器、出口阀门以及回液流量计组成，其中螺旋固液分离器通过管道连接在冲蚀系统三通交汇后的管道下游，螺旋固液分离器的底部通过管道连接至压裂液箱，且管道上设有回液流量计，螺旋固液分离器的出口端安设有出口阀门；注砂系统包括透明砂箱、螺杆泵以及注砂阀门，其中透明砂箱上设有带阀门的漏斗，透明砂箱与上游螺旋固液分离器出口端的出口阀门通过管道连接，透明砂箱的底部由管道与螺杆泵、注砂阀门及混浆罐顶部依次连接。
所述冲蚀室内包含一块柱状岩石块和一根射孔套管，其中柱状岩石块内包括孔眼、定位凹槽以及裂缝。柱状岩石块由两半对称的半圆柱体通过螺栓对接而成，柱状岩石块中轴开设圆柱形的孔眼，孔眼直径大于射孔套管直径，以使射孔套管与裂缝入口间留有间隙，间隙尺寸根据实验工况通过更换不同直径的柱状岩石块来实现。柱状岩石块孔眼壁上开有定位凹槽，定位凹槽的宽度等于射孔套管外壁定位环的宽度，射孔套管外壁的定位环卡入定位凹槽中限位。柱状岩石块的裂缝宽度和裂缝形状根据实验工况通过更换柱状岩石块进行调整，裂缝形状包括Y形裂缝、变径裂缝等。
所述射孔套管包括十节法兰管、二十个射孔块、一个接口以及一个旋塞。两节法兰管、四个射孔块组成一段射孔套管，五段射孔套管通过法兰管上的定位环依次串接，串接后的射孔套管段一端依次连接接口以及旋塞形成一整根射孔套管。每节法兰管的一端面周向均布四个射孔块卡槽，每两个射孔块卡槽间有一块凸出的法兰，法兰管的另一端面设有定位环，法兰管上的射孔块卡槽为半圆弧口，直径等于射孔块外径，射孔块卡槽呈台阶状，台阶的高度为法兰管壁厚的1/2，且射孔块的外弧面弧度等于法兰管的外壁弧面弧度，射孔块的内弧面弧度等于法兰管的内壁弧面弧度，射孔块的内径等于射孔直径，射孔块安装在射孔块卡槽上，两节法兰管上相对的射孔块卡槽间安装一个射孔块，两节法兰管通过法兰使用螺栓连接。射孔块包括有孔射孔块以及无孔射孔块，根据实验工况安装，有孔射孔块的中心开有射孔，无孔射孔块即为盲孔。定位环焊接在接口和法兰管的一侧端面，且定位环上周向均布四个环形定位孔，接口上的环形定位孔与法兰管上的环形定位孔使用螺栓连接，两节法兰管之间没有射孔块卡槽的一端面通过环形定位孔使用螺栓连接。接口的内径等于旋塞的外径，旋塞根据实验工况旋入接口或者不旋入接口。
利用所述的模拟水力压裂套管射孔流动冲蚀的实验装置提供一种模拟水力压裂套管射孔流动冲蚀的实验方法，包括模拟井下中段与井底两个部位的水力压裂套管射孔流动冲蚀实验，其中模拟井下中段水力压裂套管射孔流动冲蚀的实验方法包括如下操作步骤：
步骤一：布置冲蚀模块及实验装置
射孔套管底端不安装旋塞，将射孔套管嵌入柱状岩石块，然后将柱状岩石块用螺栓连接并布置于冲蚀室内固定。关闭所有阀门、螺杆泵、混流泵及柱塞泵。
步骤二：加砂
用筛网筛选出满足粒径范围的实验砂粒，测量砂粒总重量并记录。打开透明砂箱漏斗的阀门，将筛选出来的砂粒通过透明砂箱上方的漏斗加入透明砂箱中，添加完成后关闭透明砂箱的漏斗阀门。
步骤三：混砂
打开混浆罐上游注液阀门，开启柱塞泵，将压裂液箱中的压裂液泵入循环管道，记录混浆罐上游流量计的流量，然后打开混浆罐上方的注砂阀门，开启螺杆泵，将透明砂箱中的砂泵入混浆罐中，与此同时，开启混浆罐搅拌器。
步骤四：实验测试
打开螺旋固液分离器出口阀门，开启混流泵将搅拌均匀的携砂液泵入冲蚀室中，在此过程中，记录混流泵开启对应的时刻、冲蚀室入口的多相流量计的流量以及压力计的压力。部分携砂液通过射孔套管的射孔流入柱状岩石块的裂缝，然后流入冲蚀室漏斗底部，最后流入螺旋固液分离器中；其余携砂液穿过射孔套管直接流入螺旋固液分离器中，记录冲蚀室出口处的出口流量计的流量。螺旋固液分离器对流入的携砂液进行固液分离，分离出来的压裂液流入压裂液箱，砂粒流入透明砂箱。压裂液箱中的压裂液及透明砂箱中的砂粒再次泵入混浆罐中搅拌，实现循环流动。
实验结束时，关闭螺杆泵、柱塞泵以及混浆罐搅拌器，当混浆罐中无携砂液时关闭混流泵，并记录混流泵关闭对应的时刻，当螺旋固液分离器分离结束后关闭所有阀门。
步骤五：实验结果分析
通过记录的冲蚀室入口处多相流量计的流量，计算携砂液累计的质量流量；通过记录的压裂液流量以及测量的砂粒总重量计算含砂量；通过记录的冲蚀室两端流量计的流量，计算中间段射孔套管携砂液流入裂缝的流量；拆开射孔套管，将每一个射孔块取出并编号，对编好号的射孔块进行称重，用混流泵关闭的时刻减去开启的时刻得到冲蚀时长，从而计算每个射孔块的冲蚀速率，并对编好号的射孔块表面进行电镜扫描，获取每个射孔块的表面冲蚀形貌。
利用所述的模拟水力压裂套管射孔流动冲蚀的实验装置提供一种模拟水力压裂套管射孔流动冲蚀的实验方法，包括模拟井下中段与井底两个部位的水力压裂套管射孔流动冲蚀实验，其中模拟井底水力压裂套管射孔流动冲蚀的实验方法包括如下操作步骤：
步骤一：布置冲蚀模块及实验装置
射孔套管底端安装旋塞，将射孔套管嵌入柱状岩石块，然后将柱状岩石块用螺栓连接并布置于冲蚀室内固定。关闭所有阀门、螺杆泵、混流泵及柱塞泵。
步骤二：加砂
用筛网筛选出满足粒径范围的实验砂粒，测量砂粒总重量并记录。打开透明砂箱漏斗的阀门，将筛选出来的砂粒通过透明砂箱上方的漏斗加入透明砂箱中，添加完成后关闭透明砂箱的漏斗阀门。
步骤三：混砂
打开混浆罐上游注液阀门，开启柱塞泵，将压裂液箱中的压裂液泵入循环管道，记录混浆罐上游流量计的流量，然后打开混浆罐上方的注砂阀门，开启螺杆泵，将透明砂箱中的砂泵入混浆罐中，与此同时，开启混浆罐搅拌器。
步骤四：实验测试
打开螺旋固液分离器出口阀门，开启混流泵将搅拌均匀的携砂液泵入冲蚀室中，在此过程中，记录混流泵开启对应的时刻、冲蚀室入口的多相流量计的流量以及压力计的压力。携砂液通过射孔套管的射孔流入柱状岩石块的裂缝，然后流入冲蚀室漏斗底部，最后流入螺旋固液分离器中。螺旋固液分离器对流入的携砂液进行固液分离，分离出来的压裂液流入压裂液箱，砂粒流入透明砂箱。压裂液箱中的压裂液及透明砂箱中的砂粒再次泵入混浆罐中搅拌，实现循环流动。
实验结束时，关闭螺杆泵、柱塞泵以及混浆罐搅拌器，当混浆罐中无携砂液时关闭混流泵，并记录混浆泵关闭对应的时刻，当螺旋固液分离器分离结束后关闭所有阀门。
步骤五：实验结果分析
通过记录的冲蚀室入口处多相流量计的流量，计算携砂液累计的质量流量；通过记录的压裂液流量以及测量的砂粒总重量计算含砂量；拆开射孔套管，将每一个射孔块取出并编号，对编好号的射孔块进行称重，用混浆泵关闭的时刻减去开启的时刻得到冲蚀时长，从而计算每个射孔块的冲蚀速率，并对编好号的射孔块表面进行电镜扫描，获取每个射孔块的表面冲蚀形貌。
本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点：
1、本发明实验装置仅需一次加料，加入的物料可循环使用；
2、本发明实验装置通过更换射孔块可研究不同射孔孔径大小、套管管材对射孔流动冲蚀的影响；
3、本发明实验装置可通过调换射孔块来调整射孔排布以及射孔的间距；
4、本发明实验装置可通过是否旋入旋塞模拟井下中段与井底两个部位的水力压裂套管射孔流动冲蚀情况；
5、本发明实验装置可通过更换柱状岩石块，测试射孔套管与裂缝入口之间的间隙对射孔孔眼冲蚀规律的影响以及裂缝形状和宽度对射孔孔眼冲蚀规律的影响；
6、本发明实验装置可拆卸的射孔块在实验结束后可直观观察射孔孔眼冲蚀形貌。
附图说明
图1为本发明装置示意图；
图2为本发明装置法兰管与射孔块拆装图；
图3为本发明装置射孔套管结构示意图；
图4为本发明装置柱状岩石块与射孔套管拆装图；
图5为本发明装置柱状岩石块为Y型裂缝的布局示意图
图6为本发明装置柱状岩石块为变径裂缝的布局示意图；
其中：1-压裂液箱；2-柱塞泵；3-流量计；4-注液阀门；5-混浆罐；6-混流泵；7-压力计；8-多相流量计；9-透明砂箱；10-螺杆泵；11-注砂阀门；12-冲蚀室；13-射孔套管；14-法兰管；15-射孔块卡槽；16-法兰；17-射孔；18-射孔块；19-接口；20-旋塞；21-柱状岩石块；22-裂缝；23-定位凹槽；24-孔眼；25-出口流量计；26-螺旋固液分离器；27-出口阀门；28-回液流量计。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。
如图1所示，一种模拟水力压裂套管射孔流动冲蚀的实验装置由注液系统、注砂系统、混砂系统、冲蚀系统以及分离回收系统五部分组成。注液系统由压裂液箱1、柱塞泵2、流量计3以及注液阀门4组成，通过管道依次连接压裂液箱1、柱塞泵2、流量计3以及注液阀门4，其中，管道开口端伸入压裂液箱1，并没入压裂液箱1的液面下方；混砂系统包括混浆罐5及混流泵6，混浆罐5与上游注液系统相连，混浆罐5内部安装有一根搅拌器，混浆罐5底部通过管道连接至混流泵6；冲蚀系统由压力计7、多相流量计8以及冲蚀室12组成，在混流泵6下游通过管道依次连接压力计7、多相流量计8以及冲蚀室12，冲蚀室12的漏斗底端与出口端分别连接有管道，且这两根管道由三通接头汇聚成一根管道，其中冲蚀室12的出口端管道在汇聚前安有一个出口流量计25；分离系统由螺旋固液分离器26、出口阀门27以及回液流量计28组成，其中螺旋固液分离器26通过管道连接在冲蚀系统三通交汇后的管道下游，螺旋固液分离器26的底部通过管道连接至压裂液箱1，且管道上设有回液流量计28，螺旋固液分离器26的出口端安设有出口阀门27；注砂系统包括透明砂箱9、螺杆泵10以及注砂阀门11，其中透明砂箱9上设有带阀门的漏斗，透明砂箱9与上游螺旋固液分离器26出口端的出口阀门27通过管道连接，透明砂箱9的底部由管道与螺杆泵10、注砂阀门11及混浆罐5顶部依次连接。
所述冲蚀室12内包含一块柱状岩石块21和一根射孔套管13，其中柱状岩石块21内包括孔眼24、定位凹槽23以及裂缝22。柱状岩石块21由两半对称的半圆柱体通过螺栓对接而成，柱状岩石块21中轴开设圆柱形的孔眼24，孔眼24直径大于射孔套管13直径，以使射孔套管13与裂缝22入口间留有间隙，间隙尺寸根据实验工况通过更换不同直径的柱状岩石块21来实现。柱状岩石块21孔眼24壁上开有定位凹槽23，定位凹槽23的宽度等于射孔套管13外壁定位环的宽度，射孔套管13外壁的定位环卡入定位凹槽23中限位。柱状岩石块21的裂缝22宽度和裂缝22形状根据实验工况通过更换柱状岩石块21进行调整，裂缝22形状包括Y形裂缝22、变径裂缝22等。
所述射孔套管13包括十节法兰管14、二十个射孔块18、一个接口19以及一个旋塞20。两节法兰管14、四个射孔块18组成一段射孔套管13，五段射孔套管13通过法兰管14上的定位环依次串接，串接后的射孔套管13段一端依次连接接口19以及旋塞20形成一整根射孔套管13。每节法兰管14的一端面周向均布四个射孔块卡槽15，每两个射孔块卡槽15间有一块凸出的法兰16，法兰管14的另一端面设有定位环，法兰管14上的射孔块卡槽15为半圆弧口，直径等于射孔块18外径，射孔块卡槽15呈台阶状，台阶的高度为法兰管14壁厚的1/2，且射孔块18的外弧面弧度等于法兰管14的外壁弧面弧度，射孔块18的内弧面弧度等于法兰管14的内壁弧面弧度，射孔块18的内径等于射孔17直径，射孔块18安装在射孔块卡槽15上，两节法兰管14上相对的射孔块卡槽15间安装一个射孔块18，两节法兰管14通过法兰16使用螺栓连接。射孔块18包括有孔射孔块18以及无孔射孔块18，根据实验工况安装，有孔射孔块18的中心开有射孔17，无孔射孔块18即为盲孔。定位环焊接在接口19和法兰管14的一侧端面，且定位环上周向均布四个环形定位孔，接口19上的环形定位孔与法兰管14上的环形定位孔使用螺栓连接，两节法兰管14之间没有射孔块卡槽15的一端面通过环形定位孔使用螺栓连接。接口19的内径等于旋塞20的外径，旋塞20根据实验工况旋入接口19或者不旋入接口19。
利用所述的模拟水力压裂套管射孔流动冲蚀的实验装置提供一种模拟水力压裂套管射孔流动冲蚀的实验方法，包括模拟井下中段与井底两个部位的水力压裂套管射孔流动冲蚀实验，其中模拟井下中段水力压裂套管射孔流动冲蚀的实验方法包括如下操作步骤：
步骤一：布置冲蚀模块及实验装置
射孔套管13底端不安装旋塞20，将射孔套管13嵌入柱状岩石块21，然后将柱状岩石块21用螺栓连接并布置于冲蚀室12内固定。关闭所有阀门、螺杆泵10、混流泵6及柱塞泵2。
步骤二：加砂
用筛网筛选出满足粒径范围的实验砂粒，测量砂粒总重量并记录。打开透明砂箱9漏斗的阀门，将筛选出来的砂粒通过透明砂箱9上方的漏斗加入透明砂箱9中，添加完成后关闭透明砂箱9的漏斗阀门。
步骤三：混砂
打开混浆罐5上游注液阀门4，开启柱塞泵2，将压裂液箱1中的压裂液泵入循环管道，记录混浆罐5上游流量计3的流量，然后打开混浆罐5上方的注砂阀门11，开启螺杆泵10，将透明砂箱9中的砂泵入混浆罐5中，与此同时，开启混浆罐5搅拌器。
步骤四：实验测试
打开螺旋固液分离器26出口阀门27，开启混流泵6将搅拌均匀的携砂液泵入冲蚀室12中，在此过程中，记录混流泵6开启对应的时刻、冲蚀室12入口的多相流量计8的流量以及压力计7的压力。部分携砂液通过射孔套管13的射孔17流入柱状岩石块21的裂缝22，然后流入冲蚀室12漏斗底部，最后流入螺旋固液分离器26中；其余携砂液穿过射孔套管13直接流入螺旋固液分离器26中，记录冲蚀室12出口处的出口流量计25的流量。螺旋固液分离器26对流入的携砂液进行固液分离，分离出来的压裂液流入压裂液箱1，砂粒流入透明砂箱9。压裂液箱1中的压裂液及透明砂箱9中的砂粒再次泵入混浆罐5中搅拌，实现循环流动。
实验结束时，关闭螺杆泵10、柱塞泵2以及混浆罐5搅拌器，当混浆罐5中无携砂液时关闭混流泵6，并记录混浆泵关闭对应的时刻，当螺旋固液分离器26分离结束后关闭所有阀门。
步骤五：实验结果分析
通过记录的冲蚀室12入口处多相流量计8的流量，计算携砂液累计的质量流量；通过记录的压裂液流量以及测量的砂粒总重量计算含砂量；通过记录的冲蚀室12两端流量计的流量，计算中间段套管携砂液流入裂缝22的流量；拆开射孔套管13，将每一个射孔块18取出并编号，对编好号的射孔块18进行称重，用混流泵6关闭的时刻减去开启的时刻得到冲蚀时长，从而计算每个射孔块18的冲蚀速率，并对编好号的射孔块18表面进行电镜扫描，获取每个射孔块18的表面冲蚀形貌。
利用所述的模拟水力压裂套管射孔流动冲蚀的实验装置提供一种模拟水力压裂套管射孔流动冲蚀的实验方法，包括模拟井下中段与井底两个部位的水力压裂套管射孔流动冲蚀实验，其中模拟井底水力压裂套管射孔流动冲蚀的实验方法包括如下操作步骤：
步骤一：布置冲蚀模块及实验装置
射孔套管13底端安装旋塞20，将射孔套管13嵌入柱状岩石块21，然后将柱状岩石块21用螺栓连接并布置于冲蚀室12内固定。关闭所有阀门、螺杆泵10、混流泵6及柱塞泵2。
步骤二：加砂
用筛网筛选出满足粒径范围的实验砂粒，测量砂粒总重量并记录。打开透明砂箱9漏斗的阀门，将筛选出来的砂粒通过透明砂箱9上方的漏斗加入透明砂箱9中，添加完成后关闭透明砂箱9的漏斗阀门。
步骤三：混砂
打开混浆罐5上游注液阀门4，开启柱塞泵2，将压裂液箱1中的压裂液泵入循环管道，记录混浆罐5上游流量计3的流量，然后打开混浆罐5上方的注砂阀门11，开启螺杆泵10，将透明砂箱9中的砂泵入混浆罐5中，与此同时，开启混浆罐5搅拌器。
步骤四：实验测试
打开螺旋固液分离器26出口阀门27，开启混流泵6将搅拌均匀的携砂液泵入冲蚀室12中，在此过程中，记录混流泵6开启对应的时刻、冲蚀室12入口的多相流量计8的流量以及压力计7的压力。携砂液通过射孔套管13的射孔17流入柱状岩石块21的裂缝22，然后流入冲蚀室12漏斗底部，最后流入螺旋固液分离器26中。螺旋固液分离器26对流入的携砂液进行固液分离，分离出来的压裂液流入压裂液箱1，砂粒流入透明砂箱9。压裂液箱1中的压裂液及透明砂箱9中的砂粒再次泵入混浆罐5中搅拌，实现循环流动。
实验结束时，关闭螺杆泵10、柱塞泵2以及混浆罐5搅拌器，当混浆罐5中无携砂液时关闭混流泵6，并记录混流泵6关闭对应的时刻，当螺旋固液分离器26分离结束后关闭所有阀门。
步骤五：实验结果分析
通过记录的冲蚀室12入口处多相流量计8的流量，计算携砂液累计的质量流量；通过记录的压裂液流量以及测量的砂粒总重量计算含砂量；拆开射孔套管13，将每一个射孔块18取出并编号，对编好号的射孔块18进行称重，用混流泵6关闭的时刻减去开启的时刻得到冲蚀时长，从而计算每个射孔块18的冲蚀速率，并对编好号的射孔块18表面进行电镜扫描，获取每个射孔块18的表面冲蚀形貌。
Claims (3)
1.一种模拟水力压裂套管射孔流动冲蚀的实验装置由注液系统、注砂系统、混砂系统、冲蚀系统以及分离回收系统五部分组成；注液系统由压裂液箱(1)、柱塞泵(2)、流量计(3)以及注液阀门(4)组成，通过管道依次连接压裂液箱(1)、柱塞泵(2)、流量计(3)以及注液阀门(4)，其中，管道开口端伸入压裂液箱(1)，并没入压裂液箱(1)的液面下方；混砂系统包括混浆罐(5)及混流泵(6)，混浆罐(5)与上游注液系统相连，混浆罐(5)内部安装有一根搅拌器，混浆罐(5)底部通过管道连接至混流泵(6)；冲蚀系统由压力计(7)、多相流量计(8)以及冲蚀室(12)组成，在混流泵(6)下游通过管道依次连接压力计(7)、多相流量计(8)以及冲蚀室(12)，冲蚀室(12)的漏斗底端与出口端分别连接有管道，且这两根管道由三通接头汇聚成一根管道，其中冲蚀室(12)的出口端管道在汇聚前安有一个出口流量计(25)；分离系统由螺旋固液分离器(26)、出口阀门(27)以及回液流量计(28)组成，其中螺旋固液分离器(26)通过管道连接在冲蚀系统三通交汇后的管道下游，螺旋固液分离器(26)的底部通过管道连接至压裂液箱(1)，且管道上设有回液流量计(28)，螺旋固液分离器(26)的出口端安设有出口阀门(27)；注砂系统包括透明砂箱(9)、螺杆泵(10)以及注砂阀门(11)，其中透明砂箱(9)上设有带阀门的漏斗，透明砂箱(9)与上游螺旋固液分离器(26)出口端的出口阀门(27)通过管道连接，透明砂箱(9)的底部由管道与螺杆泵(10)、注砂阀门(11)及混浆罐(5)顶部依次连接；其特征在于：所述冲蚀室(12)内包含一块柱状岩石块(21)和一根射孔套管(13)，其中柱状岩石块(21)内包括孔眼(24)、定位凹槽(23)以及裂缝(22)；柱状岩石块(21)由两半对称的半圆柱体通过螺栓对接而成，柱状岩石块(21)中轴开设圆柱形的孔眼(24)，孔眼(24)直径大于射孔套管(13)直径，以使射孔套管(13)与裂缝(22)入口间留有间隙，间隙尺寸根据实验工况通过更换不同直径的柱状岩石块(21)来实现；柱状岩石块(21)孔眼(24)壁上开有定位凹槽(23)，定位凹槽(23)的宽度等于射孔套管(13)外壁定位环的宽度，射孔套管(13)外壁的定位环卡入定位凹槽(23)中限位；柱状岩石块(21)的裂缝(22)宽度和裂缝(22)形状根据实验工况通过更换柱状岩石块(21)进行调整，裂缝(22)形状包括Y形裂缝(22)、变径裂缝(22)等；所述射孔套管(13)包括十节法兰管(14)、二十个射孔块(18)、一个接口(19)以及一个旋塞(20)；两节法兰管(14)、四个射孔块(18)组成一段射孔套管(13)，五段射孔套管(13)通过法兰管(14)上的定位环依次串接，串接后的射孔套管(13)段一端依次连接接口(19)以及旋塞(20)形成一整根射孔套管(13)；每节法兰管(14)的一端面周向均布四个射孔块卡槽(15)，每两个射孔块卡槽(15)间有一块凸出的法兰(16)，法兰管(14)的另一端面设有定位环，法兰管(14)上的射孔块卡槽(15)为半圆弧口，直径等于射孔块(18)外径，射孔块卡槽(15)呈台阶状，台阶的高度为法兰管(14)壁厚的1/2，且射孔块(18)的外弧面弧度等于法兰管(14)的外壁弧面弧度，射孔块(18)的内弧面弧度等于法兰管(14)的内壁弧面弧度，射孔块(18)的内径等于射孔(17)直径，射孔块(18)安装在射孔块卡槽(15)上，两节法兰管(14)上相对的射孔块卡槽(15)间安装一个射孔块(18)，两节法兰管(14)通过法兰(16)使用螺栓连接；射孔块(18)包括有孔射孔块(18)以及无孔射孔块(18)，根据实验工况安装，有孔射孔块(18)的中心开有射孔(17)，无孔射孔块(18)即为盲孔；定位环焊接在接口(19)和法兰管(14)的一侧端面，且定位环上周向均布四个环形定位孔，接口(19)上的环形定位孔与法兰管(14)上的环形定位孔使用螺栓连接，两节法兰管(14)之间没有射孔块卡槽(15)的一端面通过环形定位孔使用螺栓连接；接口(19)的内径等于旋塞(20)的外径，旋塞(20)根据实验工况旋入接口(19)或者不旋入接口(19)。
2.一种模拟井下中段水力压裂套管射孔流动冲蚀的实验方法，采用如权利要求1所述的模拟水力压裂套管射孔流动冲蚀的实验装置，包括如下操作步骤，其特征在于：步骤一，射孔套管(13)底端不安装旋塞(20)，将射孔套管(13)嵌入柱状岩石块(21)，然后将柱状岩石块(21)用螺栓连接并布置于冲蚀室(12)内固定；关闭所有阀门、螺杆泵(10)、混流泵(6)及柱塞泵(2)；步骤二，用筛网筛选出满足粒径范围的实验砂粒，测量砂粒总重量并记录；打开透明砂箱(9)漏斗的阀门，将筛选出来的砂粒通过透明砂箱(9)上方的漏斗加入透明砂箱(9)中，添加完成后关闭透明砂箱(9)的漏斗阀门；步骤三，打开混浆罐(5)上游注液阀门(4)，开启柱塞泵(2)，将压裂液箱(1)中的压裂液泵入循环管道，记录混浆罐(5)上游流量计(3)的流量，然后打开混浆罐(5)上方的注砂阀门(11)，开启螺杆泵(10)，将透明砂箱(9)中的砂泵入混浆罐(5)中，与此同时，开启混浆罐(5)搅拌器；步骤四，打开螺旋固液分离器(26)出口阀门(27)，开启混流泵(6)将搅拌均匀的携砂液泵入冲蚀室(12)中，在此过程中，记录混流泵(6)开启对应的时刻、冲蚀室(12)入口的多相流量计(8)的流量以及压力计(7)的压力；部分携砂液通过射孔套管(13)的射孔(17)流入柱状岩石块(21)的裂缝(22)，然后流入冲蚀室(12)漏斗底部，最后流入螺旋固液分离器(26)中；其余携砂液穿过射孔套管(13)直接流入螺旋固液分离器(26)中，记录冲蚀室(12)出口处的出口流量计(25)的流量；螺旋固液分离器(26)对流入的携砂液进行固液分离，分离出来的压裂液流入压裂液箱(1)，砂粒流入透明砂箱(9)；压裂液箱(1)中的压裂液及透明砂箱(9)中的砂粒再次泵入混浆罐(5)中搅拌，实现循环流动；实验结束时，关闭螺杆泵(10)、柱塞泵(2)以及混浆罐(5)搅拌器，当混浆罐(5)中无携砂液时关闭混流泵(6)，并记录混浆泵关闭对应的时刻，当螺旋固液分离器(26)分离结束后关闭所有阀门；步骤五，通过记录的冲蚀室(12)入口处多相流量计(8)的流量，计算携砂液累计的质量流量；通过记录的压裂液流量以及测量的砂粒总重量计算含砂量；通过记录的冲蚀室(12)两端流量计的流量，计算中间段套管携砂液流入裂缝(22)的流量；拆开射孔套管(13)，将每一个射孔块(18)取出并编号，对编好号的射孔块(18)进行称重，用混流泵(6)关闭的时刻减去开启的时刻得到冲蚀时长，从而计算每个射孔块(18)的冲蚀速率，并对编好号的射孔块(18)表面进行电镜扫描，获取每个射孔块(18)的表面冲蚀形貌。
3.一种模拟井底水力压裂套管射孔流动冲蚀的实验方法，采用如权利要求1所述的模拟水力压裂套管射孔流动冲蚀的实验装置，包括如下操作步骤，其特征在于：步骤一，射孔套管(13)底端安装旋塞(20)，将射孔套管(13)嵌入柱状岩石块(21)，然后将柱状岩石块(21)用螺栓连接并布置于冲蚀室(12)内固定；关闭所有阀门、螺杆泵(10)、混流泵(6)及柱塞泵(2)；步骤二，用筛网筛选出满足粒径范围的实验砂粒，测量砂粒总重量并记录；打开透明砂箱(9)漏斗的阀门，将筛选出来的砂粒通过透明砂箱(9)上方的漏斗加入透明砂箱(9)中，添加完成后关闭透明砂箱(9)的漏斗阀门；步骤三，打开混浆罐(5)上游注液阀门(4)，开启柱塞泵(2)，将压裂液箱(1)中的压裂液泵入循环管道，记录混浆罐(5)上游流量计(3)的流量，然后打开混浆罐(5)上方的注砂阀门(11)，开启螺杆泵(10)，将透明砂箱(9)中的砂泵入混浆罐(5)中，与此同时，开启混浆罐(5)搅拌器；步骤四，打开螺旋固液分离器(26)出口阀门(27)，开启混流泵(6)将搅拌均匀的携砂液泵入冲蚀室(12)中，在此过程中，记录混流泵(6)开启对应的时刻、冲蚀室(12)入口的多相流量计(8)的流量以及压力计(7)的压力；携砂液通过射孔套管(13)的射孔(17)流入柱状岩石块(21)的裂缝(22)，然后流入冲蚀室(12)漏斗底部，最后流入螺旋固液分离器(26)中；螺旋固液分离器(26)对流入的携砂液进行固液分离，分离出来的压裂液流入压裂液箱(1)，砂粒流入透明砂箱(9)；压裂液箱(1)中的压裂液及透明砂箱(9)中的砂粒再次泵入混浆罐(5)中搅拌，实现循环流动；实验结束时，关闭螺杆泵(10)、柱塞泵(2)以及混浆罐(5)搅拌器，当混浆罐(5)中无携砂液时关闭混流泵(6)，并记录混流泵(6)关闭对应的时刻，当螺旋固液分离器(26)分离结束后关闭所有阀门；步骤五，通过记录的冲蚀室(12)入口处多相流量计(8)的流量，计算携砂液累计的质量流量；通过记录的压裂液流量以及测量的砂粒总重量计算含砂量；拆开射孔套管(13)，将每一个射孔块(18)取出并编号，对编好号的射孔块(18)进行称重，用混流泵(6)关闭的时刻减去开启的时刻得到冲蚀时长，从而计算每个射孔块(18)的冲蚀速率，并对编好号的射孔块(18)表面进行电镜扫描，获取每个射孔块(18)的表面冲蚀形貌。
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| GR01 | Patent grant | ||
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