CN116201518B - 一种模拟支撑剂注入-返排过程的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟支撑剂注入‑返排过程的实验装置及方法，所述实验装置包括循环系统、计量系统、循环管线一、循环管线二、进气管线、三通出气管线、压缩机；所述循环系统包括依次相连形成循环的配液系统、输入泵一、平板裂缝、分离系统、储液罐一、输入泵二；所述配液系统包括并联设置的混砂槽和配液罐；所述分离系统包括并联设置的固液分离器和气液固三相分离器；所述计量系统包括流量计一、流量计二、压力传感器一和压力传感器二。本发明能够模拟正向的输砂铺置、反向冲砂返排、反向气液同出，且能同时考虑输砂过程压裂液滤失，以及反向排放、产出过程中地层气多点进液气的工况，从而真实模拟水力压裂过程中及裂缝闭合后地层流动现象。

Description

一种模拟支撑剂注入-返排过程的实验装置及方法

技术领域

本发明涉及油气田开发技术领域，特别涉及一种模拟支撑剂注入-返排过程的实验装置及方法。

背景技术

非常规油气资源的勘探开发是目前油气田开发技术领域的重点，目前主要通过体积压裂技术对其进行经济有效开发。体积压裂技术基本特点为：大液量、大排量、低粘度、大砂量、小粒径、低砂比。正是因为采用了低粘度的滑溜水作为支撑剂的携带流体，体积压裂时支撑剂输送铺置规律与常规压裂技术有着完全不同的模式，其表现特征为支撑剂在近井地带堆积并形成高度较大的砂堤，砂堤达到平衡高度以后进一步向裂缝深部延伸。由于此时支撑剂在近井地带的大量堆积，压裂完成后压裂液返排及生产过程中，支撑剂会在返排压裂液和地层流体(油或天然气)的作用下被带出地层，进入井筒甚至流到地面。而支撑剂的返排会降低储层中裂缝的支撑面积，同时导致压裂材料的有效利用率变低。

因此，对支撑剂输送过程和返排过程开展模拟认识其规律至关重要。支撑剂在裂缝中的输送过程是典型的液固两相流，流动现象复杂；支撑剂的返排过程在天然气的参与下是气液固三相流，流动过程更为复杂。目前采用的模拟实验装置及方法存在无法模拟非常规条件下支撑剂铺置形态、支撑剂的铺置形态需要预置无法反应支撑剂输送堆积并进一步返排的真实过程、工程条件与实际工况不同等缺点，因此，亟需一种能够在气液固多相条件下模拟支撑剂注入-返排过程的实验装置及方法。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种模拟支撑剂注入-返排过程的实验装置及方法。

本发明的技术方案如下：

一方面，提供一种模拟支撑剂注入-返排过程的实验装置，包括循环系统、计量系统、循环管线一、循环管线二、进气管线、三通出气管线、压缩机；

所述循环系统包括依次相连形成循环的配液系统、输入泵一、平板裂缝、分离系统、储液罐一、输入泵二；所述配液系统包括并联设置的混砂槽和配液罐，所述混砂槽内设有搅拌装置一，所述配液罐内设有搅拌装置二，所述混砂槽通过输入泵三与储砂罐相连；所述分离系统包括并联设置的固液分离器和气液固三相分离器；

所述计量系统包括设置在所述输入泵一与所述平板裂缝相连管线上的流量计一、设置在所述平板裂缝与所述分离系统相连管线上的流量计二以及分别设置在所述平板裂缝左右两端的压力传感器一和压力传感器二；

所述混砂槽和所述配液罐与所述输入泵一相连的管线上分别设有阀门一和阀门二；所述流量计一与所述平板裂缝相连的管线上设有阀门三；所述平板裂缝与所述分离系统相连的管线上设有阀门四；所述固液分离器的输入端和输出端分别设有阀门五和阀门六，所述气液固三相分离器的输入端和输出端分别设有阀门七和阀门八；所述储液罐一与所述输入泵二相连的管线上设有阀门九；所述输入泵二与所述混砂槽和所述配液罐相连的管线上分别设有阀门十和阀门十一；

所述循环管线一的一端与所述流量计一和所述阀门三之间的管线相连，所述循环管线一的另一端与所述平板裂缝和所述阀门四之间的管线相连，所述循环管线一上设有阀门十二；

所述循环管线二的一端与所述阀门三和所述平板裂缝之间的管线相连，所述循环管线二的另一端与所述阀门四和所述流量计二之间的管线相连，所述循环管线二上设有阀门十三；

所述压缩机的输入端与所述进气管线相连，所述进气管线上设有阀门十四；所述压缩机的输出端与所述三通出气管线相连，所述三通出气管线的其中一个输出端与所述平板裂缝相连，且相连的管线上设有阀门十五，所述三通出气管线的另一个输出端与所述阀门十二和所述平板裂缝之间的循环管线一相连，且相连的管线上设有阀门十六。

作为优选，所述平板裂缝上设有排水口，所述排水口的输出端通过排水管线与储液罐二相连，所述排水管线上设有阀门十七。

作为优选，所述排水口的输入端设有滤网。

作为优选，所述排水口设置多个，且多个所述排水口均匀分布在所述平板裂缝的正反面上。

作为优选，所述阀门十五所在的管线的输出端与所述排水管线相连。

作为优选，所述输入泵一和所述输入泵二均采用离心泵，所述输入泵三采用螺杆泵；所述阀门十五和所述阀门十六均采用单向阀，其余阀门均采用电动调节阀；所述流量计一和所述流量计二均采用涡轮流量计。

作为优选，所述平板裂缝采用可视化透明玻璃制成。

作为优选，还包括计算机，所述计算机分别与所述输入泵一、输入泵二、输入泵三、流量计一、流量计二、压力传感器一和压力传感器二相连。

另一方面，还提供一种模拟支撑剂注入-返排过程的实验方法，采用上述任意一项所述的模拟支撑剂注入-返排过程的实验装置进行实验，所述实验方法包括以下步骤：

S1：打开搅拌装置一和搅拌装置二，在所述混砂槽和所述配液罐中添加示踪剂，配置滑溜水压裂液；

S2：打开阀门一、输入泵一、阀门三、阀门四、阀门五、阀门六、阀门九、输入泵二、阀门十，使混砂槽内的压裂液进行循环，在循环过程中通过控制所述输入泵二使所述混砂槽内的液面保持恒定；

S3：打开输入泵三，使储砂罐内的砂体均匀进入所述混砂槽内，模拟压裂液-支撑剂混砂注入过程；

S4：当所述平板裂缝内的支撑剂铺置达到平衡高度时，关闭所有阀门和所有输入泵；

S5：打开阀门二、阀门十二、阀门十三、阀门五、阀门六、阀门九、阀门十一，再打开输入泵一和输入泵二，使压裂液在返排过程中循环，在循环过程中通过控制所述输入泵二使所述配液罐内的液面保持恒定，模拟压裂液反向排放冲刷过程；

S6：当所述平板裂缝内的支撑剂达到平衡状态时，打开阀门七和阀门八，关闭阀门五和阀门六，使压裂液进入产出过程；

S7：打开阀门十四、阀门十五、阀门十六，启动压缩机，使气体进入循环，通过控制压缩机调节平板裂缝的进气量，进行产出气测试；

S8：获取各步骤中流量计一、流量计二、压力传感器一、压力传感器二的数据，结合各步骤的时间研究支撑剂注入-返排过程的机理。

作为优选，当所述平板裂缝上设有排水口，所述排水口的输出端通过排水管线与储液罐二相连，所述排水管线上设有阀门十七时：步骤S2和步骤S5中，还包括打开所述阀门十七的步骤，模拟滤失条件下支撑剂注入-返排过程。

本发明的有益效果是：

本发明能够模拟气液固多相条件下支撑剂注入-返排过程，包括正向的输砂铺置、反向冲砂返排、反向气液同出，且能同时考虑输砂过程压裂液滤失，以及反向排放、产出过程中地层气多点进液气的工况，从而真实模拟水力压裂过程中及裂缝闭合后地层流动现象。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明模拟支撑剂注入-返排过程的实验装置及方法的结构示意图。

图中标号：1-储砂罐、2-输入泵三、3-搅拌装置一、4-混砂槽、5-输入泵一、6-流量计一、7-平板裂缝、8-流量计二、9-固液分离器、10-气液固三相分离器、11-储液罐一、12-输入泵二、13-配液罐、14-储液罐二、15-压缩机、16-压力传感器一、17-压力传感器二、18-阀门一、19-阀门二、20-阀门三、21-阀门十七、22-阀门四、23-阀门五、24-阀门七、25-阀门六、26-阀门八、27-阀门九、28-阀门十、29-阀门十一、30-阀门十二、31-阀门十三、32-阀门十四、33-阀门十五、34-阀门十六、35-搅拌装置二。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本发明公开使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语；使用的术语中“上”、“下”、“左”、“右”等通常是针对附图所示的方向而言，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言；同样地，为便于理解和描述，“内”、“外”等是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。但上述方位词并不用于限制本发明。

一方面，如图1所示，本发明提供一种模拟支撑剂注入-返排过程的实验装置，包括循环系统、计量系统、循环管线一、循环管线二、进气管线、三通出气管线、压缩机15；

所述循环系统包括依次相连形成循环的配液系统、输入泵一5、平板裂缝7、分离系统、储液罐一11、输入泵二12；所述配液系统包括并联设置的混砂槽4和配液罐13，所述混砂槽4内设有搅拌装置一3，所述配液罐13内设有搅拌装置二35，所述混砂槽4通过输入泵三2与储砂罐1相连；所述分离系统包括并联设置的固液分离器9和气液固三相分离器10；

所述计量系统包括设置在所述输入泵一5与所述平板裂缝7相连管线上的流量计一6、设置在所述平板裂缝7与所述分离系统相连管线上的流量计二8以及分别设置在所述平板裂缝7左右两端的压力传感器一16和压力传感器二17；

所述混砂槽4和所述配液罐13与所述输入泵一5相连的管线上分别设有阀门一18和阀门二19；所述流量计一5与所述平板裂缝7相连的管线上设有阀门三20；所述平板裂缝7与所述分离系统相连的管线上设有阀门四22；所述固液分离器9的输入端和输出端分别设有阀门五23和阀门六25，所述气液固三相分离器10的输入端和输出端分别设有阀门七24和阀门八26；所述储液罐一11与所述输入泵二12相连的管线上设有阀门九27；所述输入泵二12与所述混砂槽4和所述配液罐13相连的管线上分别设有阀门十28和阀门十一29；

所述循环管线一的一端与所述流量计一6和所述阀门三20之间的管线相连，所述循环管线一的另一端与所述平板裂缝7和所述阀门四22之间的管线相连，所述循环管线一上设有阀门十二30；

所述循环管线二的一端与所述阀门三20和所述平板裂缝7之间的管线相连，所述循环管线二的另一端与所述阀门四22和所述流量计二8之间的管线相连，所述循环管线二上设有阀门十三31；

所述压缩机15的输入端与所述进气管线相连，所述进气管线上设有阀门十四32；所述压缩机15的输出端与所述三通出气管线相连，所述三通出气管线的其中一个输出端与所述平板裂缝7相连，且相连的管线上设有阀门十五33，所述三通出气管线的另一个输出端与所述阀门十二30和所述平板裂缝7之间的循环管线一相连，且相连的管线上设有阀门十六34。

本发明通过所述循环系统能够模拟支撑剂的铺置情况；通过所述循环管线一和所述循环管线二，能够模拟压裂液返排冲刷过程；结合所述压缩机，能够模拟压裂采出时气液同出的过程。

在一个具体的实施例中，所述平板裂缝7上设有排水口，所述排水口的输出端通过排水管线与储液罐二14相连，所述排水管线上设有阀门十七21。可选地，所述排水口的输入端设有滤网；所述滤网采用不锈钢制成。可选地，所述排水口设置多个，且多个所述排水口均匀分布在所述平板裂缝7的正反面上。可选地，所述阀门十五33所在的管线的输出端与所述排水管线相连。

在上述实施例中，通过设置排水口，能够考虑输砂过程压裂液滤失的情况，使模拟的结果更符合实际工况。通过设置滤网，能够防止支撑剂大量滤失，可选地，所述滤网的孔径小于所述支撑剂的粒径。

在一个具体的实施例中，所述输入泵一5和所述输入泵二12均采用离心泵，所述输入泵三2采用螺杆泵；所述阀门十五33和所述阀门十六34均采用单向阀，其余阀门均采用电动调节阀；所述流量计一6和所述流量计二8均采用涡轮流量计；所述平板裂缝7采用可视化透明玻璃制成，其长度为4000mm，宽度为2-10mm可调节，高度为300mm。

在一个具体的实施例中，所述实验装置还包括计算机，所述计算机分别与所述输入泵一5、输入泵二12、输入泵三2、流量计一6、流量计二8、压力传感器一16和压力传感器二17相连。在本实施例中，通过计算机能够使模拟过程更加智能化。

另一方面，本发明还提供一种模拟支撑剂注入-返排过程的实验方法，采用上述任意一项所述的模拟支撑剂注入-返排过程的实验装置进行实验，所述实验方法包括以下步骤：

S1：打开搅拌装置一3和搅拌装置二35，在所述混砂槽4和所述配液罐13中添加示踪剂，配置滑溜水压裂液；

S2：打开阀门一18、输入泵一5、阀门三20、阀门四22、阀门五23、阀门六25、阀门九27、输入泵二12、阀门十28，使混砂槽4内的压裂液进行循环，在循环过程中通过控制所述输入泵二12使所述混砂槽4内的液面保持恒定；

S3：打开输入泵三2，使储砂罐1内的砂体均匀进入所述混砂槽4内，模拟压裂液-支撑剂混砂注入过程；

S4：当所述平板裂缝7内的支撑剂铺置达到平衡高度时，关闭所有阀门和所有输入泵；

S5：打开阀门二19、阀门十二30、阀门十三31、阀门五23、阀门六25、阀门九27、阀门十一29，再打开输入泵一5和输入泵二12，使压裂液在返排过程中循环，在循环过程中通过控制所述输入泵二12使所述配液罐13内的液面保持恒定，模拟压裂液反向排放冲刷过程；

S6：当所述平板裂缝7内的支撑剂达到平衡状态时，打开阀门七24和阀门八26，关闭阀门五23和阀门六25，使压裂液进入产出过程；

S7：打开阀门十四32、阀门十五33、阀门十六34，启动压缩机15，使气体进入循环，通过控制压缩机15调节平板裂缝7的进气量，进行产出气测试；

S8：获取各步骤中流量计一6、流量计二8、压力传感器一16、压力传感器二17的数据，结合各步骤的时间研究支撑剂注入-返排过程的机理。

需要说明的是，支撑剂铺置达到平衡高度是指支撑剂铺置的量不再随循环增加，支撑剂达到平衡状态是指支撑剂的量不再随循环减少。

在一个具体的实施例中，当所述平板裂缝7上设有排水口，所述排水口的输出端通过排水管线与储液罐二14相连，所述排水管线上设有阀门十七21时：步骤S2和步骤S5中，还包括打开所述阀门十七21的步骤，模拟滤失条件下支撑剂注入-返排过程。

需要说明的是，上述实施例是将支撑剂注入和返排过程都进行了模拟，且以模拟气液固多相条件下气液同出的产气过程为结束，本发明所述实验装置也可只进行支撑剂铺置测试或仅模拟压裂液返向排放冲刷过程。

当只进行支撑剂铺置测试时，执行到步骤S4即可，然后记录模拟过程中的压力、时间、流量以及其他实验所需要的数据，通过模拟过程中的支撑剂铺置高度，沉降剖面角度等信息来分析压裂泵注过程中支撑剂铺置情况。

当模拟压裂液反向排放冲刷过程时，执行步骤S1-S5，当平板裂缝7内的支撑剂砂体经过压裂液反向排放冲刷达到平衡状态后，关闭所有输入泵和所有阀门，记录模拟过程中的压力、时间、流量以及其他实验所需要的数据，研究压裂液反向排放冲刷机理。

综上所述，本发明能够模拟更真实的压裂现场，获得更符合实际工况的支撑剂注入-返排过程模拟结果。与现有技术相比，本发明具有显著的进步。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种模拟支撑剂注入-返排过程的实验装置，其特征在于，包括循环系统、计量系统、循环管线一、循环管线二、进气管线、三通出气管线、压缩机；

所述循环系统包括依次相连形成循环的配液系统、输入泵一、平板裂缝、分离系统、储液罐一、输入泵二；所述配液系统包括并联设置的混砂槽和配液罐，所述混砂槽内设有搅拌装置一，所述配液罐内设有搅拌装置二，所述混砂槽通过输入泵三与储砂罐相连；所述分离系统包括并联设置的固液分离器和气液固三相分离器；

所述计量系统包括设置在所述输入泵一与所述平板裂缝相连管线上的流量计一、设置在所述平板裂缝与所述分离系统相连管线上的流量计二以及分别设置在所述平板裂缝左右两端的压力传感器一和压力传感器二；

所述混砂槽和所述配液罐与所述输入泵一相连的管线上分别设有阀门一和阀门二；所述流量计一与所述平板裂缝相连的管线上设有阀门三；所述平板裂缝与所述分离系统相连的管线上设有阀门四；所述固液分离器的输入端和输出端分别设有阀门五和阀门六，所述气液固三相分离器的输入端和输出端分别设有阀门七和阀门八；所述储液罐一与所述输入泵二相连的管线上设有阀门九；所述输入泵二与所述混砂槽和所述配液罐相连的管线上分别设有阀门十和阀门十一；

所述循环管线一的一端与所述流量计一和所述阀门三之间的管线相连，所述循环管线一的另一端与所述平板裂缝和所述阀门四之间的管线相连，所述循环管线一上设有阀门十二；

所述循环管线二的一端与所述阀门三和所述平板裂缝之间的管线相连，所述循环管线二的另一端与所述阀门四和所述流量计二之间的管线相连，所述循环管线二上设有阀门十三；

所述压缩机的输入端与所述进气管线相连，所述进气管线上设有阀门十四；所述压缩机的输出端与所述三通出气管线相连，所述三通出气管线的其中一个输出端与所述平板裂缝相连，且相连的管线上设有阀门十五，所述三通出气管线的另一个输出端与所述阀门十二和所述平板裂缝之间的循环管线一相连，且相连的管线上设有阀门十六。

2.根据权利要求1所述的模拟支撑剂注入-返排过程的实验装置，其特征在于，所述平板裂缝上设有排水口，所述排水口的输出端通过排水管线与储液罐二相连，所述排水管线上设有阀门十七。

3.根据权利要求2所述的模拟支撑剂注入-返排过程的实验装置，其特征在于，所述排水口的输入端设有滤网。

4.根据权利要求2所述的模拟支撑剂注入-返排过程的实验装置，其特征在于，所述排水口设置多个，且多个所述排水口均匀分布在所述平板裂缝的正反面上。

5.根据权利要求2所述的模拟支撑剂注入-返排过程的实验装置，其特征在于，所述阀门十五所在的管线的输出端与所述排水管线相连。

6.根据权利要求1所述的模拟支撑剂注入-返排过程的实验装置，其特征在于，所述输入泵一和所述输入泵二均采用离心泵，所述输入泵三采用螺杆泵；所述阀门十五和所述阀门十六均采用单向阀，其余阀门均采用电动调节阀；所述流量计一和所述流量计二均采用涡轮流量计。

7.根据权利要求1所述的模拟支撑剂注入-返排过程的实验装置，其特征在于，所述平板裂缝采用可视化透明玻璃制成。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的模拟支撑剂注入-返排过程的实验装置，其特征在于，还包括计算机，所述计算机分别与所述输入泵一、输入泵二、输入泵三、流量计一、流量计二、压力传感器一和压力传感器二相连。

9.一种模拟支撑剂注入-返排过程的实验方法，其特征在于，采用权利要求1-8中任意一项所述的模拟支撑剂注入-返排过程的实验装置进行实验，所述实验方法包括以下步骤：

S1：打开搅拌装置一和搅拌装置二，在所述混砂槽和所述配液罐中添加示踪剂，配置滑溜水压裂液；

S2：打开阀门一、输入泵一、阀门三、阀门四、阀门五、阀门六、阀门九、输入泵二、阀门十，使混砂槽内的压裂液进行循环，在循环过程中通过控制所述输入泵二使所述混砂槽内的液面保持恒定；

S3：打开输入泵三，使储砂罐内的砂体均匀进入所述混砂槽内，模拟压裂液-支撑剂混砂注入过程；

S4：当所述平板裂缝内的支撑剂铺置达到平衡高度时，关闭所有阀门和所有输入泵；

S5：打开阀门二、阀门十二、阀门十三、阀门五、阀门六、阀门九、阀门十一，再打开输入泵一和输入泵二，使压裂液在返排过程中循环，在循环过程中通过控制所述输入泵二使所述配液罐内的液面保持恒定，模拟压裂液反向排放冲刷过程；

S6：当所述平板裂缝内的支撑剂达到平衡状态时，打开阀门七和阀门八，关闭阀门五和阀门六，使压裂液进入产出过程；

S7：打开阀门十四、阀门十五、阀门十六，启动压缩机，使气体进入循环，通过控制压缩机调节平板裂缝的进气量，进行产出气测试；

S8：获取各步骤中流量计一、流量计二、压力传感器一、压力传感器二的数据，结合各步骤的时间研究支撑剂注入-返排过程的机理。

10.根据权利要求9所述的模拟支撑剂注入-返排过程的实验方法，其特征在于，当所述平板裂缝上设有排水口，所述排水口的输出端通过排水管线与储液罐二相连，所述排水管线上设有阀门十七时：步骤S2和步骤S5中，还包括打开所述阀门十七的步骤，模拟滤失条件下支撑剂注入-返排过程。