CN204177652U - 一种压裂液性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种压裂液性能测试装置，属于压裂液性能评价技术领域。该测试装置通过设置剪切模块对压裂液进行剪切，完成剪切的压裂液再进行后续的性能测试，从而使测试更加贴近实际压裂过程，大大提高测试的精度。测试的性能包括流变性能，摩阻性能和携砂性能，扩大了测试的范围；此外本实用新型的一种压裂液性能测试装置还能连续完成上述性能的测试，测试过程模拟了真实压裂过程，从而进一步提高了测试的精度。

Description

一种压裂液性能测试装置

技术领域

本实用新型涉及一种压裂液性能测试装置，属于压裂液性能评价技术领域。

背景技术

实验室压裂液流变性能，摩阻性能和携砂性能评价等是油田开发实验室最重要的基础分析项目和物理模拟，用于评价入井液对储层的流体性能，摩阻性能及压裂液携砂性能，其测试结果的准确性直接影响油田的开发效果。

实际压裂时，利用地面高压泵组将压裂液以大大超过地层吸收能力的排量注入井中。压裂液在流经井筒的过程中，筒壁对高速流体的约束的强弱不同，即距离筒壁越远其约束作用越弱，因此距离筒壁不同的流体之间的速度存在差异，流速快的流体有使流速慢的流体流速加快的趋势，同样流速慢的流体有使流速快的流体流速减慢的趋势，这种使流体沿相反方向的作用趋势，造成流速不同的流体之间的相互错动，称之为剪切。经过剪切之后的压裂液分子键发生断裂，导致压裂液粘度变小，这种变化将直接影响压裂液的流变性能，摩阻性能，以及使压裂液携砂性能减弱，进而对整个压裂施工过程及最终压裂效果产生很大的影响。然而，现有的装置在测试压裂液性能之前，却并没有对压裂液进行剪切，使得现有技术对流变性能，摩阻性能，以及压裂液携砂性能的测试结果不够准确。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种压裂液性能测试装置，该装置在对压裂液性能进行测试之前，首先对压裂液进行剪切，从而使测试更加贴近现实工况，测试结果更加准确。

为达到以上技术目的，本实用新型提供以下技术方案。

一种压裂液性能测试装置，所述测试装置包括：

具有预定长度的剪切回路和动力泵的剪切模块，所述剪切回路能对压裂液进行剪切，所述动力泵与所述剪切回路相连通，能为所述剪切回路内的压裂液提供流动动力；与所述剪切回路连通能调节所述经剪切后的压裂液温度的温度调节模块；与所述温度调节模块连通的性能测试模块，其用于对经剪切之后的压裂液进行性能测试。

如上所述的压裂液性能测试装置，所述剪切回路的预定长度的取值范围是600-3000in。

所述的剪切模块包括两个动力泵和两个剪切回路，所述的动力泵与剪切回路交叉串联；所述的剪切回路是旋绕的管线，所述的动力泵优选螺杆泵。

所述的性能测试模块能包括用于测试压裂液的流变性能，摩阻性能的管式流变装置和/或用于测试压裂液的携砂性能的缝式携砂模拟平行板；所述性能测试模块测试的性能包括流变性能，摩阻性能和携砂性能中之一或组合。

所述的缝式携砂模拟平行板入口端安装有自动压控旁路装置，用于控制进入缝式携砂模拟平行板的压裂液的压力；所述的缝式携砂模拟平行板上部安装有溢流管线，用于控制缝式携砂模拟平行板中的压裂液的液面高度。

所述测试装置还包括配液模块，所述配液模块包括两个并联的储液罐和一个交联剂泵，所述的储液罐上方均安装有搅拌器和体积定位器，在所述的两个并联的储液罐下方安装有空压机循环泵，空压机循环泵通过管道与储液罐入口相连，通过空压机循环泵泵入的恒压气体驱动压裂液在储液罐中循环流动。

优选地，所述测试装置包括：

配液模块，用于配置和存储压裂液；剪切模块，连接所述配液模块，所述剪切模块具有预定长度的剪切回路和动力泵，所述剪切回路能对压裂液进行剪切，所述动力泵与所述剪切回路相连通，能为所述剪切回路内的压裂液提供流动动力；加热装置，连接所述剪切模块，用于加热经剪切回路剪切后的压裂液；管式流变装置，连接所述加热装置，用于测试加热后压裂液的流变性能，摩阻性能；冷却装置，连接所述管式流变装置，用于冷却压裂液；缝式携砂模拟平行板，连接所述冷却装置，用于测试压裂液携砂性能。

与现有技术相比，本实用新型专利的有益效果在于：针对现有技术在对压裂液性能进行测试时，并未事先对压裂液进行剪切的不足，本实用新型提供了一种压裂液性能测试装置。该装置通过设置剪切模块对压裂液进行剪切，完成剪切的压裂液再进行后续的性能测试，使测试更加贴近现实工况，测试结果更加准确；

此外，完成剪切流变的压裂液，后续的测试性能可根据实际情况进行组合，大大扩展了本装置的测试范围。

再者，本实用新型的优选方案中，即完成剪切的压裂液经加热后进行流变性能，摩阻性能的测试，再经冷却后进行携砂性能的测试，不仅实现了压裂液性能的连续测试，而且这一测试过程反映了真实压裂过程，从而进一步提高了测试的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一个实施方式的一种压裂液性能测试装置的结构流程图；

图2为本实用新型一个实施方式的配液模块的结构示意图；

图3为图1中剪切模块的结构示意图；

图4为图1中管式流变装置的结构示意图；

图5为图1中缝式携砂评价平行板的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1。本实施方式的一种压裂液性能测试装置的结构流程图，所述测试装置包括：具有预定长度的剪切回路和动力泵的剪切模块20，所述剪切回路能对压裂液进行剪切，所述动力泵与所述剪切回路相连通，能为所述剪切回路内的压裂液提供流动动力；与所述剪切回路连通的温度调节模块70；与所述温度调节模块连通的性能测试模块80，其用于对经剪切之后的压裂液进行性能测试。

本实用新型提供的一种压裂液性能测试装置，通过设置剪切模块20对压裂液进行剪切之后再进行后续的性能测试，使测试更加贴近实际工况，大大提高了测试精度。

本实施方式的一种压裂液测试装置在油田开发实验室用于测试压裂液性能，测试结果可用于评价入井液对储层的流体性能，摩阻性能及压裂液携砂性能，进而对现场的生产实践起指导作用。

在进行压裂液性能测试之前，需按实验要求配置相应的压裂液，因此本实施方式的一种压裂液测试装置还包括配液模块，请参阅图2的配液模块10的结构示意图。该模块包括两个相同的并联的储液罐11和储液罐13，交联剂泵31，在储液罐11和储液罐13上方分别安装有体积定位器15和体积定位器17，搅拌器19和搅拌器21，根据预先设定的实验用水量，体积定位器15和体积定位器17能自动跟踪计量，既减少了工作人员观察液位的工作量，又能防止储液罐11和储液罐13中的液体溢出的现象。在储液罐11和储液罐13下方安装有空压机循环泵23，其通过循环管道与储液罐11和储液罐13入口端的搅拌器19和搅拌器21相连，关闭阀门25和阀门29，开启循环管路阀门27，通过空压机循环泵23泵入的恒压气体驱动压裂液在储液罐11和储液罐13及其循环管道中循环流动，并配合使用搅拌器19和搅拌器21，提高压裂液配置效率。

本实施方式中，通过设置两个并联的储液罐11和储液罐13及交联剂泵31，不仅可以配置冻胶类的高粘度压裂液，还可以配置线性胶、减阻水等非冻胶类的低粘度压裂液及各类携砂量不同的压裂液，以满足实验需求。具体操作如下：若只测试冻胶类的高粘度压裂液性能，关闭阀门27和阀门29，启动交联剂泵31，储液罐11或储液罐13中已配置好的压裂液在空压机循环泵23的驱动作用下，与交联剂泵31泵送的交联剂混合作用，形成冻胶携砂液，经出口35输出；若只测试线性胶、减阻水等非冻胶类的低粘度压裂液性能，关闭阀门27和交联剂泵31，开启阀门29，在空压机循环泵14的驱动作用下，储液罐11或储液罐13中已配置好的压裂液经出口33输出。

当然，本实用新型另一种实施方式可以没有配液模块10，需要测试的压裂液可通过其他方式获取，例如在其他装置或设备中已经配置好的待测压裂液，亦或是外购的压裂液，设置配液模块10是为了方便测试，实现压裂液的自给，其并不构成对本实用新型的限定。

配置或获取需要测试的压裂液后，即可将压裂液输送入剪切模块20中进行性能测试前的剪切。

请参阅图3的剪切模块20示意图。剪切模块20具有预定长度的剪切回路和动力泵。动力泵与剪切回路相连通，通过动力泵的泵送助力，为压裂液在剪切回路中流动提供动力。为了达到较好的剪切效果，剪切回路的预定长度的取值范围为600-3000 in。

在本实施方式中，为了提升对剪切回路内的压裂液的流动动力输入，剪切模块20可以包括两个动力泵，分别为动力泵41和动力泵45。为了使压裂液能够达到较佳的剪切效果，设置两个剪切回路，分别为剪切回路43和剪切回路47。为了稳定剪切回路中的压裂液流量，将其中一个动力泵设置在两个剪切回路之间，即实现两个动力泵和两个剪切回路交叉串联。

作为本实用新型的改进方案，助力泵41和助力泵45优选螺杆泵。螺杆泵是一种单螺杆式输运泵，它的主要工作部件是偏心螺旋体的螺杆(称转子)和内表面呈双线螺旋面的螺杆衬套(称定子)。其工作原理是当电动机带动泵轴转动时，螺杆一方面绕本身的轴线旋转，另一方面它又沿衬套内表面滚动，于是形成泵的密封腔室。螺杆每转一周，密封腔内的液体向前推进一个螺距，随着螺杆的连续转动，液体螺旋形方式从一个密封腔压向另一个密封腔，最后挤出泵体。螺杆泵具有出液连续均匀、压力稳定等优点，最适于吸排较为粘稠的液体，因此螺杆泵具有其他种类的助力泵无法比拟的泵送压裂液作用。由于单台螺杆泵尚不能完成泵送大携砂量的压裂液的任务，因此本实施方式采用了两台螺杆泵串联助力的方式，不仅大大提高压裂液的携砂性能(在本实施方式中，压裂液最大含砂量可以达到14ppg，最大含砂体积比可达80％)，扩展了压裂液的测试范围，而且为压裂液在后续的性能测试过程中提供充足的动力，保证测试的连续性。

剪切回路43和剪切回路47是内径为5/8in的管线，且为了达到较好的剪切效果，将剪切回路43和剪切回路47的管线制作成旋绕式的，其原理是剪切效果不仅与流体流动速率的大小有关，还与流体流动的方向有关，相对于在直管道中流动，流体在旋绕式的管线流动时，流动方向时时变化。从流体动力学的角度解释，流动方向变化的流体微团在各个方向的速度变化率不等，导致流体微团的旋转和剪切，加之因流体速率的差异造成的剪切，相同条件下，相对于等长的直管式剪切回路，旋绕式的剪切回路可达到更好的剪切效果。本实施方式中，剪切回路的旋绕管线长度为1752in，即可满足剪切需要。此外通过控制两台串联助力的螺杆泵的泵转速度，使压裂液在剪切回路43和剪切回路47中的最大剪切速率达1000s^-1，可进一步改善剪切效果。通过设置剪切回路43和剪切回路47对压裂液进行剪切，使后续的性能测试更加贴近实际生产过程，测试结果更加准确。

由于压裂液粘度较大，且其中有携砂，而为了使压裂液能够达到较理想的剪切效果，剪切回路43和剪切回路47的管线内径不可能很大。因此压裂液在剪切回路43和剪切回路47会中流动时有可能会阻塞，造成流动不畅，使得剪切回路43和剪切回路47中压裂液压力升高，当压力超过一定值，可能会使设备损坏。为此，本实施方式的一种压裂液性能测试装置在剪切回路43和剪切回路47入口处分别设置了压力传感器42和压力传感器44，即时记录剪切回路43和剪切回路47入口处的压力值，并将数据即时反馈给数据采集系统，一旦剪切回路43和剪切回路47入口处的压力值超过预设值，将自动停泵，以保护设备的安全。

完成剪切的压裂液即可进入性能测试模块80进行后续的性能测试，能测试的性能包括流变性能，摩阻性能及携砂性能，其中用于测试流变性能，摩阻性能的是管式流变装置40，用于测试携砂性能的是缝式携砂模拟平行板60。而在测试这些性能之前，为真实反映实际压裂过程，需对压裂液进行加热或冷却，因此本实施方式的一种压裂液性能测试装置在性能测试模块80之前设置了温度调节模块70，温度调节模块70包括加热装置30和冷却装置50，能根据测试需要，对压裂液进行加热或冷却，以匹配测试不同压裂液性能时需要的温度。

此外，本实用新型的一种压裂液性能测试装置测试的性能可以是流变性能，摩阻性能及携砂性能中的一种，也可以根据实际需求将其组合，以实现三个性能的连续测试。下面介绍的实施方式是对流变性能，摩阻性能及携砂性能的连续测试。

请参阅图4的管式流变装置40的结构示意图。在管式流变装置40之前设置一加热装置30，剪切之后的压裂液经入口51进入加热装置30。在进行性能测试之前，需对压裂液进行加热，其目的模拟地层温度。为了使加热效果更好，压裂液受热更加均匀，本实施方式采用油浴加热的方式，且鉴于硅油不易挥发，稳定性强的特点，优先选用硅油作为加热介质。本实施方式中，最高可模拟150℃的地层温度。

经加热装置30加热后的压裂液进入管式流变装置40，进行压裂液的流变性能，摩阻性能的测试，完成测试后的压裂液经输出接口63进入缝式携砂模拟平行板60进行携砂性能的测试。作为本申请的改进方案，管式流变装置40包括长度和外径相同、内径不同的三个管式流变仪57、59、61，三个管式流变仪串联，并且可根据实际情况进行更换，从而大大提高本测试装置的使用效率和测试范围。根据流量守恒定理可知，相同时间通过三个不同管式流变仪的流量是相等的，因此管线内径不同，其内部流体流速也不同(管径大的流速慢，管径小的流速快)，进而导致剪切速率的不同，因此可一次性测试三组不同剪切速率下的粘度、压差等数据，从而计算表征压裂液流变性能的流性指数n和稠度系数k，进而可得到压裂液摩阻值。当然管式流变仪的数量不限于三个，可根据实际需求进行调整。

请参阅图5的缝式携砂模拟平行板60结构示意图。在缝式携砂模拟平行板60之前设置一冷却装置50，压裂液从管式流变装置40经输出接口63输出，经输入接口65进入冷却装置50。在压裂液进入缝式携砂模拟平行板60进行携砂性能测试之前，对压裂液进行冷却是为了真实模拟压裂稳定之后的裂缝温度。

经冷却装置50冷却后的压裂液进入缝式携砂模拟平行板60，进行压裂液携砂性能的测试。缝式携砂模拟平行板60由两块聚碳酸酯板79平行放置组成，形成宽0-0.3 in，高0-8.5in的可调模拟缝隙，两块聚碳酸酯板尺寸可根据实际情况进行更换，从而大大提高本测试装置的使用效率和测试范围。两块聚碳酸酯板79形成的模拟裂缝包括三个射孔进口，五个返排出口，上部安装有一个溢流管线71，下部设计了自动压控旁路装置77，一旦平行板入口处压力高于设定的上限压力0.35MPa，自动压控旁路装置77会自动开启，压裂液经旁路流出，从而可防止压裂液过高损坏平行板；自动压控旁路装置77通过接口64连接空压机，通过空压机调节自动压控旁路装置77中的气体压力，从而达到气动控制自动压控旁路装置77开关的作用；在缝式携砂模拟平行板60前方放置一录像设备(图中未示出)，录像设备安装在平行板前方的支架上，可利用摄像三脚架自由选取最佳录制位置。在缝式携砂模拟平行板60返排出口处设置了一个废液池73，用于收集从缝式携砂模拟平行板60中返排和经自动压控旁路装置77及溢流管线71流出的压裂液。

模拟时，压裂液由三个射孔进口进入由两块聚碳酸酯板79平行放置形成的模拟裂缝，在经过模拟裂缝的过程中，由设置在缝式携砂模拟平行板60前方的录像设备完成压裂液的流动及铺置状态的录制，从而即时评价压裂液的携砂性能，完成测试后，由废液池73收集返排的压裂液。

简要介绍本实施方式在连续测试压裂液流变性能，摩阻性能和携砂性能的工作流程：

1、根据实验需求，配置压裂液；

2、压裂液经过剪切模块20进行剪切；

3、剪切之后的压裂液进入加热装置30，然后进入管式流变装置40，在模拟地层温度下，进行流变性能，摩阻性能的测试；

4、完成流变性能，摩阻性能测试的压裂液，经冷却装置50的冷却作用后进入缝式携砂模拟平行板60进行压裂携砂性能的测试。

本实用新型的一种压裂液性能测试装置的另一种实施方式是：经剪切模块20剪切后的压裂液，也可对流变性能，摩阻性能和携砂性能进行单独测试。由于使用管式流变装置40进行流变性能，摩阻性能的测试与前述没有区别，这里将不再赘述，需要特别说明的是单独进行携砂性能的测试。由于在使用缝式携砂模拟平行板60进行压裂液携砂性能的测试之前，需对压裂液温度进行控制以模拟压裂稳定后的裂缝温度。一般情况下，压裂稳定后的裂缝温度在30-150℃，仍高于常温。因此当仅需要使用缝式携砂模拟平行板60单独进行压裂液携砂性能测试时，应将前述的冷却装置50换成加热装置30，以满足真实模拟实际压裂过程的温度的需要。

本实用新型提供了一种压裂液性能测试装置通过设置剪切模块对压裂液进行剪切，完成剪切的压裂液再进行后续的性能测试，使测试更加贴近现场实际工况，测试结果更加准确；

此外，完成剪切流变的压裂液，后续的测试性能可根据实际情况进行组合，大大扩展了本装置的测试范围。

再者，本实用新型的优选方案中，即完成剪切的压裂液经加热后进行流变性能，摩阻性能的测试，再经冷却后进行携砂性能的测试，不仅实现了压裂液性能的连续测试，而且这一测试过程反映了真实压裂过程，从而进一步提高了测试的精度。

以上所述仅为本实用新型的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本实用新型实施例进行各种改动或变型而不脱离本实用新型的精神和范围。

Claims (10)

1.一种压裂液性能测试装置，其特征在于，所述测试装置包括：

具有预定长度的剪切回路和动力泵的剪切模块，所述剪切回路能对压裂液进行剪切，所述动力泵与所述剪切回路相连通，能为所述剪切回路内的压裂液提供流动动力；

与所述剪切回路连通能调节所述经剪切后的压裂液温度的温度调节模块；

与所述温度调节模块连通的性能测试模块，其用于对经剪切之后的压裂液进行性能测试。

2.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于：所述剪切回路的预定长度的取值范围是600-3000in。

3.如权利要求2所述的测试装置，其特征在于：所述的剪切模块包括两个动力泵和两个剪切回路，所述的动力泵与剪切回路交叉串联。

4.如权利要求2所述的测试装置，其特征在于：所述的剪切回路是旋绕的管线。

5.如权利要求2所述的测试装置，其特征在于：所述的动力泵是螺杆泵。

6.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于：所述的性能测试模块能包括用于测试压裂液的流变性能，摩阻性能的管式流变装置和/或用于测试压裂液的携砂性能的缝式携砂模拟平行板。

7.如权利要求6所述的测试装置，其特征在于：所述的缝式携砂模拟平行板入口端安装有自动压控旁路装置，用于控制进入缝式携砂模拟平行板的压裂液的压力。

8.如权利要求6所述的测试装置，其特征在于：所述的缝式携砂模拟平行板上部安装有溢流管线，用于控制缝式携砂模拟平行板中的压裂液的液面高度。

9.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于：所述测试装置还包括配液模块，所述配液模块包括两个并联的储液罐和一个交联剂泵，所述的储液罐上方均安装有搅拌器和体积定位器，在所述的两个并联的储液罐下方安装有空压机循环泵，空压机循环泵通过管道与储液罐入口相连，通过空压机循环泵泵入的恒压气体驱动压裂液在储液罐中循环流动。

10.一种压裂液性能测试装置，其特征在于，所述测试装置包括：

配液模块，用于配置和存储压裂液；

剪切模块，连接所述配液模块，所述剪切模块具有预定长度的剪切回路和动力泵，所述剪切回路能对压裂液进行剪切，所述动力泵与所述剪切回路相连通，能为所述剪切回路内的压裂液提供流动动力；

加热装置，连接所述剪切模块，用于加热经剪切回路剪切后的压裂液；

管式流变装置，连接所述加热装置，用于测试加热后压裂液的流变性能，摩阻性能；

冷却装置，连接所述管式流变装置，用于冷却压裂液；

缝式携砂模拟平行板，连接所述冷却装置，用于测试压裂液携砂性能。