CN205135590U - 一种脉冲加砂压裂中间顶替液的泵注装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种脉冲加砂压裂中间顶替液的泵注装置，包括中间顶替液泵机组、混砂车泵机组、储液罐、电脑控制系统、模拟井筒和可视平板裂缝装置，混砂车泵机组与中间顶替液泵机组的出口共同接入模拟井筒，混砂车泵机组与中间顶替液泵机组的入口分别与储液罐相连，模拟井筒与可视平板裂缝装置连接，电脑控制系统分别与混砂车泵机组、中间顶替液泵机组连接；通过电脑控制系统实现携砂液和中间顶替液脉冲式交替泵入，最终达到形成一定的支撑剂段塞以保证裂缝的导流能力。通过可视平板裂缝装置从外部观察支撑剂段塞的形成和分布，缝宽可调节并且能够提供闭合压力，可以观察支撑剂段塞在不同闭合压力下的形态以及稳定性，实验效率高。

Description

一种脉冲加砂压裂中间顶替液的泵注装置

技术领域

本实用新型涉及一种脉冲加砂压裂中间顶替液的泵注装置，属于油气田开发研究技术领域。

背景技术

脉冲加砂压裂，是在加砂压裂过程中，通过专用混砂车脉冲式泵入一段支撑剂，再脉冲式泵入一段纯液体，进行反复交替循环加砂压裂。支撑剂脉冲时间与纯液体脉冲时间之和为一个脉冲周期。

脉冲加砂压裂前置液注入与常规压裂工艺一致，主要区别在于携砂液阶段支撑剂以脉冲段塞形式注入，一段支撑剂、一段中间顶替液交替进行，支撑剂浓度逐级升高。前置液阶段可以泵注冻胶液或者滑溜水，携砂液阶段采用冻胶混合纤维注入，确保获得稳定的支撑剂段塞，中间顶替液多采用滑溜水或者一定浓度的胍胶压裂液。在施工末期，需要尾追一个连续支撑剂段塞，使缝口位置有稳定而均匀的支撑剂充填层。段塞式泵注工艺有利于在裂缝中形成“通道”，中间顶替液把前一段支撑剂推入地层，形成一段支撑剂“支柱带”，由于中间顶替液的交替式注入，使支撑剂段塞达到隔离的状态，使各“支柱”间留有一定空间的支撑剂真空带，液体破胶返排后便形成众多的通道网络。

目前，对于脉冲加砂压裂脉冲式注入所形成理想的支撑剂团，多是进行定性的描述，不存在关于中间顶替液的泵入研究。2014年，吴顺林等人在《一种实现裂缝高导流能力的脉冲加砂压裂新方法》中提出一种实现裂缝高导流能力的脉冲加砂压裂新方法，并验证了不均匀充填层与均匀充填层的导流能力的关系，同时对支撑剂段塞的稳定性和完整性等进行过探索，但是也没有就中间顶替液对不均匀充填层的影响和中间顶替液的泵入过程进行充分的探究。国内专利文件“用于水力压裂模拟实验的流体交替连续泵入装置”(CN203515536U)中提出了泵入两种实验流体的实验装置，采用的是两个高压容器罐交替注入，不能按照要求以既定的程序调节携砂液的砂比以及添加其他添加剂。另外在其末尾只设计了井口装置，没有设计支撑剂段塞的可视装置，也不能达到液体的有效循环利用。国内专利文件“用于水力压裂模拟实验的携砂流体泵注装置”(CN204371292U)设计了一种携砂液的泵注模拟装置，但是不能使中间顶替液与携砂液的交替注入，也不能形成相应的支撑剂段塞，无法优选出适合的液体流量、泵注时间以及携砂液浓度。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种脉冲加砂压裂中间顶替液的泵注装置，该装置对混砂车、储液罐以及外部压裂泵车机组等其他压裂设备无缝嵌入式连接，通过此装置的控制实现支撑剂段塞和中间顶替液的脉冲式注入，并基于可视化平板对支撑剂段塞进行清晰地记录和分析。

本实用新型的技术方案如下：

一种脉冲加砂压裂中间顶替液泵注装置，包括中间顶替液泵机组、混砂车泵机组、储液罐、电脑控制系统、模拟井筒和可视平板裂缝装置，混砂车泵机组与中间顶替液泵机组的出口共同接入模拟井筒，混砂车泵机组与中间顶替液泵机组的入口分别与储液罐相连，模拟井筒与可视平板裂缝装置连接，电脑控制系统分别与混砂车泵机组、中间顶替液泵机组连接；所述的混砂车泵机组用以泵入压裂用的携砂液，所述中间顶替液泵机组用以泵入压裂用的中间顶替液，所述储液罐用以盛装压裂用的压裂液基液，所述的可视平板裂缝装置用以从外部观察支撑剂段塞的形成和分布，所述电脑控制系统用以控制混砂车泵机组和中间顶替液泵机组进行间隔交替泵入。不同于目前现场加砂用一根管线的情况，本实用新型的技术方案使用两部泵机组交替泵入液体以实现支撑剂段塞的形成，最后在支撑剂段塞之间形成无支撑剂填充的高导流通道。

根据本实用新型优选的，混砂车泵机组包括加砂口、输入管汇、输出管汇、加砂装置、纤维添加装置和混砂部分，加砂装置包括加砂池和螺杆输送装置，加砂方式为螺旋加砂。在加砂池中填砂并通过螺杆输送装置将支撑剂输送至加砂口，通过控制螺杆的旋转速度对加砂速度进行控制调节，加入混砂车泵机组中的支撑剂、纤维和压裂液基液充分混合形成携砂液。

进一步优选的，混砂车泵机组混砂部分的容积为200～300L，加砂速度为0～10L/min。

根据本实用新型优选的，模拟井筒包括外壳和内套，外壳在纵向上设有一条间隙，间隙与可视平板裂缝装置连接；内套与外壳旋转连接，内套管壁上沿周向分布有至少1列射孔，每一列射孔的射孔数目各不相同。将模拟井筒设为双层构造，可以通过旋转内套，选择需要的射孔数目，使具有特定射孔数目的这一列射孔与外壳的间隙对齐，即与可视平板裂缝装置联通，来参与模拟井筒下的压裂射孔情况，此时其他列的射孔则不能与可视平板裂缝联通。

进一步优选的，所述内套管壁上沿周向分布有5列射孔，5列射孔的射孔数目分别为6孔、7孔、8孔、9孔、10孔。

进一步优选的，模拟井筒的高度为1.2～1.5m，内套内径为80mm～150mm。

进一步优选的，所述脉冲加砂压裂中间顶替液泵注装置还包括收集管汇，收集管汇与可视平板裂缝装置相连，收集管汇通过管汇与储液罐相连。可视平板裂缝装置的多余液体通过收集管汇进行回收，重新返回到储液罐中。

进一步优选的，所述收集管汇与储液罐之间设有滤筛装置和输送泵。输送泵有助于将回收的液体充分输送回储液罐中；增加滤筛装置，以防止回收的携砂液中的支撑剂流入储液罐。

根据本实用新型优选的，所述混砂车泵机组、中间顶替液泵机组接入模拟井筒的一端均设有单向阀。以防止混砂车泵机组与中间顶替液泵机组之间相互倒灌。

根据本实用新型优选的，所述混砂车泵机组、中间顶替液泵机组接入模拟井筒的一端均设有电磁流量计。以精准便捷记录混砂车泵机组、中间顶替液泵机组的泵送流量。

根据本实用新型优选的，储液罐的容积为400～500L，储液罐上端设有搅拌器。搅拌器能使胍胶与水能充分混合，避免鱼眼的产生，以配制较好的压裂液基液。

根据本实用新型优选的，可视平板裂缝装置为可调节缝宽的裂缝装置，包括加压装置，加压装置用以提供闭合压力。通过可视平板裂缝装置可以观察支撑剂段塞在不同闭合压力下的形态以及稳定性。

进一步优选的，缝宽调节范围为2mm～10mm，可视平板裂缝装置的高度为1.2～1.5m，可视平板裂缝装置的长度为2～4m，可视平板裂缝装置表面材质为透明有机玻璃。

根据本实用新型优选的，所述电脑控制系统分别与混砂车泵机组、中间顶替液泵机组各自内部的泵送时间装置、管汇开关相连，电脑控制系统用以控制混砂车泵机组和中间顶替液泵机组进行间隔交替泵入，控制参数包括脉冲时间、脉冲频率、混砂车泵机组与中间顶替液泵机组各自的泵送流量，所述脉冲时间为一个脉冲周期，所述一个脉冲周期为携砂液的泵入时间与中间顶替液的泵入时间之和，所述脉冲频率为脉冲时间的倒数。

进一步优选的，所述混砂车泵机组与中间顶替液泵机组的泵送流量均≤60L/min。

利用如上述所述脉冲加砂压裂中间顶替液泵注装置进行实验操作时，包括步骤如下：

(1)连接泵注装置，检测整个装置的密封性；

(2)在储液罐中，按照要求配置胍胶压裂液基液，并使用储液罐上方的搅拌器将压裂液基液充分搅拌均匀；避免鱼眼的产生；

(3)在电脑控制系统中设定泵送控制程序，设定控制参数包括中间顶替液与携砂液的脉冲时间、脉冲频率、混砂车泵机组与中间顶替液泵机组各自的泵送流量；选择需要的射孔数目，旋转模拟井筒的内套，使具有所需射孔数目的这一列射孔与外壳的间隙对齐；

(4)通过混砂车泵机组的输入管汇向混砂车泵机组中泵入储液罐中的压裂液基液，并通过加砂装置、纤维添加装置向混砂车泵机组中加入支撑剂和所需纤维，充分与压裂液基液混合均匀后，加入其他压裂液添加剂，所述其他压裂液添加剂为本技术领域技术人员公知的添加剂，形成脉冲加砂压裂中的携砂液；在中间顶替液泵机组中泵入压裂液基液，与其他压裂液添加剂混合后形成中间顶替液；

(5)停止储液罐上的搅拌器，开启电脑控制系统中设定好的泵送控制程序，进行泵注操作，脉冲式泵入携砂液和中间顶替液，形成支撑剂段塞；

(6)停止混砂车泵机组与中间顶替液泵机组的泵送，改变可视平板裂缝的闭合压力，观察记录支撑剂段塞形成的完整性、段塞间通道的畅通性、支撑剂的沉降速度以及水平运移速度；

(7)实验结束后，清理所述装置，准备下一组实验：改变步骤(4)中携砂液的砂比，和步骤(3)中的脉冲时间、脉冲频率、混砂车泵机组与中间顶替液泵机组各自的泵送流量、射孔数目，重复步骤(5)至(6)，通过观察记录支撑剂段塞形成的完整性、段塞间通道的畅通性、支撑剂的沉降速度以及水平运移速度，优选出符合支撑剂段塞实际要求的实验参数；

(8)收集管汇收集多余液体，通过滤筛装置的滤筛后，由输送泵泵入储液罐中。

步骤(4)中，所述混砂车泵机组中携砂液的砂比≤80％，所述砂比为体积比。本实用新型适用于各种支撑剂粒径范围，工业使用中根据压裂工艺的设计选用支撑剂粒径。

本实用新型的有益效果在于：

1、通过本实用新型的技术方案大大提高了进行脉冲加砂压裂的操作效率，且能够自动地实现中间顶替液与携砂液的交替注入；通过调节两个泵机组的泵送流量、交替泵入时间以及携砂液浓度等因素，科学筛选最佳参数，有助于现场应用以实现裂缝高导流能力的脉冲加砂压裂方法、提高裂缝导流能力、大幅提高单井产量。

2、本实用新型适用于各种支撑剂粒径范围，工业使用中根据压裂工艺的设计选用支撑剂粒径。

3、本实用新型的技术方案设计混砂车泵机组和中间顶替液泵机组分别通过管汇与模拟井筒相连，混砂车泵机组与模拟井筒之间、中间顶替液泵机组与模拟井筒之间均设有电磁流量计和单向阀，既便于操作控制，同时防止混砂车泵机组与中间顶替液泵机组之间相互倒灌，精准便捷记录混砂车泵机组、中间顶替液泵机组的泵送流量。

附图说明

图1是本实用新型的脉冲加砂压裂中间顶替液的泵注装置示意图；

在图1中，1、储液罐；2、管汇；3、中间顶替液泵机组；4、电磁流量计；5、模拟井筒；6、可视平板裂缝装置；7、支撑剂段塞；8、收集管汇；9、滤筛装置；10、输送泵；11、电磁流量计；12、加砂装置；13、混砂车泵机组；14、电脑控制系统。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本实用新型做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

如图1所示，

一种脉冲加砂压裂中间顶替液泵注装置，包括中间顶替液泵机组、混砂车泵机组、储液罐、电脑控制系统、模拟井筒和可视平板裂缝装置，混砂车泵机组与中间顶替液泵机组的出口共同接入模拟井筒，混砂车泵机组与中间顶替液泵机组的入口分别与储液罐相连，模拟井筒与可视平板裂缝装置连接，电脑控制系统分别与混砂车泵机组、中间顶替液泵机组连接；混砂车泵机组用以泵入压裂用的携砂液，中间顶替液泵机组用以泵入压裂用的中间顶替液，储液罐用以盛装压裂用的压裂液基液，储液罐的容积为400L，储液罐上端设有搅拌器；可视平板裂缝装置用以从外部观察支撑剂段塞的形成和分布，电脑控制系统用以控制混砂车泵机组和中间顶替液泵机组进行间隔交替泵入。

混砂车泵机组包括加砂口、输入管汇、输出管汇、加砂装置、纤维添加装置和混砂部分，加砂装置包括加砂池和螺杆输送装置，加砂方式为螺旋加砂，混砂车泵机组混砂部分的容积为200L，通过控制螺杆的旋转速度对加砂速度进行控制，加砂速度可选范围为0～10L/min。

模拟井筒包括外壳和内套，外壳在纵向上设有一条间隙，间隙与可视平板裂缝装置连接；内套与外壳旋转连接，内套管壁上沿周向分布有5列射孔，每一列射孔的射孔数目固定，5列射孔的射孔数目分别为6孔、7孔、8孔、9孔、10孔。将模拟井筒设为双层构造，可以通过旋转内套，选择需要的射孔数目，使具有特定射孔数目的这一列射孔与外壳的间隙对齐，即与可视平板裂缝装置联通，来参与模拟井筒下的压裂射孔情况，此时其他列的射孔则不能与可视平板裂缝联通。模拟井筒的高度为1.2～1.5m，内套内径为80mm～150mm。本装置还包括收集管汇，收集管汇与内套相连，并通过管汇与储液罐相连，收集管汇与储液罐之间设有滤筛装置和输送泵。

混砂车泵机组、中间顶替液泵机组接入模拟井筒的一端均设有单向阀和电磁流量计。

可视平板裂缝装置为可调节缝宽的裂缝装置，包括加压装置，加压装置用以提供闭合压力。缝宽调节范围为2mm～10mm，可视平板裂缝装置的高度为1.2～1.5m，可视平板裂缝装置的长度为2～4m，可视平板裂缝装置表面材质为透明有机玻璃。

电脑控制系统分别与混砂车泵机组、中间顶替液泵机组各自内部的泵送时间装置、管汇开关相连，电脑控制系统用以控制混砂车泵机组和中间顶替液泵机组进行间隔交替泵入，控制参数包括交替泵入时间、脉冲频率、混砂车泵机组与中间顶替液泵机组各自的泵送流量。混砂车泵机组与中间顶替液泵机组的泵送流量设定范围均为≤60L/min。混砂车泵机组与中间顶替液泵机组各自的泵送流量可从各自相连的电磁流量计中读得。

本实施例提供的装置整体为循环回路，压裂液可充分回收利用，模拟井筒和收集管汇分别为可视平板裂缝的输入端和输出端，模拟井筒射孔的直径为10mm，选定泵注操作用的射孔数量为8个，模拟井筒和可视平板裂缝装置的高度均为1.2m，模拟井筒的内套的内径为80mm，可视平板裂缝装置长度为2m。

实施例2：

利用实施例1所述装置，工作方法包括步骤如下：

(1)准备实验方案要求的支撑剂、纤维、其他压裂液添加剂等实验材料；连接泵注装置，检测整个装置的密封性；

(2)在储液罐中，按照要求配置胍胶压裂液基液，并使用储液罐上方的搅拌器将压裂液基液充分搅拌均匀；避免鱼眼的产生；

(3)在电脑控制系统中设定泵送控制程序，设定控制参数包括中间顶替液与携砂液的脉冲时间、脉冲频率、混砂车泵机组与中间顶替液泵机组各自的泵送流量；旋转模拟井筒的内套，使具有8个射孔数目的这一列射孔与外壳的间隙对齐；

(4)通过混砂车泵机组的输入管汇向混砂车泵机组中泵入储液罐中的压裂液基液，并通过加砂装置、纤维添加装置加入支撑剂和所需纤维，充分与压裂液基液混合均匀后，加入其他压裂液添加剂，形成脉冲加砂压裂中的携砂液；在中间顶替液泵机组中泵入压裂液基液，与其他压裂液添加剂混合后形成中间顶替液；

(5)停止储液罐上的搅拌器，开启电脑控制系统中设定好的泵送控制程序，进行泵注操作，脉冲式泵入携砂液和中间顶替液，形成支撑剂段塞；具体地，在压裂过程中通过脉冲式加砂工艺，在人工裂缝中形成“柱体”支撑，从而在所述人工裂缝中形成柱体之间的高导流能力通道网络，使所述人工裂缝具备较高的导流能力；

(6)停止混砂车泵机组与中间顶替液泵机组的泵送，改变可视平板裂缝的闭合压力，观察记录支撑剂段塞形成的完整性、段塞间通道的畅通性、支撑剂的沉降速度以及水平运移速度；

(7)实验结束后，清理所述装置，准备下一组实验：改变步骤(4)中携砂液的砂比，和步骤(3)中的脉冲时间、脉冲频率、混砂车泵机组与中间顶替液泵机组各自的泵送流量、射孔数目，重复步骤(5)至(6)，通过观察记录支撑剂段塞形成的完整性、段塞间通道的畅通性、支撑剂的沉降速度以及水平运移速度，优选出符合支撑剂段塞实际要求的实验参数。

(8)收集管汇收集多余液体，通过滤筛装置的滤筛后，由输送泵泵入储液罐中。

实施例3：

针对如实施例1所述的脉冲加砂压裂中间顶替液泵注装置，和实施例2所描述的工作方法，装置的具体实验方法为：

(1)实验排量

实验采用小排量泵加注携砂液和中间顶替液，二者的泵送流量均设为50L/min，开始时可视平板裂缝装置不施加闭合压力，缝宽设置为8mm。

(2)实验支撑剂粒径

实验选取常用的支撑剂粒径作为该实验所用的支撑剂。本实验最终选取20/40目的陶粒作为实验用支撑剂。其主要参数如下表1所示：

表1支撑剂常规性能测试

(3)压裂液的粘度

压裂液的粘度主要受温度的影响，该实验装置适合在常温下进行实验。实验中配制的压裂液基液粘度为1mPa·s。

(4)携砂液支撑剂柱塞砂比

砂比为支撑剂占总携砂液体积的体积分数。本文中的实验采用泵注携砂液程序，一方面要形成支撑剂柱塞，另一方面要保证支撑剂柱塞的稳定性。因此选择根据常用的砂比范围选择该实验的砂比为80％。

根据实施例1和实施例2，进行9组实验，参数数据如表2所列：

表2实验总体方案表

设定脉冲式加砂工艺的脉冲时间是携砂液和中间顶替液交替注入时间之和，即，脉冲时间20s为携砂液泵入10s中间顶替液泵入10s，重复脉冲式泵入；以此类推，脉冲时间28s为携砂液泵入14s中间顶替液泵入14s，脉冲时间36s为携砂液泵入18s中间顶替液泵入18s。

根据上述实验方案的设定，共有脉冲时间和闭合压力两个变量，通过9组实验对支撑剂段塞的形成规律进行分析，优选出在一定泵送流量、支撑剂目数、砂比、射孔数目情况下的脉冲时间和闭合压力。

实施例4：

将上述实施例3的脉冲时间定为28s，闭合压力定为3Mpa，将实验排量分为40L/min、50L/min和60L/min三个变量，将砂比变为60％、70％和80％三个变量，重复实施例2中的步骤，对支撑剂段塞的形成规律进行进一步分析。

Claims (10)

1.一种脉冲加砂压裂中间顶替液的泵注装置，其特征在于，包括中间顶替液泵机组、混砂车泵机组、储液罐、电脑控制系统、模拟井筒和可视平板裂缝装置，混砂车泵机组与中间顶替液泵机组的出口共同接入模拟井筒，混砂车泵机组与中间顶替液泵机组的入口分别与储液罐相连，模拟井筒与可视平板裂缝装置连接，电脑控制系统分别与混砂车泵机组、中间顶替液泵机组连接。

2.根据权利要求1所述的脉冲加砂压裂中间顶替液的泵注装置，其特征在于，模拟井筒包括外壳和内套，外壳在纵向上设有一条间隙，间隙与可视平板裂缝装置连接；内套与外壳旋转连接，内套管壁上沿周向分布有至少1列射孔，每一列射孔的射孔数目各不相同。

3.根据权利要求2所述的脉冲加砂压裂中间顶替液的泵注装置，其特征在于，内套管壁上沿周向分布有5列射孔，5列射孔的射孔数目分别为6孔、7孔、8孔、9孔、10孔。

4.根据权利要求1所述的脉冲加砂压裂中间顶替液的泵注装置，其特征在于，所述脉冲加砂压裂中间顶替液泵注装置还包括收集管汇，收集管汇与可视平板裂缝装置相连，收集管汇通过管汇与储液罐相连，所述收集管汇与储液罐之间设有滤筛装置和输送泵。

5.根据权利要求1所述的脉冲加砂压裂中间顶替液的泵注装置，其特征在于，所述混砂车泵机组、中间顶替液泵机组接入模拟井筒的一端均设有单向阀。

6.根据权利要求1所述的脉冲加砂压裂中间顶替液的泵注装置，其特征在于，所述混砂车泵机组、中间顶替液泵机组接入模拟井筒的一端均设有电磁流量计。

7.根据权利要求1所述的脉冲加砂压裂中间顶替液的泵注装置，其特征在于，储液罐上端设有搅拌器。

8.根据权利要求1所述的脉冲加砂压裂中间顶替液的泵注装置，其特征在于，可视平板裂缝装置为可调节缝宽的裂缝装置，包括加压装置，加压装置用以提供闭合压力。

9.根据权利要求8所述的脉冲加砂压裂中间顶替液的泵注装置，其特征在于，缝宽调节范围为2mm~10mm，可视平板裂缝装置表面材质为透明有机玻璃。

10.根据权利要求1所述的脉冲加砂压裂中间顶替液的泵注装置，其特征在于，所述电脑控制系统分别与混砂车泵机组、中间顶替液泵机组各自内部的泵送时间装置、管汇开关相连，电脑控制系统用以控制混砂车泵机组和中间顶替液泵机组进行间隔交替泵入，控制参数包括脉冲时间、脉冲频率、混砂车泵机组与中间顶替液泵机组各自的泵送流量，所述脉冲时间为一个脉冲周期，所述一个脉冲周期为携砂液的泵入时间与中间顶替液的泵入时间之和，所述脉冲频率为脉冲时间的倒数，所述混砂车泵机组与中间顶替液泵机组的泵送流量均为≤60L/min。