CN206903650U - 一种可视化动态变缝宽的支撑剂铺砂模拟装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可视化动态变缝宽的支撑剂铺砂模拟装置，包括搅拌器、螺杆泵、可视化动态铺砂装置、废液池、管线、压力表，搅拌器通过管线依次连接螺杆、可视化动态铺砂装置、废液池，可视化动态铺砂装置到废液池之间的管线设有压力计，所述可视化动态铺砂装置包括井筒、金属外框、有机玻璃板，所述金属外框由两块组成，所述井筒安装在装置金属外框的端面，有机玻璃板设有两层，安装在金属外框内，井筒侧面设有射孔孔眼，朝向金属外框端面方向；有机玻璃板表面设有渗流孔；金属外框尾端设有三个排液口，金属外框底部侧面设有多个进/出清洗口。本实用新型结构简单、连接简便，能够满足水力压裂实验中对裂缝的支撑剂铺置规律进行实验。

Description

一种可视化动态变缝宽的支撑剂铺砂模拟装置

技术领域

本实用新型涉及压裂实验技术领域，具体涉及一种可视化动态变缝宽的支撑剂铺砂模拟装置。

背景技术

随着世界能源的消耗，资源的需求促使油气资源开发技术/手段的进步。根据调研，国内外油气田的大量开采，越来越多的低渗、致密油气藏难以用常规方式开采。页岩气以其资源潜力大的特点成为近年来油气开发的“新宠儿”，最终形成以页岩气在内的非常规油气资源往往需要采用水力压裂来进行增产作业的开发技术。滑溜水水力压裂被视为页岩气藏开发的关键技术。因其页岩气压裂通常会形成复杂的缝网裂缝，即是所谓的体积裂缝(SRV)。

缝网裂缝由主裂缝及多级次级裂缝构成(相对于主裂缝而言，次级裂缝指代的是由主裂缝衍生出来的微小裂缝，可以形象地将体积裂缝想象为树枝分支)，因此需要大量的支撑剂铺置试验来进行指导实际的压裂作业。国内外有很多科研工作者从事对支撑剂运移规律的相关研究。根据调研，从Babcock在1967设计出第一套平行树脂有机玻璃板铺砂装置，为支撑剂铺置规律的研究开创了先河。众所周知，压裂时，裂缝顶端和底端的宽度可能不是等宽的，且裂缝宽度随着压裂液的注入会动态变化；截止目前国内外的铺砂装置，众多科研工作者提出了平衡速度和平衡高度等不同目标参数，但是较多的是根据软件模拟来对支撑剂铺砂进行研究。设计出的装置仅仅满足了可视化的特点，其主缝宽度固定不变的，缝宽不能根据压裂液在裂缝中形成的压力与裂缝闭合压力的压差来动态变缝宽。因此，模拟地层压裂裂缝真实铺砂规律，迫切需要设计出一套与实际地层裂缝动态扩张/关闭的相似的可视化铺砂装置。

为了更准确地接近现场的实际裂缝特征，在进行裂缝物理模拟过程中，一般要设置一套与地层裂缝特征相近的主裂缝来研究支撑剂铺置规律。因此，本实用型专利利用相似准则设计了一套贴切实际裂缝特性的可视化动态变缝宽铺砂装置。

实用新型内容

本实用新型提供一种结构简单、连接简便，能够满足水力压裂实验中对裂缝的支撑剂铺置规律进行实验的铺砂装置。

本实用新型的技术方案是：

一种可视化动态变缝宽的支撑剂铺砂模拟装置，包括搅拌器、螺杆泵、可视化动态铺砂装置、废液池、管线、压力表，搅拌器通过管线依次连接螺杆、可视化动态铺砂装置、废液池，可视化动态铺砂装置到废液池之间的管线设有压力计，所述可视化动态铺砂装置包括井筒、金属外框、有机玻璃板，所述金属外框由两块组成，并通过螺栓连接固定压紧，所述井筒安装在装置金属外框的端面，有机玻璃板设有两层，安装在金属外框内，井筒侧面设有多个小孔，作为射孔孔眼，朝向金属外框端面方向；有机玻璃板表面设有多个微孔，作为渗流孔；金属外框尾端设有三个排液口，金属外框底部侧面设有多个进/出清洗口。

进一步的，两层有机玻璃板内设有加压金属板、带硅胶环内侧承压板、敏感性弹簧，带硅胶环内侧承压板通过敏感性弹簧连接到加压金属板上，加压金属板紧贴在一侧有机玻璃板，此有机玻璃板为活动结构，与金属外框之间设有弹性密封圈，带硅胶环内侧承压板与另一侧的有机玻璃板之间有一定间距，此有机玻璃板为固定安装。

进一步的，带有渗流孔的有机玻璃板为靠近带硅胶环内侧承压板一侧的有机玻璃板。

进一步的，金属外框中间设有一根纵向的加强杆。

本实用新型的有益效果是：

1、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；

2、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。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为可视化支撑剂铺置规律模拟装置人工裂缝单元的立体结构示意图；

图3为根据本实用新型示例性实施例(考虑裂缝动态闭合/扩张的支撑剂铺置规律可视化模拟装置)人工裂缝单元的立体结构正面示意图；

图4为根据本实用新型示例性实施例(考虑裂缝动态闭合/扩张的支撑剂铺置规律可视化模拟装置)形成平行裂缝的弹簧单元立体结构侧面示意图。

图5示出了根据本实用新型示例性实施例(考虑裂缝动态闭合/扩张的支撑剂铺置规律可视化模拟装置)形成楔形缝的弹簧单元立体结构侧面示意图。

图6为Y型硅胶环与的结构示意图。

图中所示：

1为井筒、2为射孔孔眼、3为金属外框、4为有机玻璃板、5为压裂液排出口、6为进/出清洗口、7为敏感性弹簧、8为加压金属板、9为带硅胶环内侧承压板、91为Y型硅胶环、10为搅拌器、11为螺杆泵、12为可视化动态铺砂装置、13为压力表、14为废液池。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

如图1到6所示，一种可视化动态变缝宽的支撑剂铺砂模拟装置，包含井筒1、九个射孔孔口2、两块有机玻璃板4、带硅胶环内侧承压板9、两块金属外框3、三个排液口5、进/出清洗口6组成。井筒1为圆柱体金属井筒，垂直安装在两块金属外框组成的裂缝进口端面；圆柱井筒均匀分布9个直径为6mm的射孔孔眼2；两块有机玻璃板4平行的固定在Y型硅胶环内圈中；Y型硅胶环91的横截面形状为Y字形，所述Y字形的开口部分为硅胶环内圈且Y字形的闭口部分为硅胶环外圈；两块金属外框3平行的夹住硅胶环外圈并固定两块金属外框3平行的夹住硅胶环外圈并固定带硅胶环内侧承压板9，另外一块加压金属板8可以水平向外/内移动；一块有机玻璃板4平行地固定在硅胶环内圈中，另一块有机玻璃板4不固定，保持可其与加压金属板8同步向外/内移动；装置尾端均匀分布3个排液口5；加压金属板8与带硅胶环内侧承压板9之间均匀分布七十二套敏感性弹簧7，并初始状态为完全伸张状态，保持裂缝初始宽度为0mm。

金属外框3上设置有螺栓孔，两个金属外框3之间通过螺栓进行夹紧固定，为了避免渗漏并确保装置的密封性，金属外框3之间设置密封垫圈，本实用新型采用了在有机玻璃板4和金属外框3之间用Y型硅胶环91相连接的方案，利用Y型硅胶环91的弹性实现了有机玻璃板4由最初闭合状态到受到流体压力的冲击而逐渐张开的过程，此时敏感性弹簧7逐渐压缩，当缝内压力降低时，由于敏感性弹簧7的弹性，敏感性弹簧7伸张，缝宽随缝内压力降低而减小。本实用新型反应了在地层中裂缝从最初闭合，到后来由于携砂液造成裂缝张开，排液时裂缝压力降低引起的裂缝缝宽变窄，最终实现支撑剂动态铺置的过程，完全模拟了现场的实际工况。

本实用新型中的核心单元由带硅胶环内侧承压板9、敏感性弹簧7、加压金属板8三部分组成。压裂液进入到装置前，有机玻璃板4之间为0MPa，此时的敏感性弹簧7出于完全伸张状态，裂缝缝宽为0mm；压裂液进入有机玻璃板4之间后，在两块有机玻璃面板之间存在一个压力，有机玻璃板4的可移动性将缝内压力传导给敏感性弹簧7，敏感性弹簧将压力传给加压金属板8，加压金属板8为固定状态，敏感性弹簧7受到力的作用逐渐压缩，裂缝逐渐变宽，该过程模拟地层裂缝逐渐张开过程。当压裂液进入裂缝稳定后，有机玻璃板4压力波动较小，由于敏感性弹簧7的存在，裂缝缝宽可以实现动态变化。压裂液返排时，封内压力降低，有机玻璃板4承受的压力降低，敏感性弹簧7由压缩状态逐渐伸长，裂缝缝宽逐渐变小。该适用新型与实际地层压裂时裂缝的动态变化相符合。

本实用新型可视化动态变缝宽铺砂模拟装置单元体与螺杆泵11、搅拌器10、清洗系统组成一套完整的支撑剂动态铺砂模拟装置。

采用上述可视化动态变缝宽铺砂模拟装置进行实验时，具体实验步骤如下：

1)根据给的地质资料进行压裂液优化设计，优选压裂液支撑剂及其目数，配制压裂液，调整装置参数；

2)检查装置清洁度、确认装置各阀门状态，泵入清水确定工作状态并检查装置密封性；

3)将配制好压裂液作为前置液装入搅拌器10均匀搅拌，通过螺杆泵11将压裂液泵入装置中，压裂液进入到有机玻璃板4后，有机玻璃板4在压力的推动下向外平移，敏感性弹簧7同时收缩，有机玻璃板4间形成微小裂缝，随着压裂液的进入，裂缝逐渐张开最终趋于稳定，敏感性弹簧7达到最大压缩状态，裂缝缝宽达到最大；

4)将压裂液与支撑剂按照比例在搅拌器10均匀混合，形成的携砂液通过泵注管线泵入裂缝中，两块有机玻璃板4之间的裂缝进一步张开，敏感性弹簧7进一步收缩，支撑剂在裂缝中开始铺置，此时，在有机玻璃板4间的压力和敏感性弹簧7共同作用下，裂缝处于动态扩张/闭合状态，支撑剂在裂缝中动态铺置；

5)打开压裂液返排口，压裂液携带一部分支撑剂流入到废液池；

6)观察支撑剂铺置过程并记录支撑剂铺置状态，直至完成模拟；

7)清洗装置，打开清洗进液阀门6，再同时交替式打开排水阀门6，装置清洗完毕。

注意：根据本实用新型，在模拟之前检查装置清洁度并注入清水进行循环以检查装置密封性以及在模拟之后清洗装置，清洗装置时保持泵注系统关闭。若装置清洁度不够，则清理后再进行实验；若装置不密封，则确保密封后再进行实验，若装置密封，则放空清水后进行实验即可。

本实用新型可视化动态变缝宽铺砂模拟装置创新点之一在于，现有的可视化铺砂装置缝宽都是固定的，在压裂液进入到主缝时，缝中的压力不断升高，但是主缝的宽度固定，这与实际压裂工程中，地层缝网实际特性不符合。压裂时，裂缝的宽度取决于裂缝闭合压力与压裂液在裂缝中形成的压力大小，缝宽是动态变化的。创新点之二为在造缝时，压裂液进入到有机玻璃板4中，有机玻璃板4顶端与低端受到的压力大小不相等，根据该实用新型装置根据相似准则，可以形成楔形缝，与实际地层压裂造缝特性相吻合。本实用新型可视化动态变缝宽铺砂模拟装置通过安装敏感性弹簧7来模拟裂缝宽度动态变化，从而实现更加与现场实际施工相匹配，通过本实用新型可视化动态变缝宽铺砂模拟装置得到的支撑剂铺砂实验数据更具有实际参照价值。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，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，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型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，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种可视化动态变缝宽的支撑剂铺砂模拟装置，其特征在于，包括搅拌器、螺杆泵、可视化动态铺砂装置、废液池、管线、压力表，搅拌器通过管线依次连接螺杆、可视化动态铺砂装置、废液池，可视化动态铺砂装置到废液池之间的管线设有压力计，所述可视化动态铺砂装置包括井筒、金属外框、有机玻璃板，所述金属外框由两块组成，并通过螺栓连接固定压紧，所述井筒安装在装置金属外框的端面，有机玻璃板设有两层，安装在金属外框内，井筒侧面设有多个小孔，作为射孔孔眼，朝向金属外框端面方向；有机玻璃板表面设有多个微孔，作为渗流孔；金属外框尾端设有三个排液口，金属外框底部侧面设有多个进/出清洗口。

2.根据权利要求1所述的一种可视化动态变缝宽的支撑剂铺砂模拟装置，其特征在于，两层有机玻璃板内设有加压金属板、带硅胶环内侧承压板、敏感性弹簧，带硅胶环内侧承压板通过敏感性弹簧连接到加压金属板上，加压金属板紧贴在一侧有机玻璃板，此有机玻璃板为活动结构，与金属外框之间设有弹性密封圈，带硅胶环内侧承压板与另一侧的有机玻璃板之间有一定间距，此有机玻璃板为固定安装。

3.根据权利要求1所述的一种可视化动态变缝宽的支撑剂铺砂模拟装置，其特征在于，带有渗流孔的有机玻璃板为靠近带硅胶环内侧承压板一侧的有机玻璃板。

4.根据权利要求1所述的一种可视化动态变缝宽的支撑剂铺砂模拟装置，其特征在于，金属外框中间设有一根纵向的加强杆。