一种可获取支撑剂粒径分布的支撑剂输送实验装置及方法

摘要

本发明涉及一种可获取支撑剂粒径分布的支撑剂输送实验装置及方法。该装置由混砂罐1、螺杆泵3、模拟入口井筒17、支撑剂输送系统20、粒径分级系统7、机械分割系统H、模拟出口井筒9、旋流除砂器28、支撑剂回收桶27、储液罐29、液体输送泵31组成。该方法包括：配置压裂液存于储液罐中，取支撑剂倒入混砂罐中；开启液体输送泵和混砂罐，使压裂液和支撑剂均匀混合；携砂液通过模拟入口井筒进入模拟裂缝中，再通过模拟出口井筒和管路流入旋流除砂器；打开支撑剂输送系统上部窄板的孔道，利用机械分割系统隔离模拟裂缝内部空间，获取模拟裂缝内不同位置的支撑剂粒径分布信息。本发明为压裂参数设计、支撑剂优选提供理论基础，具有广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及水力压裂过程中支撑剂铺置规律研究领域，具体涉及一种可获取支撑剂粒径分布的支撑剂输送实验装置及方法。

背景技术

随着常规油气资源储量的不断减少，人们开始将重心转移到非常规油气资源的开发，非常规油气是指用传统技术无法获得自然工业产量、需用新技术改善储层渗透率或流体黏度等才能经济开采的油气资源。目前，水力压裂是提高油藏采收率的最有效方法，在水力压裂过程中，大量的压裂液以足够高的速度注入井内，使目标地层破裂形成人工裂缝，当形成一定尺寸的裂缝时固体支撑剂（如砂粒或陶瓷颗粒）与流体一起被注入裂缝中，一旦停止泵送，在地应力作用下，流体压力降低，裂缝闭合，支撑剂滞留在裂缝之间以防止裂缝完全闭合，并提供从地层到井眼的高导流性流动通道，而支撑剂在裂缝中的最终铺置形态对裂缝的导流能力以及增产效果起着关键的作用，因此研究支撑剂在裂缝中的铺置意义重大。

在水力压裂过程中，常用的支撑剂粒径有20-40目，30-50目，40-70目，70-100目等，支撑剂的运移与铺置会受到压裂液性质、支撑剂性质、注入排量、支撑剂浓度、温度、压力等多种因素的影响，专利申请“可视化围压状态下支撑剂沉降规律动态模拟装置”（CN206071559U）通过在支撑剂输送裂缝板外侧加入围压单元，实现了加载围压状态下支撑剂在裂缝板中的沉降与铺置规律研究。专利申请“一种高温条件下压裂液中支撑剂输送实验装置”（CN206074398U）将真实岩板剖缝放置于岩心夹持器中，通过给岩心夹持器加入温控系统来模拟温度影响下的支撑剂输送情况，但是该装置并不能实现可视化的功能。专利申请“模拟地层温度下水力压裂缝网支撑剂铺置规律可视化装置”（CN206129257U）通过给两块模拟裂缝壁面的玻璃板之间设置耐热硅胶来实现温度条件的植入。专利申请“一种模拟体积压裂劈型缝缝内支撑剂输送的实验装置”（CN206368700U）、“一种可视化动态变缝宽的支撑剂铺砂模拟装置”（CN206903650U）等实现了单裂缝下缝宽变化情况下的支撑剂输送模拟；专利申请“一种支撑剂运移的大尺寸多裂缝模拟装置和方法”（CN104564048A）、“一种可旋转裂缝角度的支撑剂输送实验装置”（CN206668241U）等均可实现分支缝角度的旋转。上述方法或装置只是从压力、温度、变缝宽、变支缝角度等方面丰富了装置的功能，而支撑剂在裂缝中的粒径分布作为影响最终增产效果的关键因素，目前还没有任何一种装置将其因素考虑在内，专利申请“压裂支撑剂粒径快速评价装置及应用方法”（CN109490155A）、“研究多级压裂支撑剂分形粒度与岩体断裂特征参数的方法”（CN102749437A）均提出了一种利用颗粒筛网分选得到支撑剂粒径分布信息的装置，但是其并不是用来获得支撑剂运移铺置结果中的粒径分布信息。鉴于此，非常有必要设计一种可获取支撑剂粒径分布的支撑剂输送实验装置，并且该装置能够满足可视化要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可获取支撑剂粒径分布的支撑剂输送实验装置，该装置能够模拟水力压裂措施中的支撑剂输送过程，不仅能够实现现有装置的可视化、可承压等功能，还能够精确获取支撑剂在裂缝中铺置的粒径分布信息。

本发明的另一目的还在于提供利用上述装置获取支撑剂输送过程中支撑剂粒径分布的方法，该方法原理可靠，操作简便，通过获取支撑剂在裂缝中铺置的粒径分布信息，进一步研究支撑剂输送规律，为压裂参数设计、支撑剂优选提供理论基础，具有广阔的市场应用前景。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

一种可获取支撑剂粒径分布的支撑剂输送实验装置，该装置包括混砂罐、螺杆泵、流量计、压力计、模拟入口井筒、支撑剂输送系统、模拟出口井筒、旋流除砂器、支撑剂回收桶、储液罐、集液罐、液体输送泵、粒径分级系统、机械分割系统。

所述的混砂罐与左端与液体输送泵连接，右端与螺杆泵连接，混砂罐与螺杆泵之间设置有截止阀。所述的螺杆泵连接模拟入口井筒，螺杆泵与入口井筒之间由左至右设置有调节阀、流量计、截止阀、压力计。所述的支撑剂输送系统左端连通模拟入口井筒，右端连通模拟出口井筒，模拟入口井筒下端、模拟出口井筒上下端均设置有旋塞阀。所述的旋流除砂器左端连接储液罐，右端连接模拟出口井筒，下端连接支撑剂回收桶，旋流除砂器与模拟出口井筒之间设置有截止阀、压力计、调节阀。所述的粒径分级系统置于支撑剂输送系统下端，粒径分级系统通过调节阀连接集液罐。

所述的支撑剂输送系统包括前后金属框架、前后可视裂缝板、上下窄板、螺栓、螺母。所述的上窄板与下窄板分别置于前后可视裂缝板顶端与底端，所述的前后金属框架置于前后可视裂缝板的外部，各部件通过螺栓与螺母紧固连接，形成模拟裂缝，前后可视裂缝板的上下端设有密封条，能够保证装置的密封性。所述的上部窄板设置有3个孔道，下部窄板设置有6个孔道，所有孔道壁面内设有螺纹，通过旋拧螺栓可以完全密封孔道。

所述的粒径分级系统包括三组筛筒，每组筛筒有一、二、三、四级震动筛网，各级震动筛网目数由上到下逐级递增，震动筛网目数由实验所用支撑剂目数决定，其位置处于支撑剂输送系统下部，且下部窄板孔道正对于一级震动筛网。震动筛筒能够通过上下套接组合连接。

所述的机械分割系统包括旋转握柄、钢杆、螺栓、螺母、支架、固定阀、分割片。所述的钢杆上端连接旋转握柄，下端连接螺栓；所述的螺栓下端连接分割片，分割片为轻薄钢质材料；所述的螺母固定于支架上，螺栓与螺母匹配，螺母套在螺栓上，通过转动螺栓就可以实现分割片上下自由调节；所述的支架四个支脚底端连接有固定阀，拧紧固定阀可以使支架固定于支撑剂输送系统的金属框架上。

所述的截止阀用于阻断液体流入下一单元；所述的调节阀除了具有阻断液体的功能，还具有调节液体流量大小的功能；所述的旋塞阀能够通过旋转自由拆卸与安装。所述的流量计为电磁流量计，用于测量管路中流量的大小。所述的压力计用于测量压力的大小。

所述的模拟入口、出口井筒内连接裂缝一端均设置有3个圆形流道。

所述的混砂罐内部设有绞龙，利用电机改变绞龙的转速可以精准实现砂量输送的速度。

所述的分割片宽度等于或者略微小于上部窄板孔道的直径。

利用上述装置获取支撑剂输送过程中支撑剂粒径分布的方法，依次包括以下步骤：

（1）配置实验所用压裂液存于储液罐中，取实验所用支撑剂倒入混砂罐中；

（2）开启液体输送泵和混砂罐，使压裂液和支撑剂均匀混合；

（3）开启螺杆泵，调节流量至目标流量，开启旋流除砂器，携砂液通过模拟入口井筒进入模拟裂缝中，再通过模拟出口井筒和管路流入旋流除砂器，拍摄实验过程，记录压力随时间的变化情况；关闭螺杆泵、混砂罐、液体输送泵、旋流除砂器；

（4）通过旋紧螺栓，打开支撑剂输送系统的上部窄板的孔道，利用机械分割系统隔离模拟裂缝内部空间，获取模拟裂缝内不同位置的支撑剂粒径分布信息，过程如下：分割片以垂直缝宽方向插入上部窄板的第一孔道，转动旋转握柄使分割片下降直至到达下部窄板，打开下部窄板的第一通道，携砂液从模拟裂缝流入粒径分级系统的第一组震动筛筒中，通过各级震动筛网使各级粒径支撑剂实现有效分离；再依次打开上部窄板的第二孔道、下部窄板的第二通道和上部窄板的第三孔道、下部窄板的第三通道，重复上述步骤即可获取模拟裂缝内前部、中部、后部位置的支撑剂粒径分布信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明能够获取模拟裂缝内不同位置的支撑剂粒径分布信息，并且该装置可以实现可视化，克服了现有技术中未能实现测试支撑剂粒径分布的缺点，本发明为进一步研究和明确支撑剂的输送规律，压裂参数的精细设计提供了有力指导和理论基础。

附图说明

图1为一种可获取支撑剂粒径分布的支撑剂输送实验装置结构示意图。

图2为粒径分级系统示意图。

图3为机械分割系统示意图。

图中：1-混砂罐；2、16、26、30-截止阀；3-螺杆泵；4-流量计；5-集液罐；6、10、15-调节阀；7-粒径分级系统；8、14、23-旋塞阀；9-模拟出口井筒；17-模拟入口井筒；18、24-压力计；20-支撑剂输送系统；25-管路；27-支撑剂回收桶；28-旋流除砂器；29-储液罐；31-液体输送泵；S1-上下窄板；S2-前后金属框架；S3-前后可视裂缝板；S4-固定螺栓；19、21、22-上部窄板的孔道；11、12、13-下部窄板的通道；K1、K2、K3、K4-一、二、三、四级震动筛网；K5-震动筛筒；H-机械分割系统；H1-旋转握柄；H2-钢杆；H3-螺栓；H4-螺母；H5-支架；H6-固定阀；H7-分割片。

具体实施方式

下面结合附图详细阐述本发明。

参见图1。

一种可获取支撑剂粒径分布的支撑剂输送实验装置，由混砂罐1、螺杆泵3、模拟入口井筒17、支撑剂输送系统20、粒径分级系统7、机械分割系统H、模拟出口井筒9、旋流除砂器28、支撑剂回收桶27、储液罐29、液体输送泵31组成。

所述混砂罐1通过截止阀2、螺杆泵3连接模拟入口井筒17，螺杆泵与模拟入口井筒之间的管路依次设置调节阀15、流量计4、截止阀16、压力计18；所述支撑剂输送系统20位于模拟入口井筒与模拟出口井筒9之间并与二者连通，模拟出口井筒通过管路25连接旋流除砂器28，该管路设有调节阀10、压力计24、截止阀26；所述旋流除砂器28分别连接支撑剂回收桶27、储液罐29，储液罐通过截止阀30连接液体输送泵31，液体输送泵连接混砂罐。

所述支撑剂输送系统20包括上下窄板S1、前后金属框架S2、前后可视裂缝板S3、固定螺栓S4，所述上下窄板S1分别置于前后可视裂缝板S3的顶端与底端，组合形成中空矩形体，所述前后金属框架S2通过固定螺栓S4紧固该中空矩形体，形成模拟裂缝；所述上部窄板分别设有三个孔道19、21、22，分别对应下部窄板的三组通道13、12、11，每组通道包括2个孔道，所有孔道内均设有螺纹，可通过旋紧螺栓密封。

参见图1、图2。

所述粒径分级系统7（通过调节阀6连接集液罐5）正对支撑剂输送系统下部位置，该粒径分级系统包括三组震动筛筒K5，每组震动筛筒包括一、二、三、四级震动筛网K1、K2、K3、K4，支撑剂输送系统下部窄板的每组通道分别对应于每组震动筛筒的一级震动筛网。

参见图3。

所述机械分割系统H位于支撑剂输送系统的上部，包括旋转握柄H1、钢杆H2、螺栓H3、螺母H4、支架H5、固定阀H6、分割片H7，钢杆H2一端连接旋转握柄H1，另一端连接螺栓H3，螺栓下端连接分割片H7，螺栓与螺母H4匹配，螺母固定于支架H5上，该支架通过四个支脚的固定阀H6固定于支撑剂输送系统的前后金属框架，通过转动螺栓H3实现分割片H7在模拟裂缝中的上下位置自由调节。

所述模拟入口井筒17与模拟出口井筒9均由螺栓螺母组件与支撑剂输送系统固定连通，其连接处设有橡胶垫用于密封，保证液体不会流出。

所述模拟入口井筒下端设有旋塞阀14，模拟出口井筒上端、下端分别设有旋塞阀23、8，下端旋塞阀14与旋塞阀8用于清理井筒沉砂，上端旋塞阀23用于排出模拟裂缝内部空气。

所述流量计4用来监测携砂液进入模拟入口井筒的流量大小，压力计18、24分别用于监测携砂液流入模拟入口井筒与流出模拟出口井筒的压力变化。

所述每组震动筛筒包括一、二、三、四级震动筛网K1、K2、K3、K4，各级震动筛网目数由小到大依次排序，震动筛网目数由实验所用支撑剂目数决定。

所述上下窄板S1的宽度与实验设置的模拟裂缝宽度一致。

所述分割片H7的宽度等于或者略小于上部窄板的孔道的直径。

所述模拟入口井筒17、模拟出口井筒9与前后可视裂缝板S3之间分别设有3个流道。

利用上述装置获取支撑剂输送过程的支撑剂粒径分布的实验方法，依次包括以下步骤：

步骤一：清水存入储液罐29中，打开截止阀30、2、16、26，打开调节阀15、10，打开液体输送泵，清水循环整个系统，观察系统各部件是否漏液；

步骤二：实验用液替换储液罐29中清水，关闭截止阀30、2、16、26，关闭调节阀15、10，实验所用支撑剂倒入混砂罐1中，打开截止阀30，调整摄像机视域至需要观测的区域，开启液体输送泵31；

步骤三：开启混砂罐1，设置转速，待液体与支撑剂均匀混合后打开截止阀2；

步骤四：打开螺杆泵3，旋转调节阀15观察流量计4至设定流量，开启摄像机开关，打开截止阀30、26、16，打开调节阀10，打开旋流除砂器28，携砂液进入裂缝系统，拍摄实验过程，记录压力计18与24随时间的变化后，关闭螺杆泵3、混砂罐1、液体输送泵31、旋流除砂器28；

步骤五：打开支撑剂输送系统20的上部窄板的孔道19，将机械分割系统H的支架H5固定在前后金属框架S2上，分割片H7以垂直缝宽方向插入上部窄板的孔道，转动旋转握柄H1使分割片H7下降直至到达下部窄板，打开下部窄板的通道13，支撑剂从模拟裂缝内流入到粒径分级系统7的一级震动筛网中，打开震动筛K1~K4电机，各级粒径支撑剂实现有效分离。重复以上步骤，依次打开上部窄板的孔道21、下部窄板的通道12，上部窄板的孔道22、下部窄板的通道11，使得模拟裂缝内前部、中部、后部位置的支撑剂收集于粒径分级系统7的各组震动筛筒K5中；

步骤六：称量粒径分级系统每个位置的筛筒内的支撑剂质量，最终获取模拟裂缝内不同位置的支撑剂粒径分布信息。

以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用于限定本发明，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变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。