研究压裂酸化流体粘性指进的透明平行板装置

摘要

研究压裂酸化流体粘性指进的透明平行板装置，应用于油田压裂酸化施工的粘性指进测试研究。特征是：透明平行板由两块透明板四周粘接，在两块透明板之间形成宽度为5－20mm之间的模拟隙缝。在透明平行板的侧面固定有压力传感器。透明平行板上固定有放气阀和排空阀，左右两端面有实验流体入口和出口。泵送系统出口连接两个中间容器的入口。中间容器内有活塞或隔膜。中间容器的出口连接分流器入口。分流器的出口件连接透明平行板的入口。透明平行板出口连接有汇合器，汇合器的出口连接有回压调节器。效果是：本发明能观测和测量压裂酸化流体在不同粘度差、密度差以及不同排量情况下出现粘性指进的时机和程度，进行相关科学研究。

说明书

技术领域

本发明涉及一种研究油气田储层的室内实验装置，特别涉及实验压裂酸化流体发生的液体之间粘性指进现象的装置，具体地说是对压裂酸化施工在储层形成的裂缝中的不同流体之间可能存在的粘性指进进行测试研究的装置。

背景技术

在油气储层特别是低渗油气层勘探开发过程中，压裂酸化技术是通常采用的改造储层增产增注主要的措施。压裂酸化流体的粘性指进是有效改造储层的主要技术之一，主要过程为首先注入高粘度、非牛顿流体作为前置液产生裂缝，粘性胶凝液造缝，然后向缝中注入低粘酸液，或者交替注入高粘和低粘液体。低粘酸液在高粘胶凝液中高速指进且流动不均匀，酸以指进的方式驱替高粘度前置液，因此能够穿透并且不均匀的刻蚀裂缝壁面，造成油气流出的通道因此在压裂过后，裂缝内压力撤销的时候，可以在地层内留下一个具有导流性能的通道。而达到改造储层增产增注的目的。压裂酸化流体粘性指进措施技术的应用已经被世界上大部分油田的应用证实是有效的。

由一种低粘度流体驱替另一种流体过程而导致的粘性指进的不稳定过程，已经是多年来研究人员所普遍关注的问题。在之前已经有诸如小型平行板模型，Hele-Shaw模型(参考文献1-5)或孔隙内模型(参考文献6-9)来进行两种流体驱替模拟和粘性指进的研究。典型的Hele-Shaw盒是由两块相隔很小距离的平板玻璃组成的。孔隙内模型的改进则是在两块玻璃板中夹有被风化后的砂粒介质层，以期更客观的反映多孔介质的无规性性质。孔隙内模型外观尺寸为137.5×137.5×40mm。孔隙内模型两端有孔径约为1毫米的注入孔道和排液道，模型孔隙介质层的实际尺寸为125×125×0.7mm。比较经典成熟的流体驱替理论研究，都是通过Hele-Shaw模型，使用较小粘度的牛顿流体驱替另一种粘度的牛顿流体，来试验研究两种流体发生驱替的状态。参考文献如下：

1.Benham，A.L.& Olson，R.W.，A model study of viscous fingering.

Soc.Pet.Eng.J.(June1963)，p.138.

2.Perkins，T.K.，Johnston，O.C.& Hofman，R.N.，

Mechanics of viscous fingering in misciblesystems.

Soc.Pet.Eng.J.(December1965)，p.301.

3.Blackwell，R.J.，Rayne，J.R.& Terry，W.)！.，Factorsinfluencing the efficiency of miscible displacement.Trans.AIME(1960)，219，264.

4.Varnon，J.E.& Greenkorn，R，A.，Unstable two-fluid flow in aporous medium.

Soc.Pet.Eng.J.(September1969)，p.293，

5.Gupta，S.P.，Varnon，J.E.& Greenkorn，R.A.，Viscous fingerwavelength degeneration in Hele-Shaw models.Water ResourcesResearch~，(August1973).no.4，p.1039.

6.Gupta，S.P.&Greenkorn，R.A.，An experimental study ofimmiscible displacement.Water Resources Researchg，(April1974)，no.2，p.371.

7.Offeringa，J.& van der Poel，C，，Displacement of oil fromporous media by miscible liquids.Trans.AIME(1954)201，p，311.

8.Koval，E.J.，A method for predicting the performance ofunstable miscible displacement in heterogeneous media.Soc.Pet.Eng.J.(June1963)，p.145.

9.Perkins，T.K.&Johnston，O.C.，A studyof immiscible fingeringinlinear models，Soc.Pet.Eng.J.(March1969)，p.39.

上面讲述的粘性指进的研究都是针对两种牛顿流体之间驱替过程进行的，目前还没有对于适用于压裂酸化过程中出现的一种非牛顿流体被牛顿流体驱替过程中粘性指进方面的研究报道。然而对于压裂酸化流体来说，其流体均为非牛顿流体，其粘性指进过程中所涉及到的一种非牛顿流体驱替另一种非牛顿流体，且这种不稳定驱替过程发生在裂缝中，裂缝不扩几何形状和液体流动的状态也远不是Hele-Shaw模型和孔隙内模型所能够模拟的，相关研究及其研究设备在已有的文献中少之又少。

由以上可见，要研究压裂酸化流体粘性指进，其实验装置应该是能够模拟储层实际的裂缝几何形状和受力分布；实验装置还应该是能够计量并以不同泵速来泵入不同粘度的非牛顿性质的压裂酸化流体；实验装置的裂缝几何形状和泵入速度的比值关系应该反映实际矿场条件下储层形成裂缝内的流体遇到的情况；实验装置裂缝受力并不受外力特别是不能均匀分布的点压力影响；实验装置结构应力求简便，可操作性强。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种用于研究压裂酸化流体粘性指进的透明平行板装置，以便进行模拟压裂酸化工程的两种或多种交替注入的非牛顿流体在裂缝中可能出现的粘性指进研究。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案是：用于研究压裂酸化流体粘性指进的透明平行板装置，包括透明平行板、泵送系统、带活塞的中间容器、管阀件、回压调节器、压力传感器、排空阀和放空阀。其特征在于：

透明平行板包括两块透明板。两块透明板的长度在1000-8000mm之间，宽度在200-1000mm之间。两块透明板四周边粘接并密封，四周边的宽度在60—100mm之间。在两块透明板中间有5-20mm之间的长方形模拟隙缝，即两块透明板之间夹有5-20mm之间的长方形模拟隙缝。模拟裂缝的长度和高符合常规水力压裂裂缝的几何形状。透明平行板侧立放置，在透明平行板的侧面和/或上端面有多个测试孔，测试孔与模拟隙缝相联通，测试孔中分别固定有压力传感器，透明平行板上端面固定有放气阀，放气阀与模拟隙缝相联通，放气阀能使压裂酸化流体全部充满整个模拟裂缝。透明平行板的下端面固定有排空阀，排空阀与模拟隙缝相联通，排空阀能使整个模拟裂缝内的流体迅速排空。透明平行板左右两端面均布有3—10连接孔，连接孔与模拟隙缝相联通，连接孔中分别固定有实验流体入口管阀件和出口管阀件，入口管阀件和出口管阀件的数量分别在3—10个之间。

为了制作方便，在制作时两块透明板，其中一块厚透明板的厚度30-80mm之间，另一块薄透明板厚度在10-60mm之间。在厚透明板的一侧面有深度为5-20mm之间的长方形凹槽。凹槽的四周边到厚透明板的四周边的长度在60—100mm之间。两块透明板的四周粘接。

泵送系统包括计量泵和管阀件，泵送系统出口管阀件至少连接两个中间容器的入口。计量泵为排量在0.01—100l/min无级调整的计量泵，计量泵的输送排量误差≤1％。

中间容器为不锈钢内衬聚四氟乙烯塑料制成的容器，中间容器内有活塞或隔膜，其活塞或隔膜用于保证将计量泵输出的动力液和实验流体隔离，以便用同一计量泵给不同的实验液体输送动力。中间容器的出口有管阀件连接分流器入口。分流器的出口有管阀件连接透明平行板的入口管阀件。

透明平行板出口管阀件连接有汇合器，将透明平行板出口管阀件流出的实验流体汇合在一起。汇合器的出口连接有回压调节器。

透明平行板侧面多个连接孔均匀分布，连接孔的密度为每米13孔。连接孔的孔径为8mm。

实验过程中，重要的是使模拟裂缝的几何尺寸和泵送系统的排量成比例关系。该比例关系的确定主要是通过调整泵送系统的排量适应模拟裂缝尺寸，达到模拟裂缝内流体流动的线速度或者模拟裂缝对液体的流动剪切速率与矿场的压裂酸化流体遇到的实际线速度或剪切速率相比较，具有符合相似为准。

所述管阀件为不锈钢材料，市场流通常见产品，符合耐压规定的管阀件均可使用；所述回压调节器为市场流通常见产品，能够使整个系统保持在研究要求的压力即可；所述压力传感器为市场流通常见产品，能够采集裂缝系统内的压力数值即可；如放气阀、排空法、接入的管阀件均为市场流通常见产品，需要将其与透明薄板预留测试孔粘结，保持密封即可。

本发明的有益效果：本发明能完成模拟油田压裂酸化施工过程的两种或多种交替注入的非牛顿流体在裂缝中可能出现的粘性指进研究。通过透明平行板装置来模拟、研究地层中压裂酸化流体的粘性指进情况，不仅可以直接观察流体流动过程，更可以采集实验数据进行相关拟合与计算。已有的试验结果显示，流体粘度比、流体注入速率、模拟裂缝宽度被认定是控制粘性指进过程的重要变量参数；指进过程还与流体密度差、温度剖面、缝内压力分布等因素有关。实验过程可以定量进行分析，并且对于酸化压裂措施中粘性指进的情况有一定的指导意义。可以观测和测量压裂酸化流体在不同粘度差、密度差以及不同排量情况下出现粘性指进的时机和程度，进行相关科学研究。本发明还具有结构简单，便于实验操作的特点。

附图说明

图1是本发明的用于研究压裂酸化流体粘性指进的透明平行板装置示意图。

图中，1.泵送系统，2.带活塞的中间容器，3.管阀件，4.压力传感器，5.透明平行板裂缝，6.排空阀，7.放空阀，8.回压调节器，9.汇合器，10.分流器。

具体实施方式

下面将以实例进一步阐明本发明用于研究压裂酸化流体粘性指进的透明平行板装置的结构。

实施例1：参阅附图1。用于研究压裂酸化流体粘性指进的透明平行板装置，包括透明平行板5、泵送系统1、带活塞的中间容器2、管阀件3、回压调节器8、压力传感器4、排空阀6和放空阀7。

透明平行板5采用两块透明板粘接而成的。两块透明板为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料制成，聚甲基丙烯酸甲酯的分子式：-[CH3CH2COOCH3]-n。两块透明板的长度为2m，宽度为0.45m。其中一块厚透明板的厚度为40mm，另一块薄透明板厚度20mm。在厚透明板的内侧面有深度为8mm的长方形凹槽，凹槽的长1.9m，宽0.25m。两块透明板四周粘接并密封，在两块透明板之间形成8mm的模拟隙缝。粘接剂采用市场流通常见产品如三氯甲烷。

透明平行板5侧立放置，由工字型钢固定。工字型钢对透明平行板5侧面的固定点受力均匀。用工字型钢夹紧以防止透明平行板5裂缝开裂，工字型钢的夹力应该是均匀的受力。

在透明平行板5的侧面上部有3个测试孔，侧面下部有1个测试孔，即测试孔分布在靠近左右端面附近。测试孔与模拟隙缝相联通。测试孔中分别固定有压力传感器4。即用三氯甲烷粘接剂涂在压力传感器4的螺纹杆上并旋紧，起到固定和密封作用。透明平行板5上侧面固定有放气阀6，透明平行板5的下测面固定有排空阀7。透明平行板5左右两端面各均匀分布有3个连接孔，连接孔的密度符合每米13孔。连接孔的孔径为8mm。连接孔中分别固定有实验流体入口管阀件和出口管阀件。

泵送系统1包括计量泵和管阀件3，泵送系统1出口管阀件3连接两个中间容器2的入口。计量泵为排量在0.01—100l/min无级调整的计量泵，计量泵的输送排量误差0.25％，计量泵的型号为采用市场上常见达到要求的柱塞泵即可。其泵入的最高压力只要满足泵入不同液体的要求即可，对于压裂酸化专业研究遇到的液体，通常可选用泵压在达1-10MPa范围可以调整的柱塞泵就可以满足常用液体的泵注要求。

中间容器2为不锈钢内衬聚四氟乙烯塑料制成的容器，中间容器2内有活塞。中间容器2的出口有管阀件连接分流器10入口。分流器10的出口有3个。分流器10的出口有管阀件连接透明平行板5的入口管阀件。

透明平行板5有3个出口管阀件3连接有汇合器9，汇合器9的出口连接有回压调节器8。回压调节器8的型号为市场常见的金属膜片回压调节器即可。回压调节器8的最高设定值是计量泵1的额定输出压力，此时液体保持静止，但通常情况下除非将来利用本设备的研究项目有特别要求，大多数情况下回压调节器8的设定可设定回压为大气压。

简述实验过程，有助于理解本发明。

准备工作包括：在模型内充满清水；在带活塞的中间容器2中事先装好将要实验的不同液体以便之后使用计量泵向中间容器2施加压力并这些不同的液体在需要的不同时段注入到平行板中去。

准备工作中所述的不同液体包括：不同粘度、密度的压裂酸化工作液或模拟的工作液，将根据科研工作的需要自行设计液体的组成和泵入的先后次序。通常情况下的不同工作液可以分别注入，以在后面注入的驱替先行注入的液体完成驱替实验，包括使用水基压裂液的基液、冻胶、酸液和稠化酸、乳化酸、交联酸以及盐水进行相关实验。采用不同排量进行对比实验。并用摄像机通过透明平行板5观察和记录不同液体间的界面状况、是否发生粘性指进、开始发生粘性指进的时间、发生粘性指进的稳定状态时间、粘性指进现象发生后不同液体的形状等等用于研究的参数或现象。

研究事例之一是单纯粘度比值，低粘驱替高粘液体实验。分别使用了清水驱替浓度为0.3％的羟丙基瓜尔胶水溶液和浓度为0.6％的羟丙基瓜尔胶水溶液。在300ml/min下没有发现粘性指进现象，提高到500ml/min以上，发现被驱替的0.3％的羟丙基瓜尔胶水溶液出现的是舌状粘性指进，被驱替的0.3％的羟丙基瓜尔胶水溶液出现的是细长花状粘性指进，此时的泵压大约为0.2MPa左右。

指进过程中首先是一段不稳态，这个阶段指进的发展在长度和宽度上面都有增长，然后进入拟稳定态，这个阶段指进的高度已经达到了稳定高度，因此至今高度不会增加，仅仅是在长度上面不断增加。且随着粘度比率的增加，指进主体部分的高度降低。在非常高的粘度比条件下(600：1和900：1)，指进的发展将以树枝状边沿支状增长。指进高度的增加依靠的是增加注入速率，较低的注入速率限制了邻近射孔孔眼指进垂直高度的发展，由此也减少了这一区域指状合并的可能性。

实验中进行了液体可以由单一孔眼或两个甚至三个孔眼进入的不同情况。实验中由两个射入口形成的单个指进高度要比由单个入口形成的指进高度小，主要是在一定的距离后，两个分别的指进发生了合并。不考虑注入口数量的不同，实验的其他条件如两液体粘度比、注入速率和裂缝宽度是在相似条件下进行的，实验表明在已存在的指进高度有一个自稳定倾向。要防止两个相邻孔眼指进发生合并，需要足够宽的射孔孔眼空间的距离。

实验中进行了液体密度差的粘性指进试验。凝胶体系与酸的密度差的使用是为了防止酸化压裂过程中酸进入水域中而在现场常用的措施。然而，通常实验中两种液体(凝胶和低粘度液体)之间的密度差对粘性指进的影响可以忽略，这主要是重力因素(垂直方向)的影响要小于粘性因素(水平方向)。但是在极端情况下，如使用密度为1.1g/cm³以上的盐水(低粘)来驱替密度仅仅为1.01g/cm³左右的液体时，其粘性指进现象明显区别于密度接近的低粘液体驱替高粘液体的情况，受重力影响使得粘性指进的走向大幅度的向下。