一种干法压裂用可视化动态裂缝携砂评价装置及其工作方法

摘要

一种干法压裂用可视化动态裂缝携砂评价装置包括实验腔体、在所述实验腔体内设置有移动式密封隔断，实验腔体分为第一内腔和第二内腔；在所述第一内腔上分别连接设置有氮气注入管和液体注入管；第一内腔与移动式密封隔断对应的一侧与所述移动密封隔断之间设置有稳定器；在所述第二内腔上分别连接设置有携砂液注入管、携砂液排出管；在所述第二内腔内设置有光源，第二内腔与移动式密封隔断对应的一侧为透明板；在所述第二内腔的外部且与所述透明板相对的位置设置有图像采集装置；在所述第二内腔底部设置有多个排沙孔，分别有法兰封堵设置。本发明具有操作简单、安全性强、效能高的特点，可以模拟液态CO2压裂液在不同宽度裂缝条件下的携砂性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种干法压裂用可视化动态裂缝携砂评价装置及其工作方法，属于油气田压裂改造、节能减排的技术领域。

背景技术

随着石油天然气能源的需求量与日俱争，越来越多的非常规低渗透油气藏被开发利用，对于这些非常规油气藏的开发最有效的方式就是进行压裂改造，提高油气产能。泡沫压裂工艺相对于常规压裂工艺具有携砂量大、滤失量低、压裂效能高、返排量高、地层伤害小等优势，是开发非常规低渗透油气藏的一种有效方式。

与水基压裂液相比，干法压裂具有独特优势：由于体系中没有水，全部为气体，没有残渣，与地层配伍性好，完全避免了对地层和裂缝的污染；CO₂流动性强，可以进入储集层中的微裂缝，更好地沟通储集层；压裂后地层中气体膨胀，可以全部快速返排；同时，CO₂易溶于原油，降低原油粘度，引起原油体积膨胀，增加储层能量，利于原油的开采。液态CO₂干法压裂的上述性能对于提高压裂改造效果和最终采收率具有重要意义，具有良好的应用前景。

然而液态CO₂干法压裂过程中也面临一些技术难题。CO₂干法压裂过程中，液态CO₂粘度极低，一般在0.02-0.16mPa·s，而且其粘度、密度、表面张力等物理性质与温度和压力密切相关，压裂过程中携砂能力差、容易脱砂、形成砂堵。

传统的压裂液携砂实验设备结构简单，功能单一，压力调节复杂，裂缝宽度难以更改，因此难以将其利用至干法压裂中以实现：提高携砂能力、难脱砂、不易造成砂堵等技术效果。

中国专利文献CN206002508U公开了《一种压裂液携砂效果评价装置》，该专利文献描述了在大型回路系统中评价压裂液携砂效果的装置。但是该文献中提及到的评价装置在应用是会出现以下情况：首先，该评价装置设备体积庞大，使用不便；其次，该方法是针对普通常规压裂液，耐压能力有限，不适用于高压下液态CO₂压裂液的携砂能力评价；最后，该方法裂缝尺寸空间固定，改变较为繁琐，难以模拟不同尺寸裂缝。

因此，为了精确测定液态CO₂的携砂能力，研发一种测量动态裂缝中液态CO₂携砂能力的可视化模型及其应用是十分必要的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种干法压裂用可视化动态裂缝携砂评价装置。本发明所述装置可以评价液态CO₂压裂液和常规单相压裂液携砂能力。

本发明还提供上述评价装置的工作方法。本发明所述方法可以测定液态CO₂的携砂能力，本发明具有可视、耐压、耐磨、耐腐蚀、裂缝宽度和压力方便调整等特点，同时本发明操作简单，安全性强，效能高。本发明所述工作方法经动态调节压力，改变裂缝宽度，可模拟实际地层条件下的液态二氧化碳携砂流动，经可视化设计，由高速摄像机记录流动形态，研究液态二氧化碳携砂流动机理。

本发明的技术方案如下：

一种干法压裂用可视化动态裂缝携砂评价装置，包括实验腔体、在所述实验腔体内设置有移动式密封隔断，将所述实验腔体分为第一内腔和第二内腔；

在所述第一内腔上分别连接设置有氮气注入管和液体(水或者油)注入管；第一内腔与移动式密封隔断对应的一侧与所述移动密封隔断之间设置有稳定器；

在所述第二内腔上分别连接设置有携砂液注入管、携砂液排出管；在所述第二内腔内设置有光源，第二内腔与移动式密封隔断对应的一侧为透明板(所述透明板为可视化石英玻璃)；在所述第二内腔的外部且与所述透明板相对的位置设置有图像采集装置，由图像采集装置通过所述可视化石英玻璃对液态二氧化碳携砂流动形态进行拍摄记录；

在所述第二内腔底部设置有多个排沙孔，分别有法兰封堵设置。

本发明利用第一内腔供氮气和液体流动，氮气和液相推动移动密封隔断移动，第一内腔体积变大；第二内腔模拟裂缝，供携砂液流动。本发明中在所述第一内腔所对应的氮气注入管和液体注入管上设置有流量控制阀，其作用是调控第一内腔气液比例；在所述第二内腔所对应的携砂液注入管、携砂液排出管上设置有流量控制阀，其作用是控制携砂液的进出速度。

根据本发明优选的，所述光源设置在所述移动密封隔断上。所述移动密封隔断在所述第二内腔这一侧，安置有四个光源。

根据本发明优选的，所述的第二内腔用于模拟压裂裂缝，所述模拟压裂裂缝的尺寸范围：长：300-700mm，高：50-100mm，宽：1-10mm。

根据本发明优选的，所述透明板的耐压为10-100MPa。

根据本发明优选的，所述透明板的耐压为20-30MPa。

根据本发明优选的，在所述第二内腔的侧壁的顶部设置有携砂液注入管，在所述第二内腔的侧壁的底部设置有携砂液排出管。

根据本发明优选的，在携砂液注入管上沿所述携砂液流向依次设置有压力表、加砂器。优选的，所述携砂液注入管为内径3～6mm的不锈钢管线。

根据本发明优选的，在携砂液排出管上沿所述携砂液流向依次设置有滤网和回压阀。此处设计滤网的作用一是当支撑剂颗粒运移地最远距离大于裂缝最大长度时,过滤支撑剂并使其在裂缝端部堆积,以研究不同体系压裂液携带下,支撑剂在裂缝端面铺置形态的变化；二是过滤掉压裂液中的颗粒,以免破坏回压阀。

根据本发明优选的，所述图像采集装置包括与计算机相连的高速摄像机。此设计用于采集、储存、分析所述模拟裂缝内液态CO₂压裂液携砂的参数，以评价所述模拟裂缝内液态CO₂压裂液携砂能力。

根据本发明优选的，所述光源为LED光源。

一种上述干法压裂用可视化动态裂缝携砂评价装置工作方法，包括如下步骤：

(1)连接上述评价装置中所包括的所有零件；将所述液态CO₂携砂液注入与柱塞泵相连的中间容器内，将测试用支撑剂装入加砂器内，所述中间容器和加砂器通过携砂液注入管与第二内腔所模拟的压裂裂缝相连，关闭携砂液排出管阀门。将回压阀过流压力升高到测试压力：此处测试压力最高值以所述评价装置所能承受的安全压力极限为准，设置测试压力的主要目的是为了研究液态CO₂压裂液携砂能力随压力的变化，以及确保CO₂处于液态状态；

(2)试压：

向所述第一内腔中通入高压清水，保持最高施工压力30-40min，进行憋压，不刺不漏即为试压合格；此处所述的最高施工压力是根据具体施工现场而确定的数值；

(3)携砂流动：

将液态二氧化碳携砂液通入携砂液注入管；

氮气和/或液体通入所述第一内腔进而调整第一内腔的压力和移动密封隔断的位置，以此模拟压裂过程中，压裂液所流经的裂缝的尺寸的变化，进行裂缝的动态调整；

调节压裂液流速，打开加砂器，开始向模拟压裂裂缝注入支撑剂，以某速度向系统内加入支撑剂；同时，所述图像采集装置通过透明板拍摄记录液态二氧化碳携砂液流动形态过程；

(4)排渣：

将所述第一内腔和第二内腔卸去压力，打开所述排砂管对应的法兰，排出支撑剂及残余液体。

根据本发明优选的，所述支撑剂为粒径为0.1mm～0.9mm的支撑剂颗粒。本发明采用与模拟压裂裂缝相适应的支撑剂进行匹配使用,所述模拟裂缝板所形成裂缝的厚度为1～10mm。在于该厚度范围内,通过高速摄像机可以清晰的观测到裂缝板内液态CO₂携砂流动的过程,同时降低裂缝内壁摩擦支撑剂对实验的影响,减少裂缝中砂卡现象。

本发明的有益效果：

本发明具有耐压耐磨的特点，设计最高耐压值可以承受固相颗粒的冲击，石英玻璃可视化视窗和腔体的最高耐压可以模拟现场施工压力条件，在高压下进行液态CO₂压裂液携砂性能的评价。

本发明具有操作简单、安全性强、效能高的特点，可以模拟液态CO₂压裂液在不同宽度裂缝条件下的携砂性能。调整两个内腔内部不同的压力，调节裂缝平板间隙宽度。不必更换原有平板，安全高效。

本发明所采用的图像采集系统是由高速摄像机及所连接的电脑构成。具有精准度高，存储空间大等特点，便于准确分析支撑剂沉降形成的砂堤高度和临界沉降速度。

附图说明

图1、图2是本发明所述可视化动态裂缝携砂模型的整体结构示意图；

在图1、图2中，1、外壳；2、稳定器；3、氮气注入管；4、针形阀；5、液体注入管；6、密封隔断；7、光源；8、排砂孔；9、携砂液注入管；10、石英玻璃；11、固定板；12、固定螺栓；13、携砂液排出管；14、第二内腔；15、第一内腔；16、高速摄像机；17、计算机；18、压力表；19、加砂器；20、滤网；21、回压阀。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

如图1、图2所示。

实施例1、

一种干法压裂用可视化动态裂缝携砂评价装置，包括实验腔体、在所述实验腔体内设置有移动式密封隔断6，将所述实验腔体分为第一内腔15和第二内腔14；

在所述第一内腔15上分别连接设置有氮气注入管3和液体注入管5；第一内腔15与移动式密封隔断6对应的一侧与所述移动密封隔断6之间设置有稳定器2；

在所述第二内腔14上分别连接设置有携砂液注入管9、携砂液排出管13；在所述第二内腔14内设置有光源，第二内腔14与移动式密封隔断6对应的一侧为透明板(所述透明板为可视化石英玻璃)；在所述第二内腔14的外部且与所述透明板相对的位置设置有图像采集装置，由图像采集装置通过所述可视化石英玻璃对液态二氧化碳携砂流动形态进行拍摄记录；

在所述第二内腔14底部设置有多个排沙孔8，分别有法兰封堵设置。

在所述第二内腔14的侧壁的顶部设置有携砂液注入管9，在所述第二内腔14的侧壁的底部设置有携砂液排出管13。

在携砂液注入管9上沿所述携砂液流向依次设置有压力表18、加砂器19。所述携砂液注入管为内径3～6mm的不锈钢管线。

在携砂液排出管13上沿所述携砂液流向依次设置有滤网20和回压阀21。

所述图像采集装置包括与计算机相连的高速摄像机16。

所述光源7为LED光源。

实施例2、

如实施例1所述的一种干法压裂用可视化动态裂缝携砂评价装置，其区别在于，所述光源7设置在所述移动密封隔断6上。所述移动密封隔断6在所述第二内腔14这一侧，安置有四个光源7。

实施例3、

如实施例1所述的一种干法压裂用可视化动态裂缝携砂评价装置，其区别在于，所述的第二内腔14用于模拟压裂裂缝，所述模拟压裂裂缝的尺寸范围：长：300-700mm，高：50-100mm，宽：1-10mm。

所述透明板的耐压为20-30MPa。

实施例4、

一种如实施例1-3所述干法压裂用可视化动态裂缝携砂评价装置工作方法，包括如下步骤：

(1)连接上述评价装置中所包括的所有零件；将所述液态CO₂携砂液注入与柱塞泵相连的中间容器内，将测试用支撑剂装入加砂器内，所述中间容器和加砂器通过携砂液注入管与第二内腔所模拟的压裂裂缝相连，关闭携砂液排出管阀门。将回压阀过流压力升高到测试压力：此处测试压力最高值以所述评价装置所能承受的安全压力极限为准，设置测试压力的主要目的是为了研究液态CO₂压裂液携砂能力随压力的变化，以及确保CO₂处于液态状态；

(2)试压：

向所述第一内腔中通入高压清水，保持最高施工压力30-40min，进行憋压，不刺不漏即为试压合格；此处所述的最高施工压力是根据具体施工现场而确定的数值；

(3)携砂流动：

将液态二氧化碳携砂液通入携砂液注入管；

氮气和/或液体通入所述第一内腔进而调整第一内腔的压力和移动密封隔断的位置，以此模拟压裂过程中，压裂液所流经的裂缝的尺寸的变化，进行裂缝的动态调整；

调节压裂液流速，打开加砂器，开始向模拟压裂裂缝注入支撑剂，以某速度向系统内加入支撑剂；同时，所述图像采集装置通过透明板拍摄记录液态二氧化碳携砂液流动形态过程；

(4)排渣：

将所述第一内腔和第二内腔卸去压力，打开所述排砂管对应的法兰，排出支撑剂及残余液体。

所述支撑剂为粒径为0.1mm～0.9mm的支撑剂颗粒。本发明采用与模拟压裂裂缝相适应的支撑剂进行匹配使用,所述模拟裂缝板所形成裂缝的厚度为1～10mm。在于该厚度范围内,通过高速摄像机可以清晰的观测到裂缝板内液态CO₂携砂流动的过程,同时降低裂缝内壁摩擦支撑剂对实验的影响,减少裂缝中砂卡现象。

实施例5、

如实施例4所述的所述干法压裂用可视化动态裂缝携砂评价装置工作方法，其区别在于，所述步骤(1)中的支撑剂粒径为0.18-0.25mm。

试压合格后，评价与不同类型增稠剂混合后的液态二氧化碳压裂液的携砂效果，如表1所示：

表1.三种含不同增稠剂的液态CO2压裂液携砂效果对比表

如表1所示。在20℃，10MPa的条件下，将分别含有三种不同增稠剂类型：TNJ-1、TNJ-2和TNJ-3，浓度皆为1％的液态CO₂压裂液通入到携砂液注入管9中，第一内腔15内氮气初始压力设定值为10MPa，在测试过程中，向第一内腔15持续充入高压清水，改变两个内腔体积，从而改变裂缝宽度。实现模拟压裂过程中，裂缝宽度动态变化这一现象。如实施例4对表中三种不同类型的液态CO₂压裂液的携砂效果进行评价。

如表1所示，经TNJ-1稠化后的液态CO2压裂液，相比TNJ-2，TNJ-3而言，在较小的压裂液流速下就可以使支撑剂颗粒从静止到被压裂液携带向前运移，说明相同条件下，经TNJ-1稠化后的液态CO₂压裂液携砂效果最好，而经TNJ-3稠化后的液态CO2压裂液需要更大的压裂液流速才能将支撑剂颗粒携带运移，所以相同实验条件下，经TNJ-3稠化后的液态CO2压裂液在这三种压裂液中携砂效果最差。