一種泡沫壓裂液動(dòng)態(tài)攜砂能力評(píng)價(jià)裝置及工作方法
【專(zhuān)利摘要】一種泡沫壓裂液動(dòng)態(tài)攜砂能力評(píng)價(jià)裝置，包括產(chǎn)氣部、壓裂液儲(chǔ)存部、均與產(chǎn)氣部和壓裂液儲(chǔ)存部相連的泡沫發(fā)生器、支撐劑儲(chǔ)罐和模擬裂縫板；所述的產(chǎn)氣部包括沿氣體擴(kuò)散方向依次連接的氣瓶、氣體流量計(jì)和單向閥；所述的壓裂液儲(chǔ)存部包括可控制壓裂液流出流量的裝置；所述產(chǎn)氣部產(chǎn)生的氣體和壓裂液儲(chǔ)存部產(chǎn)生的液體經(jīng)氣泡發(fā)生器作用產(chǎn)生壓裂液泡沫，所述的壓裂液泡沫流入所述支撐劑儲(chǔ)罐的頂部；在支撐劑儲(chǔ)罐的底部設(shè)置有模擬裂縫板，在所述模擬裂縫板的末端設(shè)置有回壓閥。本發(fā)明在設(shè)定壓力下評(píng)價(jià)泡沫壓裂液和常規(guī)單相壓裂液動(dòng)態(tài)攜砂能力，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)泡沫與支撐劑相互作用的微觀可視化，本發(fā)明具有高效、精確、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種泡沬壓裂液動(dòng)態(tài)攜砂能力評(píng)價(jià)裝置及工作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種泡沫壓裂液動(dòng)態(tài)攜砂能力評(píng)價(jià)裝置及工作方法，屬于石油、天然 氣壓裂增產(chǎn)用流體性能評(píng)價(jià)裝置的【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 20世紀(jì)70年代末，泡沫壓裂液就可已經(jīng)開(kāi)在得到應(yīng)用，發(fā)展到現(xiàn)在泡沫壓裂工藝 已經(jīng)在美國(guó)、加拿大、澳大利亞等國(guó)家得到廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)在80年代后期引入泡沫壓裂技 術(shù)后，不斷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用探索，發(fā)展到現(xiàn)在已形成了多種泡沫液體系，主要包括 純表活劑泡沫壓裂液、線(xiàn)性膠泡沫壓裂液、酸堿性交聯(lián)泡沫壓裂液等。
[0003] 動(dòng)態(tài)攜砂性能是指壓裂液體系攜帶支撐劑顆粒運(yùn)移的能力，是評(píng)價(jià)壓裂液性能重 要指標(biāo)。泡沫壓裂液作為兩相流體不同于常規(guī)單相壓裂液，采用常規(guī)評(píng)價(jià)方法無(wú)法對(duì)其有 效、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，同時(shí)泡沫壓裂液獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)影響著其攜砂性能，這就同時(shí)要求攜砂評(píng)價(jià) 裝置能夠進(jìn)行微觀可視化研究。因此，研發(fā)一種可以評(píng)價(jià)泡沫壓裂液和常規(guī)壓裂液攜砂能 力，且高效、精確、經(jīng)濟(jì)的裝置及方法是十分必要的。
[0004] 中國(guó)專(zhuān)利CN10245347A公開(kāi)的一種煤層氣用泡沫壓裂液的懸砂性能測(cè)試方法，直 接將泡沫壓裂液加入量筒、加入陶粒支撐劑，觀察陶粒的沉降速度、分析泡沫壓裂液的懸砂 性能。首先，這種方法是一種靜態(tài)懸砂性能測(cè)試方法，無(wú)法貼近現(xiàn)場(chǎng)，可信度低；其次，直接 將泡沫加入量筒會(huì)使泡沫暴露在空氣中，這將影響泡沫的穩(wěn)定性，增大實(shí)驗(yàn)誤差。
[0005] 中國(guó)專(zhuān)利CN203132950U公開(kāi)的流體攜砂能力測(cè)量裝置，借用了井筒沖砂的原理， 壓裂液經(jīng)過(guò)內(nèi)筒流向外筒底部，再帶動(dòng)外筒底部的支撐劑由外筒向上流出。通過(guò)對(duì)比攜帶 支撐劑的高度，以及底部靜態(tài)的支撐劑體積來(lái)評(píng)價(jià)壓裂液的攜砂能力。首先，這種裝置和方 法只能適用于常規(guī)壓裂液體系的攜砂能力測(cè)試；其次，壓裂液鋪置支撐劑的過(guò)程主要發(fā)生 在裂縫而不是井筒，采用井筒沖砂原理影響實(shí)驗(yàn)的可信度。
[0006] 《工程熱物理學(xué)報(bào)》2011年第1期中，記載了由孫曉發(fā)表的《交聯(lián)氮?dú)馀菽瓑毫岩?的攜砂性能研究》一篇文章。該文章在大型高壓泡沫壓裂液實(shí)驗(yàn)回路上，對(duì)泡沫壓裂液的攜 砂性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，采用泡沫壓裂液的臨界攜砂流速表征攜砂性能。首先，這種實(shí)驗(yàn)設(shè) 備體積龐大，費(fèi)用高昂，難以普及；其次，該方法仍然是是在管路中而不是裂縫中研究壓裂 液攜砂性能；最后，文章中雖然實(shí)現(xiàn)了支撐劑沉降的可視化觀察，但由于管徑粗、泡沫透光 性差、顆粒運(yùn)移軌跡不規(guī)則等原因，該裝置無(wú)法良好得實(shí)現(xiàn)泡沫與支撐劑相互作用的微觀 可視化。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種泡沫壓裂液動(dòng)態(tài)攜砂能力評(píng)價(jià)裝置，該裝 置可以評(píng)價(jià)泡沫壓裂液和常規(guī)單相壓裂液攜砂能力，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)泡沫與支撐劑相互作用 的微觀可視化，該裝置具有高效、精確、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。
[0008] 本發(fā)明還提供一種上述泡沫壓裂液動(dòng)態(tài)攜砂能力評(píng)價(jià)裝置的工作方法。
[0009] 本發(fā)明技術(shù)方案在于：
[0010] 一種泡沫壓裂液動(dòng)態(tài)攜砂能力評(píng)價(jià)裝置，包括產(chǎn)氣部、壓裂液儲(chǔ)存部、均與產(chǎn)氣部 和壓裂液儲(chǔ)存部相連的泡沫發(fā)生器、支撐劑儲(chǔ)罐和模擬裂縫板；
[0011] 所述的產(chǎn)氣部包括沿氣體擴(kuò)散方向依次連接的氣瓶、氣體流量計(jì)和單向閥；
[0012] 所述的壓裂液儲(chǔ)存部包括可控制壓裂液流出流量的裝置；
[0013] 所述產(chǎn)氣部產(chǎn)生的氣體和壓裂液儲(chǔ)存部產(chǎn)生的液體經(jīng)氣泡發(fā)生器作用產(chǎn)生壓裂 液泡沫，所述的壓裂液泡沫流入所述支撐劑儲(chǔ)罐的頂部；
[0014] 在支撐劑儲(chǔ)罐的底部設(shè)置有模擬裂縫板，在所述模擬裂縫板的末端設(shè)置有回壓 閥；在所述支撐劑儲(chǔ)罐的頂部設(shè)置有壓力表。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述泡沫發(fā)生器與支撐劑儲(chǔ)罐通過(guò)連接管線(xiàn)相連，所述連接 管線(xiàn)為內(nèi)徑3?6mm的不銹鋼管線(xiàn)。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述泡沫壓裂液動(dòng)態(tài)攜砂能力評(píng)價(jià)裝置還包括計(jì)算機(jī)和微觀 攝像機(jī)；在所述模擬裂縫板上設(shè)置有微觀攝像機(jī)，所述微觀攝像機(jī)與所述計(jì)算機(jī)相連，用于 采集、儲(chǔ)存、分析所述模擬裂縫內(nèi)泡沫壓裂液攜砂的參數(shù)，以評(píng)價(jià)所述模擬裂縫內(nèi)泡沫壓裂 液攜砂能力。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述可控制壓裂液流出流量的裝置包括由平流泵驅(qū)動(dòng)的用于 容納壓裂液的中間容器。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述支撐劑儲(chǔ)罐為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，所述支撐劑儲(chǔ)罐內(nèi)部標(biāo)有體 積刻度，作用是存放支撐劑顆粒，也用于計(jì)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程中壓裂液攜帶走的支撐劑體積；其帶 有體積刻度一面及相對(duì)面為耐壓鋼化玻璃，其余面為不銹鋼。此處設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)使支撐劑儲(chǔ) 罐承受較高壓力。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述支撐劑儲(chǔ)罐的內(nèi)腔的高度為20cm?40cm，體積為20mL? 160mL。此處設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于采用少量的支撐劑顆粒既可以完成實(shí)驗(yàn)，同時(shí)該設(shè)計(jì)可以保證 儲(chǔ)罐內(nèi)的支撐劑上端面在壓裂液沖擊下均勻下降低，便于支撐劑體積的計(jì)量。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述模擬裂縫板包括上下兩塊耐壓鋼化玻璃板，在所述鋼化 玻璃板的四周采用不銹鋼嵌套密封。所述模擬裂縫板作用是為攜砂壓裂壓裂液攜帶提供流 動(dòng)空間，并實(shí)現(xiàn)支撐劑與泡沫相互作用的微觀可視化。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述模擬裂縫板中裂縫的縱切面為長(zhǎng)方形、楔形或折線(xiàn)形。本 發(fā)明所述的裂縫的切面形狀可以為長(zhǎng)方形、楔形或折線(xiàn)形，同時(shí)裂縫可以水平放置或堅(jiān)直 放置。此處設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)各類(lèi)裂縫環(huán)境下壓裂液攜砂性能的評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更 貼近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述支撐劑為粒徑0. 1mm?0. 9mm的支撐劑顆粒。本發(fā)明采 用與模擬裂縫相適應(yīng)的陶粒支撐劑進(jìn)行匹配使用，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述模擬裂縫板所 形成裂縫的厚度為1_3_。在于該厚度范圍內(nèi)，通過(guò)微觀攝像機(jī)可以清晰的觀測(cè)到裂縫板內(nèi) 泡沫攜砂流動(dòng)的微觀過(guò)程，同時(shí)降低裂縫內(nèi)壁摩擦支撐劑對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，減少裂縫中砂卡 現(xiàn)象。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選，所述泡沫壓裂液中氣體體積占比應(yīng)控制在50 %?90 %。此處 設(shè)計(jì)在于過(guò)高或過(guò)低的氣體占比時(shí)將影響泡沫的性質(zhì)，這會(huì)使所測(cè)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確代表 的所述泡沫壓裂液的性能。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，在所述模擬裂縫板的末端，且在回壓閥的上游設(shè)置有濾網(wǎng)。此 處設(shè)計(jì)濾網(wǎng)的作用一是當(dāng)支撐劑顆粒運(yùn)移地最遠(yuǎn)距離大于裂縫最大長(zhǎng)度時(shí)，過(guò)濾支撐劑并 使其在裂縫端部堆積，以研究不同體系壓裂液攜帶下，支撐劑在裂縫端面鋪置形態(tài)的變化； 二是過(guò)濾掉壓裂液中的顆粒，以免破壞回壓閥。
[0025] -種泡沫壓裂液動(dòng)態(tài)攜砂能力評(píng)價(jià)裝置的工作方法，包括步驟如下：
[0026] (1)連接設(shè)備，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)；
[0027] (2)向支撐劑儲(chǔ)罐填充測(cè)試用支撐劑，在中間容器內(nèi)加入泡沫壓裂液基液，將回壓 閥過(guò)流壓力升高到測(cè)試壓力；此處所述測(cè)試壓力最高值以設(shè)備所能承受的安全壓力極限為 準(zhǔn)，設(shè)置測(cè)試壓力的主要目的是為了研究泡沫攜砂能力隨壓力的變化；
[0028] (3)打開(kāi)平流泵開(kāi)關(guān)并調(diào)節(jié)泵注速度，打開(kāi)氣瓶開(kāi)關(guān)及氣體流量計(jì)開(kāi)關(guān)，調(diào)劑氣體 流速，控制泡沫壓裂液的產(chǎn)生量；
[0029] (4)從模擬裂縫板中出現(xiàn)泡沫流體開(kāi)始計(jì)時(shí)，記錄測(cè)試時(shí)間段Λ t內(nèi)，支撐劑儲(chǔ)罐 中支撐劑的減少量，即泡沫壓裂液的攜砂體積V，cm3,采用透明方格紙采集支撐劑在模擬裂 縫板的單條裂縫中的分布數(shù)據(jù)：包括支撐劑的運(yùn)移最遠(yuǎn)距離1_，cm，以及支撐劑在單條裂 縫中的分布狀態(tài)，同時(shí)采用微觀攝像機(jī)觀測(cè)模擬裂縫板內(nèi)支撐劑與泡沫壓裂液基液的相互 作用；
[0030] (5)計(jì)算并對(duì)比不同泡沫壓裂液的攜砂能力參數(shù)，包括：
[0031] ①泡沫壓裂液?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的攜砂質(zhì)量M，g/min，計(jì)算公式為：

【權(quán)利要求】
1. 一種泡沫壓裂液動(dòng)態(tài)攜砂能力評(píng)價(jià)裝置，其特征在于，該裝置包括產(chǎn)氣部、壓裂液儲(chǔ) 存部、均與產(chǎn)氣部和壓裂液儲(chǔ)存部相連的泡沫發(fā)生器、支撐劑儲(chǔ)罐和模擬裂縫板； 所述的產(chǎn)氣部包括沿氣體擴(kuò)散方向依次連接的氣瓶、氣體流量計(jì)和單向閥； 所述的壓裂液儲(chǔ)存部包括可控制壓裂液流出流量的裝置； 所述產(chǎn)氣部產(chǎn)生的氣體和壓裂液儲(chǔ)存部產(chǎn)生的液體經(jīng)氣泡發(fā)生器作用產(chǎn)生壓裂液泡 沫，所述的壓裂液泡沫流入所述支撐劑儲(chǔ)罐的頂部； 在支撐劑儲(chǔ)罐的底部設(shè)置有模擬裂縫板，在所述模擬裂縫板的末端設(shè)置有回壓閥；在 所述支撐劑儲(chǔ)罐的頂部設(shè)置有壓力表。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種泡沫壓裂液動(dòng)態(tài)攜砂能力評(píng)價(jià)裝置，其特征在于，所述 泡沫發(fā)生器與支撐劑儲(chǔ)罐通過(guò)連接管線(xiàn)相連，所述連接管線(xiàn)為內(nèi)徑3?6_的不銹鋼管線(xiàn)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種泡沫壓裂液動(dòng)態(tài)攜砂能力評(píng)價(jià)裝置，其特征在于，所述 泡沫壓裂液動(dòng)態(tài)攜砂能力評(píng)價(jià)裝置還包括計(jì)算機(jī)和微觀攝像機(jī)；在所述模擬裂縫板上設(shè)置 有微觀攝像機(jī)，所述微觀攝像機(jī)與所述計(jì)算機(jī)相連，用于采集、儲(chǔ)存、分析所述模擬裂縫內(nèi) 泡沫壓裂液攜砂的參數(shù)，以評(píng)價(jià)所述模擬裂縫內(nèi)泡沫壓裂液攜砂能力。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種泡沫壓裂液動(dòng)態(tài)攜砂能力評(píng)價(jià)裝置，其特征在于，所述 可控制壓裂液流出流量的裝置包括由平流泵驅(qū)動(dòng)的用于容納壓裂液的中間容器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種泡沫壓裂液動(dòng)態(tài)攜砂能力評(píng)價(jià)裝置，其特征在于，所述 模擬裂縫板所形成裂縫的厚度為l_3mm ;所述支撐劑為粒徑0. 1mm?0. 9mm的支撐劑顆粒。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種泡沫壓裂液動(dòng)態(tài)攜砂能力評(píng)價(jià)裝置，其特征在于，所述 支撐劑儲(chǔ)罐為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，所述支撐劑儲(chǔ)罐內(nèi)部標(biāo)有體積刻度，作用是存放支撐劑顆粒，也 用于計(jì)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程中壓裂液攜帶走的支撐劑體積；其帶有體積刻度一面及相對(duì)面為耐壓鋼 化玻璃，其余面為不銹鋼；所述支撐劑儲(chǔ)罐的內(nèi)腔的高度為20cm?40cm，體積為20mL? 160mL〇
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種泡沫壓裂液動(dòng)態(tài)攜砂能力評(píng)價(jià)裝置，其特征在于，所述 模擬裂縫板包括上下兩塊耐壓鋼化玻璃板，在所述鋼化玻璃板的四周采用不銹鋼嵌套密 封；所述模擬裂縫板中裂縫的縱切面為長(zhǎng)方形、楔形或折線(xiàn)形。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種泡沫壓裂液動(dòng)態(tài)攜砂能力評(píng)價(jià)裝置，其特征在于，所述 泡沫壓裂液中氣體體積占比應(yīng)控制在50 %?90 %。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種泡沫壓裂液動(dòng)態(tài)攜砂能力評(píng)價(jià)裝置，其特征在于，在所 述模擬裂縫板的末端，且在回壓閥的上游設(shè)置有濾網(wǎng)。
10. -種如權(quán)利要求1-9任意一項(xiàng)所述泡沫壓裂液動(dòng)態(tài)攜砂能力評(píng)價(jià)裝置的工作方 法，包括步驟如下： (1) 連接設(shè)備，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)； (2) 向支撐劑儲(chǔ)罐填充測(cè)試用支撐劑，在中間容器內(nèi)加入泡沫壓裂液基液，將回壓閥過(guò) 流壓力升高到測(cè)試壓力； (3) 打開(kāi)平流泵開(kāi)關(guān)并調(diào)節(jié)泵注速度，打開(kāi)氣瓶開(kāi)關(guān)及氣體流量計(jì)開(kāi)關(guān)，調(diào)劑氣體流 速，控制泡沫壓裂液的產(chǎn)生量； (4) 從模擬裂縫板中出現(xiàn)泡沫流體開(kāi)始計(jì)時(shí)，記錄測(cè)試時(shí)間段At內(nèi)，支撐劑儲(chǔ)罐中 支撐劑的減少量，即泡沫壓裂液的攜砂體積V，cm3,采用透明方格紙采集支撐劑在模擬裂縫 板的單條裂縫中的分布數(shù)據(jù)：包括支撐劑的運(yùn)移最遠(yuǎn)距離1_，cm，以及支撐劑在單條裂縫 中的分布狀態(tài)，同時(shí)采用微觀攝像機(jī)觀測(cè)模擬裂縫板內(nèi)支撐劑與泡沫壓裂液基液的相互作 用； (5)計(jì)算并對(duì)比不同泡沫壓裂液的攜砂能力參數(shù)，包括： ① 泡沫壓裂液?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的攜砂質(zhì)量M，g/min，計(jì)算公式為：，其中P ? 為支撐劑的堆積密度，g/cm3 ;

② 支撐劑顆粒運(yùn)移地最遠(yuǎn)距離1_，cm ; ③ 支撐劑顆粒平均鋪置密度P II，g/cm2,計(jì)算公式為 其中w為裂縫 寬度，cm。
【文檔編號(hào)】G01N11/00GK104280315SQ201410557368
【公開(kāi)日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2014年10月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月20日
【發(fā)明者】李兆敏, 呂其超, 李賓飛, 李松巖, 盧擁軍, 邱曉慧, 張昀 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(華東)