模拟复杂缝网内支撑剂运移的可视化实验装置 |
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| 申请号 | CN201410745362.3 | 申请日 | 2014-12-09 | 公开(公告)号 | CN104533404B | 公开(公告)日 | 2017-04-05 |
| 申请人 | 中国石油集团川庆钻探工程有限公司; | 发明人 | 尹丛彬; 李彦超; 王素兵; 段明锋; 宼双锋; 李莹; 朱炬辉; 陈锐; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种模拟复杂缝网内 支撑 剂 运移的 可视化 实验装置，包括供液及混砂系统、 泵 注系统、管路输送系统、可视化裂缝网络系统、循环液处理系统、 数据采集 系统和控制系统，供液及混砂系统的出口通过管路输送系统与泵注系统的入口连接，泵注系统的出口通过管路输送系统与可视化裂缝网络系统的入口连接，可视化裂缝网络系统出口通过管路输送系统与循环液处理系统的入口连接，循环液处理系统的出口通过管路输送系统与泵注系统的入口连接，用于采集数据的数据采集系统与控制系统连接。本发明能够较真实的模拟复杂裂缝网络内支撑剂运移规律，探索滑溜 水 压裂支撑剂流动机理。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种模拟复杂缝网内支撑剂运移的可视化实验装置，其特征在于：包括供液及混砂系统、泵注系统、管路输送系统、可视化裂缝网络系统、循环液处理系统、数据采集系统和控制系统，供液及混砂系统的出口通过管路输送系统与泵注系统的入口连接，泵注系统的出口通过管路输送系统与可视化裂缝网络系统的入口连接，可视化裂缝网络系统出口通过管路输送系统与循环液处理系统的入口连接，循环液处理系统的出口通过管路输送系统与泵注系统的入口连接，用于采集数据的数据采集系统与控制系统连接；所述可视化裂缝网络系统包括垂直主裂缝和连接裂缝，垂直主裂缝为平行设置的两条，连接裂缝设置在两条垂直主裂缝之间且分别与两条垂直主裂缝连通，垂直主裂缝上设置有模拟入口和模拟出口。 |
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| 说明书全文 | 模拟复杂缝网内支撑剂运移的可视化实验装置技术领域背景技术[0002] 页岩储层低孔、低渗，层理、天然微裂缝发育，以常规开采手段难以实现其高效开发。水平井多级压裂技术可以形成复杂裂缝网络，增大储层改造体积，大幅提升气井产量及气藏采收率，尤其是页岩储层滑溜水压裂技术，以大规模、高排量等特征，能更有效的提高水力裂缝网络复杂程度，增大储层改造体积（SRV）。然而，复杂的裂缝网络及滑溜水携砂能力低均给页岩储层改造裂缝网络的有效支撑带来巨大影响，严重的降低了有效储层改造体积（ESRV）和裂缝导流能力。因此，研究复杂缝网内支撑剂运移规律，对于实现页岩储层水力压裂复杂裂缝网络的有效支撑，提高裂缝导流能力具有重要的意义。 [0003] 目前对于裂缝内支撑剂运移模拟测试装置，明显存在以下的不足与缺点： [0004] （1）不能模拟天然裂缝对裂缝内支撑剂运移的影响； [0005] （2）不能模拟储层层理裂缝对裂缝内支撑剂运移的影响； [0006] （3）不能模拟分簇射孔压裂时，裂缝内支撑剂的运移规律； [0007] （4）“工厂化”压裂过程中，相邻井间的段间干扰对于支撑剂运移的流动影响不容忽视，没有模拟这一过程就不能真实反应多井压裂时支撑剂运移的真实情况。 发明内容[0008] 本发明的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种模拟复杂缝网内支撑剂运移的可视化实验装置。本发明能够较真实的模拟复杂裂缝网络内支撑剂运移规律，探索滑溜水压裂支撑剂流动机理，用以指导页岩储层水力压裂过程中采用合理的施工排量、加砂模式，提高有效储层改造体积（ESRV）和裂缝导流能力。 [0009] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下： [0010] 一种模拟复杂缝网内支撑剂运移的可视化实验装置，其特征在于：包括供液及混砂系统、泵注系统、管路输送系统、可视化裂缝网络系统、循环液处理系统、数据采集系统和控制系统，供液及混砂系统的出口通过管路输送系统与泵注系统的入口连接，泵注系统的出口通过管路输送系统与可视化裂缝网络系统的入口连接，可视化裂缝网络系统出口通过管路输送系统与循环液处理系统的入口连接，循环液处理系统的出口通过管路输送系统与泵注系统的入口连接，用于采集数据的数据采集系统与控制系统连接。 [0011] 所述可视化裂缝网络系统包括垂直主裂缝和连接裂缝，垂直主裂缝为平行设置的两条，连接裂缝设置在两条垂直主裂缝之间且分别与两条垂直主裂缝连通，垂直主裂缝上设置有模拟入口和模拟出口。 [0012] 所述连接裂缝包括两条水平层理缝和两条垂直天然裂缝，两条垂直天然裂缝与两条主裂缝连接角度分别为90°和45°，两条水平层理缝与主裂缝垂直相交，且两条水平层理缝垂向高度不同。 [0013] 所述垂直主裂缝包括两张相互平行设置的透明平板，两侧密封，两端设置为模拟入口和模拟出口。 [0014] 所述连接裂缝包括两张相互平行设置的透明平板，两侧密封，两端与垂直主裂缝连通。 [0015] 所述供液及混砂系统包括并联设置的混砂罐和辅液罐，泵注系统包括注入泵，混砂罐、辅液罐的出口分别与注入泵的入口连接，注入泵的出口与模拟入口连接，模拟出口与循环液处理系统的入口连接，循环液处理系统的出口分别与混砂罐、辅液罐的入口连接。 [0016] 所述数据采集系统包括流量计、数显压力表和高频摄像机，流量计、数显压力表、高频摄像机通过数据电缆均与控制系统连接，流量计设置在注入泵和可视化裂缝网络系统之间的管线上，数显压力表和高频摄像机分别与可视化裂缝网络系统连接，高频摄像机用于记录支撑剂在可视化裂缝网络系统中的情况。 [0017] 所述管路输送系统包括电磁阀、入口阀门、放空阀门、出口阀门、循环液阀门和管线，电磁阀设置在混砂罐、辅液罐与注入泵连接的管线上，入口阀门设置在流量计和可视化裂缝网络系统之间的管线上，放空阀门连接在主裂缝底部且与控制系统连接，出口阀门设置在可视化裂缝网络系统和循环液处理系统之间的管线上，循环液阀门设置在循环液处理系统与混砂罐、辅液罐连接的管线上。 [0018] 采用本发明的优点在于： [0019] 一、本发明与现有技术相比，具有以下的优势：（1）可以模拟天然裂缝对支撑剂运移的影响；（2）可以模拟水平层理缝对支撑剂运移的影响；（3）可以模拟邻井间段间距、单井簇间距对支撑剂运移的影响；（4）可以模拟不同支撑剂浓度、施工排量及支撑剂组合对裂缝内支撑剂运移及沙堤展布形态的影响。 [0020] 二、本发明原理可靠，测试准确，便于观察，能较真实的反映页岩储层大尺度裂缝网络展布形态。 [0021] 三、本发明不仅可以用于观察连接裂缝对支撑剂运移规律、沙堤展布形态的影响，还能得到不同裂缝内具体的沙堤临界高度，临界流速等关键参数，客服了现有该类实验评价技术的缺陷，为研究页岩储层水力压裂裂缝网络内支撑剂运移及沙堤铺置规律提供了一种专用设备。 [0022] 四、本发明中，主裂缝与连接缝可采用法兰连接，保证密封的同时确保连接处支撑剂运移可视化观测，主裂缝与连接缝设定不同的连接角度、位置，以实现复杂的裂缝网络展布形态，模拟进出口流向的调整，实现单井/井组压裂时缝网内支撑剂运移过程模拟。 [0023] 五、利用本发明，可以直观的分析复杂裂缝网络内支撑剂运移过程和沙堤展布形态，对非常规页岩储层滑溜水压裂进行机理研究，为页岩气高效开发提供理论基础与实验支撑。 [0024] 六、利用本发明，能够较真实的模拟页岩储层水力压裂裂缝网络内支撑剂运移规律，探索滑溜水压裂支撑剂流动机理，以指导页岩储层水力压裂过程中采用合理的施工排量、加砂模式，提高有效储层改造体积（ESRV）和裂缝导流能力。 [0026] 图1为本发明原理结构示意图 [0027] 图2可视化裂缝网络系统结构示意图 [0028] 图3可视化裂缝网络系统俯视图 [0029] 图中标记为： 1、混砂罐，2、辅液罐，3、电磁阀，4、注入泵，5、流量计，6、入口阀门，7、数显压力表，8、可视化模拟视窗，9、放空阀门，10、出口阀门，11、循环液处理装置，12、循环液阀门，13、高频摄像机，14、电脑，15、第一垂直主裂缝，16、第二垂直主裂缝，17、第一水平层理缝，18、第二水平层理缝，19、第一垂直天然裂缝，20、第二垂直天然裂缝，21、第一模拟入口，22、第二模拟入口，23、第一模拟出口，24、第二模拟出口，25、清洗口。 具体实施方式[0030] 实施例1 [0031] 一种模拟复杂缝网内支撑剂运移的可视化实验装置，包括供液及混砂系统、泵注系统、管路输送系统、可视化裂缝网络系统、循环液处理系统、数据采集系统和控制系统，供液及混砂系统的出口通过管路输送系统与泵注系统的入口连接，泵注系统的出口通过管路输送系统与可视化裂缝网络系统的入口连接，可视化裂缝网络系统出口通过管路输送系统与循环液处理系统的入口连接，循环液处理系统的出口通过管路输送系统与泵注系统的入口连接，用于采集数据的数据采集系统与控制系统连接。 [0032] 所述可视化裂缝网络系统包括垂直主裂缝和连接裂缝，垂直主裂缝为平行设置的两条（第一垂直主裂缝15、第二垂直主裂缝16），连接裂缝设置在两条垂直主裂缝之间且分别与两条垂直主裂缝连通，垂直主裂缝上设置有模拟入口和模拟出口。 [0033] 所述连接裂缝包括两条水平层理缝（第一水平层理缝17、第二水平层理缝18）和两条垂直天然裂缝（第一垂直天然裂缝19、第二垂直天然裂缝20），两条垂直天然裂缝与两条主裂缝连接角度分别为90°和45°，两条水平层理缝与主裂缝垂直相交，且两条水平层理缝垂向高度不同。 [0034] 所述垂直主裂缝包括两张相互平行设置的透明平板，两侧密封，两端设置为模拟入口和模拟出口。 [0035] 所述连接裂缝包括两张相互平行设置的透明平板，两侧密封，两端与垂直主裂缝连通。 [0036] 所述可视化裂缝网络系统还包括可视化模拟视窗8，裂缝设置在可视化模拟视窗8中。可视化模拟视窗8的入口与模拟入口连通，可视化模拟视窗8的出口与模拟出口连通。 [0037] 所述供液及混砂系统包括并联设置的混砂罐1和辅液罐2，泵注系统包括注入泵4，混砂罐1、辅液罐2的出口分别与注入泵4的入口连接，注入泵4的出口与模拟入口连接，模拟出口与循环液处理系统的入口连接，循环液处理系统的出口分别与混砂罐1、辅液罐2的入口连接。 [0038] 所述数据采集系统包括流量计5、数显压力表7和高频摄像机13，流量计5、数显压力表7、高频摄像机13通过数据电缆均与控制系统连接，流量计5设置在注入泵4和可视化裂缝网络系统之间的管线上，数显压力表7和高频摄像机13分别与可视化裂缝网络系统连接，高频摄像机13用于记录支撑剂在可视化裂缝网络系统中的情况。 [0039] 所述管路输送系统包括电磁阀3、入口阀门6、放空阀门9、出口阀门10、循环液阀门12和管线，电磁阀3设置在混砂罐1、辅液罐2与注入泵4连接的管线上，入口阀门6设置在流量计5和可视化裂缝网络系统之间的管线上，放空阀门9连接在主裂缝底部且与控制系统连接，出口阀门10设置在可视化裂缝网络系统和循环液处理系统之间的管线上，循环液阀门 12设置在循环液处理系统与混砂罐1、辅液罐2连接的管线上。 [0041] 实施例2 [0042] 一种复杂缝网内支撑剂运移模拟实验装置，主要由供液及混砂系统、泵注系统、管路输送系统、可视化裂缝网络系统、数据采集系统、控制系统和循环液处理系统组成。其中，可视化裂缝网络系统由2条垂直主裂缝、4条连接裂缝（2条垂直天然裂缝、2条水平层理缝）、4个模拟进出口及多个裂缝连接部件构成，整体形成密闭的流动空间，各配件特征如下： [0043] 1、通过对调第一模拟进口21和第一模拟出口23的位置，分别实现对多井段间、单井簇间支撑剂流动模拟； [0044] 2、2条垂直天然裂缝19、20与两条主裂缝连接角度分别为90°和45°，实现裂缝间夹角对裂缝内支撑剂运移影响； [0045] 3、两条水平层理缝17、18与主裂缝垂直相交，二者垂向高度不同，实现不同位置水平层理缝对裂缝内支撑剂运移影响； [0046] 4、2条天然裂缝19、20与2条水平层理缝17、18分别由两块板块组成，便于拆卸、安装，通过连接裂缝长度调整，实现不同段间距、簇间距对裂缝内支撑剂运移影响。 [0047] 5、可视化裂缝网络系统由有机玻璃板组装而成，便于直观观察，主裂缝与连接裂缝之间通过法兰连接，便于拆卸、组装，通过主裂缝与连接裂缝的拆装、组合，可以形成更加复杂的裂缝网络形态，从而实现复杂裂缝网络对支撑剂流动运移影响。 [0048] 6、复杂裂缝网络系统几何尺寸设计参考长宁H3平台实际裂缝网络尺寸，应用变态几何相似准则，以保证二者缝内流速、流态一致。 [0049] 本发明中，所述的管路输送系统，采用大管径65mm软管，同时避免管路里的变径现象，以保证排量稳定，避免管路堵塞等。 [0050] 实施例3 [0051] 如图1所示，模拟复杂缝网内支撑剂运移的可视化实验装置，主要包括供液及混砂系统（混砂罐1、辅液罐2）、泵注系统（注入泵4）、管路输送系统（电磁阀3、入口阀门6、放空阀门9、出口阀门10、循环液阀门12、管线）、可视化裂缝网络系统（可视化模拟视窗8）、循环液处理系统（循环液处理装置11）数据采集系统（流量计5、数显压力表7、高频摄像机13）、控制系统（电脑14）组成；混砂罐1、辅液罐2的出口与注入泵4的入口连接，注入泵4的出口与可视化模拟视窗8的入口连接，可视化模拟视窗8的出口与循环液处理装置11的入口连接，循环液处理装置11的出口与混砂罐1、辅液罐2的入口连接；流量计5、数显压力表7、高频摄像机13通过数据电缆均与电脑14连接。 [0052] 其中，两混砂罐1均配备加砂装置，根据携砂液砂浓度需求，实现定量加砂，配备搅拌装置，保证罐内携砂液搅拌均匀，罐体外装有液位计，方便观测罐内液体体积；根据现场实际压裂施工时的泵注排量在10-15m3/min，保证流动相似，注入泵4的最大泵注排量要求为1.94m3/h，精度为0.002m3/min，注入泵与输送管路直径65mm相匹配，确保注入泵排量恒定。 [0053] 如图2所示，可视化裂缝网络系统包括2条垂直主裂缝15、16，4条连接裂缝（2条水平层理缝17、18，2条垂直天然裂缝19、20）及4个模拟进出口（模拟入口21、22；模拟出口23、24）；裂缝均由透明树脂玻璃制成，裂缝间采用钢铁法兰与密封橡胶圈密封连接，同时主裂缝底部均匀设有5个清洗口25，清洗口直径为1cm，便于残液清洗；两条主裂缝两端底部设有 4个放空阀门9和数显压力表7，以便监测裂缝内压力，防止管路或缝内堵塞时导致压力超过缝板抗压强度（缝内抗压强度为1.5MPa），放空阀门9的开关采用智能控制，以便快速实施超压预警情况下的缝内泄压。其中，参照实际页岩气压裂裂缝监测结果，根据相似准则，裂缝网络几何尺寸如下： [0054] 2条垂直主裂缝15、16的长为4.2m、高度为0.3m、缝宽为0.005m。 [0055] 2条水平层理缝17、18的长度为0.42m和0.7m两种规格、宽度均为0.3m、缝高为0.004m，第一距离模拟入口21的距离为1.7m，二者与主裂缝的夹角为90°，第二水平层理缝 18的垂直高度为0.15m，2条水平层理缝17、18的垂向位置不同，可以实现不同高度下水平层理缝对流动的模拟。 [0056] 第一垂直天然裂缝19的长为0.42m和0.7m两种规格、高度为0.3m、缝宽为0.004m，第一距离模拟出口23的距离为1.7m，与主裂缝的夹角为90°；第一垂直天然裂缝20，距离第一模拟出口23的距离为1.2m，长为0.594m和0.99m两种规格、高度为0.3m、缝宽为0.004m，与主裂缝的夹角为45°，二者与主裂缝角度的不同，可以实现不同角度天然裂缝对支撑剂运移的影响；4条连接裂缝17、18、19、20均有两种长度规格，调整长度规格，以便实现簇间距与段间距的影响。 [0057] 携砂液分别由2个模拟进口注入，从2个模拟出口流出，可以实现单井多级压裂时簇间干扰对支撑剂流动模拟；对调第一垂直主裂缝15的第一模拟进口21和第一模拟出口23的位置，调整携砂液流动方向，第二垂直主裂缝16流动方向不变，可以实现多井压裂井间干扰对支撑剂流动模拟。 [0058] 利用本发明，可以直观的分析复杂裂缝网络内支撑剂运移过程和沙堤展布形态，对页岩气滑溜水压裂支撑剂运移进行机理研究，为页岩气高效开发提供理论基础和技术支撑。具体使用时，根据滑溜水压裂加砂模式不同，在混砂罐1中配制相应粒径和砂浓度的携砂液，搅拌均匀，辅助罐2中配制滑溜水冲洗液，借助注入泵，根据加砂模式设计依次注入不同段塞，滑溜水+支撑剂进入可视化裂缝网络系统，最后流入循环液处理装置11，过滤支撑剂，液体进入混砂系统循环利用。实验过程中，高频摄像机记录支撑剂在可视化裂缝网络系统中的运移情况及沙堤的展布形态，用以分析其流动机理。借助实验仿真模拟软件系统，获取不同注入速度、支撑剂浓度、支撑剂粒径、液体粘度下裂缝网络内沙堤展布动态分布特征，借助数值模拟分析手段，建立裂缝网络内支撑剂导流能力及等效渗透率预测模型。 [0059] 本发明较为直观，操作安全、简便，可对页岩气滑溜水压裂支撑剂运移过程及沙堤展布形态进行预测研究，对滑溜水携砂机理探索，加砂模式优化提供实验支撑，为页岩气的高效开发提供理论基础。 |
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