裂缝内支撑剂运移规律可视化实验装置及方法与流程

本发明涉及油气开采技术领域，具体涉及一种裂缝内支撑剂运移可视化实验装置及方法。

背景技术：

随着国内外油气需求的持续增长和常规油气产量的不断下降，包括页岩气、煤层气等非常规油气展现出巨大的资源潜力，而非常规油气资源的开发往往需要进行水力压裂等增产措施。水力压裂技术原理即压裂液的注入速度超过储层的吸收速度，导致井底压力大于储层岩石的破裂压力，储层张开并产生裂缝，接着注入带有支撑剂的携砂液，避免由于地应力的作用压裂裂缝再次闭合。由于支撑剂在裂缝中的沉降和运移规律影响支撑剂在缝内的铺置情况，从而影响人造裂缝的支撑导流能力，直接决定了压裂改造的最终效果。因此，研究支撑剂在真实裂缝内沉降和运移规律具有重要意义。

石油天然气行业标准sy/t6302-2009《压裂支撑剂充填层短期导流能力评价推荐方法》中公开了一种测试支撑剂充填层导流能力的方法，其中支撑剂采用均匀铺置的方法，不能模拟支撑剂在真实裂缝中的动态沉降和运移后的铺置形态。

现有技术中有一种用于模拟地层条件下支撑剂导流能力测试的动态铺置装置，装置能够模拟交联压裂液和支撑剂的混合液体在泵注过程中沿井筒进入地层逐渐加温的动态过程，并按一定的速率泵注进入导流室，实现动态铺砂。该装置不能模拟支撑剂在不同缝宽下的真实裂缝内的动态沉降和运移过程。

目前公开的用于模拟支撑剂在裂缝内沉降和运移规律的实验装置均未能模拟真实裂缝。

技术实现要素：

为了解决上述的技术问题，本发明提供一种裂缝内支撑剂运移可视化实验装置及方法，更为真实的模拟油气田开发中的压裂过程，可观察和记录支撑剂在真实裂缝中的运移规律。

具体而言，包括以下的技术方案：

一种裂缝内支撑剂运移可视化实验装置，包括井筒模拟单元、裂缝模拟单元和地层模拟单元，

所述裂缝模拟单元包括两块对置的透明板，所述两块透明板之间设置有裂缝，所述裂缝的形态模拟真实的待测岩板裂缝；

所述井筒模拟单元连接在所述裂缝模拟单元的一端，设置有与所述裂缝连通的压裂液注入口通道，所述压裂液中携带有支撑剂；所述地层模拟单元连接在裂缝模拟单元的另一端，设置有与所述裂缝连通的压裂液排出口通道。

可选择地，所述裂缝模拟单元由以下方式制得：

以三维激光扫描待测岩板裂缝，利用得到的扫描数据进行三维建模，3d打印出裂缝面模具，浇筑得到中间夹设裂缝的两块透明板。

可选择地，所述两块透明板之间还设置有支撑框架和垫片，通过螺栓将所述两块透明板、支撑框架和垫片进行固定，通过更换不同厚度的垫片调节所述裂缝的宽度。

可选择地，所述支撑框架和垫片均为中空的框架结构，所述支撑框架在所述裂缝模拟单元的一端和另一端均设置有开口。

可选择地，所述压裂液注入口通道设置在所述井筒模拟单元的上侧，所述井筒模拟单元的下侧设置有与所述裂缝连通的余液排出口通道。

可选择地，所述压裂液注入口通道连接有螺杆泵及液罐，用于通过所述螺杆泵及液罐往所述裂缝内泵入携带支撑剂的压裂液。

可选择地，所述裂缝模拟单元设置有压力传感器，所述压力传感器设置在与所述裂缝与所述压裂液注入口通道的连通处和与所述裂缝与所述压裂液排出口通道的连通处对应的位置，以记录压力情况。

可选择地，还包括摄像机，用于对准所述裂缝模拟单元进行摄像。

一种裂缝内支撑剂运移可视化实验方法，包括：

选取待模拟地层的岩板，利用三维激光扫描仪对岩板裂缝表面进行扫描，获取岩板裂缝面的三维数据；

利用计算机对岩板裂缝面三维数据进行建模，通过3d打印技术打印出岩板裂缝面模具以及浇筑盒，用透明树脂浇筑出两块透明树脂缝板；

组装包括井筒模拟单元、裂缝模拟单元和地层模拟单元的实验装置；

将携带支撑剂的压裂液泵入所述井筒模拟单元，以使携带支撑剂的压裂液通过所述裂缝模拟单元后，从所述地层模拟单元的压裂液排出口流出；

通过高速摄像机实时记录所述支撑剂在裂缝中的铺置及运移，并通过压力传感器记录裂缝模拟单元入口端和出口端的压力。

可选择地，所述压裂液的实验泵入排量根据现场施工排量确定，公式如下：

式中：qe为实验泵入排量，m³/min；qf为现场施工排量，m³/min；hf为现场施工裂缝高度，m；he为裂缝模拟单元的裂缝高度，m；wf为现场施工裂缝宽度，mm；we为裂缝模拟单元的裂缝宽度，mm。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果在于：

1、在以往的模拟缝内颗粒运移沉降规律的实验中，均采用的光滑的裂缝平板，本发明的裂缝形态模拟真实的待测岩板裂缝，考虑了真实裂缝表面形态对裂缝中支撑剂运移的影响；

2、在以往的模拟缝内支撑剂沉降规律的实验中，用于实验的裂缝平板自始至终都不改变，本发明的透明板可以根据不同的待测裂缝表面进行重新制作，更有针对性的对具体地层进行真实裂缝支撑剂运移规律的研究；

3、本发明模拟了油气田开发过程中，携砂压裂液以一定排量、一定砂比泵入不同缝宽裂缝中的动态过程，可视化实验装置裂缝宽度可以调节，缝板制作成本低，模拟实验更全面。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明一实施例的一种裂缝内支撑剂运移可视化实验装置的结构示意图；

图2为图1的a-a线剖视示意图；

图3为图1的b-b线剖视示意图；

图4为图1的实验装置中的矩形缝板支撑框架结构示意图；

图5为图4的c-c线剖视示意图。

1-井筒模拟单元；2-井筒模拟单元内筒；3-密封橡胶；4-裂缝模拟单元；5-透明缝板紧固螺栓；6-压力传感器；7-地层模拟单元；8-压裂液入口通道；9-余液排出口通道；10-压裂液出口通道；11-阀门；12-法兰紧固螺栓；13-井筒模拟单元顶盖法兰；14-井筒模拟单元顶盖；15-井筒模拟单元底盖；16井筒模拟单元底盖法兰；17-地层模拟单元顶盖法兰；18-地层模拟单元顶盖；19-井筒模拟单元支撑柱；20-实验装置底座；21-地层模拟单元底盖；22-地层模拟单元底盖法兰；23-地层模拟单元支撑柱。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明一实施例提供了一种裂缝内支撑剂运移规律可视化实验装置，如图1-3所示，包括井筒模拟单元1、裂缝模拟单元4和地层模拟单元7。

裂缝模拟单元4包括两块对置的透明板，在本实施例中透明板具体为透明树脂缝板401和402，当然还可以为其他材质的透明板。两块透明树脂缝板401和402之间设置有裂缝，裂缝的形态模拟真实的待测岩板裂缝。裂缝模拟单元401例如由以下方式制得：以三维激光扫描待测岩板裂缝，利用得到的扫描数据进行三维建模，3d打印出裂缝面模具，浇筑得到中间夹有裂缝的两块透明树脂缝板401和402，当然本发明不限于此，也可通过其他方式制成。

井筒模拟单元1连接在裂缝模拟单元4的一端(图1中的左侧)，设置有与裂缝连通的压裂液注入口通道8，压裂液中携带有支撑剂；地层模拟单元7连接在裂缝模拟单元4的另一端(图1中的右侧)，设置有与裂缝连通的压裂液排出口通道10。

如图1所示，除了包括两个浇筑的透明树脂缝板401和402，裂缝模拟单元4还包括夹设在透明树脂缝板401和402之间的支撑框架403和垫片404，通过螺栓5将透明树脂缝板401和402、支撑框架403和垫片404进行固定，通过更换不同厚度的垫片404的厚度就能够调节裂缝的开度。

支撑框架403例如为有机玻璃制成。支撑框架403的一端固定在井筒模拟单元1的右端，另一端固定在地层模拟单元7的左端，从而使裂缝模拟单元4连接在井筒模拟单元1和地层模拟单元7之间。例如通过紧固螺钉将支撑框架403固定在井筒模拟单元1右端和地层模拟单元7的左端。

支撑框架403和垫片404例如均为中空的框架结构，如参见图4，以避免干涉到裂缝，同时又可以在裂缝的周围形成围设结构，防止压裂液不正常地流出。如图5所示，支撑框架403在裂缝模拟单元4的一端和另一端均可设置有开口，从而便于裂缝分别与压裂液注入口通道8和压裂液排出口通道10连通。

图1中，透明树脂缝板401和402为平板结构，中间为矩形缝面结构。参见图3，支撑框架403和垫片404的外轮廓和中空部分均为矩形。透明树脂缝板的左右两侧可分别设置有两个压力传感器6，设置在所述裂缝与压裂液注入口通道连通处和与压裂液排出口通道连通处对应的位置，以记录压力情况。透明树脂缝板401和402、矩形中间垫片404和矩形缝板框架404之间均可设有密封圈，避免压裂液不正常地流出。

裂缝模拟单元4具体可通过如下方式制作：通过对真实岩板裂缝表面进行三维激光扫描，利用扫描后的数据进行三维建模，并用3d打印机打印出裂缝面模具和浇筑盒实物，在裂缝面模具上涂一层凡士林，再利用透明树脂进行浇筑，然后分透明树脂缝板与模具，凡士林避免透明树脂缝板与模具沾粘在一起无法取出。然后通过螺栓将透明树脂缝板、支撑框架和垫片进行固定。

井筒模拟单元1可设有一个井筒模拟单元内筒2，井筒模拟单元内筒2通过设置的密封橡胶3密封，内筒2以及密封橡胶3右侧设有矩形开口用于连通裂缝，内筒2可以转动以控制井筒连通裂缝或与裂缝不连通，具体例如是通过扳手转动内筒上方与内筒连接的旋钮，进而调节内筒的转动。

井筒模拟单元1左侧上方设置有压裂液注入口通道8，井筒模拟单元1左侧下方设置有余液排出口通道9。压裂液注入口通道8还设置有阀门11来控制是否注入的开始和结束。余液排出口通道9在实验过程中关闭，实验完毕打开用于排出余液。压裂液注入口通道8连接有螺杆泵及液罐(图中未示出)，通过螺杆泵及液罐往裂缝内泵入携带支撑剂的压裂液。地层模拟单元7右侧设有压裂液排出口。

井筒模拟单元1为外筒套设内筒结构，地层模拟单元7为中空筒状结构。井筒模拟单元1的底盖15和地层模拟单元7的底盖21分别连接有实验装置支撑柱19和23，支撑柱19和23均固定在实验装置的底座20上。实验装置还包括摄像机(图中未示出)，摄像机对准裂缝模拟单元4，以记录实验图像，用于回放研究。如图1所示，井筒模拟单元1还包括顶盖法兰13和顶盖14，地层模拟单元7还包括顶盖法兰17和顶盖18，都通过法兰紧固螺栓12进行紧固。

本实施例的裂缝形态模拟真实的待测岩板裂缝，考虑了真实裂缝表面形态对裂缝中支撑剂运移的影响；本发明的透明树脂缝板可以根据不同的待测裂缝表面进行重新制作，更有针对性的对具体地层进行真实裂缝支撑剂运移规律的研究；裂缝宽度可以调节，缝板制作成本低。

本发明另一实施例还提供了一种裂缝内支撑剂运移可视化实验方法，其包括以下步骤：

(1)选取待模拟地层的岩板，利用三维激光扫描仪对岩板裂缝表面进行扫描，获取岩板裂缝面的三维数据；

(2)利用计算机对岩板裂缝面三维数据进行建模，通过3d打印技术打印出岩板裂缝面模具以及浇筑盒，用透明树脂浇筑出两块透明树脂缝板；

(3)组装包括井筒模拟单元、裂缝模拟单元和地层模拟单元的实验装置；其中还可使用不同厚度的中间垫片模拟不同的裂缝开度。

将携带支撑剂的压裂液泵入所述井筒模拟单元，以使携带支撑剂的压裂液通过所述裂缝模拟单元后，从所述地层模拟单元的压裂液排出口流出；

通过高速摄像机实时记录所述支撑剂在裂缝中的铺置及运移，并通过压力传感器记录裂缝模拟单元入口端和出口端的压力。

(4)检查可视化实验装置的密封性和清洁度；

(5)根据实验方案要求配置压裂液，根据不同的砂比称量支撑剂；

(6)将携带支撑剂的压裂液泵入所述井筒模拟单元，以使携带支撑剂的压裂液通过所述裂缝模拟单元后，从所述地层模拟单元的压裂液排出口流出，从而按照对应的泵注排量进行真实裂缝内支撑剂沉降运移的模拟。其中，根据现场施工中压裂裂缝的缝高和缝宽，泵注排量，按照流速相似的原理计算模拟实验的注入排量，压裂液的实验泵入排量与现场施工排量的转换公式如下：

式中：qe为实验泵入排量，m³/min；qf为现场施工排量，m³/min；hf为现场施工裂缝高度，m；he为裂缝模拟单元的裂缝高度，m；wf为现场施工裂缝宽度，mm；we为裂缝模拟单元的裂缝宽度，mm。也可通过换算表直接得到实验泵注排量，具体的对应关系见表1；

表1不同施工排量下室内实验泵注排量换算表

(7)通过高速摄像机实时记录支撑剂在裂缝中的铺置状态及运移规律，并通过压力传感器记录裂缝模拟单元入口端和出口端的压力。

本实施例的裂缝形态模拟真实的待测岩板裂缝，考虑了真实裂缝表面形态对裂缝中支撑剂运移的影响，模拟了油气田开发过程中，携砂压裂液以一定排量、一定砂比泵入不同缝宽裂缝中的动态过程，可视化实验装置裂缝宽度可以调节，缝板制作成本低，模拟实验更全面。

本发明中的压裂液包括滑溜水压裂液、交联压裂液、清洁压裂液等，支撑剂包括最大直径低于裂缝模拟单元的裂缝宽度的石英砂或陶粒，携带支撑剂的压裂液包括不同砂比的携砂液。

上述说明结合优选实施例描述了模拟真实裂缝内支撑剂运移的可视化实验装置和方法，本领域技术人员可以很清楚的知道，在不脱离权利要求的精神和范围情况下，可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形。