页岩层理内支撑剂运移模拟装置及评价方法与流程

本发明涉及一种模拟装置及利用该模拟装置进行评价的方法，尤其涉及一种页岩层理内支撑剂运移模拟装置及评价方法。

背景技术：

页岩储层层理较发育，室内露头压裂模拟实验及现场压裂裂缝监测显示，水力压裂改造易开启水平层理，尤其是垂向应力与最小水平主应力较小时，更易形成水平裂缝为主的改造裂缝。水平层理裂缝的开启，限制了水力裂缝垂向延伸，降低垂向储层动用程度，同时水平层理裂缝内支撑剂更容易近井筒堆积，远端裂缝支撑减少，影响压裂改造效果。因此，研究页岩层理内支撑剂运移规律，探索多层理间支撑剂运移机理，对于提高层理页岩压裂裂缝导流能力，提高压裂改造效果有重要的意义。

目前对于支撑剂运移模拟测试装置，明显存在以下的不足与缺点：

（1）未见页岩层理内支撑剂水平运移模拟实验装置发表；

（2）不能模拟多层页岩层理间支撑剂水平运移与垂向运移；

（3）不能实现压裂携砂液的自动定量混配；

（4）不能实现压后层理裂缝支撑效果定量评价。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种页岩层理内支撑剂运移模拟装置及评价方法。本发明可以实现压裂现场段塞式加砂、连续加砂及多种液体体系混合压裂泵注程序模拟，实现不同裂缝支撑效果定量评价，为现场泵注程序模拟优化、压裂参数定量评价提供理论基础与实验支撑。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种页岩层理内支撑剂运移模拟装置，包括连续配液系统、自动混砂系统和控制与数据处理系统，其特征在于：还包括层理缝内流动模拟系统，连续配液系统和自动混砂系统连接，自动混砂系统和层理缝内流动模拟系统连接，层理缝内流动模拟系统和控制与数据处理系统连接；所述层理缝内流动模拟系统包括第一模拟井筒、第二模拟井筒、第一水平层理缝、第二水平层理缝、0°垂直缝、45°垂直缝、90°垂直缝、第三水平层理缝、第三模拟井筒、第四模拟井筒和第五模拟井筒，第一水平层理缝为平行设置的两条，两条第一水平层理缝的入口端通过第一模拟井筒连接，出口端通过第四模拟井筒连接；第二水平层理缝为平行设置的两条，两条第二水平层理缝的入口端通过第二模拟井筒连接，出口端通过第五模拟井筒连接；第三水平层理缝为平行设置的两条，出口端通过第三模拟井筒连接；0°垂直缝为平行设置的两条，上端分别与两条第一水平层理缝连接，下端分别与两条第二水平层理缝连接；45°垂直缝为平行设置的两条，上端分别与两条第一水平层理缝连接，下端分别与两条第二水平层理缝连接；90°垂直缝为平行设置的两条，下端分别与两条第二水平层理缝连接，中部分别与两条第一水平层理缝连接，上端分别与两条第三水平层理缝的入口端连接。

所述连续配液系统包括三个带有搅拌功能的配液罐，三个配液罐并联设置，且每个配液罐均串联连接有电磁阀。

所述自动混砂系统包括供液泵、混砂罐、携砂液泵和自动加砂装置，供液泵、混砂罐和携砂液泵依次串联连接，自动加砂装置与混砂罐连接，连续配液系统的出口端连接到供液泵。

所述控制与数据处理系统包括压力传感器、视频采集装置和控制及数据处理器，压力传感器分别与层理缝内流动模拟系统和控制与数据处理器连接，视频采集装置与控制及数据处理器连接用于采集各缝内的支撑剂流动视频。

所述携砂液泵与二条并联设置的管线的入口端连接，每条管线上依次设置有流量计和阀门，二条并联设置的管线出口端分别与第一模拟井筒和第二模拟井筒入口连接。

所述第三模拟井筒、第四模拟井筒、第五模拟井筒的出口分别于并联设置的三条管线连接，每条管线上依次设置有阀门和流量计，三条管线连接到过滤液罐，过滤液罐通过循环液泵连接到连续配液系统的入口端形成循环管路。

一种应用页岩层理内支撑剂运移模拟装置的评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

①实验前压裂液配液准备，根据现场常用滑溜水与线性胶配液组成，分别在配液罐中配出滑溜水与线性胶；

②测算出100目石英砂及40/70目低密度陶粒的质量，同时将100目石英砂加入自动加砂装置；

③将实验泵注数据输入控制及数据处理器；

④根据设置的实验泵注数据，开始模拟实验；

⑤实时采集不同裂缝位置排量、压力、砂浓度及砂堤形态的视频，以备进行后期实验处理；

⑥对不同时间点裂缝内砂堤形态图像进行处理，建立不同实验条件、时间下水平层理缝内的支撑剂分布形态函数f（x,t）、支撑面积分布函数a（x,t），以支撑面积分布函数a（x,t）为优选目标，评价不同实验参数的参数敏感性，优选实验参数，指导现场泵注优化、压裂参数定量评价。

所述步骤②中，通过调整自动加砂装置的加砂频率，实现不同类支撑剂的加量qp控制，调整供液泵供液速度q1与携砂液泵供液速度q2之间的关系，控制混砂罐内的容积v，根据qp，q1，q2与v之间的关系，建立实验砂浓度cp表征关系：cp~f（qp,q1，q2,v）。

所述实验泵注数据主要包含各个实验段阶序号、阶段时间、实验排量、支撑剂类型、加入速度及加入量、液体类型及加入量。

所述步骤④中，当100目石英砂段塞泵注结束后，将40/70目低密度陶粒加入自动加砂装置，开展40/70目低密度陶粒段塞模拟。

所述步骤⑥中，任意时刻t时的支撑剂分布形态函数f（x,t），其具体函数表达式为：

(1)

式中：x为针对任意可视化裂缝，距可视化裂缝入口端的距离,cm；任意时刻的at、bt、ct、dt、et为多项拟合系数，可通过任意时刻图像的灰度处理，然后根据差值与曲线回归拟合获得。

所述步骤⑥中，支撑面积分布函数a（x,t）表达式为：

(2)

式中，l为可视化裂缝中砂堤长度，cm，可通过实验测量获得。

采用本发明的优点在于：

1、利用该装置，能够较真实的模拟页岩层理内支撑剂运移规律，探索支撑剂流动机理，用以指导层理页岩水力压裂过程中采用合理的施工排量、液体体系、加砂模式，为提高支撑层理裂缝导流能力，探索层理页岩高效压裂技术工艺提供实验与理论支撑。

2、该实验装置与相应实验评价方法，可以实现压裂现场段塞式加砂、连续加砂及多种液体体系混合压裂泵注程序模拟，同时借助实验图像扫描法，建立裂缝支撑面积函数建立，实现不同裂缝支撑效果定量评价，为现场泵注程序模拟优化、压裂参数定量评价提供理论基础与实验支撑。

3、原理可靠，测试准确，便于观察，能较真实的反映页岩储层水平层理缝空间分布形态。本发明不仅可以用于模拟多层水平层理缝内支撑剂流动规律，也可以实现层理缝间垂向支撑剂流动模拟，同时自动混砂系统及砂浓度自动控制保证了实验砂浓度的稳定性，最为关键的是a（x,t）客服了前期实验装置数据非定量处理的实验方法缺陷，为定量优化实验参数提供了理论及实验依据。

4、本发明包括3条水平层理缝与3条垂直裂缝，实现支撑剂在水平向与垂向间的流动模拟；连续混配供液系统包括配液装置及自动定量加砂装置，实现3种压裂液体系的自动混配，多种类型支撑剂的自动定量加入。该实验与评价方法，可以实现压裂现场段塞式加砂、连续加砂及多种液体体系混合压裂泵注程序模拟，同时借助实验图像扫描法，建立裂缝支撑面积函数建立，实现不同裂缝支撑效果定量评价。

5、本发明中，建立实验砂浓度cp表征关系，作用是保证实验砂浓度的准确，真实的模拟压裂过程中的砂浓度；同时根据该关系，可以实现供液泵供液速度、携砂液泵供液速度、混砂罐内容积三着之间的自动控制。

6、本发明对未来层理发育页岩储层水力压裂设计优化、页岩气高效开发有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2层理缝内流动模拟系统结构示意图；

图中标记为：1、配液罐；2、电磁阀；3、供液泵；4、混砂罐；5、携砂液泵；6、流量计；7、阀门；8、层理缝内流动模拟系统；9、过滤液罐；10、循环液泵；11、自动加砂装置；12、压力传感器；13、视频采集装置；14、控制及数据处理器；15、第一模拟井筒；16、第二模拟井筒；17、第一水平层理缝；18、第二水平层理缝；19、0°垂直缝；20、45°垂直缝；21、90°垂直缝；22、第三水平层理缝；23、第三模拟井筒；24、第四模拟井筒；25、第五模拟井筒。

具体实施方式

实施例1

一种页岩层理内支撑剂运移模拟装置，包括连续配液系统、自动混砂系统和控制与数据处理系统，还包括层理缝内流动模拟系统8，连续配液系统和自动混砂系统连接，自动混砂系统和层理缝内流动模拟系统连接，层理缝内流动模拟系统8和控制与数据处理系统连接；所述层理缝内流动模拟系统8包括第一模拟井筒15、第二模拟井筒16、第一水平层理缝17、第二水平层理缝18、0°垂直缝19、45°垂直缝20、90°垂直缝21、第三水平层理缝22、第三模拟井筒23、第四模拟井筒24和第五模拟井筒25，第一水平层理缝17为平行设置的两条，两条第一水平层理缝17的入口端通过第一模拟井筒15连接，出口端通过第四模拟井筒24连接；第二水平层理缝18为平行设置的两条，两条第二水平层理缝18的入口端通过第二模拟井筒16连接，出口端通过第五模拟井筒25连接；第三水平层理缝22为平行设置的两条，出口端通过第三模拟井筒23连接；0°垂直缝19为平行设置的两条，上端分别与两条第一水平层理缝17连接，下端分别与两条第二水平层理缝18连接；45°垂直缝20为平行设置的两条，上端分别与两条第一水平层理缝17连接，下端分别与两条第二水平层理缝18连接；90°垂直缝21为平行设置的两条，下端分别与两条第二水平层理缝18连接，中部分别与两条第一水平层理缝17连接，上端分别与两条第三水平层理缝22的入口端连接。

所述连续配液系统包括三个带有搅拌功能的配液罐1，三个配液罐1并联设置，且每个配液罐1均串联连接有电磁阀2。

所述自动混砂系统包括供液泵3、混砂罐4、携砂液泵5和自动加砂装置11，供液泵3、混砂罐4和携砂液泵5依次串联连接，自动加砂装置11与混砂罐4连接，连续配液系统的出口端连接到供液泵3。

所述控制与数据处理系统包括压力传感器12、视频采集装置13和控制及数据处理器14，压力传感器12分别与层理缝内流动模拟系统8和控制与数据处理器14连接，视频采集装置13与控制及数据处理器14连接用于采集各缝内的支撑剂流动视频。视频采集装置为摄像机等。

所述携砂液泵5与二条并联设置的管线的入口端连接，每条管线上依次设置有流量计6和阀门7，二条并联设置的管线出口端分别与第一模拟井筒15和第二模拟井筒16入口连接。

所述第三模拟井筒23、第四模拟井筒24、第五模拟井筒25的出口分别于并联设置的三条管线连接，每条管线上依次设置有阀门7和流量计9，三条管线连接到过滤液罐9，过滤液罐9通过循环液泵10连接到连续配液系统的入口端形成循环管路。

一种应用页岩层理内支撑剂运移模拟装置的评价方法，包括如下步骤：

①实验前压裂液配液准备，根据现场常用滑溜水与线性胶配液组成，分别在配液罐中配出滑溜水与线性胶；

②测算出100目石英砂及40/70目低密度陶粒的质量，同时将100目石英砂加入自动加砂装置；

③将实验泵注数据输入控制及数据处理器；

④根据设置的实验泵注数据，开始模拟实验；

⑤实时采集不同裂缝位置排量、压力、砂浓度及砂堤形态的视频，以备进行后期实验处理；

⑥对不同时间点裂缝内砂堤形态图像进行处理，建立不同实验条件、时间下水平层理缝内的支撑剂分布形态函数f（x,t）、支撑面积分布函数a（x,t），以支撑面积分布函数a（x,t）为优选目标，评价不同实验参数的参数敏感性，优选实验参数，指导现场泵注优化、压裂参数定量评价。

所述步骤②中，通过调整自动加砂装置的加砂频率，实现不同类支撑剂的加量qp控制，调整供液泵供液速度q1与携砂液泵供液速度q2之间的关系，控制混砂罐内的容积v，根据qp，q1，q2与v之间的关系，建立实验砂浓度cp表征关系：cp~f（qp,q1，q2,v）。

所述实验泵注数据主要包含各个实验段阶序号、阶段时间、实验排量、支撑剂类型、加入速度及加入量、液体类型及加入量。

所述步骤④中，当100目石英砂段塞泵注结束后，将40/70目低密度陶粒加入自动加砂装置，开展40/70目低密度陶粒段塞模拟。

所述步骤⑥中，任意时刻t时的支撑剂分布形态函数f（x,t），其具体函数表达式为：

(1)

式中：x为针对任意可视化裂缝，距可视化裂缝入口端的距离,cm；任意时刻的at、bt、ct、dt、et为多项拟合系数，可通过任意时刻图像的灰度处理，然后根据差值与曲线回归拟合获得。

所述步骤⑥中，支撑面积分布函数a（x,t）表达式为：

(2)

式中，l为可视化裂缝中砂堤长度，cm，可通过实验测量获得。

实施例2

（1）实验装置组成及连接方式：

如图1和2所示，为本发明的页岩层理内支撑剂运移模拟装置，主要包括：连续配液系统（三种液体体系配液罐1）、自动混砂系统（供液泵3，混砂罐4，携砂液泵5与自动加砂装置11）、携砂液泵5与循环液泵10、层理缝内流动模拟系统8、控制与数据处理系统（压力传感器12，视频采集装置13及控制及数据处理器14）、过滤液罐9等组成。三种液体体系配液罐1实现多种压裂液体系的搅拌与配置，其出口与3个电磁阀2相连通，实现实验过程中液体的自动切换，电磁阀与供液泵3入口相连，其出口与混砂罐4相连，同时自动加砂装置11与混砂罐4相连，实现定量自动加砂，混砂罐4的出口与携砂液泵5入口相连，实现不同支撑剂浓度的携砂液泵入，携砂液泵5出口借助三通与流量计6、阀门7连接，阀门7出口分别与层理缝内流动模拟系统8中的第一模拟井筒15入口和第二模拟井筒16入口连接，第一模拟井筒15出口与第一水平层理缝17入口端连接，第二模拟井筒16出口与第二水平层理缝18入口端连接，0°垂直缝19的上端与第一水平层理缝17连接，下端与第二水平层理缝18连接，45°垂直缝20的上端与第一水平层理缝17连接，下端与第二水平层理缝18连接，90°垂直缝21下端与第二水平层理缝18连接，中部与第一水平层理缝17连接，上端与第三水平层理缝22连接，第三模拟井筒23与第三水平层理缝22出口端连接，第四模拟井筒24与第一水平层理缝17出口端连接，第五模拟井筒25与第二水平层理缝18出口端连接，第三模拟井筒23、第四模拟井筒24、第五模拟井筒25的出口分别于平行的3个阀门与流量计连接，实现多层层理内支撑剂模拟，流量计6出口与过滤液罐9上入口连接，过滤液罐9下出口与循环液泵10入口相连，循环液泵10出口与配液罐1相连，实现压裂液体循环利用。

（2）页岩层理内支撑剂运移模拟与评价实验方法

根据页岩气体积压裂泵注程序表（以滑溜水+线性胶混合压裂液体体系，100目石英砂及40/70目低密度陶粒组合加砂，段塞式泵注为例），页岩层理内支撑剂运移模拟与评价实验方法主要包括：实验前压裂液配液、实验自动操作程序、实验模拟及实验后数据处理与评价几部分，具体实验步骤包含：

①实验前压裂液配液准备，根据现场常用滑溜水与线性胶配液组成，分别在(1)配液罐中配出滑溜水与线性胶；

②根据泵注程序，测算出100目石英砂及40/70目低密度陶粒的质量，同时将100目石英砂加入(11)自动加砂装置；

③将实验泵注程序输入(14)控制及数据处理器，主要包含各个实验段阶序号、阶段时间、实验排量、支撑剂类型、加入速度及加入量、液体类型及加入量等；

④根据步骤③设置的实验泵注程序，开始模拟实验。实验过程中，当100目石英砂段塞泵注结束后，将40/70目低密度陶粒加入(11)自动加砂装置，以便开展40/70目低密度陶粒段塞模拟；

⑤实验过程中借助控制与数据处理系统，进行不同裂缝位置排量、压力、砂浓度及砂堤形态视频实时采集，以备进行后期实验处理；

⑥借助图像灰度处理法，对不同时间点裂缝内砂堤形态图像进行处理，建立不同实验条件、时间下水平层理缝内的支撑剂分布形态函数f（x,t）、支撑面积分布函数a（x,t），以支撑面积分布函数a（x,t）为优选目标，评价不同实验参数的参数敏感性，进而实现实验参数的优选，以指导现场泵注程序优化、压裂参数定量评价等。基于上述的设计，利用本发明装置及实验方法，可以直观的模拟层理缝内支撑剂运移过程和沙堤展布形态，对层理发育页岩体积压裂改造裂缝内支撑剂运移机理进行研究，为层理发育页岩高效开发提供理论基础和技术支撑。

本发明的模拟裂缝形态多样，实验结果直观、操作安全、简便、智能、实验数据处理定量化，可对层理页岩体积压裂支撑剂运移过程及砂堤展布形态进行模拟研究，对不同液体体系携砂机理探索，压裂泵注程序优化提供实验支撑，为层理发育页岩压裂优化设计及高效开发提供实验支撑及理论基础。

实施例3

层理缝内流动模拟系统用于实现距注入井筒不同垂向距离、水平层理缝长度的层理缝内支撑剂流动模拟，实现层理缝长度都支撑剂流动模拟影响；

通过调整自动加砂装置的加砂频率，实现不同类支撑剂的加量qp控制，调整(3)供液泵供液速度q1与(5)携砂液泵供液速度q2之间的关系，控制(4)混砂罐内的容积v，根据qp，q1，q2与v之间的关系，建立实验砂浓度cp表征关系：cp~f（qp,q1，q2,v）；

控制与数据处理系统，该系统包含：控制及数据处理器可以实现流量、压力及视频数据的自动采集。该系统最大的特色是配置了实验图片自动后处理，根据灰度扫描法，借助像素分析，扫描得到不规则支撑剂支撑面积a（x,t），为后期导流能力预测提供依据。

其中，该实验与评价方法，可以实现压裂现场段塞式加砂、连续加砂及多种液体体系混合压裂泵注程序模拟，评价层理缝对支撑剂运移流动的影响。同时借助实验图像灰度处理法，建立不同实验条件下水平层理缝内的支撑剂分布形态函数f（x,t）、支撑面积分布函数a（x,t），为定量评价水平层理缝支撑效果提供实验依据，其中任意时刻t时的支撑剂分布形态函数f（x,t），其具体函数表达式为：

(1)

式中：x为针对任意可视化裂缝，距可视化裂缝入口端的距离,cm；任意时刻的at、bt、ct、dt、et为多项拟合系数，可通过任意时刻图像的灰度处理，然后根据差值与曲线回归拟合获得。

支撑面积分布函数a（x,t）表达式为：

(2)

式中，l为可视化裂缝中砂堤长度，cm，可通过实验测量获得。

以支撑面积分布函数a（x,t）为优选目标，评价不同实验参数下该值的大小，实现各实验条件参数的优选，以指导现场泵注程序模拟优化、压裂参数定量评价等。