一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置及工作方法
【专利摘要】一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置，包括产气部、压裂液储存部、均与产气部和压裂液储存部相连的泡沫发生器、支撑剂储罐和模拟裂缝板；所述的产气部包括沿气体扩散方向依次连接的气瓶、气体流量计和单向阀；所述的压裂液储存部包括可控制压裂液流出流量的装置；所述产气部产生的气体和压裂液储存部产生的液体经气泡发生器作用产生压裂液泡沫，所述的压裂液泡沫流入所述支撑剂储罐的顶部；在支撑剂储罐的底部设置有模拟裂缝板，在所述模拟裂缝板的末端设置有回压阀。本发明在设定压力下评价泡沫压裂液和常规单相压裂液动态携砂能力，同时可以实现泡沫与支撑剂相互作用的微观可视化，本发明具有高效、精确、经济等特点。
【专利说明】一种泡沬压裂液动态携砂能力评价装置及工作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置及工作方法，属于石油、天然 气压裂增产用流体性能评价装置的【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 20世纪70年代末，泡沫压裂液就可已经开在得到应用，发展到现在泡沫压裂工艺 已经在美国、加拿大、澳大利亚等国家得到广泛应用。国内在80年代后期引入泡沫压裂技 术后，不断进行实验研究及现场应用探索，发展到现在已形成了多种泡沫液体系，主要包括 纯表活剂泡沫压裂液、线性胶泡沫压裂液、酸碱性交联泡沫压裂液等。
[0003] 动态携砂性能是指压裂液体系携带支撑剂颗粒运移的能力，是评价压裂液性能重 要指标。泡沫压裂液作为两相流体不同于常规单相压裂液，采用常规评价方法无法对其有 效、准确评价，同时泡沫压裂液独特的微观结构影响着其携砂性能，这就同时要求携砂评价 装置能够进行微观可视化研究。因此，研发一种可以评价泡沫压裂液和常规压裂液携砂能 力，且高效、精确、经济的装置及方法是十分必要的。
[0004] 中国专利CN10245347A公开的一种煤层气用泡沫压裂液的悬砂性能测试方法，直 接将泡沫压裂液加入量筒、加入陶粒支撑剂，观察陶粒的沉降速度、分析泡沫压裂液的悬砂 性能。首先，这种方法是一种静态悬砂性能测试方法，无法贴近现场，可信度低；其次，直接 将泡沫加入量筒会使泡沫暴露在空气中，这将影响泡沫的稳定性，增大实验误差。
[0005] 中国专利CN203132950U公开的流体携砂能力测量装置，借用了井筒冲砂的原理， 压裂液经过内筒流向外筒底部，再带动外筒底部的支撑剂由外筒向上流出。通过对比携带 支撑剂的高度，以及底部静态的支撑剂体积来评价压裂液的携砂能力。首先，这种装置和方 法只能适用于常规压裂液体系的携砂能力测试；其次，压裂液铺置支撑剂的过程主要发生 在裂缝而不是井筒，采用井筒冲砂原理影响实验的可信度。
[0006] 《工程热物理学报》2011年第1期中，记载了由孙晓发表的《交联氮气泡沫压裂液 的携砂性能研究》一篇文章。该文章在大型高压泡沫压裂液实验回路上，对泡沫压裂液的携 砂性能进行了实验研究，采用泡沫压裂液的临界携砂流速表征携砂性能。首先，这种实验设 备体积庞大，费用高昂，难以普及；其次，该方法仍然是是在管路中而不是裂缝中研究压裂 液携砂性能；最后，文章中虽然实现了支撑剂沉降的可视化观察，但由于管径粗、泡沫透光 性差、颗粒运移轨迹不规则等原因，该装置无法良好得实现泡沫与支撑剂相互作用的微观 可视化。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术的不足，本发明提供一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置，该装 置可以评价泡沫压裂液和常规单相压裂液携砂能力，同时可以实现泡沫与支撑剂相互作用 的微观可视化，该装置具有高效、精确、经济等特点。
[0008] 本发明还提供一种上述泡沫压裂液动态携砂能力评价装置的工作方法。
[0009] 本发明技术方案在于：
[0010] 一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置，包括产气部、压裂液储存部、均与产气部 和压裂液储存部相连的泡沫发生器、支撑剂储罐和模拟裂缝板；
[0011] 所述的产气部包括沿气体扩散方向依次连接的气瓶、气体流量计和单向阀；
[0012] 所述的压裂液储存部包括可控制压裂液流出流量的装置；
[0013] 所述产气部产生的气体和压裂液储存部产生的液体经气泡发生器作用产生压裂 液泡沫，所述的压裂液泡沫流入所述支撑剂储罐的顶部；
[0014] 在支撑剂储罐的底部设置有模拟裂缝板，在所述模拟裂缝板的末端设置有回压 阀；在所述支撑剂储罐的顶部设置有压力表。
[0015] 根据本发明优选的，所述泡沫发生器与支撑剂储罐通过连接管线相连，所述连接 管线为内径3?6mm的不锈钢管线。
[0016] 根据本发明优选的，所述泡沫压裂液动态携砂能力评价装置还包括计算机和微观 摄像机；在所述模拟裂缝板上设置有微观摄像机，所述微观摄像机与所述计算机相连，用于 采集、储存、分析所述模拟裂缝内泡沫压裂液携砂的参数，以评价所述模拟裂缝内泡沫压裂 液携砂能力。
[0017] 根据本发明优选的，所述可控制压裂液流出流量的装置包括由平流泵驱动的用于 容纳压裂液的中间容器。
[0018] 根据本发明优选的，所述支撑剂储罐为长方体结构，所述支撑剂储罐内部标有体 积刻度，作用是存放支撑剂颗粒，也用于计量实验过程中压裂液携带走的支撑剂体积；其带 有体积刻度一面及相对面为耐压钢化玻璃，其余面为不锈钢。此处设计的优点使支撑剂储 罐承受较高压力。
[0019] 根据本发明优选的，所述支撑剂储罐的内腔的高度为20cm?40cm，体积为20mL? 160mL。此处设计的优势在于采用少量的支撑剂颗粒既可以完成实验，同时该设计可以保证 储罐内的支撑剂上端面在压裂液冲击下均匀下降低，便于支撑剂体积的计量。
[0020] 根据本发明优选的，所述模拟裂缝板包括上下两块耐压钢化玻璃板，在所述钢化 玻璃板的四周采用不锈钢嵌套密封。所述模拟裂缝板作用是为携砂压裂压裂液携带提供流 动空间，并实现支撑剂与泡沫相互作用的微观可视化。
[0021] 根据本发明优选的，所述模拟裂缝板中裂缝的纵切面为长方形、楔形或折线形。本 发明所述的裂缝的切面形状可以为长方形、楔形或折线形，同时裂缝可以水平放置或坚直 放置。此处设计的优势在于可以实现各类裂缝环境下压裂液携砂性能的评价，实验数据更 贴近现场实际。
[0022] 根据本发明优选的，所述支撑剂为粒径0. 1mm?0. 9mm的支撑剂颗粒。本发明采 用与模拟裂缝相适应的陶粒支撑剂进行匹配使用，根据本发明优选的，所述模拟裂缝板所 形成裂缝的厚度为1_3_。在于该厚度范围内，通过微观摄像机可以清晰的观测到裂缝板内 泡沫携砂流动的微观过程，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。
[0023] 根据本发明的优选，所述泡沫压裂液中气体体积占比应控制在50 %?90 %。此处 设计在于过高或过低的气体占比时将影响泡沫的性质，这会使所测评价数据不能准确代表 的所述泡沫压裂液的性能。
[0024] 根据本发明优选的，在所述模拟裂缝板的末端，且在回压阀的上游设置有滤网。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。
[0025] -种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置的工作方法，包括步骤如下：
[0026] (1)连接设备，启动计算机；
[0027] (2)向支撑剂储罐填充测试用支撑剂，在中间容器内加入泡沫压裂液基液，将回压 阀过流压力升高到测试压力；此处所述测试压力最高值以设备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泡沫携砂能力随压力的变化；
[0028] (3)打开平流泵开关并调节泵注速度，打开气瓶开关及气体流量计开关，调剂气体 流速，控制泡沫压裂液的产生量；
[0029] (4)从模拟裂缝板中出现泡沫流体开始计时，记录测试时间段Λ t内，支撑剂储罐 中支撑剂的减少量，即泡沫压裂液的携砂体积V，cm3,采用透明方格纸采集支撑剂在模拟裂 缝板的单条裂缝中的分布数据：包括支撑剂的运移最远距离1_，cm，以及支撑剂在单条裂 缝中的分布状态，同时采用微观摄像机观测模拟裂缝板内支撑剂与泡沫压裂液基液的相互 作用；
[0030] (5)计算并对比不同泡沫压裂液的携砂能力参数，包括：
[0031] ①泡沫压裂液单位时间内的携砂质量M，g/min，计算公式为：
【权利要求】
1. 一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置，其特征在于，该装置包括产气部、压裂液储 存部、均与产气部和压裂液储存部相连的泡沫发生器、支撑剂储罐和模拟裂缝板； 所述的产气部包括沿气体扩散方向依次连接的气瓶、气体流量计和单向阀； 所述的压裂液储存部包括可控制压裂液流出流量的装置； 所述产气部产生的气体和压裂液储存部产生的液体经气泡发生器作用产生压裂液泡 沫，所述的压裂液泡沫流入所述支撑剂储罐的顶部； 在支撑剂储罐的底部设置有模拟裂缝板，在所述模拟裂缝板的末端设置有回压阀；在 所述支撑剂储罐的顶部设置有压力表。
2. 根据权利要求1所述的一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置，其特征在于，所述 泡沫发生器与支撑剂储罐通过连接管线相连，所述连接管线为内径3?6_的不锈钢管线。
3. 根据权利要求1所述的一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置，其特征在于，所述 泡沫压裂液动态携砂能力评价装置还包括计算机和微观摄像机；在所述模拟裂缝板上设置 有微观摄像机，所述微观摄像机与所述计算机相连，用于采集、储存、分析所述模拟裂缝内 泡沫压裂液携砂的参数，以评价所述模拟裂缝内泡沫压裂液携砂能力。
4. 根据权利要求1所述的一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置，其特征在于，所述 可控制压裂液流出流量的装置包括由平流泵驱动的用于容纳压裂液的中间容器。
5. 根据权利要求1所述的一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置，其特征在于，所述 模拟裂缝板所形成裂缝的厚度为l_3mm ;所述支撑剂为粒径0. 1mm?0. 9mm的支撑剂颗粒。
6. 根据权利要求1所述的一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置，其特征在于，所述 支撑剂储罐为长方体结构，所述支撑剂储罐内部标有体积刻度，作用是存放支撑剂颗粒，也 用于计量实验过程中压裂液携带走的支撑剂体积；其带有体积刻度一面及相对面为耐压钢 化玻璃，其余面为不锈钢；所述支撑剂储罐的内腔的高度为20cm?40cm，体积为20mL? 160mL〇
7. 根据权利要求1所述的一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置，其特征在于，所述 模拟裂缝板包括上下两块耐压钢化玻璃板，在所述钢化玻璃板的四周采用不锈钢嵌套密 封；所述模拟裂缝板中裂缝的纵切面为长方形、楔形或折线形。
8. 根据权利要求1所述的一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置，其特征在于，所述 泡沫压裂液中气体体积占比应控制在50 %?90 %。
9. 根据权利要求1所述的一种泡沫压裂液动态携砂能力评价装置，其特征在于，在所 述模拟裂缝板的末端，且在回压阀的上游设置有滤网。
10. -种如权利要求1-9任意一项所述泡沫压裂液动态携砂能力评价装置的工作方 法，包括步骤如下： (1) 连接设备，启动计算机； (2) 向支撑剂储罐填充测试用支撑剂，在中间容器内加入泡沫压裂液基液，将回压阀过 流压力升高到测试压力； (3) 打开平流泵开关并调节泵注速度，打开气瓶开关及气体流量计开关，调剂气体流 速，控制泡沫压裂液的产生量； (4) 从模拟裂缝板中出现泡沫流体开始计时，记录测试时间段At内，支撑剂储罐中 支撑剂的减少量，即泡沫压裂液的携砂体积V，cm3,采用透明方格纸采集支撑剂在模拟裂缝 板的单条裂缝中的分布数据：包括支撑剂的运移最远距离1_，cm，以及支撑剂在单条裂缝 中的分布状态，同时采用微观摄像机观测模拟裂缝板内支撑剂与泡沫压裂液基液的相互作 用； (5)计算并对比不同泡沫压裂液的携砂能力参数，包括： ① 泡沫压裂液单位时间内的携砂质量M，g/min，计算公式为：，其中P ? 为支撑剂的堆积密度，g/cm3 ;
② 支撑剂颗粒运移地最远距离1_，cm ; ③ 支撑剂颗粒平均铺置密度P II，g/cm2,计算公式为 其中w为裂缝 宽度，cm。
【文档编号】G01N11/00GK104280315SQ201410557368
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年10月20日 优先权日:2014年10月20日
【发明者】李兆敏, 吕其超, 李宾飞, 李松岩, 卢拥军, 邱晓慧, 张昀 申请人:中国石油大学(华东)