本发明涉及油气藏水力压裂增产改造技术领域，更具体地涉及一种压裂液的悬砂能力评价装置及评价方法。
背景技术：
水力压裂改造的目标就是在地层中形成有效的高导流能力裂缝系统，而支撑剂则是形成高导流能力裂缝系统中核心的载体之一，能否将一定浓度的支撑剂顺利输送到裂缝系统并铺置在预定的理想位置上，直接决定了裂缝的有效导流能力及整个压裂施工的有效性及成败。支撑剂在压裂过程中和压后裂缝闭合过程中的悬浮状况及沉降特性，不仅影响到压裂施工过程中压裂液的有效携砂、施工过程中砂液比的提高等，而且影响支撑剂在裂缝系统中的铺置及最终分布情况、裂缝系统的支撑效率及压后裂缝导流能力的有效性。由此可见，对于支撑剂在压裂液中的悬浮、沉降、携砂能力的准确测试评价是非常重要的，是支撑剂优化选择的最基本指标，也是压裂优化设计及压裂施工时重点考虑的关键因素之一。
目前实验室内对支撑剂在压裂液中的悬浮及沉降性能的测试评价方法主要有单颗粒支撑剂沉降法和携砂液悬砂性能测试法两种方式。
单颗粒的支撑剂沉降法的主要思路是测量单颗粒支撑剂在压裂液中的沉降速度，具体操作步骤为：首先配制好待测压裂液，将配好的压裂液加入到一定容积的量筒等实验器皿中，再将单颗支撑剂颗粒加入待测压裂液中，若有温度要求，则把量筒置入恒温水浴中，最后在静态状态下观察并测定支撑剂颗粒在压裂液中沉降至容器底部所需时间并计算出沉降速，进而定性分析评价目标压裂液的悬砂性能。然而，虽然该方法简单易操作，但无法反映携砂液中携带的不同浓度群体支撑剂的悬砂性能，与压裂施工实际情况也有一定差距。
目前在实验室内最常用的支撑剂悬砂性能测试方法是在静止状态下测定携砂液中不同砂浓度的支撑剂完全沉降的速度，该方法比起单颗粒的支撑剂沉降法更能客观的反映压裂液中支撑剂的沉降及悬砂特性，更接近压裂实际情况，具体 操作步骤为：首先将压裂液与支撑剂按一定比例进行混合，配制成一定砂液比(或砂浓度)的待测携砂液，将配好的携砂液加入到一定容积的量筒等实验器皿中，若有温度要求，则把量筒置入恒温水浴中，在静态状态下观察并测定支撑剂在携砂液中全部沉降所需的时间，进而定性的评价分析压裂液的悬砂性能。
压裂液类型、携砂液浓度、支撑剂颗粒大小、实验温度等因素均对支撑剂悬/携砂性能有很大的影响；采用目前常用的单颗粒支撑剂沉降法及携砂液悬砂性能测试法，只能得出单颗粒支撑剂的沉降速度和携砂液中支撑剂完全沉降的速度指标，该指标只能从宏观角度、间接地反映支撑剂在压裂液体系中的悬浮情况，而不能定量的、准确的、实时的给出不同实验温度条件下携砂液中支撑剂的沉降变化规律，进而直接影响到压裂液及支撑剂的优选、压裂方案的优化及压裂施工的有效性。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明的目的是提供一种压裂液悬砂能力评价装置及评价方法，能在不同实验温度条件下，开展不同粒径支撑剂在不同砂液比的携砂液中的悬砂及沉降机理实验研究，能定量的、准确的、实时的给出支撑剂沉降量与沉降时间的相关关系，得出支撑剂在携砂液中的沉降及悬砂变化规律，实现对同一条件下(温度、颗粒粒径、砂液比)不同压裂液的悬砂能力的测定，且测试操作过程简单，能为压裂液及支撑剂的优选评价、压裂方案的优化提供了良好的理论及实验数据支持。
为达上述目的，本发明提供一种压裂液携砂能力评价装置，其包括：
可视化悬砂测定容器，包括：悬砂测定容器内筒和外筒；
支撑剂质量测量系统，包括：支撑剂托盘、重量传感器、升降器、计时控制器以及刚性连接单元，所述支撑剂托盘位于所述悬砂测定容器内筒的内部，并且所述支撑剂托盘通过刚性连接元件与位于所述悬砂测定容器内筒上方的所述重量传感器和所述升降器连接，所述计时控制器与所述重量传感器、升降器连接并用于计量支撑剂沉降过程的时间；
数据采集处理系统，分别与重量传感器、升降器和计时控制器连接并用于采集所述支撑剂质量测量系统中得到的信号且通过软件转换输出实时数据曲线。
所述的压裂液携砂能力评价装置，其中，还包括用于对所述可视化悬砂测定 容器实现温控的温度控制系统。
所述的压裂液携砂能力评价装置，其中，所述温度控制系统包括恒温水浴装置和循环管路，所述可视化悬砂测定容器还包括悬砂测定容器外筒以及位于所述悬砂测定容器内筒和所述悬砂测定容器外筒之间的环形空间，所述悬砂测定容器外筒的下端设有循环液体入口且上端设有循环液体出口，循环液体入口和循环液体出口通过循环管路而与温度控制系统的恒温水浴装置连接，用于向环形空间内注入恒温的循环液体。
所述的压裂液携砂能力评价装置，其中，所述支撑剂托盘的外径小于悬砂测定容器内筒的内径，并且支撑剂托盘与悬砂测定容器内筒之间的间隙不足以使携砂液中的支撑剂通过。
所述的压裂液携砂能力评价装置，其中，所述悬砂测定容器内筒和所述悬砂测定容器外筒均采用耐高温、耐压、耐腐蚀的透明可视材料制成。
所述的压裂液携砂能力评价装置，其中，所述支撑剂托盘可采用耐腐蚀材料制成。
本发明还提供一种采用上述的压裂液携砂能力评价装置进行的评价方法，所述评价方法包括以下步骤：
(1)配制好压裂液，然后根据需要加入一定质量的目标支撑剂，充分搅拌，配制成一定砂比的待测携砂液；
(2)开启升降器，把支撑剂托盘降低到可视化悬砂测定容器的悬砂测定容器内筒的最低处；
(3)把配制好的待测携砂液加入可视化悬砂测定容器直至悬砂测定容器内筒上标注的携砂液液位处，当携砂液加入结束后，迅速通过升降器把支撑剂托盘升起到悬砂测定容器内筒上标注的支撑剂托盘标定位置后，对重量传感器显示数据进行清零；与此同时，计时控制器开始自动计时；
(4)实验过程中，数据采集处理系统自动开始采集携砂液中支撑剂沉降到托盘上的质量、支撑剂沉降持续时间、实验温度的信号，并通过软件处理，实时显示沉沙量与时间的关系曲线；
(5)当支撑剂全部沉降至托盘后，结束数据采集。
所述的评价方法，其中，在步骤(1)之前，还包括启动温度控制系统的步骤，通过温度控制系统设定加热温度，对可视化悬砂测定容器进行加温，直至整 个系统温度达到实验设定温度后，开始依次进行步骤(1)至步骤(5)。
所述的评价方法，其中，所述温度控制系统的温度范围为室温～95℃。
所述的评价方法，其中，所述支撑剂选用石英砂、覆膜砂或陶粒。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
(1)采用本装置及评价方法开展实验，不仅能得到沉降速率这一指标，而且在实验过程中能实时动态的得到一定实验温度下的携砂液中支撑剂沉降量随时间的变化情况，能定量的、准确的给出支撑剂在压裂液中的沉降量与时间的关系曲线，从而可对支撑剂在压裂液中的沉降及悬砂变化规律进行分析；
(2)实验装置设计有加热及温度控制系统，能模拟交联压裂液在储层温度条件下压裂液自然破胶过程中的悬砂能力的变化情况，比起目前常用的常温悬砂实验，更符合现场压裂的实际情况，更能客观真实的反映压裂液的悬砂及携砂能力；
(3)整个装置与液体接触部分都进行了耐腐蚀处理或采用耐腐蚀材料，实验范围广，不仅能开展常规滑溜水、压裂液等液体的悬砂实验，而且能开展地面交联酸等腐蚀性液体的悬砂评价实验；
(4)利用本发明得到的支撑剂沉降量与时间的关系曲线，比起目前常规方法得到的沉降时间、沉降速率指标，更能定量地、客观地反映出支撑剂在压裂液中的变化情况及沉降规律；
(5)本发明涉及实验中，所有实验数据的采集及分析都实现了的自动计量、显示及分析，计算机采集的数据经处理可生成原始数据报表、分析曲线图及数据库文件格式，以便用户灵活使用；整个实验排除了人为计量产生的误差，实验过程简单，操作安全方便。本发明原理可靠，测试操作过程简单，进一步丰富了压裂液悬砂能力测定的手段，可为压裂液及支撑剂的优选评价、压裂方案的优化提供良好的理论及实验数据支持，具有广阔应用前景。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1是添加携砂液时的压裂液携砂能力评价装置的结构示意图；
图2是添加完携砂液后正式实验时的压裂液携砂能力评价装置的结构示意图；
附图标记说明：1-主体框架结构；2-可视化悬砂测定容器；21-悬砂测定容器内筒；22-悬砂测定容器外筒；221-循环液体入口；222-循环液体出口；23-环形空间；3-支撑剂质量测量系统；31-支撑剂托盘；32-重量传感器；33-升降器；34-计时控制器；35-刚性连接单元；4-温度控制系统；41-恒温水浴；42-循环管路；5-数据采集处理系统；6-支撑剂托盘标定位置；7-携砂液液位；
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
首先如图1所示，其为压裂液携砂能力评价装置的结构示意图。本发明提供一种压裂液携砂能力评价装置，主要适用于压裂液的悬砂及沉降性能测试研究，所述评价装置主要包括：主体框架结构1、可视化悬砂测定容器2、支撑剂质量测量系统3、温度控制系统4以及数据采集处理系统5。
可视化悬砂测定容器2安装于主体框架结构1的底部并包括：悬砂测定容器内筒21、悬砂测定容器外筒22以及环形空间23。悬砂测定容器内筒21和悬砂测定容器外筒22的两端都是封闭的。
在一优选实施例中，悬砂测定容器内筒21和悬砂测定容器外筒22均采用耐高温、耐压、耐腐蚀透明可视材料制成，能直接观察容器内的液体情况。
在一优选实施例中，所述悬砂测定容器外筒22的下端设有循环液体入口221，上端设有循环液体出口222，循环液体入口221和循环液体出口222通过循环管路42而与温度控制系统4的恒温水浴装置41连接。其用于向环形空间23内注入恒温的循环液体，实验过程中通过循环液体在环形空间23中的不间断循环，实现对静态悬砂可视容器中携砂液等实验对象的温度控制。其中，实验温度可以通过对恒温水浴的温度设定来实现，温度控制范围为室温～95℃。
所述支撑剂质量测量系统3包括：支撑剂托盘31、重量传感器32、升降器33、计时控制器34以及刚性连接单元35。
所述支撑剂托盘31位于所述悬砂测定容器内筒21的内部，用于收集携砂液中沉降的支撑剂。支撑剂托盘31可采用耐腐蚀材料制成，且支撑剂托盘31的外径略微小于悬砂测定容器内筒21的内径，使得支撑剂托盘31既能实现自如上下升降且不会与悬砂测定容器内筒21产生摩擦，也不会由于间隙过大使携砂液中 的支撑剂通过，保证支撑剂都沉降在支撑剂托盘31上。
所述重量传感器32、升降器33、计时控制器34均设置在主体框架结构1的顶部。其中，所述支撑剂托盘31通过刚性连接元件35而与重量传感器32连接，可将携砂液中支撑剂沉降后在托盘上得到的质量数据信号转变为电信号，并输出到数据采集处理系统5。此外，所述支撑剂托盘31还通过刚性连接元件35与升降器33连接，升降器33能够实现快速升降支撑剂托盘31，当向可视化悬砂测定容器内开始添加携砂液时，通过升降器33先把支撑剂托盘31降到最低端，对重量传感器32起到保护作用；当携砂液加入结束后，迅速通过升降器33把支撑剂托盘31升起到支撑剂托盘标定位置6。所述计时控制器34主要用于计量支撑剂沉降过程的时间，当支撑剂托盘31被升降器33提升到支撑剂托盘标定位置6时，计时控制器34就自动开始计时。
所述数据采集处理系统5主要由计算机、数据采集卡、数据采集软件组成，数据采集处理系统5主要用于采集支撑剂质量测量系统中得到的支撑剂沉降时间、支撑剂沉降量、实验温度等信号，并通过软件转换输出实时关系曲线等数据。
本发明还提供一种压裂液携砂能力评价方法，具体请见图1和图2，所述评价方法包括以下步骤：
(1)启动温度控制系统4，通过温度控制系统4设定实验温度或设计要求的加热温度，对可视化悬砂测定容器2和整个循环系统进行加温，直至整个系统温度达到实验设定温度后，开始压裂液携砂能力评价实验；
(2)配制好交联压裂液(具体配制步骤参照标准SY/T5185-2008)，然后根据实验需要加入一定质量的目标支撑剂(常用支撑剂类型有石英砂、覆膜砂、陶粒等，支撑剂规格有70/140目、40/70目、30/50目、20/40目等)，充分搅拌，配制成一定砂比(压裂砂比一般在5％～50％左右，可根据实际施工或压裂方案要求设定实验砂比)的待测携砂液；
(3)开启升降器33，把支撑剂托盘31降低到可视化悬砂测定容器2的悬砂测定容器内筒21的最低处；
(4)把配制好的待测携砂液加入可视化悬砂测定容器2直至内筒21标注的携砂液液位7处，当携砂液加入结束后，迅速通过升降器33把支撑剂托盘31升起到支撑剂托盘标定位置6后，对重量传感器32显示数据进行清零；与此同时，计时控制器34开始自动计时；
(5)实验过程中，数据采集处理系统5自动开始采集携砂液中支撑剂沉降到托盘上的质量、支撑剂沉降持续时间、实验温度等信号，并通过软件处理，实时显示沉沙量与时间的关系曲线；
(6)当支撑剂全部沉降至托盘31后，关闭温度控制系统4，结束数据采集，结束本次测试实验。
需要说明的是，以上步骤仅用于进一步说明本发明，但不限制本发明。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
(1)采用本装置及实验方法开展实验，不仅能得到沉降速率这一指标，而且在实验过程中能实时动态的得到一定实验温度下的携砂液中支撑剂沉降量随时间的变化情况，能定量的、准确的给出支撑剂在压裂液中的沉降量与时间的关系曲线，从而可对支撑剂在压裂液中的沉降及悬砂变化规律进行分析；
(2)实验装置设计有加热及温度控制系统，能模拟交联压裂液在储层温度条件下压裂液自然破胶过程中的悬砂能力的变化情况，比起目前常用的常温悬砂实验，更符合现场压裂的实际情况，更能客观真实的反映压裂液的悬砂及携砂能力；
(3)整个装置与液体接触部分都进行了耐腐蚀处理或采用耐腐蚀材料，实验范围广，不仅能开展常规滑溜水、压裂液等液体的悬砂实验，而且能开展地面交联酸等腐蚀性液体的悬砂评价实验；
(4)利用本发明得到的支撑剂沉降量与时间的关系曲线，比起目前常规方法得到的沉降时间、沉降速率指标，更能定量地、客观地反映出支撑剂在压裂液中的变化情况及沉降规律；
(5)本发明涉及实验中，所有实验数据的采集及分析都实现了的自动计量、显示及分析，计算机采集的数据经处理可生成原始数据报表、分析曲线图及数据库文件格式，以便用户灵活使用；整个实验排除了人为计量产生的误差，实验过程简单，操作安全方便。本发明原理可靠，测试操作过程简单，进一步丰富了压裂液悬砂能力测定的手段，可为压裂液及支撑剂的优选评价、压裂方案的优化提供良好的理论及实验数据支持，具有广阔应用前景。
相关技术术语的名词解释虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特 征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。