可变裂缝支撑剂输送-闭合-回流模拟实验装置与方法

技术领域

本发明属于油气增产技术领域，尤其是涉及一种可变裂缝支撑剂输送-闭合-回流模拟实验装置与方法。

背景技术

目前我国大量低渗透、非常规储层依赖压裂技术开发，压裂过程中支撑剂的输送、铺置、回流状态对压裂效果有着非常严重的影响。前置液泵送阶段，向储层泵入高压液体，在水压的作用下，将储层压裂开形成裂缝，当裂缝的开度达到了一定程度后，将携砂液泵注到裂缝里，泵注停止后裂缝内的支撑剂颗粒在地应力作用下会滞留在裂缝中，裂缝就成为了油气流动的高速通道，随着后续压裂压力的降低，裂缝逐渐闭合，支撑剂被挤压，在压裂液达到破胶时间后，泄压返排压裂液，支撑剂在返排过程中会出现一定回流。考虑全过程支撑剂的状态变化，对深入揭示压裂效果具有指导作用。

支撑剂室内模拟实验是研究该问题最简单快捷的手段，这需要首先建立反应裂缝生成-闭合等过程形态的裂缝模型。实用新型专利CN206071560U公开了可变缝宽缝网装置，该装置改变裂缝宽度的方式是通过主缝入口注入压裂液，缝内压力变大，拉伸密封胶条使得裂缝张开，虽然其能便捷地改变裂缝宽度，但是固定裂缝宽度在一个定值需要调节缝内的压力来完成，较为繁琐，同时，该装置所使用的裂缝板壁面是光滑的。实用新型专利216517949U公开了一种可调控裂缝壁面粗糙度和缝宽的支撑剂输送实验装置,金属框架内夹持有两块平面可视化缝板，螺栓穿过金属框架且与平面可视化缝板相接触，位于上方的平面可视化缝板的下方设有下凹槽，位于下方的平面可视化缝板的上方设有上凹槽，且下凹槽与上凹槽均设有密封胶条，密封胶条均粘附有颗粒粘膜，颗粒粘膜的另一面粘附有支撑剂颗粒，该装置改变裂缝宽度的方式是依赖平面可视化缝板在上凹槽、下凹槽内改变位置，且利用金属框架、密封胶条、螺栓辅助位置固定，该装置仍较为繁琐，当需要改变较大缝宽时，需要依赖金属框架、凹槽的位置/形状，以及密封胶条压紧状态；金属框架与凹槽形状也决定了不同位置裂缝宽度相同或均匀过渡。

储层压裂过程中，不同位置的实际裂缝形态具有显著差异性，随着裂缝生成、携砂液充填、裂缝闭合、泄压回流等连续过程中，裂缝宽度在同一时刻、不同时刻均可呈不规律变化，但是目前公开的装置无法反馈复杂裂缝变缝宽影响，而且装置无法满足支撑剂输送(裂缝宽度沿水平位置宽度可相同或不相同，该阶段缝宽不变)-挤压(该阶段裂缝被挤压，宽度沿水平位置均再次改变)-回流(采用挤压稳定后的裂缝宽度，该阶段裂缝宽度不变)等多个连续过程中的变缝宽功能需求，也没有考虑到支撑剂输送进入、裂缝闭合、支撑剂回流中的可视化连续分析情况。鉴于此，设计一种可模拟裂缝多个状态变缝宽、能满足支撑剂输送-闭合-回流等连续过程模拟的实验装置和方法是十分有必要的。

发明内容

针对上述现有实验装置和技术中的不足，本发明提供一种可变裂缝支撑剂输送-闭合-回流模拟实验装置与方法，其工作性能可靠且模拟效果好、安装布设合理，可以提供多种裂缝宽度和壁面粗糙程度。

为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：

一种可变裂缝支撑剂输送-闭合-回流模拟实验装置，其特殊之处在于：

包括多点可变形裂缝模型和摄像装置；

所述多点可变形裂缝模型包括粗糙裂缝板和弹性夹条；

粗糙裂缝板的数量为多块，多块粗糙裂缝板进行顺向连接，相对的两块粗糙裂缝板之间可设置弹性夹条，粗糙裂缝板之间、粗糙裂缝板与弹性夹条之间均通过密封胶进行连接，粗糙裂缝板外侧由支撑筋固定；多点可变形裂缝模型的两端分别设有输入口和输出口，粗糙裂缝板外侧设有缝宽控制阀；通过缝宽控制阀来控制弹性夹条的挤压程度，通过改变其弹性夹条厚度实现裂缝宽度调节；

所述多点可变形裂缝模型的输入口通过连接管线依次连接阀门、携砂液输入泵、输入液体容器，输入口与携砂液输入泵之间设有计量装置和输出液体容器；

所述多点可变形裂缝模型的输出口通过连接管线依次连接阀门、回流液体输送泵、输入液体容器，输出口与回流液体输送泵之间设有计量装置和输出液体容器；

通过摄像装置可视化观察、记录多点可变形裂缝模型中支撑剂的输送与铺置情况。

优选地，所述粗糙裂缝板为透明材料，例如：所述粗糙裂缝板为塑料板、亚克力板或玻璃板。

优选地，所述弹性夹条具有显著弹性，而非刚性或弱可挤压材料。例如：所述弹性夹条为硅胶条、橡胶条、多孔固体泡沫或固化后树脂，具有显著弹性，而非刚性或弱可挤压材料。

优选地，所述缝宽控制阀为多点夹具，通过螺纹移动控制弹性夹条的挤压程度；每组粗糙裂缝板安装一或多个缝宽控制阀，实现多点缝宽的实时调整。

优选地，所述携砂液输入泵为可携带流、固多相的泵。

优选地，所述可变裂缝支撑剂输送-闭合-回流模拟实验装置包括控制器，所述控制器用于获取与显示计量装置和摄像装置的数据。

另外，本发明还提出一种可变裂缝支撑剂输送-闭合挤压-回流可视化模拟实验方法，是基于上述支撑剂输送-闭合-回流模拟实验装置实现的，其特殊之处在于，包括如下步骤：

步骤一：准备工作及搭建装置，其实验过程如下：

S01准备工作：整理实验装置所需的组件和压裂液一、压裂液二、支撑剂；

S02搭建装置：连接多点可变形裂缝模型的不同组件，利用针筒向输入口注入水，开展密封性测试，确保系统密封可靠；连接多点可变形裂缝模型、携砂液输入泵、回流液体输送泵、阀门、输入液体容器；在输入液体容器中加入压裂液一、支撑剂，配置携砂液，以一定泵送排量，将携砂液通过携砂液输入泵由多点可变形裂缝模型的输入口注入，通过摄像装置可视化观察支撑剂的输送与铺置情况，通过计量装置观察流体压力变化情况、压裂液一的流出情况；当携砂液到达多点可变形裂缝模型的输出口时，停止注入；

步骤二：裂缝闭合挤压实验，其实验过程如下：

S01通过缝宽控制阀调节弹性夹条的挤压程度，测量粗糙裂缝板、弹性夹条的厚度，表征裂缝闭合挤压过程；

S02通过摄像装置可视化观察粗糙裂缝板闭合挤压过程中的支撑剂铺置情况；

步骤三：回流试验，其实验过程如下：

S01在输出液体容器中放入压裂液二，等候压裂液二破胶；以一定泵送排量，通过回流液体输送泵将破胶后的压裂液二由多点可变形裂缝模型的输出口注入，由多点可变形裂缝模型的输入口流出，通过摄像装置可视化观察支撑剂的输送与铺置情况，观察流体压力变化情况、压裂液二的流出情况；

步骤四：数据分析及结果总结：

根据实验数据进行分析，包括支撑剂在裂缝模型中的流动情况、压力分布、支撑剂回流效果等；改变实验参数(包括支撑剂浓度、粗糙裂缝板表面的粗糙度、泵送排量、粗糙裂缝板长度以及组合形式等)，模拟不同复杂裂缝、注入工艺下的支撑剂输送-闭合挤压-回流情况。

本发明的技术能够适应不同时刻变缝宽需求，且能反馈矿场裂缝生成、携砂液充填、裂缝闭合、泄压回流等连续过程中支撑剂输送-闭合-回流等连续过程模拟。通过调整装置的工作参数，可以实现对不同尺寸裂缝进行支撑剂的输送闭合回流。通过以上的设计能够更加真实地模拟地层内裂缝的真实特征，并且实验操作简单方便，成本小。本发明为支撑剂在不同的裂缝宽度情况下的支撑剂输送-闭合-回流规律提供了更有利的研究条件，进一步认识支撑剂在不同地下裂缝特征下的运移规律，为支撑剂应用提供了更为有利的指导。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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它附图。

图1为一种可变裂缝支撑剂输送-闭合-回流模拟实验装置示意图；

图2为复杂裂缝情形可变裂缝支撑剂输送-闭合-回流模拟实验装置中的多点可变形裂缝模型示意图；

附图标记说明：

1-多点可变形裂缝模型；2-输入液体容器；3-携砂液输入泵；4-输出液体容器；5-回流液体输送泵；6-阀门；7-计量装置；8-摄像装置；9-连接管线；11-粗糙裂缝板；12-弹性夹条；13-支撑筋；14-输入口；15-输出口；16-缝宽控制阀；17-密封胶；21-主裂缝；22-次裂缝。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本发明提出一种可变裂缝支撑剂输送-闭合-回流模拟实验装置，包括多点可变形裂缝模型1和摄像装置8。所述多点可变形裂缝模型1包括粗糙裂缝板11和弹性夹条12；粗糙裂缝板11的数量为多块，多块粗糙裂缝板11进行顺向连接，相对的两块粗糙裂缝板11之间设置弹性夹条12，相邻的粗糙裂缝板11之间、粗糙裂缝板11与弹性夹条12之间均通过密封胶17进行连接，粗糙裂缝板11外侧由支撑筋13固定；多点可变形裂缝模型1的两端分别设有输入口14和输出口15，最外层的粗糙裂缝板11外侧设有缝宽控制阀16；通过缝宽控制阀16来控制弹性夹条12的挤压程度，通过改变其弹性夹条12厚度实现裂缝宽度调节；所述多点可变形裂缝模型1的输入口14通过连接管线9依次连接阀门6、携砂液输入泵3、输入液体容器2，输入口14与携砂液输入泵3之间设有计量装置7和输出液体容器4；所述多点可变形裂缝模型1的输出口15通过连接管线9依次连接阀门6、回流液体输送泵5、输入液体容器2，输出口15与回流液体输送泵5之间设有计量装置7和输出液体容器4；通过摄像装置8可视化观察、记录多点可变形裂缝模型1中支撑剂的输送与铺置情况。

所述携砂液输入泵3为可携带流、固多相的泵。

作为本发明的一个优选实施例，所述可变裂缝支撑剂输送-闭合-回流模拟实验装置，还包括控制器，所述控制器用于获取与显示计量装置7和摄像装置8的数据。

作为本发明的一个优选实施例，所述连接管线9为软管。所述粗糙裂缝板11为透明材料。例如：所述粗糙裂缝板11为塑料板、亚克力板或玻璃板等透明材料。

所述弹性夹条12可以为硅胶条、橡胶条、多孔固体泡沫、固化后树脂，具有显著弹性，而非刚性或弱可挤压材料，挤压弹性夹条，改变其厚度，实现裂缝宽度调节。具体地，本实施例中，采用多孔固体泡沫，表面光滑无孔、防止压裂液或密封胶漏失，内部发育大量气孔、气孔直径约0.1-0.8mm，初始厚度为5-10mm，调节后其厚度为3-6mm。

为实现缝宽可调节，缝宽控制阀16为多点夹具，通过螺纹移动控制弹性夹条的挤压程度；每组粗糙裂缝板安装一或多个缝宽控制阀，实现多点缝宽的实时调整。具体地，本实施例中，粗糙裂缝板11为长30cm、宽22cm的长方形透明亚克力板，缝宽控制阀为2或3点G形夹，每组粗糙裂缝板安装2-4个缝宽控制阀。

本发明还提出一种可变裂缝支撑剂输送-闭合挤压-回流可视化模拟实验方法，其基于所述支撑剂输送-闭合-回流模拟实验装置实现的，包括如下步骤：

步骤一：准备工作及搭建装置，其实验过程如下：

S01准备工作：整理实验装置所需的组件和压裂液一、压裂液二、支撑剂；

S02搭建装置：连接多点可变形裂缝模型1的不同组件，利用针筒向输入口14注入水，开展密封性测试，确保系统密封可靠；连接多点可变形裂缝模型1、携砂液输入泵3、回流液体输送泵5、阀门6、输入液体容器2；在输入液体容器2中加入压裂液一、支撑剂，配置携砂液，以一定泵送排量，将携砂液通过携砂液输入泵3由多点可变形裂缝模型1的输入口14注入，通过摄像装置8可视化观察支撑剂的输送与铺置情况，通过计量装置7观察流体压力变化情况、压裂液一的流出情况；当携砂液到达多点可变形裂缝模型1的输出口15时，停止注入；

步骤二：裂缝闭合挤压实验，其实验过程如下：

S01通过缝宽控制阀16调节弹性夹条12的挤压程度，测量粗糙裂缝板11、弹性夹条12的厚度，表征裂缝闭合挤压过程；

S02通过摄像装置8可视化观察粗糙裂缝板11闭合挤压过程中的支撑剂铺置情况；

步骤三：回流试验，其实验过程如下：

S01在输出液体容器4中放入压裂液二，等候压裂液二破胶；以一定泵送排量，通过回流液体输送泵5将破胶后的压裂液二由多点可变形裂缝模型1的输出口15注入，由多点可变形裂缝模型1的输入口14流出，通过摄像装置8可视化观察支撑剂的输送与铺置情况，观察流体压力变化情况、压裂液二的流出情况；

步骤四：数据分析及结果总结：

根据实验数据进行分析，包括支撑剂在裂缝模型中的流动情况、压力分布、支撑剂回流效果；改变实验参数(包括支撑剂浓度、粗糙裂缝板表面的粗糙度、泵送排量、粗糙裂缝板长度以及组合形式等)，模拟不同复杂裂缝、注入工艺下的支撑剂输送-闭合挤压-回流情况。

本实施例中，连接多点可变形裂缝模型1、携砂液输入泵3、回流液体输送泵5、阀门6、输入液体容器2；在输入液体容器2中加入压裂液一、支撑剂，配置携砂液，并将携砂液进行计量。输入口14、输出口15的直径为8mm，连接输入口14、输出口15的软管外径为8mm、内径为5mm，携砂液由软管通过携砂液输入泵3以300ml/min的流量由多点可变形裂缝模型1的输入口14注入，通过摄像装置8可视化观察、记录支撑剂的输送与铺置情况。通过计量装置7观察流体压力变化情况、压裂液一的流出情况；当携砂液到达多点可变形裂缝模型的输出口时或注入给定时间后，停止注入。输送完成后，携砂液经输出口15流出进入输出液体容器4，同样输出液体容器可计量输出液体的容量。

所述弹性夹条12的初始宽度选定后，通过螺纹移动多点G形夹挤压弹性夹条12，以改变弹性夹条12的厚度，从而达到改变不同位置、不同时刻裂缝宽度的目的。测量粗糙裂缝板11之间、弹性夹条12的厚度，以此表征裂缝闭合挤压过程。通过摄像装置8可视化观察粗糙裂缝板11闭合挤压过程中的支撑剂铺置情况。同时，监测支撑剂的输送压力、流量和输送速度等参数。当支撑剂完成任务或需要回收时，停止输送。

本实施例中，在最右侧输入液体容器2中放入压裂液二，等候压裂液二破胶；通过回流液体输送泵5以300ml/min的流量将破胶后的压裂液二由多点可变形裂缝模型1的输出口15注入，由多点可变形裂缝模型1的输入口14流出，通过摄像装置8可视化观察支撑剂的回流、移动情况，同时观察流体压力变化情况、压裂液二的流出情况等参数。

根据实际油气开采中遇到的复杂地层裂缝情况，改变不同缝宽和壁面粗糙程度，选择适合的支撑剂，改变多点可变形裂缝模型中粗糙裂缝板的数量、连接形式，可建立复杂裂缝情形模拟装置。本实施例中，搭建装置、确保系统密封可靠，主裂缝21和次裂缝22采用的粗糙裂缝板一致，均为长30cm、宽22cm的长方形透明亚克力板，次裂缝22与主裂缝21之间的夹角为60度，参见图2。粗糙裂缝板11同样是由弹性夹条12连接而成，次裂缝22与主裂缝21上均安装缝宽控制阀16，缝宽控制阀为多点G形夹。通过缝宽控制阀16来调节主裂缝21、次裂缝22上弹性夹条的挤压程度，改变不同主裂缝21、次裂缝22的裂缝宽度。调整阀门控制支撑剂的流量和压力，注入支撑剂进行实验，在实验过程中，持续监测实验参数的变化，包括流速、压力、温度等，记录实验数据；并根据实验要求进行相应的录像；当复杂裂缝支撑剂输送至模型输出口时，计量流出液体体积；当达到一定泵注时间后，停止实验；将破胶后的压裂液二，通过回流液体输送泵5注入主裂缝21、次裂缝22的输出口，压裂液二从主裂缝21、次裂缝22的输入口流至输出液体容器4，计量流出体积，观察裂缝模型中的支撑剂流动情况。

本发明未尽事宜为公知技术。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。