CN105043933A - 一种高参数压裂液性能测试评价装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高参数压裂液性能测试评价装置，包括液态CO₂泵注单元、水基压裂液基液泵注单元、起泡剂泵注单元，CO₂泵注单元出口连接发泡及加热单元中泡沫发生器的气路进口；水基压裂液基液泵注单元的出口连接泡沫发生器的液路进口；起泡剂泵注单元通过一个分流三通分别连接CO₂泵注单元和水基压裂液基液泵注单元的出口管路；发泡及加热单元的出口通过三分支管路及阀门连接流变及摩阻测试单元、换热测试单元、滤失及岩心伤害测试单元；换热测试单元通过两分支管路及阀门连接流变及摩阻测试单元、滤失及岩心伤害测试单元；流变及摩阻测试单元与滤失及岩心伤害测试单元连接。

Description

一种高参数压裂液性能测试评价装置

技术领域

本发明涉及油气田开发地质改造过程中压裂液性能测试的实验装置。

背景技术

随着国家经济的快速发展，能源消费水平特别是油气资源的消耗量也在逐年快速增长。2014年，我国全年净进口石油3.08亿吨，石油对外依存度达到59.5％；天然气进口量为590亿立方米，同比增长11.5％，对外依存度上升至32.2％，并且均呈现逐年上升的态势。我国已探明的人均石油剩余可采储量仅为世界平均储量的十分之一，而其中低渗透油气远景资源量分别占全国总资源量的49％和42.8％。未来我国油气产量中低渗透油气所占比例将持续增大。低渗—特低渗油气藏具有孔隙度低，可渗透性差的特点。这一地质特征决定了其油气勘探及开采的难度和费用巨大，必须采用先进的增产开采技术才能取得经济开采价值并实现增储上产。因此实施压裂改造技术正是解决现阶段我国油气开发过程中所面临困难的最有效手段之一。水力压裂技术应用最早始于1947年，在美国德克萨斯州开展了实验研究，并取得了增产效果，之后随着技术的逐渐进步，取得了很大的发展。水力压裂主要是通过地面高压泵组将高粘液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，随即在井底附近形成高压，此压力在超过井底附近地应力及岩石的抗张强度后在地层形成裂缝；继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭合在支撑剂上，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和高导流能力的填砂裂缝，使油气井达到增产增注的目的。近年来，国外将水力压裂技术广泛应用于低渗透率油气田的开发中，并起到了显著的作用。据统计，美国石油储量的25％～30％是通过压裂增产达到经济开采条件的。这种技术使原来没有工业价值的油气田成为了具有一定产能的油气田，其意义已远远超过了一口井的增产增注作用。一般来说，油气井在压裂之后，单井日产量要比压裂前高3～5倍。同时油气井产量一旦递减到压裂之前还可以进行重复压裂。

压裂液是压裂改造过程中应用到的具有一定黏度的液体，施工中压裂液作为一种载体输送支撑剂进入管道，输送至地层，然后深入裂缝，防止压后裂缝通道的闭合，扩展裂缝宽度以及产生并支撑长裂缝，进而形成高导流能力通道，同时，在地层中压裂液会从高粘度恢复到低粘度最终在开井后实现返排。另外地层压裂过程中压裂液的配伍性的好坏，会对整个压裂施工成功与否起到关键性的作用。

经过半个多世纪的发展，压裂液已由单一的纯植物胶体系发展到现在的包括泡沫压裂液、CO₂基压裂液、油基压裂液、清洁压裂液等多体系的现状，但对于其性能的检测仍然存在若干需要解决的问题，主要表现在：目前还没有能模拟实际施工条件下泡沫压裂液的流变特性、换热特性、滤失及岩心伤害性能和泡沫压裂液可视化的气泡形态、尺寸及流型测试的多功能综合型实验***。

发明内容

本发明的目的是提供一种可实现模拟工程施工工况条件下的高参数(≥30MPa，≥100℃)压裂液性能测试的实验装置。其中，压裂液包括水基压裂液、水基泡沫压裂液、干法压裂液液等；性能包括流变特性、摩阻特性、换热特性、滤失特性及岩心伤害性能、泡沫压裂液的可视化气泡形态和流型。

为了达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的。

一种高参数压裂液性能的测试评价装置，其特征在于，包括液态CO₂泵注单元、水基压裂液基液泵注单元、起泡剂泵注单元、发泡及加热单元、换热测试单元、流变及摩阻测试单元、滤失及岩心伤害测试单元，所述CO₂泵注单元出口连接发泡及加热单元中泡沫发生器的气路进口；所述水基压裂液基液泵注单元的出口连接泡沫发生器的液路进口；所述起泡剂泵注单元通过一个分流三通分别连接CO₂泵注单元和水基压裂液基液泵注单元的出口管路；所述发泡及加热单元的出口通过三分支管路及阀门连接流变及摩阻测试单元、换热测试单元、滤失及岩心伤害测试单元；所述换热测试单元通过两分支管路及阀门连接流变及摩阻测试单元、滤失及岩心伤害测试单元；所述流变及摩阻测试单元与滤失及岩心伤害测试单元连接。

上述方案中，所述的CO₂泵注单元包括液态CO₂储罐，通过管道依次与截止阀、质量流量计及液态CO₂高压泵串联后再与泡沫发生器的气路进口相连；在高压柱塞泵与泡沫发生器之间管道上连接CO₂缓冲容器，缓冲器之后管道缠绕加热带。

所述的水基压裂液基液泵注单元：溶液池通过管道依次与截止阀、齿轮泵、y型过滤器、流量计、高压柱塞泵和止回阀串联后再与泡沫发生器的液路进口相连；在高压柱塞泵与泡沫发生器之间管道上连接缓冲容器。

所述起泡剂泵注单元包括水罐，水罐通过管道依次与截止阀、y型过滤器、质量流量计、柱塞式计量泵、高压活塞容器和止回阀串联后再通过分流三通分别与水基压裂液基液泵注单元、CO₂泵注单元的中间管道连接。

所述压裂液发泡及加热单元由泡沫发生器和加热器组成，泡沫发生器出口连接加热器。

所述换热测试单元包括垂直换热套管，其壳侧通过冷却循环泵、缓冲容器、流量计形成循环回路，管侧出口通过三通分别连接流变及摩阻测试单元。

所述流变及摩阻测试单元包括缓冲容器，通过管道依次与高压气液混输泵、流量计、换热器、流变测试段连接形成循环回路；在循环回路旁路上连接高压视窗容器。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、CO₂泵注单元、水基压裂液基液泵注单元及起泡剂泵注单元均设置闭环流量控制程序，在远端控制面板上输入所需流量值，传输至泵的变频器上，使泵输出所需流量。当流量计检测的流量发生波动时，通过控制程序自动调节变频器输出，从而使流量稳定。

2、高压柱塞泵出口安装压力控制程序，当***压力超过设定压力时，程序反馈信号，实现自动停泵，确保***和人员的安全。

3、低温液态CO₂储罐通过质量流量计直接连接CO₂高压柱塞泵。CO₂泵注单元后方管道缠绕加热带，加热低温液态CO₂，防止遇水结冰。

4、流变及摩阻测试单元，采用闭合回路，当压裂液充满回路时，启动高压气液混输泵，从而泡沫流体在闭合回路内循环流动。

5、摩阻测试单元管道上设置50MPa的可视旁路，采用高速摄像技术记录高压的泡沫结构形态及泡沫流体的流型。

6、岩心伤害测试单元采用闭合回路、循环剪切泡沫压裂液测试其动态滤失特性，并且循环剪切部分与流变及摩阻测试单元公用高压气液混输泵、高压缓冲罐和流量计。

附图说明

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

图1是本发明装置的整体结构示意图。

图中：V01.溶液池；V02.水罐；V03.液态CO₂储罐；P01.齿轮泵；P02.高压柱塞泵；P03.柱塞式计量泵；P04.CO₂高压柱塞泵；E01.流量计；E02.电接点压力表；Y01、Y02.y型过滤器；V04-V06.缓冲容器；E13.加热带；E12.泡沫发生器；E14.加热器；E15.换热套管；V07.缓冲容器；V08.高压缓冲容器；V09.高压可视容器；E16.低温恒温槽；E17.换热器；P06.冷却循环水机；P07.高压气液混输泵；E09-E11.罗斯蒙特差压变送器；E03.静滤失岩心夹持器；E04.动滤失岩心夹持器；E05.气液分离器；E06.气液分离器；E07.电子天平；E08-F.皂膜流量计；E08-G.玻璃管流量计；V11.模拟地层水罐；V12.模拟油罐；V13.煤油罐；V14.活塞容器；P09.平流泵；P10.高压恒流泵；P11.手动压力泵；V10.氮气瓶；V17.烧杯；V15.气体缓冲罐；V16.储液箱；V18.清洗溶液池；V19.中间容器，B01、B02背压阀

具体实施方式

参照图1，一种用于油气藏地质改造的高参数压裂液性能的测试评价装置，由以下十个单元构成：

(1)CO₂泵注单元

液态CO₂储罐V03出口依次连接截止阀、质量流量计E01-FIC301、液态CO₂高压柱塞泵P04，经柱塞泵流出的液态CO₂进入压裂液发泡及加热单元中的泡沫发生器E12的一个入口，其中在CO₂高压柱塞泵P04的出口安装电接点压力表和安全阀，在柱塞泵P04之后管道通过一个三通连接起泡剂泵注单元的出口，并在此管道上安装CO₂缓冲容器和铺设加热带；质量流量计E01与高压柱塞泵P04通过程序组成一闭环控制***，时刻控制高压泵的输出，维持输出流量稳定。

(2)水基压裂液基液泵注单元

包括溶液池V01、齿轮泵P01、高压柱塞泵P02、流量计E01-FIC101等。溶液池V01出口管与齿轮泵P01连接，并形成循环回路，实现压裂液基液的配制及搅拌剪切处理，搅拌泵出口连接y型过滤器、流量计和高压柱塞泵P02，经柱塞泵流出的压裂液进入压裂液发泡及加热单元中的泡沫发生器E12的另一个入口。在柱塞泵P02之后管道通过一个三通连接起泡剂泵注单元的出口；流量计E01与高压柱塞泵P02通过程序组成一闭环控制***，时刻控制高压泵的输出，维持输出流量稳定。

(3)起泡剂泵注单元

包括水罐V02、连接水罐的y型过滤器、质量流量计E01-FIC201、与流量计形成闭环控制的柱塞式计量泵P03、连接柱塞式计量泵的活塞容器V14，最后通过分流三通分别连接CO₂泵注单元和常规压裂液基液泵注单元的出口管道，其中，中间容器V19用于给活塞容器V14填充液体，同样管道上安装止回阀和小型缓冲容器V05。

(4)发泡及加热单元

包括泡沫发生器E12，泡沫发生器出口通过加热器E14，被一个三通分为两路，一路连通换热测试单元中的换热套管E15；另一路管道通过分支管连接流变及摩阻测试单元、滤失及岩心伤害测试单元及实验***出口的背压阀B02，其中，在加热器E14出口安装测温点，与加热器组成闭环控制***，控制加热功率，使输出流体温度恒定。

(5)换热测试单元

包括垂直换热套管E15、冷却循环泵P06、缓冲容器V03和流量计E01-FRI406，垂直换热套管E15的壳侧通过冷却循环泵P06、缓冲容器和流量计形成循环回路，实现换热套管内压裂液热流体与壳侧内冷流体的热交换。垂直换热测试套管E15采用的是逆流式垂直换热套管，复壁式换热的方式，利用冷却水在环管中的逆流换热实现对压裂液的降温冷却。管侧出口通过三通分别连接流变及摩阻测试单元和实验台出口分离器。

(6)流变及摩阻测试单元

包括高压气液混输泵P07、高压缓冲容器V08、流量计E01-FRI505、高压可视容器V09、低温恒温槽E16、换热器E17、罗斯蒙特差压变送器E09、E10、E11及分布与其并联的三管径(4mm、6mm及8mm)水平流变测试段。该单元中流变测试管段一个入口与换热测试单元中的垂直换热测试套管E15的管侧通过一个高压电动阀相连接；该单元组成一个闭合的回路，启动高压气液混输泵，可实现压裂液在闭合回路中循环剪切，并且在水平流变测试段可实现不同管径的切换。当高压泡沫压裂液流经旁路的高压可视容器时，高速摄像仪记录高压泡沫压裂液的流态和泡沫结构。另外该单元和滤失及岩心伤害测试单元中的动滤失测试公用一套循环剪切；高压气液混输泵P07和流量计E01-FRI505通过程序组成一闭环控制***，时刻控制高压气液混输泵P07的输出，维持输出流量稳定。

(7)滤失及岩心伤害测试单元

包括静态滤失岩心夹持器E03、动态滤失岩心夹持器E04、平流泵P09、高压恒流泵P10、与P10组成闭合回路的3个活塞容器V14、通过背压阀B02与静态和动态岩心夹持器均相连的气液分离器E05、分离器下部出口的出液流入放置在电子天平E07上的烧杯V17、与气液分离器上部出口相连接的2个不同量程的质量流量计E01-FRI606和E01-FRI607、流量计出口连接气体缓冲罐V15、与静态滤失岩心夹持器相连的氮气瓶V10、给岩心夹持器加环压的手动压力泵P11、与静态滤失岩心夹持器一端相连的测量气体的玻璃管流量计E08-G和测量液体的皂膜流量计E08-F、与平流泵相连接的模拟地层水罐V11和模拟油罐V12、与高压恒流泵P10相连的煤油罐V13。该单元可实现动静态滤失特性测试、岩心渗透率测试和岩心伤害测试。该单元的动态滤失岩心夹持器E04与流变及摩阻测试单元的缓冲容器V08、高压气液混输泵P07和流量计E01-FRI505组成闭合回路，用于测试压裂液的动态滤失特性。

(8)***清洗单元

包括清洗溶液池、与溶液池相连接的离心式水泵；一路主要清洗水基压裂液支路，然后流经换热测试单元和滤失及岩心伤害单元，最终从***出口排出；另一路主要清洗循环剪切部分，然后从***出口排出。

(9)实验***出口

包括背压阀B01、气液分离器E06、与气液分离器上部气路相连接的气体缓冲罐V15和与气液分离器下部液路相连接的储液箱V16。

实验***设计压力50MPa，设计温度最高200℃。

图1装置的工作原理如下：

1)将水基压裂液各成分加入溶液池V01，启动溶液池上的搅拌电机，配制水基压裂液基液；溶液池V01底部出口管与齿轮泵P02连接，形成循环回路，实验前启动搅拌电机和齿轮泵P02实现对溶液池中压裂液的充分剪切及搅拌，之后打开截止阀，压裂液通过齿轮泵提供的水力压头流经y型过滤器和流量计，最终被泵至高压柱塞泵P02，实现对常规水基压裂液的增压处理，之后高压压裂液流入泡沫发生器的一个液体入口。为保证输出流量稳定，高压柱塞泵出口安装缓冲容器。实验中关于高压柱塞泵流量的设定是在远端输入，通过控制程序控制变频器的输出，然后通过闭环控制程序使泵输出流量稳定。

泵注液态CO₂时，首先打开储罐阀门，保证整个实验***出口畅通，利用低温液态CO₂对管路和高压柱塞泵P04的泵头进行冷却，冷却3-5分钟之后，打开高压柱塞泵P04，远端设置所需液态CO₂流量，利用与泵出口安装的质量流量计E01-FIC301组成的闭环控制程序维持流量恒定；当实验中需要水基压裂液与液态CO₂混合时，启动CO₂泵注单元后方管道上的加热带，对低温液态CO₂进行预热，预热至0℃以上，避免遇水结冰。

由于有的起泡剂/增粘剂黏度较高，采用柱塞泵不能直接泵注，因此利用高压活塞容器，通过高压柱塞泵打水来推动活塞另一侧的起泡剂/增粘剂进入高压***。实验中，首先给中间容器V19填充起泡剂/增粘剂，利用高压的氮气接入中间容器将起泡剂/增粘剂压入高压活塞容器；然后远端控制面板设置所需的起泡剂/增粘剂流量，点击启动，柱塞式计量泵P03通过泵注水将起泡剂/增粘剂以一定的比例泵入高压的水基压裂液或者液态CO₂***。同样，通过柱塞式计量泵P03与流量计之间的闭环控制程序使泵输出流量稳定。

配制高压压裂液时，以上三种压裂液添加剂通常按照一定的比例，进而设置相应的流量进行混合，进入泡沫发生器E12和加热器E14，然后以所需的流速和温度进入相应的测试***。

2)所需参数的压裂液流经换热套管E15时，打开冷却循环泵P06，是的冷却循环泵输出流体的温度，采集程序时刻记录相应的温度值和流量值，利用复壁换热理论计算压裂液相应的换热系数。

3)所需参数的压裂液流经流变及摩阻测试单元时，首先对该测试单元的管道和缓冲容器V08充液，当缓冲容器V08达到所需压力时，通过设置的控制程序，自动实现停泵，代表充液完成；关闭该单元外的阀门，压裂液处于该单元的封闭环路，然后在远端设置所需压裂液的流量值并启动高压气液混输泵P07，同样，高压气液混输泵P07与流量计E01-FIC505组成闭环回路控制***，维持流量稳定；通过改变流量和管径(4mm、6mm及8mm)的方式来测试不同剪切速率下的压裂液流变及摩阻特性。通过高速摄像仪记录高压可视容器V09中泡沫的结构和其对应的流型。

4)所需参数的压裂液流经滤失及岩心伤害测试单元，当需测试静态滤失特性时，首先从压裂液泵注单元过来的压裂液对活塞容器V14进行充液，充液完成后即关闭压裂液泵注单元，启动高压恒流泵，对高压活塞容器V14泵注煤油，推动活塞，进而推动压裂液经过静态滤失岩心夹持器E03，测试压裂液的静态滤失特性；当需测试压裂液的动态滤失特性时，同样对流变及摩阻测试单元的缓冲容器V08和高压气液混输泵P07充液，关闭流变测试段三根不同管径上的阀门，充液完成后，设定流量、启动高压气液混输泵P07，压裂液以一定的剪切速率流经动态滤失岩心夹持器E04的岩心端面，测试压裂液的动态滤失特性。当测试完压裂液的滤失特性后，将岩心放置在静态滤失岩心夹持器E03内，利用氮气测试压裂液对岩心的伤害特性。

利用加热器后方的分支管路，以上各压裂液特性测试单元可以实现单独测试，也可实现综合测试。

Claims (7)

1.一种高参数压裂液性能测试评价装置，其特征在于，包括液态CO₂泵注单元、水基压裂液基液泵注单元、起泡剂泵注单元、发泡及加热单元、换热测试单元、流变及摩阻测试单元、滤失及岩心伤害测试单元，所述CO₂泵注单元出口连接发泡及加热单元中泡沫发生器的气路进口；所述水基压裂液基液泵注单元的出口连接泡沫发生器的液路进口；所述起泡剂泵注单元通过一个分流三通分别连接CO₂泵注单元和水基压裂液基液泵注单元的出口管路；所述发泡及加热单元的出口通过三分支管路及阀门连接流变及摩阻测试单元、换热测试单元、滤失及岩心伤害测试单元；所述换热测试单元通过两分支管路及阀门连接流变及摩阻测试单元、滤失及岩心伤害测试单元；所述流变及摩阻测试单元与滤失及岩心伤害测试单元连接。

2.如权利要求1所述的高参数压裂液性能测试评价装置，其特征在于，所述的CO₂泵注单元包括液态CO₂储罐，通过管道依次与截止阀、质量流量计及液态CO₂高压泵串联后再与泡沫发生器的气路进口相连；在高压柱塞泵与泡沫发生器之间管道上连接CO₂缓冲容器，缓冲器之后管道缠绕加热带。

3.如权利要求1所述的高参数压裂液性能测试评价装置，其特征在于，所述的水基压裂液基液泵注单元：溶液池通过管道依次与截止阀、齿轮泵、y型过滤器、流量计、高压柱塞泵和止回阀串联后再与泡沫发生器的液路进口相连；在高压柱塞泵与泡沫发生器之间管道上连接缓冲容器。

4.如权利要求1所述的高参数压裂液性能测试评价装置，其特征在于，所述起泡剂泵注单元包括水罐，水罐通过管道依次与截止阀、y型过滤器、质量流量计、柱塞式计量泵、高压活塞容器和止回阀串联后再通过分流三通分别与水基压裂液基液泵注单元、CO₂泵注单元的中间管道连接。

5.如权利要求1所述的高参数压裂液性能测试评价装置，其特征在于，所述压裂液发泡及加热单元由泡沫发生器和加热器组成，泡沫发生器出口连接加热器。

6.如权利要求1所述的高参数压裂液性能测试评价装置，其特征在于，所述换热测试单元包括垂直换热套管，其壳侧通过冷却循环泵、缓冲容器、流量计形成循环回路，管侧出口通过三通分别连接流变及摩阻测试单元。

7.如权利要求1所述的高参数压裂液性能测试评价装置，其特征在于，所述流变及摩阻测试单元包括缓冲容器，通过管道依次与高压气液混输泵、流量计、换热器、流变测试段连接形成循环回路；在循环回路旁路上连接高压视窗容器。