CN107218035A - 一种自动改变裂缝壁面磨阻的实验装置及工作方法与应用 - Google Patents

Abstract

一种自动改变裂缝壁面磨阻的实验装置，包括：主箱体：套设在转筒外部，且在主箱体内部至少包括一面用于模拟裂缝的静态实验面；转筒：包括多个用于模拟不同磨阻的动态实验面，所述转筒通过转轴轴向设置在主箱体内转动；所述动态实验面与所述静态实验面相对平行设置时，两者之间形成模拟裂缝，所述模拟裂缝的轴向边界密封设置。在本发明中，当制作好模拟裂缝时，固定转筒，在对模拟裂缝的轴向边界采用密封条密封，使模拟裂缝上下两侧保持密封状态，保证进行磨阻实验时不漏水。

Description

一种自动改变裂缝壁面磨阻的实验装置及工作方法与应用

技术领域

本发明涉及一种自动改变裂缝壁面磨阻的实验装置及工作方法与应用，属于石油、天然气开采过程中的水力压裂的技术领域。

背景技术

水力压裂是油气井增产改造的重要技术手段，无论是常规的低渗透、特低渗透油气藏，还是非常规油气藏的页岩、致密砂岩储层，水力压裂都起着关键的增产作用，尤其是非常规储层，不采用压裂技术，地下的油气难于开采出来。水力压裂就是利用高压泵组，将压裂液泵入地层，在地层中形成一条或多条具有一定几何尺寸的裂缝，裂缝长度一般从几十米到几百米，高度从几米到几十米高，宽度几个毫米宽。然后将带有支撑剂的携砂液(压裂液与支撑剂的混合物)注入到裂缝。压裂结束后，压裂液破胶返排到地面，支撑剂在留在裂缝中，起到支撑裂缝的作用，保持裂缝处于张开状态，支撑剂颗粒之间的孔隙为地层油气水提供流通通道，从而起到压裂增产的效果。

裂缝磨阻是压裂中客观存在的，在压裂过程中压裂液在裂缝中的磨阻对压裂产生较大的影响，会改变裂缝的几何尺寸、形状和导流能力。裂缝壁面为凹凸不平的岩石壁面，使得压裂液在传递水力能量的过程中，由于粗糙壁面的阻力造成能量损失，用于造缝的有效压力降低，需要提高排量才能满足压裂施工需要，增加了工作泵的负担。粗糙的裂缝壁面，对于压裂液具有强剪切作用，致使压裂液在携砂过程中出现粘度下降，支撑剂沉降过快，难以在水平方向上形成有利的铺置浓度，也不利于形成有效的长裂缝，进而影响压裂效果。因此研究裂缝磨阻对于更好的压裂施工具有重要的意义。

传统的裂缝磨阻测试装置，主要为一个长方体的空腔，内置不同磨阻板进行测试，在实验结束后，需要打开箱体，取出磨阻板更换，过程费时费力，不易操作。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种自动改变裂缝壁面磨阻的实验装置。

本发明还公开了上述实验装置的工作方法。

本发明还公开了利用上述实验装置进行对模拟裂缝进行磨阻实验的方法。

本发明的技术方案如下：

一种自动改变裂缝壁面磨阻的实验装置，包括：

主箱体：套设在转筒外部，且在主箱体内部至少包括一面用于模拟裂缝的静态实验面；

转筒：包括多个用于模拟不同磨阻的动态实验面，所述转筒通过转轴轴向设置在主箱体内转动；所述动态实验面与所述静态实验面相对平行设置时，两者之间形成模拟裂缝，所述模拟裂缝的轴向边界密封设置。在本发明中，当制作好模拟裂缝时，固定转筒，在对模拟裂缝的轴向边界采用密封条密封，使模拟裂缝上下两侧保持密封状态，保证进行磨阻实验时不漏水。

根据本发明优选的，所述转筒通过手摇把手在所述主箱体内轴向转动。

根据本发明优选的，在所述动态实验面上设置有用于固定砂砾的槽。

根据本发明优选的，所述槽为水泥槽。本发明中，所述动态实验面上表面设置有水泥槽，用于铺置砂砾，涂抹水泥以固定砂砾，模拟不同的磨阻的裂缝内表面。在实验时，调节转筒的其中实验面与主箱体内壁平行，使主箱体内壁和动态实验面之间产生模拟裂缝，所述模拟裂缝的宽度为2～12mm，以供实验流体通过。

根据本发明优选的，所述主箱体整体为长方体形，在其中一长方形侧面上开合设置有前盖，所述前盖包括镶嵌有静态实验面的密封边框。本发明中，所述主箱体是一个长方体箱体，包括一个空腔，足够容纳转筒在其中进行转动。本发明中，主箱体的上盖也采用开盖设计，用于在转筒的水泥槽内铺置砂砾，并在采用水泥或其他粘结材料固定后，翻转转筒，依次设置不同磨阻参数的磨阻层。同时，所述前盖的静态实验面还可与所述磨阻层相对平行设置形成模拟裂缝，供实验流体穿过以进行磨阻实验。

根据本发明优选的，所述静态实验面整体为透明可视窗。本发明中，可以通过所述透明可视窗观察到实验流体，如支撑剂在磨阻层砂砾周围的运移情况。

根据本发明优选的，在所述主箱体的另一长方形侧面上开合设置有后盖。此设计的优点在于，在磨阻实验进行完成之后，通过后盖分别将动态实验面所述磨阻层清除。磨砂

根据本发明优选的，所述转筒为长方体，其四个长方形侧壁分别为具有不同磨阻的四个动态实验面。本发明中，所述的转筒也为长方体结构，中间设置有一根转轴，使得转筒可以绕其转动，转轴末端有一个手摇把手，采用手工的方式调整转筒的位置。

根据本发明优选的，在所述主箱体且与所述前盖对应的位置设置有用于固定动态实验面的卡槽。

根据本发明优选的，所述卡槽的外缘与所述转筒旋转的外接圆轨迹相适应；所述前盖的密封边框与所述卡槽的外侧通过固定密封部件相连。此处设计的优点在于，为转筒在主箱体内自由转动提供足够的空间，并同时能实现模拟裂缝。

根据本发明优选的，在所述主箱体的轴向两端且与所述模拟裂缝分别连接设置有压力表。本发明中，主箱体内部的模拟裂缝的轴向两端设置有压力表，用于测试实验流体在模拟裂缝中流动存在的压力差，获知压力损失量。

如上述实验装置的工作方法，包括：制备多种磨阻的动态实验面。

根据本发明优选的，制备多种磨阻的动态实验面包括具体步骤如下：

打开所述主箱体的前盖，旋转所述转筒，使转筒上的动态实验面依次暴露；在所述动态实验面的表面上固定砂砾形成磨阻层。

如上述实验装置的工作方法，包括：清除动态实验面上的磨阻层砂砾。

根据本发明优选的，所述清除动态实验面上的磨阻层砂砾包括具体步骤如下：打开所述主箱体的后盖，旋转所述转筒，使具有磨阻层的动态实验面依次通过后盖暴露，然后对所述动态实验面进行清洗，将所述磨阻层从动态实验面表面清除。

利用上述实验装置进行对模拟裂缝进行磨阻实验的方法，包括：

1)根据实验室与现场施工相似原则，计算磨阻实验所需的实验流体排量；

2)分别在所述转筒的多个动态实验面制备具有不同磨阻参数的磨阻层，砾石指平均粒径大于1毫米的岩石或矿物碎屑物，可以通过调整砾石在磨阻层上的铺置密度，选用粒径大小不同的砾石来改变动态实验面的磨阻；

3)打开所述主箱体的前盖，旋转转筒，固定要进行实验的动态实验面与所述前盖内壁平行，以形成模拟裂缝，并对所述模拟裂缝的轴向边界其进行密封固定，密封所述前盖；

4)通过主箱体向所述模拟裂缝内注入实验流体以进行磨阻实验，测试不同磨阻面下，流体通过实验所引起的压力变化；

5)重复步骤3)，通过旋转转筒更换具有不同磨阻的动态实验面。

本发明的有益效果在于：

1、本发明改变传统的裂缝磨阻测试结构，把组成模拟裂缝的两个侧面改为一静一动两个部分，其中活动部分具有多个实验磨阻面，可以根据实验需要旋转以制备出不同磨阻系数，并分别进行模拟裂缝的磨阻实验。本发明在进行一次实验时，只需将待实验的磨阻面对准静止的主箱体内壁，形成模拟裂缝后对其轴向边界密封即可。在制备磨阻面时可以通过在动态实验面上涂抹固定不同粒径的石子以模拟不同参数的磨阻。同时箱体为开盖设计，更容易清洗，也更容易更换磨阻面。在本发明的技术方案中，磨阻面的制作，即铺置砂砾，通过粘结剂固定在所述动态实验面上，通过转轴转动实现自动改变，一次制备能进行多次实验，提高实验效率，节省实验空间。

2、在本发明中，当制作好模拟裂缝时，固定转筒，在对模拟裂缝的轴向边界采用密封条密封，使模拟裂缝上下两侧保持密封状态，保证进行磨阻实验时不漏水。

3、本发明中，所述动态实验面上表面设置有水泥槽，用于铺置砂砾，涂抹水泥以固定砂砾，模拟不同的磨阻的裂缝内表面。在实验时，调节转筒的其中实验面与主箱体内壁平行，使主箱体内壁和动态实验面之间产生模拟裂缝，所述模拟裂缝的宽度为2～12mm，以供实验流体通过。

4、本发明中，所述主箱体是一个长方体箱体，包括一个空腔，足够容纳转筒在其中进行转动。本发明中，主箱体的上盖也采用开盖设计，用于在转筒的水泥槽内铺置砂砾，并在采用水泥或其他粘结材料固定后，翻转转筒，依次设置不同磨阻参数的磨阻层。同时，所述前盖的静态实验面还可与所述磨阻层相对平行设置形成模拟裂缝，供实验流体穿过以进行磨阻实验。

5、本发明中，可以通过所述透明可视窗观察到实验流体，如支撑剂在磨阻层砂砾周围的运移情况。

6、本发明通过设计后盖分别将动态实验面所述磨阻层清除。

7、本发明中，所述的转筒也为长方体结构，中间设置有一根转轴，使得转筒可以绕其转动，转轴末端有一个手摇把手，采用手工的方式调整转筒的位置。

8、本发明在所述主箱体且与所述前盖对应的位置设置有用于固定动态实验面的卡槽，为转筒在主箱体内自由转动提供足够的空间，并同时能实现模拟裂缝。

9、本发明中，主箱体内部的模拟裂缝的轴向两端设置有压力表，用于测试实验流体在模拟裂缝中流动存在的压力差，获知压力损失量。

附图说明

图1是本发明所述在动态实验面制备的磨阻层的示意图，其表面的砂砾大小不一；

图2是本发明所述在动态实验面制备的磨阻层的示意图，其表面的砂砾大小一致；

图3是利用本发明所述实验装置进行磨阻实验后得到的：砂砾直径对模拟裂缝磨阻影响曲线示意图；

图4是本发明所述实验装置的整体结构剖视图；

图5是本发明所述实验装置的端面剖视图。

在图1-5中，1、主箱体；

2、转筒；2-1、动态实验面；

3、转轴；4、模拟裂缝；5、模拟裂缝4的轴向边界；6、槽；7、前盖；8、密封边框；9、透明可视窗；10、后盖；11、卡槽；12、所述转筒2旋转的外接圆轨迹；13、固定密封部件；14、砾石。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1、

一种自动改变裂缝壁面磨阻的实验装置，包括：

主箱体1：套设在转筒2外部，且在主箱体1内部至少包括一面用于模拟裂缝的静态实验面；

转筒2：包括多个用于模拟不同磨阻的动态实验面2-1，所述转筒2通过转轴3轴向设置在主箱体1内转动；所述动态实验面2-1与所述静态实验面相对平行设置时，两者之间形成模拟裂缝4，所述模拟裂缝4的轴向边界5密封设置。

实施例2、

如实施例1所述的一种自动改变裂缝壁面磨阻的实验装置，其区别在于，所述转筒2通过手摇把手在所述主箱体1内轴向转动。

在所述动态实验面2-1上设置有用于固定砂砾的槽6。所述槽6为水泥槽。

实施例3、

如实施例1、2所述的一种自动改变裂缝壁面磨阻的实验装置，其区别在于，所述主箱体1整体为长方体形，在其中一长方形侧面上开合设置有前盖7，所述前盖7包括镶嵌有静态实验面的密封边框8。所述静态实验面整体为透明可视窗9。

所述转筒2为长方体，其四个长方形侧壁分别为具有不同磨阻的四个动态实验面2-1。

实施例4、

如实施例1-3所述的一种自动改变裂缝壁面磨阻的实验装置，其区别在于，在所述主箱体1的另一长方形侧面上开合设置有后盖10。

实施例5、

如实施例1-4所述的一种自动改变裂缝壁面磨阻的实验装置，其区别在于，在所述主箱体1且与所述前盖7对应的位置设置有用于固定动态实验面2-1的卡槽11。

所述卡槽11的外缘与所述转筒2旋转的外接圆轨迹12相适应；所述前盖7的密封边框8与所述卡槽11的外侧通过固定密封部件13相连。

实施例6、

如实施例1-5所述的一种自动改变裂缝壁面磨阻的实验装置，其区别在于，在所述主箱体1的轴向两端且与所述模拟裂缝4分别连接设置有压力表。

实施例7、

如上述实验装置的工作方法，包括：制备多种磨阻的动态实验面。制备多种磨阻的动态实验面包括具体步骤如下：

打开所述主箱体的前盖7，旋转所述转筒2，使转筒2上的动态实验面2-1依次暴露；在所述动态实验面2-1的表面上固定砂砾形成磨阻层。

实施例8、

如上述实验装置的工作方法，包括：清除动态实验面上的磨阻层砂砾。所述清除动态实验面上的磨阻层砂砾包括具体步骤如下：打开所述主箱体的后盖10，旋转所述转筒2，使具有磨阻层的动态实验面2-1依次通过后盖10暴露，然后对所述动态实验面2-1进行清洗，将所述磨阻层从动态实验面2-1表面清除。

实施例9、

利用上述实验装置进行对模拟裂缝进行磨阻实验的方法，其中所述主箱体尺寸范围为(1000～3000)mm×(300～500)mm×(400～600)mm，优选1200×400×500mm，所形成的模拟裂缝4的宽度为5mm，以供实验流体，即支撑剂通过；所述磨阻实验包括：

1)根据实验室与现场施工相似原则，计算磨阻实验所需的实验流体排量；

2)分别在所述转筒的多个动态实验面制备具有不同磨阻参数的磨阻层，砾石指平均粒径大于1毫米的岩石或矿物碎屑物，可以通过调整砾石在磨阻层上的铺置密度，选用粒径大小不同的砾石来改变动态实验面的磨阻；

3)打开所述主箱体的前盖，旋转转筒，固定要进行实验的动态实验面与所述前盖内壁平行，以形成模拟裂缝，并对所述模拟裂缝的轴向边界其进行密封固定，密封所述前盖；

4)通过主箱体向所述模拟裂缝内注入实验流体以进行磨阻实验，测试不同磨阻面下，流体通过实验所引起的压力变化；

5)重复步骤3)，通过旋转转筒更换具有不同磨阻的动态实验面。

通过改变砂砾的粒径和密集程度，来模仿不同的裂缝的磨阻面，例如砂砾岩、砂岩和页岩等。如图1、2所示为两种不同的磨阻层。

根据本实施例，以相似原理为基础，根据某区块一口井的压后参数(单翼缝长120m、缝高40m、缝宽6mm)与本发明可视化的裂缝壁面模拟装置的尺寸参数(缝高0.4m、缝长1.0m、缝宽5mm)，使缝口流速一致，将现场的施工排量转化为实验排量，施工排量与实验排量之间的对应关系如下表1所示。

表1施工排量与实验排量的对照表

施工排量(m3/min)	缝内流速(m/s)	实验排量(m3/h)
			3	0.208	1.47
4	0.278	2.00
			5	0.347	2.49
6	0.417	2.95
			7	0.486	3.48

砾石指平均粒径大于1毫米的岩石或矿物碎屑物，通过测试不同排量下，砂砾中相同砾石含量(质量比为20％)、不同砾石直径的砾石模板上单位面积内压力损失，研究砾石直径对缝内磨阻的影响规律。

根据上述砾石的配比在所述动态实验面上制备三种磨阻层：分别是砾石直径3mm～6mm、8mm～10mm和12mm～15mm的砂砾岩裂缝壁面模块，即仅仅使用转筒动态实验面的三个面。

采用的实验流体为测试粘度为20mPa·s的水基压裂液，采用20/40目陶粒支撑剂，砂比为10％，测试如表1多个实验排量下磨阻变化规律如下图3所示。

实验结果表明：整体而言，裂缝内磨阻损失随排量成近似线性增长趋势，增长过程中呈现出小幅度波动性；磨阻随着砾石直径的增大而增大，且排量增大，磨阻的增长幅度减小；与砾石直径相比，排量对磨阻损失的影响更大。

Claims (10)

1.一种自动改变裂缝壁面磨阻的实验装置，其特征在于，该实验装置包括：

主箱体：套设在转筒外部，且在主箱体内部至少包括一面用于模拟裂缝的静态实验面；

转筒：包括多个用于模拟不同磨阻的动态实验面，所述转筒通过转轴轴向设置在主箱体内转动；所述动态实验面与所述静态实验面相对平行设置时，两者之间形成模拟裂缝，所述模拟裂缝的轴向边界密封设置。

2.根据权利要求1所述的一种自动改变裂缝壁面磨阻的实验装置，其特征在于，所述转筒通过手摇把手在所述主箱体内轴向转动。

3.根据权利要求1所述的一种自动改变裂缝壁面磨阻的实验装置，其特征在于，在所述动态实验面上设置有用于固定砂砾的槽；优选的，所述槽为水泥槽。

4.根据权利要求1所述的一种自动改变裂缝壁面磨阻的实验装置，其特征在于，所述主箱体整体为长方体形，在其中一长方形侧面上开合设置有前盖，所述前盖包括镶嵌有静态实验面的密封边框；优选的，所述静态实验面整体为透明可视窗。

5.根据权利要求4所述的一种自动改变裂缝壁面磨阻的实验装置，其特征在于，在所述主箱体的另一长方形侧面上开合设置有后盖；

优选的，所述转筒为长方体，其四个长方形侧壁分别为具有不同磨阻的四个动态实验面；

优选的，在所述主箱体且与所述前盖对应的位置设置有用于固定动态实验面的卡槽；

所述卡槽的外缘与所述转筒旋转的外接圆轨迹相适应；所述前盖的密封边框与所述卡槽的外侧通过固定密封部件相连。

6.根据权利要求1所述的一种自动改变裂缝壁面磨阻的实验装置，其特征在于，在所述主箱体的轴向两端且与所述模拟裂缝分别连接设置有压力表。

7.如权利要求1-6任意一项所述实验装置的工作方法，其特征在于，该工作方法包括：制备多种磨阻的动态实验面。

8.利用权利要求1-6任意一项所述的一种自动改变裂缝壁面磨阻的实验装置制备多种磨阻的动态实验面包括具体步骤如下：

打开所述主箱体的前盖，旋转所述转筒，使转筒上的动态实验面依次暴露；在所述动态实验面的表面上固定砂砾形成磨阻层。

9.根据权利要求1所述实验装置的工作方法，包括：清除动态实验面上的磨阻层砂砾；

优选的，所述清除动态实验面上的磨阻层砂砾包括具体步骤如下：打开所述主箱体的后盖，旋转所述转筒，使具有磨阻层的动态实验面依次通过后盖暴露，然后对所述动态实验面进行清洗，将所述磨阻层从动态实验面表面清除。

10.利用权利要求1-6任意一项所述实验装置进行对模拟裂缝进行磨阻实验的方法，其特征在于，该方法包括：

1)根据实验室与现场施工相似原则，计算磨阻实验所需的实验流体排量；

2)分别在所述转筒的多个动态实验面制备具有不同磨阻参数的磨阻层；

3)打开所述主箱体的前盖，旋转转筒，固定要进行实验的动态实验面与所述前盖内壁平行，以形成模拟裂缝，并对所述模拟裂缝的轴向边界其进行密封固定，密封所述前盖；

4)通过主箱体向所述模拟裂缝内注入实验流体以进行磨阻实验，测试不同磨阻面下，流体通过实验所引起的压力变化；

重复步骤3)，通过旋转转筒更换具有不同磨阻的动态实验面。