CN110295887A - 一种颗粒运移规律可视化的实验装置及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种颗粒运移规律可视化的实验装置及工作方法，包括：供液***和裂缝***和压力控制器；供液***包括：清水罐、螺杆泵及配液罐；裂缝***包括：可视化裂缝模型，压力计及图像数据处理装置；压力控制器设置在螺杆泵与可视化裂缝模型之间的管路上；螺杆泵将清水罐或配液罐中的液体泵入可视化裂缝模型；压力计测量可视化裂缝模型的压降；图像数据处理装置用来记录可视化裂缝模型中液体的流态变化及暂堵材料运移情况；压力控制器用于根据管路中的压力控制螺杆泵泵出液体的液压。目的在于实现观察不同形态、不同浓度、不同配比的暂堵材料在粗糙迂曲裂缝内及不同性质的流体中的运移状态，从而更精确地控制用暂堵材料进行压裂液造缝。
Description
技术领域
本申请涉及油气田开发水力压裂技术领域，具体为一种颗粒运移规律可视化的实验装置及工作方法。
背景技术
可降解暂堵材料压裂转向技术是用可降解纤维封堵已经形成的水力裂缝，提高井底静压力，在另一位置或另一方向开启新裂缝，实现在段内多位置或多方向形成树立裂缝，同时，可降解纤维进入裂缝后，可以对裂缝中的已有裂缝实施暂堵，而转向其他方向形成裂缝或使其他方向已有裂缝扩张延伸，从而提高改造体积，改善压裂效果。可降解纤维可以在储层温度条件下降解返排，对储层无伤害。可降解暂堵材料在裂缝中随着流体的运动规律将决定缝网扩张延伸情况，进而决定整个水力压裂施工的效果，故需要对可降解暂堵材料在裂缝中随着流体的微观运动状态进行深入了解，研究不同形态、不同浓度、配比、粒径的暂堵材料在粗糙迂曲裂缝内及不同性质流体中的运移状态和架桥规律，从而更精确的控制压裂液造缝。
国内外关于暂堵材料运移与展布评价实验研究主要集中在大型物模水力压裂实验上，裂缝内暂堵材料运移规律的研究多侧重数模，可视化裂缝模型较少，且可视化裂缝模型主要集中在平直压裂裂缝方面，针对复杂裂缝暂堵材料运移与展布的评价研究相对较少，或是仪器的裂缝形态与尺度相对固定，无法研究裂缝形态以及尺度变化对暂堵材料运移与展布的影响。
发明内容
本申请提供了一种颗粒运移规律可视化的实验装置及工作方法，以至少解决现有技术中可视化裂缝上形态与尺度的缺陷的技术问题。
根据本申请的一个方面，提供了一种颗粒运移规律可视化的实验装置，包括：供液***和裂缝***和压力控制器13；供液***包括：清水罐10、螺杆泵5及配液罐4；裂缝***包括：可视化裂缝模型1，压力计2及图像数据处理装置；压力控制器13设置在螺杆泵5与可视化裂缝模型1之间的管路上；螺杆泵5将清水罐10或配液罐4中的液体泵入可视化裂缝模型1；压力计2测量可视化裂缝模型1的压降；图像数据处理装置用来记录可视化裂缝模型1中液体的流态变化及暂堵材料运移情况；压力控制器13用于根据管路中的压力控制螺杆泵5泵出液体的液压。实现了液体在装置内的流动和循环。
在一个实施例中，可视化裂缝模型1为密封腔，密封腔中相对的两个面为透明树脂面，所述透明树脂面的内表面为粗糙面，可视化裂缝模型的透明树脂粗糙面由真实岩心三轴水力压裂压开裂缝面，用透明树脂3D打印而成，还原了裂缝的真实情况，较好地保留裂缝粗糙度的同时还确保了可视度。
在一个实施例中，两个透明树脂面平行设置，目的在于模拟岩石裂缝状态。
在一个实施例中，图像数据处理装置，由光源17、摄像头18及图像采集处理器19组成；光源17及摄像头18分别置于透明树脂面的两侧；光源17用于照射可视化裂缝模型1内的液体；图像采集处理器19对摄像头18拍摄的图像进行处理，得到可视化裂缝模型1内的液体的流态变化和暂堵材料的运移情况。
在一个实施例中，螺杆泵5与可视化裂缝装置之间的管路上还设置有管路可视化窗口14，实现了管道内溶液的可视化，观测溶液中的暂堵材料是否混合均匀。
在一个实施例中，可视化裂缝模型1的出口端连接至所述配液罐4，这样就可以使该装置形成一个可循环***。
在一个实施例中，配液罐4上方设置有搅拌装置15，用于将添加剂与溶液搅拌到一起混合均匀。
在一个实施例中，配液罐4的外层设置有加热装置16，用于在必要时将配液罐4中的液体加热到实验所需的温度。
在一个实施例中，配液罐4连接废液罐7，所述废液罐7用于将所述配液罐4中的液体排到下水管道。
利用本申请，可以实现不同形态、不同浓度、不同配比、不同粒径的暂堵材料在粗糙迂曲裂缝内及不同性质流体中的运移状态，能够解决现有技术中可视化裂缝上形态与尺度的缺陷的技术问题。
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他的附图。
图1是本申请提供的裂缝内颗粒运移规律可视化的装置的示意图。
图2是本申请提供的裂缝内颗粒运移规律可视化实验方法的流程示意图。
图3是本申请实施例的裂缝内颗粒运移规律可视化实验方法具体操作流程图。
图4是本申请提供的可视化裂缝装置制作流程示意图。
附图标号：
1、可视化裂缝装置；
2、压力计；
3、流量表；
4、配液罐；
5、螺杆泵；
6、球阀；
7、废液罐；
8、球阀；
9、球阀；
10、清水罐；
11、球阀；
12、球阀；
13、压力控制器；
14、管路可视化窗口；
15、搅拌器；
16、加热装置；
17、光源；
18、高速摄像头；
19、数据采集端及图像处理器。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了解决现有技术中的问题，本申请提出了一种颗粒运移规律可视化的实验装置，如图1所示，该实验装置主要由供液***、裂缝***和压力控制器13组成；供液***包括：清水罐10、螺杆泵5及配液罐4；裂缝***包括：可视化裂缝模型1，压力计2及图像数据处理装置；压力控制器13设置在螺杆泵5与可视化裂缝模型1之间的管路上；螺杆泵5将清水罐10或配液罐4中的液体泵入可视化裂缝模型1；压力计2测量可视化裂缝模型1的压降；图像数据处理装置用来记录可视化裂缝模型1中液体的流态变化及暂堵材料运移情况；压力控制器13用于根据管路中的压力控制螺杆泵5泵出液体的液压。
实验中所选用的裂缝的宽度为4mm,压裂裂缝的粗糙度为600μm，液体的粘度为800mPa·s，液体体积30L，所述的暂堵颗粒粒径：1-5mm,暂堵纤维长度：1-8mm。实验排量0-2500kg/h。压力控制器13的可调节压力范围是0-1MPa。
优选的，清水罐10，废液罐7，配液罐4容量为0-60L。在本实施例中，实验液体的体积为30L。
优选的，螺杆泵5可调节频率0-50Hz，可调节流量0-5000kg/h。
优选的，压力控制器可调节压力范围0-1Mpa。
一实施例中，如图1所示，可视化裂缝模型1的出口端通过管线连接配液罐4，可视化裂缝模型1的侧面设置有粒子图像测速***16；带有加热功能的配液罐4与螺杆泵5通过球阀6连接，同时所述配液罐4通过球阀8与废液罐7相连，配液罐上配制一可拆卸搅拌器15；所述废液罐7通过球阀9连接下水管道；在清水罐10下方通过球阀11连接螺杆泵，且清水罐10上方通过球阀12连接自来水管；在螺杆泵的出口端设置压力控制器13；在压力控制器13后设置管路可视化窗口14。
优选的，搅拌器的可调节范围是0-5000RPM。
一实施例中，如图1所示，可视化裂缝模型1为密封腔，密封腔中相对的两个面为透明树脂面，所述透明树脂面的内表面为粗糙面，可视化裂缝模型的透明树脂粗糙面由真实岩心三轴水力压裂压开透明树脂面，用透明树脂3D打印而成，还原了裂缝的真实情况，较好地保留裂缝粗糙度的同时还确保了可视度。透明树脂面平行设置，两个透明树脂面的四周为密封，形成模拟裂缝腔，并且透明树脂面可拆卸，便于更换不同尺寸的透明树脂面或是组配多个透明树脂面，实现缝宽的调节和透明树脂面的长度调节。压力计2、流量表3分别与模拟裂缝腔相连通。
优选的，流量表的测量范围是0-6000kg/h，精度为+0.1kg/h。
优选的，2张透明树脂面之间的距离范围是1-10mm。在本实施例中，所述两平板之间的距离为4mm，可视化裂缝模型可承受压力范围是0-1MPa。
优选的，两个透明树脂面的四周密封为钢板，钢板的长为：1000mm、宽为：140mm；厚为：10-20mm，在本实施例中，钢板的长为：620mm。
一实施例中，图像数据处理装置，由光源17、摄像头18及图像采集处理器19组成；光源17及摄像头18分别置于透明树脂面的两侧；光源17用于照射可视化裂缝模型1内的液体；图像采集处理器19对摄像头18拍摄的图像进行处理，得到可视化裂缝模型1内的液体的流态变化和暂堵材料的运移情况。
一实施例中，螺杆泵5与可视化裂缝装置之间的管路上还设置有管路可视化窗口14，实现了管道内溶液的可视化，观测溶液中的暂堵材料是否混合均匀。
一实施例中，可视化裂缝模型1的出口端连接至所述配液罐4，这样就可以使该装置形成一个可循环***。
一实施例中，配液罐4上方设置有搅拌装置15，用于将添加剂与溶液搅拌到一起混合均匀。本实验中添加剂为暂堵材料。
优选的，搅拌装置的可调节范围是0-5000RPM。
一实施例中，配液罐4的外层设置有加热装置16，用于在必要时将配液罐4中的液体加热到实验所需的温度。
优选的，加热装置可调节温度范围是0-100℃。
在本实施例中，加热装置16包括包裹配液罐的数显恒温电热套，管道可脱卸式保温套。
优选的，制作配液罐材质为导热性能较好的铁。
一实施例中，配液罐4连接废液罐7，所述废液罐7用于将所述配液罐4中的液体排到下水管道。
该装置可以实现不同形态、不同浓度、不同配比、不同粒径的暂堵材料在粗糙迂曲裂缝内及不同性质流体中的运移状态，能够解决现有技术中可视化裂缝上形态与尺度的缺陷的技术问题。
图2为本申请提供的裂缝内颗粒运移规律可视化实验方法的流程示意图，该实验方法可以用于图1所示的实验装置，本申请不以此为限。如图2所示，该实验方法包括：
S201:利用所述螺杆泵将所述配液罐中的压裂液泵入可视化裂缝模型中。
具体实施中，在配液罐4中配制实验流体，向配液罐4中加入涂有荧光材料的暂堵材料。开启搅拌装置15，使暂堵材料在胍胶模拟压裂液中均匀混合。必要时，开启加热装置16，加热流体到实验温度。在本实施例中，2mm暂堵颗粒加量5％wt,8mm暂堵纤维加量1％wt。充分搅拌后关闭搅拌器15，打开球阀6，开启螺杆泵5，使所述实验流体分别沿管道，泵5，可视化窗口14，压力控制器13，流量计3，压力计2，泵入所述可视化裂缝模型1中；在管路可视化窗口14中可以观察到暂堵材料在胍胶中是否均匀混合。
S202:利用所述光源照射所述可视化裂缝模型内的液体。
具体实施中，光源可以是激光光源、LED光源或红外光源等。
S203:利用摄像头拍摄所述可视化裂缝模型内的图像。
具体实施中，模拟压裂液沿管路流入可视化裂缝模型1后沿管线返回配液罐4，形成循环***。可视化裂缝模型1两侧的粒子图像测速***记录下裂缝中颗粒运移规律的变化。
S204:利用所述数据采集端及图像处理器19对所述摄像头拍摄的图像进行处理，得到所述可视化裂缝模型内的液体的流态变化。
具体实施中，数据采集端及图像处理器19对记录下的裂缝中颗粒运移轨迹进行处理。
S205:记录形成有效封堵时对应的封堵压力和维持有效封堵的时间以及突破封堵的压力。
具体实施中，数据采集端及图像处理器19实时采集压力传感器2的数据P和流量传感器3的数据Q，逐渐调大螺杆泵5的流量，观察可视化裂缝1中液体流态变化及暂堵材料运移情况。
在本实施例中，封堵压力为0.29MPa,有效封堵时间为15分钟，突破压力为0.43MPa。
本实验的目的在于观测暂堵材料在模拟压裂液中的运动情况和架桥规律，以及测试不同类型的暂堵材料的性能。
图3是本申请实施例的裂缝内颗粒运移规律可视化实验方法具体操作流程图，包括如下步骤：
(1)安装与实际压裂裂缝内壁粗糙度相同的透明树脂面，调节所述两个树脂面之间的距离，使其与实际压裂裂缝的尺寸相同；在本实施例中，所述两平板之间的距离为4mm。
(2)开启数据采集***18和粒子图像测速***，保持各阀门处于关闭状态。
(3)在配液罐4中配制实验流体(胍胶)，向配液罐4中加入涂有荧光材料的暂堵材料。开启搅拌装置15，使暂堵材料在胍胶(模拟压裂液)中均匀混合。必要时，开启加热装置16，加热流体到实验温度。在本实施例中，2mm暂堵颗粒加量5％wt,8mm暂堵纤维加量1％wt。
(4)充分搅拌后关闭搅拌器15，打开球阀6，开启螺杆泵5，使所述实验流体分别沿管道，螺杆泵5，可视化窗口14，压力控制器13，流量计3，压力计2，泵入所述可视化裂缝模型1中；在管路可视化窗口14中可以观察到暂堵材料在胍胶中是否均匀混合。所述实验流体沿管路流入可视化裂缝模型1后沿管线返回配液罐4，形成循环***。可视化裂缝模型两侧的粒子图像测速***记录下裂缝中颗粒运移规律的变化。
(5)数据采集端及图像处理器19实时采集压力传感器2的数据P和流量传感器3的数据Q，逐渐调大螺杆泵5的流量，观察可视化裂缝1中液体流态变化及暂堵材料运移情况。记录当形成有效封堵时对应的封堵压力和维持有效封堵的时间，以及相应的突破压力。在本实施例中，封堵压力为0.29MPa,有效封堵时间15分钟，突破压力0.43MPa。
(6)测量结束后，关闭螺杆泵5，关闭球阀6，打开球阀8，使实验流体沿着管道进入废液桶7。
(7)打开入液管道上的球阀12，待清水罐10蓄满清水之后，打开球阀11，开启螺杆泵5，将清水泵入管道，用清水冲洗设备，以避免实验流体残留对下次实验的准确性的影响。
图4是本申请提供的可视化裂缝装置制作流程示意图。
(1)将方形真实岩心在室内采用大物模实验装置进行水力压裂，制造粗糙面裂缝。
(2)用三维裂缝扫描仪扫描裂开后的岩心粗糙面，以透明树脂为原材料3D打印粗糙裂缝面。
(3)将树脂胶模型两面放入固定钢架中，通过裂缝调节螺母控制裂缝宽度。
(4)将安装好的模型与驱替设备连接，并进行下一步实验。
本申请通过3D打印技术高度还原了岩石裂缝的形态并且采用透明树脂材料使压裂液在裂缝***中的流态变得可视化，同时实现不同形态、不同浓度、不同配比、不同粒径的暂堵材料在粗糙迂曲裂缝内及不同性质流体中的运移状态，能够解决现有技术中可视化裂缝上形态与尺度的缺陷的技术问题。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (11)
1.一种颗粒运移规律可视化的实验装置，其特征在于，包括：供液***和裂缝***和压力控制器；所述供液***包括：清水罐、螺杆泵及配液罐；所述裂缝***包括：可视化裂缝模型，压力计及图像数据处理装置；所述压力控制器设置在所述螺杆泵与可视化裂缝模型之间的管路上；
所述螺杆泵将所述清水罐或配液罐中的液体泵入所述可视化裂缝模型；所述压力计测量所述可视化裂缝模型的压降；所述图像数据处理装置用来记录可视化裂缝模型中液体的流态变化及暂堵材料运移情况；所述压力控制器用于根据所述管路中的压力控制所述螺杆泵泵出液体的液压。
2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述可视化裂缝模型为密封腔，所述密封腔中相对的两个面为透明树脂面，所述透明树脂面的内表面为粗糙面。
3.根据权利要求2所述的实验装置，其特征在于，两个所述透明树脂面平行设置。
4.根据权利要求2所述的实验装置，其特征在于，所述图像数据处理装置，由光源、摄像头及图像采集处理器组成；所述光源及摄像头分别置于所述透明树脂面的两侧；所述光源用于照射所述可视化裂缝模型内的液体；所述图像采集处理器所述摄像头拍摄的图像进行处理，得到所述可视化裂缝模型内的液体的流态变化和暂堵材料的运移情况。
5.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述螺杆泵与可视化裂缝装置之间的管路上还设置有管路可视化窗口。
6.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述螺杆泵与可视化裂缝装置之间的管路上设置有流量表。
7.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述可视化裂缝模型的出口端连接至所述配液罐。
8.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述配液罐上方设置有搅拌装置。
9.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述配液罐的外层设置有加热装置。
10.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述配液罐连接废液罐，所述废液罐用于将所述配液罐中的液体排到下水管道。
11.一种颗粒运移规律可视化的工作方法，应用于权利要求4所述的实验装置，其特征在于，所述实验方法包括：
利用所述螺杆泵将所述配液罐中的压裂液泵入可视化裂缝模型中；
利用所述光源照射所述可视化裂缝模型内的液体；
利用摄像头拍摄所述可视化裂缝模型内的图像；
利用所述数据采集端及图像处理器对所述摄像头拍摄的图像进行处理，得到所述可视化裂缝模型内的液体的流态变化；
并通过压力计得到形成有效封堵时对应的封堵压力和维持有效封堵的时间以及突破封堵的压力。
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