CN114199510A - 一种一体式支撑剂平板输送实验装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体式支撑剂平板输送实验装置及其制备方法，所述实验装置包括一条主人工裂缝单元、多条次人工裂缝单元与裂缝滤失单元。所述人工裂缝单元由有机玻璃平板构成，所述有机玻璃平板为一体式结构，表面凹凸不平，呈连续、整体、多分支状空间形态。该装置充分考虑了次人工裂缝数量与角度、裂缝壁面粗糙度、缝宽变化、压裂液滤失等因素，更加真实地模拟了地下复杂裂缝的形态。本发明还公开了一种一体式支撑剂平板输送实验装置的制备方法，该方法加工过程简单，一体式的设计避免了多个裂缝平板之间的安装拆卸，实验操作更加方便快捷。

Description

一种一体式支撑剂平板输送实验装置及其制备方法

技术领域

本发明属于石油开采中的水力压裂领域，尤其涉及一种一体式支撑剂平板输送实验装置及其制备方法。

背景技术

水力压裂是低孔低渗和非常油气资源重要的增产改造手段。支撑剂在水力裂缝中的有效铺置，是决定复杂裂缝导流能力和压裂改造增产效果的关键因素之一。因此，科学揭示支撑剂在复杂裂缝中的沉降规律和铺置情况对水力压裂的成功有着重要作用。

目前研究压裂支撑剂在缝内输运和铺置规律的室内实验主要通过支撑剂平板输送装置实现。为了更准确地模拟现场复杂裂缝的特征，分析支撑剂在复杂裂缝中的运移规律，众多科研工作者在有机玻璃板可视化平板装置的基础上，对其进行了改进，包括：模拟多角度缝网平板(中国专利申请CN204730997U，一种模拟多角度缝网支撑剂沉降规律装置)、考虑压裂液滤失(中国专利申请CN110987636B，模拟天然裂缝滤失对支撑剂铺置影响的平板及实验装置)、采用岩板引入壁面粗糙度(中国专利申请CN210460632U，一种考虑压裂液滤失与壁面粗糙度的铺砂装置)等因素。然而，现有的装置主要是针对以上某一个方面进行改进，无法涵盖以上的全部因素。而且考虑的因素一旦变多，平板安装拆卸复杂的问题也随之而来。本发明从有机玻璃的制备方法入手，综合考虑分支缝、变缝宽、粗糙壁面、压裂液滤失等因素，制备一体式支撑剂平板输送实验装置，从而为更加准确研究支撑剂在裂缝中的铺置规律奠定了实验基础。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种一体式支撑剂平板输送实验装置及其制备方法。通过该方法制备得到的平板装置，具有一体式的结构，其空间分布和表面粗糙度更加贴近于地下裂缝的真实形态，可实现各种岩性地层压裂后的支撑剂平板输运实验，为压裂施工参数设计与支撑剂优选提供了更准确的实验平台。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种一体式支撑剂平板输送实验装置，包括一条主人工裂缝单元、多条次人工裂缝单元、裂缝滤失单元；所述主人工裂缝和次人工裂缝单元由有机玻璃平板构成，所述有机玻璃平板为一体式结构，呈现连续、整体、多分支状空间形态；所述裂缝滤失单元由均匀分布在有机玻璃平板上的滤失孔组成。

所述主人工裂缝单元的裂缝起始端上方设有进液口，裂缝末端设有排液口。

所述主人工裂缝单元之间的缝宽随着沿排液口的方向减小。

所述次人工裂缝单元之间的缝宽随着远离主人工裂缝单元的方向减小。

所述有机玻璃平板内的表面呈现凹凸不平的粗糙度。

所述裂缝滤失单元中的滤失孔孔眼直径为1-3mm。

所述滤失孔还带有两层交错设置的不锈钢滤网。

所述滤网的网眼直径为0.1-0.8mm。

本发明还提供一种一体式支撑剂平板输送实验装置的制备方法，包括以下步骤：

S1：依据压裂软件模拟出的裂缝形态，设计并准备一体式支撑剂平板输送实验装置所需要的模具；

S2：在烧瓶中加入甲基丙烯酸甲酯单体与占单体质量0.1-0.5％的引发剂，磁力搅拌使之溶解，将体系温度升至80-90℃，观察体系黏度增加呈胶状后，停止加热，迅速冷却至室温后得到预聚体；

S3：将步骤S2制备一半体积的预聚体均匀缓慢浇注到模具中，在50-60℃温度下使预聚体在模具中聚合，直至模具内的物料呈较软的固体胶状；将剩余一半体积的预聚体再均匀缓慢浇注至模具中，在50-60℃温度下使预聚体在模具中继续聚合，直至模具内的物料呈较硬的固体胶状；

S4：将模具置于90-110℃温度下高温聚合，经冷却脱模，得到一体式支撑剂平板输送实验装置。

所述步骤S1的模具有两种，一种为根据压裂软件模拟出的裂缝形态而设计的主模具，另一种为密封主模具的模具侧盖。所述模具侧盖可通过密封胶密封主模具，所述密封胶为环氧树脂。

优选的，步骤S2中所述的引发剂为过氧化二苯甲酰、偶氮二异丁腈中的一种或者两种。

优选的，步骤S3中的第一次聚合时间为3-4小时。

优选的，步骤S3中的第二次聚合时间为4-5小时。

本发明还提供一种一体式支撑剂平板输送实验的实验方法，步骤如下：

T1：根据相似原理，基于现场水力压裂施工设计资料，计算实验所需的支撑剂用量、压裂液液量、压裂液排量等；

T2：根据步骤T1所计算出来的实验所需材料，配制压裂液与准备多种支撑剂；

T3：选取步骤T2中的支撑剂与压裂液混合搅拌，向实验装置的进液口中泵入携砂压裂液；

T4：跟踪支撑剂在主人工裂缝单元与次人工裂缝单元的运移轨迹，收集压裂液滤失的液体，计算支撑剂的垂直沉降速度与水平移动速度；观察支撑剂在主人工裂缝单元与次人工裂缝单元的占比，记录二者所形成的砂堤形态。

T5：用清水反复清洗平板装置；更换其他支撑剂或压裂液，重复步骤T3-T4。

本发明采用上述技术方案，具有以下优点：

1.本发明所述的一体化支撑剂平板输送装置由有机玻璃组成，其两侧具有凹凸不平的表面，可通过凹凸不平的起伏程度，模拟不同粗糙度壁面对支撑剂铺置规律的影响。

2.本发明所述的一体化支撑剂平板输送装置，其包括一条主人工裂缝单元和多条次人工裂缝单元，可改变次人工裂缝的数量与角度，实现复杂缝网条件下的支撑剂铺置实验。

3.本发明所述的一体化支撑剂平板输送装置，其主人工裂缝单元和次人工裂缝单元的缝宽可以根据模具设计而变化，从而模拟变缝宽条件对支撑剂铺置规律的影响

4.本发明所述的一体化支撑剂平板输送装置还考虑了压裂液的滤失。

5.本发明所述的一体化支撑剂平板输送装置可同时实现上述1、2、3、4优点的功能。

6.本发明所述的支撑剂平板输送装置的结构为一体化，避免了多个平板之间的安装拆卸，使支撑剂输送实验的操作更加简便。

7.本发明所述一体化支撑剂平板输送装置的制备方法过程简单，制作效率高，可通过温度和时间控制有机玻璃平板的制备过程；可通过模具的空间形态，制备更加贴近地层裂缝形态的人工裂缝平板。

附图说明

图1为本发明涉及的一种一体式支撑剂平板输送实验装置结构示意图；

图2为主人工裂缝单元的变缝宽俯视图；

图3为本发明模拟有机玻璃平板内表面呈凹凸不平状粗糙度的示意图；

图4为本发明模拟天然裂缝滤失对支撑剂铺置影响的滤失孔滤网的结构示意图；

图5为本发明一种一体式支撑剂平板输送实验装置制备方法流程图。

图中标号为：1-主裂缝单元、2-次裂缝单元、3-裂缝滤失单元孔、11-进液口、12-排液口、31-滤失孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1：

现有支撑剂平板输送实验中，不能将多个因素例如压裂液滤失、裂缝粗糙度、次生裂缝数量与角度、变缝宽等共同考虑，同时现有支撑剂平板支撑装置需要安装拆卸，为解决以上问题，本发明及本发明的实施例提供了一种一体式支撑剂平板输送实验装置，如图1所示，包括一条主人工裂缝单元1，两条次人工裂缝2，裂缝滤失单元3；所述主人工裂缝单元和次人工裂缝单元由有机玻璃平板构成，所述有机玻璃平板为一体式结构，呈现连续、整体、多分支状空间形态；

所述主人工裂缝单元的有机玻璃平板长1m，高度为0.1m,最大厚度3cm，两透明平板之间缝宽间距的俯视图如图3，缝宽沿着主人工裂缝单元的缝长呈递减趋势，裂缝起始端缝宽间距5mm，裂缝末端缝宽间距2mm。

所述主人工裂缝单元起始端上方设有进液口11，末端设有排液口12。

所述次人工裂缝单元的有机玻璃平板长0.2m，高度0.1m,最大厚度1cm，两透明平板之间缝宽间距沿着次人工裂缝单元长度呈递减趋势，裂缝起始端缝宽间距1mm，裂缝末端缝宽间距0.5mm。

所述主人工裂缝单元与次人工裂缝单元中的有机玻璃平板表面内部具有凹凸不平状的粗糙度，如图3。所述表面的凹面最低凹入1.5mm，凸面最高凸出1.5mm。

所述主人工裂缝单元的有机玻璃平板表面上设置有10个滤失孔31；所述次人工裂缝单元中的有机玻璃平板表面上设置有4个滤失孔31，滤失孔的孔眼直径为2mm。所述滤失孔还带有两层交错设置的不锈钢滤网，如图4。所述滤网的网眼直径为0.18mm。

所述次人工裂缝单元相对于主人工裂缝单元的角度分别为90°与45°。

实施例2：

本发明还提供一种一体式支撑剂平板输送实验装置的制备方法，包括以下步骤：

(1)依据压裂软件模拟出的裂缝形态，设计并准备平板制作所需要的模具；

(2)在烧瓶中准备3L的甲基丙烯酸甲酯单体与5g的引发剂，通过磁力搅拌使二者溶解,通过电加热套将体系温度升高至80℃，观察体系黏度增加至呈胶状后，停止加热，迅速冷却至室温后得到预聚体。

(3)将上一步得到的一半体积预聚体均匀缓慢浇注至模具中，在55℃温度下使预聚体在模具中继续聚合，聚合反应时间为3-4小时，直至模具内的物料呈较硬的固体胶状。将剩余一半体积预聚体均匀缓慢浇注至模具中，在55℃温度下使预聚体在模具中继续聚合，聚合反应时间为4-5小时，直至模具内的物料呈较硬的固体胶状。

(4)将模具置于100℃温度下高温聚合，经冷却脱模，得到一体式支撑剂平板输送实验装置。

所述步骤(1)中的模具有两种，一种为根据压裂软件模拟出的裂缝形态而设计的主模具，另一种为密封主模具的模具侧盖。所述模具侧盖可通过密封胶密封主模具，所述密封胶为环氧树脂。

所述步骤(1)中的引发剂为过氧化二苯甲酰。

实施例3：

在使用本发明的一体式支撑剂平板输送实验装置时，需要通过以下步骤开展实验：

(1)根据相似原理，基于现场水力压裂施工设计资料，计算实验所需的支撑剂用量为80g、压裂液液量800ml、压裂液排量30ml/min等；

(2)根据步骤(1)所计算出来的实验所需材料，配制压裂液与准备多种支撑剂；

(3)选取步骤(2)中的40-70目的石英砂支撑剂与瓜胶压裂液混合搅拌，向实验装置的进液口中泵入携砂压裂液；

(4)跟踪支撑剂在主人工裂缝单元与次人工裂缝单元的运移轨迹，收集瓜胶压裂液滤失的液体，计算支撑剂的垂直沉降速度与水平移动速度；观察支撑剂在主人工裂缝单元与次人工裂缝单元的占比，记录二者所形成的砂堤形态。

(5)用清水反复清洗平板装置；更换70-140目的石英砂支撑剂，重复步骤(3)-(4)。

(6)用清水反复清洗平板装置；更换40-70目的陶粒支撑剂，重复步骤(3)-(4)。

实施例4：

一种如实施例1所述的实验装置，不同之处在于，有机玻璃平板上没有设置滤失孔，用于模拟地层没有压裂液滤失的情况，从而分析压裂液滤失对支撑剂铺置的影响。

实施例5：

一种如实施例1所述的实验装置，不同之处在于，有机玻璃表面的凹面最低凹入0.5mm，凸面最高凸出0.5mm，用于模拟人工裂缝粗糙度对支撑剂输运的影响。

实施例6：

一种如实施例1所述的实验装置，不同之处在于，在主人工裂缝单元两侧连接共有四条次人工裂缝，与主人工裂缝单元的角度皆为90°，用于研究次人工裂缝条数对主人工裂缝中支撑剂铺置的影响。

实施例7：

一种如实施例1所述的实验装置，不同之处在于，主人工裂缝单元的缝宽间距不变，为5mm,而次人工裂缝单元的缝宽间距也保持不变，为1mm，用于模拟支撑剂缝宽变化对支撑剂铺置的影响。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，本非对本发明作任务形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任务熟悉本专利的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作些许更改视为等效实施例。

Claims (13)

1.一种一体式支撑剂平板输送实验装置，其特征在于，包括一条主人工裂缝单元、多条次人工裂缝单元、裂缝滤失单元；所述主人工裂缝和次人工裂缝单元由有机玻璃平板构成，所述有机玻璃平板为一体式结构，呈连续、整体、多分支状空间形态；所述裂缝滤失单元由均匀分布在有机玻璃平板上的滤失孔组成。

2.根据权利要求1所述的主人工裂缝单元，其特征在于，裂缝起始端上方设有进液口，裂缝末端设有排液口。

3.根据权利要求1所述的一体式支撑剂平板输送实验装置，其特征在于，所述主人工裂缝单元之间的缝宽随着沿排液口的方向减小；所述次人工裂缝单元之间的缝宽随着远离主人工裂缝单元的方向减小。

4.根据权利要求1所述的有机玻璃平板，其特征在于，有机玻璃平板内的表面呈现凹凸不平的粗糙度。

5.根据权利要求1所述的裂缝滤失单元，其特征在于，组成裂缝滤失单元的滤失孔孔眼直径为1-3mm。

6.根据权利要求4所述的滤失孔，其特征在于，所述滤失孔带有两层交错设置的不锈钢滤网，所述滤网的网眼直径为0.1-0.8mm。

7.一种一体式支撑剂平板输送实验装置的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：依据压裂软件模拟出的裂缝形态，设计并准备一体式支撑剂平板输送实验装置所需要的模具；

S2：在烧瓶中加入甲基丙烯酸甲酯单体与占单体质量0.1-0.5％的引发剂，磁力搅拌使之溶解，将体系温度升至80-90℃，观察体系黏度，直至体系呈胶状后停止加热，迅速冷却至室温后得到预聚体；

S3：将步骤S2制备一半体积的预聚体均匀缓慢浇注到模具中，在50-60℃温度下使预聚体在模具中聚合，直至模具内的体系呈较软的固体胶状；将剩余一半体积的预聚体再均匀缓慢浇注至模具中，在50-60℃温度下使预聚体在模具中继续聚合，直至模具内的体系呈较硬的固体胶状；

S4：将模具置于90-110℃温度下高温聚合，经冷却脱模，得到一体式支撑剂平板输送实验装置。

8.根据权利要求7所述的引发剂为过氧化二苯甲酰、偶氮二异丁腈中的一种或者两种。

9.根据权利要求7中所述步骤S1的模具，其特征在于，模具有两种，一种为根据压裂软件模拟出的裂缝形态而设计的主模具，另一种为密封主模具的模具侧盖。

10.根据权利要求9所述的模具侧盖，其特征在于，模具侧盖可通过密封胶密封主模具，所述密封胶为环氧树脂。

11.根据权利要求7所述的步骤S3中的第一次聚合时间为3-4小时。

12.根据权利要求7所述的步骤S3中的第二次聚合时间为4-5小时。

13.根据权利要求1所述的一种一体式支撑剂平板输送实验装置，其特征在于，还包括一体式支撑剂平板输送实验的实验方法，步骤如下：

T1：根据相似原理，基于现场水力压裂施工设计资料，计算实验所需的支撑剂用量、压裂液液量、压裂液排量等；

T2：根据步骤T1所计算出来的实验所需材料，配制压裂液与准备多种支撑剂；

T3：选取步骤T2中的支撑剂与压裂液混合搅拌，向实验装置的进液口中泵入携砂压裂液；

T4：跟踪支撑剂在主人工裂缝单元与次人工裂缝单元的运移轨迹，收集压裂液滤失的液体，计算支撑剂的垂直沉降速度与水平移动速度；观察支撑剂在主人工裂缝单元与次人工裂缝单元的占比，记录二者所形成的砂堤形态。

T5：用清水反复清洗平板装置；更换其他支撑剂或压裂液，重复步骤T3-T4。

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