CN114837645B - 用于研究水力裂缝内暂堵剂运移-封堵过程的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开用于研究水力裂缝内暂堵剂运移‑封堵过程的装置及方法，包括清水罐、恒流泵、混合罐、可视化水力裂缝模拟装置、回收罐、高速摄像机；所述混合罐内设有中间活塞，所述中间活塞将混合罐分为上下两部分，所述混合罐的上部内设有搅拌装置，所述混合罐的下部通过管线依次与恒流泵、清水罐连通；所述混合罐的上部通过管线依次与可视化裂缝模拟装置、回收罐连通；所述高速摄像机设置在所述可视化水力裂缝模拟装置旁。本发明能直接观察暂堵剂在水力裂缝宽度动态变化的裂缝之中暂堵发生的过程。同时处理基于该实验装置获取的高清图像，能定量得到暂堵剂运移‑封堵过程中暂堵剂浓度和聚集程度的变化特征。
Description
技术领域
本发明涉及用于研究水力裂缝内暂堵剂运移-封堵过程的装置及方法，属于石油工程领域。
背景技术
水力裂缝内暂堵压裂技术是有效降低页岩气藏、致密砂岩气藏在水力压裂过程中井间压串风险以及提高水力裂缝波及面积的关键技术。该技术通常是指采用压裂液将暂堵剂携带至水力裂缝之中，然后暂堵剂在水力裂缝内运移、架桥、沉降、捕获，最终在水裂缝内形成暂堵层从而实现水力裂缝的暂堵。然而目前关于暂堵剂在水力裂缝内这一系列暂堵剂运移-封堵过程的研究却不清楚，导致油田现场关于水力裂缝内暂堵压裂施工参数的选择缺乏科学性的指导。
开展水力裂缝内暂堵实验是研究不同实验条件下暂堵剂在水力裂缝内暂堵行为的重要手段。水力裂缝暂堵实验装置通常由裂缝***、混合***、动力***、管线***等组成，但差异主要体现在裂缝***上，因此从裂缝***的差异方面进行划分，该实验系装置可分为四类：①平面裂缝实验装置(Ahmed M.Gomaa,et al.Experimental Investigation ofParticulate Diverter Used to Enhance Fracture Complexity[J].SPE-178983-MS)；②平行裂缝实验装置(汪道兵.水力压裂裂缝暂堵转向机理与转向规律研究[D].中国石油大学(北京),2017)；③楔形裂缝实验装置(邱正松.钻井液致密承压封堵裂缝机理与优化设计[J].石油学报,2016(z2).)；④真实裂缝实验装置(王博.暂堵压裂裂缝封堵与转向规律研究[D].中国石油大学(北京),2019)。基于目前的水力裂缝内暂堵实验装置开展的一系列研究，在一定程度上分析了暂堵剂在水力裂缝内的暂堵行为。但是实验装置难以用于研究暂堵剂在动态水力裂缝内暂堵发生的过程；也难以对暂堵剂运移-封堵过程进行定量表征。
发明内容
为了克服现有技术中的问题，本发明提供用于研究水力裂缝内暂堵剂运移-封堵过程的装置及方法。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：用于研究水力裂缝内暂堵剂运移-封堵过程的装置，包括清水罐、恒流泵、混合罐、可视化水力裂缝模拟装置、回收罐、高速摄像机；所述混合罐内设有中间活塞，所述中间活塞将混合罐分为上下两部分，所述混合罐的上部内设有搅拌装置，所述混合罐的下部通过管线依次与恒流泵、清水罐连通；所述混合罐的上部通过管线依次与可视化裂缝模拟装置、回收罐连通；所述高速摄像机设置在所述可视化水力裂缝模拟装置旁，用于实时记录暂堵剂在可视化水力裂缝模拟装置内暂堵剂运移-封堵过程的视频和图像。
进一步的技术方案是，所述可视化水力裂缝模拟装置包括夹持器、两块可视化裂缝板、可视化动态变化活塞，两块可视化裂缝板的左右两端垂向夹持在夹持器内，上下两端均安装可视化动态变化活塞，其两块可视化裂缝板之间的缝隙模拟垂向水力裂缝。
进一步的技术方案是，所述恒流泵、混合罐之间设有第一压力计。
进一步的技术方案是，所述可视化水力裂缝模拟装置与混合罐之间设有第二流量计、第二压力计；所述可视化水力裂缝模拟装置与回收罐之间设有第三压力计、第三流量计。
进一步的技术方案是，所述混合罐上设有加热装置，所述加热装置采用电感加热的方式包裹于整个混合罐，实现对暂堵剂与压裂液混合液的充分加热。
一种用于研究水力裂缝内暂堵剂运移-封堵过程的实验方法，包括以下步骤：
步骤S1、在混合罐的上部内加入暂堵剂和压裂液，并打开搅拌装置搅拌暂堵剂和压裂液，使其充分混合；
步骤S2、通过恒流泵将清水罐内的清水注入到混合罐的下部，清水挤压中间活塞，将混合管上部的暂堵剂和压裂液混合液注入到可视化水力裂缝模拟装置内；
步骤S3、暂堵剂和压裂液混合液在可视化水力裂缝模拟装置内发生暂堵过程，同时通过高速摄像机实时记录暂堵剂在可视化水力裂缝模拟装置内暂堵剂运移-封堵过程，获得不同时刻的图像；
步骤S4、对图像进行去彩色化，将彩色图像转化为灰度图像；
步骤S5、根据灰度级阈值将灰度图像中的暂堵剂和压裂液分开，其令灰度值小于灰度值阈值的像素灰度值为0，即代表暂堵剂，令灰度值大于灰度值阈值T的像素灰度值为1，即代表压裂液；
步骤S6、分别统计整个灰度图像中灰度值为0的像素数和灰度值为1的像素数；然后计算暂堵剂在整个灰度图像中的充填程度，该充填程度即为暂堵剂在实验过程中的浓度大小；
式中：
为充填程度；B为整个图像中灰度值为0的像素数；N为图像的总像素数；
步骤S7、再将灰度图像划分不同区域，计算不同区域暂堵剂在图像中的充填程度，并计算暂堵剂的聚集程度；
式中：σ为聚集程度；X为整个图像划分的区域个数；
为每个图像区域中的充填程度；/>
为充填程度；
步骤S8、将不同时刻的图像重复步骤S4-S7，计算不同时刻的暂堵剂浓度、暂堵剂的聚集程度，即能定量得到水力裂缝暂堵实验过程中暂堵剂浓度和聚集程度的变化特征。
进一步的技术方案是，所述步骤S5中的灰度级阈值通过以下步骤获得：
首先计算图像中不同灰度值像素出现的概率；
式中：N为图像的总像素数，nk为灰度值为k的像素数，Pi为灰度值为i的像素在图像中出现的概率；
再根据不同灰度值像素出现的概率绘制不同灰度值像素的概率分布图，根据概率分布图中暂堵剂与压裂液双峰之间的峰谷所对应的灰度值即为灰度级阈值。
进一步的技术方案是，所述步骤S5中的分开判断式为：
式中：f'(x,y)为划分后的灰度值，f(x,y)为划分前不同像素的灰度值，T为灰度值阈值。
本发明具有以下有益效果：本实验装置能直接观察暂堵剂在水力裂缝宽度动态变化的裂缝之中暂堵发生的过程。同时处理基于该实验装置获取的高清图像，能定量得到暂堵剂运移-封堵过程中暂堵剂浓度和聚集程度的变化特征。因此，本发明克服了现有技术中未能研究暂堵剂运移-封堵过程的缺点，为油田现场关于水力裂缝内暂堵压裂施工参数的选择提供了理论支撑。
附图说明
图1为用于研究水力裂缝内暂堵剂运移-封堵过程的装置结构示意图。
图2为不同灰度值像素的概率分布图。
图3为实验过程中暂堵剂浓度和聚集程度随时间的变化规律图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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。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。
如图1所示，本发明的一种用于研究水力裂缝内暂堵剂运移-封堵过程的装置，包括清水罐1、恒流泵3、混合罐6、可视化水力裂缝模拟装置13、回收罐18、高速摄像机14；所述混合罐6内设有中间活塞7，所述中间活塞7将混合罐6分为上下两部分，所述混合罐6的上部内设有搅拌装置8，其中可移动的中间活塞7位于混合罐6的中间，将清水与暂堵剂、压裂液分开，清水位于中间活塞7下部，暂堵剂和压裂液位于中间活塞7上部；搅拌装置8位于中间活塞7上部，用于搅拌暂堵剂和压裂液，保证其充分混合，加温装置采用电感加热的方式包裹于整个混合管，实现对暂堵剂与压裂液混合液的充分加热；
所述混合罐6的下部通过管线依次与恒流3泵、清水罐1连通；所述混合罐6的上部通过管线依次与可视化裂缝模拟装置13、回收罐18连通；所述高速摄像机14设置在所述可视化水力裂缝模拟装置13旁，用于实时记录暂堵剂在可视化水力裂缝模拟装置13内暂堵剂运移-封堵过程的视频和图像；所述可视化水力裂缝模拟装置13包括夹持器、两块可视化裂缝板、可视化动态变化活塞，两块可视化裂缝板的左右两端垂向夹持在夹持器内，上下两端均安装可视化动态变化活塞，其两块可视化裂缝板之间的缝隙模拟垂向水力裂缝，对于可视化动态变化活塞采用外小里大的梯形形状设计以提高可视化活塞的承压能力；采用清水作为液压，调节活塞的动态变化的同时不影响水力裂缝内暂堵过程的观察。沿裂缝的流体流动方向设计一排第四压力计12，用于检测实验过程中，裂缝不同位置处压力的变化；
所述清水罐1与恒流泵之间设有第一阀门2，所述恒流泵3、混合罐6之间设有第一压力计4、第二阀门5，所述可视化水力裂缝模拟装置13与混合罐6之间设有第二流量计9、第二压力计10、第三阀门11；所述可视化水力裂缝模拟装置13与回收罐18之间设有第三压力计16、第三流量计15、第四阀门17。
本发明中的管线为可以承认压力的柔性管线，全部的流量计均为电磁流量计，用于测量管线中和裂缝中流量的变化。
采用上述用于研究水力裂缝内暂堵剂运移-封堵过程的装置的实验方法，包括以下步骤：
步骤S1、在混合罐6的上部内加入暂堵剂和压裂液，并打开搅拌装置搅拌暂堵剂和压裂液，使其充分混合；
步骤S2、通过恒流泵将清水罐内的清水注入到混合罐的下部，清水挤压中间活塞，将混合管上部的暂堵剂和压裂液混合液注入到可视化水力裂缝模拟装置内；
步骤S3、暂堵剂和压裂液混合液在可视化水力裂缝模拟装置内发生暂堵过程，同时通过高速摄像机实时记录暂堵剂在可视化水力裂缝模拟装置内暂堵剂运移-封堵过程，获得不同时刻的图像；
步骤S4、对图像进行去彩色化，将彩色图像转化为灰度图像；
步骤S5、计算图像中不同灰度值像素出现的概率；
式中：N为图像的总像素数，nk为灰度值为k的像素数，Pi为灰度值为i的像素在图像中出现的概率；
步骤S6、再根据不同灰度值像素出现的概率绘制不同灰度值像素的概率分布图，根据概率分布图中暂堵剂与压裂液双峰之间的峰谷所对应的灰度值即为灰度级阈值
步骤S7、根据灰度级阈值将灰度图像中的暂堵剂和压裂液分开，其令灰度值小于灰度值阈值的像素灰度值为0，即代表暂堵剂，令灰度值大于灰度值阈值T的像素灰度值为1，即代表压裂液；
式中：f'(x,y)为划分后的灰度值，f(x,y)为划分前不同像素的灰度值，T为灰度值阈值；
步骤S8、分别统计整个灰度图像中灰度值为0的像素数和灰度值为1的像素数；然后计算暂堵剂在整个灰度图像中的充填程度，该充填程度即为暂堵剂在实验过程中的浓度大小；
式中：
为充填程度；B为整个图像中灰度值为0的像素数；N为图像的总像素数；
步骤S9、再将灰度图像划分不同区域，计算不同区域暂堵剂在图像中的充填程度，并计算暂堵剂的聚集程度；
式中：σ为聚集程度；X为整个图像划分的区域个数；
为每个图像区域中的充填程度；/>
为充填程度；
步骤S10、将不同时刻的图像重复步骤S4-S7，计算不同时刻的暂堵剂浓度、暂堵剂的聚集程度，即能定量得到水力裂缝暂堵实验过程中暂堵剂浓度和聚集程度的变化特征。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种用于研究水力裂缝内暂堵剂运移-封堵过程的实验方法，其特征在于，该方法采用用于研究水力裂缝内暂堵剂运移-封堵过程的装置，包括清水罐、恒流泵、混合罐、可视化水力裂缝模拟装置、回收罐、高速摄像机；所述混合罐内设有中间活塞，所述中间活塞将混合罐分为上下两部分，所述混合罐的上部内设有搅拌装置，所述混合罐的下部通过管线依次与恒流泵、清水罐连通；所述混合罐的上部通过管线依次与可视化水力裂缝模拟装置、回收罐连通；所述高速摄像机设置在所述可视化水力裂缝模拟装置旁，用于实时记录暂堵剂在可视化水力裂缝模拟装置内暂堵剂运移-封堵过程的视频和图像；
包括以下步骤：
步骤S1、在混合罐的上部内加入暂堵剂和压裂液，并打开搅拌装置搅拌暂堵剂和压裂液，使其充分混合；
步骤S2、通过恒流泵将清水罐内的清水注入到混合罐的下部，清水挤压中间活塞，将混合管上部的暂堵剂和压裂液混合液注入到可视化水力裂缝模拟装置内；
步骤S3、暂堵剂和压裂液混合液在可视化水力裂缝模拟装置内发生暂堵过程，同时通过高速摄像机实时记录暂堵剂在可视化水力裂缝模拟装置内暂堵剂运移-封堵过程，获得不同时刻的图像；
步骤S4、对图像进行去彩色化，将彩色图像转化为灰度图像；
步骤S5、根据灰度级阈值将灰度图像中的暂堵剂和压裂液分开，其令灰度值小于灰度值阈值的像素灰度值为0，即代表暂堵剂，令灰度值大于灰度值阈值T的像素灰度值为1，即代表压裂液；
步骤S6、分别统计整个灰度图像中灰度值为0的像素数和灰度值为1的像素数；然后计算暂堵剂在整个灰度图像中的充填程度，该充填程度即为暂堵剂在实验过程中的浓度大小；
式中：φ为充填程度；B为整个图像中灰度值为0的像素数；N为图像的总像素数；
步骤S7、再将灰度图像划分不同区域，计算不同区域暂堵剂在图像中的充填程度，并计算暂堵剂的聚集程度；
式中：σ为聚集程度；X为整个图像划分的区域个数；φi为每个图像区域中的充填程度；φ为充填程度；
步骤S8、将不同时刻的图像重复步骤S4-S7，计算不同时刻的暂堵剂浓度、暂堵剂的聚集程度，即能定量得到水力裂缝暂堵实验过程中暂堵剂浓度和聚集程度的变化特征。
2.根据权利要求1所述的一种用于研究水力裂缝内暂堵剂运移-封堵过程的实验方法，其特征在于，所述可视化水力裂缝模拟装置包括夹持器、两块可视化裂缝板、可视化动态变化活塞，两块可视化裂缝板的左右两端垂向夹持在夹持器内，上下两端均安装可视化动态变化活塞，其两块可视化裂缝板之间的缝隙模拟垂向水力裂缝。
3.根据权利要求1所述的一种用于研究水力裂缝内暂堵剂运移-封堵过程的实验方法，其特征在于，所述恒流泵、混合罐之间设有第一压力计。
4.根据权利要求2所述的一种用于研究水力裂缝内暂堵剂运移-封堵过程的实验方法，其特征在于，所述可视化水力裂缝模拟装置与混合罐之间设有第二流量计、第二压力计；所述可视化水力裂缝模拟装置与回收罐之间设有第三压力计、第三流量计。
5.根据权利要求1所述的一种用于研究水力裂缝内暂堵剂运移-封堵过程的实验方法，其特征在于，所述混合罐上设有加热装置，所述加热装置采用电感加热的方式包裹于整个混合罐，实现对暂堵剂与压裂液混合液的充分加热。
6.根据权利要求1所述的一种用于研究水力裂缝内暂堵剂运移-封堵过程的实验方法，其特征在于，所述步骤S5中的灰度级阈值通过以下步骤获得：
首先计算图像中不同灰度值像素出现的概率；
式中：N为图像的总像素数，n k为灰度值为k的像素数，P i为灰度值为i的像素在图像中出现的概率；
再根据不同灰度值像素出现的概率绘制不同灰度值像素的概率分布图，根据概率分布图中暂堵剂与压裂液双峰之间的峰谷所对应的灰度值即为灰度级阈值。
7.根据权利要求1所述的一种用于研究水力裂缝内暂堵剂运移-封堵过程的实验方法，其特征在于，所述步骤S5中的分开判断式为：
式中：
为划分后的灰度值，/>
为划分前不同像素的灰度值，T为灰度值阈值。
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