CN205027726U - 一种多功能裂缝导流能力测试*** - Google Patents

Abstract

一种多功能裂缝导流能力测试***，包括一号气瓶、二号气瓶、小型盛水容器和大型盛水容器，一号气瓶、二号气瓶均与过滤器连接，过滤器与低温浴槽连接，低温浴槽与搅拌容器连接；小型盛水容器设置在一号天平上，通过管道与搅拌容器连接；搅拌容器与导流室连接；大型盛水容器设置在二号天平上，通过管道与岩样室连接，导流室内设置有岩样，在各连接管道上设置阀、流量计和温度计，本实用新型能够根据需要选择支路，分别利用常规水力压裂液、纯CO₂压裂液、改进的CO₂压裂液测试裂缝导流能力；该***能测试复杂裂缝如分层裂缝、曲折裂缝、缝网裂缝等在不同压裂液与支撑剂、温度、压力、排量条件下的导流能力。

Description

一种多功能裂缝导流能力测试***

技术领域

本实用新型属于石油天然气开发技术领域，特别涉及一种多功能裂缝导流能力测试***。

背景技术

通过压裂技术(水力压裂、CO₂压裂)对油气储层进行改造成会产生复杂的裂缝，而上述裂缝的导流能力是评价压裂作业增产效果的重要指标，并对压裂设计的优化起关键作用。鉴于裂缝导流能力在压裂作业增产效果评价中的重要性，研制一种能分别利用常规水力压裂液、纯CO₂压裂液、改进的CO₂压裂液(添加有化学试剂)测试复杂裂缝(分层裂缝、曲折裂缝、缝网裂缝)导流能力的装置，就显得尤为重要。现有的裂缝导流能力测试***存在功能单一(通常仅能进行常规水力压裂液的相关测试，或者利用氮气进行实验)、一般所测裂缝形态简单(通常为单条裂缝，不能反映真实情况)、且在利用CO₂压裂液测试时没有设计相应的化学试剂供应装置，同时由于简化过多而忽略了许多重要的细节问题(如未考虑压裂液以及添加化学试剂对泵的腐蚀)，而给裂缝导流能力测试研究的开展带来极大不便。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的功能单一、一般所测裂缝形态简单、在利用CO₂压裂液测试时没有设计相应的化学试剂供应装置、由于简化过多而忽略了许多重要的细节问题(如未考虑压裂液以及添加化学试剂对泵的腐蚀)等缺点，本实用新型的目的在于提供一种多功能裂缝导流能力测试***，能分别利用常规水力压裂液与CO₂压裂液测试裂缝导流能力。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种多功能裂缝导流能力测试***，包括一号气瓶1、二号气瓶2、小型盛水容器13和大型盛水容器25，其中一号气瓶1的出口通过一号阀3与过滤器5的入口连接，二号气瓶2的出口通过二号阀4与过滤器5的入口连接，过滤器5与低温浴槽7的入口连接且连接管路上有流量计6，低温浴槽7的出口与搅拌容器19的进气口连接且连接管路上依次设置有一号温度传感器8、一号泵9、一号安全阀10和一号单向阀11；小型盛水容器13设置在一号天平12上，小型盛水容器13通过管道与搅拌容器19的进水口连接且连接管道上依次设置有三号阀14、二号泵15、小型活塞容器16、二号安全阀17和二号单向阀18；搅拌容器19中部的采样口通过管道与导流室36连接且连接管道上依次设置有一号加热器20、二号温度传感器21、一号压力表22和四号阀23；大型盛水容器25设置在二号天平24上，大型盛水容器25通过管道与岩样室36连接且连接管道上依次设置有五号阀26、三号泵27、大型活塞容器28、三号安全阀29、三号单向阀30、二号加热器31、三号温度传感器32、二号压力表33和六号阀34，所述导流室36内设置有岩样37。四号阀23后的管道与六号阀34后的管道并联后与导流室36连接，且连接管道上设置四号温度传感器35。

本实用新型设计有多个气瓶，能够根据需要灵活的选择气瓶即一号气瓶1、二号气瓶2的接入数量，同时气瓶口向下倾斜固定放置，便于CO₂气体更好的保存并液化输出。

所述流量计6、一号温度传感器8、二号温度传感器21、三号温度传感器32、四号温度传感器35、一号压力表22、二号压力表33均连接数据采集控制卡，用于对管道内的流量、温度、压力进行实时监控，并能有效采集数据。

所述一号安全阀10、二号安全阀17、三号安全阀29的作用是保护管道与仪表，防止泵压力过大损害管道或仪表。

所述一号单向阀11、二号单向阀18、三号单向阀30的作用是防止CO₂、化学试剂、水力压裂液等的回流。

所述过滤器5为气体过滤器，其用途是除去原始CO₂中混杂的杂质，提纯获得高精度CO₂。

所述一号天平12、二号天平24为精密数字天平，其用途是测定盛水容器的排量，并经过换算求出输出压裂液的体积。

所述小型活塞容器16和大型活塞容器28均由水槽40、活塞41、压裂液槽39组成，其中水槽40在下方，压裂液槽39在上方，活塞41位于水槽40和压裂液槽39之间。其目的是防止直接输送化学试剂、水力压裂液对泵造成损害，而采用清水推动化学试剂、水力压裂进行输送。

所述搅拌容器19为密闭保温搅拌容器，其作用是使CO₂与化学试剂能有效混合，使得溶解更充分。

所述一号加热器20、二号加热器31为精密数字化控制的表面加热器，其作用是对压裂液进行加温，以便于测试裂缝在不同温度条件下的导流能力。

所述岩样37在导流室36内与其内壁紧密接触。岩样37由取于地层或同层位露头的天然岩石加工而成，加工时，可根据需要先切割成与导流室尺寸相匹配的两端半圆形中部长方体岩板(为了满足API导流室两端形状为圆形的要求)，而后根据需要设计的复杂裂缝形态(分层裂缝、曲折裂缝、缝网裂缝)，将上述两端半圆形中部长方体岩板进行横向与纵向切割，切割成需要设计裂缝形态的两端半圆形中部长方体岩板、长方体岩板、梯形岩板等，进而将通过铺设支撑剂而设计成不同形态的复杂裂缝，与单条裂缝相比，更能反映真实情况。

所述导流室36为按照API标准设计的导流室，导流室采用高滑度不锈钢材料锻造，以防止产生塑性变形，且其内部含有电加热棒，以便测试裂缝在不同温度下的导流能力，同时导流室上安装有压力传感器、差压传感器、温度传感器、位移传感器等，以便于实时采集数据，且导流室上盖板或下盖板配备有液压千斤顶，以模拟不同压力对裂缝导流能力的影响。

本实用新型所有连接管线均采用316L管线，以防压裂液对管线的酸性腐蚀；且连接低温浴槽7到四号温度传感器35的管道均用保温材料缠绕包裹。

本实用新型同时提供了基于权利要求1所述多功能裂缝导流能力测试***的测试方法，包括如下步骤：

步骤1，将岩样37设置于导流室36中，铺设支撑剂形成复杂形态裂缝，对导流室36的上盖板、下盖板施加压力；

步骤2，通过如下过程进行测试：

使一号阀3、二号阀4、一号泵9、三号阀14、二号泵15、四号阀23处于打开状态，一号气瓶1、二号气瓶2中的CO₂分别通过一号阀3、二号阀4进入过滤器5，经过滤器5过滤后依次流经流量计6、低温浴槽7、一号温度传感器8、一号泵9、一号安全阀10和一号单向阀11；同时一号天平12测量小型盛水容器13中水的质量，小型盛水容器13中的水通过管道流经三号阀14、二号泵15而后进入小型活塞容器16的下部，通过小型活塞容器16中的活塞运动而使容器上部的化学试剂流经二号安全阀17、二号单向阀18，而后在搅拌容器19与流经一号单向阀11的CO₂相混合，待混合搅拌均匀后进入一号加热器20进行加热处理，然后通过管道依次流经二号温度传感器21、一号压力表22、四号阀23、四号温度传感器35而进入导流室36，在导流室36内测试岩样37中裂缝的导流能力；过程中，实时读取一号温度传感器8、二号温度传感器21、四号温度传感器35、一号压力表22中的监测数据；实时采集导流室36中安装的压力传感器、差压传感器、温度传感器、位移传感器的数据，计算得到等效裂缝宽度和渗透率，进而得到裂缝导流能力，从而实现CO₂压裂液支路对裂缝导流能力的测试；

或者，使五号阀26、三号泵27、六号阀34处于打开状态，同时用二号天平24测量大型盛水容器25中水的质量，大型盛水容器25中的水通过管道流经五号阀26、三号泵27而后进入大型活塞容器28的下部，通过大型活塞容器28中的活塞运动而使容器上部的水力压裂液流经三号安全阀29、三号单向阀30，然后进入二号加热器31进行加热处理，然后通过管道依次流经三号温度传感器32、二号压力表33、六号阀34、四号温度传感器35而进入导流室36，在导流室36内测试岩样37中裂缝的导流能力；过程中，实时读取三号温度传感器32、二号压力表33、四号温度传感器35中的监测数据；实时采集导流室36中安装的压力传感器、差压传感器、温度传感器、位移传感器的数据，计算得到等效裂缝宽度和渗透率，进而得到裂缝导流能力，从而实现常规水力压裂液支路对裂缝导流能力的测试。

所示步骤1中复杂形态裂缝包括分层裂缝、曲折裂缝和缝网裂缝，

当裂缝形态为分层裂缝时，其形成过程为：

取地层或同层位露头的天然岩石，先切割成与导流室36尺寸相匹配的两端半圆形中部长方体岩板；

根据所需的层数，将两端半圆形中部长方体岩板水平切割成多个两端半圆形中部长方体薄岩板，切割完成后，把所得两端半圆形中部长方体薄岩板与支撑剂依次铺设于导流室36内的上盖板、下盖板之间，其中与导流室36接触部分用硅胶密封；

当裂缝形态为曲折裂缝时，其形成过程为：

取地层或同层位露头的天然岩石，先切割成与导流室36尺寸相匹配的两端半圆形中部长方体岩板；

根据所需的角度、岩桥长度和裂缝长度，将两端半圆形中部长方体岩板切割成多个一端半圆形长方体岩板、长方体岩板以及梯形岩板，切割完成后，把所得各种岩板与支撑剂依次铺设于导流室36内的上盖板、下盖板之间，，其中与导流室36接触部分用硅胶密封；

当裂缝形态为缝网裂缝时，其形成过程为：

取地层或同层位露头的天然岩石，先切割成与导流室36尺寸相匹配的两端半圆形中部长方体岩板；

根据所需裂缝长度和数量，将两端半圆形中部长方体岩板切割成多个一端半圆形长方体岩板和长方体岩板，切割完成后，把所得岩板与支撑剂依次铺设于导流室36内的上盖板、下盖板之间，其中与导流室36接触部分用硅胶密封。

与现有技术相比，本实用新型能够根据需要选择支路分别利用常规水力压裂液、纯CO₂压裂液、改进的CO₂压裂液(添加有化学试剂)测试裂缝导流能力。

附图说明

图1为本实用新型岩样分层裂缝形态示意图。

图2为本实用新型岩样曲折裂缝形态示意图。

图3为本实用新型岩样缝网裂缝形态示意图。

图4为本实用新型结构示意图。

图5是本实用新型中小型活塞容器、大型活塞容器的具体结构示意图，它们结构相同，尺寸不同。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本实用新型的实施方式。

如图1、图2和图3所示，本实用新型设计岩样的复杂裂缝形态包括分层裂缝、曲折裂缝和缝网裂缝形态。

如图4所示，本实用新型一种多功能裂缝导流能力测试***，包括一号气瓶1、二号气瓶2、一号阀3、二号阀4、过滤器5、流量计6、低温浴槽7、一号温度传感器8、一号泵9、一号安全阀10、一号单向阀11、一号天平12、小型盛水容器13、三号阀14、二号泵15、小型活塞容器16、二号安全阀17、二号单向阀18、搅拌容器19、一号加热器20、二号温度传感器21、一号压力表22、四号阀23、二号天平24、大型盛水容器25、五号阀26、三号泵27、大型活塞容器28、三号安全阀29、三号单向阀30、二号加热器31、三号温度传感器32、二号压力表33、六号阀34、四号温度传感器35、导流室36以及岩样37。

一号气瓶1、二号气瓶2分别通过一号阀3、二号阀4与过滤器5的入口连接；过滤器5的出口通过管道依次与流量计6、低温浴槽7、一号温度传感器8、一号泵9、一号安全阀10、一号单向阀11相连接；一号天平12与小型盛水容器13通过平面相接触；小型盛水容器13通过管道依次与三号阀14、二号泵15、小型活塞容器16、二号安全阀17、二号单向阀18相连接；搅拌容器19通过管道分别与一号单向阀11、二号单向阀18、一号加热器20相连接；一号加热器20通过管道依次与二号温度传感器21、一号压力表22、四号阀23相连接；二号天平24与大型盛水容器25通过平面相接触；大型盛水容器25通过管道依次与五号阀26、三号泵27、大型活塞容器28、三号安全阀29、三号单向阀30、二号加热器31、三号温度传感器32、二号压力表33、六号阀34相连接；四号阀23所代表的支路或六号阀34所代表的支路通过管道与四号温度传感器35相连接；四号温度传感器35通过管道与导流室36相连接；岩样37放置于导流室36内，且两者紧密接触。

如图5所示，小型活塞容器16和大型活塞容器28均由水槽40、活塞41、压裂液槽39组成，其中水槽40在下方，压裂液槽39在上方，活塞41位于水槽40和压裂液槽39之间。小型活塞容器16和大型活塞容器28是为了防止直接输送化学试剂、水力压裂液对泵造成损害，而采用清水推动压裂液槽39中的化学试剂、水力压裂进行输送。

取地层或同层位露头的天然岩石加工成岩样37，加工时，可根据需要先切割成与导流室尺寸相匹配的两端半圆形中部长方体岩板(为了满足API导流室两端形状为圆形的要求)，而后根据需要设计的如图1-图3所示的复杂裂缝形态(分层裂缝、曲折裂缝、缝网裂缝)，将上述两端半圆形中部长方体岩板进行横向与纵向切割，切割成需要设计裂缝形态的两端半圆形中部长方体岩板、长方体岩板、梯形岩板等，进而通过铺设支撑剂而设计成不同形态的复杂裂缝。

形成复杂形态裂缝的具体操作过程中，(1)当裂缝形态为分层裂缝时，可将天然岩石先加工成两端半圆形中部长方体岩板，而后再根据需要设计的层数(如2层或3层，示意图为2层，但可根据需要设计成多层)将两端半圆形中部长方体岩板切割成多个两端半圆形中部长方体薄岩板，切割完成后，把两端半圆形中部长方体薄岩板与支撑剂依次铺设于导流室内的上盖板、下盖板之间，且岩板与导流室接触部分用硅胶密封；(2)当裂缝形态为曲折裂缝时，可将天然岩石先加工成两端半圆形中部长方体岩板，而后再根据需要设计的角度、岩桥长度、裂缝长度等将两端半圆形中部长方体岩板切割成多个一端半圆形长方体岩板、长方体岩板、梯形岩板等，切割完成后，把上述岩板与支撑剂依次铺设于导流室内的上盖板、下盖板之间，且岩板与导流室接触部分用硅胶密封；(3)当裂缝形态为缝网裂缝时，可将天然岩石先加工成两端半圆形中部长方体岩板，而后再根据需要设计的裂缝长度、数量等将两端半圆形中部长方体岩板切割成多个一端半圆形长方体岩板、长方体岩板等，切割完成后，把上述岩板与支撑剂依次铺设于导流室内的上盖板、下盖板之间，且岩板与导流室接触部分用硅胶密封。在铺设进而形成复杂形态裂缝后，利用液压千斤顶对导流室上盖板、下盖板施加压力。

铺设进而形成复杂形态裂缝并对裂缝施加压力后，将导流室36与CO₂压裂液支路或常规水力压裂液支路相连，以评价裂缝对不同压裂液与支撑剂的导流能力。

CO₂压裂液支路工作测试裂缝导流能力时，将一号阀3、二号阀4、一号泵9、三号阀14、二号泵15、四号阀23处于打开状态，一号气瓶1、二号气瓶2中的CO₂分别通过一号阀3、二号阀4进入过滤器5，经过滤器5过滤后依次流经流量计6、低温浴槽7、一号温度传感器8、一号泵9、一号安全阀10、一号单向阀11；同时一号天平12用来测量小型盛水容器13中水的质量，小型盛水容器13中的水通过管道流经三号阀14、二号泵15而后进入小型活塞容器16的下部，通过小型活塞容器16中的活塞运动而使容器上部的化学试剂流经二号安全阀17、二号单向阀18，而后在搅拌容器19与流经一号单向阀11的CO₂相混合，待混合搅拌均匀后进入一号加热器20进行加热处理，然后通过管道依次流经二号温度传感器21、一号压力表22、四号阀23、四号温度传感器35而进入导流室36，在导流室36内测试岩样37中裂缝的导流能力；上述过程中，实时读取一号温度传感器8、二号温度传感器21、四号温度传感器35、一号压力表22中的监测数据；实时采集导流室36上安装的压力传感器、差压传感器、温度传感器、位移传感器等的数据，以便于随后计算导流能力，在具体计算导流能力时，等效裂缝宽度由原来导流室的高度、岩板尺寸、支撑剂体积、位移传感器上获取的数据等经过适当计算而求出；计算渗透率时，由于超临界CO₂的密度、黏度对温度和压力敏感，而实验过程中温度、压力又随时间变化，所以达西定律和理想气体状态方程的渗透率公式已经不适用于超临界CO₂渗透率的计算，为此，裂缝渗透率由梁卫国等给出的渗透率公式通过流量、面积等参数经过标准换算而求出，渗透率计算公式的原理详见文献(梁卫国，张倍宁，韩俊杰，等.超临界CO₂驱替煤层CH4装置及试验研究[J].煤炭学报，2014，39(8)：1511-1520)；最后，等效裂缝宽度与渗透率相乘便可求出裂缝导流能力。

具体计算公式如下：

(kw)_f＝k_f×w_f(1)

$k_f=9.81\×{10}^{11}\frac{Q_m{\mathrm{L\μ}}_{T,P}}{{\mathrm{A\ρ}}_{T,P}(P_1-P_2)}---\left(2\right)$

$w_f=\frac{V}{S}---\left(3\right)$

式中：(kw)_f—裂缝导流能力；k_f—裂缝渗透率；w_f—有效裂缝宽度；Q_m—质量流量；L—岩样长度；μ_T,P—在实验温度T与压力P条件下的超临界CO₂的黏度；A—岩样横截面积；ρ_T,P—在实验温度T与压力P条件下的超临界CO₂的密度；P₁—入口压力；P₂—出口压力；V—实际裂缝总体积；S—导流室横截面积。

常规水力压裂液支路工作测试裂缝导流能力时，将五号阀26、三号泵27、六号阀34处于打开状态，同时二号天平24用来测量大型盛水容器25中水的质量，大型盛水容器25中的水通过管道流经五号阀26、三号泵27而后进入大型活塞容器28的下部，通过大型活塞容器28中的活塞运动而使容器上部的水力压裂液流经三号安全阀29、三号单向阀30，然后进入二号加热器31进行加热处理，然后通过管道依次流经三号温度传感器32、二号压力表33、六号阀34、四号温度传感器35而进入导流室36，在导流室36内测试岩样37中裂缝的导流能力；上述过程中，实时读取三号温度传感器32、二号压力表33、四号温度传感器35中的监测数据；实时采集导流室36上安装的压力传感器、差压传感器、温度传感器、位移传感器等的数据，以便于随后计算导流能力，在具体计算导流能力时，等效裂缝宽度由原来导流室的高度、岩板尺寸、支撑剂体积、位移传感器上获取的数据等经过适当计算而求出；裂缝渗透率由达西定律通过流量、面积等参数经过标准换算而求出；最后，等效裂缝宽度与渗透率相乘便可求出裂缝导流能力。

Claims (8)

1.一种多功能裂缝导流能力测试***，其特征在于，

包括一号气瓶(1)、二号气瓶(2)、小型盛水容器(13)和大型盛水容器(25)，其中一号气瓶(1)的出口通过一号阀(3)与过滤器(5)的入口连接，二号气瓶(2)的出口通过二号阀(4)与过滤器(5)的入口连接，过滤器(5)与低温浴槽(7)的入口连接且连接管路上有流量计(6)，低温浴槽(7)的出口与搅拌容器(19)的进气口连接且连接管路上依次设置有一号温度传感器(8)、一号泵(9)、一号安全阀(10)和一号单向阀(11)；小型盛水容器(13)设置在一号天平(12)上，小型盛水容器(13)通过管道与搅拌容器(19)的进水口连接且连接管道上依次设置有三号阀(14)、二号泵(15)、小型活塞容器(16)、二号安全阀(17)和二号单向阀(18)；搅拌容器(19)中部的采样口通过管道与导流室(36)连接且连接管道上依次设置有一号加热器(20)、二号温度传感器(21)、一号压力表(22)和四号阀(23)；大型盛水容器(25)设置在二号天平(24)上，大型盛水容器(25)通过管道与岩样室(36)连接且连接管道上依次设置有五号阀(26)、三号泵(27)、大型活塞容器(28)、三号安全阀(29)、三号单向阀(30)、二号加热器(31)、三号温度传感器(32)、二号压力表(33)和六号阀(34)，所述导流室(36)内设置有岩样(37)。

2.根据权利要求1所述多功能裂缝导流能力测试***，其特征在于，四号阀(23)后的管道与六号阀(34)后的管道并联后与导流室(36)连接，且连接管道上设置四号温度传感器(35)。

3.根据权利要求2所述多功能裂缝导流能力测试***，其特征在于，所述流量计(6)、一号温度传感器(8)、二号温度传感器(21)、三号温度传感器(32)、四号温度传感器(35)、一号压力表(22)和二号压力表(33)均连接数据采集控制卡，用于对管道内的流量、温度、压力进行实时监控，并有效采集数据。

4.根据权利要求1所述多功能裂缝导流能力测试***，其特征在于，所述过滤器(5)为气体过滤器。

5.根据权利要求1所述多功能裂缝导流能力测试***，其特征在于，所述小型活塞容器(16)和大型活塞容器(28)均由水槽(40)、活塞(41)、压裂液槽(39)组成，其中水槽(40)在下方，压裂液槽(39)在上方，活塞(41)位于水槽(40)和压裂液槽(39)之间。

6.根据权利要求1所述多功能裂缝导流能力测试***，其特征在于，所述岩样(37)在导流室(36)内与其内壁紧密接触。

7.根据权利要求1所述多功能裂缝导流能力测试***，其特征在于，所有连接管线均采用316L管线，以防压裂液对管线的酸性腐蚀；且连接低温浴槽(7)到四号温度传感器(35)的管道均用保温材料缠绕包裹。

8.根据权利要求1所述多功能裂缝导流能力测试***，其特征在于，所述导流室(36)内部设置有电加热棒，并安装有压力传感器、差压传感器、温度传感器以及位移传感器，且导流室(36)的上盖板或下盖板配备有液压千斤顶。