專利名稱：酸壓裂縫內酸液指進大尺寸可視化物理模擬裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種用于油田化學及酸化壓裂實驗室、研究室的酸壓裂縫內酸液指進大尺寸可視化物理模擬裝置及方法。
背景技術：
壓裂酸化是碳酸鹽巖油氣藏重要的增產技術之一。酸壓的增產效果與人工裂縫內酸液流動反應過程密切相關。酸壓過程中縫內的酸液流動伴有酸液指進現象，弄清縫內酸液指進的演化特征和變化規律，對準確表征酸液在裂縫內的流動反應過程極為重要。目前室內研究多采用平行板狹縫的物理模擬裝置模擬酸液流動反應過程。現有大多數酸液流動物理模擬模型的基礎為Hele-Shaw物理模型，此類裝置包括以下幾種類別1. “透明玻璃平行板+透明玻璃平行板”或者“透明樹脂平行板+透明樹脂平行板”模擬裝置，該類裝置雖能夠很好地實現酸液流動過程的可視化，但無法模擬酸巖反應，與實際酸液流動反應過程的 相似性很弱；2. “透明玻璃板+反應性巖石板”模擬裝置，此類裝置可實現酸巖反應條件下酸液流動反應過程的可視化，但其溫度、壓差調節精度低，降低了所得結論的可靠性；3. “反應性巖石板+反應性巖石板”模擬裝置，此類裝置可模擬高溫高壓下的酸液流動反應過程，但其流動反應過程無法實現可視化，對分析流動反應過程中發生的酸液指進等重要現象造成了困難；4. “大小不等的玻璃板+大理石板+鋼板構成三板雙縫”模擬裝置，此類裝置可模擬常溫中低壓(最高溫度達50°C，壓力O. 8MPa)、不同裂縫傾角及考慮酸液濾失影響下的酸巖反應可視化模擬，但是其加熱方式是熱流體通過后狹縫對巖石板加熱，加熱速度慢，且無法保證溫度的可靠和穩定性，同時，實驗設備自動化程度較低，實驗人員勞動強度大，操作不便利。因此，為完善上述裝置的不足，需根據相似性原理，建立一種新的酸壓裂縫內酸液指進大尺寸可視化物理模型及方法，以滿足酸液與巖石板的流動反應更符合儲層真實環境，同時實現模擬操作過程的高效便捷。
發明內容
本發明的目的是為了在穩定的溫度和壓力條件下，安全便捷地模擬酸液在裂縫內的流動和反應情況，觀察酸壓縫內酸液指進現象，并高效地測定相關參數，特提供一種酸壓裂縫內酸液指進大尺寸可視化物理模擬裝置及方法。為達到上述目的，本發明采取以下技術方案酸壓裂縫內酸液指進大尺寸可視化物理模擬裝置，是由液體泵注單元、模擬裂縫單元、溫度、壓力監測及控制單元和圖像采集單元構成，其特征在于液體泵注單元中，儲存水的儲液罐用管線與高壓恒流泵吸液端連接，高壓恒流泵的出液端用管線分別與盛前置液的中間容器A及盛酸液的中間容器B下端相連接，中間容器A和中間容器B出液端用耐酸耐壓管線與六通閥A連接，六通閥A出液端與模擬裂縫單元的進液管線連接；模擬裂縫單元中，不銹鋼前框架與不銹鋼后蓋四周用緊固螺栓固定連接，形成六面箱體結構，不銹鋼前框架上方及下方分別開設有等間距的排氣孔和排液孔，不銹鋼前框架左、右兩端分別開設有等間距的進液孔和出液孔，進液孔與進液管線連接，殘酸的出液孔與排液管線連接，再與六通閥B連接，六通閥B出液端用管線連接廢液收集器，進液管線與排液管線上均安裝有單向閥；不銹鋼前框架正中開設有矩形觀察窗，其材質為耐溫耐壓特種玻璃板，特種玻璃板與不銹鋼前框架的接觸面之間采用耐酸、耐溫、耐壓的膠粘劑密封；在特種玻璃板及不銹鋼后蓋之間放置一塊長寬略小于六面箱體內壁能與酸液反應的巖石板，巖石板兩側與不銹鋼后蓋的接觸面采用耐酸、耐溫、耐壓的膠粘劑密封；不銹鋼前框架四角及長邊的中間位置安裝有壓力式微小位移指針；巖石板、不銹鋼后蓋與不銹鋼前框架之間的開闔處安裝有液壓夾持裝置及液壓泵，實施自動控制；不銹鋼后蓋四個頂角位置開設有盲道，在盲道中安裝巖石板的拆卸頂桿；上述六面箱體的左側安裝有旋轉及緊鎖裝置；整個模擬裂縫單元由裝置支撐架固定支撐；溫度、壓力監測及控制單元，不銹鋼后蓋外側嵌入一塊尺寸略大于巖石板的電加熱板，在電加熱板上安有加熱探頭，升溫至巖板加熱控制箱預設的地層溫度；不銹鋼后蓋中間位置的安裝孔處設置有溫度傳感器，加熱探頭經安裝孔與巖石板接觸；在不銹鋼前框架的進液孔與出液孔處安裝壓差傳感器，壓差傳感器與操作顯示臺上的壓差顯示器用數據線連接；圖像采集單元，圖像采集器安裝在模擬裂縫單元的正前方。
本裝置中，在不銹鋼前框架與不銹鋼后蓋之間形成的凹形槽中放置凍膠狀硅膠片，硅膠片的厚度為特種玻璃板與巖石板間狹縫的寬度，即模擬裂縫的寬度；不銹鋼后蓋內側制作成凹凸不平的齒狀形后蓋內側粗糙面，形成酸液濾失通道，酸液濾失通道與背面排液孔相連通。本發明裝置提供的模擬方法，包含以下步驟模擬前，首先在不銹鋼前框架內放置特種玻璃板，再在不銹鋼后蓋內放置巖石板，接觸面均采用耐酸、耐溫、耐壓的膠粘劑密封，然后在不銹鋼前框架內的凹形槽中放置硅膠片；控制液壓泵使液壓夾持裝置夾持不銹鋼后蓋及巖石板緩慢上升，直至其與不銹鋼前框架緊密結合，利用液壓夾持裝置將不銹鋼后蓋夾緊并固定，停液壓泵。接著，依次將不銹鋼后蓋四周的緊固螺栓上緊，鎖緊不銹鋼后蓋與不銹鋼前框架并確保其密封。緊螺栓的過程中，需注意不銹鋼前框架上壓力式微小位移指針22的讀數是否一致，若不一致則需對緊固螺栓旋緊的程度進行微調，以確保不銹鋼前框架與不銹鋼后蓋之間各處受力均勻，模擬裂縫寬度一致。最后，在中間容器、中間容器中分別加入前置液及酸液。模擬中，采用電加熱板將巖石板的溫度升溫到巖板加熱控制箱預設的溫度。待溫度穩定后，采用高壓恒流泵先將前置液泵入模擬裂縫單元中，使前置液充滿模擬裂縫；同時打開排氣孔，排出縫內氣體，以避免對實驗結果造成影響；接著將酸液泵入模擬裂縫單元中，酸液經單向閥可由不同的進液孔進入模擬裂縫中，同時圖像采集器透過矩形觀察窗記錄酸液在模擬裂縫中的流動反應過程及酸液指進延伸現象。當模擬裂縫內壓力大于出液孔處六通閥的壓力時，縫內反應后的殘酸則經出液孔排入廢液收集器中；此外，酸液與巖石反應過程中濾失的酸液通過背面排液孔排出。反應后，為使排液迅速，可同時打開排液孔及排氣孔以輔助排液。模擬后，先卸掉緊固螺栓，緊固液壓夾持裝置，采用液壓泵控制液壓夾持裝置逐漸下降，卸下不銹鋼后蓋及巖石板；通過轉動巖石板拆卸頂桿，卸下并清洗巖石板。本發明與現有技術比較，具備以下有益效果1)采用電加熱板對整塊巖石板進行加熱，提高了巖石板的升溫速度，更符合儲層的真實環境；2)在不銹鋼前框架不同位置安裝壓力式微小位移指針，進而確保裂縫長度方向上的縫寬一致；3)通過模擬裂縫結構單元左側的旋轉及緊鎖裝置，可改變裂縫的傾角，進而實現裂縫傾角對酸液指進演變特征的考察分析；4)通過調整硅膠片的厚度，可實現模擬裂縫寬度的改變，繼而模擬不同縫寬下的酸壓過程中酸液指進現象的變化規律；5)采用液壓泵通過液壓夾持裝置對不銹鋼后蓋、巖石板及不銹鋼前框架進行開啟與閉合，使裝置的機械化和自動化程度得到了提高，極大減輕操作人員的勞動強度，實現了實驗過程的安全與便捷。
圖I為本發明酸壓裂縫內酸液指進大尺寸可視化物理模擬裝置的結構示意圖；圖2為本模擬裝置模擬裂縫單元正面結構示意圖；圖3為本模擬裝置模擬裂縫單元背面結構示意圖；圖4為本模擬裝置模擬裂縫單元A-A剖面結構示意圖。 圖中，I.儲液罐；2.高壓恒流泵；3.中間容器A ；4.中間容器B ；5.耐酸耐壓管線；
6.六通閥A;6-1.六通閥B ;7.進液管線；8.模擬裂縫單元；9.加熱探頭；10.溫度傳感器；
11.液壓夾持裝置；12.裝置支撐架；13.液壓泵；14.壓差傳感器；15.操作顯示臺；16.巖板加熱控制箱；17.壓差顯示器；18.排液管線；19.廢液收集器；20.不銹鋼前框架；21.單向閥；22.壓力式微小位移指針；23.排氣孔；24.排液孔；25.進液孔；26.出液孔；27.矩形觀察窗；28.旋轉及緊鎖裝置；29.圖像采集器；30.不銹鋼后蓋；31.緊固螺栓；32.拆卸頂桿；33.電加熱板；34.背面排液孔；35.后蓋內側粗糙面；36.巖石板；37.膠粘劑；38.模擬裂縫；39.硅膠片；40.特種玻璃板。
具體實施例方式依照附圖進一步說明本發明。參照圖I、圖2、圖3、圖4。一種酸壓裂縫內酸液指進大尺寸可視化物理模擬裝置，分為液體泵注、模擬裂縫、溫度、壓力監測及控制、圖像采集四大結構單元。首先，液體泵注單元中，高壓恒流泵2的工作液由儲液罐I提供，高壓恒流泵2將中間容器A3及中間容器B4中的液體以恒定流速通過耐溫耐酸管線5、六通閥A6、進液管線
7、單向閥21泵入模擬裂縫單元8的進液孔25中。其次，模擬裂縫單元8，不銹鋼前框架20與不銹鋼后蓋30四周用緊固螺栓31固定連接，形成六面箱體結構，不銹鋼前框架20上方及下方分別開設有等間距的排氣孔23和排液孔24，不銹鋼前框架20左、右兩端分別開設有等間距的進液孔25和出液孔26，進液孔25與進液管線7連接，殘酸的出液孔26與排液管線18連接，再與六通閥B6-1連接，六通閥B6-1的出液端用管線連接廢液收集器19，進液管線7與排液管線18上均安裝有單向閥21 ；不銹鋼前框架20正中開設有矩形觀察窗27，其材質為耐溫耐壓特種玻璃板40，特種玻璃板40與不銹鋼前框架20的接觸面之間采用耐酸、耐溫、耐壓的膠粘劑37密封；在特種玻璃板40及不銹鋼后蓋30之間放置一塊長寬略小于六面箱體內壁能與酸液反應的巖石板36,巖石板36兩側與不銹鋼后蓋30的接觸面采用耐酸、耐溫、耐壓的膠粘劑37密封；不銹鋼前框架20四角及長邊的中間位置安裝有壓力式微小位移指針22 ;巖石板36、不銹鋼后蓋30與不銹鋼前框架20之間的開闔用液壓夾持裝置11及液壓泵13自動控制；不銹鋼后蓋30四個頂角位置開設有盲道，在盲道中安裝巖石板36的拆卸頂桿32 ;上述六面箱體的左側安裝有旋轉及緊鎖裝置28 ;整個模擬裂縫單元8由裝置支撐架12固定支撐。再次，溫度、壓力監測及控制單元中，不銹鋼后蓋30外側嵌入一塊尺寸略大于巖石板36的電加熱板33，在電加熱板33上安有加熱探頭9，升溫至巖板加熱控制箱16預設的地層溫度；不銹鋼后蓋30中間位置的安裝孔處設置有溫度傳感器10，加熱探頭9經安裝孔與巖石板36接觸；在不銹鋼前框架20的進液孔25與出液孔26處安裝壓差傳感器14，壓差傳感器14與操作顯示臺15上的壓差顯示器17用數據線連接。最后，圖像采集器29安裝在模擬裂縫單元8的正前方，記錄酸液指進現象全過程。本裝置中，在不銹鋼前框架20與不銹鋼后蓋30之間形成的凹形槽中放置凍膠狀硅膠片39，硅膠片39的厚度為特種玻璃板40與巖石板36間狹縫的寬度，即模擬裂縫38的寬度；不銹鋼后蓋30內側制作成凹凸不平的齒狀形的后蓋內側粗糙面35，形成酸液濾失通道，由背面排液孔34收集濾失酸液 本發明提供的模擬方法模擬前，首先在不銹鋼前框架20內放置特種玻璃板40，再在不銹鋼后蓋30內放置巖石板36，接觸面均采用耐酸、耐溫、耐壓的膠粘劑37密封，然后在不銹鋼前框架20內的凹形槽中放置硅膠片39 ;控制液壓泵13使液壓夾持裝置11夾持不銹鋼后蓋30及巖石板36緩慢上升，直至其與不銹鋼前框架20緊密結合，利用液壓夾持裝置11將不銹鋼后蓋30夾緊并固定，停液壓泵13。接著，依次將不銹鋼后蓋30四周的緊固螺栓31上緊，鎖緊不銹鋼后蓋30與不銹鋼前框架20并確保其密封。緊螺栓的過程中，需注意不銹鋼前框架20上壓力式微小位移指針22的讀數是否一致，若不一致則需對緊固螺栓31旋緊的程度進行微調，以確保不銹鋼前框架20與不銹鋼后蓋30之間各處受力均勻，模擬裂縫寬度一致。最后，在中間容器A3、中間容器B4中分別加入前置液及酸液。模擬中，采用電加熱板33將巖石板36的溫度升溫到巖板加熱控制箱16預設的溫度。待溫度穩定后，采用高壓恒流泵2先將前置液泵入模擬裂縫單元8中，使前置液充滿模擬裂縫38 ;同時打開排氣孔23，排出縫內氣體，以避免對實驗結果造成影響；接著將酸液泵入模擬裂縫單元8中，酸液經單向閥21可由不同的進液孔25進入模擬裂縫38中，同時圖像采集器29透過矩形觀察窗27記錄酸液在模擬裂縫38中的流動反應過程及酸液指進延伸現象。當模擬裂縫38內壓力大于出液孔26處六通閥B6-1的壓力時，縫內反應后的殘酸則經出液孔26排入廢液收集器19中；此外，酸液與巖石反應過程中濾失的酸液通過背面排液孔34排出。反應后，為使排液迅速，可同時打開排液孔24及排氣孔23以輔助排液。模擬后，先卸掉緊固螺栓31，緊固液壓夾持裝置11，采用液壓泵13控制液壓夾持裝置11逐漸下降，卸下不銹鋼后蓋30及巖石板36 ;通過轉動巖石板拆卸頂桿32，卸下并清洗巖石板36。
權利要求
1.酸壓裂縫內酸液指進大尺寸可視化物理模擬裝置，是由液體泵注單元、模擬裂縫單元、溫度、壓力監測及控制單元和圖像采集單元構成，其特征在于液體泵注單元中，儲存水的儲液罐(I)用管線與高壓恒流泵(2)吸液端連接，高壓恒流泵(2)的出液端用管線分別與盛前置液的中間容器A (3)及盛酸液的中間容器B (4)下端相連接，中間容器A (3)和中間容器B (4)出液端用耐酸耐壓管線(5)與六通閥A (6)連接，六通閥A (6)出液端與模擬裂縫單元(8 )的進液管線(7 )連接；模擬裂縫單元(8 )中，不銹鋼前框架(20 )與不銹鋼后蓋(30)四周用緊固螺栓(31)固定連接，形成六面箱體結構，不銹鋼前框架(20)上方及下方分別開設有等間距的排氣孔(23)和排液孔(24)，不銹鋼前框架(20)左、右兩端分別開設有等間距的進液孔(25)和出液孔(26)，進液孔(25)與進液管線(7)連接，殘酸的出液孔(26)與排液管線(18)連接，再與六通閥B (6-1)連接，六通閥B (6-1)的出液端用管線連接廢液收集器(19)，進液管線(7)與排液管線(18)上均安裝有單向閥(21);不銹鋼前框架(20)正中開設有矩形觀察窗(27)，其材質為耐溫耐壓特種玻璃板(40)，特種玻璃板(40)與不銹鋼前框架(20)的接觸面之間采用耐酸、耐溫、耐壓的膠粘劑(37)密封；在特種玻璃板(40)及不銹鋼后蓋(30)之間放置一塊長寬略小于六面箱體內壁能與酸液反應的巖石板(36),巖石板(36)兩側與不銹鋼后蓋(30)的接觸面采用耐酸、耐溫、耐壓的膠粘劑(37)密封；不銹鋼前框架(20)四角及長邊的中間位置安裝有壓力式微小位移指針(22);巖石板(36)、不銹鋼后蓋(30)與不銹鋼前框架(20)之間的開闔處安裝有液壓夾持裝置(11)及液壓泵(13);不銹鋼后蓋(30)四個頂角位置開設有盲道，在盲道中安裝巖石板(36)的拆卸頂桿(32);上述六面箱體的左側安裝有旋轉及緊鎖裝置(28);整個模擬裂縫單元(8)由裝置支撐架(12)固定支撐；溫度、壓力監測及控制單元，不銹鋼后蓋(30)外側嵌入一塊尺寸略大于巖石板(36 )的電加熱板(33 )，在電加熱板(33 )上安有加熱探頭(9 )，升溫至巖板加熱控制箱(16 )預設的地層溫度；不銹鋼后蓋(30)中間位置的安裝孔處設置有溫度傳感器(10)，加熱探頭(9 )經安裝孔與巖石板(36 )接觸；在不銹鋼前框架(20 )的進液孔(25 )與出液孔(26 )處安裝壓差傳感器(14)，壓差傳感器(14)與操作顯示臺(15)上的壓差顯示器(17)用數據線連接；圖像采集單元，圖像采集器(29)安裝在模擬裂縫單元(8)的正前方。
2.根據權利要求I所述的大尺寸可視化物理模擬裝置，其特征是在不銹鋼前框架(20)與不銹鋼后蓋(30)之間形成的凹形槽中放置凍膠狀硅膠片(39)，硅膠片(39)的厚度為特種玻璃板(40)與巖石板(36)間狹縫的寬度，即模擬裂縫(38)的寬度；不銹鋼后蓋(30)內側制作成凹凸不平的齒狀形后蓋內側粗糙面(35)，形成酸液濾失通道，酸液濾失通道與背面排液孔(34)相連通。
3.如權利要求I所述裝置的模擬方法，其特征是模擬前，首先在不銹鋼前框架(20)內放置特種玻璃板(40),再在不銹鋼后蓋(30)內放置巖石板(36),接觸面均米用耐酸、耐溫、耐壓的膠粘劑(37)密封，然后在不銹鋼前框架(20)內的凹形槽中放置硅膠片(39);控制液壓泵(13 )使液壓夾持裝置(11)夾持不銹鋼后蓋(30 )及巖石板(36 )緩慢上升，直至其與不銹鋼前框架(20)緊密結合，利用液壓夾持裝置(11)將不銹鋼后蓋(30)夾緊并固定，停液壓泵(13)。接著，依次將不銹鋼后蓋(30)四周的緊固螺栓(31)上緊，鎖緊不銹鋼后蓋(30)與不銹鋼前框架(20)并確保其密封。緊螺栓的過程中，需注意不銹鋼前框架(20)上壓力式微小位移指針(22)的讀數是否一致，若不一致則需對緊固螺栓(31)旋緊的程度進行微調，以確保不銹鋼前框架(20)與不銹鋼后蓋(30)之間各處受力均勻，模擬裂縫寬度一致。最后，在中間容器A (3)、中間容器B (4)中分別加入前置液及酸液。模擬中，采用電加熱板(33)將巖石板(36)的溫度升溫到巖板加熱控制箱(16)預設的溫度。待溫度穩定后，采用高壓恒流泵(2)先將前置液泵入模擬裂縫單元(8)中，使前置液充滿模擬裂縫(38);同時打開排氣孔(23)，排出縫內氣體，以避免對實驗結果造成影響；接著將酸液泵入模擬裂縫單元(8)中，酸液經單向閥(21)可由不同的進液孔(25)進入模擬裂縫(38)中，同時圖像采集器(29)透過矩形觀察窗(27)記錄酸液在模擬裂縫(38)中的流動反應過程及酸液指進延伸現象。當模擬裂縫(38)內壓力大于出液孔(26)處六通閥B (6-1)的壓力時，縫內反應后的殘酸則經出液孔(26)排入廢液收集器(19)中；此外，酸液與巖石反應過程中濾失的酸液通過背面排液孔(34)排出。反 應后，為使排液迅速，可同時打開排液孔(24)及排氣孔(23)以輔助排液。模擬后，先卸掉緊固螺栓(31)，緊固液壓夾持裝置(11)，采用液壓泵(13)控制液壓夾持裝置(11)逐漸下降，卸下不銹鋼后蓋(30 )及巖石板(36 );通過轉動巖石板拆卸頂桿(32 )，卸下并清洗巖石板(36)。
全文摘要
本發明涉及用于油田化學及酸化壓裂實驗室、研究室的酸壓裂縫內酸液指進大尺寸可視化物理模擬裝置及方法。它能模擬酸液在裂縫內流動和反應情況、觀察酸液指進現象、測定相關參數。其技術方案液體泵注單元高壓恒流泵與儲液罐連接，出液端與中間容器相連，再與六通閥、模擬裂縫單元進液孔連接；不銹鋼前框架與后蓋用緊固螺栓連接，前框架上下方設排氣孔和排液孔，左右端設進氣孔和出液孔，正中設觀察窗；前框架與后蓋間放置巖石板；在后蓋外側嵌入電加熱板及加熱探頭，后蓋中間設有溫度傳感器，前框架進出液孔安裝壓差傳感器；圖像采集器安在模擬裂縫單元正前方。本裝置提高了機械化和自動化程度，模擬實驗更符合儲層真實環境，且安全、快捷。
文檔編號G01N33/00GK102928556SQ20121041977
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月29日 優先權日2012年10月29日
發明者李小剛, 楊兆中, 趙金洲, 周拿云, 紀國法, 涂潔 申請人:西南石油大學