用于油氣藏地質改造的壓裂液性能實驗系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于油氣藏地質改造的壓裂液性能實驗系統，包括支撐劑供料單元、CO2泵注單元、常規壓裂液基液泵注單元、N2泵注單元和起泡劑泵注單元，CO2泵注單元連接一個管匯三通的進口，常規壓裂液基液泵注單元和起泡劑泵注單元均連接該管匯三通的另一個進口；N2泵注單元連接一個雙向閥，該雙向閥跨接在所述管匯三通的兩個進口上；管匯三通的出口連接壓裂液發泡及加熱單元；支撐劑供料單元與攜砂性能測試單元相連；壓裂液發泡及加熱單元的出口被一個三通分為兩路，一路連通流變測試單元的多管徑水平流變測試段進口；另一路連通攜砂性能測試單元；多管徑水平流變測試段的出口與換熱測試單元中的垂直換熱測試套管的管側進口相連。
【專利說明】用于油氣藏地質改造的壓裂液性能實驗系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及對油氣開發地質改造過程中常用的水基壓裂液、水基泡沫壓裂液、干法壓裂液、干法泡沫壓裂液等多種壓裂液的流變特性、換熱性能及攜砂性能的實驗裝備。
【背景技術】
[0002]水力壓裂是近代油氣井增產應用最為廣發的一種技術，是在地面采用高壓大排量的泵，利用液體傳壓的原理，將具有一定粘度的液體，以大于油層的吸收能力的壓力向油層注入，并使井筒內壓力逐漸升高，從而在井底憋起高壓，當此壓力大于井壁附近的地應力和地層巖石的抗張強度時，便在井底附近地層產生裂縫:繼續注入帶有支撐劑的攜砂液，裂縫向前延伸并填以支撐劑，關井后裂縫閉合在支撐劑上，從而在井底附近地層內形成具有一定幾何尺寸和高導流能力的填砂裂縫，使油氣井達到增產增注的目的。這種技術已在國內外低滲油氣田的開發中起到了關鍵性作用，使原來沒有工業價值的油氣田成為了具有一定產能的油氣田，其意義已遠遠超過了一口井的增產增注作用。一般來說，油氣井在壓裂之后，單井日產量要比壓裂前高3?5倍。同時油氣井產量一旦遞減到壓裂之前還可以進行重復壓裂。在頁巖氣開發中，由于頁巖比較致密，頁巖氣藏屬于超低滲氣藏，必須采用先進的壓裂技術才能增產。因此，壓裂技術在挖掘油氣井生產潛力，保持油氣田穩產和增產方面起到了十分重要的作用。
[0003]壓裂液是壓裂改造過程中應用到的具有一定黏度的液體，施工中壓裂液作為一種載體輸送支撐劑進入管道，穿過炮眼，深入裂縫，防止壓后裂縫通道的閉合，擴展裂縫寬度以及產生并支撐長裂縫，形成高導流能力通道，同時，在地層中壓裂液會從高粘度回復到低粘度最終在開井后實現返排。另外地層壓裂過程中壓裂液的配伍性的好壞，會對整個壓裂施工成功與否起到關鍵性的作用。
[0004]雖然經過半個多世紀的發展，壓裂液已由單一的純植物膠體系發展到現在的包括泡沫壓裂液、干法壓裂液、清潔壓裂液等多體系的現狀，但對于其性能的檢測仍然存在若干需要解決的問題，表現在:
[0005]I)目前還沒有模擬施工條件下的壓裂液流變特性、換熱特性以及模擬施工工程的壓裂液的攜砂性能的綜合型實驗系統。
[0006]2)壓裂液體系的發展日新月異，陸續開發出來包括清潔壓裂液、干法壓裂液、干法泡沫壓裂液等多種特定地質條件下的壓裂液體系，目前還沒有適用于對現有所有體系壓裂液進行性能檢測的一套實驗系統。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是提供一種可實現模擬工程施工工況條件下的壓裂液的流變特性、摩阻特性，以及模擬施工過程中攜砂壓裂液的支撐劑運移沉降特性的壓裂液性能實驗系統。
[0008]為了達到上述目的，本發明是采取如下技術方案予以實現的。[0009]一種用于油氣藏地質改造的壓裂液性能實驗系統，其特征在于，包括支撐劑供料單元、CO2泵注單元、常規壓裂液基液泵注單元、N2泵注單元和起泡劑泵注單元，所述CO2泵注單元連接一個管匯三通的進口 ；所述常規壓裂液基液泵注單元和起泡劑泵注單元均連接該管匯三通的另一個進口 ；所述N2泵注單元連接一個雙向閥，該雙向閥跨接在所述管匯三通的兩個進口上；所述管匯三通的出口連接壓裂液發泡及加熱單元；所述支撐劑供料單元與攜砂性能測試單元相連；所述壓裂液發泡及加熱單元的出口被一個三通分為兩路，一路連通流變測試單元的多管徑水平流變測試段進口 ；另一路連通攜砂性能測試單元；所述多管徑水平流變測試段的出口與換熱測試單元中的垂直換熱測試套管的管側進口相連。
[0010]上述方案中，所述的CO2泵注單元包括多個CO2氣瓶，通過匯集管依次與截止閥、減壓閥以及流量計串聯后再與鹽水池中的液化盤管連接，液化盤管出口通過增壓泵與管匯三通的一個進口相連，鹽水池中的冷卻鹽水由制冷機降溫。
[0011]所述壓裂液發泡及加熱單元包括連接管匯三通出口的泡沫發生器，泡沫發生器出口通過一段流體加熱管路被所述三通分為兩路，該段流體加熱管路上設有電極，該電極通過調壓器連接電流變壓器，電極在電流作用下發熱實現對流經該段流體加熱管路中的壓裂液進行電加熱。
[0012]所述換熱測試單元的垂直換熱測試套管，其殼側通過冷卻循環泵、緩沖容器與CO2泵注單元鹽水池中的冷卻鹽水形成循環回路，冷卻垂直換熱測試套管管側出口通過背壓閥連接氣液分離器。
[0013]所述支撐劑供料單元包括砂罐，砂罐底端出口與螺旋輸送機相連，螺旋輸送機出口與攜砂性能測試單元中的水平可視觀測管路的進口相連，其中，砂罐為立式圓筒形罐體，砂罐底部采用錐形結構，頂部為法蘭密封蓋，頂部接有平衡N2接口。罐體頂部加砂口處裝有不同孔隙的篩網。
[0014]所述攜砂性能測試單元包括水平可視觀測管路、與其相連的垂直可視測觀測管路以及矩形可視裂縫，其中，水平可視觀測管路入口連接支撐劑供料單元的螺旋輸送機的出口 ；并通過三通與壓裂液發泡及加熱單元的流體加熱管路出口連接。
[0015]所述水平可視觀測管路入口連接螺旋輸送機出口之間的管路采用漸縮管。所述可視化裂縫入口處設有分流器。
[0016]與現有技術相比，本發明的優點是:
[0017]1、本發明系統中的CO2泵注單元、N2泵注單元以及常規基液泵注單元在管匯處設置有雙向閥，可以實現兩相或三相的任意混合，最終形成多體系的壓裂液。可以實現對多種體系的壓裂液進行性能檢測評價，
[0018]2、對于CO2泵注單元、N2泵注單元、常規基液泵注單元以及支撐劑供料單元，都分別設有流量計及單獨的流量控制方式，可以實現不同物料間的任意配比。
[0019]3、本發明系統中的CO2泵注單元、N2泵注單元、常規基液泵注單元管匯處設置有泡沫發生器，可以實現不同物料間的快速、充分混溶。系統流體加熱采用二級電加熱方式，一級加熱實現對流體溫度的快速提升，二級加熱實現對流體溫度的微調，最終實現對流體溫度快速、準確的控制。
[0020]4、本發明系統經配制加熱后的高溫高壓壓裂液可通過串聯的方式先后進入系統多管徑并聯的水平流變測試段以及垂直換熱測試段完成流變、摩阻及換熱性能的綜合測試 及評價。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]下面結合附圖及【具體實施方式】對本發明做進一步的詳細說明。
[0022]圖1是本發明壓裂液性能實驗系統的整體結構示意圖。
[0023]圖中:1.溶液池；2.攪拌泵；3.柱塞泵；4.起泡劑罐；5.加藥泵；6.止回閥；7.N2瓶；8.截止閥；9.減壓閥；10.流量計；11.空氣壓縮機；12.緩沖罐；13.氣體增壓泵；14.C02氣瓶；15.CO2匯集管；16.N2匯集管；17.鹽水池；18.制冷機；19.增壓泵；20.雙向閥；21.管匯三通；22.泡沫發生器；23.電流變壓器；24.調壓器；25.紫銅電極；26.水平流變測試段；27.垂直換熱測試套管；28.冷卻循環泵；29.液化盤管；30.緩沖容器；31.背壓閥；32.氣液分離器33.廢液罐34.砂罐35.螺旋輸送機36.水平可視觀測管路；37.垂直可視觀測管路；38.矩形可視裂縫。
【具體實施方式】
[0024]參照圖1，一種用于油氣藏地質改造的壓裂液性能實驗系統，有以下九個單元構成:
[0025](I) CO2泵注單元
[0026]多個CO2氣瓶14并聯在CO2匯集管15上，該匯集管依次與截止閥8a，減壓閥9a以及流量計1a串聯連接后再與鹽水池17中的液化盤管29連接，其中鹽水池17中的鹽水通過制冷機18降溫。經鹽水池17換熱充分液化后的液態CO2進入增壓泵19，增壓泵19出口通過一個管匯三通21連接到壓裂液發泡及加熱單元中的泡沫發生器22的進口 ；鹽水池17中的冷卻鹽水與換熱測試單元中的垂直換熱測試套管27的殼側循環連接。
[0027]該單元中鹽水池17可為水浴式的制冷裝置，以CaCl2鹽水作為換熱介質，其冷源為制冷機18，既可以實現對管流CO2的液化處理，也可以用于對換熱管路中測試流體的降溫處理。
[0028](2)常規壓裂液基液泵注單元
[0029]包括溶液池1、攪拌泵2、柱塞泵3等。溶液池I底部出口管(設置有過濾網)與攪拌泵2連接，并形成循環回路，實現壓裂液基液的配制及攪拌剪切處理，攪拌泵出口連接柱塞泵3，經柱塞泵流出的壓裂液通過一個管匯三通21進入壓裂液發泡及加熱單元中的泡沫發生器22中。
[0030](3) N2泵注單元
[0031]多個N2氣瓶7a并聯在N2匯集管16上，該匯集管依次與截止閥Sb，減壓閥9b以及流量計1b串聯連接后，再與氣體增壓泵13的進口相連，實現對N2的增壓及泵注，空氣壓縮機11以及緩沖罐12用于對氣體增壓泵13提供動力。氣體增壓泵13的出口連接一個并聯在管匯三通21兩進口端的雙向閥。
[0032](4)起泡劑泵注單元
[0033]包括起泡劑罐4、連接起泡劑罐的加藥泵5，加藥泵通過止回閥6形成成起泡劑泵注通路，止回閥6通過管匯三通21連接壓裂液發泡及加熱單元中的泡沫發生器22的進口，從而向測試流體中泵入起泡劑。[0034](5)支撐劑供料單元
[0035]包括N2氣瓶7b、砂罐34、螺旋輸送機35。N2氣瓶經減壓閥后與砂罐頂部連接，為砂罐提供系統平衡壓力；砂罐底端出口與螺旋輸送機相連，螺旋輸送機出口與攜砂性能測試單元中的水平可視觀測管路36的進口相連，實現對支撐劑的供料。其中，砂罐為立式圓筒形罐體，砂罐底部采用錐形處理，頂部為法蘭密封蓋，頂部接有平衡N2接口，實驗時用于平衡砂罐內部與管流系統之間的壓差，同時罐體頂部加砂口處可安裝不同孔隙的篩網以篩選控制攜砂實驗中的支撐劑顆粒粒徑。
[0036](6)壓裂液發泡及加熱單元
[0037]包括連接管匯三通21的泡沫發生器22，泡沫發生器出口通過一段流體加熱管路，被一個三通分為兩路，一路連通流變測試單元中的流變測試管段26 ;另一路連通攜砂性能測試單元中的水平可視觀測管路36的入口。該段流體加熱管路上設有紫銅電極25，紫銅電極通過調壓器24連接電流變壓器23，紫銅電極在電流作用下發熱實現對流體加熱管路中的壓裂液進行電加熱。
[0038](7)流變測試單元
[0039]包括差壓變送器EJA及與其并聯的三管徑(4mm、6mm及8mm)水平流變測試段26。該單元中流變測試管段26出口與換熱測試單元中的垂直換熱測試套管27管側進口相連；流變測試管段26的進口通過三通與壓裂液發泡及加熱單元流體加熱管路的出口連接。采用三管徑水平流變測試段可大大提高系統的參數測試范圍，測試參數壓力最高可達50MPa，剪切速率最高可 達17700^，溫度最高可達200°C，可以實現模擬現場施工參數下的體系性能評價。
[0040](8)換熱測試單元
[0041]包括垂直換熱測試套管27、冷卻循環泵28、緩沖容器30，垂直換熱測試套管的殼側通過冷卻循環泵、緩沖容器與CO2泵注單元鹽水池中的冷卻鹽水形成循環回路，實現換熱套管內壓裂液熱流體與鹽水池內冷流體的熱交換。垂直換熱測試套管27管側出口通過背壓閥31連接氣液分離器32。垂直換熱測試套管27采用的是逆流式垂直換熱套管，采用復壁式換熱方式，利用冷卻鹽水在環管中的逆流換熱實現對壓裂液的降溫冷卻。
[0042](9)攜砂性能測試單元
[0043]包括水平可視觀測管路36、垂直可視測觀測管路37以及矩形可視裂縫38。其中，水平可視觀測管路36入口連接螺旋輸送機35出口 ；并通過三通與壓裂液發泡及加熱單元流體加熱管路出口連接。
[0044]支撐劑通過螺旋輸送機送入管路并與實驗流體混合形成攜砂液，水平可視觀測管路36入口連接螺旋輸送機35出口之間的管路采用漸縮管處理保證支撐劑快速均勻進入流體并防止流體的回灌，支撐劑沉降可視化裂縫入口處設有分流器39，使得管流出來的攜砂液以均勻面分布的形式進入裂縫，同時分流器采用90。切線倒角處理方式，保證垂直入流的攜砂液平緩的變為水平切線流向。
[0045]本發明圖1系統的工作原理如下:
[0046]I)溶液池I底部出口管與攪拌泵2連接，形成循環回路，實驗前實現對溶液池中壓裂液的充分剪切及攪拌，之后打開截止閥，壓裂液流體通過攪拌泵提供的水力壓頭被泵至柱塞泵3，實現對常規水基壓裂液的增壓處理，之后被泵至管匯三通21。起泡劑罐4的底部與加藥泵5連接，之后起泡劑經止回閥6后被泵至管匯三通21。
[0047]多個CO2氣瓶14并聯在CO2匯集管15上，匯集管依次與截止閥8a，減壓閥9a以及流量計1a串聯連接后進入鹽水池17中的液化盤管25，鹽水池17中的鹽水通過制冷機18降溫。經鹽水池17換熱液化后的液態CO2溫度約為_8°C，壓力為4MPa，之后連通進入CO2增壓泵19泵至管匯三通21。
[0048]N2氣瓶7a并聯在N2匯集管16上，匯集管依次與截止閥Sb，減壓閥9b以及流量計1b串聯連接后進入氣體增壓泵13進行增壓處理，之后經過雙向閥20后進入管匯三通21，其中氣體增壓泵13的動力由空氣壓縮機11增壓并經過緩沖罐12后的壓縮空氣提供。
[0049]砂罐34底部與螺旋輸送機35連接，由螺旋輸送機35按照設計砂比輸送支撐劑與三通流入的壓裂液混合進入水平可視觀測管路36，N2氣瓶7b經減壓閥達到系統壓力后直接與砂罐34頂部連接。
[0050]2)于管匯三通21匯合的壓裂液經由泡沫發生器22后進入系統流體加熱管路段，紫銅電極25以鑲嵌的形式外包在管路壁面。
[0051]3)水平流變測試段26與換熱測試套管27串聯連接，之后液體經由背壓閥31進入氣液分離器32實現廢液分離之后進入廢液罐33。
[0052]4)水平可視觀測管路36與垂直可視觀測管路37串聯連接，之后攜砂壓裂液經分流器進入矩形可視裂縫38，進行攜砂實驗。
【權利要求】
1.一種用于油氣藏地質改造的壓裂液性能實驗系統，其特征在于，包括支撐劑供料單元、CO2泵注單元、常規壓裂液基液泵注單元、N2泵注單元和起泡劑泵注單元，所述CO2泵注單元連接一個管匯三通的進口 ；所述常規壓裂液基液泵注單元和起泡劑泵注單元均連接該管匯三通的另一個進口 ；所述N2泵注單元連接一個雙向閥，該雙向閥跨接在所述管匯三通的兩個進口上；所述管匯三通的出口連接壓裂液發泡及加熱單元；所述支撐劑供料單元與攜砂性能測試單元相連；所述壓裂液發泡及加熱單元的出口被一個三通分為兩路，一路連通流變測試單元的多管徑水平流變測試段進口 ；另一路連通攜砂性能測試單元；所述多管徑水平流變測試段的出口與換熱測試單元中的垂直換熱測試套管的管側進口相連。
2.如權利要求1所述的用于油氣藏地質改造的壓裂液性能實驗系統，其特征在于，所述的CO2泵注單元包括多個CO2氣瓶，通過匯集管依次與截止閥、減壓閥以及流量計串聯后再與鹽水池中的液化盤管連接，液化盤管出口通過增壓泵與管匯三通的一個進口相連，鹽水池中的冷卻鹽水由制冷機降溫。
3.如權利要求1所述的用于油氣藏地質改造的壓裂液性能實驗系統，其特征在于，所述壓裂液發泡及加熱單元包括連接管匯三通出口的泡沫發生器，泡沫發生器出口通過一段流體加熱管路被所述三通分為兩路，該段流體加熱管路上設有電極，該電極通過調壓器連接電流變壓器，電極在電流作用下發熱實現對流經該段流體加熱管路中的壓裂液進行電加熱。
4.如權利要求1所述的用于油氣藏地質改造的壓裂液性能實驗系統，其特征在于，所述換熱測試單元的垂直換熱測試套管，其殼側通過冷卻循環泵、緩沖容器與CO2泵注單元鹽水池中的冷卻鹽水形成循環回路，冷卻垂直換熱測試套管管側出口通過背壓閥連接氣液分離器。
5.如權利要求1所述的用于油氣藏地質改造的壓裂液性能實驗系統，其特征在于，所述支撐劑供料單元包括砂罐，砂罐底端出口與螺旋輸送機相連，螺旋輸送機出口與攜砂性能測試單元相連，其中，砂罐為立式圓筒形罐體，砂罐底部采用錐形結構，頂部為法蘭密封蓋，頂部接有平衡N2接口。
6.如權利要求5所述的用于油氣藏地質改造的壓裂液性能實驗系統，其特征在于，所述罐體頂部加砂口處裝有不同孔隙的篩網。
7.如權利要求5所述的用于油氣藏地質改造的壓裂液性能實驗系統，其特征在于，所述攜砂性能測試單元包括水平可視觀測管路、與其相連的垂直可視測觀測管路以及矩形可視裂縫，其中，水平可視觀測管路入口連接螺旋輸送機的出口 ；并通過三通與壓裂液發泡及加熱單元的流體加熱管路出口連接。
8.如權利要求7所述的用于油氣藏地質改造的壓裂液性能實驗系統，其特征在于，所述水平可視觀測管路入口連接螺旋輸送機出口之間的管路采用漸縮管。
9.如權利要求7所述的用于油氣藏地質改造的壓裂液性能實驗系統，其特征在于，所述可視化裂縫入口處設有分流器。
【文檔編號】G01N11/04GK104034630SQ201410271115
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月17日 優先權日:2014年6月17日
【發明者】王樹眾, 景澤鋒, 孫曉, 呂明明, 羅向榮, 翟鎮德, 張宇鵬 申請人:西安交通大學