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专利名称：用于分析裂缝内支撑剂运移规律的实验装置及方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202411078271.9

专利申请（专利权）人：东北石油大学三亚海洋油气研究院
权利人地址：海南省三亚市崖州区崖州湾开云优惠体育网页版入口城创新路8号中兴产业园A栋3层区

专利发明（设计）人：白玉杰,王扬,李天晴,曹广胜,曲国辉,柏明星,葛甜甜,伊苇艺

专利摘要：本发明公开了一种用于分析裂缝内支撑剂运移规律的实验装置及方法，涉及油气田开采技术领域，实验装置包括岩心夹持器、压紧部件、驱替设备和出砂计量组件，岩心夹持器内部能够容纳岩心，压紧部件能够压紧岩心夹持器内的岩心；岩心夹持器的上下两侧设置传感器，压紧部件对岩心夹持器施压；驱替设备及出砂计量组件分别与岩心夹持器的进出口相连。实验方法是在岩心夹持器内放置岩心并铺设支撑剂；通过压紧部件向岩心夹持器施加压力，采用传感器实时监测实验过程中岩心内裂缝宽度的变化；通过驱替设备向岩心夹持器内岩心注入驱替液体，出砂计量组件记录驱替过程中驱替压力的变化。采用本发明能够研究支撑剂在岩心裂缝中导流能力变化的影响因素。

主权利要求：
1.一种用于分析裂缝内支撑剂运移规律的实验装置，其特征在于：所述实验装置包括岩心夹持器、压紧部件、驱替设备和出砂计量组件，所述岩心夹持器为能够容纳岩心的分体式中空箱体，所述压紧部件与岩心夹持器相连，用于压紧岩心夹持器内的岩心，且岩心的裂缝中铺设支撑剂；所述岩心夹持器的上下两侧分别设有与计算机相连的传感器，所述压紧部件对岩心夹持器施压时通过传感器监测岩心内的裂缝宽度并将数据输送至计算机；所述驱替设备与岩心夹持器的进口相连；所述出砂计量组件与岩心夹持器的出口相连；
所述压紧部件包括液压机、压盖、上盖和底板，所述上盖与压盖抵接、且设置于压盖的上方，所述压盖和底板分别设置于岩心夹持器的上下两端，所述底板的四角部位设有四根直立的导向柱，所述上盖的四角部位对应设有与导向柱配合的导向孔，所述岩心夹持器及压盖均设置于四根导向柱的内侧；所述液压机与上盖相连，用于对上盖施加压力；所述上盖和底板的端部侧面相对设有传感器；
所述岩心夹持器包括夹持器下部、夹持器中部和夹持器上部，所述夹持器下部设置于底板上的限位槽内，所述夹持器中部的中间位置设有用于容纳岩心胶套的镂空区，所述岩心胶套设置于岩心夹持器的内部、且岩心胶套内腔能够容纳岩心；所述夹持器中部的两侧对应设有与岩心胶套进出口贯通的进口和出口，所述进口和出口分别与岩心胶套两侧的进出口相对应；所述夹持器上部的底面上设有与岩心胶套相匹配的定位槽；所述夹持器下部、夹持器中部和夹持器上部的边缘对应设有与连接螺栓相匹配的螺纹孔；
所述岩心胶套为分体式结构，自上至下包括上板和下板，所述上板的中部顶部设有凸出的定位台、底部设有凸出的岩心放置槽，所述上板的四周边缘设置于夹持器中部和夹持器上部之间；所述下板的上表面设有凸出的岩心放置槽，所述下板的四周边缘设置于夹持器中部和夹持器下部之间；所述上板与下板上的岩心放置槽上下相对能够围拢为中空的圆柱状腔体；
采用上述实验装置进行实验，包括以下步骤：
组装实验装置，在岩心夹持器内放置岩心，并在岩心的裂缝中铺设支撑剂；
通过压紧部件向岩心夹持器施加压力，同时采用传感器实时监测实验过程中岩心内裂缝宽度的变化；
通过驱替设备以不同流速向岩心夹持器内的岩心注入驱替液体，利用驱替设备中的压力表记录驱替过程中驱替压力的变化；
驱出岩心夹持器内的支撑剂并储存在出砂计量组件的储砂仓内，并通过出砂计量组件的液体收集筒收集驱出的驱替液体；
裂缝导流能力随时间的动态变化由以下公式1表示：
；
式中：y为导流能力，um·cm；
x为时间，min；
裂缝出砂量随时间的动态变化由以下公式2表示：
；
式中：y为出砂量，um·cm；
x为时间，min。
2.根据权利要求1所述的一种用于分析裂缝内支撑剂运移规律的实验装置，其特征在于，所述传感器为距离传感器，通过上下两个距离传感器来检测上盖与底板之间的距离变化。
3.根据权利要求1所述的一种用于分析裂缝内支撑剂运移规律的实验装置，其特征在于，所述出砂计量组件包括储砂仓和液体收集筒，所述液体收集筒通过输出管路与岩心夹持器的出口相连，所述储砂仓设置于岩心胶套的出口端，所述储砂仓内嵌于岩心夹持器出口底部；所述下板的一端设有用于容纳储砂仓的豁口，所述底板上设有与储砂仓相匹配的安装槽，所述储砂仓设置于岩心胶套的出口端外侧下方。
4.根据权利要求1所述的一种用于分析裂缝内支撑剂运移规律的实验装置，其特征在于，所述驱替设备包括恒压恒速驱替泵和与岩心夹持器相连的输送管路，所述输送管路上设有压力表，所述输送管路的进口端与恒压恒速驱替泵相连、出口端与岩心夹持器的进口相连。 说明书 : 用于分析裂缝内支撑剂运移规律的实验装置及方法技术领域[0001] 本发明涉及油气田开采技术领域，特别涉及一种用于分析裂缝内支撑剂运移规律的实验装置及方法。背景技术[0002] 水力压裂技术是油气田开发的必要手段之一，尤其在页岩、煤层、致密砂岩等非常规储层。支撑剂在裂缝中沉积形成的砂堤的形态决定了裂缝的有效形状、有效体积、导流能力以及裂缝的有效期，开展支撑剂在裂缝中运移规律的研究工作对优化压裂施工参数和提高压裂增产效果具有重要的指导意义。[0003] 在实际开发过程中,在有效闭合压力的作用下,支撑剂会发生嵌入、变形、破碎、岩化等动态变化,导致裂缝导流能力衰减。目前对支撑剂动态变化引起的导流能力衰减机理及其对渗流场、油水井产注能力的影响与规律等方面的研究相对较少。目前大多数针对支撑剂运移的研究都是基于数值模拟方法，很少有可以实现测试裂缝动态导流能力的实验装置，但目前商业油藏数值模拟软件均未把裂缝导流能力衰减考虑在内,导致制定的开发技术政策或开发调整对策缺少针对性。因此,开展因支撑剂动态变化引起的裂缝导流能力动态变化及应用研究很有必要。同时，为了研究压裂液在地层中携带支撑剂的能力，对支撑剂在裂缝中的动态运移规律的研究便十分的重要。发明内容[0004] 为了解决以上问题，本发明提供了一种用于分析裂缝内支撑剂运移规律的实验装置及方法。[0005] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：[0006] 一种用于分析裂缝内支撑剂运移规律的实验装置，所述实验装置包括岩心夹持器、压紧部件、驱替设备和出砂计量组件，所述岩心夹持器为能够容纳岩心的分体式中空箱体，所述压紧部件与岩心夹持器相连，用于压紧岩心夹持器内的岩心，且岩心的裂缝中铺设支撑剂；所述岩心夹持器的上下两侧分别设有与计算机相连的传感器，所述压紧部件对岩心夹持器施压时通过传感器监测岩心内的裂缝宽度并将数据输送至计算机；所述驱替设备与岩心夹持器的进口相连；所述出砂计量组件与岩心夹持器的出口相连。[0007] 进一步的，所述压紧部件包括液压机、压盖、上盖和底板，所述上盖与压盖抵接、且设置于压盖的上方，所述压盖和底板分别设置于岩心夹持器的上下两端，所述底板的四角部位设有四根直立的导向柱，所述上盖的四角部位对应设有与导向柱配合的导向孔，所述岩心夹持器及压盖均设置于四根导向柱的内侧；所述液压机与上盖相连，用于对上盖施加压力；所述上盖和底板的端部侧面相对设有传感器。[0008] 进一步的，所述传感器为距离传感器，通过上下两个距离传感器来检测上盖与底板之间的距离变化。[0009] 进一步的，所述岩心夹持器包括夹持器下部、夹持器中部和夹持器上部，所述夹持器下部设置于底板上的限位槽内，所述夹持器中部的中间位置设有用于容纳岩心胶套的镂空区，所述岩心胶套设置于岩心夹持器的内部、且岩心胶套内腔能够容纳岩心；所述夹持器中部的两侧对应设有与岩心胶套进出口贯通的进口和出口，所述进口和出口分别与岩心胶套两侧的进出口相对应；所述夹持器上部的底面上设有与岩心胶套相匹配的定位槽；所述夹持器下部、夹持器中部和夹持器上部的边缘对应设有与连接螺栓相匹配的螺纹孔。[0010] 进一步的，所述岩心胶套为分体式结构，自上至下包括上板和下板，所述上板的中部顶部设有凸出的定位台、底部设有凸出的岩心放置槽，所述上板的四周边缘设置于夹持器中部和夹持器上部之间；所述下板的上表面设有凸出的岩心放置槽，所述下板的四周边缘设置于夹持器中部和夹持器下部之间；所述上板与下板上的岩心放置槽上下相对能够围拢为中空的圆柱状腔体。[0011] 进一步的，所述出砂计量组件包括储砂仓和液体收集筒，所述液体收集筒通过输出管路与岩心夹持器的出口相连，所述储砂仓设置于岩心胶套的出口端，所述储砂仓内嵌于岩心夹持器出口底部；所述下板的一端设有用于容纳储砂仓的豁口，所述底板上设有与储砂仓相匹配的安装槽，所述储砂仓设置于岩心胶套的出口端外侧下方。[0012] 进一步的，所述驱替设备包括恒压恒速驱替泵和与岩心夹持器相连的输送管路，所述输送管路上设有压力表，所述输送管路的进口端与恒压恒速驱替泵相连、出口端与岩心夹持器的进口相连。[0013] 本发明还提供一种用于分析裂缝内支撑剂运移规律的实验方法，采用上述实验装置进行实验，包括以下步骤：[0014] 组装上述实验装置，在岩心夹持器内放置岩心，并在岩心裂缝中铺设支撑剂；[0015] 通过压紧部件向岩心夹持器施加压力，同时采用传感器实时监测实验过程中岩心内裂缝宽度的变化；[0016] 通过驱替设备以不同流速向岩心夹持器内的岩心注入驱替液体，利用驱替设备中的压力表记录驱替过程中驱替压力的变化；[0017] 驱出岩心夹持器内的支撑剂并储存在出砂计量组件的储砂仓内，并通过出砂计量组件的液体收集筒收集驱出的液体。[0018] 本发明与现有技术相比，所取得的技术进步在于：[0019] 本发明通过在岩心夹持器内安装注有支撑剂的岩心，利用压紧部件对岩心夹持器施加压力，同时采用传感器实时监测实验过程中岩心内裂缝宽度的变化；通过驱替设备向岩心内注入驱替液体，采用出砂计量组件记录驱替过程中驱替压力的变化，通过整理并分析数据，可得支撑剂在岩心裂缝中导流能力变化的影响因素。采用本发明有助于研究压裂液在地层中携带支撑剂的能力，方便研究支撑剂在裂缝中的动态运移规律以及滞留情况，对压裂工艺及施工参数优化具有重要的指导意义。附图说明[0020] 附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。[0021] 在附图中：[0022] 图1为本发明实施例中所用实验装置的结构示意图；[0023] 图2为本发明实施例中岩心夹持器的结构示意图；[0024] 图3为图2中岩心夹持器的右视图；[0025] 图4为图2中底板的结构示意图；[0026] 图5为图2中上盖的俯视图；[0027] 图6为本发明实施例中夹持器上部（倒置状态）的结构示意图；[0028] 图7为本发明实施例中夹持器中部的结构示意图；[0029] 图8为本发明实施例中夹持器下部的结构示意图；[0030] 图9为本发明实施例中岩心胶套的结构示意图；[0031] 图10为图9中岩心胶套的上板和下板的侧视图；[0032] 图11为图9中下板的结构示意图；[0033] 图12为图9中上板的结构示意图；[0034] 图13为本发明实施例中压盖（倒置状态）的结构示意图；[0035] 图14为图2中岩心夹持器的主视图；[0036] 图15为本发明实施例中岩心裂缝导流能力随时间的动态变化图；[0037] 图16为本发明实施例中岩心裂缝出砂量随时间的动态变化图；[0038] 图中：[0039] 1?岩心夹持器，11?夹持器下部，12?夹持器中部，13?夹持器上部；[0040] 2?计算机，3?传感器，4?液压机，5?上盖，6?底板，7?导向柱，8?导向孔，9?压盖，10?进口；14?岩心胶套，140?岩心放置槽，141?上板，142?下板，143?定位台；15?定位槽，16?螺栓孔，17?储砂仓，18?液体收集筒，19?豁口，20?安装槽，21?恒压恒速驱替泵，22?压力表；23?限位槽，24?肋板；25?镂空区；26?出口。具体实施方式[0041] 下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本发明的实施例进行描述。[0042] 如图1所示实施例提供了一种用于分析裂缝内支撑剂运移规律的实验装置，所述实验装置包括岩心夹持器1、压紧部件、驱替设备和出砂计量组件，所述岩心夹持器1为能够容纳岩心（图中未画出）的分体式中空箱体，所述压紧部件与岩心夹持器1相连，用于压紧岩心夹持器1内的岩心，且岩心的裂缝中铺设支撑剂；所述岩心夹持器1的上下两侧分别设有与计算机2相连的传感器3，所述压紧部件对岩心夹持器1施压时通过传感器监测岩心内的裂缝宽度并将数据输送至计算机2；所述驱替设备与岩心夹持器1的进口10相连；所述出砂计量组件与岩心夹持器1的出口26相连，方便收集排出的砂和液体，得出支撑剂在裂缝中的滞留情况。通过压紧部件对岩心夹持器内岩心施加压力，采用传感器实时监测岩心内裂缝宽度的变化；通过驱替设备向岩心内注入驱替液体，整理数据可知支撑剂在裂缝中导流能力变化的影响因素。[0043] 作为一种优选结构，如图1、图2、图3和图14所示，所述压紧部件包括液压机4、压盖9、上盖5和底板6，所述上盖5与压盖9抵接、且设置于压盖9的上方，所述压盖9和底板6分别设置于岩心夹持器1的上下两端，所述底板6的四角部位设有四根直立的导向柱7，所述上盖5的四角部位对应设有与导向柱7配合的导向孔8，所述岩心夹持器1及压盖9均设置于四根导向柱7的内侧；所述液压机4与上盖5相连，用于对上盖5施加压力；所述上盖5和底板6的端部侧面相对设有传感器3。如图13所示，压盖9的底面中部设有长条状肋板24，肋板24的长度方向与岩心夹持器1内的岩心长度方向一致。通过液压机对上盖施加压力，上盖通过压盖对岩心夹持器内岩心传递压力；通过上盖5和底板6侧面的传感器能够监测实验过程中岩心内裂缝宽度的变化。[0044] 进一步优化上述技术方案，如图4、5所示，底板6及上盖5相对的侧面上分别设有对岩心夹持器1及压盖9进行限位的限位槽23。采用该结构方便对岩心夹持器进行限位，避免在加压过程中发生水平位移。[0045] 具体设计时，所述传感器3为距离传感器，通过上下两个距离传感器来检测上盖5与底板6之间的距离变化，进而反应岩心内裂缝宽度的变化。[0046] 在本发明的具体实施例中，如图3、6?8所示，所述岩心夹持器1包括夹持器下部11、夹持器中部12和夹持器上部13，所述夹持器下部11设置于底板6上的限位槽23内，所述夹持器中部12的中间位置设有用于容纳岩心胶套14的镂空区25，所述岩心胶套14设置于岩心夹持器1的内部、且岩心胶套14内腔能够容纳岩心；所述夹持器中部12的两侧对应设有与岩心胶套14进出口贯通的进口10和出口，所述进口10和出口分别与岩心胶套14两侧的进出口相对应；所述夹持器上部13的底面上设有与岩心胶套14相匹配的定位槽15；所述夹持器下部11、夹持器中部12和夹持器上部13的边缘对应设有与连接螺栓相匹配的螺栓孔16。其中，岩心胶套14采用橡胶材质，能够起到密封作用。采用分体式结构的岩心夹持器1方便装卸内装岩心的岩心胶套，操作方便快捷。[0047] 进一步优化上述方案，如图9?12所示，所述岩心胶套14为分体式结构，自上至下包括上板141和下板142，所述上板141的中部顶部设有凸出的定位台143、底部设有凸出的岩心放置槽140，所述上板141的四周边缘设置于夹持器中部12和夹持器上部13之间；所述下板142的上表面设有凸出的岩心放置槽140，所述下板142的四周边缘设置于夹持器中部12和夹持器下部11之间；所述上板141与下板142上的岩心放置槽140上下相对能够围拢为中空的圆柱状腔体。同样，岩心胶套14采用分体式结构方便铺设岩心及内部支撑剂，合：蠼柚貉够把垢嵌匝倚募谐制魇┘拥难沽，可将岩心密封在组装后的岩心胶套内。[0048] 具体设计时，如图1所示，所述出砂计量组件包括储砂仓17和液体收集筒18，所述液体收集筒18通过输出管路与岩心夹持器1的出口相连，所述储砂仓17设置于岩心胶套14的出口端，所述储砂仓17内嵌于岩心夹持器1出口底部，在排出液体过程中携带的支撑剂砂砾滞留在储砂仓17中；所述下板142的一端设有用于容纳储砂仓17的豁口19，所述底板6上设有与储砂仓17相匹配的安装槽20，所述储砂仓17设置于岩心胶套14的出口端外侧下方。其中，支撑剂为固体，在驱替液体作用下部分砂粒会排出岩心进入储砂仓17，待实验完毕取出称重，可知支撑剂的出砂量。同时，液体收集筒18上设有刻度线，方便计量排出的液体量。[0049] 在本发明的具体实施例中，如图1所示，所述驱替设备包括恒压恒速驱替泵21和与岩心夹持器1相连的输送管路，所述输送管路上设有压力表22，所述输送管路的进口端与恒压恒速驱替泵21相连、出口端与岩心夹持器1的进口相连。通过恒压恒速驱替泵21向岩心夹持器1内的岩心中注入驱替液体，可将内部支撑剂部分排出，直至有液体进入液体收集筒18。[0050] 本发明还提供一种用于分析裂缝内支撑剂运移规律的实验方法，采用上述实验装置进行实验，包括以下步骤：[0051] 组装上述实验装置，在岩心夹持器1内岩心胶套14中放置岩心，并在岩心的裂缝中铺设支撑剂；[0052] 实验开始，通过液压机4向岩心夹持器1持续施加压力，同时采用传感器3实时监测实验过程中岩心内裂缝宽度的变化；[0053] 通过设置恒压恒速驱替泵21的不同流速向岩心夹持器1内的岩心注入驱替液体，通过压力表5记录驱替过程中驱替压力的变化；[0054] 驱出岩心夹持器1内的支撑剂并储存在储砂仓17内，并通过液体收集筒18收集驱出的驱替液体。[0055] 最后，整理数据可得支撑剂在裂缝中导流能力变化的影响因素，并通过支撑剂采出情况得出支撑剂在裂缝中的滞留情况如下表所示：[0056][0057] 通过整理数据可得裂缝导流能力与出砂量随时间的动态变化，如图15、16所示。[0058] 裂缝导流能力随时间的动态变化可由以下公式1表示：[0059][0060] 式中：y为导流能力，um·cm；[0061] x为时间，min。[0062] 裂缝出砂量随时间的动态变化可由以下公式2表示：[0063][0064] 式中：y为出砂量，um·cm；[0065] x为时间，min。[0066] 综上所述，本发明具有设计合理、操作方便的优点，通过液压机向岩心夹持器及其内部岩心施加压力，采用距离传感器实时监测内部裂缝宽度变化，同时利用恒压恒速驱替泵将驱替液体注入岩心内、将支撑剂排出，并整理分析数据。采用本发明能够研究支撑剂在裂缝中的动态运移规律以及滞留情况，研究压裂液在地层中携带支撑剂的能力，对支撑剂在裂缝中的动态运移规律的研究便十分的重要，同时对压裂工艺及施工参数优化具有重要的指导意义。[0067] 最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明权利要求保护的范围之内。

专利地区：海南

专利申请日期：2024-08-07

专利公开日期：2024-11-22

专利公告号：CN118603823B