测试水力压裂液中固体支撑剂支撑效果的装置及其方法

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测试水力压裂液中固体支撑剂支撑效果的装置及其方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及岩石力学、材料工程、资源开发新技术领域，特别是一种测试水力压裂液中固体支撑剂支撑效果的装置及其方法，主要用于页岩气开采水力压裂液效果测试。\n背景技术\n[0002] 水平井分段多级水力压裂技术是页岩气开采核心技术之一。对页岩气藏进行水力压裂是将水基压裂液以高于地层破裂压力的泵压，通过水平井并采用多级压裂、重复压裂等工艺按序列注入页岩层。水基压裂液是在清水中加入少量的减阻剂、稳定剂、表面活性剂等添加剂，添加支撑剂后的水基压裂液效果明显好于不加支撑剂时的效果，支撑剂能够让裂缝在压裂液返回后仍保持开启状态，从而获取更高效率的页岩气开采，水基压裂液成本低，地层伤害小，是目前页岩气开发最主要的压裂技术。\n[0003] 水基压裂液中所含固体支撑剂的主要成分为二氧化硅(如陶粒、石英砂等)，对于固体支撑剂的优选类型，人们通常选取高质量沙子的砂岩矿山作为取材源地。相关研究成果中，丁自伟(2010)对美国爱荷华州的Pattison砂岩矿开采的砂岩(称为St.Peter砂岩)进行研究，认为其颗粒大小和形状均匀，可作为固体支撑剂的重要来源。通过从力学角度分析，St.Peter砂岩具有非常独特的力学性质:极低的内聚力(几乎为零)、极大的内摩擦角(最高可达69°,平均为57°～63°)、极低的孔隙率、极高的碎胀性；敬季昀(2014)对水平井压后排液与支撑剂回流控制研究中，通过API支撑剂导流能力测试实验仪，对不同固体支撑剂的导流能力和出砂情况进行测试，这些研究集中在对固体支撑剂岩石力学性质的测试。而具备特殊力学性质的砂岩是否能够对水力压裂闭合后的页岩层裂缝起到支撑和导通的作用，还需要生产实践的进一步检验。\n[0004] 现有技术的缺点如下：\n[0005] 1.可靠性差，支撑破碎率(η)的计算方法脱离了原始地层环境，为纯粹的压力性实验。如中国专利申请号201210496497.1公开的一种树脂覆膜支撑剂的抗破碎能力测试方法所提出方法即是通过筛网筛分施压后支撑剂质量(m2)与原有质量(m3)比值，计算支撑剂破碎率(η)，这种方法可靠性差，而实际水力压裂作业中固体支撑剂是否能够满足强度要求，这仍需实践检验；\n[0006] 2.精确度低，测试结果误差大，通过对实验装置内部支撑剂充填层注入压裂液，测试和记录闭合应力下相应的支撑剂充填层厚度和支撑剂回流临界流量，评估支撑剂的支撑效果。\n发明内容\n[0007] 本发明的目的是要解决现有技术问题的不足而提供一种测试水力压裂液中固体支撑剂支撑效果的装置及其方法。\n[0008] 为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：\n[0009] 一种测试水力压裂液中固体支撑剂支撑效果的装置，包括可加载力学装置、试样槽座和X射线检测机，所述试样槽座中设有岩芯，岩芯钻有中心小孔，中心小孔内插入毛细铜管，所述毛细铜管的端部连接高压注水泵和水槽，水槽中盛有混合固体支撑剂的水基压裂液，所述可加载力学装置包括顶盘、底盘和连杆组成的支架、轮辐压力传感器、数显表、计算机、千斤顶、载盘、应力均布砣、油压泵和流量计，载盘设置在连杆上且可沿着连杆上下移动，轮辐压力传感器设置于顶盘下端面，轮辐压力传感器连接数显表和计算机，试样槽座设置于轮辐传感器与载盘之间，应力均布砣设置在载盘下端面，千斤顶的底部固定在底盘上，千斤顶的顶端与应力均布砣连接，所述千斤顶连接有油压泵，油压泵与千斤顶之间设有流量计；所述X射线检测机由金属靶、X射线管、X射线剂量仪A、X射线剂量仪B、接收器、超高压变压器、控制器和计算机组成，X射线剂量仪A与X射线剂量仪B相对设置且分别测试X射线对岩芯的入射剂量和出射剂量，试样槽座设置于X射线剂量仪A与X射线剂量仪B之间，X射线剂量仪A设置于X射线管前端，X射线管末端连接金属靶，金属靶连接超高压变压器，超高压变压器依次连接控制器和计算机，接收器设置于X射线剂量仪B的背面且与X射线管通过电缆连接。\n[0010] 作为本发明的优选方案，所述试样槽座由试样上槽座和试样下槽座组成，试样上槽座下端设有凹槽，试样下槽座上端插入凹槽内，所述试样上槽座的凹槽边缘设有橡胶垫片，所述岩芯设置在试样上槽座和试样下槽座之间的凹槽内。\n[0011] 作为本发明的优选方案，所述千斤顶上还设有调速开关。\n[0012] 作为本发明的优选方案，所述试样槽座由钢化玻璃材料制成。\n[0013] 作为本发明的优选方案，所述岩芯的中心小孔的直径为5mm，深度为170mm。\n[0014] 用上述装置测试水力压裂液中固体支撑剂支撑效果的方法，包括以下步骤：\n[0015] 1)从岩芯库选取直径Φ＝100mm，高度H＝200mm岩芯作为测试材料；\n[0016] 2)对岩芯钻施Φ为5mm深度H为170mm的中心小孔；\n[0017] 3)将岩芯置于试样槽座并通过毛细铜管连接高压注水泵；\n[0018] 4)将固体支撑剂用造影液浸泡过后混入水槽中的水基压裂液内；\n[0019] 5)启动压力试验机加载至固定压力，启动油压泵调节油压流速来控制千斤顶对试样槽座内岩芯的加载；\n[0020] 6)启动X射线检测机观测支撑剂在岩芯裂缝中流动状态；\n[0021] 7)测试和记录注入固定量压裂液的岩芯对X-射线剂量吸收量；\n[0022] 8)启动油压泵控制千斤顶对试样槽座内的岩芯进行挤压从而控制压裂液回流并记录回流量；\n[0023] 9)启动X射线检测机观测裂隙闭合压裂液回流过程中固体支撑剂在岩芯裂缝中的状态；\n[0024] 10)测试和记录压裂液回流后的岩芯对X-射线剂量吸收量。\n[0025] 与现有技术相比，本发明针对页岩气开采水力压裂技术中使用的水基压裂液固体支撑剂效果测试问题，首次采用X-射线扫描、医学造影、水力压裂及力学测试综合技术手段，尤其以医学造影技术对固体支撑剂的造影为创新，通过跟踪和观测固体支撑剂在页岩岩芯裂缝中的流动状态和测试压裂液回流后的岩芯对X-射线吸收量，评估固体支撑剂支撑效果，这种方法是首次提出，科学可靠，获得的实验数据精准，现有的其它技术无可替代。\n附图说明\n[0026] 图1是本发明的结构示意图；\n[0027] 图2是本发明的可加载力学装置的结构示意图；\n[0028] 图3是试样槽座的剖视图；\n[0029] 图4是本发明的流程图。\n具体实施方式\n[0030] 下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。\n[0031] 如图1、图2所示的一种测试水力压裂液中固体支撑剂支撑效果的装置，包括可加载力学装置、试样槽座和X射线检测机，所述试样槽座中设有岩芯10，岩芯10钻有中心小孔\n11，中心小孔11内插入毛细铜管12，毛细铜管12的端部连接高压注水泵13和水槽28，水槽28中盛有混合固体支撑剂的水基压裂液，可加载力学装置包括顶盘22、底盘23和连杆24组成的支架、轮辐压力传感器14、数显表15、计算机8、千斤顶18、载盘25、应力均布砣17、油压泵\n21和流量计20，载盘25设置在连杆24上且可沿着连杆24上下移动，轮辐压力传感器14设置于顶盘22下端面，轮辐压力传感器14连接数显表15和计算机8，试样槽座设置于轮辐传感器\n14与载盘25之间，应力均布砣17设置在载盘25下端面，千斤顶18的底部固定在底盘23上，千斤顶18的顶端与应力均布砣17连接，所述千斤顶18连接有油压泵21，油压泵21与千斤顶18之间设有流量计20；X射线检测机由金属靶1、X射线管2、X射线剂量仪A3、X射线剂量仪B4、接收器5、超高压变压器6、控制器7和计算机8组成，X射线剂量仪A3与X射线剂量仪B4相对设置且分别测试X射线对岩芯10的入射剂量和出射剂量，试样槽座设置于X射线剂量仪A3与X射线剂量仪B4之间，X射线剂量仪A3设置于X射线管2前端，X射线管2末端连接金属靶1，金属靶\n1连接超高压变压器6，超高压变压器6依次连接控制器7和计算机8，接收器5设置于X射线剂量仪B4的背面且与X射线管2通过电缆连接。\n[0032] 具体的，如图3所示，试样槽座由试样上槽座16和试样下槽座9组成，试样上槽座16下端设有凹槽27，试样下槽座9上端插入凹槽27内，试样上槽座16的凹槽27边缘设有橡胶垫片26，岩芯10设置在试样上槽座16和试样下槽座9之间的凹槽27内。\n[0033] 进一步的，为了能够控制千斤顶18的调节速度，千斤顶18上还设有调速开关19。\n[0034] 作为一种优选的实施方式，试样槽座由钢化玻璃材料制成，选用钢化玻璃作为加工试样槽座的原材料，这避免了因以往设计选用钢材等金属材料对X-射线吸收量太高而影响影像效果。\n[0035] 作为一种优选的实施方式，为了使测试效果更佳准确，岩芯10的中心小孔的直径为5mm，深度为170mm。\n[0036] 如图4所示，用上述装置测试水力压裂液中固体支撑剂支撑效果的方法，包括以下步骤：\n[0037] 1)从岩芯库选取直径Φ＝100mm，高度H＝200mm岩芯作为测试材料；\n[0038] 2)对岩芯钻施Φ为5mm深度H为170mm的中心小孔；\n[0039] 3)将岩芯置于试样槽座并通过毛细铜管连接高压注水泵；\n[0040] 4)将固体支撑剂用造影液浸泡过后混入水槽中的水基压裂液内；\n[0041] 5)启动压力试验机加载至固定压力，启动油压泵调节油压流速来控制千斤顶对试样槽座内岩芯的加载；\n[0042] 6)启动X射线检测机观测支撑剂在岩芯裂缝中流动状态；\n[0043] 7)测试和记录注入固定量压裂液的岩芯对X-射线剂量吸收量；\n[0044] 8)启动油压泵控制千斤顶对试样槽座内的岩芯进行挤压从而控制压裂液回流并记录回流量；\n[0045] 9)启动X射线检测机观测裂隙闭合压裂液回流过程中固体支撑剂在岩芯裂缝中的状态；\n[0046] 10)测试和记录压裂液回流后的岩芯对X-射线剂量吸收量。\n[0047] 本发明通过借助X-射线扫描、医学造影、水力压裂及力学测试综合技术手段，通过设计页岩层岩芯水力压裂实验，主要解决了以下三方面问题：\n[0048] 1.获得了岩芯内部水力压裂裂纹扩展和固体支撑剂形态分布影像；\n[0049] 固体支撑剂如陶粒，砂粒具有高孔隙度特性，因此可吸收液体造影剂泛影葡胺，浸泡过造影液后的固体支撑剂在X-射线扫描影像下呈高清亮子点。因此对页岩层岩芯进行水力压裂，注入浸泡造影剂后的支撑剂压裂液，通过X-射线扫描技术可获得岩芯内部水力压裂裂纹扩展和固体支撑剂形态分布影像；\n[0050] 2.实现了准确模拟原始应力场条件下的支撑剂抗破碎能力测试；\n[0051] 计算页岩层原始应力场大小，对页岩层岩芯进行围压加载，通过轮辐压力传感器和液压千斤顶控制加载力，在岩芯内部裂缝闭合与压裂液回流后，通过X-射线扫描获取压裂液回流后的岩芯内部亮子点影像，通过计算亮子点影像面积，可评价固体支撑剂抗破碎能力。\n[0052] 3.获得了固体支撑剂支撑锁砂效果的医学影像指标量。\n[0053] 水力压裂压裂液固体支撑剂支撑效果通常依靠压裂液回流量，出砂量等指标来评价。浸泡过造影液(泛影葡胺)的固体支撑剂对X-射线吸收率较高，本专列通过计算压裂液回流前后岩芯对X-射线的吸收量(ΔGray)，评估支撑剂锁砂效果。\n[0054] 本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。