CN104007043B - 一种大型多功能压裂液实验系统 - Google Patents
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Abstract
一种大型多功能压裂液实验系统，通过药液、气体支路进入泡沫发生器混合，然后进入不同管径的三路直管，测量管径对压裂液摩阻的影响，或者进入盘管用于测量摩阻，这4组管两端都连接有压差传感器，在测量摩阻时，这4组管两端都安装有阀门，实验时，可以通过这几组阀门开关，可以选择性开启一路，多级视窗可以观测支撑剂在压裂液中的悬浮状态，之后进入药液泵进行循环可以测量摩阻，或者实验结束时进入出口分离器，本发明用于测量冻胶压裂液、清水压裂液、二氧化碳泡沫压裂液，或用于二氧化碳干法压裂液在不同温度和压力下的流变特性、摩阻特性、携砂性能研究，通过多级视窗观测支撑剂在压裂液中的悬浮状态。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气开发领域的一种实验系统，具体涉及一种大型多功能压裂液实验系统。
背景技术
现有的压裂液评价仪器设备主要有流变仪，摩阻仪等设备。其中：流变仪主要可以用于测量冻胶压裂液的流变特性，主要采用进口设备，利用转子剪切器皿中的冻胶压裂液，进行测量。摩阻仪可以用于测量冻胶压裂液，和清水压裂液的摩阻特性。可以同时测量压裂液流变性和摩阻特性的仪器基本没有。
近年来，一种新的压裂技术—二氧化碳干法压裂技术逐渐热起来，越来越多的人们开始对他进行研究。然而，测量干法压裂液这些特性的设备基本没有。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种大型多功能压裂液实验系统，不仅可以用于测量行业内最常用到的冻胶压裂液、清水压裂液、二氧化碳泡沫压裂液，而且还可以用于二氧化碳干法压裂液在不同温度和压力下的流变特性、摩阻特性、携砂性能研究，还可以通过多级视窗观测支撑剂在压裂液中的悬浮状态。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种大型多功能压裂液实验系统，包括固体推进器1，它上面为漏斗的结构，固体推进器1通过支撑剂计量装置2衔接在药罐5的进口管路上，并与之密封；药罐5的顶部通过过滤器4和药液搅拌器3连接，药罐5用来盛放配好的药液，它带有给药液加热功能，在它的侧壁设有温度计量装置6，药罐5的底部设有药液计量装置7，药罐5的输出管依次通过第一阀8、药液泵9、第一单向阀10、第二阀11、第一预热器12和泡沫发生器13的药液入口连接，起泡剂罐14通过起泡泵15、第二单向阀16与泡沫发生器13连接；
第一气瓶17、第二气瓶18分别通过第三阀19、第四阀20和净化器21的入口连接，净化器21的出口依次通过流量计22、制冷装置23、第五阀25、第六阀26、气泵29、第三单向阀32、第二预热器34和泡沫发生器13的气体入口连接；其中，气体储罐24在冷箱23的内部；此外另有稠化剂罐30通过稠化剂泵31和第三单向阀32连接；第五阀25连接在制冷装置23内部的气体储罐24的进气管上，在气体储罐24的出气管上设有第一压力计28，在气泵29、第三单向阀32之间设有安全阀33，在第二预热器34和泡沫发生器13之间设有第二压力计35；
三组直径不同的第一直管37、第二直管41、第三直管45和盘管49并联，并联后的输入端和泡沫发生器13的出口连接，输出端通过第十六阀53和多级视窗56的入口连接，并联后的输出端还通过第十七阀54与垂直换热测试端58的入口连接，多级视窗56通过第十八阀57和垂直换热测试端58连接，垂直换热测试端58外连低温浴槽59；垂直换热测试端58与第十九阀61之间连有压力传感器60；
其中：
第一直管37输入、输出端之间连接有第一差压传感器38，输入端还连接有第八阀36，输出端还连接有第九阀39；
第二直管41输入、输出端之间连接有第二差压传感器42，输入端还连接有第十阀40，输出端还连接有第十一阀43；
第三直管45输入、输出端之间连接有第三差压传感器46，输入端还连接有第十二阀44，输出端还连接有第十三阀47；
盘管49输入端还连接有第十四阀48，输出端还连接有第十五阀50，第十四阀48输入端和盘管44输出端之间连接有第四差压传感器51；
泡沫发生器13输出端和直管并联后的输入端之间连接处连接有第一压力传感器52。
所述的支撑剂计量装置2采用地泵或者其它大的天平的仪器，带通讯接口，实现与计算机联网。
所述的药灌5下端还可以设计放空阀门，方便排空和清洗，根据需要配加热装置，控制药罐中的温度。
所述的温度计量装置6采用温度传感器，将数据传入计算机。
所述的药液计量装置7采用地泵或者其它大的天平的仪器，带通讯接口，实现与计算机联网。
所述的药液泵9采用螺杆泵，带变频调节系统，可无极调节泵的流量，输送带有支撑剂的药液，但是螺杆泵很难实现高压，为了实现高压，建议一般采用柱塞泵。
所述的第一预热器12、第二预热器34采用螺旋盘管式换热方式，并采用恒温水浴加热控温。
所述的气泵29采用调频泵，最大工作压力尽量高，最好50MPa以上，从而可以模拟压裂施工时地层压力条件。
所述的出口分离器64采用封闭容器。
本发明的优点：
(1)药液设计有适时计量装置，可通过药液计量装置在线检测药液的注入量。
(2)本装置设计有加砂计量装置，可在线检测加砂量的多少，控制砂比，也可以根据实验需要选择是否添加支撑剂。
(3)药罐5设计有搅拌系统，可对各种药液及支撑剂进行搅拌，以防其沉降。
(4)本装置设计有气体注入计量装置，可以根据需要选择注入气体种类和数量，通过金属管转子计量装置计量气体注入量，并能实现在线计量。
(5)固体推进器，可控制砂子推进速度，来控制加砂量的多少。
(6)本装置设计多种管径直管及一套螺旋盘管，可进行压裂液在不同管路直径，管路形状，不同温度、压力、剪切速率下的管流摩阻测量实验，可以根据需要，通过第一直管37、第二直管41、第三直管45、盘管49两端最近的阀门开关，灵活选择使用这4根管路中的某一条。
(7)本装置设计有多级视窗56，可在线观察和测量支撑剂的携砂移动情况，以及在静压下砂子在管柱(管柱中设计有高度区间测量)中的沉降速度。
(9)本装置设计带有加热装置的药罐5、有第一预热器12、第二预热器34、垂直换热测试管，便于改变压裂液在管中的温度，研究它在不同温度下的特性。
(10)本装置可以适用于测量常规冻胶压裂液、清水压裂液、二氧化碳泡沫压裂液、二氧化碳干法压裂液等多种压裂液体系在不同温度和压力下的流变特性、摩阻特性、携砂性能研究，还可以通过多级视窗观测支撑剂在压裂液中的悬浮状态。其中：测量常规冻胶压裂液、清水压裂液有关特性时，可以将气体泵入部分支路关闭；测量二氧化碳泡沫压裂液、二氧化碳干法压裂液有关特性是才需要开启。
(11)如果仅仅测量各种压裂液有关摩阻特性，可以不添加支撑剂，也可将第十六阀53、第十八阀57关闭；只有需要观测压裂液悬沙特性的时候，才将多级视窗56所在的第十六阀53、第十八阀57开启。
附图说明
附图为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
参照附图，一种大型多功能压裂液实验系统，包括固体推进器1，固体推进器1上面为漏斗的结构可盛放支撑剂，固体推进器1用于支撑剂的推进，固体推进器1通过支撑剂计量装置2衔接在药罐5的进口管路上，并与之密封，支撑剂推进速度由支撑剂计量装置2测量并调节和采集；支撑剂计量装置2采用地泵或者其它类似大的天平的仪器均可，带通讯接口，实现与计算机联网；药罐5的顶部通过过滤器4和药液搅拌器3连接，药液搅拌器3可以搅拌药业中的支撑剂防止沉淀，过滤器4可以过滤药液中大的杂质；药罐5用来盛放配好的药液，5下端还设计有放空阀门，方便排空和清洗，可以根据需要配加热装置，控制药罐中的温度；药罐5的侧壁设有温度计量装置6，可以计量药罐5中的药液温度，采用温度传感器，可将数据传入计算机；药罐5的底部设有药液计量装置7，药液计量装置7采用地泵或者其大的天平的仪器均可，带通讯接口，可实现与计算机联网；药罐5的输出管依次通过第一阀8、药液泵9、第一单向阀10、第二阀11、第一预热器12和泡沫发生器13的药液入口连接，药液泵9可以采用螺杆泵，带变频调节系统，可无极调节泵的流量，可以输送带有支撑剂的药液，第一预热器12，用于药液注入前的预热，控制温度，采用螺旋盘管式换热方式，并采用恒温油浴加热控温；根据需要也可采用其它可行的方式；泡沫发生器13，它的作用：测试CO2泡沫压裂液时，用于形成泡沫，并控制泡沫始终以恒定的流量注入。此外另有稠化剂罐30通过稠化剂泵31、第三单向阀32、第二预热器34和泡沫发生器13的气体入口连接。
第二气瓶17、第一气瓶18分别通过第三阀19、第四阀20和净化器21的入口连接，净化器21的出口依次通过流量计22、制冷装置23、气泵29、第三单向阀32、第二预热器34和泡沫发生器13的气体入口连接，其中，气体储罐24在冷箱23的内部；此外另有稠化剂罐30通过稠化剂泵31和第三单向阀32连接；第五阀25连接在制冷装置23内部的气体储罐24的进气管上，在气体储罐24的出气管上设有第一压力计28，在气泵29、第三单向阀32之间设有安全阀33，在第二预热器34和泡沫发生器13之间设有第二压力计35。
第一气瓶17、第二气瓶18提前预设接口，可以根据需要，改变连接钢瓶数量和气体种类，一般用到较多的是二氧化碳(有时可能会用到氮气)；由于目前市场上的气体中含有油类物质等，必须经过净化器21的过滤，去除杂质；流量计21，根据需要选择，采用金属管浮子流量计，可以选择带二次仪表，可显示瞬时流量，又可显示累积流量，主要用于计量流量大小；制冷装置23作用是改变气瓶出来的气体(只要是CO2)的温度，从而使它由气态变为液态，主要由全封闭制冷压缩机、装有螺旋式盘管的冷箱、温度控制器和管阀件等组成，冷箱装有制冷温度自动控制系统，可根据需要设定制冷所需温度，冷箱分为内胆、保温层、盘管及不锈钢装饰层，采用易开易拆结构，便于拆卸清洗，气体储罐24起储存和缓冲作用，在制冷装置20的内部，从而保持较低温度，使气体(主要指CO2)保持在液态，满足实验需要；气泵29采用调频泵，参数可选，最大工作压力可以尽量高，最好50MPa以上，主要用于流体CO2的传输，泵29的参数也可以根据需要修改。
三组直径不同的第一直管37、第二直管41、第三直管45和盘管49并联，并联后的输入端和泡沫发生器13的出口连接，输出端通过第十六阀53和多级视窗56的入口连接，并联后的输出端还通过第十七阀54与垂直换热测试端58的入口连接，多级视窗56通过第十八阀57和垂直换热测试端58连接，垂直换热测试端58外连低温浴槽59；垂直换热测试端58与第十九阀61之间连有压力传感器60；
其中：
第一直管37输入、输出端之间连接有第一差压传感器38，输入端还连接有第八阀36，输出端还连接有第九阀39；
第二直管41输入、输出端之间连接有第二差压传感器42，输入端还连接有第十阀40，输出端还连接有第十一阀43；
第三直管45输入、输出端之间连接有第三差压传感器46，输入端还连接有第十二阀44，输出端还连接有第十三阀47；
盘管49输入端还连接有第十四阀48，输出端还连接有第十五阀50，第十四阀48输入端和盘管44输出端之间连接有第四差压传感器51；
泡沫发生器13输出端和直管并联后的输入端之间连接处连接有第一压力传感器52。
以上部分可以根据需要，以及测量压裂液的种类，选择开启有关阀门，和泵，来调节通过泡沫发生器13的气体，压裂液，支撑剂稠化剂，起泡剂的种类和量的多少。
带有垂直换热测试端的直管58，用于测量直管入口、出口温度值，比较进出口温度变化，同时测量制冷液进入冷却夹套的入口和出口的温度变化，通过一定公式处理得出压裂液的流变特性，数量4套；低温浴槽59主要用于对直管内的流体进行制冷，使热流体向冷流体转变，多级视窗56用于压裂液携砂时观测在不同温度、压力、砂比、颗粒粒径下管流实验，可以实现对动态流动过程中的携砂压裂液的临界沉降速度、临界沉积速度以及支撑剂在管流中的流态的判定，通过在垂直管柱一定位置设计视窗、光电检测进行位置区间测量，同时将支撑剂引入示踪剂测量，使支撑剂移动位置清晰，方便测量，可以在多级视窗56旁边加装图像摄像系统，例如：采用数码摄像机采集图像；出口分离器64采用封闭容器，主要用于实验结束时管路中物质的分离，通常气体在上部，液体、固体在下部。
此外，本设备还有数据采集处理功能，实现计算机操作：数据采集系统包括压力、温度、流量、质量(地磅)、图像、位移等，为了保证测量精度和控制的可靠性，采用进口MOX，C168H数字采集控制卡，从而实现数字化采集传输。
计算机采集的数据经处理可生成原始数据报表，分析报表以及曲线图，同时生成数据库文件格式以便用户灵活使用。
本发明的工作原理为：
固体推进器1将支撑剂加入到药罐5，支撑剂计量装置2可以称量加入支撑剂的多少，药液搅拌器3防止支撑剂沉淀，此外，它还配有加热装置，可以控制温度，药液泵9采连带支撑剂一同注入管路流动测量。
第一气瓶17、第二气瓶18受第三阀19、第四阀20控制，数量可以灵活接入，气体种类可以根据需要选择加入，一般为CO2(有时可能用到N2)气体依次流经净化器21、流量计22、制冷装置23，进入气体储罐24，之后经过气泵29将气体经过第三单向阀32打入泡沫发生器13和药液混合进入管路，之后进入不同管径的直管第一直管37、第二直管41、第三直管45，测量管径对压裂液摩阻的影响，或者进入盘管49用于测量摩阻，这4组管两端都连接有压差传感器，在测量摩阻时，用于测量直管或者盘管两端压差大小，这4组管两端都安装有阀门，实验时，可以通过这几组阀门开关，可以选择性开启一路，垂直换热测试端58和低温浴槽59起到调节管路液体温度的作用，多级视窗56可以观测支撑剂在压裂液中的悬浮状态，之后进入药液泵9进行循环可以测量摩阻，或者实验结束时进入出口分离器64。
测量各种压裂液在不同温度下的流变特性主要是通过细管粘度计的原理进行测量、摩阻特性主要是通过选择通过几组不同管路压差来测量、携砂性能研究还可以通过多级视窗观测观测支撑剂在压裂液中的悬浮状态。
Claims (7)
1.一种大型多功能压裂液实验系统，包括固体推进器(1)，其特征在于：它上面为漏斗的结构，固体推进器(1)通过支撑剂计量装置(2)衔接在药罐(5)的进口管路上，并与之密封；药罐(5)的顶部通过过滤器(4)和药液搅拌器(3)连接，药罐(5)用来盛放配好的药液，它带有给药液加热功能，在它的侧壁设有温度计量装置(6)，药罐(5)的底部设有药液计量装置(7)，药罐(5)的输出管依次通过第一阀(8)、药液泵(9)、第一单向阀(10)、第二阀11、第一预热器(12)和泡沫发生器(13)的药液入口连接，起泡剂罐(14)通过起泡泵(15)、第二单向阀(16)与泡沫发生器(13)连接；
第一气瓶(17)、第二气瓶(18)分别通过第三阀(19)、第四阀(20)和净化器(21)的入口连接，净化器(21)的出口依次通过流量计(22)、制冷装置(23)、第五阀(25)、第六阀(26)、气泵(29)、第三单向阀(32)、第二预热器(34)和泡沫发生器(13)的气体入口连接；其中，气体储罐(24)在冷箱(23)的内部；此外另有稠化剂罐(30)通过稠化剂泵(31)和第三单向阀(32)连接；第五阀(25)连接在制冷装置(23)内部的气体储罐(24)的进气管上，在气体储罐(24)的出气管上设有第一压力计(28)，在气泵(29)、第三单向阀(32)之间设有安全阀(33)，在第二预热器(34)和泡沫发生器(13)之间设有第二压力计(35)；
三组直径不同的第一直管(37)、第二直管(41)、第三直管(45)和盘管(49)并联，并联后的输入端和泡沫发生器(13)的出口连接，输出端通过第十六阀(53)和多级视窗(56)的入口连接，并联后的输出端还通过第十七阀(54)与垂直换热测试端(58)的入口连接，多级视窗(56)通过第十八阀(57)和垂直换热测试端(58)连接，垂直换热测试端(58)外连低温浴槽(59)；垂直换热测试端(58)与第十九阀(61)之间连有压力传感器(60)；
其中：
第一直管(37)输入、输出端之间连接有第一差压传感器(38)，输入端还连接有第八阀(36)，输出端还连接有第九阀(39)；
第二直管(41)输入、输出端之间连接有第二差压传感器(42)，输入端还连接有第十阀(40)，输出端还连接有第十一阀(43)；
第三直管(45)输入、输出端之间连接有第三差压传感器(46)，输入端还连接有第十二阀(44)，输出端还连接有第十三阀(47)；
盘管(49)输入端还连接有第十四阀(48)，输出端还连接有第十五阀(50)，第十四阀(48)输入端和盘管(44)输出端之间连接有第四差压传感器(51)；
泡沫发生器(13)输出端和直管并联后的输入端之间连接处连接有第一压力传感器(52)；
所述的支撑剂计量装置(2)采用地磅，带通讯接口，实现与计算机联网；
所述的药灌(5)下端设计放空阀门，方便排空和清洗，配加热装置，控制药罐中的温度。
2.根据权利要求1所述的一种大型多功能压裂液实验系统，其特征在于：所述的温度计量装置(6)采用温度传感器，将数据传入计算机。
3.根据权利要求1所述的一种大型多功能压裂液实验系统，其特征在于：所述的药液计量装置(7)采用地磅，带通讯接口，实现与计算机联网。
4.根据权利要求1所述的一种大型多功能压裂液实验系统，其特征在于：所述的药液泵(9)采用柱塞泵。
5.根据权利要求1所述的一种大型多功能压裂液实验系统，其特征在于：所述的第一预热器(12)、第二预热器(34)采用螺旋盘管式换热方式，并采用恒温水浴加热控温。
6.根据权利要求1所述的一种大型多功能压裂液实验系统，其特征在于：所述的气泵(29)采用调频泵，调频泵的最大工作压力在50MPa以上，从而模拟压裂施工时地层压力条件。
7.根据权利要求1所述的一种大型多功能压裂液实验系统，其特征在于：所述的出口分离器(64)采用封闭容器。
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