測試水力壓裂液中固體支撐劑支撐效果的裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及巖石力學(xué)、材料工程、資源開發(fā)新技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種測試水力壓裂液中固體支撐劑支撐效果的裝置及其方法，主要用于頁巖氣開采水力壓裂液效果測試。
【背景技術(shù)】
[0002]水平井分段多級水力壓裂技術(shù)是頁巖氣開采核心技術(shù)之一。對頁巖氣藏進(jìn)行水力壓裂是將水基壓裂液以高于地層破裂壓力的泵壓，通過水平井并采用多級壓裂、重復(fù)壓裂等工藝按序列注入頁巖層。水基壓裂液是在清水中加入少量的減阻劑、穩(wěn)定劑、表面活性劑等添加劑，添加支撐劑后的水基壓裂液效果明顯好于不加支撐劑時的效果，支撐劑能夠讓裂縫在壓裂液返回后仍保持開啟狀態(tài)，從而獲取更高效率的頁巖氣開采，水基壓裂液成本低，地層傷害小，是目前頁巖氣開發(fā)最主要的壓裂技術(shù)。
[0003]水基壓裂液中所含固體支撐劑的主要成分為二氧化硅(如陶粒、石英砂等)，對于固體支撐劑的優(yōu)選類型，人們通常選取高質(zhì)量沙子的砂巖礦山作為取材源地。相關(guān)研宄成果中，丁自偉(2010)對美國愛荷華州的Pattison砂巖礦開采的砂巖(稱為St.Peter砂巖)進(jìn)行研宄，認(rèn)為其顆粒大小和形狀均勻，可作為固體支撐劑的重要來源。通過從力學(xué)角度分析，St.Peter砂巖具有非常獨(dú)特的力學(xué)性質(zhì):極低的內(nèi)聚力(幾乎為零)、極大的內(nèi)摩擦角(最高可達(dá)69°，平均為57°?63° )、極低的孔隙率、極高的碎脹性；敬季昀(2014)對水平井壓后排液與支撐劑回流控制研宄中，通過API支撐劑導(dǎo)流能力測試實驗儀，對不同固體支撐劑的導(dǎo)流能力和出砂情況進(jìn)行測試，這些研宄集中在對固體支撐劑巖石力學(xué)性質(zhì)的測試。而具備特殊力學(xué)性質(zhì)的砂巖是否能夠?qū)λ毫验]合后的頁巖層裂縫起到支撐和導(dǎo)通的作用，還需要生產(chǎn)實踐的進(jìn)一步檢驗。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)如下:
[0005]1.可靠性差，支撐破碎率(η)的計算方法脫離了原始地層環(huán)境，為純粹的壓力性實驗。如中國專利申請?zhí)?01210496497.1公開的一種樹脂覆膜支撐劑的抗破碎能力測試方法所提出方法即是通過篩網(wǎng)篩分施壓后支撐劑質(zhì)量(m2)與原有質(zhì)量(m3)比值，計算支撐劑破碎率(Tl)，這種方法可靠性差，而實際水力壓裂作業(yè)中固體支撐劑是否能夠滿足強(qiáng)度要求，這仍需實踐檢驗；
[0006]2.精確度低，測試結(jié)果誤差大，通過對實驗裝置內(nèi)部支撐劑充填層注入壓裂液，測試和記錄閉合應(yīng)力下相應(yīng)的支撐劑充填層厚度和支撐劑回流臨界流量，評估支撐劑的支撐效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有技術(shù)問題的不足而提供一種測試水力壓裂液中固體支撐劑支撐效果的裝置及其方法。
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是按照以下技術(shù)方案實施的:
[0009]一種測試水力壓裂液中固體支撐劑支撐效果的裝置，包括可加載力學(xué)裝置、試樣槽座和X射線檢測機(jī)，所述試樣槽座中設(shè)有巖芯，巖芯鉆有中心小孔，中心小孔內(nèi)插入毛細(xì)銅管，所述毛細(xì)銅管的端部連接高壓注水泵和水槽，水槽中盛有混合固體支撐劑的水基壓裂液，所述可加載力學(xué)裝置包括頂盤、底盤和連桿組成的支架、輪輻壓力傳感器、數(shù)顯表、計算機(jī)、千斤頂、載盤、應(yīng)力均布砣、油壓泵和流量計，載盤設(shè)置在連桿上且可沿著連桿上下移動，輪輻壓力傳感器設(shè)置于頂盤下端面，輪輻壓力傳感器連接數(shù)顯表和計算機(jī)，試樣槽座設(shè)置于輪輻傳感器與載盤之間，應(yīng)力均布砣設(shè)置在載盤下端面，千斤頂?shù)牡撞抗潭ㄔ诘妆P上，千斤頂?shù)捻敹伺c應(yīng)力均布砣連接，所述千斤頂連接有油壓泵，油壓泵與千斤頂之間設(shè)有流量計；所述X射線檢測機(jī)由金屬靶、X射線管、X射線劑量儀A、x射線劑量儀B、接收器、超高壓變壓器、控制器和計算機(jī)組成，X射線劑量儀A與X射線劑量儀B相對設(shè)置且分別測試X射線對巖芯的入射劑量和出射劑量，試樣槽座設(shè)置于X射線劑量儀A與X射線劑量儀B之間，X射線劑量儀A設(shè)置于X射線管前端，X射線管末端連接金屬靶，金屬靶連接超高壓變壓器，超高壓變壓器依次連接控制器和計算機(jī)，接收器設(shè)置于X射線劑量儀B的背面且與X射線管通過電纜連接。
[0010]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述試樣槽座由試樣上槽座和試樣下槽座組成，試樣上槽座下端設(shè)有凹槽，試樣下槽座上端插入凹槽內(nèi)，所述試樣上槽座的凹槽邊緣設(shè)有橡膠墊片，所述巖芯設(shè)置在試樣上槽座和試樣下槽座之間的凹槽內(nèi)。
[0011]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述千斤頂上還設(shè)有調(diào)速開關(guān)。
[0012]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述試樣槽座由鋼化玻璃材料制成。
[0013]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述巖芯的中心小孔的直徑為5mm，深度為170mm。
[0014]用上述裝置測試水力壓裂液中固體支撐劑支撐效果的方法，包括以下步驟:
[0015]I)從巖芯庫選取直徑Φ = 100mm,高度H = 200mm巖芯作為測試材料；
[0016]2)對巖芯鉆施Φ為5mm深度H為170mm的中心小孔；
[0017]3)將巖芯置于試樣槽座并通過毛細(xì)銅管連接高壓注水泵；
[0018]4)將固體支撐劑用造影液浸泡過后混入水槽中的水基壓裂液內(nèi)；
[0019]5)啟動壓力試驗機(jī)加載至固定壓力，啟動油壓泵調(diào)節(jié)油壓流速來控制千斤頂對試樣槽座內(nèi)巖芯的加載；
[0020]6)啟動X射線檢測機(jī)觀測支撐劑在巖芯裂縫中流動狀態(tài)；
[0021]7)測試和記錄注入固定量壓裂液的巖芯對X-射線劑量吸收量；
[0022]8)啟動油壓泵控制千斤頂對試樣槽座內(nèi)的巖芯進(jìn)行擠壓從而控制壓裂液回流并記錄回流量；
[0023]9)啟動X射線檢測機(jī)觀測裂隙閉合壓裂液回流過程中固體支撐劑在巖芯裂縫中的狀態(tài)；
[0024]10)測試和記錄壓裂液回流后的巖芯對X-射線劑量吸收量。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明針對頁巖氣開采水力壓裂技術(shù)中使用的水基壓裂液固體支撐劑效果測試問題，首次采用X-射線掃描、醫(yī)學(xué)造影、水力壓裂及力學(xué)測試綜合技術(shù)手段，尤其以醫(yī)學(xué)造影技術(shù)對固體支撐劑的造影為創(chuàng)新，通過跟蹤和觀測固體支撐劑在頁巖巖芯裂縫中的流動狀態(tài)和測試壓裂液回流后的巖芯對X-射線吸收量，評估固體支撐劑支撐效果，這種方法是首次提出，科學(xué)可靠，獲得的實驗數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，現(xiàn)有的其它技術(shù)無可替代。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2是本發(fā)明的可加載力學(xué)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖3是試樣槽座的剖視圖；
[0029]圖4是本發(fā)明的流程圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述，在此發(fā)明的示意性實施例以及說明用來解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。
[0031]如圖1、圖2所示的一種測試水力壓裂液中固體支撐劑支撐效果的裝置，包括可加載力學(xué)裝置、試樣槽座和X射線檢測機(jī)，所述試樣槽座中設(shè)有巖芯10，巖芯10鉆有中心小孔11，中心小孔11內(nèi)插入毛細(xì)銅管12，毛細(xì)銅管12的端部連接高壓注水泵13和水槽28，水槽28中盛有混合固體支撐劑的水基壓裂液，可加載力學(xué)裝置包括頂盤22、底盤23和連桿24組成的支架、輪輻壓力傳感器14、數(shù)顯表15、計算機(jī)8、千斤頂18、載盤25、應(yīng)力均布砣17、油壓泵21和流量計20，載盤25設(shè)置在連桿24上且可沿著連桿24上下移動，輪輻壓力傳感器14設(shè)置于頂盤22下端面，輪輻壓力傳感器14連接數(shù)顯表15和計算機(jī)8，試樣槽座設(shè)置于輪輻傳感器14與載盤25之間，應(yīng)力均布砣17設(shè)置在載盤25下端面，千斤頂18的底部固定在底盤23上，千斤頂18的頂端與應(yīng)力均布砣17連接，所述千斤頂18連接有油壓泵21，油壓泵21與千斤頂18之間設(shè)有流量計20 ;X射線檢測機(jī)由金屬靶1、X射線管2、X射線劑量儀A3、X射線劑量儀B4、接收器5、超高壓變壓器6、控制器7和計算機(jī)8組成，X射線劑量儀A3與X射線劑量儀B4相對設(shè)置