【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于水力壓裂室內物理模擬試驗，具體涉及一種模擬水平井加砂壓裂套管孔眼沖蝕的實驗裝置及方法。
技術介紹
1、隨著能源的不斷開發和利用，常規油氣能源逐漸不能滿足需要，傳統常規能源開發逐漸轉向非常規油氣開發，非常規油氣正轉變為“新常規”。實現非常規油氣資源規模化、效益化開發，水平井分段壓裂和體積壓裂技術是必要技術手段。大排量攜砂壓裂施工具有大排量、高泵壓、長時間的特點，在足夠壓開地層的壓力下，高排量的攜砂壓裂液通過油氣井的射孔孔眼擠入地層，極易對產層套管柱尤其是射孔孔眼處造成沖蝕磨損。
2、目前，壓裂過程中套管孔眼的沖蝕磨損會致使套管柱強度降低，并可能進一步誘發套管變形失效等事故，在大規模壓裂后，產層套管變形損壞問題頻繁發生，已成為制約非常規油氣安全高效開發的技術難題之一。但是，大排量加砂壓裂對套管孔眼沖蝕的影響規律和影響機理尚不明確，關于固液相沖蝕的研究對象多集中于地面管線和設備，而對于井筒的沖蝕研究很少，并且用于大排量加砂壓裂過程套管孔眼沖蝕的物理模擬實驗裝置鮮見報道，無法為模擬實際工況下套管孔眼的沖蝕行為測試研究提供裝備支撐和評價依據。
3、因此，建立一套模擬水平井加砂壓裂過程中套管孔眼沖蝕的實驗裝置，形成一套加砂壓裂套管孔眼沖蝕實驗方法，對大排量加砂壓裂過程中套管孔眼沖蝕的評價和控制具有重要意義。
技術實現思路
1、本專利技術旨在針對現有技術存在的技術問題，提供一種模擬水平井加砂壓裂套管孔眼沖蝕的實驗裝置及方法，對模擬工況下壓裂過程中套管孔眼的沖
2、為實現以上技術目的，本專利技術采用以下技術方案：
3、一種模擬水平井加砂壓裂套管孔眼沖蝕的實驗裝置，所述實驗裝置包括壓裂液輸送系統、加砂混砂系統、沖蝕測試系統及監測控制系統；
4、所述壓裂液輸送系統包括蓄液池、液體渦輪流量計和柱塞泵，所述蓄液池、液體渦輪流量計和柱塞泵通過供液管道依次連接；
5、所述加砂混砂系統包括依次連接的加砂系統和混砂攪拌系統，所述加砂系統包括支撐劑儲罐、高壓源和加砂罐，所述混砂攪拌系統包括預混室、混砂室、攪拌室和含砂濃度監測儀；其中，支撐劑儲罐、加砂罐通過供砂管道依次連接，加砂罐外接高壓源，加砂罐頂部安裝有變頻電機，用于給加砂罐內置的輸砂螺桿提供動力，加砂罐下部與預混室相連，預混室通過下部的出砂口與混砂室相連，混砂室與攪拌室相連；
6、所述沖蝕測試系統包括模擬地層裂縫、套管短節、恒壓溢流閥和若干沖蝕實驗短節，其中，沖蝕實驗短節和套管短節之間、沖蝕實驗短節和模擬地層裂縫之間均通過法蘭連接，模擬地層裂縫通過輸出管線與恒壓溢流閥連接；所述混砂室和柱塞泵通過輸液管連接，攪拌室和沖蝕實驗短節通過混輸管線連接；
7、所述監測控制系統包括pc終端、流量控制器、含砂濃度控制器和相控超聲探測器，其中，pc終端分別與流量控制器、含砂濃度控制器和相控超聲探測器相連接，流量控制器與液體渦輪流量計和柱塞泵相連，含砂濃度控制器與變頻電機和含砂濃度監測儀連，相控超聲探測器與設在沖蝕實驗短節上的相控超聲探頭連接。
8、進一步地，所述實驗裝置還包括循環回收系統，所述循環回收系統包括分離器、支撐劑回收罐和壓裂液循環管線，其中，所述分離器第一端連通恒壓溢流閥，所述分離器的第二端通過回收管線連接支撐劑回收罐，所述分離器的第三端通過壓裂液循環管線連接壓裂液輸送系統的蓄液池。
9、進一步地，壓裂液輸送系統中，所述蓄液池和液體渦輪流量計之間的管道上設置有供液閥門；所述柱塞泵上設有壓力表。
10、進一步地，加砂混砂系統中，所述加砂罐上部設有進砂口、高壓注入口；所述進砂口通過供砂管道連通支撐劑儲罐，并在供砂管道上靠近支撐劑儲罐設置有支撐劑供應閥，在供砂管道上靠近進砂口設置有進砂閥門；所述高壓注入口通過高壓管線連接高壓源，并在高壓管線上靠近高壓注入口設置有高壓注入閥。
11、進一步地，加砂混砂系統中，所述預混室的出砂口上部設有砂粒截止閥；所述攪拌室內設有渦輪，所述渦輪采用耐磨材質。
12、進一步地，沖蝕測試系統中，所述沖蝕實驗短節由實驗管體、o形密封圈和實驗試樣組裝而成；所述o形密封圈設置在實驗管體和實驗試樣之間；所述實驗試樣外圍的實驗管體上設置有第一連接法蘭，用于和模擬地層裂縫端部設置的第二連接法蘭固定連接，并在實驗試樣與模擬地層裂縫之間設置有墊片。
13、更進一步地，所述實驗管體兩端設有可調節安裝角度的法蘭盤，可模擬孔眼在0～360°相位角時的沖蝕情況。
14、更進一步地，所述實驗試樣為圓柱形臺階狀，中心設有模擬射孔孔眼；所述實驗試樣上還設有密封槽，用于安裝o形密封圈。
15、更進一步地，所述實驗試樣的內壁面弧度與實驗管體內壁弧度一致，所述套管短節與實驗管體內徑相同。
16、進一步地，所述輸液管為高壓管，所述混輸管為耐沖蝕磨損的高壓軟管；所述輸砂螺桿、混砂室、攪拌室、實驗管體、墊片、模擬地層裂縫、輸出管線均采用耐磨材質；所述加砂罐為壓力容器。
17、本專利技術還提供一種模擬水平井加砂壓裂套管孔眼沖蝕的實驗方法，采用如上所述的任一種模擬水平井加砂壓裂套管孔眼沖蝕的實驗裝置，所述實驗方法包括以下步驟：
18、步驟s01：加工處理實驗試樣；
19、步驟s02：組裝實驗短節，并根據實驗要求，將一個或多個實驗短節通過法蘭連接到沖蝕測試系統中；
20、步驟s03：配置足量的實驗用壓裂液于蓄液池中，并準備足量的實驗用支撐劑于支撐劑儲罐中，開啟支撐劑供應閥和進砂閥門向加砂罐中加入一定量支撐劑，檢查并關閉所有儀器和閥門；
21、步驟s04：打開pc端檢查控制器和傳感器運行情況，確保控制器和傳感器都能正常工作后，操作pc終端控制相控超聲探測器通過相控超聲探頭對實驗前的孔眼進行超聲探測，得到未被沖蝕的孔眼形貌以便與沖蝕后的孔眼形貌進行對比分析；
22、步驟s05：超聲探測結束后，開啟供液閥門，操作pc終端通過流量控制器開啟柱塞泵并控制泵排量達到實驗所需排量qp，同時流量控制器將從液體渦輪流量計接收到流量數據qr以及從壓力表接受到的壓力數據pb返回pc終端，pc終端自動對比qp和qr的大小，并根據實驗所需排量通過流量控制器自動對泵排量進行微調，直至液體渦輪流量計測得的流量qr與實驗所需排量qp相等，調節恒壓溢流閥的開啟壓力閾值p0，設定模擬地層壓力；
23、步驟s06：泵排量穩定后，操作pc終端調節高壓源的輸出壓力pg，開啟高壓注入閥和砂粒截止閥，操作pc終端控制變頻電機帶動輸砂螺桿旋轉，將支撐劑泵入混砂室內與壓裂液混合，并通過攪拌室攪拌均勻后進入混輸管內，含砂濃度監測儀實時監測混合溶液中含砂濃度cr并將數據返回pc終端，pc終端自動對比cr和實驗所需含砂濃度cp的大小，并根據實驗所需排量通過流量控制器自動對泵排量進行微調，并自動對變頻電機的頻率本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種模擬水平井加砂壓裂套管孔眼沖蝕的實驗裝置，所述實驗裝置包括壓裂液輸送系統、加砂混砂系統、沖蝕測試系統及監測控制系統，其特征在于：
2.根據權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，還包括循環回收系統，所述循環回收系統包括分離器(9)、支撐劑回收罐(10)和壓裂液循環管線(15)，其中，所述分離器(9)第一端連通恒壓溢流閥(8)，所述分離器(9)的第二端通過回收管線(14)連接支撐劑回收罐(10)，所述分離器(9)的第三端通過壓裂液循環管線(15)連接壓裂液輸送系統的蓄液池(1)。
3.根據權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，壓裂液輸送系統中，所述蓄液池(1)和液體渦輪流量計(3)之間的管道上設置有供液閥門(16)；所述柱塞泵(4)上設有壓力表(401)。
4.根據權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，加砂混砂系統中，所述加砂罐(501)上部設有進砂口(504)、高壓注入口(512)；所述進砂口(504)通過供砂管道(13)連通支撐劑儲罐(11)，并在供砂管道(13)上靠近支撐劑儲罐(11)設置有支撐劑供應閥(12)，在供砂管道(13)上靠
5.根據權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，加砂混砂系統中，所述預混室(510)的出砂口(509)上部設有砂粒截止閥(511)；所述攪拌室(506)內設有渦輪(505)，所述渦輪(505)采用耐磨材質。
6.根據權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，沖蝕測試系統中，所述沖蝕實驗短節(702)由實驗管體(710)、O形密封圈(713)和實驗試樣(711)組裝而成；所述O形密封圈(713)設置在實驗管體(710)和實驗試樣(711)之間；所述實驗試樣(711)外圍的實驗管體(710)上設置有第一連接法蘭，用于和模擬地層裂縫(703)端部設置的第二連接法蘭固定連接，并在實驗試樣(711)與模擬地層裂縫(703)之間設置有墊片(712)。
7.根據權利要求6所述的實驗裝置，其特征在于，所述實驗管體(710)兩端設有可調節安裝角度的法蘭盤(701)，可模擬孔眼在0～360°相位角時的沖蝕情況。
8.根據權利要求6或7所述的實驗裝置，其特征在于，所述實驗試樣(711)為圓柱形臺階狀，中心設有模擬射孔孔眼(721)；所述實驗試樣(711)上還設有密封槽(722)，用于安裝O形密封圈(713)。
9.根據權利要求6所述的實驗裝置，其特征在于，所述實驗試樣(711)的內壁面弧度與實驗管體(710)內壁弧度一致，所述套管短節(704)與實驗管體(710)內徑相同。
10.根據權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，所述輸液管(5)為高壓管，所述混輸管(7)為耐沖蝕磨損的高壓軟管；所述輸砂螺桿(508)、混砂室(507)、攪拌室(506)、實驗管體(710)、墊片(712)、模擬地層裂縫(703)、輸出管線(706)均采用耐磨材質；所述加砂罐(501)為壓力容器。
11.一種模擬水平井加砂壓裂套管孔眼沖蝕的實驗方法，采用如權利要求1-10任一項所述的實驗裝置，其特征在于，所述實驗方法包括以下步驟：
12.根據權利要求11所述的實驗方法，其特征在于，所述步驟S01具體包括：
13.根據權利要求11所述的實驗方法，其特征在于，所述步驟S02中，根據實驗要求，將一個或多個實驗短節(702)通過法蘭連接到沖蝕測試系統中，具體包括：
14.根據權利要求11所述的實驗方法，其特征在于，所述步驟S08中，若加砂罐中支撐劑不足實驗用量，則中止實驗，然后開啟支撐劑供應閥(12)和進砂閥門(503)向加砂罐(501)中加入一定量支撐劑，并依次重復步驟S05、S06和S08繼續進行實驗至實驗結束，轉入步驟S09。
15.根據權利要求11所述的實驗方法，其特征在于，所述步驟S09中，關閉變頻電機(502)停止進砂，關閉柱塞泵(4)、分離器(9)和所有閥門，具體包括：關閉變頻電機(502)停止進砂，柱塞泵(4)繼續工作將壓裂液繼續泵入沖蝕測試系統中對其進行沖洗，沒有殘留支撐劑后關閉柱塞泵(4)、分離器(9)和所有閥門。
...【技術特征摘要】
1.一種模擬水平井加砂壓裂套管孔眼沖蝕的實驗裝置，所述實驗裝置包括壓裂液輸送系統、加砂混砂系統、沖蝕測試系統及監測控制系統，其特征在于：
2.根據權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，還包括循環回收系統，所述循環回收系統包括分離器(9)、支撐劑回收罐(10)和壓裂液循環管線(15)，其中，所述分離器(9)第一端連通恒壓溢流閥(8)，所述分離器(9)的第二端通過回收管線(14)連接支撐劑回收罐(10)，所述分離器(9)的第三端通過壓裂液循環管線(15)連接壓裂液輸送系統的蓄液池(1)。
3.根據權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，壓裂液輸送系統中，所述蓄液池(1)和液體渦輪流量計(3)之間的管道上設置有供液閥門(16)；所述柱塞泵(4)上設有壓力表(401)。
4.根據權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，加砂混砂系統中，所述加砂罐(501)上部設有進砂口(504)、高壓注入口(512)；所述進砂口(504)通過供砂管道(13)連通支撐劑儲罐(11)，并在供砂管道(13)上靠近支撐劑儲罐(11)設置有支撐劑供應閥(12)，在供砂管道(13)上靠近進砂口(504)設置有進砂閥門(503)；所述高壓注入口(512)通過高壓管線(514)連接高壓源(18)，并在高壓管線(514)上靠近高壓注入口(512)設置有高壓注入閥(513)。
5.根據權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，加砂混砂系統中，所述預混室(510)的出砂口(509)上部設有砂粒截止閥(511)；所述攪拌室(506)內設有渦輪(505)，所述渦輪(505)采用耐磨材質。
6.根據權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，沖蝕測試系統中，所述沖蝕實驗短節(702)由實驗管體(710)、o形密封圈(713)和實驗試樣(711)組裝而成；所述o形密封圈(713)設置在實驗管體(710)和實驗試樣(711)之間；所述實驗試樣(711)外圍的實驗管體(710)上設置有第一連接法蘭，用于和模擬地層裂縫(703)端部設置的第二連接法蘭固定連接，并在實驗試樣(711)與模擬地層裂縫(703)之間設置有墊片(712)。
7....
【專利技術屬性】
技術研發人員：石善志，李建民，胡顯偉，潘玉婷，田剛，陳希，唐偉，曾德智，王欣桐，張新，
申請(專利權)人：中國石油天然氣股份有限公司，
類型：發明
國別省市：
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