本發(fā)明涉及油氣藏水力壓裂增產(chǎn)改造技術(shù)領(lǐng)域，更具體地涉及一種壓裂液的懸砂能力評價(jià)裝置及評價(jià)方法。

背景技術(shù)：

水力壓裂改造的目標(biāo)就是在地層中形成有效的高導(dǎo)流能力裂縫系統(tǒng)，而支撐劑則是形成高導(dǎo)流能力裂縫系統(tǒng)中核心的載體之一，能否將一定濃度的支撐劑順利輸送到裂縫系統(tǒng)并鋪置在預(yù)定的理想位置上，直接決定了裂縫的有效導(dǎo)流能力及整個(gè)壓裂施工的有效性及成敗。支撐劑在壓裂過程中和壓后裂縫閉合過程中的懸浮狀況及沉降特性，不僅影響到壓裂施工過程中壓裂液的有效攜砂、施工過程中砂液比的提高等，而且影響支撐劑在裂縫系統(tǒng)中的鋪置及最終分布情況、裂縫系統(tǒng)的支撐效率及壓后裂縫導(dǎo)流能力的有效性。由此可見，對于支撐劑在壓裂液中的懸浮、沉降、攜砂能力的準(zhǔn)確測試評價(jià)是非常重要的，是支撐劑優(yōu)化選擇的最基本指標(biāo)，也是壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)及壓裂施工時(shí)重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵因素之一。

目前實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對支撐劑在壓裂液中的懸浮及沉降性能的測試評價(jià)方法主要有單顆粒支撐劑沉降法和攜砂液懸砂性能測試法兩種方式。

單顆粒的支撐劑沉降法的主要思路是測量單顆粒支撐劑在壓裂液中的沉降速度，具體操作步驟為：首先配制好待測壓裂液，將配好的壓裂液加入到一定容積的量筒等實(shí)驗(yàn)器皿中，再將單顆支撐劑顆粒加入待測壓裂液中，若有溫度要求，則把量筒置入恒溫水浴中，最后在靜態(tài)狀態(tài)下觀察并測定支撐劑顆粒在壓裂液中沉降至容器底部所需時(shí)間并計(jì)算出沉降速，進(jìn)而定性分析評價(jià)目標(biāo)壓裂液的懸砂性能。然而，雖然該方法簡單易操作，但無法反映攜砂液中攜帶的不同濃度群體支撐劑的懸砂性能，與壓裂施工實(shí)際情況也有一定差距。

目前在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)最常用的支撐劑懸砂性能測試方法是在靜止?fàn)顟B(tài)下測定攜砂液中不同砂濃度的支撐劑完全沉降的速度，該方法比起單顆粒的支撐劑沉降法更能客觀的反映壓裂液中支撐劑的沉降及懸砂特性，更接近壓裂實(shí)際情況，具體 操作步驟為：首先將壓裂液與支撐劑按一定比例進(jìn)行混合，配制成一定砂液比(或砂濃度)的待測攜砂液，將配好的攜砂液加入到一定容積的量筒等實(shí)驗(yàn)器皿中，若有溫度要求，則把量筒置入恒溫水浴中，在靜態(tài)狀態(tài)下觀察并測定支撐劑在攜砂液中全部沉降所需的時(shí)間，進(jìn)而定性的評價(jià)分析壓裂液的懸砂性能。

壓裂液類型、攜砂液濃度、支撐劑顆粒大小、實(shí)驗(yàn)溫度等因素均對支撐劑懸/攜砂性能有很大的影響；采用目前常用的單顆粒支撐劑沉降法及攜砂液懸砂性能測試法，只能得出單顆粒支撐劑的沉降速度和攜砂液中支撐劑完全沉降的速度指標(biāo)，該指標(biāo)只能從宏觀角度、間接地反映支撐劑在壓裂液體系中的懸浮情況，而不能定量的、準(zhǔn)確的、實(shí)時(shí)的給出不同實(shí)驗(yàn)溫度條件下攜砂液中支撐劑的沉降變化規(guī)律，進(jìn)而直接影響到壓裂液及支撐劑的優(yōu)選、壓裂方案的優(yōu)化及壓裂施工的有效性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種壓裂液懸砂能力評價(jià)裝置及評價(jià)方法，能在不同實(shí)驗(yàn)溫度條件下，開展不同粒徑支撐劑在不同砂液比的攜砂液中的懸砂及沉降機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究，能定量的、準(zhǔn)確的、實(shí)時(shí)的給出支撐劑沉降量與沉降時(shí)間的相關(guān)關(guān)系，得出支撐劑在攜砂液中的沉降及懸砂變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對同一條件下(溫度、顆粒粒徑、砂液比)不同壓裂液的懸砂能力的測定，且測試操作過程簡單，能為壓裂液及支撐劑的優(yōu)選評價(jià)、壓裂方案的優(yōu)化提供了良好的理論及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

為達(dá)上述目的，本發(fā)明提供一種壓裂液攜砂能力評價(jià)裝置，其包括：

可視化懸砂測定容器，包括：懸砂測定容器內(nèi)筒和外筒；

支撐劑質(zhì)量測量系統(tǒng)，包括：支撐劑托盤、重量傳感器、升降器、計(jì)時(shí)控制器以及剛性連接單元，所述支撐劑托盤位于所述懸砂測定容器內(nèi)筒的內(nèi)部，并且所述支撐劑托盤通過剛性連接元件與位于所述懸砂測定容器內(nèi)筒上方的所述重量傳感器和所述升降器連接，所述計(jì)時(shí)控制器與所述重量傳感器、升降器連接并用于計(jì)量支撐劑沉降過程的時(shí)間；

數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，分別與重量傳感器、升降器和計(jì)時(shí)控制器連接并用于采集所述支撐劑質(zhì)量測量系統(tǒng)中得到的信號且通過軟件轉(zhuǎn)換輸出實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線。

所述的壓裂液攜砂能力評價(jià)裝置，其中，還包括用于對所述可視化懸砂測定 容器實(shí)現(xiàn)溫控的溫度控制系統(tǒng)。

所述的壓裂液攜砂能力評價(jià)裝置，其中，所述溫度控制系統(tǒng)包括恒溫水浴裝置和循環(huán)管路，所述可視化懸砂測定容器還包括懸砂測定容器外筒以及位于所述懸砂測定容器內(nèi)筒和所述懸砂測定容器外筒之間的環(huán)形空間，所述懸砂測定容器外筒的下端設(shè)有循環(huán)液體入口且上端設(shè)有循環(huán)液體出口，循環(huán)液體入口和循環(huán)液體出口通過循環(huán)管路而與溫度控制系統(tǒng)的恒溫水浴裝置連接，用于向環(huán)形空間內(nèi)注入恒溫的循環(huán)液體。

所述的壓裂液攜砂能力評價(jià)裝置，其中，所述支撐劑托盤的外徑小于懸砂測定容器內(nèi)筒的內(nèi)徑，并且支撐劑托盤與懸砂測定容器內(nèi)筒之間的間隙不足以使攜砂液中的支撐劑通過。

所述的壓裂液攜砂能力評價(jià)裝置，其中，所述懸砂測定容器內(nèi)筒和所述懸砂測定容器外筒均采用耐高溫、耐壓、耐腐蝕的透明可視材料制成。

所述的壓裂液攜砂能力評價(jià)裝置，其中，所述支撐劑托盤可采用耐腐蝕材料制成。

本發(fā)明還提供一種采用上述的壓裂液攜砂能力評價(jià)裝置進(jìn)行的評價(jià)方法，所述評價(jià)方法包括以下步驟：

(1)配制好壓裂液，然后根據(jù)需要加入一定質(zhì)量的目標(biāo)支撐劑，充分?jǐn)嚢?，配制成一定砂比的待測攜砂液；

(2)開啟升降器，把支撐劑托盤降低到可視化懸砂測定容器的懸砂測定容器內(nèi)筒的最低處；

(3)把配制好的待測攜砂液加入可視化懸砂測定容器直至懸砂測定容器內(nèi)筒上標(biāo)注的攜砂液液位處，當(dāng)攜砂液加入結(jié)束后，迅速通過升降器把支撐劑托盤升起到懸砂測定容器內(nèi)筒上標(biāo)注的支撐劑托盤標(biāo)定位置后，對重量傳感器顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行清零；與此同時(shí)，計(jì)時(shí)控制器開始自動(dòng)計(jì)時(shí)；

(4)實(shí)驗(yàn)過程中，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)自動(dòng)開始采集攜砂液中支撐劑沉降到托盤上的質(zhì)量、支撐劑沉降持續(xù)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)溫度的信號，并通過軟件處理，實(shí)時(shí)顯示沉沙量與時(shí)間的關(guān)系曲線；

(5)當(dāng)支撐劑全部沉降至托盤后，結(jié)束數(shù)據(jù)采集。

所述的評價(jià)方法，其中，在步驟(1)之前，還包括啟動(dòng)溫度控制系統(tǒng)的步驟，通過溫度控制系統(tǒng)設(shè)定加熱溫度，對可視化懸砂測定容器進(jìn)行加溫，直至整 個(gè)系統(tǒng)溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)定溫度后，開始依次進(jìn)行步驟(1)至步驟(5)。

所述的評價(jià)方法，其中，所述溫度控制系統(tǒng)的溫度范圍為室溫～95℃。

所述的評價(jià)方法，其中，所述支撐劑選用石英砂、覆膜砂或陶粒。

綜上所述，本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)采用本裝置及評價(jià)方法開展實(shí)驗(yàn)，不僅能得到沉降速率這一指標(biāo)，而且在實(shí)驗(yàn)過程中能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的得到一定實(shí)驗(yàn)溫度下的攜砂液中支撐劑沉降量隨時(shí)間的變化情況，能定量的、準(zhǔn)確的給出支撐劑在壓裂液中的沉降量與時(shí)間的關(guān)系曲線，從而可對支撐劑在壓裂液中的沉降及懸砂變化規(guī)律進(jìn)行分析；

(2)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)有加熱及溫度控制系統(tǒng)，能模擬交聯(lián)壓裂液在儲(chǔ)層溫度條件下壓裂液自然破膠過程中的懸砂能力的變化情況，比起目前常用的常溫懸砂實(shí)驗(yàn)，更符合現(xiàn)場壓裂的實(shí)際情況，更能客觀真實(shí)的反映壓裂液的懸砂及攜砂能力；

(3)整個(gè)裝置與液體接觸部分都進(jìn)行了耐腐蝕處理或采用耐腐蝕材料，實(shí)驗(yàn)范圍廣，不僅能開展常規(guī)滑溜水、壓裂液等液體的懸砂實(shí)驗(yàn)，而且能開展地面交聯(lián)酸等腐蝕性液體的懸砂評價(jià)實(shí)驗(yàn)；

(4)利用本發(fā)明得到的支撐劑沉降量與時(shí)間的關(guān)系曲線，比起目前常規(guī)方法得到的沉降時(shí)間、沉降速率指標(biāo)，更能定量地、客觀地反映出支撐劑在壓裂液中的變化情況及沉降規(guī)律；

(5)本發(fā)明涉及實(shí)驗(yàn)中，所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集及分析都實(shí)現(xiàn)了的自動(dòng)計(jì)量、顯示及分析，計(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)處理可生成原始數(shù)據(jù)報(bào)表、分析曲線圖及數(shù)據(jù)庫文件格式，以便用戶靈活使用；整個(gè)實(shí)驗(yàn)排除了人為計(jì)量產(chǎn)生的誤差，實(shí)驗(yàn)過程簡單，操作安全方便。本發(fā)明原理可靠，測試操作過程簡單，進(jìn)一步豐富了壓裂液懸砂能力測定的手段，可為壓裂液及支撐劑的優(yōu)選評價(jià)、壓裂方案的優(yōu)化提供良好的理論及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，具有廣闊應(yīng)用前景。

附圖說明

在下文中將基于實(shí)施例并參考附圖來對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。其中：

圖1是添加攜砂液時(shí)的壓裂液攜砂能力評價(jià)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是添加完攜砂液后正式實(shí)驗(yàn)時(shí)的壓裂液攜砂能力評價(jià)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖標(biāo)記說明：1-主體框架結(jié)構(gòu)；2-可視化懸砂測定容器；21-懸砂測定容器內(nèi)筒；22-懸砂測定容器外筒；221-循環(huán)液體入口；222-循環(huán)液體出口；23-環(huán)形空間；3-支撐劑質(zhì)量測量系統(tǒng)；31-支撐劑托盤；32-重量傳感器；33-升降器；34-計(jì)時(shí)控制器；35-剛性連接單元；4-溫度控制系統(tǒng)；41-恒溫水浴；42-循環(huán)管路；5-數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)；6-支撐劑托盤標(biāo)定位置；7-攜砂液液位；

在附圖中，相同的部件使用相同的附圖標(biāo)記。附圖并未按照實(shí)際的比例。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

首先如圖1所示，其為壓裂液攜砂能力評價(jià)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明提供一種壓裂液攜砂能力評價(jià)裝置，主要適用于壓裂液的懸砂及沉降性能測試研究，所述評價(jià)裝置主要包括：主體框架結(jié)構(gòu)1、可視化懸砂測定容器2、支撐劑質(zhì)量測量系統(tǒng)3、溫度控制系統(tǒng)4以及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)5。

可視化懸砂測定容器2安裝于主體框架結(jié)構(gòu)1的底部并包括：懸砂測定容器內(nèi)筒21、懸砂測定容器外筒22以及環(huán)形空間23。懸砂測定容器內(nèi)筒21和懸砂測定容器外筒22的兩端都是封閉的。

在一優(yōu)選實(shí)施例中，懸砂測定容器內(nèi)筒21和懸砂測定容器外筒22均采用耐高溫、耐壓、耐腐蝕透明可視材料制成，能直接觀察容器內(nèi)的液體情況。

在一優(yōu)選實(shí)施例中，所述懸砂測定容器外筒22的下端設(shè)有循環(huán)液體入口221，上端設(shè)有循環(huán)液體出口222，循環(huán)液體入口221和循環(huán)液體出口222通過循環(huán)管路42而與溫度控制系統(tǒng)4的恒溫水浴裝置41連接。其用于向環(huán)形空間23內(nèi)注入恒溫的循環(huán)液體，實(shí)驗(yàn)過程中通過循環(huán)液體在環(huán)形空間23中的不間斷循環(huán)，實(shí)現(xiàn)對靜態(tài)懸砂可視容器中攜砂液等實(shí)驗(yàn)對象的溫度控制。其中，實(shí)驗(yàn)溫度可以通過對恒溫水浴的溫度設(shè)定來實(shí)現(xiàn)，溫度控制范圍為室溫～95℃。

所述支撐劑質(zhì)量測量系統(tǒng)3包括：支撐劑托盤31、重量傳感器32、升降器33、計(jì)時(shí)控制器34以及剛性連接單元35。

所述支撐劑托盤31位于所述懸砂測定容器內(nèi)筒21的內(nèi)部，用于收集攜砂液中沉降的支撐劑。支撐劑托盤31可采用耐腐蝕材料制成，且支撐劑托盤31的外徑略微小于懸砂測定容器內(nèi)筒21的內(nèi)徑，使得支撐劑托盤31既能實(shí)現(xiàn)自如上下升降且不會(huì)與懸砂測定容器內(nèi)筒21產(chǎn)生摩擦，也不會(huì)由于間隙過大使攜砂液中 的支撐劑通過，保證支撐劑都沉降在支撐劑托盤31上。

所述重量傳感器32、升降器33、計(jì)時(shí)控制器34均設(shè)置在主體框架結(jié)構(gòu)1的頂部。其中，所述支撐劑托盤31通過剛性連接元件35而與重量傳感器32連接，可將攜砂液中支撐劑沉降后在托盤上得到的質(zhì)量數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，并輸出到?shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)5。此外，所述支撐劑托盤31還通過剛性連接元件35與升降器33連接，升降器33能夠?qū)崿F(xiàn)快速升降支撐劑托盤31，當(dāng)向可視化懸砂測定容器內(nèi)開始添加攜砂液時(shí)，通過升降器33先把支撐劑托盤31降到最低端，對重量傳感器32起到保護(hù)作用；當(dāng)攜砂液加入結(jié)束后，迅速通過升降器33把支撐劑托盤31升起到支撐劑托盤標(biāo)定位置6。所述計(jì)時(shí)控制器34主要用于計(jì)量支撐劑沉降過程的時(shí)間，當(dāng)支撐劑托盤31被升降器33提升到支撐劑托盤標(biāo)定位置6時(shí)，計(jì)時(shí)控制器34就自動(dòng)開始計(jì)時(shí)。

所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)5主要由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)采集軟件組成，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)5主要用于采集支撐劑質(zhì)量測量系統(tǒng)中得到的支撐劑沉降時(shí)間、支撐劑沉降量、實(shí)驗(yàn)溫度等信號，并通過軟件轉(zhuǎn)換輸出實(shí)時(shí)關(guān)系曲線等數(shù)據(jù)。

本發(fā)明還提供一種壓裂液攜砂能力評價(jià)方法，具體請見圖1和圖2，所述評價(jià)方法包括以下步驟：

(1)啟動(dòng)溫度控制系統(tǒng)4，通過溫度控制系統(tǒng)4設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度或設(shè)計(jì)要求的加熱溫度，對可視化懸砂測定容器2和整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行加溫，直至整個(gè)系統(tǒng)溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)定溫度后，開始壓裂液攜砂能力評價(jià)實(shí)驗(yàn)；

(2)配制好交聯(lián)壓裂液(具體配制步驟參照標(biāo)準(zhǔn)SY/T5185-2008)，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要加入一定質(zhì)量的目標(biāo)支撐劑(常用支撐劑類型有石英砂、覆膜砂、陶粒等，支撐劑規(guī)格有70/140目、40/70目、30/50目、20/40目等)，充分?jǐn)嚢?，配制成一定砂?壓裂砂比一般在5％～50％左右，可根據(jù)實(shí)際施工或壓裂方案要求設(shè)定實(shí)驗(yàn)砂比)的待測攜砂液；

(3)開啟升降器33，把支撐劑托盤31降低到可視化懸砂測定容器2的懸砂測定容器內(nèi)筒21的最低處；

(4)把配制好的待測攜砂液加入可視化懸砂測定容器2直至內(nèi)筒21標(biāo)注的攜砂液液位7處，當(dāng)攜砂液加入結(jié)束后，迅速通過升降器33把支撐劑托盤31升起到支撐劑托盤標(biāo)定位置6后，對重量傳感器32顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行清零；與此同時(shí)，計(jì)時(shí)控制器34開始自動(dòng)計(jì)時(shí)；

(5)實(shí)驗(yàn)過程中，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)5自動(dòng)開始采集攜砂液中支撐劑沉降到托盤上的質(zhì)量、支撐劑沉降持續(xù)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)溫度等信號，并通過軟件處理，實(shí)時(shí)顯示沉沙量與時(shí)間的關(guān)系曲線；

(6)當(dāng)支撐劑全部沉降至托盤31后，關(guān)閉溫度控制系統(tǒng)4，結(jié)束數(shù)據(jù)采集，結(jié)束本次測試實(shí)驗(yàn)。

需要說明的是，以上步驟僅用于進(jìn)一步說明本發(fā)明，但不限制本發(fā)明。

綜上所述，本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)采用本裝置及實(shí)驗(yàn)方法開展實(shí)驗(yàn)，不僅能得到沉降速率這一指標(biāo)，而且在實(shí)驗(yàn)過程中能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的得到一定實(shí)驗(yàn)溫度下的攜砂液中支撐劑沉降量隨時(shí)間的變化情況，能定量的、準(zhǔn)確的給出支撐劑在壓裂液中的沉降量與時(shí)間的關(guān)系曲線，從而可對支撐劑在壓裂液中的沉降及懸砂變化規(guī)律進(jìn)行分析；

(2)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)有加熱及溫度控制系統(tǒng)，能模擬交聯(lián)壓裂液在儲(chǔ)層溫度條件下壓裂液自然破膠過程中的懸砂能力的變化情況，比起目前常用的常溫懸砂實(shí)驗(yàn)，更符合現(xiàn)場壓裂的實(shí)際情況，更能客觀真實(shí)的反映壓裂液的懸砂及攜砂能力；

(3)整個(gè)裝置與液體接觸部分都進(jìn)行了耐腐蝕處理或采用耐腐蝕材料，實(shí)驗(yàn)范圍廣，不僅能開展常規(guī)滑溜水、壓裂液等液體的懸砂實(shí)驗(yàn)，而且能開展地面交聯(lián)酸等腐蝕性液體的懸砂評價(jià)實(shí)驗(yàn)；

(4)利用本發(fā)明得到的支撐劑沉降量與時(shí)間的關(guān)系曲線，比起目前常規(guī)方法得到的沉降時(shí)間、沉降速率指標(biāo)，更能定量地、客觀地反映出支撐劑在壓裂液中的變化情況及沉降規(guī)律；

(5)本發(fā)明涉及實(shí)驗(yàn)中，所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集及分析都實(shí)現(xiàn)了的自動(dòng)計(jì)量、顯示及分析，計(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)處理可生成原始數(shù)據(jù)報(bào)表、分析曲線圖及數(shù)據(jù)庫文件格式，以便用戶靈活使用；整個(gè)實(shí)驗(yàn)排除了人為計(jì)量產(chǎn)生的誤差，實(shí)驗(yàn)過程簡單，操作安全方便。本發(fā)明原理可靠，測試操作過程簡單，進(jìn)一步豐富了壓裂液懸砂能力測定的手段，可為壓裂液及支撐劑的優(yōu)選評價(jià)、壓裂方案的優(yōu)化提供良好的理論及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，具有廣闊應(yīng)用前景。

相關(guān)技術(shù)術(shù)語的名詞解釋雖然已經(jīng)參考優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以對其進(jìn)行各種改進(jìn)并且可以用等效物替換其中的部件。尤其是，只要不存在結(jié)構(gòu)沖突，各個(gè)實(shí)施例中所提到的各項(xiàng)技術(shù)特 征均可以任意方式組合起來。本發(fā)明并不局限于文中公開的特定實(shí)施例，而是包括落入權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有技術(shù)方案。