一种可实现三维流场测试的可视化平板裂缝装置

摘要

本发明公开了一种可实现三维流场测试的可视化平板裂缝装置，由压裂液配制罐1、输送泵3、模拟井筒4、平板裂缝7、出口立管8、压力计9、流量计11、废液处理罐12、PIV激光仪5、PTV光源6、CCD相机18组成，压裂液配制罐1通过输送泵3连接模拟井筒4的顶端，模拟井筒4与平板裂缝7连通，平板裂缝连接出口立管8，出口立管连接废液处理罐12；所述平板裂缝7由不少于两段、空间连通的缝状流动通道串联而成。PIV激光仪5和CCD相机18组成粒子图像测速仪，测试平板裂缝中流体速度场。PTV光源6和CCD相机18组成颗粒追踪测速仪，测试平板裂缝中颗粒速度场。本发明可获得流场区域内压裂液和支撑剂的速度分布，为水力压裂施工参数优化、支撑剂优选提供依据。

权利要求

1.一种可实现三维流场测试的可视化平板裂缝装置，由压裂液配制罐（1）、输送泵（3）、模拟井筒（4）、平板裂缝（7）、出口立管（8）、压力计（9）、流量计（11）、废液处理罐（12）、PIV激光仪（5）、PTV光源（6）、CCD相机（18）组成，其特征在于，所述压裂液配制罐（1）包含搅拌机（13）、进液口（15）和支撑剂进口（14），压裂液配制罐（1）通过阀门（2）、输送泵（3）连接模拟井筒（4）的顶端，模拟井筒（4）通过模拟射孔孔口与平板裂缝（7）连通，平板裂缝（7）连接出口立管（8），出口立管（8）通过压力计（9）、流量调节阀（10）、流量计（11）连接废液处理罐（12）；所述平板裂缝（7）由不少于两段、空间连通的缝状流动通道串联而成，每段流动通道包含两块竖立且平行放置的透明平板和两幅用于固定的外框架，在透明平板之间上下两端采用有机玻璃长条支撑平板，有机玻璃长条和平板之间粘接密封，形成流动通道；两幅框架上下两端布置有对称的螺孔，将流动通道镶嵌于两幅框架内，用螺栓进行连接固定；在每幅框架中间的矩形区域有多个上下方向的辐条，辐条通过框架上下两端布置的辐条卡槽进行固定，平衡平板内部流体流动过程中产生的向外扩张压力；平板裂缝（7）放置于支座（17）上，形成垂直缝；所述PIV激光仪（5）和CCD相机（18）组成粒子图像测速仪，用于测试平板裂缝中流体速度场；所述PTV光源（6）和CCD相机（18）组成颗粒追踪测速仪，用于测试平板裂缝中颗粒速度场。

2.如权利要求1所述的一种可实现三维流场测试的可视化平板裂缝装置，其特征在于，所述PIV激光仪（5）和CCD相机（18）组成粒子图像测速仪，测试平板裂缝中流体速度场时，激光片光源自平板裂缝顶部的有机玻璃长条射入流动通道之中，采用CCD相机（18）从平板裂缝正面接收被流场中示踪粒子反射的激光，将示踪粒子的运动图像传输至电脑，通过处理软件分析得到测试区域压裂液的速度场。

3.如权利要求1所述的一种可实现三维流场测试的可视化平板裂缝装置，其特征在于，所述PTV光源（6）和CCD相机（18）组成颗粒追踪测速仪，测试平板裂缝中颗粒速度场时，自平板裂缝一侧入射体光源，光源穿透流场中支撑剂颗粒间隙后光强度不一，在平板裂缝另一侧采用CCD相机（18）接收穿透后的光线产生图像，传输至电脑，通过处理软件获得支撑剂颗粒的速度场。

说明书

一种可实现三维流场测试的可视化平板裂缝装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种可实现三维流场测试的可视平板裂缝实验装置，属于油气田开发和实验流体力学研究技术领域。

背景技术

[0002] 水力压裂是油气田开发的重要技术，是油气藏增产改造的一项重要手段。其主要过程是通过地面泵注高压流体在地层憋开裂缝，然后依次注入不含支撑剂颗粒的前置液使裂缝延伸，进而注入压裂液和支撑剂颗粒混合物使裂缝中充填一定的支撑剂颗粒。施工完成后，闭合裂缝被支撑剂颗粒所支撑，从而形成具有高导流能力的油气向井筒流动的通道。

[0003] 由于密度一般大于压裂液的密度，支撑剂颗粒在被压裂液携带进入裂缝后运移时会同时不断沉降至裂缝底部，其沉降规律受支撑剂颗粒性质（密度、大小）、压裂液性质（密度、流变性）、裂缝几何参数（宽度、射孔位置等）和流动参数（速度、支撑剂浓度）等众多因素所影响，规律异常复杂（Yajun Liu. Settling and Hydrodynamic Retardation of Proppants in Hydraulic Fractures[D]. Ph.D Thesis, The University of Texas, 2006）。

[0004] 针对支撑剂颗粒在裂缝中的运移沉降机理，大量研究从实验、理论分析及数值模拟等方面得到了开展，提出了众多的理论模型以及经验公式，为工程应用提供了依据（J.Wang,D.D.Joseph,N.A.Patankar,et al.Bi-power law correlations for sediment transport in pressure driven channel flows[J].Int.J.Multiphase Flow, 2003,29 (3):475-494）。其中，在各类实验装置中开展的支撑剂输送实验研究是认识裂缝中支撑剂输送规律，以及建立相应理论模型的重要基础（Y.Liu,M.M.Sharma.Effect of fracture width and fluid rheology on  proppant settling and retardation: An Experimental study[C].presented at the SPE Annual Technical Conference, Dallas, 2005）。

[0005] 迄今为止，最典型的研究地层水力裂缝中支撑剂输送的实验装置为平板裂缝，无论是最常用的低压可视化透明平板裂缝（Yajun Liu. Settling and Hydrodynamic Retardation of Proppants in Hydraulic Fractures[D]. Ph.D Thesis, The University of Texas, 2006），还是高压不可视的金属平板裂缝（University of Oklahoma. Fracturing Fluid Characterization Facility[R]. Report No. DE - FC 
21 - 92MC29077,2000），以及各类复杂结构网络裂缝（Rakshit Sahai. laboratory results of proppant transport in complex fracture systems[D].Colorado School of Mines,2014），它们都具有共同的特征，即由多个平板缝流动通道连接而成。根据对现有相关装置的研究分析发现，采用这些装置可以实现高温高压、复杂缝网等因素下支撑剂输送铺置过程的实验，但却无法对该过程中压裂液和支撑剂颗粒的速度场进行有效的测量，当然也很难准确地理解裂缝中流体和颗粒的运动规律。

[0006] 对流动流体，速度是最为重要的流场描述参数，只有掌握流体的速度分布才能真正掌握流动的规律。目前有大量的仪器及方法可以对流场中的速度进行测量，如对流场侵入式的测速仪毕托管和探针、非侵入式的激光多普勒测速仪和粒子图像测速仪（Particle Image  Velocity，PIV），以及针对固相的颗粒追踪测速仪（Particle Tracking Velocimetry, PTV）等。目前，有大量研究将这些仪器或装置用于各类流场测试中，取得了很有意义的成果（秦浩,肖姚,宋文武,等. 大雷诺数下方柱绕流PIV试验及数值模拟[J].工程热物理学报，2018,39(8):1731-1737；康文.基于相分离的PIV-PTV两相流测量技术研究及动态测量系统[D].上海大学，2007）。

[0007] 基于此，本发明提出一种新的平板裂缝装置结构，满足采用速度测量设备对对裂缝中三维流场测试的要求。

发明内容

[0008] 本发明目的在于提供一种可实现三维流场测试的可视化平板裂缝装置，该装置能模拟水力压裂过程中的支撑剂输送铺置过程且结合先进的流场测试设备，获得指定流场区域内压裂液和支撑剂的速度分布，从而量化压裂液和支撑剂在裂缝中流动的参数及相互作用规律，为油气田开采的水力压裂施工参数优化、支撑剂优选提供理论依据。

[0009] 为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

[0010] 本发明涉及一种模拟水力压裂时地层裂缝的可视平板裂缝装置，具备能实现缝内压裂液和支撑剂颗粒三维速度场测试功能，该装置由压裂液配置罐、输送泵、模拟井筒、可视化平板裂缝、压裂液回收罐、阀门、流量计、压力计和管线依次连接而成。通过在平板裂缝顶部设置激光片光源入射通道和侧面反射光通道，以及平板裂缝外框架固定方式的控制，为裂缝中压裂液流场的PIV测量奠定了基础。同时，通过平板两侧压制辐条的可调式设计及安装，为支撑剂颗粒速度场的PTV测量提供了可能性。本发明能实现实验过程中支撑剂运移和沉降的可视化，并且对指定区域的压裂液和支撑剂速度场进行精确测量，为深入研究裂缝中支撑剂输送铺置规律提供了重要支撑。

[0011] 一种可实现三维流场测试的可视化平板裂缝装置，主要由压裂液配置罐、输送泵、模拟井筒、可视化平板裂缝、出口立管、排出液回收罐、连接管路、平板裂缝支座、压力表、控制阀、流量计组成。

[0012] 所述压裂液配置罐为圆柱形罐体，包含进液口、支撑剂进口、罐体自身、搅拌机、出料口和回料口，所述出料口通过管路连接混合物输送泵入口，泵出口通过管线与圆柱形模拟井筒顶端连接。混合物自模拟井筒顶端进入后，通过与平板连通的模拟射孔孔口流入平板裂缝中。

[0013] 所述平板裂缝由多段空间连通的缝状流动通道串联而成，每段流动通道包含两块竖立且平行放置的透明平板和两幅用于固定的外框架。为了在透明平板之间形成从前至后的流动通道，平板间上下两端采用具有一定宽度的有机玻璃长条支撑平板，有机玻璃长条和平板之间进行粘接密封，从而形成可视化的平板裂缝流动通道。将可视化平板裂缝流动通道镶嵌于两幅框架内进行固定，使其能够承受实验过程中较高的流体压力。为了实现框架对平板的固定，在两幅框架上下两端加工足够多个对称布置的螺孔，用于螺栓连接。

[0014] 透明平板尺寸较大，为了平衡其内部流体流动过程中产生的向外扩张压力，在每幅框架中间的矩形区域采用多个上下方向的辐条对其进行压制，辐条通过框架上下两端所加工的辐条卡槽进行固定。

[0015] 为了实现平板裂缝中压裂液和支撑剂速度场的测试，本发明利用粒子图像测速仪和颗粒追踪测速仪分别实现不同对象的流场速度测试。采用PIV进行流场测试时，激光片光源平行于流动方向自平板裂缝顶部的有机玻璃长条射入流动通道之中，采用CCD相机从平板裂缝正面接收被流场中示踪粒子反射的激光，从而获得示踪粒子的运动图像，并传输至电脑保存，然后采用PIV装置后处理软件即可分析得到测试区域流体的速度场。为了满足激光入射和反射不被遮挡的问题，安装时两幅框架顶部之间需留有足够的间隙（即光源入射通道），同时不安装入射光经过区域的螺栓，避免螺栓对入射光路的阻挡。入射后的激光自玻璃平板正面反射被CCD接收，为了不阻挡反射光的路线，不安装相应位置的压制辐条。PIV激光器入射光为片光源，单次可以直接测量平行于流动方向某个面的速度场，同时采用两台CCD即可得到该平面上三维速度矢量。若需不同平面的三维速度场，可沿垂直于流动方向前后移动片光源，再次测量即可。

[0016] 采用PTV测试平板裂缝中颗粒速度场时，自平板裂缝一侧入射体光源，光源穿透流场中支撑剂颗粒间隙后光强度不一，在平板另一侧采用CCD接收穿透后的光线产生图像，传输至电脑保存。通过PTV装置后处理软件即可获得颗粒速度场。测试过程中为了避免光路被遮挡，透明平板测试位置两侧框架上的辐条被取掉。

[0017] 每段带框架平板流动通道之间通过框架前后端上螺孔中的螺栓进行连接和固定，从而组成可以多段串联、可调节长度的平板裂缝模型。整个平板裂缝出口处连接一割缝圆形立管，流体自割缝位置流入立管后自上端流出，进入出口管汇，并最后流入回收罐。平板裂缝放置于支座上，形成垂直缝。

[0018] 利用上述装置测试平板裂缝中流体、颗粒速度场的方法，依次包括以下步骤：

[0019] （1）根据所需开展实验内容，如滑溜水携支撑剂输送实验或者冻胶携支撑剂输送实验等，确定所需要的平板裂缝流动通道的段数；

[0020] （2）确定需要进行液相速度场和支撑剂颗粒速度场测试的流场区域；

[0021] （3）对透明平板裂缝实验段进行组装、固定和连接，即先安装单段平板裂缝固定框架并进行段间连接，该过程中保证所需流场测试区域的两侧辐条和裂缝顶端框架连接螺栓不进行安装；

[0022] （4）将组装后的平板裂缝固定于支座上，形成垂直裂缝；

[0023] （5）依次将压裂液配置罐、输送泵、控制阀门、流量计、压力表、模拟井筒、平板裂缝、出口立管、回收罐采用管线连接起来；

[0024] （6）检查系统的密封性；

[0025] （7）选择流场测试类型（压裂液流场、支撑剂速度场或者两者同时进行）；

[0026] （8）按照PIV或PTV装置安装的相关流程在需要流场测量的位置安装好相应设备，调试完毕后准备实验测量；

[0027] （9）在液罐中配置冻胶前置液；

[0028] （10）打开阀门，启动泵，让罐中的冻胶缓慢注入管线和平板裂缝中，充满后静置，关闭泵；

[0029] （11）再次配置好冻胶携砂液，然后加入所需的支撑剂颗粒和微球示踪粒子，搅拌使其充分混合；

[0030] （12）启动泵，调节电机按照所设计的实验排量向平板裂缝中注入携砂液；

[0031] （13）记录流量、压力等相关数据；

[0032] （14）根据需要，启动PIV或者PTV装置，开展所设定位置的流场测量，获取流动图像；

[0033] （15）采用处理软件处理所获得的图像，得到压裂液或支撑剂颗粒的速度场。

[0034] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过对平板裂缝的结构重新设计，可以实现先进的流场测量设备对所关心区域的压裂液和支撑剂速度场进行测量，克服了传统装置中只能进行定性观测和描述的缺点，为支撑剂在裂缝中输送铺置规律的研究提供更好的技术手段。

附图说明

[0035] 图1 为一种可实现三维流场测试的平板裂缝装置的结构示意图。

[0036] 图2 为图1中可视化流动通道结构图。

[0037] 图3 为图2中不锈钢框架结构图。

[0038] 图中：1、压裂液配制罐；2、阀门；3、输送泵；4、模拟井筒；5、PIV激光仪；6、PTV光源；7、平板裂缝；8、出口立管；9、压力计；10、流量调节阀；11、流量计；12、废液处理罐；13、搅拌机；14、支撑剂进口；15、进液口；16、管线；17、支座；18、CCD相机。

具体实施方式

[0039] 以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。

[0040] 如图1、图2、图3所示。

[0041] 一种可实现三维流场测试的可视化平板裂缝装置，由压裂液配制罐1、输送泵3、模拟井筒4、平板裂缝7、出口立管8、压力计9、流量计11、废液处理罐12、PIV激光仪5、PTV光源6、CCD相机18组成，所述压裂液配置罐1包含搅拌机13、进液口15和支撑剂进口14，所述压裂液配制罐1通过阀门2、输送泵3、管线16连接模拟井筒4的顶端，模拟井筒4通过模拟射孔孔口与平板裂缝7连通，平板裂缝7连接出口立管8，出口立管8通过压力计9、流量调节阀10、流量计11、管线连接废液处理罐12。

[0042] 所述平板裂缝7由不少于两段、空间连通的缝状流动通道串联而成，每段流动通道包含两块竖立且平行放置的透明平板和两幅用于固定的外框架，在透明平板之间上下两端采用具有一定宽度的有机玻璃长条支撑平板，有机玻璃长条和平板之间粘接密封，形成流动通道；两幅框架上下两端布置有对称的螺孔，将流动通道镶嵌于两幅框架内，用螺栓进行连接固定。

[0043] 每段流动通道之间也通过框架螺孔中的螺栓进行连接和固定，形成多段串联、长度可调的平板裂缝。

[0044] 在每幅框架中间的矩形区域有多个上下方向的辐条，辐条通过框架上下两端布置的辐条卡槽进行固定，平衡平板内部流体流动过程中产生的向外扩张压力。

[0045] 所述平板裂缝7放置于支座17上，形成垂直缝。

[0046] 所述PIV激光仪5和CCD相机18组成粒子图像测速仪，用于测试平板裂缝中流体速度场。

[0047] 所述PTV光源6和CCD相机18组成颗粒追踪测速仪，用于测试平板裂缝中颗粒速度场。

[0048] 采用PIV测试平板裂缝中流体速度场时，激光片光源自平板裂缝顶部的有机玻璃长条射入流动通道之中，采用CCD相机18从平板裂缝正面接收被流场中示踪粒子反射的激光，将示踪粒子的运动图像传输至电脑，通过处理软件可分析得到测试区域压裂液的速度场。

[0049] 采用PTV测试平板裂缝中颗粒速度场时，自平板裂缝一侧入射体光源，光源穿透流场中支撑剂颗粒间隙后光强度不一，在平板裂缝另一侧采用CCD相机18接收穿透后的光线产生图像，传输至电脑，通过处理软件可获得支撑剂颗粒的速度场。

[0050] 利用上述实验装置进行三维流场测试的方法，步骤如下：

[0051] 1、制作如图2所示可视化平板裂缝流动通道，在此选取长度为2.0 m，高度为0.62 m，厚2.0 cm的四块透明有机玻璃板。分别用两块玻璃板在其上下端用长2.0 m（也可以多个玻璃条连接而成）、高1.0 cm、厚1.0 cm的有机玻璃长条粘接，从而形成长2.0 m、高0.6 m、宽1.0 cm的流动通道；

[0052] 2、制作四块图3所示不锈钢框架，框架总长为2.0 m、总高0.68 m、厚度为1.0 cm。框架内部无材料区域大小为1.9 m×0.6 m，顶部和底部各有高为3.0 cm部分向内突出1.0 cm厚度，并在突出部分中心位置等间距加工9个螺栓孔（从进口向出口方向编号依次为①、②、③、……、⑨），孔径为1 cm，孔间距为0.2 m。同时，在框架上内侧沿上下方向设置7个间距为0.25 m的辐条卡槽（从进口到出口方向编号依次为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、……、Ⅶ），卡槽高度1.0 cm、宽度2.0 cm、深度0.5 cm。此外，框架前端和后端均设置向前和向后连接的幅板并开设螺栓孔；

[0053] 3、 确定距平板裂缝进口端1.5 m为中心，宽0.4 m的区域为实验流场测试区；

[0054] 4、在可视化玻璃平板通道上安装外框架，其中框架上侧⑦号和⑧号螺栓不进行安装，同时框架两侧Ⅵ号辐条也不进行安装；

[0055] 5、按照图1所示，依次连接系统的所有构件；

[0056] 6、在压裂液配置罐中注入约300 L清水，打开阀门并启动泵，检查系统的密封性能；

[0057] 7、按照PIV装置（光源5、CCD18）或者PTV装置（光源6、CCD18）的安装要求，在平板裂缝装置需流场测试位置安装好测试装置；

[0058] 8、完成测试装置（PIV和PTV）工作状态调试；

[0059] 9、在压裂配置罐内配置300 L前置液；

[0060] 10、运行注入泵，用前置液将管线及裂缝中清水排出，使整个循环系统内充满前置液；

[0061] 11、在压裂液配置罐内配置300 L压裂液，并加入支撑剂和微球示踪粒子搅拌均匀，维持搅拌状态；

[0062] 12、启动输送泵向裂缝内注入压裂液和支撑剂混合液，通过阀门控制流量达到实验工况；

[0063] 13、启动PIV或者PTV装置开展流场测试，获得流动过程的测试图像；

[0064] 14、采用PIV测试时，可以调整激光片光源前后的位置，获得不同流面的速度场图像；

[0065] 15、测试完成后关停泵，停止实验；

[0066] 16、对装置内液体进行回收和处理，清洗管路及平板裂缝；

[0067] 17、采用PIV或者PTV后处理软件分析处理实验过程中所获得的图像，得到测试位置流体相速度场（PIV测试）或颗粒相速度场（PTV测试）。

[0068] 上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过以上描述或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。