【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于水力压裂室内物理模拟试验，具体涉及一种模拟水平井加砂压裂套管孔眼冲蚀的实验装置及方法。
技术介绍
1、随着能源的不断开发和利用，常规油气能源逐渐不能满足需要，传统常规能源开发逐渐转向非常规油气开发，非常规油气正转变为“新常规”。实现非常规油气资源规模化、效益化开发，水平井分段压裂和体积压裂技术是必要技术手段。大排量携砂压裂施工具有大排量、高泵压、长时间的特点，在足够压开地层的压力下，高排量的携砂压裂液通过油气井的射孔孔眼挤入地层，极易对产层套管柱尤其是射孔孔眼处造成冲蚀磨损。
2、目前，压裂过程中套管孔眼的冲蚀磨损会致使套管柱强度降低，并可能进一步诱发套管变形失效等事故，在大规模压裂后，产层套管变形损坏问题频繁发生，已成为制约非常规油气安全高效开发的技术难题之一。但是，大排量加砂压裂对套管孔眼冲蚀的影响规律和影响机理尚不明确，关于固液相冲蚀的研究对象多集中于地面管线和设备，而对于井筒的冲蚀研究很少，并且用于大排量加砂压裂过程套管孔眼冲蚀的物理模拟实验装置鲜见报道，无法为模拟实际工况下套管孔眼的冲蚀行为测试研究提供装备支撑和评价依据。
3、因此，建立一套模拟水平井加砂压裂过程中套管孔眼冲蚀的实验装置，形成一套加砂压裂套管孔眼冲蚀实验方法，对大排量加砂压裂过程中套管孔眼冲蚀的评价和控制具有重要意义。
技术实现思路
1、本专利技术旨在针对现有技术存在的技术问题，提供一种模拟水平井加砂压裂套管孔眼冲蚀的实验装置及方法，对模拟工况下压裂过程中套管孔眼的冲
2、为实现以上技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
3、一种模拟水平井加砂压裂套管孔眼冲蚀的实验装置，所述实验装置包括压裂液输送系统、加砂混砂系统、冲蚀测试系统及监测控制系统；
4、所述压裂液输送系统包括蓄液池、液体涡轮流量计和柱塞泵，所述蓄液池、液体涡轮流量计和柱塞泵通过供液管道依次连接；
5、所述加砂混砂系统包括依次连接的加砂系统和混砂搅拌系统，所述加砂系统包括支撑剂储罐、高压源和加砂罐，所述混砂搅拌系统包括预混室、混砂室、搅拌室和含砂浓度监测仪；其中，支撑剂储罐、加砂罐通过供砂管道依次连接，加砂罐外接高压源，加砂罐顶部安装有变频电机，用于给加砂罐内置的输砂螺杆提供动力，加砂罐下部与预混室相连，预混室通过下部的出砂口与混砂室相连，混砂室与搅拌室相连；
6、所述冲蚀测试系统包括模拟地层裂缝、套管短节、恒压溢流阀和若干冲蚀实验短节，其中，冲蚀实验短节和套管短节之间、冲蚀实验短节和模拟地层裂缝之间均通过法兰连接，模拟地层裂缝通过输出管线与恒压溢流阀连接；所述混砂室和柱塞泵通过输液管连接，搅拌室和冲蚀实验短节通过混输管线连接；
7、所述监测控制系统包括pc终端、流量控制器、含砂浓度控制器和相控超声探测器，其中，pc终端分别与流量控制器、含砂浓度控制器和相控超声探测器相连接，流量控制器与液体涡轮流量计和柱塞泵相连，含砂浓度控制器与变频电机和含砂浓度监测仪连，相控超声探测器与设在冲蚀实验短节上的相控超声探头连接。
8、进一步地，所述实验装置还包括循环回收系统，所述循环回收系统包括分离器、支撑剂回收罐和压裂液循环管线，其中，所述分离器第一端连通恒压溢流阀，所述分离器的第二端通过回收管线连接支撑剂回收罐，所述分离器的第三端通过压裂液循环管线连接压裂液输送系统的蓄液池。
9、进一步地，压裂液输送系统中，所述蓄液池和液体涡轮流量计之间的管道上设置有供液阀门；所述柱塞泵上设有压力表。
10、进一步地，加砂混砂系统中，所述加砂罐上部设有进砂口、高压注入口；所述进砂口通过供砂管道连通支撑剂储罐，并在供砂管道上靠近支撑剂储罐设置有支撑剂供应阀，在供砂管道上靠近进砂口设置有进砂阀门；所述高压注入口通过高压管线连接高压源，并在高压管线上靠近高压注入口设置有高压注入阀。
11、进一步地，加砂混砂系统中，所述预混室的出砂口上部设有砂粒截止阀；所述搅拌室内设有涡轮，所述涡轮采用耐磨材质。
12、进一步地，冲蚀测试系统中，所述冲蚀实验短节由实验管体、o形密封圈和实验试样组装而成；所述o形密封圈设置在实验管体和实验试样之间；所述实验试样外围的实验管体上设置有第一连接法兰，用于和模拟地层裂缝端部设置的第二连接法兰固定连接，并在实验试样与模拟地层裂缝之间设置有垫片。
13、更进一步地，所述实验管体两端设有可调节安装角度的法兰盘，可模拟孔眼在0～360°相位角时的冲蚀情况。
14、更进一步地，所述实验试样为圆柱形台阶状，中心设有模拟射孔孔眼；所述实验试样上还设有密封槽，用于安装o形密封圈。
15、更进一步地，所述实验试样的内壁面弧度与实验管体内壁弧度一致，所述套管短节与实验管体内径相同。
16、进一步地，所述输液管为高压管，所述混输管为耐冲蚀磨损的高压软管；所述输砂螺杆、混砂室、搅拌室、实验管体、垫片、模拟地层裂缝、输出管线均采用耐磨材质；所述加砂罐为压力容器。
17、本专利技术还提供一种模拟水平井加砂压裂套管孔眼冲蚀的实验方法，采用如上所述的任一种模拟水平井加砂压裂套管孔眼冲蚀的实验装置，所述实验方法包括以下步骤：
18、步骤s01：加工处理实验试样；
19、步骤s02：组装实验短节，并根据实验要求，将一个或多个实验短节通过法兰连接到冲蚀测试系统中；
20、步骤s03：配置足量的实验用压裂液于蓄液池中，并准备足量的实验用支撑剂于支撑剂储罐中，开启支撑剂供应阀和进砂阀门向加砂罐中加入一定量支撑剂，检查并关闭所有仪器和阀门；
21、步骤s04：打开pc端检查控制器和传感器运行情况，确保控制器和传感器都能正常工作后，操作pc终端控制相控超声探测器通过相控超声探头对实验前的孔眼进行超声探测，得到未被冲蚀的孔眼形貌以便与冲蚀后的孔眼形貌进行对比分析；
22、步骤s05：超声探测结束后，开启供液阀门，操作pc终端通过流量控制器开启柱塞泵并控制泵排量达到实验所需排量qp，同时流量控制器将从液体涡轮流量计接收到流量数据qr以及从压力表接受到的压力数据pb返回pc终端，pc终端自动对比qp和qr的大小，并根据实验所需排量通过流量控制器自动对泵排量进行微调，直至液体涡轮流量计测得的流量qr与实验所需排量qp相等，调节恒压溢流阀的开启压力阈值p0，设定模拟地层压力；
23、步骤s06：泵排量稳定后，操作pc终端调节高压源的输出压力pg，开启高压注入阀和砂粒截止阀，操作pc终端控制变频电机带动输砂螺杆旋转，将支撑剂泵入混砂室内与压裂液混合，并通过搅拌室搅拌均匀后进入混输管内，含砂浓度监测仪实时监测混合溶液中含砂浓度cr并将数据返回pc终端，pc终端自动对比cr和实验所需含砂浓度cp的大小，并根据实验所需排量通过流量控制器自动对泵排量进行微调，并自动对变频电机的频率本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种模拟水平井加砂压裂套管孔眼冲蚀的实验装置，所述实验装置包括压裂液输送系统、加砂混砂系统、冲蚀测试系统及监测控制系统，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，还包括循环回收系统，所述循环回收系统包括分离器(9)、支撑剂回收罐(10)和压裂液循环管线(15)，其中，所述分离器(9)第一端连通恒压溢流阀(8)，所述分离器(9)的第二端通过回收管线(14)连接支撑剂回收罐(10)，所述分离器(9)的第三端通过压裂液循环管线(15)连接压裂液输送系统的蓄液池(1)。
3.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，压裂液输送系统中，所述蓄液池(1)和液体涡轮流量计(3)之间的管道上设置有供液阀门(16)；所述柱塞泵(4)上设有压力表(401)。
4.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，加砂混砂系统中，所述加砂罐(501)上部设有进砂口(504)、高压注入口(512)；所述进砂口(504)通过供砂管道(13)连通支撑剂储罐(11)，并在供砂管道(13)上靠近支撑剂储罐(11)设置有支撑剂供应阀(12)，在供砂管道(13)上靠
5.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，加砂混砂系统中，所述预混室(510)的出砂口(509)上部设有砂粒截止阀(511)；所述搅拌室(506)内设有涡轮(505)，所述涡轮(505)采用耐磨材质。
6.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，冲蚀测试系统中，所述冲蚀实验短节(702)由实验管体(710)、O形密封圈(713)和实验试样(711)组装而成；所述O形密封圈(713)设置在实验管体(710)和实验试样(711)之间；所述实验试样(711)外围的实验管体(710)上设置有第一连接法兰，用于和模拟地层裂缝(703)端部设置的第二连接法兰固定连接，并在实验试样(711)与模拟地层裂缝(703)之间设置有垫片(712)。
7.根据权利要求6所述的实验装置，其特征在于，所述实验管体(710)两端设有可调节安装角度的法兰盘(701)，可模拟孔眼在0～360°相位角时的冲蚀情况。
8.根据权利要求6或7所述的实验装置，其特征在于，所述实验试样(711)为圆柱形台阶状，中心设有模拟射孔孔眼(721)；所述实验试样(711)上还设有密封槽(722)，用于安装O形密封圈(713)。
9.根据权利要求6所述的实验装置，其特征在于，所述实验试样(711)的内壁面弧度与实验管体(710)内壁弧度一致，所述套管短节(704)与实验管体(710)内径相同。
10.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述输液管(5)为高压管，所述混输管(7)为耐冲蚀磨损的高压软管；所述输砂螺杆(508)、混砂室(507)、搅拌室(506)、实验管体(710)、垫片(712)、模拟地层裂缝(703)、输出管线(706)均采用耐磨材质；所述加砂罐(501)为压力容器。
11.一种模拟水平井加砂压裂套管孔眼冲蚀的实验方法，采用如权利要求1-10任一项所述的实验装置，其特征在于，所述实验方法包括以下步骤：
12.根据权利要求11所述的实验方法，其特征在于，所述步骤S01具体包括：
13.根据权利要求11所述的实验方法，其特征在于，所述步骤S02中，根据实验要求，将一个或多个实验短节(702)通过法兰连接到冲蚀测试系统中，具体包括：
14.根据权利要求11所述的实验方法，其特征在于，所述步骤S08中，若加砂罐中支撑剂不足实验用量，则中止实验，然后开启支撑剂供应阀(12)和进砂阀门(503)向加砂罐(501)中加入一定量支撑剂，并依次重复步骤S05、S06和S08继续进行实验至实验结束，转入步骤S09。
15.根据权利要求11所述的实验方法，其特征在于，所述步骤S09中，关闭变频电机(502)停止进砂，关闭柱塞泵(4)、分离器(9)和所有阀门，具体包括：关闭变频电机(502)停止进砂，柱塞泵(4)继续工作将压裂液继续泵入冲蚀测试系统中对其进行冲洗，没有残留支撑剂后关闭柱塞泵(4)、分离器(9)和所有阀门。
...【技术特征摘要】
1.一种模拟水平井加砂压裂套管孔眼冲蚀的实验装置，所述实验装置包括压裂液输送系统、加砂混砂系统、冲蚀测试系统及监测控制系统，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，还包括循环回收系统，所述循环回收系统包括分离器(9)、支撑剂回收罐(10)和压裂液循环管线(15)，其中，所述分离器(9)第一端连通恒压溢流阀(8)，所述分离器(9)的第二端通过回收管线(14)连接支撑剂回收罐(10)，所述分离器(9)的第三端通过压裂液循环管线(15)连接压裂液输送系统的蓄液池(1)。
3.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，压裂液输送系统中，所述蓄液池(1)和液体涡轮流量计(3)之间的管道上设置有供液阀门(16)；所述柱塞泵(4)上设有压力表(401)。
4.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，加砂混砂系统中，所述加砂罐(501)上部设有进砂口(504)、高压注入口(512)；所述进砂口(504)通过供砂管道(13)连通支撑剂储罐(11)，并在供砂管道(13)上靠近支撑剂储罐(11)设置有支撑剂供应阀(12)，在供砂管道(13)上靠近进砂口(504)设置有进砂阀门(503)；所述高压注入口(512)通过高压管线(514)连接高压源(18)，并在高压管线(514)上靠近高压注入口(512)设置有高压注入阀(513)。
5.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，加砂混砂系统中，所述预混室(510)的出砂口(509)上部设有砂粒截止阀(511)；所述搅拌室(506)内设有涡轮(505)，所述涡轮(505)采用耐磨材质。
6.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，冲蚀测试系统中，所述冲蚀实验短节(702)由实验管体(710)、o形密封圈(713)和实验试样(711)组装而成；所述o形密封圈(713)设置在实验管体(710)和实验试样(711)之间；所述实验试样(711)外围的实验管体(710)上设置有第一连接法兰，用于和模拟地层裂缝(703)端部设置的第二连接法兰固定连接，并在实验试样(711)与模拟地层裂缝(703)之间设置有垫片(712)。
7....
【专利技术属性】
技术研发人员：石善志，李建民，胡显伟，潘玉婷，田刚，陈希，唐伟，曾德智，王欣桐，张新，
申请(专利权)人：中国石油天然气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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