酸压裂缝内酸液指进大尺寸可视化物理模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于油田化学及酸化压裂实验室、研究室的酸压裂缝内酸液指进大尺寸 可视化物理模拟装置及方法。

技术背景

压裂酸化是碳酸盐岩油气藏重要的增产技术之一。酸压的增产效果与人工裂缝内酸液流 动反应过程密切相关。酸压过程中缝内的酸液流动伴有酸液指进现象，弄清缝内酸液指进的 演化特征和变化规律，对准确表征酸液在裂缝内的流动反应过程极为重要。目前室内研究多 采用平行板狭缝的物理模拟装置模拟酸液流动反应过程。现有大多数酸液流动物理模拟模型 的基础为Hele-Shaw物理模型，此类装置包括以下几种类别：1.“透明玻璃平行板+透明玻璃 平行板”或者“透明树脂平行板+透明树脂平行板”模拟装置，该类装置虽能够很好地实现酸 液流动过程的可视化，但无法模拟酸岩反应，与实际酸液流动反应过程的相似性很弱；2.“透 明玻璃板+反应性岩石板”模拟装置，此类装置可实现酸岩反应条件下酸液流动反应过程的可 视化，但其温度、压差调节精度低，降低了所得结论的可靠性；3.“反应性岩石板+反应性岩 石板”模拟装置，此类装置可模拟高温高压下的酸液流动反应过程，但其流动反应过程无法 实现可视化，对分析流动反应过程中发生的酸液指进等重要现象造成了困难；4.“大小不等 的玻璃板+大理石板+钢板构成三板双缝”模拟装置，此类装置可模拟常温中低压（最高温度 达50℃，压力0.8MPa）、不同裂缝倾角及考虑酸液滤失影响下的酸岩反应可视化模拟，但是 其加热方式是热流体通过后狭缝对岩石板加热，加热速度慢，且无法保证温度的可靠和稳定 性，同时，实验设备自动化程度较低，实验人员劳动强度大，操作不便利。

因此，为完善上述装置的不足，需根据相似性原理，建立一种新的酸压裂缝内酸液指进 大尺寸可视化物理模型及方法，以满足酸液与岩石板的流动反应更符合储层真实环境，同时 实现模拟操作过程的高效便捷。

发明内容

本发明的目的是：为了在稳定的温度和压力条件下，安全便捷地模拟酸液在裂缝内的流 动和反应情况，观察酸压缝内酸液指进现象，并高效地测定相关参数，特提供一种酸压裂缝 内酸液指进大尺寸可视化物理模拟装置及方法。

为达到上述目的，本发明采取以下技术方案：酸压裂缝内酸液指进大尺寸可视化物理模 拟装置，是由液体泵注单元、模拟裂缝单元、温度、压力监测及控制单元和图像采集单元构 成，其特征在于：液体泵注单元中，储存水的储液罐用管线与高压恒流泵吸液端连接，高压 恒流泵的出液端用管线分别与盛前置液的中间容器A及盛酸液的中间容器B下端相连接，中 间容器A和中间容器B出液端用耐酸耐压管线与六通阀A连接，六通阀A出液端与模拟裂缝 单元的进液管线连接；模拟裂缝单元中，不锈钢前框架与不锈钢后盖四周用紧固螺栓固定连 接，形成六面箱体结构，不锈钢前框架上方及下方分别开设有等间距的排气孔和排液孔，不 锈钢前框架左、右两端分别开设有等间距的进液孔和出液孔，进液孔与进液管线连接，残酸 的出液孔与排液管线连接，再与六通阀B连接，六通阀B出液端用管线连接废液收集器，进 液管线与排液管线上均安装有单向阀；不锈钢前框架正中开设有矩形观察窗，其材质为耐温 耐压特种玻璃板，特种玻璃板与不锈钢前框架的接触面之间采用耐酸、耐温、耐压的胶粘剂 密封；在特种玻璃板及不锈钢后盖之间放置一块长宽略小于六面箱体内壁能与酸液反应的岩 石板，岩石板两侧与不锈钢后盖的接触面采用耐酸、耐温、耐压的胶粘剂密封；不锈钢前框 架四角及长边的中间位置安装有压力式微小位移指针；岩石板、不锈钢后盖与不锈钢前框架 之间的开阖处安装有液压夹持装置及液压泵，实施自动控制；不锈钢后盖四个顶角位置开设 有盲道，在盲道中安装岩石板的拆卸顶杆；上述六面箱体的左侧安装有旋转及紧锁装置；整 个模拟裂缝单元由装置支撑架固定支撑；温度、压力监测及控制单元，不锈钢后盖外侧嵌入 一块尺寸略大于岩石板的电加热板，在电加热板上安有加热探头，升温至岩板加热控制箱预 设的地层温度；不锈钢后盖中间位置的安装孔处设置有温度传感器，加热探头经安装孔与岩 石板接触；在不锈钢前框架的进液孔与出液孔处安装压差传感器，压差传感器与操作显示台 上的压差显示器用数据线连接；图像采集单元，图像采集器安装在模拟裂缝单元的正前方。

本装置中，在不锈钢前框架与不锈钢后盖之间形成的凹形槽中放置冻胶状硅胶片，硅胶 片的厚度为特种玻璃板与岩石板间狭缝的宽度，即模拟裂缝的宽度；不锈钢后盖内侧制作成 凹凸不平的齿状形后盖内侧粗糙面，形成酸液滤失通道，酸液滤失通道与背面排液孔相连通。

本发明装置提供的模拟方法，包含以下步骤：模拟前，首先在不锈钢前框架内放置特种 玻璃板，再在不锈钢后盖内放置岩石板，接触面均采用耐酸、耐温、耐压的胶粘剂密封，然 后在不锈钢前框架内的凹形槽中放置硅胶片；控制液压泵使液压夹持装置夹持不锈钢后盖及 岩石板缓慢上升，直至其与不锈钢前框架紧密结合，利用液压夹持装置将不锈钢后盖夹紧并 固定，停液压泵。接着，依次将不锈钢后盖四周的紧固螺栓上紧，锁紧不锈钢后盖与不锈钢 前框架并确保其密封。紧螺栓的过程中，需注意不锈钢前框架上压力式微小位移指针22的读 数是否一致，若不一致则需对紧固螺栓旋紧的程度进行微调，以确保不锈钢前框架与不锈钢 后盖之间各处受力均匀，模拟裂缝宽度一致。最后，在中间容器、中间容器中分别加入前置 液及酸液。模拟中，采用电加热板将岩石板的温度升温到岩板加热控制箱预设的温度。待温 度稳定后，采用高压恒流泵先将前置液泵入模拟裂缝单元中，使前置液充满模拟裂缝；同时 打开排气孔，排出缝内气体，以避免对实验结果造成影响；接着将酸液泵入模拟裂缝单元中， 酸液经单向阀可由不同的进液孔进入模拟裂缝中，同时图像采集器透过矩形观察窗记录酸液 在模拟裂缝中的流动反应过程及酸液指进延伸现象。当模拟裂缝内压力大于出液孔处六通阀 的压力时，缝内反应后的残酸则经出液孔排入废液收集器中；此外，酸液与岩石反应过程中 滤失的酸液通过背面排液孔排出。反应后，为使排液迅速，可同时打开排液孔及排气孔以辅 助排液。模拟后，先卸掉紧固螺栓，紧固液压夹持装置，采用液压泵控制液压夹持装置逐渐 下降，卸下不锈钢后盖及岩石板；通过转动岩石板拆卸顶杆，卸下并清洗岩石板。

本发明与现有技术比较，具备以下有益效果：1）采用电加热板对整块岩石板进行加热， 提高了岩石板的升温速度，更符合储层的真实环境；2）在不锈钢前框架不同位置安装压力式 微小位移指针，进而确保裂缝长度方向上的缝宽一致；3）通过模拟裂缝结构单元左侧的旋转 及紧锁装置，可改变裂缝的倾角，进而实现裂缝倾角对酸液指进演变特征的考察分析；4）通 过调整硅胶片的厚度，可实现模拟裂缝宽度的改变，继而模拟不同缝宽下的酸压过程中酸液 指进现象的变化规律；5）采用液压泵通过液压夹持装置对不锈钢后盖、岩石板及不锈钢前框 架进行开启与闭合，使装置的机械化和自动化程度得到了提高，极大减轻操作人员的劳动强 度，实现了实验过程的安全与便捷。

附图说明

图1为本发明酸压裂缝内酸液指进大尺寸可视化物理模拟装置的结构示意图；

图2为本模拟装置模拟裂缝单元正面结构示意图；

图3为本模拟装置模拟裂缝单元背面结构示意图；

图4为本模拟装置模拟裂缝单元A-A剖面结构示意图。

图中，1.储液罐；2.高压恒流泵；3.中间容器A；4.中间容器B；5.耐酸耐压管线；6.六通 阀A；6-1.六通阀B；7.进液管线；8.模拟裂缝单元；9.加热探头；10.温度传感器；11.液压夹 持装置；12.装置支撑架；13.液压泵；14.压差传感器；15.操作显示台；16.岩板加热控制箱； 17.压差显示器；18.排液管线；19.废液收集器；20.不锈钢前框架；21.单向阀；22.压力式微小 位移指针；23.排气孔；24.排液孔；25.进液孔；26.出液孔；27.矩形观察窗；28.旋转及紧锁装 置；29.图像采集器；30.不锈钢后盖；31.紧固螺栓；32.拆卸顶杆；33.电加热板；34.背面排液 孔；35.后盖内侧粗糙面；36.岩石板；37.胶粘剂；38.模拟裂缝；39.硅胶片；40.特种玻璃板。

具体实施方式

依照附图进一步说明本发明。参照图1、图2、图3、图4。

一种酸压裂缝内酸液指进大尺寸可视化物理模拟装置，分为液体泵注、模拟裂缝、温度、 压力监测及控制、图像采集四大结构单元。

首先，液体泵注单元中，高压恒流泵2的工作液由储液罐1提供，高压恒流泵2将中间 容器A3及中间容器B4中的液体以恒定流速通过耐温耐酸管线5、六通阀A6、进液管线7、 单向阀21泵入模拟裂缝单元8的进液孔25中。

其次，模拟裂缝单元8，不锈钢前框架20与不锈钢后盖30四周用紧固螺栓31固定连接， 形成六面箱体结构，不锈钢前框架20上方及下方分别开设有等间距的排气孔23和排液孔24， 不锈钢前框架20左、右两端分别开设有等间距的进液孔25和出液孔26，进液孔25与进液 管线7连接，残酸的出液孔26与排液管线18连接，再与六通阀B6-1连接，六通阀B6-1的 出液端用管线连接废液收集器19，进液管线7与排液管线18上均安装有单向阀21；不锈钢 前框架20正中开设有矩形观察窗27，其材质为耐温耐压特种玻璃板40，特种玻璃板40与不 锈钢前框架20的接触面之间采用耐酸、耐温、耐压的胶粘剂37密封；在特种玻璃板40及不 锈钢后盖30之间放置一块长宽略小于六面箱体内壁能与酸液反应的岩石板36，岩石板36两 侧与不锈钢后盖30的接触面采用耐酸、耐温、耐压的胶粘剂37密封；不锈钢前框架20四角 及长边的中间位置安装有压力式微小位移指针22；岩石板36、不锈钢后盖30与不锈钢前框 架20之间的开阖用液压夹持装置11及液压泵13自动控制；不锈钢后盖30四个顶角位置开 设有盲道，在盲道中安装岩石板36的拆卸顶杆32；上述六面箱体的左侧安装有旋转及紧锁 装置28；整个模拟裂缝单元8由装置支撑架12固定支撑。

再次，温度、压力监测及控制单元中，不锈钢后盖30外侧嵌入一块尺寸略大于岩石板 36的电加热板33，在电加热板33上安有加热探头9，升温至岩板加热控制箱16预设的地层 温度；不锈钢后盖30中间位置的安装孔处设置有温度传感器10，加热探头9经安装孔与岩 石板36接触；在不锈钢前框架20的进液孔25与出液孔26处安装压差传感器14，压差传感 器14与操作显示台15上的压差显示器17用数据线连接。

最后，图像采集器29安装在模拟裂缝单元8的正前方，记录酸液指进现象全过程。

本装置中，在不锈钢前框架20与不锈钢后盖30之间形成的凹形槽中放置冻胶状硅胶片 39，硅胶片39的厚度为特种玻璃板40与岩石板36间狭缝的宽度，即模拟裂缝38的宽度； 不锈钢后盖30内侧制作成凹凸不平的齿状形的后盖内侧粗糙面35，形成酸液滤失通道，由 背面排液孔34收集滤失酸液

本发明提供的模拟方法：

模拟前，首先在不锈钢前框架20内放置特种玻璃板40，再在不锈钢后盖30内放置岩石 板36，接触面均采用耐酸、耐温、耐压的胶粘剂37密封，然后在不锈钢前框架20内的凹形 槽中放置硅胶片39；控制液压泵13使液压夹持装置11夹持不锈钢后盖30及岩石板36缓慢 上升，直至其与不锈钢前框架20紧密结合，利用液压夹持装置11将不锈钢后盖30夹紧并固 定，停液压泵13。接着，依次将不锈钢后盖30四周的紧固螺栓31上紧，锁紧不锈钢后盖30 与不锈钢前框架20并确保其密封。紧螺栓的过程中，需注意不锈钢前框架20上压力式微小 位移指针22的读数是否一致，若不一致则需对紧固螺栓31旋紧的程度进行微调，以确保不 锈钢前框架20与不锈钢后盖30之间各处受力均匀，模拟裂缝宽度一致。最后，在中间容器 A3、中间容器B4中分别加入前置液及酸液。

模拟中，采用电加热板33将岩石板36的温度升温到岩板加热控制箱16预设的温度。待 温度稳定后，采用高压恒流泵2先将前置液泵入模拟裂缝单元8中，使前置液充满模拟裂缝 38；同时打开排气孔23，排出缝内气体，以避免对实验结果造成影响；接着将酸液泵入模拟 裂缝单元8中，酸液经单向阀21可由不同的进液孔25进入模拟裂缝38中，同时图像采集器 29透过矩形观察窗27记录酸液在模拟裂缝38中的流动反应过程及酸液指进延伸现象。当模 拟裂缝38内压力大于出液孔26处六通阀B6-1的压力时，缝内反应后的残酸则经出液孔26 排入废液收集器19中；此外，酸液与岩石反应过程中滤失的酸液通过背面排液孔34排出。 反应后，为使排液迅速，可同时打开排液孔24及排气孔23以辅助排液。

模拟后，先卸掉紧固螺栓31，紧固液压夹持装置11，采用液压泵13控制液压夹持装置 11逐渐下降，卸下不锈钢后盖30及岩石板36；通过转动岩石板拆卸顶杆32，卸下并清洗岩 石板36。