测试低浓度支撑剂导流能力的系统和方法

1.本发明涉及支撑剂导流能力测试技术领域，具体涉及一种测试低浓度支撑剂导流能力的系统和方法。


背景技术：

2.支撑剂是压裂施工的关键材料，用于支撑裂缝，防止裂缝闭合，保持裂缝的高导流能力。支撑剂导流能力测试是评价支撑剂性能，优化支撑剂应用方案，认识和理解油藏条件下支撑剂导流能力变化规律的主要途径。随着支撑剂技术的不断发展，支撑剂不仅可以有效支撑人工压裂主裂缝，也可进入次生裂缝和天然微裂缝中产生支撑。主裂缝和其他裂缝支撑剂铺置状态的区别在于：主裂缝中支撑剂粒径大、铺置浓度高；次生裂缝和微裂缝中支撑剂粒径小、铺置浓度低。为了更好地认识和理解次生裂缝和微裂缝中支撑剂导流能力，开展低浓度支撑剂导流能力测试方法的研究具有重要意义，其中低浓度支撑剂的浓度范围为充填厚度≤2mm所对应的铺砂浓度，即《0.2ρvg/cm2，ρv为体积密度，g/cm3。
3.当前情况下，关于导流能力的测试方法主要有2种，一是以推荐的标准导流室为支撑裂缝模拟主体的测试法：标准导流室是sy/t6302-2019行业标准推荐的一种模拟支撑裂缝的实验装置，由上、下活塞、实验台、金属滤网等组成，上下活塞与实验台组成的导流腔支撑剂铺置面积为64.5cm2；二是以人工裂缝岩心为支撑裂缝模拟主体的测试法：选取储层岩样或露头岩样，运用人工劈裂造缝法制备带有粗糙裂缝面的岩样，通过充填支撑剂或滑移组合的方式来模拟地下支撑裂缝，利用支撑裂缝模型流体流动实验获得支撑裂缝导流能力一种测试方法。这些方法虽然可行但存在适用界限和应用局限性，基于标准导流室建立的测试方法，在低浓度支撑剂条件下，标准导流室在实验过程中易发生堵塞测压端、进出端或流体绕流问题，导致无法有效获得支撑剂导流能力；基于人工裂缝岩心法建立的测试方法存在以下问题：一是，裂缝壁面粗糙度不可控导致测试结果差异大，不稳定；二是，常规岩心夹持器和围压泵的低承压能力导致闭合压力测试范围窄，引入大型加载系统虽可解决闭合压力低问题，但实验装置组配难度大，不便捷；三是，存在支撑裂缝开度无法表征等应用局限性。
4.目前关于支撑剂导流能力测试方法的研究较多：申请公布号为cn110608037a、专利号为cn107806339b的发明专利基于标准导流室建立了考虑裂缝壁面形态和支撑剂分布情况对支撑剂导流能力的影响的支撑剂导流能力评价方法；申请公布号为cn104295281a、cn104295281的发明专利将金属板、金属贴片或岩板与支撑剂组合成裂缝网络模型置入标准导流室中建立了复杂缝网条件下压裂裂缝导流能力测试方法；专利号为cn110593842b的发明专利将人工岩板通过剪切滑移组成自支撑裂缝模型置入标准导流室建立了自支撑裂缝导流能力测试方法，但在测试过程中，尤其是在支撑裂缝开度较窄时，标准导流室易发生进出端、测压口被堵塞、流体沿岩板与导流室内壁缝隙绕流等问题，不能有效开展低浓度支撑剂导流能力测试。申请公布号为cn113029898a的发明基于设计的方形岩心夹持器建立了自支撑裂缝导流能力测试法，存在闭合压力测试范围窄，裂缝开度无法表征无法表征的问
题；申请公布号为cn111103222a的发明专利基于圆柱形岩心试样利用三轴试验机建立了自支撑裂缝导流能力测试，cn113295537a的发明专利基于圆柱形岩心试样利用mts岩石力学试验测试系统建立了考虑水岩作用的非常规储层压裂裂缝渗流能力评价方法，由于引入了大型的加载系统，解决了闭合压力测试范围窄的问题，但是依然存在支撑裂缝开度无法表征的问题，且大型的加载系统限制了其应用的普及性。
5.综上，目前不管是基于标准导流室还是基于人工岩心试样的支撑剂导流能力测试方法在低浓度支撑剂导流能力测试时均存在一些不足，难以便捷、稳定、有效地开展次生裂缝和微裂缝中支撑剂应用方案优化。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种测试低浓度支撑剂导流能力的系统和方法，可以有效解决标准导流室测压端、进出端被堵塞或流体绕流问题，同时又能有效解决人工劈裂裂缝岩心壁面粗糙度不可控造成的支撑剂导流能力差异大和裂缝开度无法表征的问题，有效提升了裂缝深部、次生裂缝以及微裂缝中支撑剂导流能力的认识和理解。
7.一方面，本发明提供了一种测试低浓度支撑剂导流能力的系统，包括岩心夹持器，岩心夹持器内盛装有岩心；岩心夹持器的入口通过管路连接有恒流泵，出口通过管路连通有流体容器，流体容器置于精密天平上；岩心夹持器的侧壁上通过管路连接有围压泵；岩心夹持器的入口和出口之间还连接有压差传感器；所述岩心包括两个对称设置的上岩心和下岩心，上岩心和下岩心之间铺设支撑剂；上岩心和下岩心与支撑剂的接触面为矩形，上岩心和下岩心与接触面垂直的两个端面为弓形；所述岩心两端分别设置有垫块，垫块中心处开设有通孔，垫块靠近岩心的一侧面上位于通孔处设置有滤网。过滤网的作用是为了保证能让流体进入的同时封堵上岩心和下岩心之间的支撑剂，使其不会沿着流体流动的方向流入到流体通道内。
8.优选地，还包括中间容器，中间容器的入口通过管路与恒流泵的出口连接，中间容器的出口通过管路与岩心夹持器的入口连接；恒流泵与岩心夹持器之间的管路上、恒流泵与中间容器之间的管路上、中间容器与岩心夹持器之间的管路上、岩心夹持器的出口与流体容器之间的管路上分别设置有阀门。
9.优选地，所述围压泵的工作筒内的丝杠通过蜗轮及蜗杆与手柄连接。
10.优选地，所述压差传感器的量程通过压差估算公式来选择，其中压差估算公式为：
[0011][0012]
式中，
△
p为估算压差，pa；μ为流体粘度，pa
·
s；q为流体流量，m3/s；τ为支撑剂层渗流通道的迂曲度，根据支撑剂的颗粒粒径进行取值，粒径大取值较低，反之取值较高，取值范围为1.5-5.5；lf为支撑裂缝模型的长度，m；wf为支撑裂缝模型的宽度，m；h
f估
为估算裂缝开度，m；
[0013]
其中，h
f估
可根据孔隙度变化来计算，计算公式为：
[0014][0015]
式中，φ为支撑剂不同闭合压力时的孔隙度，小数；p为闭合压力，mpa；α为常数，根据支撑剂的抗压强度进行取值，抗压强度高取值较低，反之取值较高，取值范围为0.010-0.027；cs为支撑剂铺置浓度，g/cm2；ρs为支撑剂视密度，g/cm3；ρv为支撑剂体积密度，g/cm3。
[0016]
另一方面，本发明提供了利用上述系统测试低浓度支撑剂导流能力的方法，包括以下步骤：
[0017]
s1：将支撑剂铺设在上岩心和下岩心之间，并在岩心两端组装上垫块，形成支撑裂缝模型，并放入岩心夹持器中；加载围压至闭合压力值，获取该闭合压力值下的流体流动压差和流体流量参数；
[0018]
s2：结合支撑裂缝模型的几何尺寸，利用达西公式计算低浓度支撑剂的导流能力，其中达西公式为：
[0019][0020]
式中，khf为支撑剂导流能力，um2·
cm；q为流体流量，cm3/min；wf为支撑裂缝模型的宽度，cm；hf为支撑裂缝模型的开度，cm；
△
p为流动压差，kpa；μ为流体粘度，mpa
·
s；lf为支撑裂缝模型的长度，cm。
[0021]
优选地，还包括支撑裂缝开度的表征步骤s31：基于毛细管渗流模型，利用泊肃叶公式计算出支撑剂层等价毛细管半径和对应的孔隙体积：
[0022][0023][0024]
式中，r
p
为等价毛细管半径，cm；μ为粘度，pa
·
s；lf为支撑裂缝模型的长度，cm；q为流体流量，cm3/s；
△
p为测试压差，pa；v
p
为支撑剂层的孔隙体积，ml；
[0025]
s32：利用精密天平和流体容器获得支撑剂的体积密度和视密度，再计算支撑裂缝骨架体积：
[0026][0027]
式中，cs为支撑剂铺置浓度，g/cm2；ρv为支撑剂体积密度，g/cm3；vs为支撑剂层中支撑剂骨架体积，ml；wf为支撑裂缝模型的宽度，cm；lf为支撑裂缝模型的长度，cm；ρs为支撑剂视密度，g/cm3；
[0028]
s33：计算不同闭合压力下支撑剂支撑裂缝的开度：
[0029][0030]
式中，hf为支撑裂缝开度，cm；v
p
为支撑剂层的孔隙体积，ml；vs为支撑剂层中支撑剂骨架体积，ml；wf为支撑裂缝模型的宽度，cm；lf为支撑裂缝模型的长度，cm。
[0031]
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0032]
1.本发明设计的圆弧柱岩心+垫块模拟支撑裂缝的测试系统，可以有效解决标准导流室测压端、进出端被堵塞或流体绕流问题，同时又能有效解决人工劈裂裂缝岩心壁面粗糙度不可控造成的支撑剂导流能力差异大的问题，有效提升了裂缝深部、次生裂缝以及微裂缝中支撑剂导流能力的认识和理解。
[0033]
2.本发明优选的岩心夹持器和带蜗轮蜗杆省力传动系统的高压围压泵，解决了常规岩心夹持器与加载系统压力量程低造成的测试范围窄和加载系统繁琐复杂、不便捷的问题。而且采用该方法可有效降低压力试验机或三轴试验机等大型加载系统的依赖程度，提升支撑剂导流能力测试过程的便捷性，同时降低了支撑剂导流能力的测试成本。
[0034]
3.本发明的支撑裂缝开度表征方法可有效获得测试过程中支撑裂缝开度，有效描述了支撑剂支撑裂缝的变化规律，解决了试样全封闭的测试过程中支撑裂缝开度无法监测的问题。
附图说明
[0035]
图1是本发明系统的结构示意图。
[0036]
图2是本发明岩心的结构示意图。
[0037]
图3是本发明垫块的主视图。
[0038]
图中，1-岩心夹持器、2-恒流泵、3-流体容器、4-精密天平、5-围压泵、6-压差传感器、7-上岩心、8-下岩心、9-支撑剂、10-垫块、11-通孔、12-中间容器、13-阀门、14-凹槽。
具体实施方式
[0039]
支撑剂导流能力是支撑剂充填层的渗透率与支撑裂缝开度的乘积，用于描述油气储层中油气渗流通道的流动能力。通过实验测试获得的不同条件下的支撑剂导流能力具有以下意义：一是，用于压裂施工设计中支撑剂应用方案设计优化；二是，用于储层水力压裂后储层生产制度优化；三是，用于评价支撑剂性能。
[0040]
支撑裂缝开度是指垂直裂缝壁面方向上两裂缝壁面的相对距离，是定量描述压裂裂缝的重要参数。通过实验测试获得的支撑裂缝开度具有以下意义：一是，在支撑剂导流能力的基础上，用于获得支撑剂充填层的渗透率；二是，用于定量描述油藏条件下压裂裂缝变化过程和规律。
[0041]
本发明公开了一种测试低浓度支撑剂导流能力的系统，其中低浓度支撑剂是指浓度低于支撑剂充填厚度≤2mm所对应的铺砂浓度，即《0.2ρvg/cm2，ρv为体积密度，g/cm3。参照图1，所述系统包括岩心夹持器1，岩心夹持器1内盛装有岩心；岩心夹持器1的入口通过管路连接有恒流泵2，出口通过管路连通有流体容器3(如量筒)，流体容器3置于精密天平4上；岩心夹持器1的侧壁上通过管路连接有围压泵5；岩心夹持器1的入口和出口之间还连接有压差传感器6；所述岩心包括两个对称设置的上岩心7和下岩心8，上岩心7和下岩心8之间铺设支撑剂9；上岩心7和下岩心8与支撑剂9的接触面为矩形，上岩心7和下岩心8与接触面垂直的两个端面为弓形；所述岩心两端分别设置有垫块10，垫块10中心处开设有通孔11，垫块10靠近岩心的一侧面上设置有滤网。
[0042]
可根据测试闭合压力的大小，选择合适的岩心夹持器1和带蜗轮蜗杆省力传动系统高量程围压泵5，所述围压泵5的工作筒内的丝杠通过蜗轮及蜗杆与手柄连接。用电动液
压泵带动围压泵时，电动液压泵系统太大，占地面积大且成本高；而用人力的围压泵时，人力又达不到69mpa这么高的压力，所以本发明的围压泵弥补了上述两种方式的缺陷，舍弃了电动液压泵系统，又能够在省力的前提下使用人力达到69mpa的闭合压力。
[0043]
其中，利用减速比计算公式计算蜗轮蜗杆传动系统的减速比i：
[0044][0045]
式中，i为减速比，无量纲；p
p
为围压，pa；d
p
为围压泵柱塞直径，m；l为丝杠导程，mm；f为施加的力，n；r为手轮半径，mm；η为传动效率，小数。
[0046]
选择流量范围为1-10ml/min的恒流泵，根据支撑剂体积密度、视密度、支撑剂的铺置浓度、测试闭合压力等参数，估算压差，优选传感器的量程。凭经验选择的压差传感器，实验时会出现流动压差超过量程，或者量程过大不能准确获得流动压差。所以本发明的压差估算法弥补了凭经验选择方式的缺陷，提供了压差传感器量程的选择依据，又能够在压差传感器精度范围内保障流动压差测试的准确性。
[0047]
其中，利用压差估算公式估算压差
△
p：
[0048][0049]
式中，
△
p为估算压差，pa；μ为粘度，pa
·
s；q为流体流量，m3/s；τ为支撑剂层渗流通道的迂曲度，根据支撑剂的颗粒粒径进行取值，粒径大取值较低，反之取值较高，取值范围为1.5-5.5；lf为支撑裂缝模型的长度，m；wf为支撑裂缝模型的宽度，m；h
f估
为估算裂缝开度，m。
[0050]
其中，h
f估
可根据孔隙度变化来计算，计算公式为：
[0051][0052]
式中，φ为支撑剂不同闭合压力时的孔隙度，小数；p为闭合压力，mpa；α为常数，根据支撑剂的抗压强度进行取值，抗压强度高取值较低，反之取值较高，取值范围为0.010-0.027；cs为支撑剂铺置浓度，g/cm2；ρs为支撑剂视密度，g/cm3；ρv为支撑剂体积密度，g/cm3。
[0053]
参照图2，利用316不锈钢或天然露头岩心制备φ25
×
50-80mm的标准圆柱体岩心试样，沿轴截面进行切割，切成上、下完全对称的圆弧柱岩心，端面弓形的弦长l为23.9-24.8mm，弓形圆弧的高度h为8.9-11.0mm。
[0054]
参照图3，利用316不锈钢制备可放置不锈钢滤网的两个φ25
×
10-20mm的封装垫块10，用于支撑裂缝模型端面的封装。在垫块10靠近岩心一侧的面上开设凹槽14，在凹槽14内放置滤网。
[0055]
利用铝箔胶带和热缩膜制备低浓度支撑剂支撑裂缝模型：
[0056]
(1)利用铝箔胶带将下岩心7与两个装有不锈钢滤网的垫块10对齐组合出支撑剂腔；
[0057]
(2)向支撑剂腔内加入支撑剂9，盖上上岩心7，然后套上热缩膜封装，从而制备出低浓度支撑剂支撑裂缝模型。
[0058]
最后，参照图1，组配本发明的测试系统，构建低浓度支撑剂导流能力测试流程。
[0059]
其中，本发明的系统还包括中间容器12，中间容器12的入口通过管路与恒流泵2的出口连接，中间容器12的出口通过管路与岩心夹持器1的入口连接；恒流泵2与岩心夹持器1之间的管路上、恒流泵2与中间容器12之间的管路上、中间容器12与岩心夹持器1之间的管路上、岩心夹持器1的出口与流体容器3之间的管路上分别设置有阀门13。
[0060]
中间容器12用于向岩心夹持器1中泵入不能直接由恒流泵2泵入的特殊液体(如压裂液破胶液等)。若流体是蒸馏水，则可不经过中间容器12，直接由恒流泵2沿管路泵入岩心夹持器1中；当流体是特殊液体时，需要打开中间容器12两端的阀门、关闭蒸馏水管路上的阀门，通过恒流泵2向中间容器12的下端空间中泵入蒸馏水，从而将上端的特殊液体推入到岩心夹持器1中。
[0061]
在前述工作的基础上，利用低浓度支撑剂支撑裂缝模型的流体流动实验获取测试液层流渗流下的流动参数，再利用达西公式计算出低浓度支撑剂的导流能力，具体操作如下：
[0062]
s1：将低浓度支撑剂支撑裂缝模型放入图1所示的岩心夹持器中，加载围压1mpa固定试样；开启恒流泵注测试液，排出压差传感器及测试系统的空气；加载围压至闭合压力值，获取该闭合压力下支撑裂缝模型的流体流动压差和流量等参数；
[0063]
s2：结合低浓度支撑剂支撑裂缝模型的几何尺寸，利用达西公式计算出低浓度支撑剂导流能力，其中达西公式为：
[0064][0065]
式中，khf为支撑剂导流能力，um2·
cm；q为流体流量，cm3/min；wf为支撑裂缝模型的宽度，cm；hf为支撑裂缝模型的开度，cm；
△
p为流动压差，kpa；μ为流体粘度，mpa
·
s；lf为支撑裂缝模型的长度，cm。
[0066]
还包括支撑裂缝开度的表征步骤s31：基于毛细管渗流模型，利用泊肃叶公式计算出支撑剂层等价毛细管半径和对应的孔隙体积：
[0067][0068][0069]
式中，r
p
为等价毛细管半径，cm；μ为粘度，pa
·
s；lf为支撑裂缝模型的长度，cm；q为流体流量，cm3/s；
△
p为测试压差，pa；v
p
为支撑剂层的孔隙体积，ml；
[0070]
s32：利用精密天平和流体容器获得支撑剂的体积密度和视密度，再计算支撑裂缝骨架体积：
[0071][0072]
式中，cs为支撑剂铺置浓度，g/cm2；ρv为支撑剂体积密度，g/cm3；vs为支撑剂层中支撑剂骨架体积，ml；wf为支撑裂缝模型的宽度，cm；lf为支撑裂缝模型的长度，cm；ρs为支撑剂视密度，g/cm3；
[0073]
s33：计算不同闭合压力下支撑剂支撑裂缝的开度：
[0074][0075]
式中，hf为支撑裂缝开度，cm；v
p
为支撑剂层的孔隙体积，ml；vs为支撑剂层中支撑剂骨架体积，ml；wf为支撑裂缝模型的宽度，cm；lf为支撑裂缝模型的长度，cm。
[0076]
实施例1
[0077]
以铺置浓度低至0.16g/cm2的40/70目石英砂的支撑剂导流能力测试为例进一步阐述本发明的低浓度支撑剂导流能力测试方法，具体包括以下步骤：
[0078]
1.优选设备，构建低浓度支撑剂导流能力测试流程
[0079]
(1)测试闭合压力最大值为69mpa时，应选择耐压80mpa的岩心夹持器和带蜗轮蜗杆省力传动系统的高量程围压泵，已知围压泵的柱塞直径(25mm)、导程(10mm)、手轮半径(10cm)、蜗轮蜗杆传动效率(0.6)、施加的力(100-200n)等参数，根据公式可计算出蜗轮蜗杆传动系统的减速比i＝5-10；
[0080]
(2)选择流量范围为1-10ml/min的恒流泵，已知支撑剂体积密度1.632g/cm3、视密度2.646g/cm3、铺置浓度0.16g/cm2、测试最大闭合压力69mpa，利用压差估算公式估算出最大流量下的压差，优选出量程为200kpa的压差传感器(μ＝1mpa
·
s)。估算结果如下表所示：
[0081][0082]
(3)将优选出的设备按照图1所示流程进行组配，构建低浓度支撑剂导流能力测试流程。
[0083]
2.制备圆弧柱岩心和垫块
[0084]
(1)利用316不锈钢制备φ25
×
50mm的标准圆柱体试样，沿轴截面切成上、下完全对称的圆弧柱上岩心和下岩心，端面弓形的弦长l＝24.5mm，圆弧的高度h＝10.0mm；
[0085]
(2)利用316不锈钢制备可放置不锈钢滤网的φ25
×
20mm垫块两个，置入200目不锈钢滤网，用于支撑裂缝模型端面封装。
[0086]
3.利用铝箔胶带和热缩膜制备低浓度支撑剂支撑裂缝模型
[0087]
(1)利用铝箔胶带将下岩心与两个装入不锈钢滤网的垫块对齐组合出支撑剂腔；
[0088]
(2)向支撑剂腔内均匀加入1.96g、40/70目的石英砂支撑剂，盖上上岩心，然后套上热缩膜封装，制备出低浓度石英砂支撑裂缝模型。
[0089]
4.利用低浓度石英砂支撑裂缝模型的流体流动实验获取蒸馏水层流渗流下的流动参数，再利用达西公式计算低浓度支撑剂的导流能力
[0090]
(1)将低浓度石英砂支撑裂缝模型放入测试流程中的岩心夹持器中，加载围压1mpa固定试样，开启恒流泵注蒸馏水，排出压差传感器及测试系统的空气；加载围压至设定的不同闭合压力值，承压一定时间，获取该闭合压力下的流体流动压差和流量等参数；
[0091]
(2)结合低浓度石英砂支撑裂缝模型的几何尺寸，利用达西公式计算出支撑剂导流能力，计算结果如下表所示：
[0092][0093]
5.计算石英砂支撑剂层等价毛细管半径、孔隙体积、支撑剂骨架体积，进而计算出支撑裂缝的开度
[0094]
(1)基于毛细管渗流模型，利用泊肃叶公式计算出石英砂支撑剂层等价毛细管半径和对应的孔隙体积，计算结果如下表所示：
[0095]
[0096][0097]
(2)利用精密天平(精度0.001g)、100ml密度瓶获得40/70目石英砂的体积密度为1.632g/cm3和视密度为2.646g/cm3，已知石英砂的质量为1.96g，计算出支撑裂缝的初始开度为0.098cm，石英砂的骨架体积为0.741ml；
[0098]
(3)计算不同闭合压力下40/70目石英砂支撑裂缝的开度，计算结果如下表所示：
[0099][0100][0101]
6.低浓度支撑剂导流能力测试方法的稳定性分析
[0102]
针对1.96g、40/70目石英砂支撑剂的三次实验数据，利用标准差分析其测试的波动性，三次导流能力的标准差为0.01-1.03，三次支撑裂缝开度的标准差为0.0001-0.0003，
均比较稳定。下表为三次测试得到的导流能力及支撑裂缝开度的标准差：
[0103][0104]
实施例2
[0105]
以铺置浓度低至0.2g/cm2的70/140目石英砂的支撑剂导流能力测试为例进一步阐述本发明的低浓度支撑剂导流能力测试方法，具体包括以下步骤：
[0106]
1.优选设备，构建低浓度支撑剂导流能力测试流程
[0107]
(1)蜗轮蜗杆传动比的计算方法同实施例1；
[0108]
(2)选择流量范围为1-10ml/min的恒流泵，支撑剂体积密度1.550g/cm3、视密度2.639g/cm3、铺置浓度0.2g/cm2、测试最大闭合压力69mpa，利用压差估算公式估算出最大流量下的压差，优选出量程为300kpa的压差传感器(μ＝1mpa
·
s)，估算结果如下表所示：
[0109][0110]
(3)将优选出的设备按照图1所示流程进行组配，构建低浓度支撑剂导流能力测试流程。
[0111]
2.制备圆弧柱岩心和垫块
[0112]
(1)利用316不锈钢制备φ25
×
80mm的标准圆柱体试样，沿轴截面切成上、下完全对称的圆弧柱上岩心和下岩心，端面弓形的弦长l＝24.8mm，圆弧的高度h＝11.0mm；
[0113]
(2)利用316不锈钢制备可放置不锈钢滤网的φ25
×
10mm的垫块两个，置入200目不锈钢滤网，用于支撑裂缝模型端面封装。
[0114]
3.利用铝箔胶带和热缩膜制备低浓度支撑剂支撑裂缝模型
[0115]
(1)利用铝箔胶带将下岩心与两个装入不锈钢滤网的垫块对齐组合出支撑剂腔；
[0116]
(2)向支撑剂腔内均匀加入3.968g、70/140目的石英砂支撑剂，盖上上岩心，然后套上热缩膜封装，制备出低浓度石英砂支撑裂缝模型。
[0117]
4.利用低浓度石英砂支撑裂缝模型的流体流动实验获取蒸馏水层流渗流下的流动参数，再利用达西公式计算低浓度支撑剂导流能力
[0118]
(1)将低浓度石英砂支撑裂缝模型放入测试流程中的岩心夹持器中，加载围压1mpa固定试样，开启恒流泵注蒸馏水，排出压差传感器及测试系统的空气；加载围压至设定的不同闭合压力值，承压一定时间，获取该闭合压力下流体流动压差和流量等参数；
[0119]
(2)结合低浓度石英砂支撑裂缝模型的几何尺寸，利用达西公式计算支撑剂导流能力，计算结果如下表所示：
[0120][0121][0122]
5.计算石英砂支撑剂层等价毛细管半径、孔隙体积、支撑剂骨架体积，进而计算出支撑裂缝的开度
[0123]
(1)基于毛细管渗流模型，利用泊肃叶公式计算出石英砂支撑剂层等价毛细管半径和对应的孔隙体积，计算结果如下表所示：
[0124][0125]
(2)利用精密天平(精度0.001g)、100ml密度瓶获得70/140目石英砂的体积密度为1.550g/cm3和视密度为2.639g/cm3，已知石英砂的质量为3.968g，计算出支撑裂缝的初始开度为0.129cm，石英砂的骨架体积为1.504ml；
[0126]
(3)计算不同闭合压力下70/140目石英砂支撑裂缝的开度，计算结果如下表所示：
[0127][0128]
6.低浓度支撑剂导流能力测试方法的稳定性分析
[0129]
(1)针对3.968g、70/140目石英砂支撑剂的三次实验数据，利用标准差分析其测试的波动性，三次导流能力的标准差为0.02-0.13，三次支撑裂缝开度的标准差为0.0002-0.0007，均比较稳定。下表为三次测试得到的导流能力及支撑裂缝开度的标准差：
[0130]
[0131][0132]
实施例3：
[0133]
以铺置浓度低至0.1g/cm2的30/50目陶粒流体为压裂液破胶液上清液(粘度μ＝3mpa
·
s)的支撑剂导流能力测试为例进一步阐述本发明的低浓度支撑剂导流能力测试方法，具体包括以下步骤：
[0134]
1.优选设备，构建低浓度支撑剂导流能力测试流程：
[0135]
(1)蜗轮蜗杆传动比的计算方法同实施例1；
[0136]
(2)选择流量范围为1-10ml/min的恒流泵，支撑剂体积密度1.660g/cm3、视密度3.059g/cm3、铺置浓度0.1g/cm2、测试最大闭合压力69mpa，利用压差估算公式估算出最大流量下的压差，优选出量程为50kpa的压差传感器(μ＝3mpa
·
s)。估算结果如下表所示：
[0137][0138]
(3)将优选出的设备按照图1所示流程进行组配，构建低浓度支撑剂导流能力测试流程。
[0139]
2.制备圆弧柱岩心和垫块
[0140]
(1)利用316不锈钢制备φ25
×
80mm的标准圆柱体试样，沿轴截面切成上、下完全对称的圆弧柱上岩心和下岩心，端面弓形的弦长l＝24.8mm，圆弧的高度h＝11.0mm；
[0141]
(2)利用316不锈钢制备可放置不锈钢滤网的φ25
×
10mm的垫块两个，置入200目不锈钢滤网，用于支撑裂缝模型端面封装。
[0142]
3.利用铝箔胶带和热缩膜制备低浓度支撑剂支撑裂缝模型
[0143]
(1)利用铝箔胶带将下岩心与两个装入不锈钢滤网的垫块对齐组合出支撑剂腔；
[0144]
(2)向支撑剂腔内均匀加入1.984g、30/50目的陶粒支撑剂，盖上上岩心，然后套上热缩膜封装，制备出低浓度陶粒支撑裂缝模型。
[0145]
4.利用低浓度陶粒支撑裂缝模型的流体流动实验获取压裂液破胶液上清液(粘度μ＝3mpa
·
s)层流渗流下的流动参数，再利用达西公式计算低浓度支撑剂导流能力
[0146]
(1)将低浓度陶粒支撑裂缝模型放入测试流程中的岩心夹持器中，将压裂液破胶液上清液加入中间容器内，打开中间容器通道阀门，关闭中间容器旁通阀门，加载围压1mpa固定试样，开启恒流泵，注液，排出压差传感器及测试系统的空气；加载围压至设定的不同闭合压力值，承压一定时间，获取该闭合压力下流体流动压差和流量等参数；
[0147]
(2)结合支撑裂缝模型的几何尺寸，利用达西公式计算低浓度陶粒导流能力，计算结果如下表所示：
[0148][0149]
5.计算陶粒支撑剂层等价毛细管半径、孔隙体积、支撑剂骨架体积，进而计算出支撑裂缝的开度
[0150]
(1)基于毛细管渗流模型，利用泊肃叶公式计算出陶粒支撑剂层等价毛细管半径和对应的孔隙体积，计算结果如下表所示：
[0151][0152]
(2)利用精密天平(精度0.001g)、100ml密度瓶获得30/50目陶粒的体积密度为1.660g/cm3和视密度为3.059g/cm3，已知陶粒的质量为1.984g，计算出支撑裂缝的初始开度为0.060cm，陶粒的骨架体积为0.649ml；
[0153]
(3)计算不同闭合压力下30/50目陶粒支撑裂缝的开度，计算结果如下表所示：
[0154][0155][0156]
对比例1
[0157]
针对20/40目陶粒，在铺置浓度低至0.1g/cm2条件下进行人工裂缝岩心法和本发明的支撑剂导流能力测试方法的对比，进一步阐述本发明的低浓度支撑剂导流能力测试方法，具体包括以下步骤：
[0158]
1.优选设备，构建低浓度支撑剂导流能力测试流程
[0159][0160]
本发明的方法中，根据20/40目陶粒体积密度(1.54g/cm3)、视密度(2.68g/cm3)、支撑剂的铺置浓度(0.1g/cm2)、测试闭合压力(69mpa)、柱塞直径(25mm)、导程(10mm)、传动系统效率(0.6)、手轮半径(10cm)、施加的力(100-200n)等参数，可以优选出省力高量程围压泵(80mpa、减速比5-10)和量程为10kpa的压差传感器，实现高闭合压力范围内支撑剂导流能力的准确测量。
[0161]
而人工裂缝岩心法中，围压泵由于缺少减速系统，用于模拟闭合压力的围压泵只能加载到40mpa，无法测试高闭合压力(》40mpa)条件下的导流能力测试；且由于缺乏相应的压差估算，无法有效地选择合适量程的压差传感器，可能存在测试过程中压差超过测试量程或量程过大造成压差测试不准确的问题，限制其测试数据的准确度。
[0162]
2.制备低浓度支撑剂支撑裂缝模型
[0163][0164]
本发明的方法中，支撑剂裂缝模型具有粗糙度固定且均一的模拟裂缝壁面和端面垫块，可重复均匀地铺置支撑剂，并可防止支撑剂在高闭合压力下向端面运移，保证支撑剂裂缝模型的稳定性和可重复性。
[0165]
而人工裂缝岩心法中，裂缝壁面粗糙度不可控，无封装垫块，支撑剂铺置状态不可重复、不可控，且不能防止支撑剂在高闭合压力下向端面运移，存在支撑剂裂缝模型不稳定性、无法重复的局限性。
[0166]
3.低浓度支撑剂导流能力的计算
[0167][0168]
本发明的方法中，闭合压力为69mpa的条件下，低浓度支撑剂导流能力三次测试结果的标准偏差为0.03，稳定性好，可获得较准确的支撑剂裂缝导流能力，也可较好开展支撑剂导流能力变化规律分析。
[0169]
而人工裂缝岩心法中，闭合压力只能很艰难地加载到40mpa，不能再高，且低浓度支撑剂导流能力三次测试结果的标准偏差较大，为5.67，稳定性差。该方法不能获得高闭合压力条件下支撑剂导流能力，也不能有效开展支撑剂导流能力规律分析。
[0170]
4.低浓度支撑剂支撑裂缝的开度
[0171][0172]
本发明的方法中，给出了支撑裂缝开度的计算方法，可获得不同闭合压力条件下的支撑裂缝开度，且稳定性好，可定量描述压裂裂缝变化规律，也可获得支撑裂缝的渗透率。
[0173]
而人工裂缝岩心法中，没有相应的表征方法，不能获得支撑裂缝开度参数，无法定量描述压裂裂缝变化规律，也无法获得支撑裂缝的渗透率。
[0174]
对比例2
[0175]
针对40/70目陶粒，在铺置浓度低至0.1g/cm2条件下进行不同圆弧柱岩心支撑剂导流能力测试的对比，进一步阐述本发明的低浓度支撑剂导流能力测试方法，具体包括以下步骤：
[0176]
1.不同圆弧柱岩心尺寸
[0177]
圆弧柱岩心模类型端面尺寸(mm)长度(mm)本发明的限定模型弦长l＝23.9mm，圆弧高度h＝8.9mm50其他模型弦长l＝23.3mm，圆弧高度h＝8.0mm50
[0178]
根据40/70目陶粒体积密度(1.60g/cm3)、视密度(3.18g/cm3)、支撑剂的铺置浓度(0.1g/cm2)、测试闭合压力(69mpa)、柱塞直径(25mm)、导程(10mm)、传动系统效率(0.6)、手
轮半径(10cm)、施加的力(100-200n)等参数，优选出省力高量程围压泵和压差传感器，构建低浓度支撑剂导流能力测试流程：
[0179]
设备量程减速比省力高量程围压泵80mpa5-10压差传感器20kpa/
[0180]
2.制备低浓度支撑剂支撑裂缝模型
[0181]
称取1.195g40/70目陶粒与本发明的模型制备低浓度支撑剂支撑裂缝模型；称取1.165g40/70目陶粒与其他模型制备低浓度支撑剂支撑裂缝模型。
[0182]
3.不同圆弧柱岩心制备的支撑裂缝模型的支撑剂导流能力计算
[0183]
[0184][0185]
由以上数据对比可知，本发明的圆弧柱岩心模型与1.195g40/70目陶粒制备的低浓度支撑剂支撑裂缝模型：相同闭合压力和流量下，三次测试流动压差相对稳定，每次测试过程中的压差变化趋势也相对稳定，随着闭合压力增大，压差增大，与理论规律相符，表明本发明的圆弧柱岩心模型可获得较稳定的支撑剂导流能力。
[0186]
其他圆弧柱岩心模型与1.165g40/70目陶粒制备的低浓度支撑剂支撑裂缝模型：相同闭合压力和流量下，三次测试流动压差波动较大(6.9mpa除外)，每次测试过程中的压差变化趋势波动较大，随着闭合压力增大，压差有时升高，有时下降，与理论规律不相符，表明该圆弧柱岩心模型无法获得较为准确地支撑剂导流能力。
[0187]
4.不同岩心模型支撑剂支撑裂缝的开度计算
[0188]
[0189][0190]
本发明的圆弧柱岩心模型与1.195g40/70目陶粒制备的低浓度支撑剂支撑裂缝模型的等价毛细管半径、孔隙体积、支撑裂缝开度随着闭合压力增大呈现降低趋势，与理论规律相符，表明本发明的圆弧柱岩心模型可获得准确的支撑裂缝开度。
[0191]
其他圆弧柱岩心模型与1.165g40/70目陶粒制备的低浓度支撑剂支撑裂缝模型的等价毛细管半径、孔隙体积、支撑裂缝开度等参数值整体趋势是随着闭合压力增大而减小，但在某些闭合压力点出现增大的现象，比如第一次的6.9mpa到13.8mpa，等价毛细管半径由0.025cm增大至0.026cm，孔隙体积由0.01cm3增大至0.011cm3，支撑裂缝开度由0.323mm增大至0.324mm；还有第二次13.8mpa到27.6mpa，第三次的6.9mpa到13.8mpa。这些测试点的结果与理论规律相悖，表明该圆弧柱岩心模型无法获得较为准确地支撑裂缝的开度。
[0192]
5.低浓度支撑剂导流能力测试方法的稳定性分析
[0193]
[0194][0195]
由以上数据对比可知，本发明的圆弧柱岩心模型支撑剂导流能力测试的标准偏差为0.04-0.07，支撑剂支撑裂缝开度测试的标准偏差为0.0002-0.0004，稳定性好，可靠。而其他圆弧柱岩心模型支撑剂导流能力测试的标准偏差为0.26-2.21，支撑剂支撑裂缝开度测试的标准偏差为0.0002-0.0019，稳定性相对较差，且不可靠。
[0196]
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。