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一種支撐劑有效沉降粒徑的測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種支撐劑有效沉降粒徑的測(cè)量方法，步驟如下：S1、測(cè)定支撐劑顆粒沉降速度；S2、給定一支撐劑顆粒有效沉降粒徑初值，計(jì)算支撐劑雷諾數(shù)；S3、計(jì)算支撐劑有效沉降粒徑；S4、將步驟S3計(jì)算得到的支撐劑有效沉降粒徑de與初值de0比較，重復(fù)步驟S1～S4直到滿足精度要求。本發(fā)明建立了支撐劑在牛頓流體、冪律流體以及粘彈性流體中沉降時(shí)的有效沉降粒徑測(cè)量方法，彌補(bǔ)了不規(guī)則顆粒沉降速度計(jì)算時(shí)，形狀因子修正系數(shù)測(cè)量、計(jì)算復(fù)雜的不足，能夠精確計(jì)算支撐劑沉降速度進(jìn)而精確預(yù)測(cè)裂縫中砂堤展布形態(tài)，提高壓裂施工效果預(yù)測(cè)精度。
【專利說明】一種支撐劑有效沉降粒徑的測(cè)量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及油氣田開發(fā)水力壓裂【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種支撐劑有效沉降粒徑的測(cè)量方法。

【背景技術(shù)】
[0002]水力壓裂技術(shù)自20世紀(jì)30年代誕生以來推動(dòng)了石油工業(yè)的快速發(fā)展。在水力壓裂設(shè)計(jì)過程中，支撐劑的沉降規(guī)律始終是石油工作者研究的主要問題之一，它直接決定裂縫中砂堤的展布形態(tài)，影響壓裂施工效果。準(zhǔn)確計(jì)算支撐劑沉降速度，精確預(yù)測(cè)裂縫中砂堤展布形態(tài)，對(duì)壓裂設(shè)計(jì)和壓后產(chǎn)能分析具有重要的意義。近年來，隨著全球能源需求的增加以及常規(guī)油氣資源產(chǎn)量的大幅降低，世界能源結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化，頁巖氣、頁巖油以及致密油氣等非常規(guī)油氣藏成為開發(fā)熱點(diǎn)。與常規(guī)油氣藏相比，該類儲(chǔ)層滲透率極低，通常需要進(jìn)行水平井+滑溜水壓裂技術(shù)，而由于滑溜水的低粘度，支撐劑在其中的沉降行為更加顯著，使得精確計(jì)算支撐劑在滑溜水壓裂液中的沉降速度顯得尤為重要。
[0003]在水力壓裂過程中，支撐劑的沉降速度受壓裂液性質(zhì)、裂縫壁面、濃度以及顆粒形狀等多重因素影響，其中支撐劑的不規(guī)則性是主要影響因素之一。針對(duì)非球形顆粒的沉降速度，通常引入表征顆粒不規(guī)則性的形狀因子進(jìn)行修正。Wadell提出了球形度的概念，它表征了與固體顆粒等體積球的表面積與固體顆粒表面積的比值，然而對(duì)于規(guī)則程度較差的顆粒，其表面積難以精確計(jì)算。Corey和Krumbein分別提出了形狀系數(shù)和Krumbein球形度的概念，該兩種方法需要測(cè)量不規(guī)則顆粒三維方向上的軸徑，對(duì)于小顆粒這顯然是很難做到的。佐藤博引入固體顆粒等價(jià)球直徑，提出了面積指數(shù)的概念，雖然隨著高精度電子天平的出現(xiàn)，不規(guī)則顆粒等價(jià)球直徑相對(duì)容易測(cè)量，但對(duì)于小粒徑支撐劑，該方法操作相對(duì)復(fù)雜，仍較難實(shí)現(xiàn)。
[0004]支撐劑有效沉降粒徑表征的是與支撐劑顆粒具有相同沉降速度的等價(jià)球直徑。在進(jìn)行壓裂設(shè)計(jì)之前，預(yù)先通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)定支撐劑顆粒在所需壓裂液中的有效沉降粒徑，進(jìn)而在壓裂設(shè)計(jì)中以此計(jì)算支撐劑沉降速度。該方法有效消除支撐劑顆粒的不規(guī)則性對(duì)其沉降速度的影響，能夠精確預(yù)測(cè)裂縫中砂堤展布形態(tài)，提高壓裂施工效果預(yù)測(cè)精度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，尤其是不規(guī)則顆粒沉降速度計(jì)算時(shí)，球形度等修正系數(shù)測(cè)量、計(jì)算困難，本發(fā)明提供一種支撐劑在不同性質(zhì)流體中沉降時(shí)的有效沉降粒徑的測(cè)量方法，該方法可有效消除支撐劑不規(guī)則性對(duì)沉降速度的影響，滿足現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工的設(shè)計(jì)要求。
[0006]術(shù)語說明:
[0007]牛頓流體:是指在受力后極易變形，且剪切應(yīng)力與剪切速率成正比的低粘性流體。
[0008]冪律流體:是指符合τ = K Y n流變規(guī)律的流體。式中:τ --剪切應(yīng)力，K—稠度系數(shù)，單位(Pa.sn), Y 一剪切速率，單位(s—1)，η—流性指數(shù)，K值是粘度的度量。
[0009]粘彈性流體:是指介于黏性流體和彈性固體之間，同時(shí)表現(xiàn)出黏性和彈性。在不超過屈服強(qiáng)度的條件下，剪切應(yīng)力除去以后，其變形能部分復(fù)原。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0011]一種支撐劑有效沉降粒徑的測(cè)量方法，步驟如下:
[0012]S1、測(cè)定支撐劑顆粒在流體中的自由沉降速度V ；
[0013]S2、給出一支撐劑顆粒有效沉降粒徑初值CU，輸入相應(yīng)的各參數(shù)值，計(jì)算支撐劑雷諾數(shù)；
[0014]當(dāng)流體為牛頓流體時(shí)，雷諾數(shù)按公式(I)計(jì)算，

【權(quán)利要求】
1.一種支撐劑有效沉降粒徑的測(cè)量方法，步驟如下: S1、測(cè)定支撐劑顆粒在流體中的自由沉降速度V； S2、給出一支撐劑顆粒有效沉降粒徑初值，輸入相應(yīng)的各參數(shù)值，計(jì)算支撐劑雷諾數(shù)； 當(dāng)流體為牛頓流體時(shí)，雷諾數(shù)按公式(I)計(jì)算，
當(dāng)流體為冪律流體時(shí)，雷諾數(shù)按公式(2)計(jì)算，
當(dāng)流體為粘彈性流體時(shí)，雷諾數(shù)按公式(3)計(jì)算，
公式(I)~(3)中，Reptl表示支撐劑雷諾數(shù)，P1表示流體密度，V表示支撐劑自由沉降速度，CU表示支撐劑有效沉降粒徑初值，μ表示流體粘度，K表示流體稠度系數(shù)，η表示流體流性指數(shù)； S3、當(dāng)流體為牛頓流體時(shí)，根據(jù)步驟S2得到的Reptl判斷流動(dòng)類型并根據(jù)公式(4a)或(4b)計(jì)算支撐劑有效沉降粒徑尤，
當(dāng) Rep0 ≤I 則
當(dāng)流體為冪律流體時(shí)，根據(jù)公式(5)計(jì)算參W/Re",,，
然后根據(jù)公式(6)求Rep，
公式(6)中，X表示修正系數(shù)，根據(jù)步驟S2得到的Reptl判斷流動(dòng)類型并按公式(7a)、(7b)或(7c)計(jì)算得到X，

進(jìn)而根據(jù)公式(2)反求支撐劑有效沉降粒徑de ； 當(dāng)流體為粘彈性流體時(shí)，根據(jù)公式(8)計(jì)算yar/Rc",,，
然后根據(jù)公式(9)求Rep，
公式(9)中，X表示修正系數(shù)，根據(jù)步驟S2得到的Reptl判斷流動(dòng)類型并按公式(7a)、(7b)或(7c)計(jì)算得到X5Wi表示韋森伯格數(shù)，按公式(10)計(jì)算得到，
進(jìn)而根據(jù)公式(3)反求支撐劑有效沉降粒徑de ； 公式(4a)/(4b)~(10)中，de表示支撐劑有效沉降粒徑，deQ表示支撐劑有效沉降粒徑初值，μ表示流體粘度，V表示支撐劑自由沉降速度，P 1表示流體密度，Pp表示支撐劑密度，Rep(Rep0)表示支撐劑雷諾數(shù)，K表示流體稠度系數(shù)，η表示流體流性指數(shù)，g為重力加速度，CD表示支撐劑沉降時(shí)的拖曳系數(shù)，α、β表示常數(shù)，A、b表示材料參數(shù)； S4、將步驟S3計(jì)算得到的支撐劑有效沉降粒徑de與初值CU比較， 如果I de-cU I ( ε，則計(jì)算結(jié)束，輸出計(jì)算結(jié)果de; 如果 I de-de0 I > ε ,則更新 de(l= (d)/2,重復(fù)步驟 S2 ~S4,直至Ij I de_de0 I ( ε為止；步驟S4中，ε表示精度要求。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的支撐劑有效沉降粒徑的測(cè)量方法，其特征在于，步驟S1中，測(cè)定支撐劑顆粒在流體中的自由沉降速度的方法為: 首先配置實(shí)驗(yàn)所需溶液并置入可視化溫控沉降管道中，靜置使溶液溫度達(dá)到平衡，通過測(cè)定支撐劑顆粒在溶液中以平衡速度自由沉降固定距離所需時(shí)間，計(jì)算得到支撐劑沉降速度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的支撐劑有效沉降粒徑的測(cè)量方法，其特征在于，步驟S1中，實(shí)驗(yàn)前溶液在恒溫下靜置時(shí)間為24~30小時(shí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的支撐劑有效沉降粒徑的測(cè)量方法，其特征在于，步驟S1中，實(shí)驗(yàn)前支撐劑在恒溫下置于溶液中的時(shí)間為24~30小時(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的支撐劑有效沉降粒徑的測(cè)量方法，其特征在于，步驟S1中，支撐劑粒徑與管道內(nèi)徑之比< 0.05。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的支撐劑有效沉降粒徑的測(cè)量方法，其特征在于，步驟S1中，測(cè)定沉降速度的管段固定距離位于管道中部，距管口和管底的距離為0.2~0.3m。
【文檔編號(hào)】G01N15/04GK104198345SQ201410471855
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月16日
【發(fā)明者】張國棟, 李明忠, 謝建勇, 石彥, 李吉斌 申請(qǐng)人:中國石油大學(xué)(華東)