新型裂縫導(dǎo)流能力測定儀的研制

李春蘭 鮑 辰

中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院 北京 102249

現(xiàn)代教育技術(shù)與裝備

新型裂縫導(dǎo)流能力測定儀的研制

李春蘭 鮑 辰

中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院 北京 102249

裂縫導(dǎo)流能力測定實(shí)驗(yàn)是石油工程主干專業(yè)課采油工程的必修實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。原實(shí)驗(yàn)儀器過于龐大，占用空間大，且操作不便，安全性差。針對教學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，對儀器進(jìn)行了全面改進(jìn)，改進(jìn)后的儀器結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，操作方便，教學(xué)效果良好。

裂縫導(dǎo)流能力；采油工程；實(shí)驗(yàn)儀器；研制

裂縫導(dǎo)流能力是油層壓裂效果評價的重要技術(shù)指標(biāo)，裂縫導(dǎo)流能力測定實(shí)驗(yàn)是石油工程專業(yè)本科生主干專業(yè)課采油工程的必做實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。目前石油高校使用的裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)儀存在以下5個缺點(diǎn)。(1)儀器體積龐大，一臺儀器占用面積超過2.0 m2。(2)笨重，儀器重量超過300 kg。(3)操作費(fèi)力，導(dǎo)流室是主要活動部件，做實(shí)驗(yàn)時需要頻繁拆裝、填砂。原儀器的導(dǎo)流室重約15 kg，搬動、拆裝非常困難。(4)閉合壓力的加載操作復(fù)雜、不安全。原儀器閉合壓力的加載方式是采用油壓機(jī)，加壓時需要進(jìn)油閥和泄油閥同時開啟，且進(jìn)、出油量達(dá)到完全平衡方能使壓力值控制在穩(wěn)定數(shù)值，加壓控制比較困難。一旦操作中出現(xiàn)失誤，很容易出現(xiàn)壓力快速上升、損壞壓力表的現(xiàn)象，甚至危及人身安全。(5)儀器結(jié)構(gòu)不緊湊。供氣源采用氮?dú)馄抗猓鞒梯^長，占用空間大。

基于原裂縫導(dǎo)流能力測定實(shí)驗(yàn)儀存在的問題，筆者進(jìn)行了全面改進(jìn)，研制出一臺結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小、操作安全方便的新型裂縫導(dǎo)流能力測定儀。新研制的裂縫導(dǎo)流能力測定儀總重量不超過50 kg，占用面積不超過0.5 m2，導(dǎo)流室重量不超過4 kg。操作方便、安全，儀器功能完全能夠滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要。

1 裂縫導(dǎo)流能力測量原理及實(shí)驗(yàn)流程

所謂裂縫導(dǎo)流能力就是測定人工壓開的裂縫充填支撐劑以后，允許流體通過的能力，實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。其主要部件為導(dǎo)流室(如圖2所示)。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖

圖2 導(dǎo)流室

導(dǎo)流室中充填支撐劑，支撐劑上方加壓，模擬地層的閉合壓力，氣體通過導(dǎo)流室，測定入口和出口兩端的壓差和氣體流量，即可計算不同閉合壓力下裂縫的導(dǎo)流能力。計算公式為：

式中：kWf–裂縫導(dǎo)流能力；μ–通過裂縫的氣體黏度；Q–通過裂縫的氣體流量；L–導(dǎo)流室兩測壓點(diǎn)間的距離；W – 支撐劑厚度(縫寬)；?p–導(dǎo)流室進(jìn)出口壓差。

2 儀器設(shè)計及改進(jìn)

2.1 導(dǎo)流室的改進(jìn)

導(dǎo)流室是實(shí)驗(yàn)操作的重要部件，實(shí)驗(yàn)過程中需

要從流程中拆下，起出活塞，在導(dǎo)流槽中填入支撐劑。原儀器的導(dǎo)流室尺寸為24 cm×10 cm×8 cm，重量約為15 kg。拆裝、搬動非常困難。為便于操作，在保持結(jié)構(gòu)不變的前提下，縮小尺寸，新設(shè)計的導(dǎo)流室尺寸為15 cm×5 cm×5 cm，改進(jìn)后的導(dǎo)流室重量只有4 kg，學(xué)生可以很容易地進(jìn)行拆裝和填砂操作。尺寸縮小后，功能不變。

2.2 閉合壓力加載方式的改進(jìn)

原導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)儀的閉合壓力加載方式是由油壓機(jī)完成的，油壓機(jī)設(shè)備龐大，控制困難，操作不當(dāng)就會出現(xiàn)壓力快速升高的現(xiàn)象。新型導(dǎo)流儀將閉合壓力加載方式改成活塞式水力控制。輕輕轉(zhuǎn)動活塞增壓手柄，就可以很輕松的加載，操作輕便、安全，而且占用空間大大減小。改進(jìn)前后的加載設(shè)備如圖3所示。

圖3 閉合壓力加載設(shè)備

2.3 供氣源的改進(jìn)

氣源可以用氮?dú)庖部梢杂每諝狻Ｔ瓋x器供氣是采用氮?dú)馄浚w積較大，不僅增加了設(shè)備占用面積，也增加了氮?dú)赓徺I成本。由于實(shí)驗(yàn)過程中所需的供氣壓力不高，將氣源由氮?dú)馄扛某蓧毫θ萜鞴猓瑝毫θ萜黧w積為氮?dú)馄康?/5，最大承壓20 MPa，容氣量完全可以滿足實(shí)驗(yàn)的需要。由于容器體積小，可以直接固定在儀器臺上，不再額外占用空間，設(shè)備非常緊湊。利用一臺增壓泵可為多臺儀器充氣，節(jié)省了成本。

2.4 氣體流量計的改進(jìn)

原儀器的氣體流量計為浮子流量計。浮子流量計的缺點(diǎn)是，流量一旦超過量程，浮子很容易卡在流量管的頂端，影響流量計正常使用。新研制的儀器改成了皂膜流量計，一方面皂膜流量計精度比浮子流量計高；另一方面，皂膜流量計耐用，不會出現(xiàn)因超量程引起損壞的問題，特別適合教學(xué)使用。改進(jìn)前后的儀器對比圖如圖4所示。

圖4 改進(jìn)前后儀器對比圖

3 儀器改進(jìn)后教學(xué)效果

改進(jìn)后的儀器已用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，達(dá)到了預(yù)想的教學(xué)效果。(1)儀器的操控性增強(qiáng)。以前只有男生才能夠操作的導(dǎo)流室的拆裝，現(xiàn)在每個學(xué)生都可以輕松自如地進(jìn)行操作。(2)儀器的安全性增強(qiáng)。加載閉合壓力時，完全避免了升壓過快、過高的問題，消除了安全隱患。(3)每組人數(shù)減少。由于原設(shè)備過于龐大，笨重，根據(jù)空間大小，實(shí)驗(yàn)室只能購置兩臺，且只能放置在一層。改進(jìn)后的儀器結(jié)構(gòu)緊湊，且移動方便，目前設(shè)計加工了5臺。每組人數(shù)由原來的6人/臺降至2人/臺，大大改善了教學(xué)效果。

4 結(jié)束語

新型裂縫導(dǎo)流能力測定儀占用空間大幅度減小，占用面積由2.0 m2降為0.5 m2，重量由300 kg降為50 kg，儀器操作更加輕便、省力，實(shí)驗(yàn)更加安全、可靠。新型裂縫導(dǎo)流能力測定儀已使用400余人次。教學(xué)效果良好。

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Development of a New Type of Fracture Flow Conductivity Tester

Li Chunlan, Bao Chen
College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Beijing, 102249, China

Fracture flow conductivity test is essential content of oil production engineering which is major undergraduate course in petroleum engineering. The original experimental instrument is too large, large space occupation, inconvenient operation and poor safety. According to the characteristics of the teaching experiment, the author has made a comprehensive improvement to the instrument, which has the advantages of compact structure, small occupied space, convenient operation and good teaching effect.

fracture flow conductivity; oil production engineering; experimental instrument; development

2016-05-11

李春蘭，博士，高級工程師。