一種支撐劑有效沉降粒徑的測量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種支撐劑有效沉降粒徑的測量方法，步驟如下：S1、測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，計算支撐劑雷諾數(shù)；S3、計算支撐劑有效沉降粒徑；S4、將步驟S3計算得到的支撐劑有效沉降粒徑de與初值de0比較，重復步驟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的有效沉降粒徑測量方法，彌補了不規(guī)則顆粒沉降速度計算時，形狀因子修正系數(shù)測量、計算復雜的不足，能夠精確計算支撐劑沉降速度進而精確預測裂縫中砂堤展布形態(tài)，提高壓裂施工效果預測精度。
【專利說明】一種支撐劑有效沉降粒徑的測量方法

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

【背景技術】
[0002] 水力壓裂技術自20世紀30年代誕生以來推動了石油工業(yè)的快速發(fā)展。在水力壓 裂設計過程中，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。準確計算支撐劑沉降速度，精確預測裂縫中砂堤 展布形態(tài)，對壓裂設計和壓后產(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。與常規(guī)油氣藏相比，該類儲層滲透率極低，通常需要 進行水平井+滑溜水壓裂技術，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，然而對于規(guī)則程度較差的 顆粒，其表面積難以精確計算。Corey和Krumbein分別提出了形狀系數(shù)和Krumbein球形 度的概念，該兩種方法需要測量不規(guī)則顆粒三維方向上的軸徑，對于小顆粒這顯然是很難 做到的。佐藤博引入固體顆粒等價球直徑，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)則顆粒等價球直徑相對容易測量，但對于小粒徑支撐劑，該方法操作相對復 雜，仍較難實現(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球直徑。在 進行壓裂設計之前，預先通過室內(nèi)實驗測定支撐劑顆粒在所需壓裂液中的有效沉降粒徑， 進而在壓裂設計中以此計算支撐劑沉降速度。該方法有效消除支撐劑顆粒的不規(guī)則性對其 沉降速度的影響，能夠精確預測裂縫中砂堤展布形態(tài)，提高壓裂施工效果預測精度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術的不足，尤其是不規(guī)則顆粒沉降速度計算時，球形度等修正系數(shù)測 量、計算困難，本發(fā)明提供一種支撐劑在不同性質(zhì)流體中沉降時的有效沉降粒徑的測量方 法，該方法可有效消除支撐劑不規(guī)則性對沉降速度的影響，滿足現(xiàn)場壓裂施工的設計要求。
[0006] 術語說明：
[0007] 牛頓流體：是指在受力后極易變形，且剪切應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 --剪切應力，K-稠度 系數(shù)，單位（Pa · sn)，Υ -剪切速率，單位（?Γ1)，η-流性指數(shù)，Κ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，同時表現(xiàn)出黏性和彈性。在不超 過屈服強度的條件下，剪切應力除去以后，其變形能部分復原。
[0010] 本發(fā)明的技術方案如下：
[0011] 一種支撐劑有效沉降粒徑的測量方法，步驟如下：
[0012] Si、測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，輸入相應的各參數(shù)值，計算支撐劑雷 諾數(shù)；
[0014] 當流體為牛頓流體時，雷諾數(shù)按公式（1)計算，
[0015]

【權利要求】
1. 一種支撐劑有效沉降粒徑的測量方法，步驟如下： Si、測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，輸入相應的各參數(shù)值，計算支撐劑雷諾數(shù)； 當流體為牛頓流體時，雷諾數(shù)按公式（1)計算，
(1) 當流體為冪律流體時，雷諾數(shù)按公式（2)計算，
(2) 當流體為粘彈性流體時，雷諾數(shù)按公式（3)計算， (3) 公式U)
?（3)甲，Rep(l表不支撐劑雷諾數(shù)，Pi表不流體密度，v表不支撐劑自由沉降 速度，de(l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、當流體為牛頓流體時，根據(jù)步驟S2得到的Rep(l判斷流動類型并根據(jù)公式（4a)或 (4b)計算支撐劑有效沉降粒徑4，
當流體為冪律流體時，根據(jù)公式（5)計算

(5) 然后根據(jù)公式（6)求Rep，
(6) 公式（6)中，X表示修正系數(shù)，根據(jù)步驟S2得到的Rep(l判斷流動類型并按公式（7a)、 (7b)或（7c)計算得到X，

(7c)； 進而根據(jù)公式（2)反求支撐劑有效沉降粒徑4 ;當流體為粘彈性流體時，根據(jù)公式（8)計算

(8) (9； 公式（9)中，X表示修正系數(shù)，根據(jù)步驟S2得到的Rep(l判斷流動類型并按公式（7a)、 (7b)或（7c)計算得到X %表示韋森伯格數(shù)，按公式（10)計算得到，
(10) 進而根據(jù)公式（3)反求支撐劑有效沉降粒徑4 ; 公式（4a) A4b)?（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，Pl表示流體密度，Pp表示支撐劑密 度，Re p (RepCI)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計算得到的支撐劑有效沉降粒徑4與初值cU比較， 如果|d「cU彡ε，則計算結(jié)束，輸出計算結(jié)果de; 如果 14-dJ > ε，貝更新 de(l= (de+deCI)/2,重復步驟52?54，直到 |de-de(l| < ε 為 止；步驟34中，ε表示精度要求。
2. 根據(jù)權利要求1所述的支撐劑有效沉降粒徑的測量方法，其特征在于，步驟Si中，測 定支撐劑顆粒在流體中的自由沉降速度的方法為： 首先配置實驗所需溶液并置入可視化溫控沉降管道中，靜置使溶液溫度達到平衡，通 過測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間，計算得到支撐劑沉降 速度。
3. 根據(jù)權利要求2所述的支撐劑有效沉降粒徑的測量方法，其特征在于，步驟Si中，實 驗前溶液在恒溫下靜置時間為24?30小時。
4. 根據(jù)權利要求2所述的支撐劑有效沉降粒徑的測量方法，其特征在于，步驟Si中，實 驗前支撐劑在恒溫下置于溶液中的時間為24?30小時。
5. 根據(jù)權利要求2所述的支撐劑有效沉降粒徑的測量方法，其特征在于，步驟Si中，支 撐劑粒徑與管道內(nèi)徑之比< 0. 05。
6. 根據(jù)權利要求2所述的支撐劑有效沉降粒徑的測量方法，其特征在于，步驟Si中，測 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〇. 2?0. 3m。
【文檔編號】G01N15/02GK104089859SQ201410353706
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月23日 優(yōu)先權日:2014年7月23日
【發(fā)明者】張國棟, 李明忠, 謝建勇, 石彥, 李吉斌 申請人:中國石油大學(華東)