一种支撑剂有效沉降粒径的测量方法
【专利摘要】本发明涉及一种支撑剂有效沉降粒径的测量方法，步骤如下：S1、测定支撑剂颗粒沉降速度；S2、给定一支撑剂颗粒有效沉降粒径初值，计算支撑剂雷诺数；S3、计算支撑剂有效沉降粒径；S4、将步骤S3计算得到的支撑剂有效沉降粒径de与初值de0比较，重复步骤S1～S4直到满足精度要求。本发明建立了支撑剂在牛顿流体、幂律流体以及粘弹性流体中沉降时的有效沉降粒径测量方法，弥补了不规则颗粒沉降速度计算时，形状因子修正系数测量、计算复杂的不足，能够精确计算支撑剂沉降速度进而精确预测裂缝中砂堤展布形态，提高压裂施工效果预测精度。
【专利说明】一种支撑剂有效沉降粒径的测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及油气田开发水力压裂【技术领域】，具体涉及一种支撑剂有效沉降粒径的 测量方法。
【背景技术】
[0002] 水力压裂技术自20世纪30年代诞生以来推动了石油工业的快速发展。在水力压 裂设计过程中，支撑剂的沉降规律始终是石油工作者研究的主要问题之一，它直接决定裂 缝中砂堤的展布形态，影响压裂施工效果。准确计算支撑剂沉降速度，精确预测裂缝中砂堤 展布形态，对压裂设计和压后产能分析具有重要的意义。近年来，随着全球能源需求的增加 以及常规油气资源产量的大幅降低，世界能源结构发生了巨大变化，页岩气、页岩油以及致 密油气等非常规油气藏成为开发热点。与常规油气藏相比，该类储层渗透率极低，通常需要 进行水平井+滑溜水压裂技术，而由于滑溜水的低粘度，支撑剂在其中的沉降行为更加显 著，使得精确计算支撑剂在滑溜水压裂液中的沉降速度显得尤为重要。
[0003] 在水力压裂过程中，支撑剂的沉降速度受压裂液性质、裂缝壁面、浓度以及颗粒形 状等多重因素影响，其中支撑剂的不规则性是主要影响因素之一。针对非球形颗粒的沉降 速度，通常引入表征颗粒不规则性的形状因子进行修正。Wadell提出了球形度的概念，它 表征了与固体颗粒等体积球的表面积与固体颗粒表面积的比值，然而对于规则程度较差的 颗粒，其表面积难以精确计算。Corey和Krumbein分别提出了形状系数和Krumbein球形 度的概念，该两种方法需要测量不规则颗粒三维方向上的轴径，对于小颗粒这显然是很难 做到的。佐藤博引入固体颗粒等价球直径，提出了面积指数的概念，虽然随着高精度电子天 平的出现，不规则颗粒等价球直径相对容易测量，但对于小粒径支撑剂，该方法操作相对复 杂，仍较难实现。
[0004] 支撑剂有效沉降粒径表征的是与支撑剂颗粒具有相同沉降速度的等价球直径。在 进行压裂设计之前，预先通过室内实验测定支撑剂颗粒在所需压裂液中的有效沉降粒径， 进而在压裂设计中以此计算支撑剂沉降速度。该方法有效消除支撑剂颗粒的不规则性对其 沉降速度的影响，能够精确预测裂缝中砂堤展布形态，提高压裂施工效果预测精度。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的不足，尤其是不规则颗粒沉降速度计算时，球形度等修正系数测 量、计算困难，本发明提供一种支撑剂在不同性质流体中沉降时的有效沉降粒径的测量方 法，该方法可有效消除支撑剂不规则性对沉降速度的影响，满足现场压裂施工的设计要求。
[0006] 术语说明：
[0007] 牛顿流体：是指在受力后极易变形，且剪切应力与剪切速率成正比的低粘性流体。
[0008] 幂律流体：是指符合τ = K Y n流变规律的流体。式中：τ --剪切应力，K-稠度 系数，单位（Pa · sn)，Υ -剪切速率，单位（?Γ1)，η-流性指数，Κ值是粘度的度量。
[0009] 粘弹性流体：是指介于黏性流体和弹性固体之间，同时表现出黏性和弹性。在不超 过屈服强度的条件下，剪切应力除去以后，其变形能部分复原。
[0010] 本发明的技术方案如下：
[0011] 一种支撑剂有效沉降粒径的测量方法，步骤如下：
[0012] Si、测定支撑剂颗粒在流体中的自由沉降速度v ;
[0013] S2、给出一支撑剂颗粒有效沉降粒径初值cU，输入相应的各参数值，计算支撑剂雷 诺数；
[0014] 当流体为牛顿流体时，雷诺数按公式（1)计算，
[0015]
【权利要求】
1. 一种支撑剂有效沉降粒径的测量方法，步骤如下： Si、测定支撑剂颗粒在流体中的自由沉降速度V ; s2、给出一支撑剂颗粒有效沉降粒径初值，输入相应的各参数值，计算支撑剂雷诺数； 当流体为牛顿流体时，雷诺数按公式（1)计算，
(1) 当流体为幂律流体时，雷诺数按公式（2)计算，
(2) 当流体为粘弹性流体时，雷诺数按公式（3)计算， (3) 公式U)
?（3)甲，Rep(l表不支撑剂雷诺数，Pi表不流体密度，v表不支撑剂自由沉降 速度，de(l表示支撑剂有效沉降粒径初值，μ表示流体粘度，K表示流体稠度系数，η表示流 体流性指数； S3、当流体为牛顿流体时，根据步骤S2得到的Rep(l判断流动类型并根据公式（4a)或 (4b)计算支撑剂有效沉降粒径4，
当流体为幂律流体时，根据公式（5)计算
(5) 然后根据公式（6)求Rep，
(6) 公式（6)中，X表示修正系数，根据步骤S2得到的Rep(l判断流动类型并按公式（7a)、 (7b)或（7c)计算得到X，
(7c)； 进而根据公式（2)反求支撑剂有效沉降粒径4 ;当流体为粘弹性流体时，根据公式（8)计算
(8) (9； 公式（9)中，X表示修正系数，根据步骤S2得到的Rep(l判断流动类型并按公式（7a)、 (7b)或（7c)计算得到X %表示韦森伯格数，按公式（10)计算得到，
(10) 进而根据公式（3)反求支撑剂有效沉降粒径4 ; 公式（4a) A4b)?（10)中，de表示支撑剂有效沉降粒径，deQ表示支撑剂有效沉降粒径 初值，μ表示流体粘度，v表示支撑剂自由沉降速度，Pl表示流体密度，Pp表示支撑剂密 度，Re p (RepCI)表示支撑剂雷诺数，K表示流体稠度系数，η表示流体流性指数，g为重力加速 度，CD表示支撑剂沉降时的拖曳系数，α、β表示常数，A、b表示材料参数； S4、将步骤S3计算得到的支撑剂有效沉降粒径4与初值cU比较， 如果|d「cU彡ε，则计算结束，输出计算结果de; 如果 14-dJ > ε，贝更新 de(l= (de+deCI)/2,重复步骤52?54，直到 |de-de(l| < ε 为 止；步骤34中，ε表示精度要求。
2. 根据权利要求1所述的支撑剂有效沉降粒径的测量方法，其特征在于，步骤Si中，测 定支撑剂颗粒在流体中的自由沉降速度的方法为： 首先配置实验所需溶液并置入可视化温控沉降管道中，静置使溶液温度达到平衡，通 过测定支撑剂颗粒在溶液中以平衡速度自由沉降固定距离所需时间，计算得到支撑剂沉降 速度。
3. 根据权利要求2所述的支撑剂有效沉降粒径的测量方法，其特征在于，步骤Si中，实 验前溶液在恒温下静置时间为24?30小时。
4. 根据权利要求2所述的支撑剂有效沉降粒径的测量方法，其特征在于，步骤Si中，实 验前支撑剂在恒温下置于溶液中的时间为24?30小时。
5. 根据权利要求2所述的支撑剂有效沉降粒径的测量方法，其特征在于，步骤Si中，支 撑剂粒径与管道内径之比< 0. 05。
6. 根据权利要求2所述的支撑剂有效沉降粒径的测量方法，其特征在于，步骤Si中，测 定沉降速度的管段固定距离位于管道中部，距管口和管底的距离为〇. 2?0. 3m。
【文档编号】G01N15/02GK104089859SQ201410353706
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月23日 优先权日:2014年7月23日
【发明者】张国栋, 李明忠, 谢建勇, 石彦, 李吉斌 申请人:中国石油大学(华东)