新型裂縫導流能力測定儀的研制

李春蘭 鮑 辰

中國石油大學(北京)石油工程學院 北京 102249

現代教育技術與裝備

新型裂縫導流能力測定儀的研制

李春蘭 鮑 辰

中國石油大學(北京)石油工程學院 北京 102249

裂縫導流能力測定實驗是石油工程主干專業課采油工程的必修實驗內容。原實驗儀器過于龐大，占用空間大，且操作不便，安全性差。針對教學實驗的特點，對儀器進行了全面改進，改進后的儀器結構緊湊，占用空間小，操作方便，教學效果良好。

裂縫導流能力；采油工程；實驗儀器；研制

裂縫導流能力是油層壓裂效果評價的重要技術指標，裂縫導流能力測定實驗是石油工程專業本科生主干專業課采油工程的必做實驗內容。目前石油高校使用的裂縫導流能力實驗儀存在以下5個缺點。(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)操作費力，導流室是主要活動部件，做實驗時需要頻繁拆裝、填砂。原儀器的導流室重約15 kg，搬動、拆裝非常困難。(4)閉合壓力的加載操作復雜、不安全。原儀器閉合壓力的加載方式是采用油壓機，加壓時需要進油閥和泄油閥同時開啟，且進、出油量達到完全平衡方能使壓力值控制在穩定數值，加壓控制比較困難。一旦操作中出現失誤，很容易出現壓力快速上升、損壞壓力表的現象，甚至危及人身安全。(5)儀器結構不緊湊。供氣源采用氮氣瓶供氣，流程較長，占用空間大。

基于原裂縫導流能力測定實驗儀存在的問題，筆者進行了全面改進，研制出一臺結構緊湊、占用空間小、操作安全方便的新型裂縫導流能力測定儀。新研制的裂縫導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驗教學需要。

1 裂縫導流能力測量原理及實驗流程

所謂裂縫導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，實驗流程如圖1所示。其主要部件為導流室(如圖2所示)。

圖1 實驗流程圖

圖2 導流室

導流室中充填支撐劑，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流能力。計算公式為：

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

2 儀器設計及改進

2.1 導流室的改進

導流室是實驗操作的重要部件，實驗過程中需

要從流程中拆下，起出活塞，在導流槽中填入支撐劑。原儀器的導流室尺寸為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，在保持結構不變的前提下，縮小尺寸，新設計的導流室尺寸為15 cm×5 cm×5 cm，改進后的導流室重量只有4 kg，學生可以很容易地進行拆裝和填砂操作。尺寸縮小后，功能不變。

2.2 閉合壓力加載方式的改進

原導流能力實驗儀的閉合壓力加載方式是由油壓機完成的，油壓機設備龐大，控制困難，操作不當就會出現壓力快速升高的現象。新型導流儀將閉合壓力加載方式改成活塞式水力控制。輕輕轉動活塞增壓手柄，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。改進前后的加載設備如圖3所示。

圖3 閉合壓力加載設備

2.3 供氣源的改進

氣源可以用氮氣也可以用空氣。原儀器供氣是采用氮氣瓶，體積較大，不僅增加了設備占用面積，也增加了氮氣購買成本。由于實驗過程中所需的供氣壓力不高，將氣源由氮氣瓶改成壓力容器供氣，壓力容器體積為氮氣瓶的1/5，最大承壓20 MPa，容氣量完全可以滿足實驗的需要。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，設備非常緊湊。利用一臺增壓泵可為多臺儀器充氣，節省了成本。

2.4 氣體流量計的改進

原儀器的氣體流量計為浮子流量計。浮子流量計的缺點是，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，不會出現因超量程引起損壞的問題，特別適合教學使用。改進前后的儀器對比圖如圖4所示。

圖4 改進前后儀器對比圖

3 儀器改進后教學效果

改進后的儀器已用于實驗教學，達到了預想的教學效果。(1)儀器的操控性增強。以前只有男生才能夠操作的導流室的拆裝，現在每個學生都可以輕松自如地進行操作。(2)儀器的安全性增強。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)每組人數減少。由于原設備過于龐大，笨重，根據空間大小，實驗室只能購置兩臺，且只能放置在一層。改進后的儀器結構緊湊，且移動方便，目前設計加工了5臺。每組人數由原來的6人/臺降至2人/臺，大大改善了教學效果。

4 結束語

新型裂縫導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，實驗更加安全、可靠。新型裂縫導流能力測定儀已使用400余人次。教學效果良好。

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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。