[发明专利]运用高速摄影及数字图像技术的压裂液携砂性能测试装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种运用高速摄影及数字图像技术的压裂液携砂性能测试装置。

背景技术

目前公知的压裂液携砂、悬浮性能测试评价通用方法为测量支撑剂颗粒在压裂液中的自由沉降速度，由于压裂液的温度和流速对其悬浮性能有很大的影响，所以颗粒沉降速度指标仅仅能宏观、间接地反映液体的悬浮能力，不能准确反映携砂压裂液以不同的温度和流速在裂缝中流动时砂粒的沉降速度，更不能测试悬砂浓度沿裂缝的分布。

发明内容

本发明的目的在于提供一种运用高速摄影及数字图像技术的压裂液携砂性能测试装置，该装置原理可靠，操作简便，不仅能准确测试不同粒径砂粒以不同的砂比在不同温度、不同流速的压裂液中的沉降速度，还能准确测试砂粒在模拟裂缝中的浓度分布。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

本发明通过恒压气体驱动液体流动的方式，使不同流速和温度的携砂压裂液通过可视模拟裂缝悬砂系统，通过高速摄像系统捕捉砂粒在裂缝中的运动轨迹，通过数字图像处理系统，就可以确定砂粒的沉降轨迹和沉降速度。同样可以通过高速摄像机拍摄的砂粒在模拟裂缝中的平均分布影像，根据砂对光的吸收和散射作用表现出的水体颜色灰度不同，运用数字图象技术，可得出悬砂浓度沿裂缝的分布，具有广阔的市场前景。

运用高速摄影及数字图像技术的压裂液携砂性能测试装置，主要由空压机储气罐、温度传感器、储液罐、温度控制器、高速摄像系统、数字图像处理系统、流量计、针阀、可视模拟裂缝悬砂系统、柔光箱、收液罐组成。所述储液罐装有携砂压裂液，其两端连有温度传感器和温度控制器，储液罐上部连接空压机储气罐，所述空压机储气罐用恒压气体驱动携砂压裂液流动，下部通过管路连接可视模拟裂缝悬砂系统和收液罐，所述储液罐和可视模拟裂缝悬砂系统之间的管路上有流量计和针阀；所述高速摄像系统以柔光箱为光源对可视模拟裂缝悬砂系统进行观察和拍摄，所述高速摄像系统连接数字图像处理系统。

所述可视模拟裂缝悬砂系统，是由两块平行放置、大小均为500mm×1500mm、有纵向和横向刻度的有机玻璃面板组成，两块面板之间的间距为5mm，所构成的狭窄裂缝通道来模拟地层裂缝。

本发明分为两个系统：管路及裂缝模拟系统和高速摄像及数字图像处理系统。

管路及裂缝模拟系统：采用容积为50L，设计压力为1MPa储罐作为测试液体储存容器（罐内带电磁式搅拌器，罐体带安全阀、压力表、液位计）。容器上部与最大工作压力0.5Mpa的便携式可调压空压机连通，由空压机提供恒压气源驱动储液罐中的压裂液流动。测试压裂液的温度采用加热器、温度变送器、温度控制器来控制。控制方法为：在温度控制器上设定测试的目标温度，由温度变送器探测罐内测试液温度，当测试液温度低于设定值，温度控制器控制储液罐外部包裹的加热器进行加热至设定值。并通过在储液罐和管道外包裹隔热层的办法，保持测试过程恒温。需测试的携砂压裂液样品通过气体压力驱动在管道内流动，液体从储液容器中流出后，进入内径为10mm的不锈钢直管段，液体的流速通过针阀控制（可控制雷诺数范围为1000-100000），并由流量计计量后流入两块平行放置大小均为500mm×1500mm，有纵向和横向刻度的有机玻璃面板。两块面板之间的间距为5mm，构成狭窄的裂缝通道来模拟地层裂缝。砂在模拟裂缝中的运动规律和分布，可以清楚地通过透明的有机玻璃面板观察和拍摄。

高速摄像及数字图像处理系统：高速摄像系统采用美国Vision Research公司研发的Phantom产品系列，基于CMOS的传感器的分辨率可调，最高可达1600×1200，最大分辨率下的帧频达1000pps，低分辨率下的帧频达160000pps，能够清晰地拍摄到砂粒的瞬间运动图像。高速摄像机根据实验需求逆光拍摄，对光线的亮度有较高的要求，光源使用特制的柔光箱，光线明亮无闪烁，使得透射光强沿裂缝方向分布均匀，以保证砂粒运动规律及悬砂分布的拍摄质量。高速摄像系统捕捉砂粒在裂缝中的运动轨迹，通过数字图像处理系统，就可以确定砂粒的沉降轨迹和沉降速度。同样，可以通过高速摄像机拍摄的砂粒在模拟裂缝中的平均分布影像，根据泥沙对光的吸收和散射作用，透射光强较之入射光强将按指数规律削弱，且悬砂浓度越大，削弱越厉害，表现为水体颜色灰度不同。由此，通过数字图像处理系统运用数字图象技术，得出相应的灰度分布，然后根据标定的悬砂浓度与灰度关系，便可得出悬砂浓度沿裂缝的分布。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：