基于流场测试的压裂液缝内减阻性能测试装置及方法与流程

1.本发明涉及压裂液缝内减阻性能测试技术，具体涉及基于流场测试的压裂液缝内减阻性能测试装置及方法。


背景技术：

2.水力压裂是油气田开发的重要技术，是油气藏增产改造的一项重要手段。其主要过程是通过地面泵注高压流体在地层憋开裂缝，然后依次注入不含支撑剂颗粒的前置液使裂缝延伸，进而注入压裂液和支撑剂颗粒混合物使裂缝中充填一定的支撑剂颗粒。施工完成后，闭合裂缝被支撑剂颗粒所支撑，从而形成具有高导流能力的油气向井筒流动的通道。
3.压裂过程中压裂液在裂缝中的摩阻会对整体的施工压裂造成一定的影响，特别是在裂缝较长的储层。现有的研究手段很少提及压裂液体在狭缝中的摩阻测试，仅有的研究也只是针对压裂液流动过程中的裂缝入口与裂缝出口的压力波动计算，但是这种通过压力波动存在以下两点问题：
①
其测试的压力损失不只是摩阻损失，还有井筒入口与出口的压力损失，导致所获取的数据不能够直接对应到摩阻上去；
②
通过压力测试判断摩阻仅仅能够从宏观表象上进行不同液体摩阻研究，难以从微观上分析出现摩阻的原因，以及找到如何改变其原因的方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于：提供一种基于流场测试的压裂液缝内减阻性能测试装置及方法，其能得到压裂液缝内减阻性能，并从微观上分析出现摩阻的原因，进而找到如何改变其原因的方法。
5.本发明通过下述技术方案实现：
6.一种基于流场测试的压裂液缝内减阻性能测试装置，包括：
7.配液罐，其用于配制含示踪粒子的压裂液或清水；
8.可视化裂缝平板装置，其包括多块彼此串联连通的可视化裂缝平板及m个测试区域；其中，每块可视化裂缝平板设有至少一个测试区域，m为正整数；
9.驱动泵，其入口与配液罐连通，其出口与可视化裂缝平板装置的入口连通，其用于驱动压裂液或清水以实验室排量q
i
在可视化裂缝平板装置内流动；其中，p为正整数，i＝1、2、3、4、
……
、p，p表示实验室排量的数量；
10.激光发射器，其发射的激光由第j测试区域的裂缝顶部射入可视化裂缝平板装置中，照亮第j测试区域内的流场；其中，j＝1、2、3、4、
……
、m；
11.相机，其用于获取n组在q
i
下第j测试区域内压裂液中示踪粒子移动的第一示踪粒子运动图像组，每组第一示踪粒子运动图像组均包括两幅第一示踪粒子运动图像；其用于获取n组在q
i
下第j测试区域内清水中示踪粒子移动的第二示踪粒子运动图像组，每组第二示踪粒子运动图像组均包括两幅第二示踪粒子运动图像；其中，n为同一测试区域内同一实验室排量的情况下获取第一示踪粒子运动图像组或第二示踪粒子运动图像组的组数，n为
正整数；在q
i
下第j测试区域内压裂液中示踪粒子移动的第t组第一示踪粒子运动图像组记为p(i,j,t)，在q
i
下第j测试区域内清水中示踪粒子移动的第t组第二示踪粒子运动图像组记为r(i,j,t)，t＝1、2、3、4、
……
、n；
12.处理单元，其用于将每幅第一示踪粒子运动图像、第二示踪粒子运动图像均分别划分成q个查询区域，其中，q为正整数；其用于基于p(i,j,t)，对应计算得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内压裂液的第t个第一速度场数据u(i,j,k,t)；其用于基于r(i,j,t)，对应计算得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内的清水的第t个第二速度场数据v(i,j,k,t)；其用于基于u(i,j,k,t)，对应计算得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内压裂液的第t个第一涡量场数据w(i,j,k,t)；其用于基于v(i,j,k,t)，对应计算得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内清水的第t个第二涡量场数据x(i,j,k,t)；其用于对在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内压裂液的全部第一涡量场数据w(i,j,k,t)求算术平均值，对应得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内压裂液的第一平均涡量场数据s(i,j,k)；其用于对在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内清水的全部第二涡量场数据x(i,j,k,t)求算术平均值，对应得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内清水的第二平均涡量场数据t(i,j,k)；其用于将在q
i
下第j测试区域的全部查询区域内压裂液的第一平均涡量场数据s(i,j,k)与在q
i
下第j测试区域的全部查询区域内清水的第二平均涡量场数据t(i,j,k)进行对比，计算得到在q
i
下第j测试区域内压裂液的降阻率d(i,j)，其中，所得的在q
i
下第j测试区域内压裂液的降阻率共计p
×
m个；其用于对p
×
m个降阻率求算术平均值，得到压裂液的计算降阻率d；其中，k＝1、2、3、4、
……
、q。
13.所述实验室排量q
i
通过式(1)计算得到；
[0014][0015]
式(1)中，q
i
的单位为l/min；v
f
为现场排量，单位为立方米/分钟；
[0016]
h
f
为人工裂缝高度，单位为米；w
f
为人工裂缝宽度，单位为mm；h
e
为可视化裂缝平板装置的高度，单位为米；w
e
为可视化裂缝平板间的宽度，单位为mm。
[0017]
所述处理单元通过傅里叶快速变换对第一示踪粒子运动图像组、第二示踪粒子运动图像组分别进行相关性分析对应得到u(i,j,k,t)、v(i,j,k,
[0018]
t)。
[0019]
所述处理单元采用基本涡量计算公式结合q准则通过式(2)、式(3)计算得到w(i,j,k,t)；
[0020][0021]
式(2)中，u(i,j,k,t,x)、u(i,j,k,t,y)分别对应为u(i,j,k,t)在x、y两个方向上的分速度；
[0022]
采用q准则对涡量场数据进行判断，其通过式(3)计算；
[0023][0024]
式(3)中，q
w
为第一q准则判定数；s
n，1
与s
s，1
分别对应为压裂液受到的拉伸变形与剪切变形，其分别对应通过式(4)、式(5)计算得到；
[0025][0026][0027]
所述处理单元采用基本涡量计算公式结合q准则通过式(6)、式(7)计算得到x(i,j,k,t)；
[0028][0029]
式(6)中，v(i,j,k,t,x)、v(i,j,k,t,y)分别对应为v(i,j,k,t)在x、y两个方向上的分速度；
[0030]
采用q准则对涡量场数据进行判断，其通过式(7)计算；
[0031][0032]
式(7)中，q
x
为第二q准则判定数；s
n，2
与s
s，2
分别对应为清水受到的拉伸变形与剪切变形，其分别对应通过式(8)、式(9)计算得到；
[0033][0034][0035]
所述处理单元通过式(10)计算得到s(i,j,k)；
[0036][0037]
所述处理单元通过式(11)计算得到t(i,j,k)；
[0038][0039]
所述处理单元通过式(12)分别计算得到在q
i
下第j测试区域内压裂液的降阻率d(i,j)；
[0040][0041]
所述处理单元通过式(13)计算得到压裂液的计算降阻率d；
[0042][0043]
还包括：
[0044]
出液阀门，其入口与配液罐连通，其出口与驱动泵的入口连通；
[0045]
入口压力计，其入口与驱动泵的出口连通；
[0046]
入口流量计，其入口与入口压力计的出口连通，其出口与可视化裂缝平板装置的入口连通；
[0047]
出口流量计，其入口与可视化裂缝平板装置的出口连通；
[0048]
出口压力计，其入口与出口流量计的出口连通；
[0049]
循环液阀门，其入口与出口压力计的出口连通，其出口与配液罐连通；
[0050]
同步信号触发器，其分别与相机、激光发射器电气连接。
[0051]
一种基于流场测试的压裂液缝内减阻性能测试方法，包括以下步骤：
[0052]
步骤1，准备好所述基于流场测试的压裂液缝内减阻性能测试装置；
[0053]
步骤2，将示踪粒子加入到配液罐内的压裂液中，充分混合均匀，得到含示踪粒子的压裂液，静置待用；其中，示踪粒子的浓度为预定浓度；
[0054]
步骤3，开启驱动泵，驱动配液罐内含示踪粒子的压裂液以q1的实验室排量进入可视化裂缝平板装置中，待整体流体充分循并环稳定后，开始泵注，保持液面稳定，此时，压裂液在可视化裂缝平板装置中以q1的实验室排量流动；
[0055]
步骤4，激光发射器发射的激光由第1测试区域的裂缝顶部射入可视化裂缝平板装置中，照亮可视化裂缝平板装置中第1测试区域内的流场，相机对准第1测试区域内的流场，相机获取n组第1测试区域内压裂液中示踪粒子的第一示踪粒子运动图像组，这种情况下所获取的第一示踪粒子运动图像组依次分别为p(1,1,1)、p(1,1,2)、
……
、p(1,1,n)；然后，压裂液在可视化裂缝平板装置中继续以q1的实验室排量流动，激光发射器发射的激光由第2测试区域的裂缝顶部射入可视化裂缝平板装置中，照亮可视化裂缝平板装置中第2测试区域内的流场，相机对准第2测试区域内的流场，相机再获取n组第2测试区域内的压裂液中示踪粒子的第一示踪粒子运动图像组，这种情况下所获取的第一示踪粒子运动图像组分别为p(1,2,1)、p(1,2,2)、
……
、p(1,2,n)；依此类推，直至获取到p(1,m,1)、p(1,m,2)、
……
、p(1,m,n)为止；其中，每组第一示踪粒子运动图像组均包括两幅第一示踪粒子运动图像；
[0056]
步骤5，将步骤3中q1调整为q2，按照步骤4的方式分别获取p(211)、p(2,1,2)、
……
、p(2,1,n)，p(2,2,1)、p(2,2,2)、
……
、p(2,2,n)，
……
，p(2,m,1)、p(2,m,2)、
……
、p(2,m,n)；依此类推，直至分别获取到p(p,m,1)、p(p,m,2)、
……
、p(p,m,n)为止；
[0057]
步骤6，将步骤2中的压裂液更换成清水，按照步骤3至步骤5的方式分别获取第二示踪粒子运动图像组；
[0058]
步骤7，将每幅第一示踪粒子运动图像、第二示踪粒子运动图像均分别划分成q个查询区域，其中，q为正整数；基于p(i,j,t)，对应计算得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内压裂液的第t个第一速度场数据u(i,j,k,t)；基于r(i,j,t)，对应计算得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内的清水的第t个第二速度场数据v(i,j,k,t)；基于u(i,j,k,t)，对应计算得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内压裂液的第t个第一涡量场数据w(i,j,k,t)；基于v(i,j,k,t)，对应计算得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内清水的第t个第二涡量场数据x(i,j,k,t)；对在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内压裂液的全部第一涡量场数据w(i,j,k,t)求算术平均值，对应得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内压裂液的第一平均涡量场数据s(i,j,k)；对在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内清水的全部第二涡量场数据x(i,j,k,t)求算术平均值，对应得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内清水的
第二平均涡量场数据t(i,j,k)；将在q
i
下第j测试区域的全部查询区域内压裂液的第一平均涡量场数据s(i,j,k)与在q
i
下第j测试区域的全部查询区域内清水的第二平均涡量场数据t(i,j,k)进行对比，计算得到在q
i
下第j测试区域内压裂液的降阻率d(i,j)，其中，所得的在q
i
下第j测试区域内压裂液的降阻率共计p
×
m个；对p
×
m个降阻率求算术平均值，得到压裂液的计算降阻率d；其中，k＝1、2、3、4、
……
、q。
[0059]
一种基于流场测试的压裂液缝内减阻性能测试方法，包括以下步骤：
[0060]
步骤1，准备好所述基于流场测试的压裂液缝内减阻性能测试装置；
[0061]
步骤2，将示踪粒子加入到配液罐内的清水中，充分混合均匀，得到清水，静置待用；其中，示踪粒子的浓度为预定浓度；
[0062]
步骤3，开启驱动泵，驱动配液罐内含示踪粒子的清水以q1的实验室排量进入可视化裂缝平板装置中，待整体流体充分循并环稳定后，开始泵注，保持液面稳定，此时，清水在可视化裂缝平板装置中以q1的实验室排量流动；
[0063]
步骤4，激光发射器发射的激光由第1测试区域的裂缝顶部射入可视化裂缝平板装置中，照亮可视化裂缝平板装置中第1测试区域内的流场，相机对准第1测试区域内的流场，相机获取n组第1测试区域内的清水中示踪粒子的第二示踪粒子运动图像组，这种情况下所获取的第二示踪粒子运动图像组分别为r(1,1,1)、r(1,1,2)、
……
、r(1,1,n)；然后，清水在可视化裂缝平板装置中继续以q1的实验室排量流动，激光发射器发射的激光由第2测试区域的裂缝顶部射入可视化裂缝平板装置中，照亮可视化裂缝平板装置中第2测试区域内的流场，相机对准第2测试区域内的流场，相机获取n组第2测试区域内的清水中示踪粒子的第二示踪粒子运动图像组，这种情况下所获取的第二示踪粒子运动图像组分别为r(1,2,1)、r(1,2,2)、
……
、r(1,2,n)；依此类推，直至获取到r(1,m,1)、r(1,m,2)、
……
、r(1,m,n)为止；其中，每组第二示踪粒子运动图像组均包括两幅第二示踪粒子运动图像；
[0064]
步骤5，将步骤3中q1调整为q2，按照步骤4的方式分别获取r(2,1,1)、r(2,1,2)、
……
、r(2,1,n)，r(2,2,1)、r(2,2,2)、
……
、r(2,2,n)，
……
，r(2,m,1)、r(2,m,2)、
……
、r(2,m,n)；依此类推，直至分别获取到r(p,m,1)、r(p,m,2)、
……
、r(p,m,n)为止；
[0065]
步骤6，将步骤2中的清水更换成压裂液，按照步骤3至步骤5的方式分别获取第一示踪粒子运动图像组；
[0066]
步骤7，将每幅第一示踪粒子运动图像、第二示踪粒子运动图像均分别划分成q个查询区域，其中，q为正整数；基于p(i,j,t)，对应计算得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内压裂液的第t个第一速度场数据u(i,j,k,t)；基于r(i,j,t)，对应计算得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内的清水的第t个第二速度场数据v(i,j,k,t)；基于u(i,j,k,t)，对应计算得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内压裂液的第t个第一涡量场数据w(i,j,k,t)；基于v(i,j,k,t)，对应计算得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内清水的第t个第二涡量场数据x(i,j,k,t)；对在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内压裂液的全部第一涡量场数据w(i,j,k,t)求算术平均值，对应得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内压裂液的第一平均涡量场数据s(i,j,k)；对在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内清水的全部第二涡量场数据x(i,j,k,t)求算术平均值，对应得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内清水的第二平均涡量场数据t(i,j,k)；将在q
i
下第j测试区域的全部查询区域内压裂液的第一平均涡量场数据s(i,j,k)与在q
i
下第j测试区域的全部查询区域内清水的第二平均涡量场数
据t(i,j,k)进行对比，计算得到在q
i
下第j测试区域内压裂液的降阻率d(i,j)，其中，所得的在q
i
下第j测试区域内压裂液的降阻率共计p
×
m个；对p
×
m个降阻率求算术平均值，得到压裂液的计算降阻率d；其中，k＝1、2、3、4、
……
、q。
[0067]
本发明与现有技术相比，具有以下有益技术效果：
[0068]
本发明通过在流场中撒入示踪粒子，通过激光照射，获取得到流体的运动状态，通过对流场数据的进一步处理分析，得到三个特征空间的具体的压裂液在缝内流动过程的涡量数据，评价压裂液的具体减阻性能。
附图说明
[0069]
图1为本发明装置的结构示意图。
[0070]
图2为本发明4块彼此串联连通的可视化裂缝平板的结构示意图。
具体实施方式
[0071]
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了相互排斥的特质和/或步骤以外，均可以以任何方式组合，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换，即，除非特别叙述，每个特征为一系列等效或类似特征中的一个实施例而已。
[0072]
实施例1
[0073]
参见图1，本发明众多实施例中的一种基于流场测试的压裂液缝内减阻性能测试装置，包括配液罐1、出液阀门2、注入管线3、驱动泵4、入口压力计5、入口流量计6、相机激发线路7、相机8、相机数据传输线路9、同步信号触发器10、激光器激发线路11、激光发射器12、处理单元13、可视化裂缝平板装置15、出口流量计16、出口压力计17、出口管线18、循环液阀门19。
[0074]
配液罐1内设有搅拌器，其用于配制含示踪粒子的压裂液或清水。比如，配液罐1的容量可以是300l。清水作为对照物。
[0075]
参见图2，可视化裂缝平板装置15包括多块彼此串联连通的可视化裂缝平板及m个测试区域，每块可视化裂缝平板设有至少一个测试区域，这些可视化裂缝平板的测试区域共同组成可视化裂缝平板装置15的m个测试区域，m为正整数。可视化裂缝平板装置15的出口与配液罐1连通，以实现流体循环。具体的，本实施例中，可视化裂缝平板装置15包括4块彼此串联连通的可视化裂缝平板，构成一条裂缝，用于模拟真实地层裂缝，这4块彼此串联连通的可视化裂缝平板分别为可视化裂缝平板ⅰ、可视化裂缝平板ⅱ、可视化裂缝平板ⅲ、可视化裂缝平板ⅳ，每块可视化裂缝平板的长度为1m。每块可视化裂缝平板设有3个测试区域，比如，可视化裂缝平板ⅰ设有a1、a2、a3等3个测试区域，可视化裂缝平板ⅱ设有a4、a5、a6等3个测试区域，其他的依此类推，即可视化裂缝平板装置15共包括12个测试区域，也就是m＝12。每个测试区域的大小为300
×
355mm。设置m个测试区域的目的是：压裂液流经裂缝后会在不同的位置产生不同的流动特征，为了综合评价压裂液的性能，因此需要对各个区域所产生的涡量场进行测试，继而算得一个较为综合的减阻性能指标。
[0076]
驱动泵4的入口与配液罐1连通，其出口与可视化裂缝平板装置15的入口连通，其用于驱动压裂液或清水以实验室排量q
i
在可视化裂缝平板装置内流动。i＝1、2、3、4、
……
、
p，p表示实验室排量的数量，p为正整数。具体的，本实施例中，实验室排量共计5组，即p＝5，分别为q1、q2、q3、q4、q5。驱动泵4可以但不限于为螺杆泵。
[0077]
出液阀门2串联在配液罐1与驱动泵4之间，具体的，出液阀门2的入口与配液罐1连通，出液阀门2的出口与驱动泵4的入口连通。入口压力计5、入口流量计6依次串联在可视化裂缝平板装置15的入口与驱动泵4之间。具体的，入口压力计5的入口与驱动泵4的出口连通；入口流量计6的入口与入口压力计5的出口连通，入口流量计6的出口与可视化裂缝平板装置15的入口连通。
[0078]
配液罐1、出液阀门2、驱动泵4、入口压力计5、入口流量计6通过注入管线3依次连通。
[0079]
出口流量计16、出口压力计17、循环液阀门19依次串联在可视化裂缝平板装置15的出口与配液罐1之间。具体的，出口流量计16的入口与可视化裂缝平板装置15的出口连通，出口压力计17的入口与出口流量计16的出口连通；循环液阀门19的入口与出口压力计17的出口连通，其出口与配液罐1连通。
[0080]
可视化裂缝平板装置15的出口、出口流量计16、出口压力计17、循环液阀门19、配液罐1通过出口管线18依次连通。
[0081]
激光发射器12设置于第一测试位置比如第j测试区域的裂缝顶部上方，其发射的激光由第j测试区域的裂缝顶部射入可视化裂缝平板装置15中，照亮第j测试区域内的流场。其中，j＝1、2、3、4、
……
、m。
[0082]
相机8设置于第二测试位置比如第j测试区域附近，并垂直于第j测试区域所在的可视化裂缝平板。相机8用于获取n组在q
i
下第j测试区域内压裂液中示踪粒子移动的第一示踪粒子运动图像组，每组第一示踪粒子运动图像组均包括两幅第一示踪粒子运动图像。相机8还用于获取n组在q
i
下第j测试区域内清水中示踪粒子移动的第二示踪粒子运动图像组，每组第二示踪粒子运动图像组均包括两幅第二示踪粒子运动图像。n为同一测试区域内同一实验室排量的情况下获取第一示踪粒子运动图像组或第二示踪粒子运动图像组的组数，n为正整数；在q
i
下第j测试区域内压裂液中示踪粒子移动的第t组第一示踪粒子运动图像组记为p(i,j,t)，在q
i
下第j测试区域内清水中示踪粒子移动的第t组第二示踪粒子运动图像组记为r(i,j,t)，t＝1、2、3、4、
……
、n，n可以为预设值。相机8可以但不限于为scmos相机。比如，在q1下第1测试区域内压裂液中示踪粒子移动的第1组第一示踪粒子运动图像组记为p(1,1,1)，在q1下第1测试区域内压裂液中示踪粒子移动的第2组第一示踪粒子运动图像组记为p(1,1,2)，在q2下第1测试区域内压裂液中示踪粒子移动的第1组第一示踪粒子运动图像组记为p(2,1,1)，等等，其他的依此类推；在q1下第1测试区域内清水中示踪粒子移动的第1组第二示踪粒子运动图像组记为r(1,1,1)，在q1下第1测试区域内清水中示踪粒子移动的第2组第二示踪粒子运动图像组记为r(1,1,2)，在q2下第1测试区域内清水中示踪粒子移动的第1组第二示踪粒子运动图像组记为r(2,1,1)，等等，其他的依此类推。
[0083]
本文中，“在q
i
下”表示压裂液或清水以实验室排量q
i
流动的情况下，比如，“在q1下第1测试区域内清水
……”
表示清水以实验室排量q1流动的情况下第1测试区域内清水
……
，“在q2下第1测试区域内压裂液
……”
表示压裂液以实验室排量q2流动的情况下第1测试区域内压裂液
……
，其他情况依此类推。
[0084]
同步信号触发器10分别与相机8、激光发射器12电气连接。具体的，同步信号触发
器10通过相机激发线路7与相机8电气连接，同步信号触发器10通过激光器激发线路11与激光发射器12电气连接。
[0085]
相机8所获取的第一示踪粒子运动图像组、第二示踪粒子运动图像组可以先存储于硬盘中，供后续处理时读取，也可以传输给处理单元13进行处理。
[0086]
相机8通过相机数据传输线路9与处理单元13通信连接。
[0087]
处理单元13用于将每幅第一示踪粒子运动图像、第二示踪粒子运动图像均分别划分成q个查询区域，其中，q为正整数。处理单元13用于基于p(i,j,t)，对应计算得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内压裂液的第t个第一速度场数据u(i,j,k,t)。处理单元13用于基于r(i,j,t)，对应计算得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内的清水的第t个第二速度场数据v(i,j,k,t)。处理单元13用于基于u(i,j,k,t)，对应计算得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内压裂液的第t个第一涡量场数据w(i,j,k,t)。处理单元13用于基于v(i,j,k,t)，对应计算得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内清水的第t个第二涡量场数据x(i,j,k,t)。处理单元13用于对在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内压裂液的全部第一涡量场数据w(i,j,k,t)求算术平均值，对应得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内压裂液的第一平均涡量场数据s(i,j,k)。处理单元13用于对在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内清水的全部第二涡量场数据x(i,j,k,t)求算术平均值，对应得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内清水的第二平均涡量场数据t(i,j,k)。处理单元13用于将在q
i
下第j测试区域的全部查询区域内压裂液的第一平均涡量场数据s(i,j,k)与在q
i
下第j测试区域的全部查询区域内清水的第二平均涡量场数据t(i,j,k)进行对比，计算得到在q
i
下第j测试区域内压裂液的降阻率d(i,j)，其中，所得的在q
i
下第j测试区域内压裂液的降阻率共计p
×
m个。处理单元13用于对p
×
m个降阻率求算术平均值，得到压裂液的计算降阻率d；其中，k＝1、2、3、4、
……
、q。
[0088]
处理单元13可以是一种或多种任何类型的计算元件，诸如但不限于微处理器、处理器、中央处理单元、数字信号处理单元、双核处理器、移动设备处理器、桌面处理器、单核处理器、或单个芯片或集成电路上的任何其它类型的处理器或处理电路。处理单元13还可以是计算机或计算机的一部分。处理单元13可以控制本发明的整个装置协调工作，也可仅控制其中某部分。
[0089]
实施例2
[0090]
本实施例与前述实施例基本相同，不同之处在于，按照雷诺相似准则，以通过所建立的裂缝尺寸与真实裂缝尺寸的数值，建立起流量转化数值与准则，每类液体实验按照实验室排量q
i
进行，设置p组实验室排量的目的为将不同排量工况下的涡量损耗与紊流度都考虑进去。比如，设置q1、q2、q3、q4、q5等5组实验室排量进行测试，其中，q1、q2、q3、q4、q5依次对应现场5m3/min、8m3/min、12m3/min、15m3/min、18m3/min。实验室排量q
i
具体的数值确定利用雷诺相似原理，结合实验室装置尺寸，实验室排量q
i
通过式(1)计算得到；
[0091][0092]
式(1)中，q
i
的单位为l/min；v
f
为现场排量，单位为立方米/分钟；h
f
为人工裂缝高度，单位为米；w
f
为人工裂缝宽度，单位为mm；h
e
为可视化裂缝平板装置的高度，单位为米；w
e
为可视化裂缝平板间的宽度，单位为mm。
[0093]
实施例3
[0094]
本实施例与前述实施例基本相同，不同之处在于，处理单元13通过傅里叶快速变换对第一示踪粒子运动图像组、第二示踪粒子运动图像组分别进行相关性分析对应得到u(i,j,k,t)、v(i,j,k,t)。在相关性分析中，比如，前述查询区域的像素为64
×
64pixel，如果相机8所获取的第一示踪粒子运动图像、第二示踪粒子运动图像的像素为2560
×
2160pixel，则一副第一示踪粒子运动图像、第二示踪粒子运动图像中分别可以划分成1350个查询区域，即q＝1350。查询区域可以理解为1350个数据点，或者1350个网格。每一幅第一示踪粒子运动图像、第二示踪粒子运动图像中的1350个查询区域能够代表该小块流动区域的流动特征。
[0095]
第一示踪粒子运动图像组中包括两幅第一示踪粒子运动图像，第二示踪粒子运动图像组中包括两幅第二示踪粒子运动图像，相机获取相应图像时，每组中的两幅图像之间存在时间间隔，通过对比，能够得到两幅图像中同一示踪粒子移动的位移，该位移除以该时间间隔，就能得到对应示踪粒子的速度场数据，从而得到相应流体的速度场数据。
[0096]
实施例4
[0097]
本实施例与前述实施例基本相同，不同之处在于，处理单元13采用基本涡量计算公式结合q准则通过式(2)、式(3)计算得到w(i,j,k,t)；
[0098][0099]
式(2)中，u(i,j,k,t,x)、u(i,j,k,t,y)分别对应为u(i,j,k,t)在x、y两个方向上的分速度。
[0100]
其中，当涡量为正时，表示涡方向为逆时针；反之，当涡量为负时，表征涡方向为顺时针。涡量绝对值的大小表征了涡结构的强弱，越强的涡结构其对周边流场影响越大。涡量计算方法较为简单，但是由涡的定义式可以看出，其会对具有较大速度梯度的区域产生误识别。因此，在进行流场涡识别时，必须要把真实涡结构与剪切流场有效区分，才能够有效获取涡结构信息。
[0101]
采用q准则对涡量场数据进行判断，其通过式(3)计算；
[0102][0103]
式(3)中，q
w
为第一q准则判定数；s
n，1
与s
s，1
分别对应为压裂液受到的拉伸变形与剪切变形，其分别对应通过式(4)、式(5)计算得到；
[0104][0105][0106]
在进行流场涡结构判定中，需要同时进行涡量计算与q准则计算，当涡量计算不为0且q
w
>0时，则判断该流体质点区域存在着涡结构。涡量对于整体缝内压裂液流动降阻率评价是一个定量指标，涡量越大，表示该处的流体存在着较强的旋涡结构，大量的流体能量损耗在涡结构中，导致局部的流动驱动压差增大，继而导致流动的摩阻增大。因此，流场中涡量越强，表示其减阻性能较差；可根据不同液体在相同泵注速率以及相同区域中的平均涡
量对比，定量地判断该液体的减阻性能。
[0107]
实施例5
[0108]
本实施例与前述实施例基本相同，不同之处在于，处理单元13采用基本涡量计算公式结合q准则通过式(6)、式(7)计算得到x(i,j,k,t)；
[0109][0110]
式(6)中，v(i,j,k,t,x)、v(i,j,k,t,y)分别对应为v(i,j,k,t)在x、y两个方向上的分速度；
[0111]
采用q准则对涡量场数据进行判断，其通过式(7)计算；
[0112][0113]
式(7)中，q
x
为第二q准则判定数；s
n，2
与s
s，2
分别对应为清水受到的拉伸变形与剪切变形，其分别对应通过式(8)、式(9)计算得到；
[0114][0115][0116]
实施例6
[0117]
本实施例与前述实施例基本相同，不同之处在于，由于缝内流动较为复杂，因此裂缝中流体流动属于非定常流动。为了展示这种非定常流动的规律性，在前述设置压裂液或清水在某一实验室排量比如q
i
下的某一测试区域比如第j测试区域分别获取n组第一示踪粒子运动图像组、第二示踪粒子运动图像组。处理单元13通过式(10)计算得到s(i,j,k)；
[0118][0119]
实施例7
[0120]
本实施例与前述实施例基本相同，不同之处在于，处理单元13通过式(11)计算得到t(i,j,k)；
[0121][0122]
实施例8
[0123]
本实施例与前述实施例基本相同，不同之处在于，处理单元13通过式(12)分别计算得到在q
i
下第j测试区域内压裂液的降阻率d(i,j)；
[0124][0125]
实施例9
[0126]
本实施例与前述实施例基本相同，不同之处在于，处理单元13通过式(13)计算得到压裂液的计算降阻率d；
[0127][0128]
实施例10
[0129]
本发明的一种基于流场测试的压裂液缝内减阻性能测试方法，包括以下步骤：
[0130]
步骤1，准备好所述基于流场测试的压裂液缝内减阻性能测试装置。
[0131]
步骤2，将示踪粒子加入到配液罐1内的压裂液中，充分混合均匀，得到含示踪粒子的压裂液，静置待用；其中，示踪粒子的浓度为预定浓度。
[0132]
在进行步骤2之前，可以进行示踪粒子浓度优选实验，通过对不同示踪粒子浓度条件下的流场示踪粒子分布光照实验，获取在该工况条件下的最佳示踪粒子浓度，通过实验获取的最佳粒子浓度为15g/m3，最佳粒子浓度作为预定浓度；进行示踪粒子浓度优选实验的目的在于：若粒子浓度过大，则会导致流场中出现颗粒过曝光情况；若粒子浓度较小，则会出现查询区域内颗粒较少的情况，导致测试准确性不高；该参数是通过大量实验优化所得的最佳粒子浓度；优化方法为：进行不同浓度示踪粒子条件下的实验，通过对采集图像的后续分析确定最佳的示踪粒子浓度。
[0133]
步骤3，开启驱动泵4，驱动配液罐内含示踪粒子的压裂液以q1的实验室排量进入可视化裂缝平板装置15中，待整体流体充分循并环稳定后，开始泵注，保持液面稳定，此时，压裂液在可视化裂缝平板装置中以q1的实验室排量流动。初次开始测试时，需要进行排空操作。
[0134]
步骤4，激光发射器12发射的激光由第1测试区域的裂缝顶部射入可视化裂缝平板装置15中，照亮可视化裂缝平板装置15中第1测试区域内的流场，相机对准第1测试区域内的流场，具体的，比如，相机8对准第1测试区域内的流场的相机采集数据区域14，相机获取n组第1测试区域内压裂液中示踪粒子的第一示踪粒子运动图像组，这种情况下所获取的第一示踪粒子运动图像组依次分别为p(1,1,1)、p(1,1,2)、
……
、p(1,1,n)；然后，压裂液在可视化裂缝平板装置中继续以q1的实验室排量流动，激光发射器12发射的激光由第2测试区域的裂缝顶部射入可视化裂缝平板装置15中，照亮可视化裂缝平板装置中第2测试区域内的流场，相机对准第2测试区域内的流场，相机8再获取n组第2测试区域内的压裂液中示踪粒子的第一示踪粒子运动图像组，这种情况下所获取的第一示踪粒子运动图像组分别为p(1,2,1)、p(1,2,2)、
……
、p(1,2,n)；依此类推，直至获取到p(1,m,1)、p(1,m,2)、
……
、p(1,m,n)为止；其中，每组第一示踪粒子运动图像组均包括两幅第一示踪粒子运动图像。
[0135]
其中，将相机8、激光发射器12摆放至测试位置后，将激光强度调节为30％，相机光圈调节至5.6，激光频率调节至15hz，采集第一示踪粒子运动图像组、第二示踪粒子运动图像组的组数分别为n组，具体的，比如，预先使n＝100，这样采第一示踪粒子运动图像组、第二示踪粒子运动图像组的组数就分别设置为100组。激光强度与相机光圈是影响成像质量的关键，通过大量光照实验，获取得到了最佳的激光强度与相机光圈；激光频率的选取是为了速度与涡量识别的时间精度，将其设为设备能够承受的最大值，便能够实现最好的时间辨别精度；第一示踪粒子运动图像组、第二示踪粒子运动图像组的组数为100组的设定依据
为：实验中的流动是一个非定常流动，因此在实验过程中需要对每一个实验室排量在某一个测试区域中所测得的速度与涡量进行100个时间步长的平均，从而反应该实验室排量与该测试区域下的平均紊乱程度。
[0136]
步骤5，将步骤3中q1调整为q2，按照步骤4的方式分别获取p(211)、p(2,1,2)、
……
、p(2,1,n)，p(2,2,1)、p(2,2,2)、
……
、p(2,2,n)，
……
，p(2,m,1)、p(2,m,2)、
……
、p(2,m,n)；依此类推，直至分别获取到p(p,m,1)、p(p,m,2)、
……
、p(p,m,n)为止。
[0137]
步骤6，将步骤2中的压裂液更换成清水，按照步骤3至步骤5的方式分别获取第二示踪粒子运动图像组。
[0138]
步骤7，将每幅第一示踪粒子运动图像、第二示踪粒子运动图像均分别划分成q个查询区域，其中，q为正整数；基于p(i,j,t)，对应计算得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内压裂液的第t个第一速度场数据u(i,j,k,t)；基于r(i,j,t)，对应计算得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内的清水的第t个第二速度场数据v(i,j,k,t)；基于u(i,j,k,t)，对应计算得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内压裂液的第t个第一涡量场数据w(i,j,k,t)；基于v(i,j,k,t)，对应计算得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内清水的第t个第二涡量场数据x(i,j,k,t)；对在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内压裂液的全部第一涡量场数据w(i,j,k,t)求算术平均值，对应得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内压裂液的第一平均涡量场数据s(i,j,k)；对在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内清水的全部第二涡量场数据x(i,j,k,t)求算术平均值，对应得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内清水的第二平均涡量场数据t(i,j,k)；将在q
i
下第j测试区域的全部查询区域内压裂液的第一平均涡量场数据s(i,j,k)与在q
i
下第j测试区域的全部查询区域内清水的第二平均涡量场数据t(i,j,k)进行对比，计算得到在q
i
下第j测试区域内压裂液的降阻率d(i,j)，其中，所得的在q
i
下第j测试区域内压裂液的降阻率共计p
×
m个；对p
×
m个降阻率求算术平均值，得到压裂液的计算降阻率d；其中，k＝1、2、3、4、
……
、q。
[0139]
实施例11
[0140]
本发明的一种基于流场测试的压裂液缝内减阻性能测试方法，包括以下步骤：
[0141]
步骤1，准备好所述基于流场测试的压裂液缝内减阻性能测试装置；
[0142]
步骤2，将示踪粒子加入到配液罐1内的清水中，充分混合均匀，得到清水，静置待用；其中，示踪粒子的浓度为预定浓度；
[0143]
步骤3，开启驱动泵，驱动配液罐1内含示踪粒子的清水以q1的实验室排量进入可视化裂缝平板装置15中，待整体流体充分循并环稳定后，开始实验，保持液面稳定，此时，清水在可视化裂缝平板装置中以q1的实验室排量流动；
[0144]
步骤4，激光发射器12发射的激光由第1测试区域的裂缝顶部射入可视化裂缝平板装置中，照亮可视化裂缝平板装置15中第1测试区域内的流场，相机8对准第1测试区域内的流场，相机获取n组第1测试区域内的清水中示踪粒子的第二示踪粒子运动图像组，这种情况下所获取的第二示踪粒子运动图像组分别为r(1,1,1)、r(1,1,2)、
……
、r(1,1,n)；然后，清水在可视化裂缝平板装置中继续以q1的实验室排量流动，激光发射器发射的激光由第2测试区域的裂缝顶部射入可视化裂缝平板装置中，照亮可视化裂缝平板装置中第2测试区域内的流场，相机对准第2测试区域内的流场，相机获取n组第2测试区域内的清水中示踪粒子的第二示踪粒子运动图像组，这种情况下所获取的第二示踪粒子运动图像组分别为r(1,
2,1)、r(1,2,2)、
……
、r(1,2,n)；依此类推，直至获取到r(1,m,1)、r(1,m,2)、
……
、r(1,m,n)为止；其中，每组第二示踪粒子运动图像组均包括两幅第二示踪粒子运动图像；
[0145]
步骤5，将步骤3中q1调整为q2，按照步骤4的方式分别获取r(2,1,1)、r(2,1,2)、
……
、r(2,1,n)，r(2,2,1)、r(2,2,2)、
……
、r(2,2,n)，
……
，r(2,m,1)、r(2,m,2)、
……
、r(2,m,n)；依此类推，直至分别获取到r(p,m,1)、r(p,m,2)、
……
、r(p,m,n)为止；
[0146]
步骤6，将步骤2中的清水更换成压裂液，按照步骤3至步骤5的方式分别获取第一示踪粒子运动图像组；
[0147]
步骤7，将每幅第一示踪粒子运动图像、第二示踪粒子运动图像均分别划分成q个查询区域，其中，q为正整数；基于p(i,j,t)，对应计算得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内压裂液的第t个第一速度场数据u(i,j,k,t)；基于r(i,j,t)，对应计算得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内的清水的第t个第二速度场数据v(i,j,k,t)；基于u(i,j,k,t)，对应计算得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内压裂液的第t个第一涡量场数据w(i,j,k,t)；基于v(i,j,k,t)，对应计算得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内清水的第t个第二涡量场数据x(i,j,k,t)；对在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内压裂液的全部第一涡量场数据w(i,j,k,t)求算术平均值，对应得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内压裂液的第一平均涡量场数据s(i,j,k)；对在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内清水的全部第二涡量场数据x(i,j,k,t)求算术平均值，对应得到在q
i
下第j测试区域的第k查询区域内清水的第二平均涡量场数据t(i,j,k)；将在q
i
下第j测试区域的全部查询区域内压裂液的第一平均涡量场数据s(i,j,k)与在q
i
下第j测试区域的全部查询区域内清水的第二平均涡量场数据t(i,j,k)进行对比，计算得到在q
i
下第j测试区域内压裂液的降阻率d(i,j)，其中，所得的在q
i
下第j测试区域内压裂液的降阻率共计p
×
m个；对p
×
m个降阻率求算术平均值，得到压裂液的计算降阻率d；其中，k＝1、2、3、4、
……
、q。
[0148]
前述步骤7的具体计算请参见前述实施例。
[0149]
本发明能够对不同种类的压裂液进行测试。
[0150]
本发明整体分为两个流程，一个是压裂液和清水泵注流程，一个piv(包括相交和激光发射器)数据采集流程。其中，压裂泵注流程主要包括配液(配置含示踪粒子的压裂液)、循环(排空、并确定标准的示踪粒子浓度)、实验参数确认(主要是泵注排量)、正式泵注等四个过程。piv数据采集主要包括测试准备(测试区域划分、激光器与相机摆放)、测试参数最优化确认(包括激光强度、相机光圈、测试组数、激光频率等)。
[0151]
高速流体如前文涉及的压裂液和清水在裂缝中产生摩阻的原因主要来自于流体在与壁面强作用后所产生的紊乱流动效应。有鉴于此，本发明对压裂液流动过程中的小涡流结构进行有效捕捉，实现从微观解释不同压裂液缝内摩阻产生原因，继而能够进一步评价与优化压裂液。
[0152]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围。