[發(fā)明專利]頁巖原位體積壓裂試驗(yàn)系統(tǒng)

有效

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• 申請日: 2014-07-30
• 公開（公告）號(hào): CN104132850B
• 公開（公告）日: 2017-02-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉大安;王洪建;李曉
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所
• 主分類號(hào): G01N3/10
• 分類號(hào): G01N3/10;G01N29/14
• 代理公司: 北京超凡志成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11371
• 代理人: 吳開磊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及頁巖氣開采技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及頁巖原位體積壓裂試驗(yàn)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

頁巖氣，是從頁巖層中開采出來的一種非常規(guī)天然氣資源，是一種非常重要的清潔能源。目前國際上開采頁巖氣常用的技術(shù)為體積壓裂技術(shù)。但是，現(xiàn)有的研究頁巖原位體積壓裂的試驗(yàn)系統(tǒng)及方法基本都是以水泥、細(xì)沙以及玻璃片等混合成的物理模型為壓力試件，無法模擬真實(shí)的開采過程中頁巖層的應(yīng)力狀態(tài)和破裂模式。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供頁巖原位體積壓裂試驗(yàn)系統(tǒng)及方法，以解決現(xiàn)有的研究頁巖原位體積壓裂的試驗(yàn)系統(tǒng)及方法無法模擬真實(shí)的開采過程中頁巖層的應(yīng)力狀態(tài)和破裂模式的問題。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：

本頁巖原位體積壓裂試驗(yàn)系統(tǒng)包括開有中心孔的立方體形的頁巖試件、用于對頁巖試件施加壓力的三軸加載系統(tǒng)、用于對頁巖試件注射壓裂液的體積壓裂系統(tǒng)以及用于采集頁巖試件在破裂過程中的聲音和載荷的數(shù)據(jù)監(jiān)測采集系統(tǒng)。三軸加載系統(tǒng)包括多個(gè)軸向施壓于頁巖試件的液壓千斤頂和側(cè)向施壓于頁巖試件的柔性液壓囊，液壓千斤頂和柔性液壓囊均外接有液壓源。體積壓裂系統(tǒng)包括依次連接的注液管和注塞泵，注液管的輸出口伸入中心孔，注塞泵外接有壓裂液源。數(shù)據(jù)監(jiān)測采集系統(tǒng)包括聲發(fā)射探頭、壓力傳感器以及微機(jī)控制器，聲發(fā)射探頭和壓力傳感器分別與微機(jī)控制器連接。

進(jìn)一步地，三軸加載系統(tǒng)包括外接有液壓源的液壓箱，多個(gè)液壓千斤頂均設(shè)置于液壓箱上。液壓箱可以高效及時(shí)地為多個(gè)液壓千斤頂提供液壓油。

進(jìn)一步地，頁巖原位體積壓裂試驗(yàn)系統(tǒng)位于硐室內(nèi)部，包括用于穩(wěn)定整個(gè)系統(tǒng)的支撐裝置。支撐裝置包括上支撐柱、右支撐柱、主支撐柱以及副支撐柱。上支撐柱一端抵住所述液壓箱上部，另一端抵住硐室頂壁；右支撐柱一端抵住液壓箱右部，另一端抵住硐室右側(cè)壁；主支撐柱和副支撐柱均一端抵住液壓箱下部，另一端抵住硐室地面。主支撐柱和副支撐柱用于承載整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的重量，右支撐柱用于為液壓千斤頂提供反作用力，上支撐柱用于保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的受力平衡。

進(jìn)一步地，壓力傳感器有5個(gè)，其中1個(gè)設(shè)置于頁巖試件的中心孔內(nèi)，其余4個(gè)分別設(shè)置于頁巖試件側(cè)向的4個(gè)面上。這5個(gè)壓力傳感器可以全面有效地檢測實(shí)驗(yàn)過程中頁巖試件所受到的應(yīng)力值，并反饋給數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，多個(gè)液壓千斤頂連接有直接對頁巖試件施壓的立方體形的柔性加載板。柔性加載板能使多個(gè)液壓千斤頂提供的力均勻地施加于頁巖試件上，以便使實(shí)驗(yàn)效果最優(yōu)化。

進(jìn)一步地，聲發(fā)射探頭有7個(gè)，其中3個(gè)設(shè)置于柔性加載板軸向的施壓于頁巖試件的面上，其余4個(gè)分別設(shè)置于柔性加載板側(cè)向的4個(gè)面上。這7個(gè)聲發(fā)射探頭可以全面地監(jiān)測試驗(yàn)過程中頁巖試件發(fā)出的聲音信號(hào)，并反饋給數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，柔性加載板與頁巖試件之間設(shè)置有用于密封的墊圈和環(huán)氧樹脂膠結(jié)層，墊圈和環(huán)氧樹脂膠結(jié)層均開有與頁巖試件的中心孔匹配的孔。墊圈和環(huán)氧樹脂膠結(jié)層的設(shè)置對中心孔具有良好的密封效果，并且可以防止液壓千斤頂在施力時(shí)對頁巖試件造成非實(shí)驗(yàn)?zāi)康奈锢硇云茐摹?/p>

進(jìn)一步地，多個(gè)柔性液壓囊之間設(shè)置有封隔柱，以防止多個(gè)柔性液壓囊之間相互干涉，影響應(yīng)力模擬效果。

進(jìn)一步地，液壓千斤頂和柔性液壓囊均連接有液壓控制器，以實(shí)現(xiàn)三軸加載系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)。

本頁巖原位體積壓裂試驗(yàn)系統(tǒng)采用真實(shí)的頁巖體為試驗(yàn)對象，相對于現(xiàn)有的系統(tǒng)增加了帶有柔性液壓囊的三軸加載系統(tǒng)，能夠真實(shí)地模擬頁巖氣開發(fā)過程中頁巖層所受到的應(yīng)力，以便人們獲得更準(zhǔn)確的頁巖破裂的相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)，有效解決現(xiàn)有的研究頁巖原位體積壓裂的試驗(yàn)系統(tǒng)及方法無法模擬真實(shí)的開采過程中頁巖層的應(yīng)力狀態(tài)和破裂模式的問題。

本基于上述的頁巖原位體積壓裂試驗(yàn)系統(tǒng)的頁巖原位體積壓裂試驗(yàn)方法包括以下步驟：

SP1：利用方形排鉆方式取樣，鉆取立方體形的頁巖試件，試件尺寸1000mm×1000mm×1000mm或者500mm×500mm×500mm，中心壓裂孔尺寸為φ30mm×600mm或者φ15mm×300mm，頁巖試件的側(cè)壁和中心孔壁打磨光滑。

SP2：在可移動(dòng)的儲(chǔ)液車中制作壓裂液，這種制作方式能夠滿足不同實(shí)驗(yàn)場地的需要，而且受外界影響小。

SP3：多個(gè)液壓囊分別與液壓管連接，然后平整放入方形試件的四周，并在多個(gè)液壓囊之間設(shè)置封隔柱，以防止側(cè)向加載的時(shí)候四個(gè)液壓囊相互干涉影響。

SP4：將注液管放入頁巖的中心孔中，然后用固化劑密封住中心孔，并且套上環(huán)氧樹脂膠結(jié)層，讓注液管的端口與頁巖試件的表面黏貼牢固，達(dá)到密封效果。