[發(fā)明專(zhuān)利]一種煤巖高溫高壓真三軸壓裂滲流試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510080598.4
• 申請(qǐng)日: 2015-02-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104655495B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 梁衛(wèi)國(guó);武鵬飛;胡耀青;耿毅德
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 太原理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01N3/12
• 分類(lèi)號(hào): G01N3/12;G01N15/08
• 代理公司: 太原市科瑞達(dá)專(zhuān)利代理有限公司14101
• 代理人: 盧茂春

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明為一種煤巖高溫高壓真三軸壓裂滲流試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法，壓裂介質(zhì)為氣體或液體。屬于巖體力學(xué)與工程技術(shù)領(lǐng)域范疇。通過(guò)對(duì)試件的壓裂滲流變形特性等巖石力學(xué)試驗(yàn)揭示煤巖在不同應(yīng)力及高溫狀況下的應(yīng)力-應(yīng)變等巖石力學(xué)性質(zhì)特征及其變化規(guī)律；通過(guò)真三軸加載可模擬真實(shí)地層的埋藏條件；通過(guò)壓力室周?chē)鷤鲏喊邈@孔內(nèi)置加熱棒進(jìn)行高溫加熱；通過(guò)高壓水力或超臨界CO₂進(jìn)行壓裂試驗(yàn)；通過(guò)聲發(fā)射系統(tǒng)對(duì)壓裂產(chǎn)生的貫通裂縫的起裂、擴(kuò)展及開(kāi)閉合特性的觀(guān)察、控制和分析掌握裂縫的形成及擴(kuò)展機(jī)理；通過(guò)注入高壓孔隙水或氣體進(jìn)行煤巖滲透試驗(yàn)以測(cè)試壓裂后試件的孔隙率和滲透性。為壓裂開(kāi)采提供理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

背景技術(shù)：

隨著油氣領(lǐng)域開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展，壓裂裝置與方法近年來(lái)取得了多項(xiàng)成果，涉及真三軸壓裂的方法與裝置的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利主要有：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的“一種煤層氣井水力壓裂物理模擬方法”(CN 103883301 A)。中國(guó)石油大學(xué)(華東)的“一種用于稠油熱采儲(chǔ)層破裂的模擬實(shí)驗(yàn)裝置”(CN 103821487 A)。東北大學(xué)的“一種模擬頁(yè)巖氣壓壓裂過(guò)程的實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法”(CN 103993867 A)。重慶大學(xué)的“真三軸受力條件下頁(yè)巖水力壓裂損傷演化裝置與實(shí)驗(yàn)方法”(CN 103592186 A)。中國(guó)石油化工股份有限公司的“模擬儲(chǔ)層環(huán)境的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)及其測(cè)試方法”(CN 103728184 A)。中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所的“一種可實(shí)現(xiàn)水壓致裂試驗(yàn)的真三軸壓力裝置”(CN 102621000 B)。現(xiàn)有的三軸壓裂模擬試驗(yàn)裝置及方法均是針對(duì)水力壓裂或頁(yè)巖氣壓裂，只能滿(mǎn)足常規(guī)條件下的室內(nèi)壓裂模擬，但不能滿(mǎn)足模擬深埋地層高溫條件下的水力壓裂以及超臨界CO₂壓裂。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明一種煤巖高溫高壓真三軸壓裂滲流試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)方法，目的在于克服傳統(tǒng)試驗(yàn)方法的缺陷與不足，根據(jù)礦物地質(zhì)賦存條件下的地應(yīng)力和溫度場(chǎng)條件，公開(kāi)一種模擬深部巖層高溫壓裂時(shí)的巖體特征以及壓裂后巖體的滲流特性，最高加熱溫度為400℃，且能夠滿(mǎn)足在試驗(yàn)室內(nèi)對(duì)地下深部及高溫礦物煤巖高溫高壓進(jìn)行真三軸壓裂及壓裂后滲流特性檢測(cè)的先進(jìn)、高效、直觀(guān)、可靠和安全的試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法。

本發(fā)明的一種煤巖高溫高壓真三軸壓裂滲流試驗(yàn)裝置，其特征在于是一種可模擬礦物埋藏深度達(dá)2000m和溫度達(dá)400℃的地質(zhì)環(huán)境條件，由真三軸伺服控制實(shí)時(shí)加載系統(tǒng)1、水力壓裂系統(tǒng)2、超臨界CO₂壓裂系統(tǒng)3、滲透系統(tǒng)4、循環(huán)冷卻系統(tǒng)5、溫度加載及保溫控制系統(tǒng)6、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)7、壓力-變形測(cè)試系統(tǒng)8及數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)化控制系統(tǒng)9九大系統(tǒng)組成的試驗(yàn)裝置，所述的真三軸伺服控制實(shí)時(shí)加載系統(tǒng)1是系統(tǒng)的重要組成部分，由五組千斤頂及加載油缸16、三組獨(dú)立的穩(wěn)壓源、伺服油源、傳壓柱、傳壓板14、多孔槽板12、伺服閥、壓力傳感器、位移傳感器和變形傳感器組成，通過(guò)壓力室內(nèi)的傳壓板14錯(cuò)位布置，實(shí)現(xiàn)對(duì)試件19的剛性加載，對(duì)試件19施加模擬相應(yīng)地層的地應(yīng)力條件，如圖2所示，錯(cuò)位布置是指?jìng)鲏喊?4之間改變?cè)杏策B接的布置為相互錯(cuò)位布置，用來(lái)解決試件19壓縮變形時(shí)傳壓板14之間的相互擠壓以及滿(mǎn)足試件19的尺寸變化，壓力室通過(guò)傳壓板14的錯(cuò)位布置實(shí)現(xiàn)五面剛性加載，傳壓板14與試件19之間嵌置多孔槽板12；所述的水力壓裂系統(tǒng)2，由液體伺服增壓泵、壓裂管柱21、壓裂液注入壓力傳感器、壓裂液注入流量計(jì)量裝置和水力壓裂配套組件組成，利用一組液體伺服增壓泵通過(guò)壓裂管柱21泵注壓裂液對(duì)試件19進(jìn)行壓裂，通過(guò)壓裂管柱21與真三軸伺服控制實(shí)時(shí)加載系統(tǒng)1聯(lián)接；所述的超臨界CO₂壓裂系統(tǒng)3，由氣體伺服增壓泵、壓裂管柱21、溫度加載裝置、保溫管路、注入壓力傳感器、注入流量計(jì)量裝置和超臨界CO₂壓裂配套組件組成，利用一組氣體伺服增壓泵及溫度控制裝置通過(guò)壓裂管柱泵注超臨界CO₂對(duì)試件19進(jìn)行壓裂，通過(guò)保溫管路連接壓裂管柱21與真三軸伺服控制實(shí)時(shí)加載系統(tǒng)1聯(lián)接；所述的滲透系統(tǒng)4，由伺服增壓泵、孔隙水/氣注入壓力傳感器、孔隙水/氣注入流量傳感器、孔隙水/氣滲透壓力傳感器、孔隙水/氣滲透流量傳感器和密封配套組件組成，利用一組伺服增壓泵將孔隙水/氣通過(guò)壓力室的頂部接口泵注到用超高溫密封膠13包裹的試件19的頂部，在壓力室的底部出口經(jīng)過(guò)底部多孔槽板12收集滲透過(guò)試件19的孔隙水/氣；所述的循環(huán)冷卻系統(tǒng)5，由循環(huán)水泵、冷卻管路和循環(huán)冷卻配套組件組成，在加載油缸靠近傳壓板的端部采用水冷對(duì)油缸進(jìn)行循環(huán)冷卻；所述的溫度加載及保溫控制系統(tǒng)6，由保溫環(huán)境箱10、加熱棒22、溫度采集控制儀和加熱保溫配套組件組成，在壓力室的內(nèi)部四周傳壓板14上打鉆孔15布置加熱棒22進(jìn)行加溫，通過(guò)多孔槽板12對(duì)試件19傳遞熱量加熱，由溫度采集控制儀對(duì)溫度的加載進(jìn)行采集和控制，設(shè)計(jì)一個(gè)保溫環(huán)境箱10用以提供恒溫環(huán)境；所述的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)7，由聲發(fā)射探頭和聲發(fā)射處理裝置組成，在壓力室周?chē)鷤鲏喊?4上預(yù)留有聲發(fā)射探頭23布置點(diǎn)，利用聲發(fā)射儀監(jiān)測(cè)試件19的聲發(fā)射變化，并進(jìn)行三維聲發(fā)射定位，用來(lái)監(jiān)測(cè)試件19內(nèi)部裂紋的起裂和擴(kuò)展演化參數(shù)；所述的壓力-變形測(cè)試系統(tǒng)8，主要由各子系統(tǒng)中記錄溫度、壓力、流量、變形和位移的傳感器組成，同時(shí)在壓力室內(nèi)部設(shè)置有壓力傳感器，記錄試件19內(nèi)部的壓力變化；所述的數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)化控制系統(tǒng)9，采用面板式的自動(dòng)化控制和數(shù)據(jù)顯示，通過(guò)輸入加載過(guò)程的控制程序，自動(dòng)加載；試驗(yàn)完成后，通過(guò)程序控制自動(dòng)卸載；通過(guò)溫度采集控制儀，輸入設(shè)定的溫度值進(jìn)行加熱；通過(guò)伺服增壓泵的控制程序，對(duì)壓力、排量和泵注體積參數(shù)進(jìn)行記錄和控制；實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)過(guò)程中各傳感器測(cè)得的溫度、壓力、流量、變形和位移參數(shù)并能夠輸出數(shù)據(jù)；生成試驗(yàn)過(guò)程中的壓力加載過(guò)程動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)、溫度變化動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)、壓裂過(guò)程動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)、孔隙壓力變化動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)和試件19內(nèi)部壓力變化動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)以便進(jìn)行控制并能夠予以輸出。