[發(fā)明專利]一種煤巖多相不同流體三軸壓裂試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610025775.3
• 申請(qǐng)日: 2016-01-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105510142B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-02-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 梁衛(wèi)國(guó);楊健鋒;武鵬飛;黎力
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 太原理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N3/12
• 分類號(hào): G01N3/12
• 代理公司: 太原市科瑞達(dá)專利代理有限公司14101
• 代理人: 盧茂春

1.一種煤巖多相不同流體三軸壓裂試驗(yàn)裝置，其特征在于是一種可模擬多相態(tài)不同壓裂介質(zhì)及其多種試驗(yàn)條件下煤巖試件的壓裂的試驗(yàn)裝置，該裝置由三軸應(yīng)力實(shí)時(shí)加載系統(tǒng)、多相不同流體壓裂系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)六大系統(tǒng)組成,其所述的三軸應(yīng)力實(shí)時(shí)加載系統(tǒng)是指三軸壓力室,三軸壓力室端部設(shè)置有軸向壓力室，軸向壓力室中設(shè)置有傳壓柱，在傳壓柱端部設(shè)置有可替換式上壓頭（12），上壓頭（12）中部設(shè)置有壓裂管（11），壓裂管（11）直接與含中心孔的煤巖試件（19）密封連接，三軸壓力室內(nèi)底部設(shè)置有下壓頭（15），下壓頭（15）中部設(shè)置有排液口，三軸壓力室外部設(shè)置有加壓柱塞泵（24），加壓柱塞泵（24）外部管線上設(shè)置有徑向壓力傳感器（25）與軸向壓力傳感器（26），加壓柱塞泵（24）將液壓油經(jīng)徑向壓力傳感器（25）及軸向壓力傳感器（26）進(jìn)行壓力控制調(diào)節(jié)后，由軸向壓力室上設(shè)置的軸向進(jìn)油口（17）壓入軸向壓力室，通過(guò)所述的傳壓柱與上壓頭（12）對(duì)煤巖試件（19）傳遞軸向壓力，由三軸壓力室上設(shè)置的徑向進(jìn)油口（21）壓入徑向壓力室直接對(duì)密封的煤巖試件（19）實(shí)施徑向壓力，軸向壓力室外部還設(shè)置有軸向位移傳感器（16）,對(duì)煤巖試件（19）進(jìn)行軸向位移監(jiān)測(cè)，煤巖試件（19）中部設(shè)置有鏈?zhǔn)綇较蛭灰苽鞲衅鳎?4），對(duì)試件進(jìn)行徑向位移監(jiān)測(cè)；所述的多相不同流體壓裂系統(tǒng)包括氣相壓裂系統(tǒng)、液相壓裂系統(tǒng)和超臨界態(tài)壓裂系統(tǒng),其中氣相壓裂系統(tǒng)包括CO₂儲(chǔ)氣罐（1）、N₂儲(chǔ)氣罐（2）和其它氣體儲(chǔ)氣罐（3），所述的各種儲(chǔ)氣罐通過(guò)壓力控制閥依次與設(shè)置的制冷器（5）、壓裂介質(zhì)儲(chǔ)罐（6）與增溫增壓集成裝置（7）進(jìn)行連接，制冷器（5）與增溫增壓集成裝置（7）中的增溫部分對(duì)壓裂氣體進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，通過(guò)增溫增壓集成裝置（7）中的增壓部分提高氣體壓力后，直接與壓裂管（11）連接，對(duì)與壓裂管（11）密封連接的煤巖試件（19）進(jìn)行氣相壓裂，壓裂管（11）設(shè)置有直接與其相連的壓裂介質(zhì)壓力傳感器（9）與伸入其內(nèi)部的熱電偶（18），對(duì)壓裂過(guò)程中的流體壓力及溫度進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)；其中液相壓裂系統(tǒng)是指儲(chǔ)液罐（4），儲(chǔ)液罐（4）通過(guò)壓力控制閥依次與設(shè)置的制冷器（5）、壓裂介質(zhì)儲(chǔ)罐（6）和增溫增壓集成裝置（7）進(jìn)行連接，其實(shí)驗(yàn)過(guò)程及裝置連接方式與上述氣相壓裂過(guò)程一致；超臨界態(tài)壓裂系統(tǒng)是指超臨界態(tài)CO₂儲(chǔ)氣罐（1），CO₂儲(chǔ)氣罐（1）通過(guò)壓力控制閥依次與設(shè)置的制冷器（5）、壓裂介質(zhì)儲(chǔ)罐（6）和增溫增壓集成裝置（7）進(jìn)行連接，打開(kāi)CO₂儲(chǔ)氣罐（1），CO₂流經(jīng)所述的增溫增壓集成裝置（7）中的增壓部分將CO₂氣體壓力提高至大于7.38MPa，經(jīng)所述的增溫增壓集成裝置（7）中的增溫部分將CO₂氣體溫度提高至大于31.1℃，由此產(chǎn)生高壓超臨界CO₂經(jīng)與所述的增溫增壓集成裝置（7）相連的壓裂管（11）對(duì)煤巖試件（19）進(jìn)行壓裂，壓裂管（11）設(shè)置有直接與其相連的壓裂介質(zhì)壓力傳感器（9）與伸入其內(nèi)部的熱電偶（18）對(duì)壓裂過(guò)程中的流體壓力及溫度進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)；所述的密封系統(tǒng)是指耐高溫密封膠（27），利用所述的高溫密封膠（2）將所述的壓裂管（11）中上部分與煤巖試件（19）預(yù)留壓裂口進(jìn)行密封，將上述密封后的煤巖試件（19）的上、下端面與所述的上壓頭（12）及下壓頭（15）對(duì)齊，利用電工膠帶自下而上螺旋式的將煤巖試件（19）的上壓頭（12）及下壓頭（15）固定，將與所述上壓頭（12）及下壓頭（15）固定的試件（19）套入熱縮套管（13），在所述的熱縮套管（13）的上下端部用金屬箍（10）固定，再將該密封整體置于所述的三軸壓力室內(nèi)與液壓油隔絕；所述的溫度控制系統(tǒng)包括制冷裝置（5）、增溫增壓集成裝置（7）和加熱保溫套（22），多相不同壓裂介質(zhì)經(jīng)過(guò)依次與儲(chǔ)罐相連的制冷裝置（5）進(jìn)行低溫控制及增溫增壓集成裝置（7）中的增溫部分進(jìn)行加熱控制，三軸壓力室周圍設(shè)置有加熱保溫套（22），通過(guò)加熱保溫套（22）對(duì)三軸壓力室進(jìn)行加熱，通過(guò)三軸壓力室內(nèi)高溫液壓油將溫度傳遞給煤巖試件（19）進(jìn)行模擬地層溫度控制；所述的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括聲發(fā)射傳感器（20）和聲發(fā)射處理裝置，壓裂實(shí)驗(yàn)前，將所述的聲發(fā)射傳感器（20）分別與煤巖試件（19）的上、下端面粘結(jié)，置于上壓頭（12）及下壓頭（15）上預(yù)留的聲發(fā)射傳感器布置孔中，利用聲發(fā)射儀監(jiān)測(cè)煤巖試件（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)煤巖試件（19）內(nèi)部裂紋的起裂和擴(kuò)展演化參數(shù)；所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是將壓裂介質(zhì)壓力傳感器（9）通過(guò)數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)（29）聯(lián)接，以實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)過(guò)程中壓裂介質(zhì)壓力的變化，所述的熱電偶（18）通過(guò)數(shù)據(jù)線與所述的計(jì)算機(jī)（29）聯(lián)接，以實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中壓裂介質(zhì)溫度的變化，所述的徑向位移傳感器（14）及軸向位移傳感器（16）通過(guò)數(shù)據(jù)線與所述的計(jì)算機(jī)（29）聯(lián)接，以實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中煤巖試件（19）的徑向及軸向應(yīng)變，所述的徑向壓力傳感器（25）及軸向壓力傳感器（26）通過(guò)數(shù)據(jù)線與所述的計(jì)算機(jī)(29)聯(lián)接，以實(shí)時(shí)顯示控制徑向及軸向壓力，將流量計(jì)(28)通過(guò)數(shù)據(jù)線與所述的計(jì)算機(jī)（29）聯(lián)接，以實(shí)時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中壓裂流體的排出量，在上述實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)過(guò)程的同時(shí)還可生成壓力加載過(guò)程動(dòng)態(tài)曲線、溫度變化動(dòng)態(tài)曲線、壓裂過(guò)程動(dòng)態(tài)曲線、孔隙壓力變化動(dòng)態(tài)曲線和試件（19）內(nèi)部壓力變化動(dòng)態(tài)曲線以便進(jìn)行控制并能夠予以輸出。