[發明專利]水力壓裂煤系儲層裂縫延伸形態模擬裝置及其模擬方法

有效

• 申請號: 201811466659.0
• 申請日: 2018-12-03
• 公開（公告）號: CN109611085B
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發明（設計）人: 李宗源;倪小明;李佳峰;劉斌;程相振;曹運興;劉立軍;陳必武;劉澤東
• 申請（專利權）人: 河南理工大學;中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司
• 主分類號: E21B49/00
• 分類號: E21B49/00;E21B47/00;E21B43/26
• 代理公司: 鄭州立格知識產權代理有限公司 41126
• 代理人: 李紅衛

1.水力壓裂煤系儲層裂縫延伸形態模擬裝置，其特征在于：包括煤/巖模擬組件、軸壓加載組件、環壓加載組件和井筒壓裂模擬組件；

所述煤/巖模擬組件包括殼體和多個模擬層，殼體包括底座、固定桿和固定托盤，底座包括兩根平行設置的縱向桿，兩根縱向桿的中心通過一根橫向桿固定連接，縱向桿、橫向桿的中心頂部均設置有第一固定環，所述固定桿套設在第一固定環上，位于縱向桿正上方的固定桿頂部設置第二固定環，第二固定環內設置插銷，固定托盤水平焊接在位于橫向桿正上方的固定桿頂部；所述模擬層包括用于放置模擬材料的模擬室，模擬室為頂部開口、底部和側壁為鏤空式網格的半圓環柱體結構，多個模擬室疊摞設置在固定托盤上，每個模擬室均通過轉動組件與插銷轉動連接；

所述軸壓加載組件包括第一手搖式加壓泵，第一手搖式加壓泵的進口通過第一管道連接第一儲液槽，第一手搖式加壓泵的出口通過第二管道連接變壓腔，第一管道、第二管道上分別設置第一閥門、第二閥門；所述變壓腔設置在模擬層的頂部，且變壓腔為與模擬層尺寸相同的半圓環柱體結構，變壓腔內部設置加壓隔板，加壓隔板將變壓腔分為上部的水壓腔和下部的模擬腔，所述水壓腔內部設置收縮彈簧，收縮彈簧頂端與水壓腔頂部連接，收縮彈簧底端與加壓隔板連接，水壓腔與第二管道連通；

所述環壓加載組件包括第二手搖式加壓泵，第二手搖式加壓泵的進口通過第三管道與第二儲液槽連接，第三管道上設置第三閥門，第二手搖式加壓泵的出口通過第四管道連接多通閥門的進口，第四管道上設置第四閥門，多通閥門的出口通過注水管連通加壓環，注水管上設置有壓力表，加壓環為弧形空心板結構，加壓環內側壁與模擬室的弧面側壁匹配扣合，加壓環內側壁采用彈性材料制成；

所述井筒壓裂模擬組件，包括壓裂井筒和多個射孔封堵器，壓裂井筒包括模擬井筒和第三手搖式加壓泵，所述模擬井筒為設置在固定托盤上的半圓柱體結構，且模擬井筒的弧面側壁與模擬室的內側弧面側壁相匹配，多個射孔封堵器疊落套設在模擬井筒上，射孔封堵器包括沿模擬井筒軸向平行設置的兩個滑動環，且兩個滑動環的間距與模擬室的厚度相等，兩個滑動環之間設置與模擬井筒弧面側壁相匹配的擋片，擋片的上下兩端均設置有與滑動環滑動配合的弧形軸套，模擬井筒的弧面側壁上縱向均勻開設多行射孔，且每行射孔均被不同的射孔封堵器遮擋；第三手搖式加壓泵固定設置在模擬井筒的頂部，第三手搖式加壓泵的進口通過第五管道與裝有墨水的第三儲液槽連接，第五管道上設置第五閥門，第三手搖式加壓泵的出口通過注墨管與模擬井筒連通，注墨管上設置加壓閥門。

2.如權利要求1所述水力壓裂煤系儲層裂縫延伸形態模擬裝置，其特征在于：所述轉動組件包括設置在模擬室的外側弧面側壁兩端的第一轉動環，且每一端的第一轉動環分別在外側弧面側壁頂部、底部各設置一個。

3.如權利要求2所述水力壓裂煤系儲層裂縫延伸形態模擬裝置，其特征在于：所述加壓環的兩端中部設置的第二轉動環，同一端的第二轉動環夾設在第一轉動環之間，且第二轉動環與第一轉動環同軸套設在插銷上。

4.如權利要求1所述水力壓裂煤系儲層裂縫延伸形態模擬裝置，其特征在于：所述加壓隔板外緣包裹密封橡皮套。

5.如權利要求1所述水力壓裂煤系儲層裂縫延伸形態模擬裝置，其特征在于：所述固定托盤呈半圓形，其直徑與橫向桿長度相等。

6.如權利要求1-5任一所述水力壓裂煤系儲層裂縫延伸形態模擬裝置，其特征在于：所述模擬室、變壓腔、模擬井筒、射孔封堵器均為透明有機玻璃材料制成。

7.一種應用于根據權利要求1-6任一所述水力壓裂煤系儲層裂縫延伸形態模擬裝置的模擬方法，其特征在于：包括如下步驟：

1）進行軸壓加載操作：

關閉第二閥門，打開第一閥門，旋出第一手搖式加壓泵從第一儲液槽內部進行抽水，旋出第一手搖式加壓泵至最外側，即抽取完成后，關閉第一閥門，打開第二閥門，旋進第一手搖式加壓泵向變壓水壓腔內注入加壓后的水，水壓腔內部水壓驅使加壓隔板向下移動，擠壓下部模擬腔內部的模擬材料；其中水壓腔內部預先抽離空氣，使加壓隔板在下降過程中完全依靠水壓加載，模擬腔內部的模擬材料與模擬層最頂部的模擬室內所裝填的模擬材料一致；待加載完畢后，旋出第一手搖式加壓泵，加壓隔板在收縮彈簧的作用下回縮復位，以實現變壓腔的反復加壓；

2）進行環壓加載操作：

關閉第四閥門，打開第三閥門，旋出第二手搖式加壓泵從第二儲液槽內部進行抽水，抽取完成后，關閉第三閥門，打開第四閥門，旋進第二手搖式加壓泵并觀察壓力表，壓力表規格量程選擇0-20MPa，當壓力表示數達到預先設定的圍壓值時停止加壓，多通閥向各個加壓環內部注入加壓后的水，加壓環內側壁受水壓向外形變，擠壓模擬室內部的模擬材料；

3）進行壓裂模擬操作：

關閉加壓閥門，打開第五閥門，旋出第三手搖式加壓泵從第三儲液槽內部抽取墨水,抽液完成后，關閉第五閥門，打開加壓閥門，緩慢旋進第三手搖式加壓泵向模擬井筒中注入加壓后的墨水，第三手搖式加壓泵的上部有壓力表可實時記錄模擬井筒內的壓力，由于單一次的旋出第三手搖式加壓泵所抽取的水量在完全旋入模擬井筒時可能無法對模擬井筒內形成所需的目標壓力，故需要多次反復地抽取儲液槽內的液體，并累積地注入到模擬井筒內，故需要在模擬井內不卸壓狀態下反復進行抽液、排液加壓，則在第二次抽液時關閉第三手搖式加壓泵下部的加壓閥門，并打開第五閥門，即可旋出第三手搖式加壓泵來實現墨水的抽注；重復上述操作，并時刻觀測透明有機玻璃內部裂縫延伸狀況，待從外部觀測到裂縫生長延伸至模擬室的外部邊緣時，停止旋進第三手搖式加壓泵；旋轉套于模擬井筒上的多組的射孔封堵器可實現不同模擬室層位的孔口的開啟與閉合，即實現不同層位水壓制裂；

4）卸載模擬操作：

關閉所有安全閥門，靜置8-12小時后，打開加壓閥門并旋出第三手搖式加壓泵卸載壓力，為觀測不同煤/巖模擬層間的裂縫穿透狀況，同時，為避免拆卸過程新生擾動裂縫對原始壓裂裂縫造成影響，故采用旋出的方式進行壓裂后的裂縫統計觀察；拔出其中任意一根插銷，并從上至下依次拆卸模擬室外側的加環壓，并將加壓環緩慢繞插銷旋出，旋出角度為30°-120°，具體角度根據實際模擬需求而定；

5）建立三維裂隙圖：

待加壓環全部旋出后，以模擬井筒下部中心點位置為坐標原點，建立三維立體坐標系，用刻度尺量取上部每一條裂縫的關鍵節點的X、Y、Z的坐標，即裂縫的轉折點坐標，根據各裂縫關鍵節點坐標在AutoCAD軟件上重繪三維裂隙圖；

6）模擬分析：

通過改變目標壓裂層選擇、環壓大小、軸壓大小來研究壓裂過程中裂縫延伸生長規律，從而對應結合現場垂向應力、水平應力、以及壓裂層位深度的關鍵因素對現場壓裂施工進行分析。