[發明專利]一種新的真三軸壓裂滲流試驗裝置與方法

在審

• 申請號: 202010188888.1
• 申請日: 2020-03-17
• 公開（公告）號: CN111272576A
• 公開（公告）日: 2020-06-12
• 發明（設計）人: 梁衛國;姜玉龍;李文達;武鵬飛
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G01N3/18
• 分類號: G01N3/18;G01N3/12;G01N3/02;G01N15/08
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 王思俊

1.一種新的真三軸壓裂滲流試驗裝置與方法，其特征在于是可模擬原位條件下不同壓裂介質真三軸壓裂含孔隙壓力多孔巖石的壓裂過程，并可測量壓裂前后巖體不同方向滲透率；該裝置主要由模型系統（1）、水力壓裂系統（2）、三軸應力加載及控制系統（3）、壓力測量系統（4）、溫控系統（5）、滲流-增壓系統（6）、管閥件系統（7）、數據采集處理系統（8）、聲發射系統（9）、操作臺（10）及復合相態流體（CO₂等）監測系統（11）等部分組成；

所述的三軸應力加載及控制系統（3）通過X、Y、Z三個方向的液壓油缸分別推動圍壓腔內的內置油缸對巖石試件聯動加載，液壓油缸用于施加約束應力等地應力狀態，內置油缸結合三維密封膠套實現壓裂試件的密封，進而保證壓裂前的巖石試件孔隙壓力穩定加載和壓裂前后的滲流試驗；

此外，5個外置液壓油缸分別通過獨立的伺服控制閥控制，保證壓裂過程中的地應力狀態保持恒定并互不影響；所述的溫控系統（5）可實現試件的整體加熱/保溫，最高溫度可至100℃，采用圍壓腔流體循環加熱及內置電熱插管的復合加熱/保溫方式保證實驗全過程試件溫度恒定，且帶壓循環流體對密封膠套施加圍壓密封試件，需保證循環流體壓力要高于試件孔隙壓力；所述的滲流-增壓系統（6）通過分別計量水力壓裂系統（2）經井眼向試件注入壓力后的試件壁面XYZ方向的流量計算各向異性滲透率，從而確定體積壓裂效果；

此外，滲流-增壓系統（6）可通過滲流管線向試件6個壁面注入流體增壓，實現巖石試件孔隙壓力的加載；

所述的操作臺（10）可通過省力減速機構及伺服絲杠移動機構實現巖石試件的拉出和推進；

所述的流體相態（CO₂等）監測系統（11）通過壓裂管線的壓力傳感器和注入井井底的熱電偶測量壓裂介質的溫度、壓力，進而根據其相態圖確定注入流體相態；

此外，壓裂管線和滲流管線分別布置有可視窗，可實時監測巖石試件上下游壓裂介質相態變化。

2.根據權利要求1所述的一種新的真三軸壓裂滲流試驗裝置與方法，其特征在于，所述的壓裂介質（CO₂等）相態監測是通過壓裂管線上的壓力傳感器與注入井井底的溫度傳感器確定溫度、壓力值，并結合相態圖確定注入井井底處壓裂介質的相態；此外，壓裂管線和滲流管線分別布置有可視窗，可觀測巖石試件上下游CO₂實時相態監測。

3.根據權利要求1所述的一種新的真三軸壓裂滲流試驗裝置與方法，其特征在于，所述的壓裂試件尺寸為（200×200×200mm）立方體，且是通過外置與內置油缸聯動傳動等方式實現巖石試件的三軸應力加載。

4.根據權利要求1所述的一種新的真三軸壓裂滲流試驗裝置與方法，其特征在于，所述的含孔隙壓力多孔巖石試件的密封是通過內置油缸、全封閉膠套及帶壓循環流體實現，且圍壓腔循環流體壓力值要始終高于巖石試件孔隙壓力加載值，防止巖石內孔隙流體通過內置油缸與密封套界面泄露至圍壓腔。

5.根據權利要求1所述的一種新的真三軸壓裂滲流試驗裝置與方法，其特征在于，所述的巖石試件孔隙壓力的加載有兩種方法，一是通過滲流管線反向向試件6個壁面注入流體加壓實現，巖石試件可提前飽和減少加壓時間，監測注入井段的壓力值達到巖石試件的孔隙壓力設定值并保持30min，即可認為試件孔隙壓裂加載完成；二是當巖石試件滲透率較高時，可通過壓裂管線和井眼向巖石試件注入流體增壓，當滲流管線流出注入流體無氣泡，關閉滲流管線并觀察其壓力值，當其壓力值穩定達到巖石試件的孔隙壓力設定值并保持30min，可認為試件孔隙壓力加載完成。

6.根據權利要求1所述的一種新的真三軸壓裂滲流試驗裝置與方法，其特征在于，所述的含孔隙壓力多孔巖石的復合相態CO₂壓裂試驗是預先向巖石試件注入相應地層流體（水/CH4等）后開展壓裂試驗，可模擬壓裂過程中CO₂與地層流體的相互作用。

7.根據權利要求1所述的一種新的真三軸壓裂滲流試驗裝置與方法，其特征在于，所述的含天然氣儲層壓裂試驗是預先向巖石試件注入目標氣體直至氣體壓力達到孔隙壓力設定值后開展壓裂試驗。

8.根據權利要求1所述的一種新的真三軸壓裂滲流試驗裝置與方法，其特征在于，所述的各向異性滲透率測量是通過分別計量井眼注入巖石試件后XYZ三個方向的流量與巖石試件上下游壓力差計算得到，進而通過壓裂前后的滲透率值變化評價不同壓裂介質壓裂效果的各向異性。