[發明專利]一種上向鉆孔低溫流體致裂的模擬實驗系統及方法

有效

• 申請號: 202010721046.8
• 申請日: 2020-07-24
• 公開（公告）號: CN112033811B
• 公開（公告）日: 2021-08-24
• 發明（設計）人: 翟成;叢鈺洲;鄭仰峰;徐吉釗;孫勇;唐偉;李宇杰;周震
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12;G01N29/14;G01K7/02
• 代理公司: 北京淮海知識產權代理事務所(普通合伙) 32205
• 代理人: 張旭

本發明公開了一種上向鉆孔低溫流體致裂的模擬實驗系統及方法，包括真三軸加載裝置、數據監測裝置和冰脹致裂模擬裝置，真三軸加載裝置能對試樣在三個方向上獨立施加預應力，冰脹致裂模擬裝置能在上向鉆孔內注滿過冷水，并使低溫流體流經內螺紋換熱管和外螺紋換熱管，進而過冷水與低溫流體在上向鉆孔內發生熱交換，使水相變成冰，進而其體積膨脹產生的冰脹力對上向鉆孔的孔壁進行壓裂；數據監測裝置從過冷水注入直至完成冰脹致裂的全過程進行監測，從而實現監測冰脹壓裂上向鉆孔全過程的溫度和聲發射的變化情況，獲取上向鉆孔溫度變化與致裂情況之間的關系，為后續研究提供數據基礎。

技術領域

本發明涉及一種上向鉆孔低溫流體致裂的模擬實驗系統及方法，屬于煤層壓裂試驗技術領域。

背景技術

中國非常規天然氣資源豐富，發展潛力大，其中煤層氣可采資源量約為10.87×10¹²m³,頁巖氣可采資源量為15×10¹²～25×10¹²m³，未來10～20年，中國非常規天然氣產量將顯著增長，在彌補常規油氣產量短缺中扮演日益重要的角色。我國非常規天然氣資源儲量雖大，但儲層復雜且致密，儲集空間主體為納米級孔喉系統，局部發育微米～毫米級孔隙。因此，強化增透措施對于開發這類能源至關重要。美國頁巖氣規模開發的成功，離不開水力壓裂增透技術，但同時問題也顯露出來，如：壓裂液泄露污染地下水體、水敏性地層孔隙堵塞、堅硬地層內啟動壓力高、水資源大量浪費等。

通過調研發現，目前行業內對于冰脹壓裂的研究較少，尤其是針對冰脹壓裂真三軸模擬實驗系統的開發更是空白，真三軸模擬對于推動冰脹壓裂現場應用而言是必不可少的一環，目前該系統開發的核心難點在于如何有效地使水充分作用于上向鉆孔壁且如何模擬冰脹致裂過程，同時能對試驗過程進行全面地數據測量。

發明內容

針對上述現有技術存在的問題，本發明提供一種上向鉆孔低溫流體致裂的模擬實驗系統及方法，能有效模擬水相變成冰對上向鉆孔壁進行冰脹致裂，并且能對冰脹致裂全過程進行全面地數據測量。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種上向鉆孔低溫流體致裂的模擬實驗系統，包括真三軸加載裝置、試驗臺、數據監測裝置和冰脹致裂模擬裝置，

所述試驗臺包括支撐平板和底座，支撐平板處于底座正上方、且支撐平板與底座之間通過多個圓柱固定連接；

所述真三軸加載裝置包括液壓控制箱、液壓控制器、壓力表、液壓加載缸、加載板和擋板，液壓控制器、壓力表、加載板、液壓加載缸和擋板均為三個，三個加載板和三個擋板均設置在支撐平板上，三個加載板和三個擋板圍成立方體形加載室、且加載室的三組相對面均由一個加載板和一個擋板組成；三個液壓加載缸的伸出端分別與三個加載板固定連接，三個液壓控制器通過液壓管分別與三個液壓加載缸連接，液壓控制箱分別通過三個液壓控制器對三個液壓加載缸進行控制，三個壓力表分別與三個液壓控制器連接，用于檢測三個液壓加載缸各自的壓力值；試樣放置在加載室內、且試樣上開設上向鉆孔；

所述冰脹致裂模擬裝置包括內螺紋換熱管、外螺紋換熱管、氣體加壓泵、低溫流體罐、低溫流體注入管、低溫流體回流管、冷凝器、過冷水箱、注水泵和注水管，內螺紋換熱管和外螺紋換熱管交錯設置在上向鉆孔內、且內螺紋換熱管一端和外螺紋換熱管一端連接；氣體加壓泵和冷凝器均裝在低溫流體罐上、且均與低溫流體罐連通；低溫流體回流管處于低溫流體注入管內，低溫流體注入管一端伸入低溫流體罐內，低溫流體注入管另一端穿過支撐平板和加載室底部的擋板伸入上向鉆孔內、并與外螺紋換熱管另一端連接；低溫流體回流管一端伸出低溫流體注入管與冷凝器連接，低溫流體回流管另一端穿過支撐平板和加載室底部的擋板伸入上向鉆孔內、并與內螺紋換熱管另一端連接；注水泵裝在過冷水箱上、且與過冷水箱內連通；注水管一端與注水泵連接，注水管另一端穿過支撐平板和加載室底部的擋板伸入上向鉆孔內；低溫流體注入管上裝有第一控制閥，注水管上裝有第二控制閥；