[發明專利]一種壓裂物理模擬過程中煤巖動態滲透率測試裝置及方法

有效

• 申請號: 202011432850.0
• 申請日: 2020-12-09
• 公開（公告）號: CN112683748B
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發明（設計）人: 吳財芳;房孝杰;蔣秀明;劉寧寧;周丹;周賀;張霖洲;胡新宇;王碩
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08
• 代理公司: 南京正聯知識產權代理有限公司 32243
• 代理人: 鄧道花

1.一種壓裂物理模擬過程中煤巖動態滲透率測試方法，其特征在于，包含以下步驟：

步驟一：將柱形樣品干燥恒重，薄膜包裹，冷卻至室溫后，沿柱形樣品上端面中心至體心鉆取長度等于1/2樣品長度、直徑10mm的鉆孔，鉆孔內側安裝模擬井筒，鉆孔底端預留1/10樣品長度左右的裸眼段，用膠將模擬井筒外壁與鉆孔內壁粘牢固；

步驟二：將雙接口高滲墊塊、柱形樣品、單接口高滲墊塊自下而上以同軸方向疊置于下液壓頭軸心處，在雙接口高滲墊塊中上部、柱形樣品、單接口高滲墊塊中下部套設一體的熱縮管，并用熱風槍加熱熱縮管，使其與雙接口高滲墊塊中上部、柱形樣品、單接口高滲墊塊中下部緊貼，用密封圈將熱縮管頂端和底端密封；

步驟三：將環形徑向應變計緊固在熱縮管外側，多個平行套設的環形徑向應變計之間用連接桿和信號線連接，再與外接信號接收端之間的信號線相接；

步驟四：將模擬井筒頂部與壓裂墊塊底端的導管接口相接；壓裂液導管一端與壓裂墊塊側面的導管接口相接，一端與壓裂泵相接；流體導入管一端與單接口高滲墊塊的導管接口相接，一端與流體泵相接；流體導出管一端與雙接口高滲墊塊的導管接口相接，一端與流量計相接；

步驟五：將圍壓缸與上液壓頭連接，啟動軸向液壓機，將上液壓頭和圍壓缸緩慢下放，至圍壓缸底端完全與主工作臺相接，將圍壓缸與主工作臺密封連接，啟動軸向液壓機，使上液壓頭驅動圍壓缸內液壓頭繼續下移，至圍壓缸內液壓頭與壓裂墊塊完全接觸，且柱形樣品不承受軸向壓力；

步驟六：固定軸向應變計，連接信號線，使信號接收端記錄軸向應變的初始值；啟動液壓油泵，將液壓油通過液壓油導管注入圍壓缸，待缸體注滿油且缸體內柱形樣品尚未受圍壓時同步啟動軸向液壓機，至樣品所受軸壓和圍壓達到設定值，穩定軸壓和圍壓，軸壓和圍壓加載過程中通過軸向應變計和環形徑向應變計記錄柱形樣品的軸向應變和徑向應變；

步驟七：將目標流體通過流體導入管注入單接口高滲墊塊，流體通過單接口高滲墊塊底端與柱形樣品的接觸面注入柱形樣品，流體流經整個樣品后自柱形樣品底端與雙接口高滲墊塊的接觸面進入雙接口高滲墊塊，并經流體導出管排出，排出后被流量計計量；

步驟八：待流體導出管流量穩定后，計算柱形樣品在單相流體通過下的壓裂前單相滲透率(K)；當流體導入管向柱形樣品注入氣體時計算公式為：當流體導入管向柱形樣品注入液體時計算公式為：K＝q_wμ_wL×10²/A(P₁-P₀)；

步驟九：開啟壓裂泵，將壓裂液沿壓裂液導管、模擬井筒注入柱形樣品，開始壓裂，在壓裂過程中，實時記錄流體導出管流量、軸向應變計和各環形徑向應變計示數，其中，軸向應變計記錄樣品在受圍壓、軸壓和壓裂液壓力影響下的實時長度，實時長度L′＝L+△L；環形徑向應變計記錄樣品在受圍壓、軸壓和壓裂液壓力影響下的實時周長，第i個環形徑向應變計測得的實時周長C′_i＝(C_i+ΔC_i),樣品平均實時周長C′＝((C₁+ΔC₁)+(C₂+ΔC₂)+…+(C_n+ΔC_n))/n，由此可得樣品平均實時橫截面面積為A′＝π(C′/2π)²；

當流體導入管和壓裂液導管均向柱形樣品注入氣體時，壓裂實時滲透率計算公式為：當流體導入管和壓裂液導管均向柱形樣品注入液體時，壓裂實時滲透率計算公式為：K′＝q_wμ_wL′×10²/A′(P₁-P₀)；當流體導入管與壓裂液導管向柱形樣品注入不同相態流體時，將氣相流動視為氣相流體在固相和液相組成的混合介質中的流動，此時壓裂實時滲透率計算公式為：將液相流體視為液相流體在固相和氣相組成的混合介質中的流動，此時壓裂實時滲透率計算公式為：K′＝q_wμ_wL′×10²/A′(P₁-P₀)；

步驟十：壓裂結束后，關閉壓裂泵，待流體導出管流量再次穩定后，計算柱形樣品在單相流體通過下的壓裂后單相滲透率；當流體導入管向柱形樣品注入氣體時計算公式為：當流體導入管向柱形樣品注入液體時計算公式為：K″＝q_wμ_wL″×10²/A″(P₁-P₀)；

步驟十一：實驗完成后，按照與壓裂前相反的順序將該裝置的各部件調整為實驗前的狀態，整個水力壓裂過程中動態滲透率測試作業完成；

所述的裝置，包括動態滲透率測試部件、壓裂部件和環形徑向應變測量部件，所述動態滲透率測試部件包括單接口高滲墊塊(6)、雙接口高滲墊塊(15)、流體導入管(10)和流體導出管(23)，所述壓裂部件包括壓裂墊塊(4)、壓裂液導管(19)和柱形樣品(9)內部的模擬井筒(8)，所述環形徑向應變測量部件包括若干組以連接桿(11d)和信號線(14)連接的平行排列的環形徑向應變計(11)，所述環形徑向應變計(11)由套設于熱縮管(7)外的環形套管(11a)組成，所述環形套管(11a)前、后、左、右四個方位均連接緊固螺絲(11b)，所述緊固螺絲(11b)內側貼近熱縮管的位置為應變傳感器(11c)，所述環形套管(11a)之間通過連接桿(11d)連接，上液壓頭(1)與軸向液壓機(24)采用一體式機身，上液壓頭(1)與圍壓缸(2)之間用固定螺絲(17)相接，壓裂墊塊(4)與圍壓缸(2)內部的內液壓頭(25)貼合；基座(22)與下液壓頭(21)采用一體式機身，主工作臺(18)焊接在所述下液壓頭(21)上部，所述主工作臺(18)與圍壓缸(2)之間通過密封螺絲(16)連接，液壓油導管(13)穿過主工作臺(18)；

所述單接口高滲墊塊(6)、雙接口高滲墊塊(15)之間夾持柱形樣品(9)，所述雙接口高滲墊塊(15)側面底部對稱設置2個導管接口(5)，所述單接口高滲墊塊(6)側面頂端設置1個導管接口(5)，模擬井筒(8)沿柱形樣品(9)上端面中心至柱形樣品(9)體心布置，所述壓裂墊塊(4)底面中心和側面中心各有一個導管接口(5)，壓裂墊塊(4)內一體成型的壓裂液導管(19)連接兩個導管接口(5),所述模擬井筒(8)頂端穿過單接口高滲墊塊(6)中心預留的圓孔與壓裂墊塊(4)底面中心部位的導管接口(5)相接，所述壓裂墊塊(4)側面的導管接口(5)與壓裂液導管(19)相接，所述流體導入管(10)通過導管接口(5)與單接口高滲墊塊(6)相接，所述流體導出管(23)兩端分別連接雙接口高滲墊塊(15)的導管接口(5)和流量計(20),所述單接口高滲墊塊(6)的內部及底面和雙接口高滲墊塊(15)的內部及頂面具有網狀滲流通道，單接口高滲墊塊(6)與雙接口高滲墊塊(15)其他外表面均不具有滲流通道；

計算壓裂過程中滲透率增大倍數D′＝K′/K,壓裂后滲透率增大倍數D″＝K″/K；

上式中，K——壓裂前單相滲透率，10^-3μm²；K′——壓裂實時滲透率，10^-3μm²；K″——壓裂后單相滲透率，10^-3μm²；P₀——大氣壓，MPa；q_g——大氣壓下氣流量，cm³/s；μ_g——在測定溫度下氣體的黏度，MPa·s；L——壓裂前樣品長度，cm；A——壓裂前樣品橫斷面面積，cm²；L′——實時長度，cm；A′——平均實時橫斷面面積，cm²；C′——樣品平均實時周長，cm；n——環形徑向應變計數量，個；L″——壓裂后樣品長度，cm；A″——壓裂后樣品橫斷面面積，cm²；C_i——第i個環形徑向應變計處樣品初始周長，cm；ΔC_i——第i個環形徑向應變計測得的樣品周長變化值，mm；P₁——進口壓力，MPa；q_w——大氣壓下水流量，cm³/s；μ_w——在測定溫度下液體的黏度。