CN104330310B - 一种油页岩水力压裂模拟实验系统及实验样品的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种油页岩水力压裂模拟实验装置及实验样品制作方法，包括用于油页岩水力压裂模拟实验装置和实验样品制作方法两部分，其中油页岩水力压裂模拟实验装置由水力压裂加压及数据采集部分和实验样品三轴加压部分组成；本发明能够利用真实的油页岩试块来测试油页岩在不同地应力情况下以及不同射孔条件下的裂缝起裂压力及裂缝扩展情况；本发明中油页岩试样的制作方法，即可以利用真实的油页岩试块进行实验，还可以将三个方向上的应力充分传递到油页岩试块上，让油页岩试块受力更具有真实性。
Description
技术领域
本发明涉及油页岩水力压裂研究领域，特别涉及一种油页岩水力压裂模拟实验系统及实验样品的制作方法。
背景技术
随着社会经济的快速发展，人类对化石燃料的需求也逐年增加，有些老油田的产量逐年下降，石油、天然气等油气资源的价格不断提高，这就促使世界各国不断寻找替代能源。
油页岩作为一种非常规能源，其具有储量大、利用价值高等特点，油页岩折算成页岩油可高达4000多亿吨，是现今全球天然原有探明可采储量的5.4倍。因此世界各国都在积极研究对油页岩进行开采。
在各国的研究成果中，地下原位开采技术是一种在未来非常有前景的技术。这种技术不同于过去巷道开采页岩油，然后地表干馏加工的方式，它是在通过不同的加热方式直接加热地下油页岩层，当油页岩在地下原位加热到一定温度时将进行裂解，生成油(气)，最后将生成的油(气)通过生产井开采至地表。油页岩地下原位开采不需要开挖巷道，可以避免干馏时产生的废水，废气及废渣，是一种相对经济、环保的页岩油制取技术。
天然的油页岩是一种渗透性极差的泥质页岩，干酪根以固体的形式赋存于油页岩中，油页岩内部的微小层理在地下原位处于闭合状态。不管是原位加热介质还是加热产出的油气，都需要足够的连通通道才能进入开采井，抽到地表。因此需要对油页岩矿层进行水力压裂，增大原有裂缝及连通性、增加新的裂缝的数量及连通性，来提高油页岩层的渗透性。
在过去的研究中，有时因为对所在地区的水力压裂机理研究不够，因此在水力压裂设计及施工过程中压裂参数选择不合理，导致压裂效果无法得到保证。
因此在对油页岩进行水力压裂设计施工之前，对开采地区油页岩所处的地应力条件下的起裂压力以及裂缝扩展等资料的掌握，显得至关重要。
发明内容
本发明是为了研究油页岩原位开采地区油页岩水力压裂过程中在所处地应力条件下的起裂压力以及裂缝扩展情况，而提供一种用于油页岩水力压裂模拟实验系统及实验样品的制作方法。
本发明包括油页岩水力压裂模拟实验系统和实验样品的制作方法两部分。
其中油页岩水力压裂模拟实验系统由水力压裂加压及数据采集部分和实验样品三轴加压部分两部分组成。
水力压裂加压及数据采集部分包括数据采集单元、压裂压力信号传输线、第一智能压力传感器模块、高压泵、压裂液箱、压裂液输送管道、电机、电机电力线，其中，数据采集单元上插接有压裂压力信号传输线，压裂压力信号传输线的另一端插接在第一智能压力传感器模块上，高压泵设置在第一智能压力传感器模块的下方，第一智能压力传感器模块的传感器插入高压泵内部，压裂液箱设置在高压泵下方，高压泵通过螺栓固定在压裂液箱上面，高压泵直接从压裂液箱中抽取压裂液，高压泵与压裂液输送管道为球形接头螺纹连接，压裂液输送管道与模拟套管为球形接头螺纹连接；电机通过螺栓固定在压裂液箱上面，电机与高压泵通过联轴器连接，电机将动力传递给高压泵，电机通过电机电力线从数据采集单元获得驱动电力，电机通过电机电力线与数据采集单元连接，电机电力线与数据采集单元为插接；将获得的压力信息通过压裂压力信号传输线传输给数据采集单元；
实验样品三轴加压部分包括垂直四爪夹持臂、垂直移动载荷板、销子、四个水平四爪夹持臂、四个水平移动载荷板、四个水平千斤顶、垂直千斤顶、夹持机构底座、第二智能压力传感器模块、第三智能压力传感器模块、第四智能压力传感器模块、Z向载荷加压泵、X向载荷加压泵、Y向载荷加压泵、液压油输送管道和三通接头；
其中，垂直四爪夹持臂与四个水平四爪夹持臂分别通过销子铰接，夹持机构底座与四个水平四爪夹持臂分别通过销子铰接；四个水平千斤顶分别安装在四个水平四爪夹持臂顶端的圆槽内，并通过螺钉固定，垂直千斤顶安装在垂直四爪夹持臂的圆槽内，并通过螺钉固定；四个水平移动载荷板垂直放置在夹持机构底座上，四个水平移动载荷板向外的一侧分别紧靠在四个水平千斤顶上，垂直移动载荷板需要压在实验样品上面，垂直移动载荷板向上的一侧紧靠在垂直千斤顶上；
Z向载荷加压泵与第二智能压力传感器模块通过螺纹密封连接，X向载荷加压泵与第三智能压力传感器模块通过螺纹密封连接，Y向载荷加压泵与第四智能压力传感器模块通过螺纹密封连接，载荷压力信号传输线与第二智能压力传感器模块、第三智能压力传感器模块和第四智能压力传感器模块分别连接，连接方式为插接；载荷压力信号传输线的另一端与数据采集单元插接；
Z向载荷加压泵、X向载荷加压泵和Y向载荷加压泵分别与Z向液压油输送管道、X向液压油输送管道和Y向液压油输送管道连接，连接方式均为球形接头螺纹连接；
Z向液压油输送管道与垂直千斤顶连接，连接方式为球形接头螺纹连接，X向液压油输送管道通过第一三通分为两路与两个相对的水平千斤顶相连接，连接方式为球形接头螺纹连接，Y向液压油输送管道通过第二三通分为两路与另外两个相对的水平千斤顶相连接，连接方式为球形接头螺纹连接。
实验样品的制作方法为：
在完整油页岩试块中用电钻钻出模拟裸井井眼，模拟裸井井眼分上粗段井眼和下细段井眼两段，上粗段井眼的孔径比模拟套管的外径大4mm；下细段井眼长度为油页岩试块厚度的1/3，并竖向处于油页岩试块的中间位置，下细段井眼的孔径比模拟套管的内径4mm；将模拟套管插进油页岩试块的模拟裸井井眼内。
在模具内表面抹上润滑油，方便样品成型后拆卸模具，将垫块放置在模具的底面上，再把带有模拟套管的油页岩试块放置在垫块上，水平调整垫块在模具底面上的位置，使油页岩试块处于模具底面的中心位置；再调整垫块的高度，使油页岩试块处于模具内空间的中心位置。
配制水泥砂浆，充分搅拌后，将水泥砂浆浇筑到模具内，保证油页岩试块完全被水泥砂浆包裹，磨平水泥砂浆上表面，进行保湿养护。
所述的模具包括一个模具底板和四个模具侧板，四个模具侧板和模具底板通过侧板铰链铰接，在四个模具侧板外侧同一高度上焊接卡环托，当四个模具侧板均垂直于模具底板时，套设有侧板卡环，侧板卡环的位置固定在卡环托上方。
当水泥砂浆彻底凝固后，拆掉侧板卡环，将四个模具侧板向外旋转打开，拿出制作完成的实验样品。
油页岩水力压裂模拟实验装置的工作原理及工作过程：
将实验样品放进实验样品三轴加压部分的中心空间中，压上垂直移动载荷板，将模拟套管穿过垂直移动载荷板的中心孔，然后将压裂液输送管道与模拟套管连接，再将垂直四爪夹持臂与四个水平四爪夹持臂用销子铰接。按照设计要求三个方向的载荷大小，通过Z向载荷加压泵向垂直千斤顶注入液压油，通过X向载荷加压泵和Y向载荷加压泵分别向四个水平千斤顶注入液压油，垂直千斤顶将压力传递给垂直移动载荷板，四个水平千斤顶分别传递给四个水平移动载荷板，垂直移动载荷板和四个水平移动载荷板将压力施加在实验样品上，Z向、X向和Y向的压力相互独立，可以模拟不同地层压力情况，此时通过数据采集单元监控Z向载荷加压泵、X向载荷加压泵和Y向载荷加压泵的压力；启动电机，带动高压泵运作，高压泵不断向实验样品的模拟裸井井眼中注入压裂液，此时高压泵上的第一智能压力传感器模块检测注入压力的变化情况，并在数据采集单元形成数据和曲线，直至油页岩试块被压裂，得到相应的数据和曲线，最后对油页岩试块中的裂纹情况进行观察。
有益效果：
本发明能够利用真实的油页岩试块来测试油页岩在不同地应力情况下以及不同射孔条件下的裂缝起裂压力及裂缝扩展情况；
本发明中油页岩试样的制作方法，即可以利用真实的油页岩试块进行实验，还可以将三个方向上的应力充分传递到油页岩试块上，让油页岩试块受力更具有真实性。
附图说明
图1为本发明实施例的实验系统的示意图。
图2为本发明实施例的夹持机构的正视图。
图3为本发明实施例的夹持机构的A-A向剖视图。
图4为本发明实施例的夹持机构的俯视图。
图5为本发明实施例的实验样品剖视图。
图6为本发明实施例的实验样品所用模具的正视图。
图7为本发明实施例的实验样品所用模具的俯视图。
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7为本发明的实施例，本实施例包括油页岩水力压裂模拟实验系统和实验样品的制作方法两部分。
其中油页岩水力压裂模拟实验系统由水力压裂加压及数据采集部分和实验样品三轴加压部分两部分组成。
水力压裂加压及数据采集部分包括数据采集单元15、压裂压力信号传输线16、第一智能压力传感器模块91、高压泵10、压裂液箱11、压裂液输送管道18、电机25、电机电力线26，其中，数据采集单元15上插接有压裂压力信号传输线16，压裂压力信号传输线16的另一端插接在第一智能压力传感器模块91上，高压泵10设置在第一智能压力传感器模块91的下方，第一智能压力传感器模块91的传感器插入高压泵10内部，压裂液箱11设置在高压泵10下方，高压泵10通过螺栓固定在压裂液箱11上面，高压泵10直接从压裂液箱11中抽取压裂液，高压泵10与压裂液输送管道18为球形接头螺纹连接，压裂液输送管道18与模拟套管6为球形接头螺纹连接；电机25通过螺栓固定在压裂液箱11上面，电机25与高压泵10通过联轴器连接，电机25将动力传递给高压泵10，电机25通过电机电力线26从数据采集单元15获得驱动电力，电机25通过电机电力线26与数据采集单元15连接，电机电力线26与数据采集单元15为插接；将获得的压力信息通过压裂压力信号传输线16传输给数据采集单元15；
实验样品三轴加压部分包括垂直四爪夹持臂1、垂直移动载荷板2、销子3、四个水平四爪夹持臂4、四个水平移动载荷板5、四个水平千斤顶71、垂直千斤顶72、夹持机构底座8、第二智能压力传感器模块92、第三智能压力传感器模块93、第四智能压力传感器模块94、Z向载荷加压泵12、X向载荷加压泵13、Y向载荷加压泵14、液压油输送管道19和三通接头；
其中，垂直四爪夹持臂1与四个水平四爪夹持臂4分别通过销子3铰接，夹持机构底座8与四个水平四爪夹持臂4分别通过销子3铰接；四个水平千斤顶71分别安装在四个水平四爪夹持臂4顶端的圆槽内，并通过螺钉固定，垂直千斤顶72安装在垂直四爪夹持臂1的圆槽内，并通过螺钉固定；四个水平移动载荷板5垂直放置在夹持机构底座8上，四个水平移动载荷板5向外的一侧分别紧靠在四个水平千斤顶71上，垂直移动载荷板2需要压在实验样品上面，垂直移动载荷板2向上的一侧紧靠在垂直千斤顶72上；
Z向载荷加压泵12与第二智能压力传感器模块92通过螺纹密封连接，X向载荷加压泵13与第三智能压力传感器模块93通过螺纹密封连接，Y向载荷加压泵14与第四智能压力传感器模块94通过螺纹密封连接，载荷压力信号传输线17与第二智能压力传感器模块92、第三智能压力传感器模块93和第四智能压力传感器模块94分别连接，连接方式为插接；载荷压力信号传输线17的另一端与数据采集单元15插接；
Z向载荷加压泵12、X向载荷加压泵13和Y向载荷加压泵14分别与Z向液压油输送管道192、X向液压油输送管道193和Y向液压油输送管道194连接，连接方式均为球形接头螺纹连接；
Z向液压油输送管道192与垂直千斤顶72连接，连接方式为球形接头螺纹连接，X向液压油输送管道193通过第一三通201分为两路与两个相对的水平千斤顶71相连接，连接方式为球形接头螺纹连接，Y向液压油输送管道194通过第二三通202分为两路与另外两个相对的水平千斤顶71相连接，连接方式为球形接头螺纹连接。
实验样品的制作方法为：
在完整油页岩试块22中用电钻钻出模拟裸井井眼23，模拟裸井井眼23分上粗段井眼231和下细段井眼232两段，上粗段井眼231的孔径比模拟套管6的外径大4mm；下细段井眼232长度为油页岩试块22厚度的1/3，并竖向处于油页岩试块22的中间位置，下细段井眼232的孔径比模拟套管6的内径小4mm；将模拟套管6插进油页岩试块22的模拟裸井井眼23内。
在模具内表面抹上润滑油，方便样品成型后拆卸模具，将垫块24放置在模具的底面上，再把带有模拟套管6的油页岩试块22放置在垫块24上，水平调整垫块24在模具底面上的位置，使油页岩试块22处于模具底面的中心位置；再调整垫块24的高度，使油页岩试块22处于模具内空间的中心位置。
配制水泥砂浆21，充分搅拌后，将水泥砂浆21浇筑到模具内，保证油页岩试块22完全被水泥砂浆21包裹，磨平水泥砂浆21上表面，进行保湿养护。
所述的模具包括一个模具底板251和四个模具侧板252，四个模具侧板252和模具底板251通过侧板铰链254铰接，在四个模具侧板252外侧同一高度上焊接卡环托255，当四个模具侧板252均垂直于模具底板251时，套设有侧板卡环253，侧板卡环253的位置固定在卡环托255上方。
当水泥砂浆21彻底凝固后，拆掉侧板卡环253，将四个模具侧板252向外旋转打开，拿出制作完成的实验样品。
油页岩水力压裂模拟实验装置的工作原理及工作过程：
将实验样品放进实验样品三轴加压部分的中心空间中，压上垂直移动载荷板2，将模拟套管6穿过垂直移动载荷板2的中心孔，然后将压裂液输送管道18与模拟套管6连接，再将垂直四爪夹持臂1与四个水平四爪夹持臂4用销子3铰接。按照设计要求三个方向的载荷大小，通过Z向载荷加压泵12向垂直千斤顶72注入液压油，通过X向载荷加压泵13和Y向载荷加压泵14分别向四个水平千斤顶71注入液压油，垂直千斤顶72将压力传递给垂直移动载荷板2，四个水平千斤顶71分别传递给四个水平移动载荷板5，垂直移动载荷板2和四个水平移动载荷板5将压力施加在实验样品上，Z向、X向和Y向的压力相互独立，可以模拟不同地层压力情况，此时通过数据采集单元15监控Z向载荷加压泵12、X向载荷加压泵13和Y向载荷加压泵14的压力；启动电机25，带动高压泵10运作，高压泵10不断向实验样品的模拟裸井井眼23中注入压裂液，此时高压泵10上的第一智能压力传感器模块91检测注入压力的变化情况，并在数据采集单元15形成数据和曲线，直至油页岩试块22被压裂，得到相应的数据和曲线，最后对油页岩试块22中的裂纹情况进行观察。
Claims (2)
1.一种油页岩水力压裂模拟实验装置，其特征在于：是由水力压裂加压及数据采集部分和实验样品三轴加压部分组成；
其中水力压裂加压及数据采集部分包括数据采集单元(15)、压裂压力信号传输线(16)、第一智能压力传感器模块(91)、高压泵(10)、压裂液箱(11)、压裂液输送管道(18)、电机(25)、电机电力线(26)，其中，数据采集单元(15)上插接有压裂压力信号传输线(16)，压裂压力信号传输线(16)的另一端插接在第一智能压力传感器模块(91)上，高压泵(10)设置在第一智能压力传感器模块(91)的下方，第一智能压力传感器模块(91)的传感器插入高压泵(10)内部，压裂液箱(11)设置在高压泵(10)下方，高压泵(10)通过螺栓固定在压裂液箱(11)上面，高压泵(10)与压裂液输送管道(18)为球形接头螺纹连接，压裂液输送管道(18)与模拟套管(6)为球形接头螺纹连接；电机(25)通过螺栓固定在压裂液箱(11)上面，电机(25)与高压泵(10)通过联轴器连接，电机(25)通过电机电力线(26)与数据采集单元(15)连接，电机电力线(26)与数据采集单元(15)为插接；
实验样品三轴加压部分包括垂直四爪夹持臂(1)、垂直移动载荷板(2)、数个销子(3)、四个水平四爪夹持臂(4)、四个水平移动载荷板(5)、四个水平千斤顶(71)、垂直千斤顶(72)、夹持机构底座(8)、第二智能压力传感器模块(92)、第三智能压力传感器模块(93)、第四智能压力传感器模块(94)、Z向载荷加压泵(12)、X向载荷加压泵(13)、Y向载荷加压泵(14)、液压油输送管道(19)和三通接头；
其中，垂直四爪夹持臂(1)与四个水平四爪夹持臂(4)分别通过销子(3)铰接，夹持机构底座(8)与四个水平四爪夹持臂(4)分别通过销子(3)铰接；四个水平千斤顶(71)分别安装在四个水平四爪夹持臂(4)顶端的圆槽内，并通过螺钉固定，垂直千斤顶(72)安装在垂直四爪夹持臂(1)的圆槽内，并通过螺钉固定；四个水平移动载荷板(5)垂直放置在夹持机构底座(8)上，四个水平移动载荷板(5)向外的一侧分别紧靠在四个水平千斤顶(71)上，垂直移动载荷板(2)需要压在实验样品上面，垂直移动载荷板(2)向上的一侧紧靠在垂直千斤顶(72)上；
Z向载荷加压泵(12)与第二智能压力传感器模块(92)通过螺纹密封连接，X向载荷加压泵(13)与第三智能压力传感器模块(93)通过螺纹密封连接，Y向载荷加压泵(14)与第四智能压力传感器模块(94)通过螺纹密封连接，载荷压力信号传输线(17)与第二智能压力传感器模块(92)、第三智能压力传感器模块(93)和第四智能压力传感器模块(94)分别连接，连接方式为插接；载荷压力信号传输线17的另一端与数据采集单元(15)插接；
Z向载荷加压泵(12)、X向载荷加压泵(13)和Y向载荷加压泵(14)分别与Z向液压油输送管道(192)、X向液压油输送管道(193)和Y向液压油输送管道(194)连接，连接方式均为球形接头螺纹连接；
Z向液压油输送管道(192)与垂直千斤顶(72)连接，连接方式为球形接头螺纹连接，X向液压油输送管道(193)通过第一三通(201)分为两路与两个相对的水平千斤顶(71)相连接，连接方式为球形接头螺纹连接，Y向液压油输送管道(194)通过第二三通(202)分为两路与另外两个相对的水平千斤顶(71)相连接，连接方式为球形接头螺纹连接。
2.一种用于油页岩水力压裂模拟实验的实验样品的制作方法，其特征在于：在完整油页岩试块(22)中用电钻钻出模拟裸井井眼(23)，模拟裸井井眼(23)分上粗段井眼(231)和下细段井眼(232)两段，上粗段井眼(231)的孔径比模拟套管(6)的外径大4mm；下细段井眼(232)长度为油页岩试块(22)厚度的1/3，并竖向处于油页岩试块(22)的中间位置，下细段井眼(232)的孔径比模拟套管(6)的内径小4mm；将模拟套管(6)插进油页岩试块(22)的模拟裸井井眼(23)内；
在模具内表面抹上润滑油，方便样品成型后拆卸模具，将垫块(24)放置在模具的底面上，再把带有模拟套管(6)的油页岩试块(22)放置在垫块(24)上，水平调整垫块(24)在模具底面上的位置，使油页岩试块(22)处于模具底面的中心位置；再调整垫块(24)的高度，使油页岩试块(22)处于模具内空间的中心位置；
配制水泥砂浆(21)，充分搅拌后，将水泥砂浆(21)浇筑到模具内，保证油页岩试块(22)完全被水泥砂浆(21)包裹，磨平水泥砂浆(21)上表面，进行保湿养护；
所述的模具包括一个模具底板(251)和四个模具侧板(252)，四个模具侧板(252)和模具底板(251)通过侧板铰链(254)铰接，在四个模具侧板(252)外侧同一高度上焊接卡环托(255)，当四个模具侧板(252)均垂直于模具底板(251)时，套设有侧板卡环(253)，侧板卡环(253)的位置固定在卡环托(255)上方；
当水泥砂浆(21)彻底凝固后，拆掉侧板卡环(253)，将四个模具侧板(252)向外旋转打开，拿出制作完成的实验样品。
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