CN104655495A - 一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置与试验方法 - Google Patents

Abstract

一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置及试验方法，属于岩体力学与工程技术领域范畴，其特征在于该装置由真三轴伺服控制实时加载系统1、水力压裂系统2、超临界CO₂压裂系统3、渗透系统4、循环冷却系统5、温度加载及保温控制系统6、声发射监测系统7、压力-变形测试系统8及数据采集和自动化控制系统9九大系统组成，可模拟真实地层的埋藏条件，对试件19进行高温加热模拟深度地层温度环境；通过高压水力或超临界CO₂进行压裂试验；通过注入高压孔隙水或气体进行煤岩渗透试验以测试压裂效果；通过声发射系统7全程监测压裂产生的裂缝的起裂、扩展及开闭合特性，观察和分析掌握裂缝的形成及扩展机理，为压裂开采提供理论基础和实验依据。

Description

一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置与试验方法

技术领域

本发明为一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置与试验方法，压裂介质为气体或液体。属于岩体力学与工程技术领域范畴。通过对试件的压裂渗流变形特性等岩石力学试验揭示煤岩在不同应力及高温状况下的应力-应变等岩石力学性质特征及其变化规律；通过真三轴加载可模拟真实地层的埋藏条件；通过压力室周围传压板钻孔内置加热棒进行高温加热；通过高压水力或超临界CO₂进行压裂试验；通过声发射系统对压裂产生的贯通裂缝的起裂、扩展及开闭合特性的观察、控制和分析掌握裂缝的形成及扩展机理；通过注入高压孔隙水或气体进行煤岩渗透试验以测试压裂后试件的孔隙率和渗透性。为压裂开采提供理论基础和实验依据。

背景技术

随着油气领域开采技术的发展，压裂装置与方法近年来取得了多项成果，涉及真三轴压裂的方法与装置的中国发明专利主要有：中国矿业大学的“一种煤层气井水力压裂物理模拟方法”（CN 103883301 A）。中国石油大学（华东）的“一种用于稠油热采储层破裂的模拟实验装置”（CN 103821487 A）。东北大学的“一种模拟页岩气压压裂过程的实验装置及实验方法”（CN 103993867 A）。重庆大学的“真三轴受力条件下页岩水力压裂损伤演化装置与实验方法”（CN 103592186 A）。中国石油化工股份有限公司的“模拟储层环境的应力应变测试系统及其测试方法”（CN 103728184 A）。中国科学院武汉岩土力学研究所的“一种可实现水压致裂试验的真三轴压力装置”（CN 102621000 B）。现有的三轴压裂模拟试验装置及方法均是针对水力压裂或页岩气压裂，只能满足常规条件下的室内压裂模拟，但不能满足模拟深埋地层高温条件下的水力压裂以及超临界CO₂压裂。

发明内容

本发明一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置及其试验方法，目的在于克服传统试验方法的缺陷与不足，根据矿物地质赋存条件下的地应力和温度场条件，公开一种模拟深部岩层高温压裂时的岩体特征以及压裂后岩体的渗流特性，最高加热温度为400℃，且能够满足在试验室内对地下深部及高温矿物煤岩高温高压进行真三轴压裂及压裂后渗流特性检测的先进、高效、直观、可靠和安全的试验装置与试验方法。

本发明的一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置，其特征在于是一种可模拟矿物埋藏深度达2000m和温度达400℃的地质环境条件，由真三轴伺服控制实时加载系统1、水力压裂系统2、超临界CO₂压裂系统3、渗透系统4、循环冷却系统5、温度加载及保温控制系统6、声发射监测系统7、压力-变形测试系统8及数据采集和自动化控制系统9九大系统组成的试验装置，所述的真三轴伺服控制实时加载系统1是系统的重要组成部分，由五组千斤顶及加载油缸16、三组独立的稳压源、伺服油源、传压柱、传压板14、多孔槽板12、伺服阀、压力传感器、位移传感器和变形传感器组成，通过压力室内的传压板14错位布置，实现对试件19的刚性加载，对试件19施加模拟相应地层的地应力条件，如图2所示，错位布置是指传压板14之间改变原有硬连接的布置为相互错位布置，用来解决试件19压缩变形时传压板14之间的相互挤压以及满足试件19的尺寸变化，压力室通过传压板14的错位布置实现五面刚性加载，传压板14与试件19之间嵌置多孔槽板12；所述的水力压裂系统2，由液体伺服增压泵、压裂管柱21、压裂液注入压力传感器、压裂液注入流量计量装置和水力压裂配套组件组成，利用一组液体伺服增压泵通过压裂管柱21泵注压裂液对试件19进行压裂，通过压裂管柱21与真三轴伺服控制实时加载系统1联接；所述的超临界CO₂压裂系统3，由气体伺服增压泵、压裂管柱21、温度加载装置、保温管路、注入压力传感器、注入流量计量装置和超临界CO₂压裂配套组件组成，利用一组气体伺服增压泵及温度控制装置通过压裂管柱泵注超临界CO₂对试件19进行压裂，通过保温管路连接压裂管柱21与真三轴伺服控制实时加载系统1联接；所述的渗透系统4，由伺服增压泵、孔隙水/气注入压力传感器、孔隙水/气注入流量传感器、孔隙水/气渗透压力传感器、孔隙水/气渗透流量传感器和密封配套组件组成，利用一组伺服增压泵将孔隙水/气通过压力室的顶部接口泵注到用超高温密封胶13包裹的试件19的顶部，在压力室的底部出口经过底部多孔槽板12收集渗透过试件19的孔隙水/气；所述的循环冷却系统5，由循环水泵、冷却管路和循环冷却配套组件组成，在加载油缸靠近传压板的端部采用水冷对油缸进行循环冷却；所述的温度加载及保温控制系统6，由保温环境箱10、加热棒22、温度采集控制仪和加热保温配套组件组成，在压力室的内部四周传压板14上打钻孔15布置加热棒22进行加温，通过多孔槽板12对试件19传递热量加热，由温度采集控制仪对温度的加载进行采集和控制，设计一个保温环境箱10用以提供恒温环境；所述的声发射监测系统7，由声发射探头和声发射处理装置组成，在压力室周围传压板14上预留有声发射探头23布置点，利用声发射仪监测试件19的声发射变化，并进行三维声发射定位，用来监测试件19内部裂纹的起裂和扩展演化参数；所述的压力-变形测试系统8，主要由各子系统中记录温度、压力、流量、变形和位移的传感器组成，同时在压力室内部设置有压力传感器，记录试件19内部的压力变化；所述的数据采集和自动化控制系统9，采用面板式的自动化控制和数据显示，通过输入加载过程的控制程序，自动加载；试验完成后，通过程序控制自动卸载；通过温度采集控制仪，输入设定的温度值进行加热；通过伺服增压泵的控制程序，对压力、排量和泵注体积参数进行记录和控制；实时显示试验过程中各传感器测得的温度、压力、流量、变形和位移参数并能够输出数据；生成试验过程中的压力加载过程动态曲线、温度变化动态曲线、压裂过程动态曲线、孔隙压力变化动态曲线和试件19内部压力变化动态曲线以便进行控制并能够予以输出。

上述的一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置，其特征在于，所述的真三轴伺服加载控制捕捉整个加载和压裂过程中的应力、应变、起裂和裂纹扩展演化参数的特征信息，其三个方向的最大应力均可达300MPa；

上述的一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置，其特征在于，所述的试件19尺寸为两种规格：100×100×100mm或300×300×300mm；

    上述的一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置，其特征在于，试件19的密封采用耐超高温密封胶13进行密封，密封时将耐超高温密封胶13均匀涂抹在水平方向的多孔槽板12外围，将多孔槽板12与试件19一起密封，在多孔槽板12底部留设有渗流孔通道，以便渗透后的气、液收集测量；

上述的一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置，其特征在于，所述的注入渗透孔隙水/超临界CO₂的压力最大可达80MPa，流量可达500ml/min；

上述的一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置，其特征在于，所述的渗透系统可对压裂后的试件19进行水、超临界CO₂、N₂和CH₄不同介质的渗透效果测量，对压裂前后试件19的渗透性进行对比分析。

上述一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置的试验方法，其特征在于采用上述一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置，可模拟矿物埋藏深度达2000m的最高温度达400℃的地质环境条件，该方法首先要求对试件19进行加工钻孔17，进行封孔处理并与多孔板槽12用耐高温密封胶13密封后置于压力室中，进行三轴压力加载至设定应力值，开启声发射监测系统7，设定加热温度，开启加热棒22对试件19进行加热，通过控温温度传感器控制温度，当温度达到设定值并稳定30分钟后，开启压裂系统进行压裂试验，压裂过程中通过声发射监测系统7、压力-变形测试系统8及数据采集和自动化控制系统9全程监测采集应力、应变、裂纹的起裂和扩展演化参数。压裂试验结束后，开启渗流系统4，对压裂后的试件19进行渗透性试验，对压裂后的试件19进行压裂效果分析，重复上述步骤即可进行不同条件下的煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验，其具体实施的步骤为：

步骤一：实验前，对100×100×100mm或300×300×300mm的试件19加工钻取Φ10～Φ20mm和深度70～250mm的中心孔17，该孔用于插入压裂管柱21模拟井筒，并对插入压裂管柱21的中心孔17进行封孔；

步骤二：将试件19与多孔板槽12一起用耐超高温密封胶13进行密封，并与传压板14夹装送入压力室；

步骤三：连通监测装置，进行真三轴伺服加载；

步骤四：开启声发射监测系统7，准备实时监测、采集、处理数据；

步骤五：启动温度加载控制系统6，设定加热温度为0～400℃，加温至设定温度，恒温保持30分钟；

步骤六：开启水力压裂系统2，进行压裂试验，并全程监测采集应力、应变、裂纹的起裂和扩展演化参数；

步骤七：开启渗透系统4，对压裂后的试件19进行渗透性测定，分析评估压裂效果，至此本次高温真三轴压裂渗流试验完成。

本发明一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置及其试验方法，优点在于：克服了传统试验方法的缺陷与不足，根据矿物地质赋存条件下的地应力和温度场条件，模拟深部岩层高温压裂时的岩体特征以及压裂后岩体的渗流特性，最高加热温度为400℃，且能够满足在试验室内对地下深部及高温矿物煤岩高温高压进行真三轴压裂及压裂后渗流特性检测的先进、高效、直观、可靠和安全的试验装置与试验方法，具体包括以下几点：                                                该装置能够对试件19在高温条件下进行真三轴加载，最大加载力为300t，试件尺寸规格为：100×100×100mm或300×300×300mm；该装置的试件19环境温度最高可达400℃，通过水平方向试件19周围传压板14上内置钻孔15布置加热棒22进行温度加载；该装置设计有压裂管柱21，通过压裂管柱21对试件19进行水力压裂或超临界CO₂气体压裂，注入压力可达80MPa；该装置的密封采用耐超高温密封胶13将水平方向四周内置多孔槽板12与试件19一起进行密封；该装置可在≤400℃的条件下，通过孔隙水或气对压裂前后的密封试件测试其渗透性，孔隙压力最大可达80MPa。

附图说明：

图1：真三轴伺服控制系统正视示意图

图2：压力室单元结构俯视示意图

图3：煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置示意图

图中标号：

1——真三轴伺服控制实时加载系统；2——水力压裂系统；

3——超临界CO₂压裂系统；4——渗流系统；5——循环冷却系统；

6——温度加载及保温控制系统；7——声发射监测系统；

8——压力-变形测试系统；9——数据采集和自动化控制系统；

10——保温箱；11——渗流出口流量计；12——多孔槽板；

13——耐超高温密封胶；14——传压板；15——加热棒钻孔；

16——伺服油缸；17——压裂钻孔中心孔，18——循环冷却装置；

19——试件；20——液压油缸；21——压裂管柱；22——加热棒；

23——声发射探头。

具体实施方式：根据实验要求，煤岩试件19的尺寸规格有两种选择，分别为：100×100×100mm或300×300×300mm。该试验装置能够满足模拟矿物埋藏深度达2000m的地质环境条件的试验要求，通过加热棒22将试件19加热到400℃。

真三轴实时加载系统1，给试件19加载不同的轴压和两个方向的水平压力，以模拟矿物的真实埋藏地质环境。压裂液注入系统，利用一组伺服增压泵向模拟井眼泵注压裂液或超临界CO₂对试件19进行压裂。温度加载及保温控制系统6，主要为试件19提供预定的加热温度，使试件19均匀受热。渗透系统4，主要用于测量试件19压裂后的压裂渗透效果。循环冷却系统5，在加载油缸20的靠近传压板14端部采用水冷对油缸进行循环冷却。声发射监测系统7，主要利用声发射仪监测试件19的声发射变化，并进行三维声发射定位。压力-变形测试控制系统8，主要通过各种温度、压力、流量、变形和位移传感器对试验过程进行精确测量与控制，以保证试验条件与测试结构的可靠性，并经电脑计算分析后直接显示整个系统工作状况与测试结果。

实施方式1：

本实施示例中以100×100×100mm为例。压裂方式选择水力压裂，模拟2000m深地层应力条件，温度加载选择400℃。

采用所述的模拟水力压裂过程的试验装置的实验方法，包括如下步骤：

步骤一：实验前，对100×100×100mm试件19加工钻取Φ10mm和深度70mm的中心孔17，该孔用于插入压裂管柱21模拟井筒，并对插入管柱的中心孔17进行封孔；

步骤二：将试件19与多孔板槽12一起用耐超高温密封胶13进行密封，并与传压板14夹装送入压力室；

步骤三：连通各监测装置，进行真三轴伺服加载，对试件19施加轴压50MPa与最大水平压力48MPa，最小水平压力45MPa；

步骤四：开启声发射监测系统7，准备实时监测、采集、处理数据；

步骤五：开启循环冷却系统5；

步骤六：启动温度加载控制系统6，设定加热温度为400℃，加温至设定温度，恒温保持30分钟；

步骤七：开启水力压裂系统2，进行压裂试验，并全程监测采集应力、应变、裂纹的起裂和扩展演化参数；

步骤八：开启渗透系统4，对压裂后的试件19进行渗透性测定，分析评估压裂效果，至此本次高温真三轴压裂渗流试验完成。

实施方式2：

本实施示例中以300×300×300mm为例。压裂方式选择水力压裂，模拟1000m深地层应力条件，温度加载选择250℃。

采用所述的模拟水力压裂过程的试验装置的实验方法，包括如下步骤：

步骤一：实验前，对300×300×300mm试件19加工钻取Φ20mm和深度250mm的中心孔17，该孔用于插入压裂管柱21模拟井筒，并对插入管柱的中心孔进行封孔；

步骤二：将试件19与多孔板槽12一起用耐超高温密封胶13进行密封，并与传压板14夹装送入压力室；

步骤三：连通各监测装置，进行真三轴伺服加载，对试件19施加轴压25MPa与最大水平压力28MPa，最小水平压力20MPa；

步骤四：开启声发射监测系统7，准备实时监测、采集、处理数据；

步骤五：开启循环冷却系统5；

步骤六：启动温度加载控制系统6，设定加热温度为250℃，加温至设定温度，恒温保持30分钟；

步骤七：开启水力压裂系统2，进行压裂试验，并全程监测采集应力、应变、裂纹的起裂和扩展演化参数；

步骤八：开启渗透系统4，对压裂后的试件19进行渗透性测定，分析评估压裂效果，至此本次高温真三轴压裂渗流试验完成。

综上所述，本发明主要用于煤岩等进行高温真三轴压裂渗流条件下的试验研究。

最后说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的实施方式已经对本发明进行了描述，但本领域的科研技术人员应当明白，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置，其特征在于是一种可模拟矿物埋藏深度达2000m和温度达400℃的地质环境条件，由真三轴伺服控制实时加载系统（1）、温度加载及保温控制系统（6）、水力压裂系统（2）、超临界CO₂压裂系统（3）、渗透系统（4）、循环冷却系统（5）、声发射监测系统（7）、压力-变形测试系统（8）及数据采集和自动化控制系统(9)九大系统组成的试验装置，所述的真三轴伺服控制实时加载系统（1）是系统的重要组成部分，由五组千斤顶及加载油缸（16）、三组独立的稳压源、伺服油源、传压柱、传压板（14）、多孔槽板（12）、伺服阀、压力传感器、位移传感器和变形传感器组成，通过压力室内的传压板（14）错位布置，实现对试件（19）的刚性加载，对试件（19）施加模拟相应地层的地应力条件，错位布置是指传压板（14）之间改变原有硬连接的布置为相互错位布置，用来解决试件（19）压缩变形时传压板（14）之间的相互挤压以及满足试件（19）的尺寸变化，压力室通过传压板（14）的错位布置实现五面刚性加载，传压板（14）与试件（19）之间嵌置多孔槽板（12）；所述的水力压裂系统（2），由液体伺服增压泵、压裂管柱（21）、压裂液注入压力传感器、压裂液注入流量计量装置和水力压裂配套组件组成，利用一组液体伺服增压泵通过压裂管柱（21）泵注压裂液对试件（19）进行压裂，通过压裂管柱（21）与真三轴伺服控制实时加载系统1联接；所述的超临界CO₂压裂系统（3），由气体伺服增压泵、压裂管柱（21）、温度加载装置、保温管路、注入压力传感器、注入流量计量装置和超临界CO₂压裂配套组件组成，利用一组气体伺服增压泵及温度控制装置通过压裂管柱泵注超临界CO₂对试件（19）进行压裂，通过保温管路连接压裂管柱（21）与真三轴伺服控制实时加载系统（1）联接；所述的渗透系统（4），由伺服增压泵、孔隙水/气注入压力传感器、孔隙水/气注入流量传感器、孔隙水/气渗透压力传感器、孔隙水/气渗透流量传感器和密封配套组件组成，利用一组伺服增压泵将孔隙水/气通过压力室的顶部接口泵注到用超高温密封胶（13）包裹的试件（19）的顶部，在压力室的底部出口经过底部多孔槽板（12）收集渗透过试件（19）的孔隙水/气；所述的循环冷却系统（5），由循环水泵、冷却管路和循环冷却配套组件组成，在加载油缸靠近传压板的端部采用水冷对油缸进行循环冷却；所述的温度加载及保温控制系统（6），由保温环境箱（10）、加热棒（22）、温度采集控制仪和加热保温配套组件组成，在压力室的内部四周传压板（14）上打钻孔（15）布置加热棒（22）进行加温，通过多孔槽板（12）对试件（19）传递热量加热，由温度采集控制仪对温度的加载进行采集和控制，设计一个保温环境箱（10）用以提供恒温环境；所述的声发射监测系统（7），由声发射探头和声发射处理装置组成，在压力室周围传压板（14）上预留有声发射探头（23）布置点，利用声发射仪监测试件（19）的声发射变化，并进行三维声发射定位，用来监测试件（19）内部裂纹的起裂和扩展演化参数；所述的压力-变形测试系统（8），主要由各子系统中记录温度、压力、流量、变形和位移传感器组成，同时在压力室内部设置有压力传感器，记录试件（19）内部的压力变化；所述的数据采集和自动化控制系统（9），采用面板式的自动化控制和数据显示，通过输入加载过程的控制程序，自动加载；试验完成后，通过程序控制自动卸载；通过温度采集控制仪，输入设定的温度值进行加热；通过伺服增压泵的控制程序，对压力、排量和泵注体积参数进行记录和控制；实时显示试验过程中各传感器测得的温度、压力、流量、变形和位移参数并能够输出数据；生成试验过程中的压力加载过程动态曲线、温度变化动态曲线、压裂过程动态曲线、孔隙压力变化动态曲线和试件（19）内部压力变化动态曲线以便进行控制并能够予以输出。

2.按照权利要求1所述的一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置，其特征在于，所述的真三轴伺服加载控制捕捉整个加载和压裂过程中的应力、应变、起裂和裂纹扩展演化参数的特征信息，其三个方向的最大应力均达300MPa。

3.按照权利要求1所述的一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置，其特征在于，所述的试件（19）尺寸为两种规格：100×100×100mm或300×300×300mm。

4.按照权利要求1所述的一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置，其特征在于，试件（19）的密封采用耐超高温密封胶（13）进行密封，密封时将耐超高温密封胶（13）均匀涂抹在水平方向的多孔槽板（12）外围，将多孔槽板（12）与试件（19）一起密封，在多孔槽板（12）底部留设有渗流孔通道，以便渗透后的气和液收集测量。

5.按照权利要求1所述的一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置，其特征在于，所述的注入渗透孔隙水/超临界CO₂的压力最大可达80MPa，流量可达500ml/min。

6.按照权利要求1所述的一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置，其特征在于，所述的渗透系统（4）可对压裂后的试件（19）进行水、超临界CO₂、N₂和CH₄不同介质的渗透效果测量，对压裂前后试件（19）的渗透性进行对比分析。

7.权利要求1所述一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置的试验方法，其特征在于采用上述一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置，可模拟矿物埋藏深度达2000m的最高温度达400℃的地质环境条件，该方法首先要求对试件（19）进行加工钻孔（17），进行封孔处理并与多孔板槽（12）用耐高温密封胶（13）密封后置于压力室中，进行三轴压力加载至设定应力值，开启声发射监测系统（7），设定加热温度，开启加热棒（22）对试件（19）进行加热，通过控温温度传感器控制温度，当温度达到设定值并稳定30分钟后，开启压裂系统进行压裂试验，压裂过程中通过声发射监测系统（7）、压力-变形测试系统（8）及数据采集和自动化控制系统（9）全程监测采集应力、应变、裂纹的起裂和扩展演化参数，压裂试验结束后，开启渗流系统（4），对压裂后的试件（19）进行渗透性试验，对压裂后的试件（19）进行压裂效果分析，重复上述步骤即可进行不同条件下的煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验，其具体实施的步骤为：

步骤一：实验前，对100×100×100mm或300×300×300mm的试件（19）加工钻取Φ10～Φ20mm和深度70～250mm的中心孔（17），该孔用于插入压裂管柱（21）模拟井筒，并对插入管柱的中心孔（17）进行封孔；

步骤二：将试件（19）与多孔板槽（12）一起用耐超高温密封胶（13）进行密封，并与传压板（14）夹装送入压力室；

步骤三：连通各监测装置，进行真三轴伺服加载；

步骤四：开启声发射监测系统（7），准备实时监测、采集、处理数据；

步骤五：开启循环冷却系统（5）；

步骤六：启动温度加载控制系统（6），设定加热温度为0～400℃，加温至设定温度，恒温保持30分钟；

步骤七：开启水力压裂系统（2），进行压裂试验，并全程监测采集应力、应变、裂纹的起裂和扩展演化参数；

步骤八：开启渗透系统（4），对压裂后的试件（19）进行渗透性测定，分析评估压裂效果，至此本次高温真三轴压裂渗流试验完成。