CN105510142B - 一种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置与试验方法 - Google Patents

一种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置与试验方法 Download PDF

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CN105510142B
CN105510142B CN201610025775.3A CN201610025775A CN105510142B CN 105510142 B CN105510142 B CN 105510142B CN 201610025775 A CN201610025775 A CN 201610025775A CN 105510142 B CN105510142 B CN 105510142B
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梁卫国
杨健锋
武鹏飞
黎力
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太原理工大学
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/08Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
    • G01N3/10Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces generated by pneumatic or hydraulic pressure
    • G01N3/12Pressure testing

Abstract

一种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置与试验方法,属于岩石及岩体力学与工程技术领域范畴,其特征在于本发明的装置由三轴应力实时加载系统、多相不同流体压裂系统、密封系统、温度控制系统、声发射监测系统及数据采集系统六大系统组成,可对煤岩试件进行不同流体及其多相态下的压裂实验比较,还可实现多条件下对影响煤岩试件致裂的流体增压速率、流体粘度、流体等温压缩系数、流体温度等参数的敏感性进行分析,在压裂实验过程中,能够精确的记录压裂介质的压力及温度的变化规律,通过装配的微型声发射传感器能够实时记录试件压裂过程中的声发射事件,还可对煤岩试件进行压裂前后多相流体的渗流实验等。

Description

一种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置与试验方法
技术领域:
[0001]本发明一种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置与试验方法,属于岩石及岩体力 学与工程技术领域范畴。通过对煤岩试件多相态不同压裂介质条件下的压裂试验以进行多 相不同流体对其压裂效果的对比分析,同时可研宄多种压裂参数,如压裂介质增压速率、压 裂介质的粘度、等温压缩系数及压裂介质温度等对试件压裂效果的影响,以深入研宄压裂 机理,探究影响压裂效果的主要因素,为压裂开采提供理论依据。
背景技术:
[0002]在经济迅速发展的今天,煤层气、页岩气等非常规天然气作为常规能源的有效补 充能源,表现出巨大的资源潜能,且我国该类型资源十分丰富,发展前景广阔;开发该类型 资源过程中,压裂技术是提高煤岩渗透性及油气产出率的有效途径;涉及到各种压裂介质 或各种相态介质的压裂装置的中国发明专利主要有:安徽理工大学的“一种柱状煤体三向 应力下水力压裂实验装置及方法”(CN 104832148 A)、重庆地质矿产研究院的“一种脉冲水 力压裂改造页岩气储层的实验装置及方法”(CN 103196762 A)、西安科技大学的“煤层液态 二氧化碳压裂装置及方法”(CN 104632174 A)、重庆大学的“超临界二氧化碳压裂方法及系 统”(CN 103244095 A)、中国石油大学(北京)的“超临界二氧化碳磨料射流射孔模拟实验系 统”(CN 103742075 A)、重庆大学的“储层渗透介质多相流体压裂-渗流气液分离式实验系 统”(CN 104132881 A)等;通过压裂介质对非常规天然气储层进行压裂达到增产目的的技 术可统称为注能压裂技术,而压裂介质可包括不同物质及其多种相态,但目前缺乏较为系 统的科学研宄,相关压裂机理并不完善,并且相关方面系统的比较实验研宄不够充分或只 是停留在理论层次的数值仿真模拟,对多相态不同流体及其多种条件下的压裂试验研宄不 够系统,缺少一种实现模拟地层应力温度下的多相态不同压裂介质多条件实验装置,其中 不同介质多相态压裂实验可包括:多种气体压裂、高温高压蒸汽压裂、水力压裂、超临界态 压裂等。
[0003] 现有的实验装置主要存在以下不足:1)进行的压裂实验装置多数只能进行单一水 相或单一气体的压裂实验,不能满足多相态不同流体及其多条件下对煤岩试件压裂比较实 验研宄;2)进行的压裂实验所考虑影响压裂效果的因素很不充分,尤其气相及超临界相态 介质条件下的压裂试验没有深入分析诸如压裂流体加压速率、压裂流体粘度、压裂流体等 温增压系数等参数对压裂效果的影响;3)进行的压裂实验过程中对于起裂前后压裂介质温 度及压力、煤岩试件的轴向即径向应变状况、压裂过程中的声发射事件等缺乏精确度高的 记录。
[0004]因此、研制一种科学、高效、可靠、精准的煤岩多相不同流体及其多条件下压裂试 验装置,比较多相态不同流体及其多种条件下对煤岩试件压裂效果,对压裂技术的应用及 推广具有重要意义。
发明内容:
[0005]本发明一种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置与试验方法,目的在于克服传统 试验中压裂介质条件单一难以进行压裂效果比较的缺陷与不足,根据煤岩体在多相态不同 压裂介质及其多种试验条件下的破坏特性的不同,公开一种能够真正意义上实现多相流体 压裂介质及其多条件下对一定地下深度及温度矿物煤岩体的直观、高效、可靠的三轴压裂 试验装置与试验方法。
[0006] —种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置,其特征在于是一种可模拟多相态不同 压裂介质及其多种试验条件下煤岩试件的压裂的试验装置,该装置由三轴应力实时加载系 统、多相不同流体压裂系统、密封系统、温度控制系统、声发射监测系统及数据采集系统六 大系统组成,其所述的三轴应力实时加载系统是指三轴压力室,三轴压力室端部设置有轴 向压力室,轴向压力室中设置有传压柱,在传压柱端部设置有可替换式上压头12,上压头12 中部设置有压裂管11,压裂管11直接与含中心孔的煤岩试件19密封连接,三轴压力室内底 部设置有下压头15,下压头15中部设置有排液口,三轴压力室外部设置有加压柱塞泵24,力口 压柱塞栗24外部管线上设置有径向压力传感器25与轴向压力传感器26,加压柱塞栗24将液 压油经径向压力传感器25及轴向压力传感器26进行压力控制调节后,由轴向压力室上设置 的轴向进油口 17压入轴向压力室,通过所述的传压柱与上压头12对煤岩试件19传递轴向压 力,由三轴压力室上设置的径向进油口21压入径向压力室直接对密封的煤岩试件19实施径 向压力,轴向压力室外部还设置有轴向位移传感器16,对煤岩试件19进行轴向位移监测,煤 岩试件19中部设置有链式径向位移传感器14,对试件进行径向位移监测;所述的多相不同 流体压裂系统包括气相压裂系统、液相压裂系统和超临界态压裂系统,其中气相压裂系统 包括C02储气罐1、N2储气罐2和其它气体储气罐3,所述的各种储气罐通过压力控制阀依次与 设置的制冷器5、压裂介质储罐6与增温增压集成装置7进行连接,制冷器5与增温增压集成 装置7中的增温部分对压裂气体进行温度调节,通过增温增压集成装置7中的增压部分提高 气体压力后,直接与压裂管11连接,对与压裂管11密封连接的煤岩试件19进行气相压裂,压 裂管11设置有直接与其相连的压裂介质压力传感器9与伸入其内部的热电偶18,对压裂过 程中的流体压力及温度进行精确监测;其中液相压裂系统是指储液罐4,储液罐4通过压力 控制阀依次与设置的制冷器5、压裂介质储罐6和增温增压集成装置7进行连接,其实验过程 及装置连接方式与上述气相压裂过程一致;超临界态压裂系统是指超临界态C02储气罐1, C02储气罐通过压力控制阀依次与设置的制冷器5、压裂介质储罐6和增温增压集成装置7进 行连接,打开C02储气罐1,C〇2流经所述的增温增压集成装置7中的增压部分将C02气体压力 提高至大于7.38MPa,经所述的增温增压集成装置7中的增温部分将C02气体温度提高至大 于31. rc,由此产生高压超临界C〇2经与所述的增温增压集成装置7相连的压裂管11对煤岩 试件19进行压裂,压裂管11设置有直接与其相连的压裂介质压力传感器9与伸入其内部的 热电偶18对压裂过程中的流体压力及温度进行精确监测;所述的密封系统是指耐高温密封 胶27,利用所述的高温密封胶27将所述的压裂管11中上部分与煤岩试件19预留压裂口进行 密封,将上述密封后的试件19的上、下端面与所述的上压头12及下压头15对齐,利用电工胶 带自下而上螺旋式的将煤岩试件19的上压头12及下压头15固定,将与所述上压头12及下压 头15固定的试件19套入热缩套管13,在所述的热缩套管13的上下端部用金属箍10固定,再 将该密封整体置于所述的三轴压力室内与液压油隔绝;所述的温度控制系统包括制冷装置 5、增温增压集成装置7和加热保温套22,多相不同压裂介质经过依次与储罐相连的制冷装 置5进行低温控制及增温增压集成装置7中的增温部分进行加热控制,三轴压力室周围设置 有加热保温套22,通过加热保温套22对三轴压力室进行加热,通过三轴压力室内高温液压 油将温度传递给煤岩试件19进行模拟地层温度控制;所述的声发射监测系统,包括声发射 传感器20和声发射处理装置,压裂实验前,将所述的声发射传感器20分别与煤岩试件丨9的 上、下端面粘结,置于所述的上压头12及下压头15上预留的声发射传感器布置孔中,利用声 发射仪监测煤岩试件I9的声发射变化,并进行三维声发射定位,用来监测煤岩试件19内部 裂纹的起裂和扩展演化参数;所述的数据采集系统,是将压裂介质压力传感器9通过数据线 与计算机29联接,以实时显示试验过程中压裂介质压力的变化,所述的热电偶18通过数据 线与所述的计算机29联接,以实时显示实验过程中压裂介质温度的变化,所述的径向位移 传感器14及轴向位移传感器16通过数据线与所述的计算机29联接,以实时显示实验过程中 煤岩试件I9的径向及轴向应变,所述的径向压力传感器25及轴向压力传感器26通过数据线 与所述的计算机29联接,以实时显示控制径向及轴向压力,将流量计28通过数据线与所述 的计算机29联接,以实时记录实验过程中压裂流体的排出量,在上述实时采集数据过程的 同时还可生成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。
[0007]上述一种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置,其特征在于,可通过增温增压集 成装置7中的加压部分改变压裂介质的增压速率,以研宄增压速率对同种流体压裂煤岩试 件的压裂效果的影响,及进行多相态不同流体对增压速率这一压裂参数的敏感性分析,此 基础上,替换上压头12处压裂管线更替为射流碰嘴,通过加压系统控制压裂介质在高压力 与大流量下实现对含中心孔煤岩试件19的多相不同流体射流压裂,以比较多相态不同流体 对煤岩试件的射流压裂效果。
[0008] 上述一种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置,其特征在于,通过增温增压集成 装置7对气态流体与超临界态流体等压裂介质进行压力与温度控制,改变其流体粘度与等 温压缩系数,以研宄流体粘度、等温压缩系数等参数对同种流体压裂煤岩试件压裂效果的 影响,及多相态不同流体对流体粘度与等温压缩系数等压裂参数的敏感性分析。
[0009] 上述一种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置,其特征在于,开启不同气体储气 罐,将气体按照要求的体积比例在压裂介质储罐6中后混合对煤岩试件19进行压裂,以研究 按照一定比例的不同混合气体对煤岩试件压裂效果的影响。
[0010] 上述一种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置,其特征在于,压裂管11处设有压 力传感器9直接与压裂管联通,同时压裂管11内部安置热电偶18,可精确的记录压裂过程中 压裂管11及煤岩试件19压裂孔中压力及温度变化,以研宄分析多相态不同流体对煤岩试件 压裂前后温度及压力变化特征。
[0011] 上述一种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置,其特征在于,通过三轴伺服控制 加载系统及加热保温套22实现对深部岩层压力及温度条件的模拟,当达到C02超临界态的 压力及温度条件时,分别用常规气态C〇2、液态C〇2及超临界态C〇2对煤岩试件进行压裂实验, 以研宄压裂流体在压裂过程中发生相态转变对压裂效果的影响。
[0012] 上述一种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置,其特征在于,加热保温套22实现 了对深部岩层较高温度条件的模拟,通过制冷器5对多相态不同流体压裂介质进行低温控 制,以研究流体介质低温条件下对处于较高温度条件下的煤岩试件压裂效果的影响,及通 过制冷器5及增温增压集成装置7中增温系统研宄多相态不同流体对流体温度这一压裂参 数的敏感性分析。
[0013]上述一种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置,其特征在于,将某一地层压力及 温度条件下的煤岩试件19完全浸入超临界C02中,12小时后通过三轴伺服控制实时加载系 统可研究超临界C02浸泡条件下的煤岩力学特性,及研宄原煤试件驱替后的岩石力学特性。 [0014]上述一种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置的试验方法,其特征在于可进行不 同气体、不同液体、超临界态C〇2及其在多种条件下对煤岩试件进行压裂的比较试验,首先 要求对煤岩试件19进行钻孔加工,并与压裂管11用耐高温密封胶27进行封孔处理,用热缩 套管13进行整体密封后置于三轴压力室中,通过三轴应力实时加载系统将轴向、径向压力 加载至设定应力值,开启声发射监测系统,开启加热保温套22设定加热温度对煤岩试件19 进行加热,当温度达到设定值后稳定30分钟,根据要求对煤岩试件19进行不同气体、不同液 体、超临界态C02及其多条件下的压裂,该过程通过多向高压控制阀进行切换,压裂过程中 通过声发射监测系统、及数据采集系统监测采集压裂介质的温度、流量、压力与试件应力、 应变、裂纹的起裂和扩展演化等参数,其具体实施步骤为:
[0015] (1)将从现场取得的砂岩、泥岩或原煤的岩块或煤块用高精度数控线切割设备进 行煤岩试件加工,得到® 50 X 100mm或O 75 X 150mm的原岩试样,利用高精度钻床台钻在烘 干后的试件端面进行钻孔,孔径为〇 10圓或①15mm,孔深为50mm或75mm,重复以上步骤,制 备多组煤岩试件;
[0016] (2)将压裂管11中上部用高温密封胶与煤岩试件19所含的中心孔密封,将上下四 组声发射传感器与煤岩试件19粘连后固定置于上压头12、下压头15所预留的声发射孔中, 使试件各面与相应压头各面对齐,用电工胶带从下至上以螺旋缠绕方式将煤岩试件19与下 压头15、上压头12固定,使其超出试件上下端头20mm左右,将热缩套管13套于煤岩试件19 上,用电吹风将热缩管13均匀吹紧使其与试件密实接触,用两个金属箍10分别紧紧箍住热 缩管与上压头12压杆、下压头15的重合部分,最后将链式径向位移传感器14安装于试件的 中部位置,连接好数据传输接线;
[0017] (3)开启数据采集系统,按照要求通过三轴伺服实时加载系统使煤岩试件19达到 所需应力条件,首先通过加压柱塞栗24对煤岩试件施加轴向压力,达到一定压力后通过加 压柱塞栗24对试件施加径向压力,以此方式交替进行加载达到规定模拟地应力值,此过程 通过径向压力传感器25与轴向压力传感器26实时采集压力值;
[0018] (4)试件压裂前按照要求先对煤岩试件19进行多相不同流体渗流实验,开启储气 罐或储液罐,通过增温增压集成系统7中的加压部分,对所要求渗流介质施加一定渗透压 力,通过压裂管11到达煤岩试件19,渗出流体通过下压头15流体通道排出进入流量计28进 行计量;
[0019] (5)按要求进行多相不同流体及其多条件下的压裂试验,首先开启声发射系统,打 开储气罐或储液罐,通过增温增压集成装置7中的加压部分提高压裂介质压力,通过增温增 压集成装置7中的增温部分进行温度控制,同时可进行研宄不同温度、不同加压速率、不同 粘度、不同等温压缩系数等条件下对压裂效果的影响,通过直接与压裂管11联通的压裂介 质压力传感器9及置于压裂管中的热电偶18精确记录对煤岩试件水力压裂前后流体压力及 温度的变化,该过程通过数据采集系统,对水力压裂中的声发射试事件、起裂时间、起裂压 力及温度变化等进行实时记录,以进行多相不同流体及其多条件下的压裂效果特性比较分 析;
[0020] (6)试件压裂后按照要求对煤岩试件19压裂后进行多相不同流体渗流实验,开启 储气罐或储液罐,通过增温增压集成系统7中的加压部分,对所要求渗流介质施加一定压 力,通过压裂管11到压裂后的试件,渗出流体通过下压头15流体通道排出进入流量计28进 行计量,以分析比较煤岩试件19压裂前后渗流特性;
[0021] (7)通过数据采集系统,实时记录分析对煤岩试件19进行的多相不同流体及多条 件下压裂过程中压裂介质流速、压力、温度及试件起裂时间、起裂时间、轴向应变、径向应变 及其压裂前后渗流量等,通过数据的比较分析,以进行多相不同流体及其多条件下对煤岩 试件19压裂效果研究比较,本次多相不同流体及其多条件下压裂比较试验完成。
[0022]本发明一种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置与试验方法,优点在于:(1)由于 设计了多相不同流体系统,克服了传统试验压裂介质条件单一难以进行比较的缺陷与不 足;(2)由于设计了增压系统,通过调节增温增压集成装置7中的增压部分,可实现研宄多相 态不同流体的增压速率因素对煤岩试件压裂效果的影响;(3)由于设计了控温控压系统,通 过调节增温增压装置7控制压裂介质的温度及压力,可实现研宄多相态不同流体的粘度及 等温压缩系数等因素对煤岩试件压裂效果的影响;(4)可通过多相压力阀及流量计控制不 同气体按照一定比例混合,可实现研宄不同压裂流体混合状态下对煤岩试件的压裂效果影 响;(5)由于设计了与压裂管11直接连通的压裂介质压力传感器9,及置于压裂管中的热电 偶18,可精确的记录分析压裂前后压裂介质温度及压力的变化情况;03)由于设计了温控系 统,通过调节制冷器5,可实现对二氧化碳液化对煤岩试件进行压裂,还可实现研究压裂介 质在较低温度下对模拟较高地层温度的煤岩试件压裂效果的影响;(7)三轴应力应变测试 系统,可实现对超临界C〇2浸泡后及⑶2驱替煤体前后的煤岩试件力学特性測H式。
附图说明:
[0023] 图1:三轴伺服控制系统正视示意图
[0024] 图2:试件密封单元正视图
[0025] 图3:煤岩多相不同流体及其多条件下压裂装置示意图
[0026] 图中标号:
[0027] 1——C02储气罐;2——N2储气罐;3——其他气体储气罐;4--储液罐;5 制冷 器;6——压裂介质储罐;7——增温增压集成装置;8——轴向排油口;9--压裂介^压力 传感器;10——金属箍;11——压裂管;12——上压头;13—一热缩套管;14 径向位移传 感器;15——下压头;16——轴向变形传感器;17——轴向进油P,18--热电^; 19:一煤 岩试件;20——声发射传感器;21——径向进油口;22——加热保温套;23]^ 一径向油口; 24一一柱塞栗;25—一径向压力传感器;26—一轴向压力传感器;27—一高温密封胶28—一 流量计;29--计算机。
具体实施方式: _
[0028] 实施方式1:以①75 X 150mm煤岩试件为例,进行增压速率对⑶2气体压裂、⑶2液体 压裂、超临界C〇2压裂及水力压裂的比较研宄试验;具体实验步骤如下:
[0029] 步骤一,用高精度数控线切割设备进行煤岩试件加工,得到①7f5 X 150mm的原煤岩 试样,利用高精度钻床台钻在烘干后的试件端面进行钻孔,孔径为〇15_,孔深为75_;
[0030] 步骤二,将压裂管11中上部用高温密封胶与煤岩试件19所含的中心孔密封,将上 下四组声发射传感器20与煤岩试件19粘连后固定置于上压头12、下压头15所预留的声发射 孔中,使试件各面与相应压头各面对齐,用电工胶带从下至上以螺旋缠绕方式将煤岩试件 19与下压头15、上压头12固定,使其超出试件上下端头20mm左右,将热缩套管13套于煤岩试 件19上,用电吹风将热缩管13均匀吹紧使其与试件密实接触,用两个金属箍1〇分别紧紧箍 住热缩管与上压头12压杆、下压头15的重合部分,最后将链式径向位移传感器14安装于试 件的中部位置,连接好数据传输接线;
[0031] 步骤三,按照要求通过三轴应力实时加载系统使煤岩试件19达到所需应力条件, 通过加热保温套22对三轴压裂室加热到指定温度并保温30分钟,对试件进行温度模拟;
[0032] 步骤四,开启声发射系统,打开储水罐4,通过增温增压集成装置7中的加压部分, 分别将流速控制在30ml/min、50ml/min、100ml/min对多组试件进行水力压裂,该过程通过 数据采集系统,对水力压裂中的声发射试事件、起裂时间、起裂压力及温度变化等进行实时 记录,以进行水力压裂特性分析;
[0033] 步骤五,重复步骤一至步骤三,开启声发射系统,打开C〇2储气罐1,通过增温增压 集成装置7中的加压部分,分别将流速控制在30ml/min、50ml/min、100ml/min对多组试件进 行(:02气体压裂,该过程通过数据采集系统,对C02气体压裂中的声发射事件、起裂时间、起裂 压力及温度变化等进行实时记录,以进行C〇2气体特性分析;
[0034] 步骤六,重复步骤一至步骤三,打开C02储气罐1,通过制冷器5将C02液化储存在压 裂液储罐6中,通过增温增压集成装置7中的加压部分,分别将流速控制在30ml/min、50ml/ min、100ml/min对多组试件进行C〇2液体压裂,该过程通过数据采集系统,对C02液体压裂中 的声发射事件、起裂时间、起裂压力及温度变化等进行实时记录,以进行C〇2液体压裂特性 分析;
[0035] 步骤七,重复步骤一至步骤三,开启声发射系统,打开⑶2储气罐1,通过制冷器5将 C02液化储存在压裂液储罐6中,通过增温增压集成装置7中的加压系统将流体介质压力增 至大于7.38MPa,通过增温增压集成装置7中的增温系统将管线温度加热保持在大于31. TC 形成超临界C02,分别将流速控制在30ml/min、50ml/min、100ml/min对多组试件进行超临界 C02压裂,该过程通过数据采集系统,对超临界C02压裂中的声发射事件、起裂时间、起裂压力 及温度变化等进行实时记录,以进行超临界(》2压裂特性分析;
[0036] 步骤八,通过数据采集系统,实时记录分析对煤岩试件19进行的0)2气体压裂、液 态C02压裂、超临界态《)2压裂与水力压裂过程中压裂介质流速、压力、温度及试件起裂时间、 起裂时间、轴向应变、径向应变及其压裂前后渗流量等,通过数据的比较分析,以进行不同 增压速率对C02气体压裂、液态C02压裂、超临界态C〇2压裂与水力压裂效果的研宄比较,至此 本次增压速率对压裂效果的比较试验完成。
[0037]实施方式2:以〇75X 150_煤岩试件为例,进行不同粘度对超临界态C02压裂效果 的研究比较,具体研究步骤为:重复实施方式1中的实验步骤一、二、三、七、八,在步骤七处, 通过增温增压集成装置7调节超临界态C02压裂介质的压力及温度以改变其粘度,以此进行 粘度对超临界态C02压裂效果的研究比较试验。
[0038]实施方式3:以①75〆l5〇mm煤岩试件为例,进行不同温度对C〇2气体压裂、液态c〇2 压裂、超临界态C02压裂与水力压裂等压裂效果的研宄比较,具体实验步骤为:重复实^方 式1中的全部实验步骤,将其中流速控制在30ml/min、5〇ml/min、100ml/min的条件变为通过 制冷器5及增温增压集成装置7中加热部分来调控压裂介质温度,以此进行介质温度对超临 界态C〇2压裂效果的研宄比较试验。
[0039]综上所述,本发明主要用于煤岩试件进行多相态不同流体及其多条件下的压裂比 较试验。
[0040]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 (9)

1.一种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置,其特征在于是一种可模拟多相态不同压 裂介质及其多种试验条件下煤岩试件的压裂的试验装置,该装置由三轴应力实时加载系 统、多相不同流体压裂系统、密封系统、温度控制系统、声发射监测系统及数据采集系统六 大系统组成,其所述的三轴应力实时加载系统是指三轴压力室,三轴压力室端部设置有轴 向压力室,轴向压力室中设置有传压柱,在传压柱端部设置有可替换式上压头(12),上压头 (12)中部设置有压裂管(11),压裂管(丨丨)直接与含中心孔的煤岩试件(19)密封连接,三轴 压力室内底部设置有下压头(15),下压头(15)中部设置有排液口,三轴压力室外部设置有 加压柱塞栗(24),加压柱塞泵(24)外部管线上设置有径向压力传感器(25)与轴向压力传感 器(26),加压柱塞栗(24)将液压油经径向压力传感器(25)及轴向压力传感器(26)进行压力 控制调节后,由轴向压力室上设置的轴向进油口(17)压入轴向压力室,通过所述的传压柱 与上压头(12)对煤岩试件(19)传递轴向压力,由三轴压力室上设置的径向进油口(21)压入 径向压力室直接对密封的煤岩试件(19)实施径向压力,轴向压力室外部还设置有轴向位移 传感器(16),对煤岩试件(19)进行轴向位移监测,煤岩试件(19)中部设置有链式径向位移 传感器(14),对试件进行径向位移监测;所述的多相不同流体压裂系统包括气相压裂系统、 液相压裂系统和超临界态压裂系统,其中气相压裂系统包括C02储气罐(1)、N2储气罐(2)和 其它气体储气罐(3),所述的各种储气罐通过压力控制阀依次与设置的制冷器(5)、压裂介 质储罐(6)与增温增压集成装置(7)进行连接,制冷器(5)与增温增压集成装置(7)中的增温 部分对压裂气体进行温度调节,通过增温增压集成装置(7)中的增压部分提高气体压力后, 直接与压裂管(11)连接,对与压裂管(11)密封连接的煤岩试件(19)进行气相压裂,压裂管 (11)设置有直接与其相连的压裂介质压力传感器(9)与伸入其内部的热电偶(18),对压裂 过程中的流体压力及温度进行精确监测;其中液相压裂系统是指储液罐(4),储液罐(4)通 过压力控制阀依次与设置的制冷器(5)、压裂介质储罐(6)和增温增压集成装置(7)进行连 接,其实验过程及装置连接方式与上述气相压裂过程一致;超临界态压裂系统是指超临界 态co2储气罐a),ro2储气罐(1)通过压力控制阀依次与设置的制冷器(5)、压裂介质储罐(6) 和增温增压集成装置(7)进行连接,打开⑶2储气罐(1),C02流经所述的增温增压集成装置 (7)中的增压部分将C02气体压力提高至大于7.38MPa,经所述的增温增压集成装置(7)中的 增温部分将C02气体温度提高至大于31. TC,由此产生高压超临界C02经与所述的增温增压 集成装置(7)相连的压裂管(11)对煤岩试件(19)进行压裂,压裂管(11)设置有直接与其相 连的压裂介质压力传感器(9)与伸入其内部的热电偶(18)对压裂过程中的流体压力及温度 进行精确监测;所述的密封系统是指耐高温密封胶(27),利用所述的高温密封胶(2)将所述 的压裂管(11)中上部分与煤岩试件(19)预留压裂口进行密封,将上述密封后的煤岩试件 (19)的上、下端面与所述的上压头(12)及下压头(15)对齐,利用电工胶带自下而上螺旋式 的将煤岩试件(19)的上压头(12)及下压头(15)固定,将与所述上压头(12)及下压头(15)固 定的试件(19)套入热缩套管(13),在所述的热缩套管(13)的上下端部用金属箍(10)固定, 再将该密封整体置于所述的三轴压力室内与液压油隔绝;所述的温度控制系统包括制冷装 置(5)、增温增压集成装置(7)和加热保温套(22),多相不同压裂介质经过依次与储罐相连 的制冷装置(5)进行低温控制及增温增压集成装置(7)中的增温部分进行加热控制,三轴压 力室周围设置有加热保温套(22),通过加热保温套(22)对三轴压力室进行加热,通过三轴 压力室内高温液压油将温度传递给煤岩试件(19)进行模拟地层温度控制;所述的声发射监 测系统,包括声发射传感器(20)和声发射处理装置,压裂实验前,将所述的声发射传感器 (20)分别与煤岩试件(19)的上、下端面粘结,置于上压头(12)及下压头(15)上预留的声发 射传感器布置孔中,利用声发射仪监测煤岩试件(19)的声发射变化,并进行三维声发射定 位,用来监测煤岩试件(19)内部裂纹的起裂和扩展演化参数;所述的数据采集系统,是将压 裂介质压力传感器(9)通过数据线与计算机(29)联接,以实时显示试验过程中压裂介质压 力的变化,所述的热电偶(18)通过数据线与所述的计算机(29)联接,以实时显示实验过程 中压裂介质温度的变化,所述的径向位移传感器(14)及轴向位移传感器(16)通过数据线与 所述的计算机(29)联接,以实时显示实验过程中煤岩试件(19)的径向及轴向应变,所述的 径向压力传感器(25)及轴向压力传感器(26)通过数据线与所述的计算机(29)联接,以实时 显示控制径向及轴向压力,将流量计(28)通过数据线与所述的计算机(29)联接,以实时记 录实验过程中压裂流体的排出量,在上述实时采集数据过程的同时还可生成压力加载过程 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. 根据权利要求1所述的一种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置,其特征在于所述 的增温增压集成装置(7)中的加压部分改变压裂介质的增压速率,以研究增压速率对同种 流体压裂煤岩试件的压裂效果的影响,及进行多相态不同流体对增压速率这一压裂参数的 敏感性分析的基础上,替换上压头(12)处压裂管线更替为射流碰嘴,通过加压系统控制压 裂介质在高压力与大流量下实现对含中心孔煤岩试件(19)的多相不同流体射流压裂,以比 较多相态不同流体对煤岩试件的射流压裂效果。
3. 根据权利要求1所述的一种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置,其特征在于所述 的增温增压集成装置(7)对气态流体与超临界态流体等压裂介质进行压力与温度控制,改 变其流体粘度与等温压缩系数,以研究流体粘度或等温压缩系数参数对同种流体压裂煤岩 试件压裂效果的影响及多相态不同流体对流体粘度与等温压缩系数压裂参数的敏感性分 析。
4. 根据权利要求1所述的一种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置,其特征在于,开启 不同气体储气罐,将气体按照要求的体积比例在压裂介质储罐(6)中后混合对煤岩试件 (19)进行压裂,以研究按照不同比例的不同混合气体对煤岩试件压裂效果的影响。
5. 根据权利要求1所述的一种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置,其特征在于所述 的压裂管(11)处设有压裂介质压力传感器(9)直接与压裂管联通,同时压裂管(11)内部安 置热电偶(18)精确的记录压裂过程中压裂管(11)及煤岩试件(19)压裂孔中压力及温度变 化,以研究分析多相态不同流体对煤岩试件压裂前后温度及压力变化特征。
6. 根据权利要求1所述的一种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置,其特征在于,通过 三轴伺服控制加载系统及加热保温套(22)实现对深部岩层压力及温度条件的模拟,当达到 C〇2超临界态的压力及温度条件时,分别用常规气态C〇2、液态C02及超临界态C02对煤岩试件 进行压裂实验,以研宄压裂流体在压裂过程中发生相态转变对压裂效果的影响。
7. 根据权利要求1所述的一种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置,其特征在于,加热 保温套(22)实现了对深部岩层较高温度条件的模拟,通过制冷器(5)对多相态不同流体压 裂介质进行低温控制,以研究流体介质低温条件下对处于较高温度条件下的煤岩试件压裂 效果的影响,及通过制冷器(5)及增温增压集成装置(7)中增温系统研究多相态不同流体对 流体温度这一压裂参数的敏感性分析。
8. 根据权利要求1所述的一种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置,其特征在于,将某 一地层压力及温度条件下的煤岩试件(19)完全浸入超临界C02中,12小时后通过三轴伺服 控制实时加载系统可研究超临界C02浸泡条件下的煤岩力学特性,及研究原煤试件驱替后 的岩石力学特性。
9. 根据权利要求1所述的一种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置的试验方法,其特 征在于可进行不同气体、不同液体、超临界态C02及其在多种条件下对煤岩试件进行压裂的 比较试验,首先要求对煤岩试件(19)进行钻孔加工,并与压裂管(11)用耐高温密封胶(27) 进行封孔处理,用热缩套管(13)进行整体密封后置于三轴压力室中,通过三轴应力实时加 载系统将轴向、径向压力加载至设定应力值,开启声发射监测系统,开启加热保温套(22)设 定加热温度对煤岩试件(19)进行加热,当温度达到设定值后稳定30分钟,根据要求对煤岩 试件(19)进行不同气体、不同液体、超临界态C02及其多条件下的压裂,该过程通过多向高 压控制阀进行切换,压裂过程中通过声发射监测系统、及数据采集系统监测采集压裂介质 的温度、流量、压力与试件应力、应变、裂纹的起裂和扩展演化等参数,其具体实施步骤为: 1) 将从现场取得的砂岩、泥岩或原煤的岩块或煤块用高精度数控线切割设备进行煤岩 试件加工,得到①50 X 100mm或®75 X 150mm的原岩试样,利用高精度钻床台钻在烘千后的 试件端面进行钻孔,孔径为①l〇mm或O 15mm,孔深为50mm或75mm,重复以上步骤,制备多组 煤岩试件; 2) 将压裂管(11)中上部用高温密封胶与煤岩试件(19)所含的中心孔密封,将上下四组 声发射传感器与煤岩试件(19)粘连后固定置于上压头(12)、下压头(15)所预留的声发射孔 中,使试件各面与相应压头各面对齐,用电工胶带从下至上以螺旋缠绕方式将煤岩试件 (19)与下压头(15)、上压头(12)固定,使其超出试件上下端头20圓左右,将热缩套管(13)套 于煤岩试件(19)上,用电吹风将热缩管(13)均匀吹紧使其与试件密实接触,用两个金属箍 (10)分别箍住热缩管与上压头(12)及下压头(15)的重合部分,最后将链式径向位移传感器 (14)安装于试件的中部位置,连接好数据传输接线; 3) 开启数据采集系统,按照要求通过三轴伺服实时加载系统使煤岩试件(19)达到所需 应力条件,首先通过加压柱塞栗(24)对煤岩试件施加轴向压力,达到压力后通过加压柱塞 泵(24)对试件施加径向压力,以此方式交替进行加载达到规定模拟地应力值,此过程通过 径向压力传感器(25)与轴向压力传感器(26)实时采集压力值; 4) 试件压裂前按照要求先对煤岩试件(19)进行多相不同流体渗流实验,开启储气罐或 储液罐,通过增温增压集成系统(7)中的加压部分,对所要求渗流介质施加渗透压力,通过 压裂管(11)到达煤岩试件(19),渗出流体通过下压头(15)流体通道排出进入流量计(28)进 行计量; 5) 按要求进行多相不同流体及其多条件下的压裂试验,首先开启声发射系统,打开储 气罐或储液罐,通过增温增压集成装置(7)中的加压部分提高压裂介质压力,通过增温增压 集成装置(7)中的增温部分进行温度控制,同时可进行研宄不同温度、不同加压速率、不同 粘度、不同等温压缩系数等条件下对压裂效果的影响,通过直接与压裂管(11)联通的压裂 介质压力传感器(9)及置于压裂管中的热电偶(18)精确记录对煤岩试件水力压裂前后流体 压力及温度的变化,该过程通过数据采集系统,对水力压裂中的声发射试事件、起裂时间、 起裂压力及温度变化等进行实时记录,以进行多相不同流体及其多条件下的压裂效果特性 比较分析; 6) 试件压裂后按照要求对煤岩试件(19)压裂后进行多相不同流体渗流实验,开启储气 罐或储液罐,通过增温增压集成系统(7)中的加压部分,对所要求渗流介质施加一定压力, 通过压裂管(11)到压裂后的试件,渗出流体通过下压头(15)流体通道排出进入流量计(28) 进行计量,以分析比较煤岩试件(19)压裂前后渗流特性; 7) 通过数据采集系统,实时记录分析对煤岩试件(19)进行的多相不同流体及多条件下 压裂过程中压裂介质流速、压力、温度及试件起裂时间、起裂时间、轴向应变、径向应变及其 压裂前后渗流量等,通过数据的比较分析,以进行多相不同流体及其多条件下对煤岩试件 (19)压裂效果研宄比较,本次多相不同流体及其多条件下压裂比较试验完成。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110308259A (zh) * 2019-07-02 2019-10-08 中国矿业大学 一种多场耦合压裂-驱替协同强化瓦斯抽采试验装置

Families Citing this family (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107436262A (zh) * 2016-05-26 2017-12-05 中国石油大学(北京) 围压下低温液氮压裂实验系统
CN106525687B (zh) * 2016-10-28 2020-06-23 武汉大学 一种超临界二氧化碳浸泡页岩实验装置
CN108240942A (zh) * 2016-12-26 2018-07-03 中国科学院地质与地球物理研究所 一种岩石压裂实验系统及实验方法
CN106680106B (zh) * 2017-01-06 2019-04-30 中国石油大学(华东) 地层条件下泥岩、钻井液相互作用模拟实验装置及方法
CN106959246B (zh) * 2017-02-17 2019-06-18 中国石油大学(华东) 一种液氮无水压裂模拟实验装置
CN107036882A (zh) * 2017-03-29 2017-08-11 东北大学 一种静水压力加载试验用小尺寸柱状岩样密封装置及方法
CN106950115B (zh) * 2017-04-26 2019-10-29 成都理工大学 轴向应力独立加载的全直径岩心水压致裂超声波检测方法
CN107246998A (zh) * 2017-07-19 2017-10-13 中国石油大学(北京) 一种孔隙压力饱和下的超临界二氧化碳岩心压裂夹持器
CN107449879B (zh) * 2017-07-25 2019-07-16 中国海洋石油总公司 岩石三轴压裂装置
CN109374742B (zh) * 2017-08-09 2021-03-30 中国石油化工股份有限公司 用于碳酸盐岩地层岩石声力学响应特性的评价系统
CN109681113B (zh) * 2017-10-18 2020-10-16 中石化石油工程技术服务有限公司 一种高速磁力旋转的真三轴射流破岩装置
CN108020469A (zh) * 2017-11-30 2018-05-11 湖北工业大学 一种基于流体压致裂法的三轴实验装置及其实验方法
CN108414359A (zh) * 2018-01-15 2018-08-17 中国矿业大学 一种实时高温条件下含孔道岩样常规三轴压缩系统及方法
CN108303310A (zh) * 2018-02-07 2018-07-20 成都理工大学 岩石常规三轴试验试件密封装置及其使用方法
CN108760515B (zh) * 2018-04-27 2020-09-08 中国石油天然气股份有限公司 加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统及方法
CN108680727B (zh) * 2018-05-17 2020-08-25 中南大学 渗流压作用下岩石强度测量及岩石内部裂纹实时成像试验系统及方法
CN108915657A (zh) * 2018-07-23 2018-11-30 广州海洋地质调查局 泥质粉沙油气层的压裂实验方法
CN109025948A (zh) * 2018-08-22 2018-12-18 重庆大学 一种酸携砂压裂系统和方法
CN109001042A (zh) * 2018-09-17 2018-12-14 中国科学院地质与地球物理研究所 一种基于流体压力加载的三轴水力压裂实验装置
CN109187195A (zh) * 2018-10-30 2019-01-11 河南理工大学 一种可控温气液动态循环作用时岩石力学试验辅助装置
CN109163980A (zh) * 2018-11-01 2019-01-08 中国矿业大学 大尺度真三轴岩石水力压裂试验系统及方法
CN109507077A (zh) * 2018-11-01 2019-03-22 太原理工大学 模拟原位条件下超临界二氧化碳煤岩压裂ct成像和评价装置及其使用方法
CN109342204A (zh) * 2018-11-27 2019-02-15 北京强度环境研究所 一种棒状非金属材料试块综合检测装置
CN109297830A (zh) * 2018-11-27 2019-02-01 山东大学 一种重复压裂室内试验装置及其操作方法
CN109298162A (zh) * 2018-12-03 2019-02-01 重庆大学 不同相态二氧化碳致裂页岩装置及实验方法
CN111007155A (zh) * 2019-12-25 2020-04-14 中南大学 温-压耦合作用下的岩石损伤监测系统
CN111220478A (zh) * 2020-01-20 2020-06-02 中南大学 高温高压超临界二氧化碳岩芯致裂试验装置
CN111749668A (zh) * 2020-06-18 2020-10-09 东北大学 用于模拟超临界co2致裂试样的井筒套管及使用方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010117012A1 (ja) * 2009-04-07 2010-10-14 Shimada Toshihiro 透過性評価装置および評価方法
CN103114831B (zh) * 2013-02-25 2015-06-24 太原理工大学 一种油页岩油气资源原位开采方法
CN103306665B (zh) * 2013-05-15 2015-08-19 太原理工大学 一种二氧化碳煤层地质储存的试验装置
CN103278615B (zh) * 2013-05-15 2014-12-17 太原理工大学 一种二氧化碳煤层地质储存的试验方法
CN103293087B (zh) * 2013-06-05 2014-12-10 太原理工大学 一种高温高压热解反应的试验装置
CN104655495B (zh) * 2015-02-13 2017-05-10 太原理工大学 一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置与试验方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110308259A (zh) * 2019-07-02 2019-10-08 中国矿业大学 一种多场耦合压裂-驱替协同强化瓦斯抽采试验装置

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