CN106896043B - 真三轴应力下模拟起裂及评价裂缝渗流的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真三轴应力下模拟起裂及评价裂缝渗流的装置，属于压裂酸化领域。该装置包括：岩心夹持系统，用于夹持边长为100‑300mm，且内部埋置有模拟井筒的立方体形岩心样品；真三轴应力加载系统，用于对岩心样品施加X轴方向、Y轴方向及Z轴方向上的应力，以模拟岩心样品的真三轴受力状态；酸液及压裂液注入系统，用于将酸液及压裂液注入岩心样品的模拟井筒中，使岩心样品起裂并延伸裂缝，以模拟岩心样品的压裂及酸化过程；渗流能力测量系统，用于将盐水注入起裂后的岩心样品，以测量表征岩心样品裂缝渗流能力的数据；压裂数据采集及处理系统，用于获取表征岩心样品中模拟起裂过程的数据以及表征岩心样品中裂缝渗流能力的数据，进行处理并输出。

Description

真三轴应力下模拟起裂及评价裂缝渗流的装置

技术领域

本发明涉及压裂酸化领域，特别涉及一种真三轴应力下模拟起裂及评价裂缝渗流的装置。

背景技术

在油气井增产作业过程中，通常采用压裂酸化工艺在油气储层中形成高渗透能力的裂缝，增大渗流能力。可见，明确压裂酸化的裂缝扩展机理对于提高产能具有重要的意义。除力学参数和天然裂缝系统以外，水平地应力差、液体性能、施工液量、施工排量等都是影响压后裂缝的关键因素，因此裂缝模拟装置是研究裂缝最重要和最有效的手段。普通的裂缝模拟装置不能真实模拟地层条件，测试结果不能真实反映岩心在地层中的起裂及起裂后的渗流情况，而采用真三轴应力下的裂缝模拟装置来研究裂缝形态可以反映岩心在地层中的真实起裂及起裂后的渗流情况，可有效指导压裂酸化设计与评价。可见，提供一种能模拟真三轴应力下起裂和裂缝渗流评价的装置十分必要。

现有技术提供了一种真三轴受力条件下页岩水力压裂损伤演化装置及实验方法，该装置包括真三轴加载系统、水力压裂系统、变形测试系统和声发射监测系统；所述真三轴加载系统用于模拟页岩试件的真三轴受力状态；所述水力压裂系统用于对页岩试件施加不同的静水压力；所述变形测试系统用于测试页岩试件在压裂过程中的横向、轴向的变形；所述声发射监测系统用于监测真三轴受力条件下页岩试件在水力压裂时裂纹扩展的声发射特征、平面与三维损伤定位、以及裂纹的演化过程。

发明人发现现有技术至少存在以下问题：

现有技术提供的装置所适用的岩心试件体积小，无法避免边界渗流条件的影响；承压范围小，无法模拟高应力差条件下酸液或压裂液的起裂过程，且无法进行压后渗流率的测定。此外，其所用的声发射监测系统能量较低，难以准确地对复杂或细小裂缝进行定位和描述。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种满足酸液及压裂液的注入，满足储层高应力差的模拟，且岩心尺寸达到能够忽略边界渗流条件的影响的真三轴应力下模拟起裂及评价裂缝渗流的装置。具体技术方案如下：

一种真三轴应力下模拟起裂与裂缝渗流评价的装置，其中，所述装置包括：岩心夹持系统、真三轴应力加载系统、酸液及压裂液注入系统、渗流能力测量系统、数据采集及处理系统；

所述岩心夹持系统，用于夹持边长为100-300mm，且内部埋置有模拟井筒的立方体形岩心样品；

所述真三轴应力加载系统，用于对所述岩心样品施加X轴方向、Y轴方向及Z轴方向上的应力，以模拟所述岩心样品的真三轴受力状态；

所述酸液及压裂液注入系统，用于将酸液及压裂液注入所述岩心样品的模拟井筒中，使所述岩心样品起裂并延伸裂缝，以模拟所述岩心样品的压裂及酸化过程；

所述渗流能力测量系统，用于将盐水注入起裂后的所述岩心样品中，以测量表征所述岩心样品中裂缝渗流能力的数据；

所述数据采集及处理系统，用于获取表征所述岩心样品中模拟起裂过程的数据以及表征所述岩心样品中裂缝渗流能力的数据，然后进行处理并输出。

具体地，所述岩心夹持系统包括位于承重支架上的岩心夹持组件、岩心装卸组件、控温组件，且所述岩心夹持组件包括四氟橡胶密封套、承压板、哈氏合金通透板；

所述岩心样品位于X轴方向、Y轴方向及Z轴方向上的第一平面、第二平面和第三平面分别紧贴所述哈氏合金通透板，并置于具有接口管线的所述四氟橡胶密封套内，所述承压板紧压在所述四氟橡胶密封套外部；

所述岩心装卸组件，用于将所述岩心样品置入所述岩心夹持组件内，或者从所述岩心夹持组件内卸除；

所述控温组件包括多个插管式电加热管、分别与所述电加热管和控制终端电脑连接的热电偶，用于对所述岩心夹持组件进行温度控制。

具体地，所述真三轴应力加载系统包括3个液压缸、以及与所述液压缸相连接的伺服跟踪系统和压力变送器；

3个所述液压缸均与所述承压板连接，用于对岩心样品的第一平面、第二平面和第三平面施加三轴应力；

所述压力变送器用于实时测定岩心样品在X轴方向、Y轴方向及Z轴方向的压力值，并将测量得到的压力值与预设压力值进行比较，根据比较结果决定是否启动所述伺服跟踪系统对所施加的三轴应力进行压力补偿。

具体地，所述酸液及压裂液注入系统包括双缸恒速恒压泵、大排量酸液注入泵、多个哈氏合金罐、压力传感器、在线加热器及连接管线；

多个所述哈氏合金罐用于盛装压裂液或酸液，所述双缸恒速恒压泵用于将所述哈氏合金罐中的压裂液或酸液泵入所述岩心样品中；

所述大排量酸液注入泵用于将所述哈氏合金罐中的酸液大排量地泵入所述岩心样品中；

所述在线加热器用于在所述压裂液或酸液泵入所述岩心样品之前，对所述压裂液或酸液进行加热；

所述压力传感器用于测量压裂液或酸液的注入压力。

具体地，所述渗流能力测量系统包括盐水储罐、高压恒流泵、渗流输入参数测量组件、渗流输出参数测量组件；所述渗流输入参数测量组件和所述渗流输出参数测量组件均包括差压传感器、冷凝器、过滤器、回压阀、电子天平、手动泵和回压容器；

所述高压恒流泵用于将所述盐水储罐中的盐水泵入所述岩心样品中；

所述压裂液或酸液共用所述在线加热器，所述盐水、所述压裂液或酸液共用所述渗流输入参数测量组件和所述渗流输出参数测量组件；

所述差压传感器用于测量流体的压差；

所述冷凝器用于对流体进行冷凝；

所述过滤器用于对流体进行过滤；

所述回压阀用于回压调节；

所述电子天平用于测量流出液的质量；

所述手动泵用于施加回压；

所述回压容器用于缓冲回压。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明实施例提供的真三轴应力下模拟起裂及评价裂缝渗流的装置，包括如上所述的岩心夹持系统、真三轴应力加载系统、酸液及压裂液注入系统、渗流能力测量系统、压裂数据采集及处理系统，通过岩心夹持系统对边长为100～300mm的立方体形岩心样品进行夹持，然后利用真三轴应力加载系统对该岩心样品施加真三轴应力，并在一定温度和压力下利用酸液及压裂液注入系统将酸液及压裂液注入岩心样品的模拟井筒中，使岩心样品起裂，从而对岩心样品中压裂及酸化过程中的裂缝起裂、延伸进行模拟。待裂缝形成后，利用渗流能力测量系统将盐水注入岩心样品中，以测量裂缝渗流数据，同时利用压裂数据采集及处理系统获取起裂过程的数据以及上述裂缝渗流能力数据，并进行处理及输出。可见，本发明提供的装置不仅能满足不同性能酸液及压裂液的注入，满足不同的压裂及酸化参数的模拟，满足储层高应力差的模拟，岩心样品尺寸达到能够忽略边界渗流条件的影响，且能对复杂或细小裂缝进行渗流能力评价，实现了在真三轴应力下向岩心样品中注入酸液及压裂液来真实地模拟起裂过程，并能进行裂后渗流能力的测定，其模拟及测试结果准确，性能可靠，对于明确压裂酸化的裂缝扩展机理，提高油气产能具有重要的意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的真三轴应力下模拟起裂及评价裂缝渗流的装置的连接关系示意图；

图2是本发明又一实施例提供的，真三轴应力下模拟起裂及评价裂缝渗流的装置的局部结构示意图；

图3是本发明又一实施例提供的，岩心夹持系统的局部结构示意图。

附图标记分别表示：

1 岩心夹持系统，

101 四氟橡胶密封套，

102 承压板，

103 哈氏合金通透板，

104 接口管线，

105 左密封件，

106 承重支架。

2 真三轴应力加载系统，

201 液压缸，

202 连接杆，

203 拉杆，

3 酸液及压裂液注入系统，

301 双缸恒速恒压泵，

302 大排量酸液注入泵，

303 哈氏合金罐，

304 压力传感器，

305 在线加热器，

4 渗流能力测量系统，

401 盐水储罐，

402 高压恒流泵，

403 渗流输入参数测量组件，

404 渗流输出参数测量组件，

41 差压传感器，

42 冷凝器，

43 过滤器，

44 回压阀，

45 电子天平，

46 手动泵，

47 回压容器，

5 数据采集及处理系统，

6 模拟井筒，

7 岩心样品。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如附图1、附图2及附图3所示，本发明实施例提供了一种真三轴应力下模拟起裂及评价裂缝渗流的装置，该装置包括：岩心夹持系统1、真三轴应力加载系统2、酸液及压裂液注入系统3、渗流能力测量系统4、数据采集及处理系统5。

其中，岩心夹持系统1，用于夹持边长为100-300mm，且内部埋置有模拟井筒6的立方体形岩心样品7。

真三轴应力加载系统2，用于对岩心样品7施加X轴方向、Y轴方向及Z轴方向上的应力，以模拟岩心样品7的真三轴受力状态。

酸液及压裂液注入系统3，用于将酸液及压裂液注入岩心样品7中，使岩心样品7起裂并延伸，以模拟岩心样品7中压裂及酸化过程。

渗流能力测量系统4，用于将盐水注入起裂后的岩心样品7中，以测量表征岩心样品7中裂缝渗流能力的数据。

数据采集及处理系统5，用于获取表征岩心样品7中模拟起裂过程的数据以及表征岩心样品7中裂缝渗流能力的数据，然后进行处理并输出。

本发明实施例提供的真三轴应力下模拟起裂与裂缝渗流评价的装置，包括如上所述的岩心夹持系统1、真三轴应力加载系统2、酸液及压裂液注入系统、渗流能力测量系统4、数据采集及处理系统5，通过岩心夹持系统1对边长为100-300mm的立方体形岩心样品7进行夹持，然后利用真三轴应力加载系统2对该岩心样品7施加真三轴应力，并在一定温度和压力下利用酸液及压裂液注入系统3将酸液及压裂液注入岩心样品7的模拟井筒6中，使岩心样品7起裂，从而对岩心样品7中压裂及酸化过程中的裂缝起裂、延伸进行模拟。待裂缝形成后，利用渗流能力测量系统4将盐水注入岩心样品7中，以测量裂缝渗流数据，同时利用数据采集及处理系统5获取起裂过程的数据以及上述裂缝渗流能力数据，并进行处理及输出。可见，本发明提供的装置不仅能满足不同性能酸液及压裂液的注入，满足不同的压裂及酸化参数的模拟，满足储层高应力差的模拟，岩心样品7尺寸达到能够忽略边界渗流条件的影响，且能对复杂或细小裂缝进行渗流能力评价，实现了在真三轴应力下向岩心样品7中注入酸液及压裂液来真实地模拟起裂过程，并能进行裂后渗流能力的测定，其模拟及测试结果准确，性能可靠，对于明确压裂酸化的裂缝扩展机理，提高油气产能具有重要的意义。可以理解的是，本发明实施例提供的模拟及评价装置中，所有与酸液直接接触的部件的材质优选为哈氏合金。该装置适用于较大体积的岩心样品7，该岩心样品7呈立方体形状，边长可以为100mm、150mm、200mm、250mm、300mm等。在岩心样品7具有如上体积的基础上，其可承受高达50MPa的压力，并可承受高达200℃的高温，从而能真实准确地模拟岩心样品7的压裂酸化演化过程。

具体地，本发明实施例提供的模拟及评价装置中，岩心夹持系统1包括位于承重支架106上的岩心夹持组件、岩心装卸组件、控温组件，且岩心夹持组件包括四氟橡胶密封套101、承压板102、哈氏合金通透板103。其中，岩心样品7位于X轴方向、Y轴方向及Z轴方向上的第一平面、第二平面和第三平面分别紧贴哈氏合金通透板103，并置于具有接口管线104的四氟橡胶密封套101内，承压板102紧压在四氟橡胶密封套101外部，然后整体置于承重支架106上，并使用左密封件105密封(可参见图3)。岩心装卸组件，用于将岩心样品7置入岩心夹持组件内，或者从岩心夹持组件内卸除。控温组件包括多个插管式电加热管、分别与电加热管和控制终端电脑连接的热电偶，用于对岩心夹持组件进行温度控制。

其中，四氟橡胶密封套101呈五面口袋式，如此以确保所注入的酸液及压裂液不会从岩心样品7侧面与胶套之间串流。而哈氏合金通透板103上均匀分布有多个通孔，以使酸液及压裂液均匀地注入或流出。通过在岩心样品7的端面加工盲孔，将模拟井筒6粘结在该盲孔内部。在进行压裂液或酸液注入的过程中，本发明实施例可以将边长为300mm的立方体形岩心样品7密封在四氟橡胶密封套101内，压裂液或酸液由岩心样品7上预设的模拟井筒6(其内径可以为20mm)注入，对岩心样品7进行模拟压裂后，待岩心样品7起裂后，压裂液或酸液经由哈氏合金通透板103从四氟橡胶密封套101上设置的接口管线104流出。在进行模拟酸化或压裂的过程中，通过多个，例如20个插管式电加热管对岩心夹持组件进行加热，并利用控温精度为0.1级的，且与控制终端，例如电脑连接的热电偶进行温度控制，保证岩心夹持组件处于预设的温度范围，例如20℃-150℃之间，例如30℃、50℃、70℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃等。

进一步地，本发明实施例提供的模拟及评价装置中，真三轴应力加载系统2包括3个液压缸201、与液压缸相配合地连接杆202和拉杆203、以及与液压缸201相连接的伺服跟踪系统和压力变送器。3个液压缸201在连接杆202和拉杆203的配合作用下，均与承压板102连接，用于对岩心样品7的第一平面、第二平面和第三平面施加三轴应力；压力变送器用于实时测定岩心样品7在X轴方向，Y轴方向，Z轴方向上的压力值，并将测量得到的压力值与预设压力值进行比较，根据比较结果决定是否启动伺服跟踪系统对所施加的三轴应力进行压力补偿。其中，在进行压力补偿的过程中，控制精度为0.2％左右。

进一步地，本发明实施例提供的模拟及评价装置中，酸液及压裂液注入系统3包括双缸恒速恒压泵301、大排量酸液注入泵302、多个哈氏合金罐303、压力传感器304、在线加热器305及连接管线。多个哈氏合金罐303用于盛装压裂液或酸液，其中盛装压裂液的哈氏合金罐303中设置有搅拌器，且搅拌器的搅拌速来为1-500rpm，以搅匀更宽粘度范围的压裂液。可以理解的是，优选使用3个容积为2000ml的哈氏合金罐303，且3个哈氏合金罐303中均设置有活塞。而双缸恒速恒压泵301用于将哈氏合金罐303中的压裂液或酸液泵入岩心样品7中，使岩心样品7起裂，其泵注压力可达45-55MPa，流量可达100-150ml/min。当在岩心样品7起裂后，通过气动阀自动切换至大排量酸液注入泵302，用于将哈氏合金罐303中的酸液大排量地泵入岩心样品7中，在岩心样品7中模拟酸化起裂后的裂缝延伸。该大排量酸液注入泵302的泵注压力范围在常压至10MPa之间，其排量可达到1000ml/min或以上。

在进行上述酸化压裂的过程中，压裂液或酸液在泵入岩心样品7之前需要利用在线加热器305对其进行加热至预定的温度，其中在线加热器305可由加热盘管及循环油浴组成，其加热功率可达1000w及以上。而在压裂液或酸液泵进入在线加热器305之前，需要压力传感器304来测量压裂液或酸液的注入压力，其中压力传感器304的量程为0-20MPa。

待岩心样品7起裂后，利用渗流能力测量系统4对压后裂缝的渗流能力进行测量，其中，该渗流能力测量系统4包括盐水储罐401、高压恒流泵402、渗流输入参数测量组件403、渗流输出参数测量组件404；渗流输入参数测量组件403和渗流输出参数测量组件404均包括差压传感器41、冷凝器42、过滤器43、回压阀44、电子天平45、手动泵46和回压容器47。

高压恒流泵402用于将盐水储罐401中的盐水泵入岩心样品7中，以其作为渗流能力测量介质。盐水、压裂液或酸液共用渗流输入参数测量组件403和渗流输出参数测量组件404。其中，高压恒流泵402的注入压力为15-25MPa，例如为20MPa，注入流量为80-120ml/min，例如为100ml/min。

差压传感器41用于测量流体的两点之间的压差，其中，压差传感器为两组，量程分别为0-0.25MPa和0-5MPa，两者的精度均为0.1％FS。

其中，冷凝器42用于对流体进行冷凝；过滤器43用于对流体进行过滤；回压阀44用于回压控制；电子天平45用于测量流出液的质量；手动泵46用于施加回压；回压容器47用于缓冲回压。

具体地，高压恒流泵402通过阀门与渗流输入参数测量组件403连接，而在渗流输入参数测量组件403中，盐水管线一端与差压传感器41连接，另一端与冷凝器42连接，冷凝器42出口端与过滤器43入口端连接、过滤器43出口端与回压阀44连接，回压阀44一端与手动泵46及回压容器47连接，回压阀44另一端与烧杯连接，烧杯置于电子天平45上。

在上述压裂损伤及渗流能力评价过程中，采用数据采集及处理系统5获取表征岩心样品7中压裂损伤演化过程的数据以及表征岩心样品7中裂缝渗流能力的数据，然后进行处理并输出。具体地，数据采集及处理系统5包括数据采集和控制卡、通讯转接卡、端子板、工控机、打印机及控制、采集处理软件等。数据采集与处理系统可自动采集导流室进出口压差，液体流量，导流室左右位移，导流室进出口温度，补偿泵压力，自动控制高压恒流泵402的流量，闭合压力自动变换，闭合压力自动补偿，液体渗透率，采集各参数与时间关系曲线。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种真三轴应力下模拟起裂及评价裂缝渗流的装置，其特征在于，所述装置包括：岩心夹持系统、真三轴应力加载系统、酸液及压裂液注入系统、渗流能力测量系统、数据采集及处理系统；

所述岩心夹持系统，用于夹持边长为100-300mm，且内部埋置有模拟井筒的立方体形岩心样品；

所述岩心样品的端面设置有盲孔，所述模拟井筒粘接在所述盲孔内部；

所述岩心夹持系统包括位于承重支架上的岩心夹持组件、岩心装卸组件、控温组件，且所述岩心夹持组件包括四氟橡胶密封套、承压板、哈氏合金通透板；

所述岩心样品位于X轴方向、Y轴方向及Z轴方向上的第一平面、第二平面和第三平面分别紧贴所述哈氏合金通透板，并置于具有接口管线的所述四氟橡胶密封套内，所述承压板紧压在所述四氟橡胶密封套外部；所述哈氏合金通透板上均匀分布有多个通孔；

所述岩心装卸组件，用于将所述岩心样品置入所述岩心夹持组件内，或者从所述岩心夹持组件内卸除；

所述控温组件包括多个插管式电加热管、分别与所述电加热管和控制终端电脑连接的热电偶，用于对所述岩心夹持组件进行温度控制；所述真三轴应力加载系统，用于对所述岩心样品施加X轴方向、Y轴方向及Z轴方向上的应力，以模拟所述岩心样品的真三轴受力状态；

所述酸液及压裂液注入系统，用于将酸液及压裂液注入所述岩心样品的模拟井筒中，使所述岩心样品起裂并延伸裂缝，之后酸液及压裂液从所述接口管线流出，以模拟所述岩心样品的压裂及酸化过程；

所述酸液及压裂液注入系统包括在线加热器，所述在线加热器用于在所述压裂液或酸液泵入所述岩心样品之前，对所述压裂液或酸液进行加热；

所述渗流能力测量系统，用于将盐水注入起裂后的所述岩心样品中，以测量表征所述岩心样品裂缝渗流能力的数据；

所述数据采集及处理系统，用于获取表征所述岩心样品模拟起裂过程的数据以及表征所述岩心样品裂缝渗流能力的数据，然后进行处理并输出。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述真三轴应力加载系统包括3个液压缸、以及与所述液压缸相连接的伺服跟踪系统和压力变送器；

3个所述液压缸均与所述承压板连接，用于对岩心样品的第一平面、第二平面和第三平面施加三轴应力；

所述压力变送器用于实时测定岩心样品在X轴方向、Y轴方向及Z轴方向的压力值，并将测量得到的压力值与预设压力值进行比较，根据比较结果决定是否启动所述伺服跟踪系统对所施加的三轴应力进行压力补偿。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述酸液及压裂液注入系统包括双缸恒速恒压泵、大排量酸液注入泵、多个哈氏合金罐、压力传感器及连接管线；

多个所述哈氏合金罐用于盛装压裂液或酸液，所述双缸恒速恒压泵用于将所述哈氏合金罐中的压裂液或酸液泵入所述岩心样品中；

所述大排量酸液注入泵用于将所述哈氏合金罐中的酸液大排量地泵入所述岩心样品中；

所述压力传感器用于测量压裂液或酸液的注入压力。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述渗流能力测量系统包括盐水储罐、高压恒流泵、渗流输入参数测量组件、渗流输出参数测量组件；所述渗流输入参数测量组件和所述渗流输出参数测量组件均包括差压传感器、冷凝器、过滤器、回压阀、电子天平、手动泵和回压容器；

所述高压恒流泵用于将所述盐水储罐中的盐水泵入所述岩心样品中；

所述压裂液或酸液共用所述在线加热器，所述盐水、所述压裂液或酸液共用所述渗流输入参数测量组件和所述渗流输出参数测量组件；

所述差压传感器用于测量流体的压差；

所述冷凝器用于对流体进行冷凝；

所述过滤器用于对流体进行过滤；

所述回压阀用于回压调节；

所述电子天平用于测量流出液的质量；

所述手动泵用于施加回压；所述回压容器用于缓冲回压。