CN108518214A - 一种岩石高温高压过热蒸汽控制压裂试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种岩石高温高压过热蒸汽控制压裂试验方法，压裂介质为高温过热蒸汽，采用的方法是由三轴伺服控制加载系统为岩石试样施加三轴压力，由耐高温高压的锅炉盘管构成的饱和蒸汽发生装置和过热蒸汽发生装置与试样压裂孔串联，饱和蒸汽通过二次加热产生高温过热蒸汽，通过温控设备控制饱和蒸汽温度升高路径来控制饱和蒸汽的压力升高路径，从而控制整个串联管路中的蒸汽压力升高路径，实现岩石高温过热蒸汽控制压裂，利用饱和蒸汽温度与压力的固定关系，通过控制饱和蒸汽的温度升高路径来控制饱和蒸汽以及整个串联管路的蒸汽压力升高路径，串联的锅炉盘管取代传统蒸汽锅炉中的锅筒，实现高温过热蒸汽的控制压裂。
Description
技术领域
本发明一种岩石高温高压过热蒸汽控制压裂试验方法，属于岩体力学与工程技术领域。
背景技术
原位改性采矿技术是能源高效清洁开采的一种新思路，如页岩气、煤层气、低品质煤的注热原位改性开采，增强型地热能开采，这些新的能源开采方法的核心问题是固-流-热耦合作用下的岩体水力压裂及储层改造。中国石油大学的“一种用于稠油热采储层破裂的模拟实验装置”（CN 103821487 A），采用钻孔中用加热管局部加热岩石，模拟不同温度和地应力组合下井筒受热破坏。太原理工大学的“一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置和试验方法”采用电加热棒来加热岩石，实现多种压裂介质进行高温高压岩石压裂渗流模拟。但是上述方法并不能适用化石能源注热开采、干热岩地热开采，化石能源注热开采、干热岩地热开采的实际压裂需要通过高温过热蒸汽控制压裂，改造储层结构，提高开采效率，高温蒸汽压裂是一个蒸汽温度恒定，压力逐渐增大的过程，饱和蒸汽压强和温度的对应关系固定，现有的工艺无法满足压裂试验要求。
发明内容
本发明克服了现有技术存在的不足，提供了一种岩石高温高压过热蒸汽控制压裂试验方法，采用高温过热蒸汽作为压裂介质，低压强状态下，饱和蒸汽继续加热可成为过热蒸汽，然后再缓慢的提高过热蒸汽压力，模拟岩石高温蒸汽控制压裂。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种岩石高温高压过热蒸汽控制压裂试验方法，按下述步骤实施：
第一步：对位于加载系统内的岩石试样施加初始三轴压力，上压板和岩石试样之间用耐高温的密封垫密封；
第二步：打开泵向第一蒸汽发生器中的锅炉盘管注入水，通过液位计控制注入的水液位不低于锅炉盘管高度的3/4；
第三步：第二蒸汽发生器中陶瓷电加热套通电预热，通过温控器及断路保护器使第二蒸汽发生器中的锅炉盘管温度恒定为压裂试验所需高温过热蒸汽温度；
第四步：第一蒸汽发生器中的陶瓷电加热套通电加热，通过温控器及断路保护器使第一蒸汽发生器中的锅炉盘管保持恒温100-110℃；
第五步：第一蒸汽发生器中产生的饱和蒸汽经过第二蒸汽发生器二次加热变为压裂试验所需的高温过热蒸汽，高温过热蒸汽经过三轴伺服控制的加载系统中的上压板内的进气管、锅炉管注入岩石试样的钻孔底部；
第六步：高温过热蒸汽刚注入钻孔底部时由于热量散失冷却为水，打开上压板内的出气管，高温过热蒸汽会携带钻孔底部的冷却水沿着锅炉管与钻孔壁之间的通道，由出气管排除，直到钻孔内蒸汽不发生液化后关闭出气管；
第七步：开启钻孔蒸汽温度记录系统、钻孔蒸汽压力记录系统、变形-应力测试系统、声发射系统和数据采集和自动化控制系统；
第八步：通过温控器及断路保护器的设置，使陶瓷电加热套按照指定升温路径提高第一蒸汽发生器中饱和蒸汽的温度，饱和蒸汽温度和压力之间为固定关系，饱和蒸汽压力随温度逐渐增高；
第九步：第一蒸汽发生器、第二蒸汽发生器与岩石试样上的钻孔串联，饱和蒸汽压力升高会使整个管路压力和岩石试样钻孔内压力按照饱和蒸汽的增压路径增加，直到岩石试样发生宏观破坏；
第十步：试验结束，记录压裂试验过程中钻孔内压力曲线，岩石试样的变形和包括声发射定位结果和特征参数在内的测试结果。
所述高温过热蒸汽压力大小由饱和蒸汽压力决定，且饱和蒸汽温度不能高于高温过热蒸汽温度，根据饱和蒸汽温度-压力曲线，饱和蒸汽温度达到临界温度374℃时，饱和蒸汽压力达到上限22.1MPa，因此，作为压裂介质的高温过热蒸汽温度高于临界温度374℃时，压力最高可达到22.1MPa；压裂介质的过热蒸汽温度低于临界温度374℃时，压力最高只能达到该温度饱和蒸汽对应的压力。
通过设计饱和蒸汽升温路径来实现不同增压路径下的高温过热蒸汽压裂。
所述上压板和岩石试样之间的耐高温密封垫采用高温石棉，所述上压板和密封垫的接触面加工3-5条环形凹槽以保证密封效果。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：本发明为模拟地层高温过热蒸汽控制压裂，改造储层结构的试验，对页岩气、煤层气、低品质煤的注热原位改性开采，干热岩地热能开采的储层改造提供了新的试验装置和研究思路，高温过热蒸汽发生装置小型，结构简单，造价低，安全性好，还可以在过热蒸汽发生段不工作的情况下提供饱和蒸汽，满足实验室和现场科研工作的不同需求。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
图1为本发明的结构示意图。
图中：1为第一蒸汽发生器、11为锅炉盘管、12为陶瓷电加热套、13为保温绝热层、14为泵、15为连通管、16为液位计、17为温控器及断路保护器、18为伸出管、19为安全阀、110为温度表、111为压力表、2为第二蒸汽发生器、3为加载系统、31为上压板、32为侧压板、33为进气管、34为出气管、35为锅炉管、36为岩石试样、4为蒸汽管路、5为变形-应力测试系统、6为声发射系统、7为钻孔蒸汽温度记录系统、8为钻孔蒸汽压力记录系统、9为数据采集和自动化控制系统。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种岩石高温高压过热蒸汽控制压裂试验方法，按下述步骤实施：
第一步：对位于加载系统3内的岩石试样36施加初始三轴压力，上压板31和岩石试样36之间用耐高温的密封垫密封；
第二步：打开泵14向第一蒸汽发生器1中的锅炉盘管11注入水，通过液位计16控制注入的水液位不低于锅炉盘管11高度的3/4；
第三步：第二蒸汽发生器2中陶瓷电加热套12通电预热，通过温控器及断路保护器17使第二蒸汽发生器2中的锅炉盘管11温度恒定为压裂试验所需高温过热蒸汽温度，即200-1000℃。
第四步：第一蒸汽发生器1中的陶瓷电加热套12通电加热，通过温控器及断路保护器17使第一蒸汽发生器1中的锅炉盘管11保持恒温100-110℃；
第五步：第一蒸汽发生器1中产生的饱和蒸汽经过第二蒸汽发生器2二次加热变为200-1000℃的高温过热蒸汽，高温过热蒸汽经过三轴伺服控制的加载系统3中的上压板31内的进气管33、锅炉管35注入岩石试样36的钻孔底部；
第六步：高温过热蒸汽刚注入钻孔底部时由于热量散失冷却为水，打开上压板31内的出气管34，高温过热蒸汽会携带钻孔底部的冷却水沿着锅炉管35与钻孔壁之间的通道，由出气管34排除，直到钻孔内蒸汽不发生液化后关闭出气管34；
第七步：开启钻孔蒸汽温度记录系统7、钻孔蒸汽压力记录系统8、变形-应力测试系统5、声发射系统6和数据采集和自动化控制系统9；
第八步：通过温控器及断路保护器17的设置，使陶瓷电加热套12按照指定升温路径提高第一蒸汽发生器1中饱和蒸汽的温度，饱和蒸汽温度和压力之间为固定关系，饱和蒸汽压力随温度逐渐增高；
第九步：第一蒸汽发生器1、第二蒸汽发生器2与岩石试样36上的钻孔串联，饱和蒸汽压力升高会使整个管路压力和岩石试样36钻孔内压力按照饱和蒸汽的增压路径增加，直到岩石试样36发生宏观破坏；
第十步：试验结束，记录压裂试验过程中钻孔内压力曲线，岩石试样36的变形和包括声发射定位结果和特征参数在内的测试结果。
所述高温过热蒸汽压力大小由饱和蒸汽压力决定，且饱和蒸汽温度不能高于高温过热蒸汽温度，根据饱和蒸汽温度-压力曲线，饱和蒸汽温度达到临界温度374℃时，饱和蒸汽压力达到上限22.1MPa，因此，作为压裂介质的高温过热蒸汽温度高于临界温度374℃时，压力最高可达到22.1MPa；压裂介质的过热蒸汽温度低于临界温度374℃时，压力最高只能达到该温度饱和蒸汽对应的压力。
通过设计饱和蒸汽升温路径来实现不同增压路径下的高温过热蒸汽压裂。
所述上压板31和岩石试样36之间的耐高温密封垫采用高温石棉，所述上压板31和密封垫的接触面加工3-5条环形凹槽以保证密封效果。
上述方法中过热蒸汽压力低于临界压力，只要锅炉盘管耐高温高压性能满足要求，高温过热蒸汽温度可以达到1000℃甚至更高。
本发明涉及的一种岩石高温高压过热蒸汽控制压裂试验装置，包括第一蒸汽发生器1、第二蒸汽发生器2和加载系统3，所述第一蒸汽发生器1和第二蒸汽发生器2依次串接在一起，所述第二蒸汽发生器2的出气口通过蒸汽管路4与加载系统3连接；
所述加载系统3的结构为：包括上压板31、侧压板32、进气管33、出气管34和锅炉管35，所述上压板31和侧压板32分别设置在岩石试样36的上侧和四个侧面，用于给岩石试样36施加三向应力，所述岩石试样36的上侧竖直加工有盲孔，所述锅炉管35竖直插装在该盲孔内，且所述锅炉管35的下端与盲孔底部留有间隙，所述上压板31内设置有进出气通道作为进气管33和出气管34，所述进气管33和出气管34分别与锅炉管35的上端和盲孔上端连通；所述上压板31和侧压板32对应连接在真三轴伺服加载系统上；
所述第一蒸汽发生器1用于提供饱和蒸汽，所述第二蒸汽发生器2用于将第一蒸汽发生器1提供的饱和蒸汽加热成200-1000℃的高温过热蒸汽，所述蒸汽管路4将第二蒸汽发生器2提供的200-1000℃高温过热蒸汽从进气管33通入到岩石试样36的盲孔中，对岩石试样36进行压裂。
所述第一蒸汽发生器1和第二蒸汽发生器2的结构均相同，包括锅炉盘管11、陶瓷电加热套12和保温绝热层13，所述锅炉盘管11呈螺旋状结构，所述陶瓷电加热套12匹配设置在锅炉盘管11的外侧，所述保温绝热层13设置在陶瓷电加热套12的外侧，并将锅炉盘管11和陶瓷电加热套12封闭包裹；
所述第一蒸汽发生器1的底部通过管道与泵14连接在一起，所述泵14用于给第一蒸汽发生器1内的锅炉盘管11注水，所述第一蒸汽发生器1的锅炉盘管11上下端之间通过连通管15，所述连通管15上设置有液位计16，所述第一蒸汽发生器1的锅炉盘管11上端与第二蒸汽发生器2的锅炉盘管11下端连通。
所述上压板31和岩石试样36之间设置有密封垫，所述上压板31和密封垫的接触面上加工若干条环形凹槽以保证密封性。
所述陶瓷电加热套12上设置有温控器及断路保护器17，所述第二蒸汽发生器2的锅炉盘管11的上端设置有伸出管18，所述伸出管18的一端与锅炉盘管11连通，所述伸出管18的另一端伸出保温绝热层13外，且端部设置有安全阀19，位于所述保温绝热层13外侧的伸出管18上设置有温度表110和压力表111，所述进气管33通过安全阀19与伸出管18连通。
所述侧压板32上连接有变形-应力测试系统5和声发射系统6，所述进气管33上连接有钻孔蒸汽温度记录系统7和钻孔蒸汽压力记录系统8，所述变形-应力测试系统5、钻孔蒸汽温度记录系统7和钻孔蒸汽压力记录系统8均连接在数据采集和自动化控制系统9上。
下面结合具体的实施方式对本发明进行具体的阐述。
本发明的主要特点是压裂介质为高温过热蒸汽。包括：高温高压过热蒸汽发生装置和真三轴伺服加载系统，并在真三轴伺服加载系统中设计的蒸汽导流装置，以及配套的测试系统。
本发明中高温高压过热蒸汽发生装置中采用耐高温高压锅炉盘管代替传统锅炉的锅筒，由耐高温高压蒸汽输送管依次串接在一起的注入泵、液位计、电加热饱和蒸汽发生装置、电加热高温过热蒸汽发生装置、温控与断电保护装置、温度表、压力表、安全阀构成。其中，电加热饱和蒸汽发生装置和电加热高温过热蒸汽发生器由高温高压锅炉盘管和陶瓷电加热套组成，外面采用非金属保温绝热材料封闭保温，整个管路用非金属保温材料保温。
本发明中饱和蒸汽发生器和过热蒸汽发生器的锅炉盘管串联，套陶瓷电加热套通过温控与断电保护装置来控制锅炉盘管的升温路径。根据饱和蒸汽-压力曲线关系，通过饱和蒸汽温度的升温路径可以控制饱和蒸汽的升压路径，进而控制过热蒸汽的升压路径。
本发明的真三轴伺服控制加载系统中给试样加载的上压板设计蒸汽导流装置，在上压板加工进气口和出气口，进气口和焊接在上压板上的锅炉管连通，使蒸汽直接通入岩石试样钻孔底部。高温过热蒸汽通入钻孔后会冷却为水。出气口打开后，进入孔底的高温蒸汽把水汽化，并推动汽化后的水沿着锅炉管和钻孔间的通道流动，经过排气口排出试样。试验中为了保证岩石钻孔内为蒸汽，可以间断放弃或者小流量的长期放气。上压板和岩石试样之间用高温密封垫密封，上压板和密封垫的接触面加工数条环形凹槽保证密封性。
本发明在上压板和岩石试样之间的高温密封垫采用高温石棉，上压板和密封垫的接触面加工3-5条环形凹槽保证密封效果。
采用本发明装置进行高温过热蒸汽控制压裂试验的操作步骤为：
1）加工试样，试样尺寸为200×200×200mm，试样上表面中心钻取φ20mm、深120mm的钻孔。
2）在三轴伺服控制加载系统放置安装岩石试样，施加初始三轴压力，上压板和岩石试样之间用高温密封垫密封。
3）调试钻孔蒸汽压力记录系统、钻孔蒸汽温度记录系统、应力-变形监测系统、声发射监测系统、数据采集和自动控制系统。
4）打开流量泵向饱和蒸汽发生器中的锅炉盘管注入纯净水，通过液位计控制注入的纯净水的液位不低于锅炉盘管高度的3/4。
5）过热蒸汽发生器中的陶瓷电加热套通电加热，通过温度控制及断电保护使锅炉盘管温度恒定为压裂试验所需高温过热蒸汽温度500℃。
6）饱和蒸汽发生器中的陶瓷电加热套通电加热，通过温度控制及断电保护使锅炉盘管保持恒温100-110℃。
7）饱和蒸汽发生器中产生的饱和蒸汽经过过热蒸汽发生器二次加热变为500℃过热蒸汽，高温过热蒸汽经过三轴伺服控制加载系统轴向压板上的进气口、锅炉管注入岩石试样钻孔底部。
8）打开轴向压板上的出气口，高温过热蒸汽会携带孔底的冷凝水沿着锅炉管与钻孔壁之间的通道，由出气口排除，直到钻孔内蒸汽不发生液化后关闭出气口。
9）开启钻孔蒸汽压力记录系统、孔蒸汽温度记录系统、应力-变形监测系统、声发射监测系统、数据采集和自动控制系统等测试设备。
10）通过温度控制及断电保护设置，按照指定升温路径提高饱和蒸汽发生器中饱和蒸汽的温度。饱和蒸汽温度和压力之间为固定关系，饱和蒸汽压力随温度逐渐增高。
11）饱和蒸汽发生器、过热蒸汽发生器与岩石试样上的钻孔串联，饱和蒸汽压力升高会使整个管路压力和岩石试样钻孔内压力按照饱和蒸汽的增压路径增加，直到岩石试样发生宏观破坏，系统最高蒸汽压力可达22MPa。
12）试验结束，记录压裂试验过程中钻孔内压力曲线，岩石试样的变形，声发射定位结果和特征参数等测试结果。
上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (4)
1.一种岩石高温高压过热蒸汽控制压裂试验方法，其特征在于，按下述步骤实施：
第一步：对位于加载系统（3）内的岩石试样（36）施加初始三轴压力，上压板（31）和岩石试样（36）之间用耐高温的密封垫密封；
第二步：打开泵（14）向第一蒸汽发生器（1）中的锅炉盘管（11）注入水，通过液位计（16）控制注入的水液位不低于锅炉盘管（11）高度的3/4；
第三步：第二蒸汽发生器（2）中陶瓷电加热套（12）通电预热，通过温控器及断路保护器（17）使第二蒸汽发生器（2）中的锅炉盘管（11）温度恒定为压裂试验所需高温过热蒸汽温度；
第四步：第一蒸汽发生器（1）中的陶瓷电加热套（12）通电加热，通过温控器及断路保护器（17）使第一蒸汽发生器（1）中的锅炉盘管（11）保持恒温100-110℃；
第五步：第一蒸汽发生器（1）中产生的饱和蒸汽经过第二蒸汽发生器（2）二次加热变为压裂试验所需的高温过热蒸汽，高温过热蒸汽经过三轴伺服控制的加载系统（3）中的上压板（31）内的进气管（33）、锅炉管（35）注入岩石试样（36）的钻孔底部；
第六步：高温过热蒸汽刚注入钻孔底部时由于热量散失冷却为水，打开上压板（31）内的出气管（34），高温过热蒸汽会携带钻孔底部的冷却水沿着锅炉管（35）与钻孔壁之间的通道，由出气管（34）排除，直到钻孔内蒸汽不发生液化后关闭出气管（34）；
第七步：开启钻孔蒸汽温度记录系统（7）、钻孔蒸汽压力记录系统（8）、变形-应力测试系统（5）、声发射系统（6）和数据采集和自动化控制系统（9）；
第八步：通过温控器及断路保护器（17）的设置，使陶瓷电加热套（12）按照指定升温路径提高第一蒸汽发生器（1）中饱和蒸汽的温度，饱和蒸汽温度和压力之间为固定关系，饱和蒸汽压力随温度逐渐增高；
第九步：第一蒸汽发生器（1）、第二蒸汽发生器（2）与岩石试样（36）上的钻孔串联，饱和蒸汽压力升高会使整个管路压力和岩石试样（36）钻孔内压力按照饱和蒸汽的增压路径增加，直到岩石试样（36）发生宏观破坏；
第十步：试验结束，记录压裂试验过程中钻孔内压力曲线，岩石试样（36）的变形和包括声发射定位结果和特征参数在内的测试结果。
2.根据权利要求1所述的一种岩石高温高压过热蒸汽控制压裂试验方法，其特征在于，所述高温过热蒸汽压力大小由饱和蒸汽压力决定，且饱和蒸汽温度不能高于高温过热蒸汽温度，根据饱和蒸汽温度-压力曲线，饱和蒸汽温度达到临界温度374℃时，饱和蒸汽压力达到上限22.1MPa，因此，作为压裂介质的高温过热蒸汽温度高于临界温度374℃时，压力最高可达到22.1MPa；压裂介质的过热蒸汽温度低于临界温度374℃时，压力最高只能达到该温度饱和蒸汽对应的压力。
3.根据权利要求1所述的一种岩石高温高压过热蒸汽控制压裂试验方法，其特征在于，通过设计饱和蒸汽升温路径来实现不同增压路径下的高温过热蒸汽压裂。
4.根据权利要求1所述的一种岩石高温高压过热蒸汽控制压裂试验方法，其特征在于，所述上压板（31）和岩石试样（36）之间的耐高温密封垫采用高温石棉，所述上压板（31）和密封垫的接触面加工3-5条环形凹槽以保证密封效果。
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