CN109001042A - 一种基于流体压力加载的三轴水力压裂实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于流体压力加载的三轴水力压裂实验装置，包括围压容器、位于围压容器内部的围压室、轴压室，围压室的顶部和底部均设有围压室密封装置，顶部的密封装置设有凹槽，轴压室位于凹槽内，轴压室上设有轴压室密封装置，围压室的顶部和底部均设有流体注入通道，围压容器的两端均设有固定装置。本发明提供一种基于流体压力加载的三轴水力压裂实验装置，高压流体可以通过围压室顶部和底部的流体注入通道注入到岩石样品中，弥补单向流体注入引起的孔隙压力分布不均匀的问题，采用高压流体提供的轴向和径向压力加载，模拟三轴应力状态，进而重现真实地层应力条件下的水力压裂过程，提高了装置的适用范围和实验过程的便利性。

Description

一种基于流体压力加载的三轴水力压裂实验装置
技术领域
本发明涉及水力压裂实验领域，尤其涉及一种基于流体压力加载的三轴水力压裂实验装置。
背景技术
目前，无论是非常规油气资源开采、增强型地热资源开发还是CO2封存，由于高压流体或者超临界CO2的大量注入，目标地层的物性特征和应力状态均会产生显著的变化，导致地层中裂缝网络的产生和动态扩展。岩石物理实验是调查各类岩石在不同应力状态下的物性特征变化，裂缝动态扩展过程的有效手段。在进行岩石物理实验室时，耐压容器的性能直接决定了应力加载的大小方向及加载速率。当前的各类岩石物理实验方案根据加载应力的个数分为单轴应力加载和三轴应力加载。其中，应力加载主要依靠各类机械压机提供的压力作用于耐压容器进而作用到实验样品上。这类实验容器需要根据不同压机型号，实验类型进行专门设计，最终导致容器的使用效率较低。
在三轴水力压裂岩石物理实验过程中，伴随着三轴应力加载，被实验岩石样品还需要遭受高压流体的压裂作用，这将进一步加强耐压容器的复杂性，最终导致传统的水力压裂实验容器具有结构复杂，稳定性不高的特征。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于流体压力加载的三轴水力压裂实验装置，采用高压流体提供的轴向和径向压力加载，模拟三轴应力状态，进而重现真实地层应力条件下的水力压裂过程，提高了装置的适用范围和实验过程的便利性。
本发明的目的采用如下技术方案实现：
一种基于流体压力加载的三轴水力压裂实验装置，其特征在于，包括围压容器、位于围压容器内部的围压室、轴压室，所述围压室的顶部和底部均设有围压室密封装置，所述顶部的密封装置设有凹槽，所述轴压室位于凹槽内，所述轴压室上设有轴压室密封装置，所述围压室的顶部和底部均设有流体注入通道，所述围压容器的两端均设有固定装置。采用轴压室和流体注入通道相互独立的设置方式，高压流体可以通过围压室顶部和底部的流体注入通道注入到岩石样品中，弥补单向流体注入引起的孔隙压力分布不均匀的问题，最终达到水力压裂作用。
进一步地，所述底部的流体注入通道穿过围压室密封装置进入围压室，顶部的流体注入通道依次穿过固定装置、轴压室密封装置、轴压室、围压室密封装置进入围压室。
进一步地，所述轴压室上设有流体注入通道，所述流体注入通道依次穿过围压容器顶部的固定装置和围压室密封装置进入轴压室。
进一步地，所述围压容器一侧的顶部设有围压油注入口，相对侧底部设有围压油流出口。
进一步地，所述围压室内设有放置待测的岩石样品的密封胶套，所述密封胶套的底部和顶部均设有胶套密封栓，所述胶套密封栓位于密封胶套和密封装置的连接处。采用高强度复合材料制成的密封胶套，避免高压流体突破密封胶套进入围压室引起围压室的压力异常，并且在密封胶套的顶部和底部设置胶套密封栓，最终确保流体注入压力与围压室的压差达到正向20MPa，保证了水力压裂实验符合实际地层中的水力压裂过程，为准确研究岩石破裂过程提供有效的保障。
进一步地，所述围压室密封装置为密封栓，所述轴压室密封装置为密封堵头，所述围压容器两端的固定装置为固定栓。
进一步地，所述围压容器外侧壁设有加热套。便于在实验过程中进行温度控制。
进一步地，所述围压室的顶部和底部分别设有超声波激发接收探头，所述超声波激发接收探头分别固定在围压室顶部和底部的密封装置内。
进一步地，待测样品的表面上设有若干超声波激发接收探头，待测样品的表面上还设有应变片。
进一步地，所述超声波激发接收探头为陶瓷压电探头。为准确研究岩石破裂过程，在岩石破裂过程中所诱发的声发射信号是研究岩石动态破裂过程的重要信息，在岩石的表面的特定位置安放陶瓷压电探头(PZT探头)用于接收对应的声发射信号，为满足岩样密封套的抗压性，用有机胶将安装PZT探头的位置进行二次密封，强化整个岩样的密封性。另一方面，还可以利用所安装的PZT探头发射接收主动源超声波信号，从而进行压裂过程中岩石样品纵横波速度及衰减的实时测量和岩芯内部速度与衰减特征的层析成像，最终将成像结果与CT图像扫描结果进行互相验证，提高实验数据精度。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：本发明提供一种基于流体压力加载的三轴水力压裂实验装置，采用轴压室和流体注入通道相互独立的设置方式，高压流体可以通过围压室顶部和底部的流体注入通道注入到岩石样品中，弥补单向流体注入引起的孔隙压力分布不均匀的问题，采用高压流体提供的轴向和径向压力加载，模拟三轴应力状态，进而重现真实地层应力条件下的水力压裂过程，提高了装置的适用范围和实验过程的便利性。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图中：1、围压容器；2、围压室；21、密封栓；22、流体注入通道；23、围压油注入口；24、围压油流出口；25、密封胶套；26、胶套密封栓；27、陶瓷压电探头；28、陶瓷压电探头引线；29、应变片；3、轴压室；31、密封堵头；4、固定栓；5、加热套。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
如图1所示：一种基于流体压力加载的三轴水力压裂实验装置，包括围压容器1、位于围压容器1内部的围压室2、轴压室3，围压室2的顶部和底部均设有密封装置，顶部的密封装置上设有凹槽，轴压室3位于凹槽内，轴压室3上设有轴压室密封装置，轴压室密封装置可以选用密封堵头31，围压室2的顶部和底部均设有流体注入通道22，围压容器1的两端均设有固定装置，优选的，上述固定装置为固定栓4，顶部的固定栓4实现围压容器1、围压室2顶部密封装置21以及轴压室3密封堵头31的固定，底部的固定栓4实现围压容器1和围压室2底部密封栓21的固定。
采用轴压室3和流体注入通道相互独立的设置方式，高压流体可以通过围压室2顶部和底部的流体注入通道22注入到岩石样品中，弥补单向流体注入引起的孔隙压力分布不均匀的问题，最终达到水力压裂作用。底部的流体注入通道穿过密封栓21进入围压室2，顶部的流体注入通道21依次穿过固定栓4、密封堵头31、轴压室3、密封栓21进入围压室2。轴压室2上也设有流体注入通道22，流体注入通道22穿过围压容器2顶部的固定栓4和密封栓21进入轴压室3。围压容器1的一侧的顶部设有围压油注入口23，相对侧底部设有围压油流出口24，围压容器1外侧壁设有加热套5，对于需要温度控制的部分实验，围压容器1的外部设置了加热套5，最高加热温度可以达到60摄氏度，并且整个加热过程由对应的温度控制箱完成(图中未画出，采用现有技术即能实现)，实现自动加热，恒温保持的功能。
围压室2内设有放置待测的岩石样品的密封胶套25，密封胶套25的底部和顶部均设有胶套密封栓26，胶套密封栓26位于密封胶套25和密封栓21的连接处。采用高强度复合材料制成的密封胶套25，避免高压流体突破密封胶套25进入围压室引起围压室的压力异常，并且在密封胶套25的顶部和底部设置胶套密封栓26，最终确保流体注入压力与围压室的压差达到正向20MPa，保证了水力压裂实验符合实际地层中的水力压裂过程，为准确研究岩石破裂过程提供有效的保障。
岩石样品的表面上设有若干超声波激发接收探头。围压室的顶部和底部分别设有超声波激发接收探头，超声波激发接收探头分别固定在围压室顶部和底部的密封装置内。具体的，超声波激发接收探头为陶瓷压电探头28，陶瓷压电探头28上还设有陶瓷压电探头引线29，便于和外部设备连接。为准确研究岩石破裂过程，在岩石破裂过程中所诱发的声发射信号是研究岩石动态破裂过程的重要信息，在岩石的表面的特定位置安放陶瓷压电探头(PZT探头)用于接收对应的声发射信号，为满足岩样密封套的抗压性，用有机胶将安装PZT探头的位置进行二次密封，强化整个岩样的密封性。另一方面，还可以利用所安装的PZT探头发射接收主动源超声波信号，从而进行压裂过程中岩石样品纵横波速度及衰减的实时测量和岩芯内部速度与衰减特征的层析成像，最终将成像结果与CT图像扫描结果进行互相验证，提高实验数据精度。岩石样品的表面上还设有应变片29，用来测量岩石在形变过程中的参数变化。
上述实验装置在使用时，根据实验需求制备相应的岩芯样品，在岩芯样品上安装PZT探头27和应变片29，将岩芯样品放入围压室2的密封胶套25中，依照设定实验温压条件调整加热装置和压力加载装置，并按照设计的加载压力曲线进行加压操作；通过电脑控制轴压压力泵和围压压力泵的加载速率(图中未画出，采用现有技术即能实现)，从而实现各向同性应力加载和各向异性应力加载过程。由于轴向加载压力要远大于径向加载压力，所选取的压力加载泵应保证最大轴向压力加载。
当完成三轴应力加载后，关闭对应加载泵，保持加载应力保持不变，根据实验目的确定注入流体类型，注入速率与注入压力等参数，在加压和注入流体的过程中，使用主动源数据测量装置发射超声波信号测量岩芯的纵横波速度值与衰减值变化。时刻监测被压裂样品的轴向形变与径向形变，以此确定岩石的弹性状态。在岩样达到临界破坏状态后，改变数据采集模式，采用声发射观测模式，记录岩石破裂时产生的大量声发射信号。
岩石被压裂破坏后，应首先关闭压裂流体的注入，然后开始逐步卸载轴向与径向加载应力，保证岩样不被剩余的加载应力产生二次破坏，然后关闭加热装置，使围压容器逐渐冷却，待所有加载应力完全卸载后，打开围压油流出口阀门，释放围压室内的高温导热油，最后，取出岩芯样品。
上述装置在使用时操作简便，有效保障实验结果的精确度，采用高压流体提供的轴向和径向压力加载，模拟三轴应力状态，进而重现真实地层应力条件下的水力压裂过程，提高了装置的适用范围和实验过程的便利性。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于流体压力加载的三轴水力压裂实验装置，其特征在于，包括围压容器、位于围压容器内部的围压室、轴压室，所述围压室的顶部和底部均设有围压室密封装置，所述顶部的密封装置设有凹槽，所述轴压室位于凹槽内，所述轴压室上设有轴压室密封装置，所述围压室的顶部和底部均设有流体注入通道，所述围压容器的两端均设有固定装置。
2.根据权利要求1所述一种基于流体压力加载的三轴水力压裂实验装置，其特征在于，所述底部的流体注入通道穿过围压室密封装置进入围压室，顶部的流体注入通道依次穿过固定装置、轴压室密封装置、轴压室、围压室密封装置进入围压室。
3.根据权利要求1所述一种基于流体压力加载的三轴水力压裂实验装置，其特征在于，所述轴压室上设有流体注入通道，所述流体注入通道依次穿过围压容器顶部的固定装置和围压室密封装置进入轴压室。
4.根据权利要求1所述一种基于流体压力加载的三轴水力压裂实验装置，其特征在于，所述围压容器一侧的顶部设有围压油注入口，相对侧底部设有围压油流出口。
5.根据权利要求1所述一种基于流体压力加载的三轴水力压裂实验装置，其特征在于，所述围压室内设有放置待测样品的密封胶套，所述密封胶套的底部和顶部均设有胶套密封栓，所述胶套密封栓位于密封胶套和密封装置的连接处。
6.根据权利要求1所述一种基于流体压力加载的三轴水力压裂实验装置，其特征在于，所述围压室密封装置为密封栓，所述轴压室密封装置为密封堵头，所述围压容器两端的固定装置为固定栓。
7.根据权利要求1所述一种基于流体压力加载的三轴水力压裂实验装置，其特征在于，所述围压容器外侧壁设有加热套。
8.根据权利要求1所述一种基于流体压力加载的三轴水力压裂实验装置，其特征在于，所述围压室的顶部和底部分别设有超声波激发接收探头，所述超声波激发接收探头分别固定在围压室顶部和底部的密封装置内。
9.根据权利要求1所述一种基于流体压力加载的三轴水力压裂实验装置，其特征在于，待测样品的表面上设有若干超声波激发接收探头，待测样品的表面上还设有应变片。
10.根据权利要求8或9所述一种基于流体压力加载的三轴水力压裂实验装置，其特征在于，所述超声波激发接收探头为陶瓷压电探头。
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