CN109057765B - 变尺寸条件下水平井超临界co2压裂试验系统 - Google Patents
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Abstract
一种变尺寸条件下水平井超临界CO2压裂试验系统，包括CO2相态转换装置、三向压力室、变尺寸三向加载系统、声发射监测采集系统和控制系统四部分组成，CO2相态转换装置通过管道与三向压力室连通，变尺寸三向加载系统设置在三向压力室内，在三向压力室内还设置有声发射探头，声发射探头通过声发射监测采集系统与控制系统相连接；所述CO2相态转换装置包括CO2气源及压力控制系统和温度控制系统，CO2气源通过管道与三向压力室连通，在连通CO2气源与三向压力室的管道上设置有压力控制系统和温度控制系统；密闭垫圈将三向压力室分隔为上部试件室和下部油缸室；试件设置在上部试件室内，液压加载系统分别与变尺寸加载千斤顶和下部油缸室连通。
Description
技术领域
本发明属于非常规油气开采技术与设备领域，具体涉及一种变尺寸条件下水平井超临界CO2压裂试验装置。
背景技术
我国为了坚持资源和环境可持续、优化能源结构，积极开展非常规油气，特别是页岩气的大规模开发利用。页岩气的工业化开采需要大规模的储层体积压裂，体积压裂需要大量参有化学添加剂的高压水注入页岩储层，该施工工艺不仅消耗大量的淡水资源，而且返排液可能造成环境的污染。
超临界二氧化碳无水压裂技术能够解决水资源的紧张局面，并防止了水敏对地层的伤害和返排液的环境污染。二氧化碳在温度为31.2℃，压力超过7.38MPa时变成超临界状态，此时超临界二氧化碳的分子间作用力很小，液体粘度低流动性极强，而且不易溶解储层中的岩石矿物，是一种很好的压裂介质。但是现阶段我国无水压裂技术还不成熟，主要的科学难题表现在如何有效控制二氧化碳的温度、压强和流速等，如何在实验室模拟真实储层的压裂环境（包括深部地温、地应力、试件岩石物理力学特征等），如何直接观察超临界二氧化碳压裂形成裂缝的演化过程，并进一步揭示压裂裂缝扩展规律的影响因素和扩展机制。
因此，开展无水压裂技术的前期基础研究至关重要，特别是实施室内超临界二氧化碳压裂试验，可以直接模拟地层环境、认识裂缝起裂与扩展机制，并获得压裂过程中的压裂液注入压力、温度和排量的施工工艺，对我国全面采用无水压裂技术开发非常规油气具有重要的理论和实际意义。
发明内容
本发明针对我国非常规油气开采瓶颈，设计了一种变尺寸条件下水平井超临界CO2压裂试验系统，解决现有三向试验机在试样尺寸上的局限性，并室内实现岩石及人造试件的无水压裂过程，掌握超临界二氧化碳的注入、温度及排量等工艺，为研究压裂裂缝演化机制提供试验平台。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种变尺寸条件下水平井超临界CO2压裂试验系统，包括CO2相态转换装置、三向压力室、变尺寸三向加载系统、声发射监测采集系统和控制系统四部分组成，CO2相态转换装置通过管道与三向压力室连通，变尺寸三向加载系统设置在三向压力室内，在三向压力室内还设置有声发射探头，声发射探头通过声发射监测采集系统与控制系统相连接；所述CO2相态转换装置包括CO2气源及压力控制系统和温度控制系统，CO2气源通过管道与三向压力室连通，在连通CO2气源与三向压力室的管道上设置有压力控制系统和温度控制系统；三向压力室为一密闭腔体，密闭垫圈将三向压力室分隔为上部试件室和下部油缸室；试件设置在上部试件室内，所述变尺寸三向加载系统包括变尺寸加载千斤顶和液压加载系统；变尺寸加载千斤顶连接在上部试件室内试件的四个面上，在上部试件室内壁设置有加热装置，CO2气源管道伸入到三向压力室内且插入到试件内，利用CO2的物理力学特征，借助制冷循环系统或加热控制系统，通过压力控制系统将超临界CO2注射到试件中；液压加载系统分别与变尺寸加载千斤顶和下部油缸室连通，加热装置和液压加载系统分别与控制系统连接；声发射探头设置在试件三向六面的六块加载垫片中，声发射探头通过数据线与声发射监测系统电连接，声发射监测采集系统用于采集压裂试件过程中的声学信号。
上述变尺寸条件下水平井超临界CO2压裂试验系统，所述压力控制系统为设置在管道上的高压计量注射泵，温度控制系统包括制冷循环装置和加热装置，制冷循环装置和加热装置均与温度控制面板连接。
上述变尺寸条件下水平井超临界CO2压裂试验系统，所述变尺寸加载千斤顶是扁千斤顶，扁千斤顶可以实现变尺寸加载，提供三向压力模拟深部三向地应力作用环境。
上述变尺寸条件下水平井超临界CO2压裂试验系统，所述三向压力室由上盖板、围压筒和底座构成，围压筒的两端分别由上盖板和底座相连，并利用密封圈密封构成密闭腔体，密闭垫将围压筒分为上部试件室和下部油缸室。
上述变尺寸条件下水平井超临界CO2压裂试验系统，所述声发射探头设置在试件三向六面的六块加载垫片中，六块垫片分别预留4个声发射探头安装槽及数据线通道，声发射探头设置在声发射探头安装槽内，由数据线通过数据线通道与声发射监测采集系统电连接。
上述变尺寸条件下水平井超临界CO2压裂试验系统，CO2气源管道伸入到三向压力室内且通过注井管插入并固结到试件内。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中的液压加载系统利用变尺寸扁千斤顶，既可进行小尺寸压裂试验，又可进行大尺寸人造试件压裂试验，同时能用于测量大尺寸模型试样在三向应力状态下的变形与破坏特性，解决了现有三向试验机的试样尺寸效应影响，且本发明的试验系统结构简单，操作方便，加载均匀，节约了成本；三向压力腔采用全密闭处理，通过加热棒给压力腔内的水加热模拟真实的压裂地层实际环境，那么，岩石或人造试件的压裂效果更加接近于真实；声发射监测系统的立体全方位监测，能显示超临界二氧化碳压裂过程中裂纹的空间演化过程，对不同因素影响下的压裂效果评价具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明的一种变尺寸条件下水平井超临界CO2压裂试验系统的整体装置图；
图2为本发明的变尺寸条件下水平井超临界CO2压裂试验系统剖视示意图；
图3为本发明的扁千斤顶结构示意图；
图4为图3的右视图；
图5为本发明的加载垫片声发射探头布置示意图。
附图标号说明：
1、CO2气源；2、高压计量注射泵；3、温度控制系统；4、变尺寸三向加载系统；5、液压源；6、声发射监测采集系统；7、流量计；8、温度计；9、压力计；10、开关；11、制冷循环装置；12、电阻丝加热控制装置；13、温度控制面板；14、垫块；15、注射井；16、试样；17、加热棒；18、下密封圈；19、上盖板；20、上密封圈；21、围压筒；22、变尺寸扁千斤顶；23、三向压力室；24、底座；25、下部作动油缸；26、进油嘴；27、出油嘴；28、油道开关；29、液压油室；30、活塞；31、滚珠；32、内活塞；33、中环活塞；34、外环活塞；35、声发射探头；36、加载板；37、线路通道；38、声发射数据采集系统；39、控制系统。
具体实施方式
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
如图1-图5所示的一种变尺寸条件下水平井超临界CO2压裂试验系统，包括CO2相态转换装置、三向压力室、变尺寸三向加载系统、声发射监测采集系统和控制系统四部分组成，CO2相态转换装置通过管道与三向压力室连通，变尺寸三向加载系统设置在三向压力室内，在三向压力室内还设置有声发射探头，声发射探头通过声发射监测采集系统与控制系统相连接；所述CO2相态转换装置包括CO2气源1及压力控制系统和温度控制系统，CO2气源通过管道与三向压力室连通，在连通CO2气源与三向压力室的管道上设置有压力控制系统和温度控制系统；三向压力室为一密闭腔体，密闭垫圈将三向压力室分隔为上部试件室和下部油缸室；试件设置在上部试件室内，所述变尺寸三向加载系统包括变尺寸加载千斤顶和液压加载系统；变尺寸加载千斤顶连接在上部试件室内试件的四个面上，在上部试件室内壁设置有加热装置，CO2气源管道伸入到三向压力室内且通过注井管插入固结到试件内，利用CO2的物理力学特征，借助制冷循环系统或加热控制系统，通过压力控制系统将超临界CO2注射到试件中；液压加载系统分别与变尺寸加载千斤顶和下部油缸室连通，加热装置和液压加载系统分别与控制系统连接；声发射探头设置在试件三向六面的六块加载垫片中，声发射探头通过数据线与声发射监测系统电连接，声发射监测采集系统用于采集压裂试件过程中的声学信号。
所述压力控制系统为设置在管道上的高压计量注射泵2，温度控制系统3包括制冷循环装置和加热装置，制冷循环装置和加热装置均与温度控制面板连接，其中温度控制系统3由流量计7、温度计8、压力计9、开关10、制冷循环装置11、电阻丝加热控制装置12、温度控制面板13组成。该系统提供超临界二氧化碳压裂液及压裂工作。CO2气源1以液态形式储藏在钢瓶中，通过高精度温度控制系统3给二氧化碳降温或者加热到31.2℃，然后利用高压计量注射泵2将超临界CO2压裂液加压到7.38MPa，并注入试件，并通过流量计7、温度计8及压力计9显示工作状态。
本发明所述变尺寸加载千斤顶是扁千斤顶22，扁千斤顶可以实现变尺寸加载，提供三向压力模拟深部三向地应力作用环境。扁千斤顶22由进油嘴26、出油嘴27、油道开关28、液压油室29、活塞30、滚珠31、内活塞32、中环活塞33、外环活塞34等组成。液压源装置5通过进油嘴26向扁千斤顶22提供液压油，如果采用小尺寸试件压裂试验时，油道开关28关闭，只有内活塞32工作；如果开展的是大试件压裂试验，可以打开油道开关28，激活中环活塞33或外环活塞34工作同时工作，这样就能实现变尺寸加载，克服现有三向岩石力学设备的尺寸效应影响。
所述三向压力室23由上盖板19、围压筒21和底座24构成，围压筒的两端分别由上盖板和底座相连，并利用密封圈18、20密封构成密闭腔体，并利用密封圈18、20密封防止围压筒漏水；上部试件室中充满水，并通过加热装置为加热棒17，加热棒17给水加热，保持试样16在恒定温度下压裂。密闭垫圈将围压筒分为上部试件室和下部油缸室。
所述声发射探头设置在试件三向六面的六块加载垫片中，六块垫片分别预留4个声发射探头安装槽及数据线通道，声发射探头设置在声发射探头安装槽内，由数据线通过数据线通道与声发射监测采集系统电连接。
如图2所示变尺寸三向加载系统4包括4个变尺寸扁千斤顶22、下部作动油缸25及液压源装置5构成；变尺寸扁千斤顶22提供水平向压力模拟储层深部最小及最大地应力环境，并克服常规三轴试验机的尺寸效应影响；作动油缸25提供轴向荷载模拟垂直地应力大小并实现伺服控制；液压源装置5为扁千斤顶22及作动油缸25提供动力。
如图4所示声发射监测采集系统6包括声发射探头35、加载板36、线路通道37、声发射监测采集系统38及控制系统39。声发射探头35布置在试件三向六面的六块加载垫片中，六块垫片分别预留4个声发射探头安装槽及数据传输线路通道37；数据采集装置38把声发射探头监测的电压信号转化成可视的波形参数，数据存储装，39实时存储大量的声发射信息。该系统用于监测超临界CO2压裂试件裂缝演化规律，对不同因素影响下的压裂效果进行科学评价。
Claims (6)
1.一种变尺寸条件下水平井超临界CO2压裂试验系统，其特征在于：包括CO2相态转换装置、三向压力室、变尺寸三向加载系统、声发射监测采集系统和控制系统四部分组成，CO2相态转换装置通过管道与三向压力室连通，变尺寸三向加载系统设置在三向压力室内，在三向压力室内还设置有声发射探头，声发射探头通过声发射监测采集系统与控制系统相连接；所述CO2相态转换装置包括CO2气源及压力控制系统和温度控制系统，CO2气源通过管道与三向压力室连通，在连通CO2气源与三向压力室的管道上设置有压力控制系统和温度控制系统；三向压力室为一密闭腔体，密闭垫圈将三向压力室分隔为上部试件室和下部油缸室；试件设置在上部试件室内，所述变尺寸三向加载系统包括变尺寸加载千斤顶和液压加载系统；变尺寸加载千斤顶连接在上部试件室内试件的四个面上，在上部试件室内壁设置有加热装置，CO2气源管道伸入到三向压力室内且插入到试件内，利用CO2的物理力学特征，借助制冷循环系统或加热控制系统，通过压力控制系统将超临界CO2注射到试件中；液压加载系统分别与变尺寸加载千斤顶和下部油缸室连通，加热装置和液压加载系统分别与控制系统连接；声发射探头设置在试件三向六面的六块加载垫片中，声发射探头通过数据线与声发射监测系统连接，声发射监测采集系统用于采集压裂试件过程中的声学信号。
2.根据权利要求1所述的变尺寸条件下水平井超临界CO2压裂试验系统，其特征在于：所述压力控制系统为设置在管道上的高压计量注射泵，温度控制系统包括制冷循环装置和加热装置，制冷循环装置和加热装置均与温度控制面板连接。
3.根据权利要求1所述的变尺寸条件下水平井超临界CO2压裂试验系统，其特征在于：所述变尺寸加载千斤顶是扁千斤顶，扁千斤顶可以实现变尺寸加载，提供三向压力模拟深部三向地应力作用环境。
4.根据权利要求1所述的变尺寸条件下水平井超临界CO2压裂试验系统，其特征在于：所述三向压力室由上盖板、围压筒和底座构成，围压筒的两端分别由上盖板和底座相连，并利用密封圈密封构成密闭腔体，密闭垫圈将围压筒分为上部试件室和下部油缸室。
5.根据权利要求1所述的变尺寸条件下水平井超临界CO2压裂试验系统，其特征在于：所述声发射探头设置在试件三向六面的六块加载垫片中，六块垫片分别预留4个声发射探头安装槽及数据线通道，声发射探头设置在声发射探头安装槽内，由数据线通过数据线通道与声发射监测采集系统电连接。
6.根据权利要求1所述的变尺寸条件下水平井超临界CO2压裂试验系统，其特征在于：CO2气源管道伸入到三向压力室内且通过注井管插入并固结到试件内。
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