CN111323306A - 一种用于岩心压裂的携沙压裂装置及压裂方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于岩心压裂的携沙压裂装置，其特征在于：包括驱动模块、携沙釜模块和岩心夹持器；采用该携沙压裂装置的压裂方法包括水携沙压裂方法、CO2携沙压裂方法和氮气携沙压力方法；本发明中携沙压裂可以填充大规模水压裂产生的裂缝，避免产生地表塌陷、引发人工地震、压裂盖层所导致油气泄露问题；另外，本发明中，携沙的介质可以为水、CO2气体和氮气，保证了携沙介质的多样性；可以更全面的实验出不同介质携沙对的岩心压裂机理，提高实验的科学性；且携沙的动力源可以用高压空气或者本装置的水作为动力源进行驱动，满足不同介质驱动源的使用要求。

Description

一种用于岩心压裂的携沙压裂装置及压裂方法
技术领域
本发明涉及岩心压裂技术领域，尤其涉及一种用于岩心压裂的携沙压裂装置。
背景技术
水力压裂作为油气、煤层气、页岩气、致密砂岩气增产的主要措施之一，已被广泛应用于现代油气、煤层气工业开采中，对低渗油气藏、煤层气的大规模开发起到了至关重要的作用。然而，大规模的水力压裂开发所造成的地表塌陷、引发人工地震、压裂盖层所导致油气泄露等重大灾害与安全事故在部分地区已经有所显现，因此，在保障油气安全、高效开发的前提下，如何规避水力压裂所产生的负面影响，已成为我国能源安全领域所必须研究解决的难题之一。
水力压裂模拟实验系统可用于模拟研究地下应力结构下不同种类岩石的压裂全过程、测试不同岩样的最大压裂应力、压裂后裂缝在岩样中的伸展规律、压裂开采对地层沉降的影响、压裂与人工地震的耦合作用、控制裂缝伸展方向以及确定不同地层组合下的最大安全压裂等工艺；
沙粒作为固体颗粒，在岩心压裂的过程中可对压裂的岩心缝隙进行填充，可规避水力压裂所产生的负面影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于岩心压裂的携沙压裂装置及压裂方法，解决大规模的水力压裂开发所造成的地表塌陷、引发人工地震及压裂盖层所导致油气泄露的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种用于岩心压裂的携沙压裂装置，其创新点在于：包括驱动模块、携沙釜模块和岩心夹持器；所述驱动模块的输出端连接在携沙釜模块上驱动携沙釜中的沙料混合物进入岩心夹持器中；所述岩心夹持器中设置有岩心；
所述驱动模块包括液氮注入单元、CO2注入单元和水注入单元；所述液氮注入单元、CO2注入单元和水注入单元的输出端均连接在岩心夹持器上且可通过阀门进行切换；
所述携沙釜模块包括携沙釜体、搅拌电机和活塞；所述活塞设置在携沙釜体内将携沙釜体分隔成沙粒驱动腔和沙粒搅拌腔；所述搅拌电机设置在沙粒搅拌腔上且搅拌电机的输出端连接在沙粒搅拌腔内；
所述液氮注入单元包括空压机、气体增压泵、调压器和高压液氮容器；所述空压机的输出端上连接有气体增压泵，气体增压泵的输出端连接在高压液氮容器上，高压液氮容器的两端分别与携沙釜模块的两端并联，所述高压液氮容器内设置有液氮，实现对携沙釜模块的沙粒搅拌腔提供氮气和对沙粒驱动腔提供动力；所述调压器连接在气体增压泵与高压液氮容器之间；
所述CO2注入单元与液氮注入单元的输出端并联，所述CO2注入单元包括CO2高压气瓶和高压容器；所述CO2高压气瓶的输出端连接在高压容器的输出端上；所述高压容器设置在一制冷箱内，且高压容器内设置有一活塞且活塞将高压容器隔离为CO2气体区和CO2气体驱动区，所述CO2气体驱动区通过管道连接在水注入单元的输出端上；所述CO2气体区通过管道与携沙釜模块的沙粒搅拌腔相连，实现对沙粒搅拌腔输入CO2气体；
所述水注入单元包括水槽和恒速恒压泵；所述恒速恒压泵的输入端通过管道连接在水槽内且该管道上设置有过滤器；所述恒速恒压泵的输出端分为四路且其中一路连接在CO2注入单元的高压容器CO2气体驱动区上作为CO2注入单元的动力源，一路连接在岩心夹持器的注入口上，一路连接在沙粒驱动腔上，一路连接在沙粒搅拌腔上实现对沙粒搅拌腔输入水。
进一步的，所述岩心夹持器中的岩心内设置有压裂管，且压裂管上均匀开有出料口。
进一步的，所述岩心夹持器的其中一端面为注入口，在三维空间中的三个面记为X轴端面、Y轴端面和Z轴端面互相垂直且三个面上均设置有输出口；所述岩心夹持器内设置有方体岩心，且岩心夹持器的注入口位于岩心夹持器设置有嵌入方体岩心的压裂管；所述岩心夹持器的X轴端面、Y轴端面和Z轴端面的输出口均独立连接有液压控制模块；所述液压控制模块包括液压电动泵气动液压缸形成的液压动力源、液压控制电路和换向阀组；所述液压动力源通过液压管道连接在岩心夹持器的输出口上，所述换向阀组包括一对并联设置的换向阀且连接在液压动力源的输出端上，所述液压控制电路控制液压动力源的动作及控制换向阀组的动作。
一种用于岩心压裂的携沙压裂方法；其创新点在于：包括水携沙压裂方法、CO2携沙压裂方法和氮气携沙压力方法；具体方法如下：
S1：水携沙压裂方法：
S1.1：动力源的选择：采用空压机驱动气体增压泵以空气作为携沙釜模块的沙粒驱动腔的动力；或者以恒速恒压泵抽取水槽中的水输送至携沙釜模块的沙粒驱动腔以水作为沙粒驱动腔的动力；
S1.2：恒速恒压泵将水槽中的水抽取出，通过控制阀门使得水进入到携沙釜模块的沙粒搅拌腔内，将水与沙粒搅拌腔内沙粒通过搅拌电机进行搅拌实现混合；然后通过S1.1中的动力源将水携沙粒输入到岩心夹持器中的压裂管，并通过压裂管进入岩心实现压裂；
S2：CO2携沙压裂方法：CO2高压气瓶将CO2气体输送高压容器内，通过恒速恒压泵将水槽中的水抽取出作为高压容器的动力源，驱动CO2气体进入到携沙釜模块的沙粒搅拌腔内，将CO2气体与沙粒搅拌腔内沙粒通过搅拌电机进行搅拌实现混合；然后通过S1.1中的动力源将CO2气体携沙粒输入到岩心夹持器中的压裂管，并通过压裂管进入岩心实现压裂；
S3：氮气携沙压力方法：高压液氮容器释放氮气进入到到携沙釜模块的沙粒搅拌腔内，将氮气与沙粒搅拌腔内沙粒通过搅拌电机进行搅拌实现混合；然后通过S1.1中的动力源将氮气携沙粒输入到岩心夹持器中的压裂管，并通过压裂管进入岩心实现压裂。
本发明的优点在于：
1）本发明中携沙压裂可以填充大规模水压裂产生的裂缝，避免产生地表塌陷、引发人工地震、压裂盖层所导致油气泄露问题；另外，本发明中，携沙的介质可以为水、CO2气体和氮气，保证了携沙介质的多样性；可以更全面的实验出不同介质携沙对的岩心压裂机理，提高实验的科学性；且携沙的动力源可以用高压空气或者本装置的水作为动力源进行驱动，满足不同介质驱动源的使用要求。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的一种用于岩心压裂的携沙压裂装置的结构示意图。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
如图1所示的一种用于岩心压裂的携沙压裂装置，包括驱动模块1、携沙釜模块2和岩心夹持器3；驱动模块1的输出端连接在携沙釜模块2上驱动携沙釜中的沙料混合物进入岩心夹持器3中；岩心夹持器中3设置有岩心。
驱动模块1包括液氮注入单元11、CO2注入单元12和水注入单元13；液氮注入单元11、CO2注入单元12和水注入单元13的输出端均连接在岩心夹持器3上且可通过阀门进行切换。
携沙釜模块2包括携沙釜体21、搅拌电机22和活塞23；活塞23设置在携沙釜体21内将携沙釜体21分隔成沙粒驱动腔和沙粒搅拌腔；搅拌电机22设置在沙粒搅拌腔上且搅拌电机22的输出端连接在沙粒搅拌腔内。
液氮注入单元11包括空压机111、气体增压泵112、调压器113和高压液氮容器114；空压机111的输出端上连接有气体增压泵112，气体增压泵112的输出端连接在高压液氮容器114上，高压液氮容器114的两端分别与携沙釜模块2的两端并联，高压液氮容器114内设置有液氮，实现对携沙釜模块2的沙粒搅拌腔提供氮气和对沙粒驱动腔提供动力；调压器114连接在气体增压泵112与高压液氮容器114之间。
CO2注入单元12与液氮注入单元的输出端并联，CO2注入单元12包括CO2高压气瓶121和高压容器122；CO2高压气瓶121的输出端连接在高压容器122的输出端上；高压容器122设置在一制冷箱内，且高压容器内设置有一活塞且活塞将高压容器隔离为CO2气体区和CO2气体驱动区，CO2气体驱动区通过管道连接在水注入单元13的输出端上；CO2气体区通过管道与携沙釜模块2的沙粒搅拌腔相连，实现对沙粒搅拌腔输入CO2气体。
水注入单元13包括水槽131和恒速恒压泵132；恒速恒压泵132的输入端通过管道连接在水槽131内且该管道上设置有过滤器；恒速恒压泵132的输出端分为四路且其中一路连接在CO2注入单元12的高压容器CO2气体驱动区上作为CO2注入单元12的动力源，一路连接在岩心夹持器3的注入口上，一路连接在沙粒驱动腔上，一路连接在沙粒搅拌腔上实现对沙粒搅拌腔输入水。
岩心夹持器3中的岩心内设置有压裂管，且压裂管上均匀开有出料口。
岩心夹持器3的其中一端面为注入口，在三维空间中的三个面记为X轴端面、Y轴端面和Z轴端面互相垂直且三个面上均设置有输出口；岩心夹持器内设置有方体岩心，且岩心夹持器3的注入口位于岩心夹持器设置有嵌入方体岩心的压裂管；岩心夹持器3的X轴端面、Y轴端面和Z轴端面的输出口均独立连接有液压控制模块4；液压控制模块4包括液压电动泵气动液压缸形成的液压动力源41、液压控制电路42和换向阀组43；液压动力源41通过液压管道连接在岩心夹持器3的输出口上，换向阀组43包括一对并联设置的换向阀且连接在液压动力源的输出端上，液压控制电路控制液压动力源的动作及控制换向阀组的动作。
一种用于岩心压裂的携沙压裂方法；包括水携沙压裂方法、CO2携沙压裂方法和氮气携沙压力方法；具体方法如下：
S1：水携沙压裂方法：
S1.1：动力源的选择：采用空压机驱动气体增压泵以空气作为携沙釜模块的沙粒驱动腔的动力；或者以恒速恒压泵抽取水槽中的水输送至携沙釜模块的沙粒驱动腔以水作为沙粒驱动腔的动力；
S1.2：恒速恒压泵将水槽中的水抽取出，通过控制阀门使得水进入到携沙釜模块的沙粒搅拌腔内，将水与沙粒搅拌腔内沙粒通过搅拌电机进行搅拌实现混合；然后通过S1.1中的动力源将水携沙粒输入到岩心夹持器中的压裂管，并通过压裂管进入岩心实现压裂；
S2：CO2携沙压裂方法：CO2高压气瓶将CO2气体输送高压容器内，通过恒速恒压泵将水槽中的水抽取出作为高压容器的动力源，驱动CO2气体进入到携沙釜模块的沙粒搅拌腔内，将CO2气体与沙粒搅拌腔内沙粒通过搅拌电机进行搅拌实现混合；然后通过S1.1中的动力源将CO2气体携沙粒输入到岩心夹持器中的压裂管，并通过压裂管进入岩心实现压裂；
S3：氮气携沙压力方法：高压液氮容器释放氮气进入到到携沙釜模块的沙粒搅拌腔内，将氮气与沙粒搅拌腔内沙粒通过搅拌电机进行搅拌实现混合；然后通过S1.1中的动力源将氮气携沙粒输入到岩心夹持器中的压裂管，并通过压裂管进入岩心实现压裂。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种用于岩心压裂的携沙压裂装置，其特征在于：包括驱动模块、携沙釜模块和岩心夹持器；所述驱动模块的输出端连接在携沙釜模块上驱动携沙釜中的沙料混合物进入岩心夹持器中；所述岩心夹持器中设置有岩心；
所述驱动模块包括液氮注入单元、CO2注入单元和水注入单元；所述液氮注入单元、CO2注入单元和水注入单元的输出端均连接在岩心夹持器上且可通过阀门进行切换；
所述携沙釜模块包括携沙釜体、搅拌电机和活塞；所述活塞设置在携沙釜体内将携沙釜体分隔成沙粒驱动腔和沙粒搅拌腔；所述搅拌电机设置在沙粒搅拌腔上且搅拌电机的输出端连接在沙粒搅拌腔内；
所述液氮注入单元包括空压机、气体增压泵、调压器和高压液氮容器；所述空压机的输出端上连接有气体增压泵，气体增压泵的输出端连接在高压液氮容器上，高压液氮容器的两端分别与携沙釜模块的两端并联，所述高压液氮容器内设置有液氮，实现对携沙釜模块的沙粒搅拌腔提供氮气和对沙粒驱动腔提供动力；所述调压器连接在气体增压泵与高压液氮容器之间；
所述CO2注入单元与液氮注入单元的输出端并联，所述CO2注入单元包括CO2高压气瓶和高压容器；所述CO2高压气瓶的输出端连接在高压容器的输出端上；所述高压容器设置在一制冷箱内，且高压容器内设置有一活塞且活塞将高压容器隔离为CO2气体区和CO2气体驱动区，所述CO2气体驱动区通过管道连接在水注入单元的输出端上；所述CO2气体区通过管道与携沙釜模块的沙粒搅拌腔相连，实现对沙粒搅拌腔输入CO2气体；
所述水注入单元包括水槽和恒速恒压泵；所述恒速恒压泵的输入端通过管道连接在水槽内且该管道上设置有过滤器；所述恒速恒压泵的输出端分为四路且其中一路连接在CO2注入单元的高压容器CO2气体驱动区上作为CO2注入单元的动力源，一路连接在岩心夹持器的注入口上，一路连接在沙粒驱动腔上，一路连接在沙粒搅拌腔上实现对沙粒搅拌腔输入水。
2.根据权利要求1所述的一种用于岩心压裂的携沙压裂装置，其特征在于：所述岩心夹持器中的岩心内设置有压裂管，且压裂管上均匀开有出料口。
3.根据权利要求1所述的一种用于岩心压裂的携沙压裂装置，其特征在于：所述岩心夹持器的其中一端面为注入口，在三维空间中的三个面记为X轴端面、Y轴端面和Z轴端面互相垂直且三个面上均设置有输出口；所述岩心夹持器内设置有方体岩心，且岩心夹持器的注入口位于岩心夹持器设置有嵌入方体岩心的压裂管；所述岩心夹持器的X轴端面、Y轴端面和Z轴端面的输出口均独立连接有液压控制模块；所述液压控制模块包括液压电动泵气动液压缸形成的液压动力源、液压控制电路和换向阀组；所述液压动力源通过液压管道连接在岩心夹持器的输出口上，所述换向阀组包括一对并联设置的换向阀且连接在液压动力源的输出端上，所述液压控制电路控制液压动力源的动作及控制换向阀组的动作。
4.一种权利要求1用于岩心压裂的携沙压裂装置的压裂方法，其特征在于：包括水携沙压裂方法、CO2携沙压裂方法和氮气携沙压力方法；具体方法如下：
S1：水携沙压裂方法：
S1.1：动力源的选择：采用空压机驱动气体增压泵以空气作为携沙釜模块的沙粒驱动腔的动力；或者以恒速恒压泵抽取水槽中的水输送至携沙釜模块的沙粒驱动腔以水作为沙粒驱动腔的动力；
S1.2：恒速恒压泵将水槽中的水抽取出，通过控制阀门使得水进入到携沙釜模块的沙粒搅拌腔内，将水与沙粒搅拌腔内沙粒通过搅拌电机进行搅拌实现混合；然后通过S1.1中的动力源将水携沙粒输入到岩心夹持器中的压裂管，并通过压裂管进入岩心实现压裂；
S2：CO2携沙压裂方法：CO2高压气瓶将CO2气体输送高压容器内，通过恒速恒压泵将水槽中的水抽取出作为高压容器的动力源，驱动CO2气体进入到携沙釜模块的沙粒搅拌腔内，将CO2气体与沙粒搅拌腔内沙粒通过搅拌电机进行搅拌实现混合；然后通过S1.1中的动力源将CO2气体携沙粒输入到岩心夹持器中的压裂管，并通过压裂管进入岩心实现压裂；
S3：氮气携沙压力方法：高压液氮容器释放氮气进入到到携沙釜模块的沙粒搅拌腔内，将氮气与沙粒搅拌腔内沙粒通过搅拌电机进行搅拌实现混合；然后通过S1.1中的动力源将氮气携沙粒输入到岩心夹持器中的压裂管，并通过压裂管进入岩心实现压裂。
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