CN111879620A - 模拟地层深部岩石的温压条件并进行水力压裂的设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水力压裂技术领域，具体涉及为模拟地层深部岩石的温压条件并进行水力压裂的设备，包括温压调节系统、水流注入系统和数据收集系统；所述温压调节系统包括金属釜、温控装置和加压装置，所述金属釜内设有一个容纳岩样的内腔，所述温控装置设置在所述金属釜上；所述加压装置为所述内腔内的岩样提供径向和轴向的压力；所述水流注入系统输送混合液至所述金属釜，所述混合液由水和至少一种钻井液混合组成；所述数据收集系统包括控制台、数据收集器和传感器，所述传感器用于测量所在连接管道的相关参数，所述控制台通过所述数据收集器分别连接所述传感器。还原了岩样在深部地层所处的温压条件并对岩样进行水力压裂试验；满足多项试验的要求。

Description

模拟地层深部岩石的温压条件并进行水力压裂的设备及方法
技术领域
本发明涉及水力压裂技术领域，具体是模拟地层深部岩石的温压条件并进行水力压裂的设备及方法。
背景技术
地热能由于其清洁、运行稳定和空间分布广泛等优点，已经成为世界各国重点研究开发的新能源，我国对地热能的利用主要以水热型地热资源为主，干热岩的研究刚刚起步。目前，干热岩资源开发利用的核心内容之一就是人工储层的建造，工程上常常采用水力压裂、化学刺激、热刺激等方式建造储层。但是现场实施钻孔耗时长、成本高、风险大，所以在实验室实施水力压裂试验非常有必要，大量的高温热损伤、高温热开裂开展进行。
目前，进行岩石热开裂试验的主要方式包括：三轴压缩试验、巴西劈裂试验、单轴压缩试验等，三轴压缩试验可以实现高温高压下的压裂过程，但是在实验中岩样没有和低温液体进行接触只进行了加热过程，没有进行降温热冲击过程。巴西劈裂试验可以观察岩样在受力劈裂后的裂隙分布，但是不能在实验的过程中使岩样维持高温高压状态。单轴压缩试验可以针对不同尺寸的岩样进行试验，也可以使高温岩样进行热冲击过程，但是只能对岩样施加轴压无法模拟地层的围压状态。
发明内容
本发明的目的在于提供模拟地层深部岩石的温压条件并进行水力压裂的设备及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
模拟地层深部岩石的温压条件并进行水力压裂的设备，包括温压调节系统、水流注入系统和数据收集系统；所述温压调节系统包括金属釜、温控装置和加压装置，所述金属釜内设有一个容纳岩样的内腔，所述温控装置设置在所述金属釜上，所述温控装置控制所述内腔的温度，所述加压装置为所述内腔内的岩样提供径向和轴向的压力；所述水流注入系统与所述金属釜连接，所述水流注入系统输送混合液至所述金属釜，所述混合液由水和至少一种钻井液混合组成；所述数据收集系统包括控制台、数据收集器和传感器，若干传感器设在所述温压调节系统、水流注入系统与所述金属釜的连接管道上，用于测量所在连接管道的相关参数，所述控制台通过所述数据收集器分别连接所述传感器。
作为本发明进一步的方案：所述金属釜包括分别设置在所述内腔顶部、外圆周、底部的轴向储油腔、径向储油腔和岩样固定底座，所述轴向储油腔、径向储油腔与所述加压装置接通，所述岩样固定底座固定所述岩样。
作为本发明再进一步的方案：所述金属釜还包括锁紧帽和金属罩，所述锁紧帽的顶部与所述径向储油腔抵接，所述锁紧帽与所述金属罩和岩样固定底座连接；所述金属罩的两端分别与所述轴向储油腔和岩样固定底座连接。
作为本发明再进一步的方案：所述加压装置包括活塞组件和液压泵，所述活塞组件设置在所述轴向储油腔内，两个所述液压泵分别与所述活塞组件和径向储油腔接通。
作为本发明再进一步的方案：所述水流注入系统包括依次连接的气源、储液件和搅拌器，所述搅拌器的出水口接通所述金属釜。
作为本发明再进一步的方案：所述储液件包括若干并联连接的储液箱。
作为本发明再进一步的方案：还包括密封件，所述密封件设置在所述金属釜内各部件的连接处。
作为本发明再进一步的方案：所述温控装置包括加热器，所述加热器安装在所述金属釜外圆周设有的高温加热层上，为所述内腔提供热量。
作为本发明再进一步的方案：还包括保温件，所述保温件包裹所述温压调节系统、水流注入系统的连接管道。
作为本发明再进一步的方案：采用如上任一所述的模拟地层深部岩石的温压条件并进行水力压裂的设备，包括以下步骤：
制作岩样并将岩样装载至所述金属釜的内腔内；
制作由至少一种钻井液和水组成的在额定温度的混合液；
开启温控装置和加压装置，使岩样的温度、所受的轴压和围压达到预设值；
通过所述数据收集系统测量、记录各部件的温度和压力参数；
接通所述水流注入系统与所述金属釜，使混合液流入金属釜内进行水力压裂试验。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：还原了岩样在深部地表所处的温压条件并对岩样进行水力压裂试验；可以自由调节岩样所处的温压环境，满足了水力压裂、化学刺激、热刺激等多项试验的要求。
附图说明
图1为模拟地层深部岩石的温压条件并进行水力压裂的设备的结构示意图。
图2为模拟地层深部岩石的温压条件并进行水力压裂的设备中保温金属釜的剖面图。
图3为本发明实施例中岩样固定底座的俯视图。
图4为本发明实施例中岩样固定底座的结构示意图。
附图中：1.控制台，1-1.数据采集器，2.轴向活塞杆，3.轴压泵，4.围压泵，5.防水耐热胶套，6.金属釜，7.温控装置，7-1.高温加热层，8.轴向储油腔，9.径向储油腔，10.岩样固定底座，10-1.液体流入口，11.紧锁帽，12.金属罩，13.气瓶，14.第一储液箱，15.第二储液箱，16.第三储液箱，17.搅拌器，18.废液灌。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本实施例公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
请参阅图1-2，本发明实施例中，模拟地层深部岩石的温压条件并进行水力压裂的设备，包括温压调节系统、水流注入系统和数据收集系统；所述温压调节系统包括金属釜6、温控装置7和加压装置，所述金属釜6内设有一个容纳岩样的内腔，所述温控装置7设置在所述金属釜上，所述温控装置7控制所述内腔的温度，所述加压装置为所述内腔内的岩样提供径向和轴向的压力；所述水流注入系统与所述金属釜6连接，所述水流注入系统输送混合液至所述金属釜，所述混合液由水和至少一种钻井液混合组成；所述数据收集系统包括控制台1、数据收集器1-1和传感器，若干传感器设在所述温压调节系统、水流注入系统与所述金属釜的连接管道上，用于测量所在连接管道的相关参数，所述控制台通过所述数据收集器分别连接所述传感器。
具体的，所述控制台1为电脑；通过所述温压调节系统将所述内腔的温度、压力调节至地层深部岩石的温压环境；之后，从所述金属釜6的底部通入混合液实施水力压裂实验。这个过程中，所述传感器对所述温压调节系统、水流注入系统连接管路的温度、压力及流速进行测量，并将数据通过所述数据收集器1-1传输给所述控制台1。控制台记录水力压裂实验整个过程的相关的温度、压力及流速参数，并根据相关的温度、压力及流速，及对取出的岩样进行扫描电镜等观察，观测在不同温压条件下水力压裂后岩样内部的裂缝发育情况。还原了岩样在深部地表所处的温压条件并对岩样进行水力压裂试验；可以自由调节岩样所处的温压环境，满足了水力压裂、化学刺激、热刺激等多项试验的要求。
请参阅图1，本发明实施例中，所述加压装置包括活塞组件和液压泵，所述活塞组件设置在所述轴向储油腔内，两个所述液压泵分别与所述活塞组件和径向储油腔接通。
具体的，两个所述液压泵分别为轴压泵3和围压泵4，所述轴压泵3和围压泵4与所述金属釜6连接，所述活塞组件包括轴向活塞杆2，所述轴向活塞杆2设在所述金属釜6内；所述轴压泵3和围压泵4分别通过轴向活塞杆2、内腔对所述金属釜6的岩样施加轴向、径向的压力。模拟了所述岩样在地层深部的压力环境。
请参阅图1，本发明实施例中，所述金属釜6包括分别设置在所述内腔顶部、外圆周、底部的轴向储油腔8、径向储油腔9和岩样固定底座10，所述轴向储油腔8、径向储油腔9与所述加压装置接通，所述岩样固定底座10固定所述岩样。
具体的，所述轴向储油腔8为圆形筒状，所述轴向活塞杆2安装在所述轴向储油腔8内，开启轴压泵3向轴向储油腔8中注油，推动轴向活塞杆2沿轴向储油腔8内壁滑动为岩样施加轴向压力，在轴向储油腔8的下部设有紧压台面，与径向储油腔9上台面紧压。所述径向储油腔9为圆环筒状，围绕在岩样的外侧，所述径向储油腔9的内部为防水耐热胶套5，防水耐热胶套5可以防止径向储油腔9内液体与岩石直接接触、较柔软的胶套均匀向各方向传递压力，更好的为岩样施加围压。
如图2，所述岩样固定底座10为下端封闭的圆柱状结构，在岩样固定底座10最上方设有圆柱状的喷水口10-1，使液体与岩石接触的更加充分，如图3、4，所述岩样固定底座10内部设有通水管与水流注入系统相连接，岩样固定底座10的外侧设有螺纹，岩样固定底座10的最底部为大表面积的圆柱体底板，增大了整个设备的稳定性。
请参阅图1，本发明实施例中，所述金属釜还包括锁紧帽11和金属罩12，所述锁紧帽11的顶部与所述径向储油腔9抵接，所述锁紧帽11与所述金属罩12和岩样固定底座10连接；所述金属罩12的两端分别与所述轴向储油腔8和岩样固定底座10连接。
具体的，所述锁紧帽11为圆环筒状结构，设置在所述金属釜的底部，所述锁紧帽11的顶部设有环形压紧台面，在其内部和外部都设有螺纹，压紧台面与上方的所述径向储油腔9的下台面紧密连接，防止径向储油腔9内液体泄漏，锁紧帽11通过螺纹与内部的岩样固定底座10和外侧的金属罩12连接。
请参阅图1，本发明的一个实施例中，所述水流注入系统包括依次连接的气源、储液件和搅拌器17，所述搅拌器17的出水口接通所述金属釜6。
具体的，所述气源为氮气不会与液体进行反应，氮气储存在气瓶13内，通过气瓶13与所述储液件连接，并且在所述气瓶13与所述储液件的连接管路上设有开关K3和调压泵，通过调压泵向所述储液件输送高压气体。所述储液件包括若干并联连接的储液箱。第一储液箱14、第二储液箱15和第三储液箱16并联连接，所述第一储液箱14、第二储液箱15和第三储液箱16分别储存水、钻井液I和钻井液II。所述第一储液箱14的进气口设有开关K4，出液口设有压力传感器P3、温度传感器T2及开关K7；所述第二储液箱15的进气口设有开关K5，出液口设有压力传感器P4、温度传感器T3及开关K8；所述第三储液箱16的进气口设有开关K6，出液口设有压力传感器P5、温度传感器T4及开关K9。所述搅拌器17与所述金属釜6之间的连接管路上设有流速传感器U1。通过所述开关K3、开关K4、开关K5、开关K6调节输送至所述第一储液箱14、第二储液箱15和第三储液箱16的气体压力，通过所述所述开关K7、开关K8、开关K9控制所述搅拌器17内混合液的配比。通过所述压力传感器P3、温度传感器T2检测所述第一储液箱14排出的水的温度和压力；通过压力传感器P4、温度传感器T3检测所述第二储液箱15排出的水的温度和压力；通过所述压力传感器P5、温度传感器T4检测所述第三储液箱16排出的水的温度和压力；并将检测的数据发送给所述数据收集器1-1，所述数据收集器1-1将数据传输给所述控制台1。通过开关K7、开关K8、开关K9控制最后流入搅拌器17，经搅拌后流入金属釜6)内，第一储液箱14、第二储液箱15和第三储液箱16与搅拌器17内部的液体储量不应大于内腔总容量的2/3。
综上所述，搅拌器内组成混合液的不同钻井液可以通过相对应的开关来进行任意的调配，模拟出水力压裂实验的实验参数，完成水力压裂实验。通过相应的传感器可以对水力压裂实验过程进行完整的监控，为水力压裂实验提供有力支撑。
进一步的，所述水流注入系统还包括废液灌18，所述废液灌18接入所述金属釜6与所述搅拌器17之间的连接管路；且所述废液灌18的进液口设有开关K11，所述金属釜6的液体流入口10-1设有开关K10；所述废液灌18用于平衡所述搅拌器17输出的混合液的流速，在注水开始阶段，所述搅拌器17输出混合液的流速不稳定，对岩样产生额外冲击，所述废液灌18缓解混合液的脉冲，保证水力压裂实验的准确性。
优选的，所述轴压泵3、围压泵4所在连接管路上分别设有压力传感器P1和开关K1、压力传感器P2和开关K2，通过所述开关K1和开关K2控制送入所述的油量，进而控制所述轴向储油腔和径向储油腔对岩样的压力。
请参阅图1，本发明的一个优选实施例中，还包括密封件，所述密封件设置在所述金属釜内各部件的连接处。
具体的，所述密封件包括所述金属罩的螺纹处设有的防水橡胶圈、所述轴向活塞杆2与轴向储油腔8内腔的接触处设有的止水圈；起密封防水作用。
请参阅图1，本发明实施例中，所述温控装置包括加热器，所述加热器安装在所述金属釜外圆周设有的高温加热层7-1上，为所述内腔提供热量。
所述高温加热层7-1上设有温度传感器T1，对所述高温加热层7-1进行温度监测。所述加热器为所述内腔提供热量。
进一步的，所述第一储液箱14、第二储液箱15和第三储液箱16上设有加热器，通过所述加热器对所述第一储液箱14、第二储液箱15和第三储液箱16内的液体进行加热，使所述配备混合所需的水和钻井液的温度保持在设定范围内。
请参阅图1，本发明实施例中，还包括保温件，所述保温件包裹所述温压调节系统、水流注入系统的连接管道。
所述保温件采用保温橡胶或保温棉，使用保温橡胶或保温棉对各连接管路进行包裹，隔断和减缓热量散失。
本发明提供的另一个实施例中，模拟地层深部岩石的温压条件并进行水力压裂的方法，采用如上任一所述的模拟地层深部岩石的温压条件并进行水力压裂的设备，包括以下步骤：制作岩样并将岩样装载至所述金属釜的内腔内；制作由至少一种钻井液和水组成的在额定温度的混合液；开启温控装置和加压装置，使岩样的温度、所受的轴压和围压达到预设值；通过所述数据收集系统测量、记录各部件的温度和压力参数；接通所述水流注入系统与所述金属釜，使混合液流入金属釜内进行水力压裂试验。
具体的，将岩石打磨成直径为50mm长度为100mm的圆柱体岩样；将岩样放入岩样固定底座10上，安装好其他相关的试验仪器；在第一储液箱14中加入回灌水、第二储液箱15和第三储液箱16中分别加入钻井液I、钻井液II，并将液态加热至额定温度；打开控制台1和数据收集器1-1，开启轴压泵3和围压泵4，打开开关K1、开关K2，通过控制台1监测并调节轴压泵3和围压泵4使岩样所受的轴压和围压达到预设值，开启高温加热层7-1使岩样达到预设温度；设置所述数据收集器1-1的数据采集间隔，对相关温度和压力进行监测；打开气源、开关K3、搅拌器17，通过调压阀调节气体压力达到额定的压力值，并根据实际情况，调节所述开关K4至开关K9，调节回灌水与钻井液的比例，令混合液态进入搅拌器17中，在流速稳定前打开开关K11使混合液态流入废液灌18，待流速稳定后关闭开关K11,打开开关K10使液体流入金属釜6内进行水力压裂试验。压裂结束后保存数据收集器1-1的监测数据，关闭数据收集器1-1，打开轴压泵3和围压泵4的回水阀，关闭高温加热层7，关闭气源的开关K3，关闭开关K10，打开泄压阀K11卸掉固结压力和水头压力，待金属釜6冷却到室温后取出岩样，将废液灌18清理干净。试验结束后对取出的岩样进行XRD(X射线衍射)和扫描电镜等分析，观测在不同温压条件下水力压裂后岩样内部的裂缝发育情况。
本发明的工作原理是：通过所述温压调节系统将所述内腔的温度、压力调节至地层深部岩石的温压环境；之后，从所述金属釜6的底部通入混合液实施水力压裂实验。这个过程中，所述传感器对所述温压调节系统、水流注入系统连接管路的温度、压力及流速进行测量，并将数据通过所述数据收集器1-1传输给所述控制台1。控制台记录水力压裂实验整个过程的相关的温度、压力及流速参数，并根据相关的温度、压力及流速，及对取出的岩样进行扫描电镜等观察，观测在不同温压条件下水力压裂后岩样内部的裂缝发育情况。
需要说明的是，本发明所采用的数据采集器、传感器为现有技术的应用，本专业技术人员能够根据相关的描述实现所要达到的功能，或通过相似的技术实现所需完成的技术特性，在这里就不再详细描述。
本领域技术人员在考虑说明书及实施例处的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.模拟地层深部岩石的温压条件并进行水力压裂的设备，其特征在于，包括温压调节系统、水流注入系统和数据收集系统；
所述温压调节系统包括金属釜、温控装置和加压装置，所述金属釜内设有一个容纳岩样的内腔，所述温控装置设置在所述金属釜上，所述温控装置控制所述内腔的温度，所述加压装置为所述内腔内的岩样提供径向和轴向的压力；
所述水流注入系统与所述金属釜连接，所述水流注入系统输送混合液至所述金属釜，所述混合液由水和至少一种钻井液混合组成；
所述数据收集系统包括控制台、数据收集器和传感器，若干传感器设在所述温压调节系统、水流注入系统与所述金属釜的连接管道上，用于测量所在连接管道的相关参数，所述控制台通过所述数据收集器分别连接所述传感器。
2.根据权利要求1所述的模拟地层深部岩石的温压条件并进行水力压裂的设备，其特征在于，所述金属釜包括分别设置在所述内腔顶部、外圆周、底部的轴向储油腔、径向储油腔和岩样固定底座，所述轴向储油腔、径向储油腔与所述加压装置接通，所述岩样固定底座固定所述岩样。
3.根据权利要求2所述的模拟地层深部岩石的温压条件并进行水力压裂的设备，其特征在于，所述金属釜还包括锁紧帽和金属罩，所述锁紧帽的顶部与所述径向储油腔抵接，所述锁紧帽与所述金属罩和岩样固定底座连接；所述金属罩的两端分别与所述轴向储油腔和岩样固定底座连接。
4.根据权利要求2所述的模拟地层深部岩石的温压条件并进行水力压裂的设备，其特征在于，所述加压装置包括活塞组件和液压泵，所述活塞组件设置在所述轴向储油腔内，两个所述液压泵分别与所述活塞组件和径向储油腔接通。
5.根据权利要求1所述的模拟地层深部岩石的温压条件并进行水力压裂的设备，其特征在于，所述水流注入系统包括依次连接的气源、储液件和搅拌器，所述搅拌器的出水口接通所述金属釜。
6.根据权利要求5所述的模拟地层深部岩石的温压条件并进行水力压裂的设备，其特征在于，所述储液件包括若干并联连接的储液箱。
7.根据权利要求1所述的模拟地层深部岩石的温压条件并进行水力压裂的设备，其特征在于，还包括密封件，所述密封件设置在所述金属釜内各部件的连接处。
8.根据权利要求1所述的模拟地层深部岩石的温压条件并进行水力压裂的设备，其特征在于，所述温控装置包括加热器，所述加热器安装在所述金属釜外圆周设有的高温加热层上，为所述内腔提供热量。
9.根据权利要求1所述的模拟地层深部岩石的温压条件并进行水力压裂的设备，其特征在于，还包括保温件，所述保温件包裹所述温压调节系统、水流注入系统的连接管道。
10.模拟地层深部岩石的温压条件并进行水力压裂的方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一所述的模拟地层深部岩石的温压条件并进行水力压裂的设备，包括以下步骤：
制作岩样并将岩样装载至所述金属釜的内腔内；
制作由至少一种钻井液和水组成的在额定温度的混合液；
开启温控装置和加压装置，使岩样的温度、所受的轴压和围压达到预设值；
通过所述数据收集系统测量、记录各部件的温度和压力参数；
接通所述水流注入系统与所述金属釜，使混合液流入金属釜内进行水力压裂试验。
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