CN112924299A - 极端深层环境下高温岩石压裂试验系统 - Google Patents

极端深层环境下高温岩石压裂试验系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及深层能源开发(深层油气开采、地热开发)等技术领域，特别地涉及一种极端深层环境下高温岩石压裂试验系统。所述试验系统包括注入系统、三轴加载和高温系统、智能控制系统，其中注入系统可灵活选择多种压裂液进行压裂试验，三轴加载和高温系统中安置试样，可实现真实模拟深层、超深层极端环境，并进行具体压裂试验研究，智能控制系统与注入系统、三轴加载和高温系统相连接，可通过计算机控制试验并监测数据。本发明可实现多种压裂液有选择性地与极端环境下高温、高地应力条件的耦合试验研究，为深层、超深层地质资源开采提供试验参考。

Description

极端深层环境下高温岩石压裂试验系统
技术领域
本发明涉及深层能源开发(深层油气开采、地热开发)等技术领域，特别地涉及一种极端深层环境下高温岩石压裂试验系统。
背景技术
随着世界经济的急速发展，人类对地质资源的需求量也与日俱增，在日复一日的资源开采中，地表浅层资源量逐渐无法满足人类的需求，资源开采向深层、超深层进军已成为大势所趋。深层油气资源是近十年全球探明储量的增长主体，不断突破有效资源保持深度下限。2008～2018年，全球在4000m以下深地层新增油气探明储量234亿吨油当量，超过同期全球新增油气储量的60％，油气钻探最大深度达到12869m。我国深层油气勘探已经从过去的4000～5000m扩展到6000～8000m。如我国塔里木盆地寒武系特深层，勘探深度由顺北地区奥陶系7000～8000米的超深层，拓展到盆地北部寒武系8000～9000米的特深层。
目前以石油天然气为主的深层、超深层地质资源，受到人类的广泛关注，同时地热资源作为一种宝贵、绿色的可再生能源，具有天然气不可比拟的众多优势，也受到越来越多学者的关注。目前已探明的地热资源储量十分巨大，但是对其如何有效开采的研究还较为稀缺，已有学者提出利用类似水力压裂的方法进行地热开采，但还不够完善。
无论是石油天然气资源还是地热资源，其开采向深层、超深层发展已是必然，而目前使用压裂技术进行的研究多是独立研究，且多是对一种压裂液进行研究。深层、超深层岩石往往处于高温、高地应力等极端环境下，目前针对于此的综合研究较少，难以真实模拟极端环境下的压裂过程。
发明内容
鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种极端深层环境下高温岩石压裂试验系统，包括注入系统、三轴加载和高温系统、智能控制系统。所述注入系统可灵活选择多种压裂液进行压裂试验。所述三轴加载和高温系统中安置试样，通过围压系统和液压缸进行三轴加载，通过高温加热炉提高试验温度，实现真实模拟深层、超深层极端环境，并进行具体压裂试验研究。所述智能控制系统与注入系统、三轴加载和高温系统相连接，可通过计算机控制试验并监测数据。
为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种极端深层环境下高温岩石压裂试验系统，包括注入系统、三轴加载和高温系统、智能控制系统。其中注入系统包括压裂液钢瓶、低温浴槽、预热器、开关阀门、恒速恒压泵、表面活性剂容器、柱塞泵、多孔介质泡沫发生器、二氧化碳流体容器；三轴加载和高温系统包括流量测量计、压裂液注入管道、压裂液流出管道、电子天平、垫块、刚性加载框架、液压缸、筒体、平衡螺钉、拉紧螺钉、上岩心塞、试样、下岩心塞、固定装置、加热炉、铝合金保护套、保温套、下法兰、轴向加载连接法兰；智能控制系统包括计算机和连接线。
优选地，所述注入系统的特征包括：压裂液钢瓶实时更换，可选择如液氮、液态氦、水、液态二氧化碳、泡沫等多种压裂液进行压裂试验；低温浴槽可控制温度由-10℃至室温，精度为0.1℃；预热器温度调节范围为0℃-80℃，控温精度为±0.5℃，二者结合，用于精确控制温度；多孔介质泡沫发生器可生成泡沫压裂液体系，具有易反排、低滤失、携砂能力强等特点；表面活性剂容器内的表面活性剂可提高泡沫压裂液体系的稳定性；恒速恒压泵由智能控制系统控制，可根据试验要求，实时调节，实现向试样中恒速恒压注入压裂液；柱塞泵可将表面活性剂选择性地添加到多孔介质泡沫发生器中；在注入系统的各个组成部分连接线上皆装有开关阀门，可自由选择开关，控制注入液的成分。
优选地，所述三轴加载和高温系统的特征包括：在压裂液入口、出口处装有流量测量计，可实时监测压裂液的流量情况并加以反馈；出口处连接电子天平，可对流出压裂液进行测量；试样安置于上、下岩心塞之间，并连接有压裂液注入管线和流出管线，上、下岩心塞起到固定试样的作用，其中上岩心塞可以由上部拔出，便于取出试样，研究压裂后的试样，同时方便进行重复性试验；刚性加载框架可承载2000kN压力，刚度10GN/m；筒体内装有耐高温硅油，具有良好的耐磨性、润滑性、抗氧化性等优点；利用液压缸进行轴向加载，利用液压油进行围压加载，从而实现三轴加载条件；平衡螺钉、拉紧螺钉和固定装置对整体系统起平衡、稳定作用；在试样周围包裹一层由铝合金材料制成的保护套，在有效传递热量给试样，提供高温环境的同时，避免高温影响下采用常规的塑胶套大变形进而发生损坏；考虑到加热炉对整体系统的高温处理最高可达400℃，采用镍基合金材料制成高温围压室，在可承受400℃高温的同时，还可承受高达210MPa的围压，从而可真实模拟极端环境下压裂试验而不会发生系统损坏现象；在最外层包裹保护套，避免热量散失，影响压裂试验的环境稳定性。
优选地，所述智能控制系统包括计算机和与注入系统、三轴加载和高温系统相连接的连接线，用于智能控制整个试验。
优选地，本发明的一种极端深层环境下高温岩石压裂试验系统，其试验步骤按照先后顺序包括：在三轴加载和高温系统中将试样安置于下岩心塞上，安装上岩心塞并塞紧；通过筒体内的液压油施加试验所需围压，通过液压缸施加试验所需轴压；通过加热炉加热试验温度；达到试验模拟的高温、高地应力极端环境下时，保持环境恒定；通过注入系统的柱塞泵将表面活性剂加入到多孔介质泡沫发生器中；通过选择性地打开或者关闭开关阀门，灵活控制压裂液的成分；在阀门开关完毕，选择好压裂液后，利用计算机控制，使用恒速恒压泵将压裂液注入到试样中进行压裂试验，并用流量测量计和电子天平实时监测注入和流出流量，记录数据；待压裂完成后关闭所有阀门，提升液压缸，由上部拔下上岩心塞，取出试样并观察压裂裂缝，进行研究分析。
相对于现有技术，本发明具有如下有益成果：
1、本试验系统可实现多种压裂液有选择性地与极端环境下高温、高地应力条件的耦合试验研究，为深层、超深层地质资源开采提供试验参考。
2、本试验系统中的注入系统，采用多个开关阀门灵活设计，可实现模拟不同种压裂液在极端环境下的压裂情况，为优选压裂液提供参考。
3、本试验系统中的注入系统，考虑了将表面活性剂加入多孔介质泡沫发生器中，起到提高泡沫压裂液体系稳定性的作用。
4、本试验系统中的三轴加载和高温系统，采用铝合金材料作保护套进行隔热保护，避免高温影响下采用常规的塑胶套大变形进而发生损坏，同时高温围压室采用镍基合金材料制成，可承受高围压和高温环境，从而达到真实模拟极端环境的目的。
5、本试验系统中试样安置和拆取方便，便于研究试验结果和进行重复性试验。
附图说明
图1：极端深层环境下高温岩石压裂试验系统总体结构示意图；
图2：极端深层环境下高温岩石压裂试验系统的注入系统结构示意图；
图3：极端深层环境下高温岩石压裂试验系统的三轴加载和高温系统结构示意图。
图中标注说明：1-注入系统，101-压裂液钢瓶，102-预热器1，103-开关阀门1，104-低温浴槽，105-表面活性剂容器，106-柱塞泵，107-开关阀门2，108-多孔介质泡沫发生器，109-预热器2，110-恒速恒压泵，111-开关阀门3，112-开关阀门4，113-二氧化碳流体容器，114-开关阀门5；
2-三轴加载和高温系统，201-流量测量计，202-压裂液注入管道，203-垫块，204-液压缸，205-刚性加载框架，206-保温套1，207-试样，208-压裂液注入口，209-保温套2，210-平衡螺钉，211-拉紧螺钉，212-上岩心塞，213-楔形填料，214-加热炉，215-固定装置1，216-铝合金保护套，217-固定装置2，218-筒体，219-下岩心塞，220-下法兰，221-轴向加载连接法兰，222-压裂液流出管道，223-电子天平；
3-智能控制系统。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形与改进。这些都属于本发明的保护范围。
请参考图1、图2和图3，极端深层环境下高温岩石压裂试验系统，其由注入系统1、三轴加载和高温系统2、智能控制系统3组成，其中所述智能控制系统3通过连接线可对注入系统1、三轴加载和高温系统2进行控制与监测。
注入系统1，包括：压裂液钢瓶101，预热器102，开关阀门103，低温浴槽104，其中通过更换压裂液钢瓶101，结合开关阀门103，可灵活控制注入压裂液的种类，预热器102和低温浴槽104结合，可精确控制，满足所需不同温度要求；表面活性剂容器105，柱塞泵106，开关阀门107，多孔介质泡沫发生器108，预热器109，其中柱塞泵106可将表面活性剂选择性地加入到多孔介质泡沫发生器108中，起到提高泡沫压裂液体系稳定性的作用，开关阀门107可灵活开关进行控制，预热器109可调节温度为0℃-80℃；恒速恒压泵110连接智能控制系统3，可精确控制试验所需注入速度；开关阀门111、112和114可选择性地开关，调整注入压裂液的种类。
三轴加载和高温系统2，包括：流量测量计201，压裂液注入管道202，压裂液流出管道222，电子天平223，其中流量测量计201和电子天平223可对注入和流出压裂液的流量进行监测并与智能控制系统相连接，进行实时反馈；垫块203可保证加载的整体稳定性；借助液压缸204、刚性加载框架205和筒体218内的液压油可实现对试样207进行三轴加载，模拟极端环境下高地应力条件；试样207安置于上岩心塞212，下岩心塞219之间，其中上岩心塞212可拔出，便于取出试样207进行研究；平衡螺钉210、拉紧螺钉211、固定装置215、217对系统整体起到稳定的作用；加热炉214、保温套206和209、铝合金保护套216是高温模块，其中加热炉214进行加热升温，保温套206和209防止热量散失，铝合金保护套216起到隔热保护作用，防止高温影响下采用常规的塑胶套大变形进而发生损坏；铝合金保护套216厚度宜为2.6mm，若厚度过小则试验时易破损，若厚度过大则限制试样横向膨胀影响试验精度。
具体试验步骤如下：
1、在三轴加载和高温系统2内将试样207安置于下岩心塞219上，安装上岩心塞212并塞紧；
2、通过筒体218内的液压油施加试验所需围压，通过液压缸204施加试验所需轴压，通过加热炉214加热试验温度；
3、在达到试验模拟的高温、高地应力极端环境下时，保持试验环境条件恒定，通过注入系统1的柱塞泵106将表面活性剂加入到多孔介质泡沫发生器108中；
4、将压裂液钢瓶101内的压裂液更换为试验所需压裂液种类如液氮、液态氦、水、液态二氧化碳、泡沫等，通过选择性地打开或关闭开关阀门103、107、111、112、114，可灵活控制压裂液的成分；
5、阀门开关完毕，选择好压裂液后，使用恒速恒压泵110将压裂液注入到试样207中进行压裂试验，并用流量测量计201和电子天平223实时监测注入和流出流量；
6、待压裂完成后关闭所有阀门，提升液压缸204，由上部拔出上岩心塞212，取出试样207并观察压裂裂缝，进行研究分析。

Claims (7)

1.极端深层环境下高温岩石压裂试验系统，包括注入系统、三轴加载和高温系统、智能控制系统；所述注入系统包括压裂液钢瓶、低温浴槽、预热器、开关阀门、恒速恒压泵、多孔介质泡沫发生器、表面活性剂容器、柱塞泵；所述三轴加载和高温系统包括流量测量计、压裂液注入管道、压裂液流出管道、电子天平、刚性加载框架、液压缸、筒体、平衡螺钉、拉紧螺钉、固定装置、上岩心塞、试样、下岩心塞、下法兰、轴向加载连接法兰、加热炉、铝合金保护套、保温套；所述智能控制系统包括计算机和连接线。
2.如权利要求1所述的极端深层环境下高温岩石压裂试验系统，其特征在于：所述注入系统包含多种压裂液供灵活选择进行压裂试验；所述三轴加载和高温系统中安置试样，通过围压系统和液压缸进行三轴加载，通过高温加热炉提高试验温度，实现真实模拟深层、超深层极端环境，并进行具体压裂试验研究；所述智能控制系统与注入系统、三轴加载和高温系统相连接，通过计算机控制试验并监测数据。
3.如权利要求1所述的极端深层环境下高温岩石压裂试验系统，其注入系统部分特征在于：压裂液钢瓶实时更换，提供如液氮、液态氦、水、液态二氧化碳、泡沫等多种压裂液进行压裂试验；低温浴槽控制温度由-10℃至室温，精度为0.1℃，预热器温度调节范围为0℃-80℃，控温精度为±0.5℃，二者结合，用于精确控制温度；多孔介质泡沫发生器能生成泡沫压裂液体系；表面活性剂容器内的表面活性剂能提高泡沫压裂液体系的稳定性；恒速恒压泵由智能控制系统控制，根据试验要求，实时调节，实现向试样中恒速恒压注入压裂液；柱塞泵能够将表面活性剂选择性地添加到多孔介质泡沫发生器中；在注入系统的各个组成部分连接线上皆装有开关阀门，通过自由选择开关，控制注入液的成分。
4.如权利要求1所述的极端深层环境下高温岩石压裂试验系统，其三轴加载和高温系统部分特征在于：在压裂液入口、出口装有流量测量计，实时监测压裂液的流量情况并加以反馈；出口处连接电子天平，可对流出压裂液进行测量；试样安置于上、下岩心塞之间，并连接有压裂液注入管线和流出管线，上、下岩心塞起到固定试样的作用，其中上岩心塞可以由上部拔出，便于取出试样，研究压裂后的试样，同时方便进行重复性试验；刚性加载框架能承载2000kN压力，刚度10GN/m；筒体内装有耐高温硅油。
5.如权利要求1所述的极端深层环境下高温岩石压裂试验系统，其三轴加载和高温系统的高温实现部分特征在于：在试样周围包裹一层由铝合金材料制成的保护套，在有效传递热量给试样，提供高温环境的同时，避免高温影响下采用常规的塑胶套大变形进而发生损坏；铝合金保护套厚度宜为2.6mm；考虑到加热炉对整体系统的高温处理最高达400℃，采用镍基合金材料制成高温围压室，在承受400℃高温的同时，还能承受高达210MPa的围压，从而真实模拟极端环境下压裂试验而不会发生系统损坏现象；在最外层包裹保护套，避免热量散失，影响压裂试验的环境稳定性。
6.如权利要求1所述的极端深层环境下高温岩石压裂试验系统，其特征在于：所述智能控制系统包括计算机和与注入系统、三轴加载和高温系统相连接的连接线，用于智能控制整个试验。
7.如权利要求1所述的极端深层环境下高温岩石压裂试验系统，其特征在于：试验步骤按照先后顺序包括：
(1)在三轴加载和高温系统中将试样安置于下岩心塞上，安装上岩心塞并塞紧；
(2)通过筒体内的液压油施加试验所需围压，通过液压缸施加试验所需轴压；
(3)通过加热炉加热试验温度，达到试验模拟的高温、高地应力极端环境下时，保持环境恒定；
(4)通过注入系统的柱塞泵将表面活性剂加入到多孔介质泡沫发生器中；
(5)通过选择性地打开或者关闭开关阀门，灵活控制压裂液的成分；
(6)在阀门开关完毕，选择好压裂液后，利用计算机控制，使用恒速恒压泵将压裂液注入到试样中进行压裂试验，并用流量测量计和电子天平实时监测注入流量，记录数据；
(7)待压裂完成后关闭所有阀门，提升液压缸，由上部拔下上岩心塞，取出试样并观察压裂裂缝，进行研究分析。
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