CN113884397A - 一种煤储层水力压裂实验样品制备及实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤储层水力压裂实验样品制备及实验方法，实验方法包括步骤一，接入应变片；步骤二，输入数据；步骤三，真空脱气；步骤四，循环加压；步骤五，测量气测渗透率；步骤六，加压注水；步骤七，重置卸压；步骤八，烘干测量；步骤九，重复实验；步骤十，处理数据；本发明相较于现有的水力压裂模拟实验的煤岩样品制备方法，可以排除模具、混凝土配比、压裂管放置位置等客观因素的影响，同时还可以很直观的对比实验前后样品含水率、渗透率，随时测量压裂过程样品的变形；本发明改进后煤储层水力压裂实验样品制备更加方便，可获得更多更准确煤储层水力压裂相关的实验数据，使实验效果更加清楚明确。

Description

一种煤储层水力压裂实验样品制备及实验方法
技术领域
本发明涉及水力压裂实验技术领域，具体为一种煤储层水力压裂实验样品制备及实验方法。
背景技术
水力压裂技术是用于提高石油产量或天然气开发量的一种技术，目前已被广泛应用于现代石油工业、煤矿开采等领域，在煤层气开发领域，绝大多数煤层气井都需要经过水力压裂等增产措施才能产生工业气流，但现有的水力压裂模拟实验的煤岩样品均采用大尺寸混凝土浇筑的块状试件，而这种样品因在浇筑时极易受到模具、混凝土配比、压裂管放置方位等因素的影响，实验失败的比例很高；现有的混凝土浇筑的立方体试件样品制备方式进行水力压裂实验无法测试压裂后样品含水率、渗透率，从而无法从测试参数上获取水力压裂实验效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤储层水力压裂实验样品制备及实验方法，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：一种煤储层水力压裂实验装置，包括真空系统、环压/轴压自动跟踪系统、水力压裂注水系统、气体增压及注入系统、应变实时监测系统、出口流量计量系统、数据采集系统、支架、安装筒、导管、出口管道、第一入口管道、第二入口管道、第三入口管道、第四入口管道和应变仪接口夹片，所述支架的顶端外壁上固定连接有安装筒，安装筒的一端设置有导管，导管的顶端安装有第三入口管道，导管的底端设置有第四入口管道，且第四入口管道固定连接于安装筒的底端外壁上，第四入口管道的一侧设置有应变仪接口夹片，安装筒的另一端安装有出口管道，安装筒的顶端外壁上安装有第一入口管道，第一入口管道的一端连接有第二入口管道，且第二入口管道的一端固定连接于安装筒的一侧外壁上。
优选的，所述安装筒的一侧设置有真空系统，安装筒的一侧设置有数据采集系统。
优选的，所述导管的一侧连接有水力压裂注水系统，出口管道的一侧出口流量计量系统，第二入口管道的一侧连接有环压/轴压自动跟踪系统。
优选的，所述第四入口管道的一侧安装有气体增压及注入系统，应变仪接口夹片的一侧连接有应变实时监测系统。
一种煤储层水力压裂实验样品的制备方法，包括步骤一，粗加工；步骤二，精加工；步骤三，钻孔记录；步骤四，安装导管；步骤五，等待固定；步骤六，烘干去水；
其中上述步骤一中，取一份煤矿中采集到的煤岩样品，沿着平行煤样层理切割出直径为50mm、高度为100mm的圆柱形测试用样品；
其中上述步骤二中，取步骤一中的圆柱形测试用样品，将器两端面切割至平齐，并使用砂纸对样品表面进行打磨；
其中上述步骤三中，取步骤二中打磨光滑后的样品，使用小型电钻对准其中一个端面的中心，钻出孔径5mm的钻孔，并记录下钻孔深度；
其中上述步骤四中，取步骤三中钻孔后的样品，将3mm不锈钢管插入钻孔中，利用环氧树脂胶固定导管，使其与钻孔孔壁紧密贴合并保持直立，以便于后续实验中压裂液注入煤体的过程；
其中上述步骤五中，取步骤四中的煤体，进行24h的维护，直到胶体变为固态，导管位置固定住为止；
其中上述步骤六中，取步骤五中固定好导管的煤体样品，将其放入鼓风箱中进行105℃烘干处理8h，已彻底去除样品中的水分。
优选的，所述步骤三中，钻孔深度视圆柱形测试用样品的原始长度不同而有所改变。
一种煤储层水力压裂实验装置的使用方法，包括步骤一，接入应变片；步骤二，输入数据；步骤三，真空脱气；步骤四，循环加压；步骤五，测量气测渗透率；步骤六，加压注水；步骤七，重置卸压；步骤八，烘干测量；
步骤九，重复实验；步骤十，处理数据；
其中上述步骤一中，将焊接在排线上的应变片以“T字型”的粘贴方式用胶水粘在圆形煤柱表面，然后用透明胶带覆盖粘贴在应变片粘贴范围内，以防注水时应变片遇水短路或排线与应变片连接处受压断裂从而导致应变信号消失的情况，在实验进行前对样品进行称重；
其中上述步骤二中，将计算机的操作程序进行设备联机，在操作界面上输入实验样品的规格尺寸，如直径、长度等，再将样品放入Φ50×100mm的夹持器内，若样品过短，则需在夹持器内放置垫块；
其中上述步骤三中，装样完成后，将环压/轴压泵与夹持器连接的管路连接好，并检查设备密闭性，然后对系统真空脱气；
其中上述步骤四中，开始对夹持器施加环压与轴压，先施加环压2Mpa，待稳定后再施加轴压2Mpa，往复循环直至压力加至设定的环压轴压值；
其中上述步骤五中，打开氦气气瓶，开始测量样品的气测渗透率，气体质量流量计有流量后等待其数值稳定下来，读取此时的流量；
其中上述步骤六中，完成气测渗透率后，将轴压泵与夹持器末端连接处阀门关闭，以保证煤柱所受压力不便，在操作界面上将轴压管路的压力降至0Mpa，并更改加压模式为恒速模式，卸下夹持器开端处气源管路与煤柱导管的连接螺丝，并将改装后的另一个轴压管路与导管连接，开启该阀门，以3ml/min的加压速度向煤柱注水，直至应变曲线突变，压裂液渗出夹持器，压裂部分实验结束；
其中上述步骤七中，将加压模式重置为恒压模式，将夹持器开端处的压力降至0Mpa，关闭并卸下开端处的注水阀门，开启夹持器末端的轴压泵阀门，进行轴压与环压的卸除，卸压与加压一样两种压力交替，且先卸除轴压再卸除环压，直至压力均降至0Mpa；
其中上述步骤八中，将样品取出后进行称重，计算样品压裂后的含水率，将样品放入鼓风箱中进行105℃烘干处理8h，再测试该样品压裂后的渗透率；
其中上述步骤九中，重复上述步骤一到步骤八，以此进行下一个样品的水力压裂模拟实验；
其中上述步骤十中，渗透率测试结束后，将氦气气瓶关闭，卸除夹持器的轴压与环压，然后对实验数据进行处理。
优选的，所述步骤九中，重复至步骤五的渗透率测试时，注气压力需同压裂前测量渗透率时保持一致。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明相较于现有的水力压裂模拟实验的煤岩样品制备方法，可以排除模具、混凝土配比、压裂管放置位置等客观因素的影响，同时还可以很直观的对比实验前后样品含水率、渗透率，随时测量压裂过程样品的变形；本发明改进后煤储层水力压裂实验样品制备更加方便，可获得更多更准确煤储层水力压裂相关的实验数据，使实验效果更加清楚明确。
附图说明
图1为本发明的整体立体结构正视图；
图2为本发明的模块框架结构示意图；
图3为本发明的实验样品的制备方法流程图；
图4为本发明的实验装置的使用方法流程图；
图5为本发明的模块流程图。
图中：1、真空系统；2、环压/轴压自动跟踪系统；3、水力压裂注水系统；4、气体增压及注入系统；5、应变实时监测系统；6、出口流量计量系统；7、数据采集系统；8、支架；9、安装筒；10、导管；11、出口管道；12、第一入口管道；13、第二入口管道；14、第三入口管道；15、第四入口管道；16、应变仪接口夹片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明提供的一种实施例：一种煤储层水力压裂实验装置，包括真空系统1、环压/轴压自动跟踪系统2、水力压裂注水系统3、气体增压及注入系统4、应变实时监测系统5、出口流量计量系统6、数据采集系统7、支架8、安装筒9、导管10、出口管道11、第一入口管道12、第二入口管道13、第三入口管道14、第四入口管道15和应变仪接口夹片16，支架8的顶端外壁上固定连接有安装筒9，安装筒9的一端设置有导管10，导管10的顶端安装有第三入口管道14，导管10的底端设置有第四入口管道15，且第四入口管道15固定连接于安装筒9的底端外壁上，第四入口管道15的一侧设置有应变仪接口夹片16，安装筒9的另一端安装有出口管道11，安装筒9的顶端外壁上安装有第一入口管道12，第一入口管道12的一端连接有第二入口管道13，且第二入口管道13的一端固定连接于安装筒9的一侧外壁上；安装筒9的一侧设置有真空系统1，安装筒9的一侧设置有数据采集系统7，真空系统1用于抽真空，数据采集系统7用于统计数据；导管10的一侧连接有水力压裂注水系统3，出口管道11的一侧出口流量计量系统6，第二入口管道13的一侧连接有环压/轴压自动跟踪系统2，水力压裂注水系统3用于注水，出口流量计量系统6用于测量数据，环压/轴压自动跟踪系统2用于加压；第四入口管道15的一侧安装有气体增压及注入系统4，应变仪接口夹片16的一侧连接有应变实时监测系统5，气体增压及注入系统4用于气测渗透率过程中，应变实时监测系统5用于监测煤体破裂时的压力以及应变。
请参阅图3，本发明提供的一种实施例：一种煤储层水力压裂实验样品的制备方法，包括步骤一，粗加工；步骤二，精加工；步骤三，钻孔记录；步骤四，安装导管；步骤五，等待固定；步骤六，烘干去水；
其中上述步骤一中，取一份煤矿中采集到的煤岩样品，沿着平行煤样层理切割出直径为50mm、高度为100mm的圆柱形测试用样品；
其中上述步骤二中，取步骤一中的圆柱形测试用样品，将器两端面切割至平齐，并使用砂纸对样品表面进行打磨；
其中上述步骤三中，取步骤二中打磨光滑后的样品，使用小型电钻对准其中一个端面的中心，钻出孔径5mm的钻孔，并记录下钻孔深度，其中，钻孔深度视圆柱形测试用样品的原始长度不同而有所改变(数据见表1)；
其中上述步骤四中，取步骤三中钻孔后的样品，将3mm不锈钢管插入钻孔中，利用环氧树脂胶固定导管10，使其与钻孔孔壁紧密贴合并保持直立，以便于后续实验中压裂液注入煤体的过程；
其中上述步骤五中，取步骤四中的煤体，进行24h的维护，直到胶体变为固态，导管10位置固定住为止；
其中上述步骤六中，取步骤五中固定好导管10的煤体样品，将其放入鼓风箱中进行105℃烘干处理8h，已彻底去除样品中的水分。
请参阅图4-5，本发明提供的一种实施例：一种煤储层水力压裂实验装置的使用方法，步骤一，接入应变片；步骤二，输入数据；步骤三，真空脱气；步骤四，循环加压；步骤五，测量气测渗透率；步骤六，加压注水；步骤七，重置卸压；步骤八，烘干测量；步骤九，重复实验；步骤十，处理数据；
其中上述步骤一中，将焊接在排线上的应变片以“T字型”的粘贴方式用胶水粘在圆形煤柱表面，然后用透明胶带覆盖粘贴在应变片粘贴范围内，以防注水时应变片遇水短路或排线与应变片连接处受压断裂从而导致应变信号消失的情况，在实验进行前对样品进行称重(数据见表1)；
其中上述步骤二中，将计算机的操作程序进行设备联机，在操作界面上输入实验样品的规格尺寸，如直径、长度等，再将样品放入Φ50×100mm的夹持器内，若样品过短，则需在夹持器内放置垫块；
其中上述步骤三中，装样完成后，将环压/轴压泵与夹持器连接的管路连接好，并检查设备密闭性，然后对系统真空脱气；
其中上述步骤四中，开始对夹持器施加环压与轴压，先施加环压2Mpa，待稳定后再施加轴压2Mpa，往复循环直至压力加至设定的环压轴压值；
其中上述步骤五中，打开氦气气瓶，开始测量样品的气测渗透率，气体质量流量计有流量后等待其数值稳定下来，读取此时的流量(数据见表1)；
其中上述步骤六中，完成气测渗透率后，将轴压泵与夹持器末端连接处阀门关闭，以保证煤柱所受压力不便，在操作界面上将轴压管路的压力降至0Mpa，并更改加压模式为恒速模式，卸下夹持器开端处气源管路与煤柱导管的连接螺丝，并将改装后的另一个轴压管路与导管连接，开启该阀门，以3ml/min的加压速度向煤柱注水，直至应变曲线突变，压裂液渗出夹持器，压裂部分实验结束；
其中上述步骤七中，将加压模式重置为恒压模式，将夹持器开端处的压力降至0Mpa，关闭并卸下开端处的注水阀门，开启夹持器末端的轴压泵阀门，进行轴压与环压的卸除，卸压与加压一样两种压力交替，且先卸除轴压再卸除环压，直至压力均降至0Mpa；
其中上述步骤八中，将样品取出后进行称重，计算样品压裂后的含水率，将样品放入鼓风箱中进行105℃烘干处理8h，再测试该样品压裂后的渗透率(数据见表1)；
其中上述步骤九中，重复上述步骤一到步骤八，以此进行下一个样品的水力压裂模拟实验，其中，重复至步骤五的渗透率测试时，注气压力需同压裂前测量渗透率时保持一致；
其中上述步骤十中，渗透率测试结束后，将氦气气瓶关闭，卸除夹持器的轴压与环压，然后对实验数据进行处理。
表1压裂模拟前后样品含水率数据图
Figure BDA0003286234640000081
基于上述，本发明的优点在于，使用本发明的装置与方法进行煤储层水力压裂实验时，首先加工好煤样并安装导管10，烘干处理后，将其安装在支架8上的安装筒9中，将应变实时监测系统5连在应变仪接口夹片16上，再输入样品的尺寸数据，然后使用真空系统1对系统进行抽真空，由环压/轴压自动跟踪系统2通过第一入口管道12和第二入口管道13对煤样进行交替加压，到达指定压力时，气体增压及注入系统4通过第四入口管道15对其注气，再由出口流量计量系统6通过出口管道11测得数据，再由水力压裂注水系统3通过第三入口管道14注水进行压裂实验，压裂完成后再计算样品的含水率和渗透率，最后由数据采集系统7将多次实验的数据进行整合处理，完成实验，其中，真空系统1由真空泵、缓冲容器、真空表及管路等组成，环压/轴压自动跟踪系统2由两个TC-100D型恒速恒压泵(单泵型)、传感器、PLC控制系统、RS232电脑操作端接口及管路组成，水力压裂注水系统3轴压泵、三通阀和管路组成，气体增压及注入系统4由高压气瓶(氦气)、调压阀、气体增压泵、高压缓冲罐、空气静音压缩机、压力表等部件组成，应变实时监测系统5由应力应变仪、定制排线、应变计引线、应变片等组成，出口流量计量系统6由气体质量流量计、微小流量气体计量装置等部分组成，且气体质量流量计有3000ml/min、300ml/min、10ml/min三个量程，数据采集系统7由压力传感器、压力二次仪表、模拟信号数据采集模块、数据采集板、计算机及数据采集控制软件等组成。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种煤储层水力压裂实验装置，包括支架(8)，其特征在于：所述支架(8)的顶端外壁上固定连接有安装筒(9)，安装筒(9)的一端设置有导管(10)，导管(10)的顶端安装有第三入口管道(14)，导管(10)的底端设置有第四入口管道(15)，且第四入口管道(15)固定连接于安装筒(9)的底端外壁上，第四入口管道(15)的一侧设置有应变仪接口夹片(16)，安装筒(9)的另一端安装有出口管道(11)，安装筒(9)的顶端外壁上安装有第一入口管道(12)，第一入口管道(12)的一端连接有第二入口管道(13)，且第二入口管道(13)的一端固定连接于安装筒(9)的一侧外壁上。
2.根据权利要求1所述的一种煤储层水力压裂实验装置，其特征在于：所述安装筒(9)的一侧设置有真空系统(1)，安装筒(9)的一侧设置有数据采集系统(7)。
3.根据权利要求1所述的一种煤储层水力压裂实验装置，其特征在于：所述导管(10)的一侧连接有水力压裂注水系统(3)，出口管道(11)的一侧出口流量计量系统(6)，第二入口管道(13)的一侧连接有环压/轴压自动跟踪系统(2)。
4.根据权利要求1所述的一种煤储层水力压裂实验装置，其特征在于：所述第四入口管道(15)的一侧安装有气体增压及注入系统(4)，应变仪接口夹片(16)的一侧连接有应变实时监测系统(5)。
5.一种煤储层水力压裂实验样品的制备方法，包括步骤一，粗加工；步骤二，精加工；步骤三，钻孔记录；步骤四，安装导管；步骤五，等待固定；步骤六，烘干去水；其特征在于：
其中上述步骤一中，取一份煤矿中采集到的煤岩样品，沿着平行煤样层理切割出直径为50mm、高度为100mm的圆柱形测试用样品；
其中上述步骤二中，取步骤一中的圆柱形测试用样品，将器两端面切割至平齐，并使用砂纸对样品表面进行打磨；
其中上述步骤三中，取步骤二中打磨光滑后的样品，使用小型电钻对准其中一个端面的中心，钻出孔径5mm的钻孔，并记录下钻孔深度；
其中上述步骤四中，取步骤三中钻孔后的样品，将3mm不锈钢管插入钻孔中，利用环氧树脂胶固定导管(10)，使其与钻孔孔壁紧密贴合并保持直立，以便于后续实验中压裂液注入煤体的过程；
其中上述步骤五中，取步骤四中的煤体，进行24h的维护，直到胶体变为固态，导管(10)位置固定住为止；
其中上述步骤六中，取步骤五中固定好导管(10)的煤体样品，将其放入鼓风箱中进行105℃烘干处理8h，已彻底去除样品中的水分。
6.根据权利要求5所述的一种煤储层水力压裂实验装置的制备方法，其特征在于：所述步骤三中，钻孔深度视圆柱形测试用样品的原始长度不同而有所改变。
7.一种煤储层水力压裂实验装置的使用方法，包括步骤一，接入应变片；步骤二，输入数据；步骤三，真空脱气；步骤四，循环加压；步骤五，测量气测渗透率；步骤六，加压注水；步骤七，重置卸压；步骤八，烘干测量；步骤九，重复实验；步骤十，处理数据；其特征在于：
其中上述步骤一中，将焊接在排线上的应变片以“T字型”的粘贴方式用胶水粘在圆形煤柱表面，然后用透明胶带覆盖粘贴在应变片粘贴范围内，以防注水时应变片遇水短路或排线与应变片连接处受压断裂从而导致应变信号消失的情况，在实验进行前对样品进行称重；
其中上述步骤二中，将计算机的操作程序进行设备联机，在操作界面上输入实验样品的规格尺寸，如直径、长度等，再将样品放入Φ50×100mm的夹持器内，若样品过短，则需在夹持器内放置垫块；
其中上述步骤三中，装样完成后，将环压/轴压泵与夹持器连接的管路连接好，并检查设备密闭性，然后对系统真空脱气；
其中上述步骤四中，开始对夹持器施加环压与轴压，先施加环压2Mpa，待稳定后再施加轴压2Mpa，往复循环直至压力加至设定的环压轴压值；
其中上述步骤五中，打开氦气气瓶，开始测量样品的气测渗透率，气体质量流量计有流量后等待其数值稳定下来，读取此时的流量；
其中上述步骤六中，完成气测渗透率后，将轴压泵与夹持器末端连接处阀门关闭，以保证煤柱所受压力不便，在操作界面上将轴压管路的压力降至0Mpa，并更改加压模式为恒速模式，卸下夹持器开端处气源管路与煤柱导管的连接螺丝，并将改装后的另一个轴压管路与导管连接，开启该阀门，以3ml/min的加压速度向煤柱注水，直至应变曲线突变，压裂液渗出夹持器，压裂部分实验结束；
其中上述步骤七中，将加压模式重置为恒压模式，将夹持器开端处的压力降至0Mpa，关闭并卸下开端处的注水阀门，开启夹持器末端的轴压泵阀门，进行轴压与环压的卸除，卸压与加压一样两种压力交替，且先卸除轴压再卸除环压，直至压力均降至0Mpa；
其中上述步骤八中，将样品取出后进行称重，计算样品压裂后的含水率，将样品放入鼓风箱中进行105℃烘干处理8h，再测试该样品压裂后的渗透率；
其中上述步骤九中，重复上述步骤一到步骤八，以此进行下一个样品的水力压裂模拟实验；
其中上述步骤十中，渗透率测试结束后，将氦气气瓶关闭，卸除夹持器的轴压与环压，然后对实验数据进行处理。
8.根据权利要求7所述的一种煤储层水力压裂实验装置的制备方法，其特征在于：所述步骤九中，重复至步骤五的渗透率测试时，注气压力需同压裂前测量渗透率时保持一致。
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