CN114018719B - 一种超临界二氧化碳压裂温压精准监测试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种超临界二氧化碳压裂温压精准监测试验装置及方法，适用于煤岩压裂研究使用。包括超临界二氧化碳高效制备系统和真三轴室，其中超临界二氧化碳高效制备系统包括顺序连接的二氧化碳供应系统、高效制冷系统、增压控制系统和流体预热系统，真三轴室内设有结构匹配的煤岩试样以及煤岩试样加热装置，煤岩试样顶面中心处垂直设有钻孔，钻孔内设有压裂套管，压裂套管端部与钻孔孔底之间留有空腔段，压裂套管的外壁与钻孔孔壁之间设有粘结段，压裂套管的端部设有温压实时监测系统，压裂套管靠近喷头处的外侧设有膨胀顶紧钻孔孔壁防止粘结剂流入空腔段的粘结剂阻隔系统。其结构简单，检测精度高，能够有效减少影响测试精度的误差。
Description
技术领域
本发明涉及一种精准监测试验装置及方法，尤其适用于煤岩真三轴加压环境下研究使用的一种超临界二氧化碳压裂温压精准监测试验装置及方法。
背景技术
超临界CO2(SC-CO2)压裂技术作为一项环保的无水压裂开采技术，在煤炭资源安全开采过程中，引发了越来越多的关注。压裂裂缝的起裂压力及其扩展形态，是煤岩体压裂设计的关键依据。由于工程现场监测耗费成本高且测试过程复杂，实验室试验成为认识煤岩体压裂的主要途径。SC-CO2是一种对温度和压力均十分敏感的流体，温度和压力的微小变化均会引起SC-CO2性质的巨大变化，因此SC-CO2压裂实验过程中温度和压力的精准监测十分重要。
目前SC-CO2压裂实验中用于监测CO2温度和压力的装置布设在三轴室样品的外部，无法监测到压裂套管喷头处的流体温度和压力，监测到的数据精度不高。由于三轴室外监测装置和压裂套管喷头处之间还存在一段钢管的距离，压裂介质在传输段必然发生温度和压力的变化，因此常规压裂试验装置通过三轴室外监测到的温度和压力获取起裂压力等参数是不准确的，尤其是对于温压敏感的SC-CO2流体。同时，压裂套管固管时常采用粘结剂固结压裂套管与煤岩体钻孔，但粘结剂容易流入预留的空腔内，从而堵死压裂套管的孔口，严重影响起裂压力的准确监测。
发明内容
针对现有技术的不足之处，提供一种使用方便，监测压裂起裂压力获取精度高的一种超临界二氧化碳压裂温压精准监测试验装置及方法。
为实现上述技术目的，本发明的超临界二氧化碳压裂温压精准监测试验装置，包括超临界二氧化碳高效制备系统和真三轴室，其中超临界二氧化碳高效制备系统包括顺序连接的二氧化碳供应系统、高效制冷系统、增压控制系统和流体预热系统，所述二氧化碳供应系统为二氧化碳储罐，储罐中的二氧化碳先经过高效制冷系统降温，在通过增压控制系统增压从而迅速提高二氧化碳的压力，之后再通过流体预热系统加热至二氧化碳的临界温度，实现二氧化碳超临界状态；
所述真三轴室内设有结构匹配的煤岩试样以及煤岩试样加热装置，煤岩试样顶面中心处垂直设有钻孔，钻孔内设有压裂套管，压裂套管端部与钻孔孔底之间留有方便煤岩试样起裂的空腔段，压裂套管的外壁与钻孔孔壁之间设有粘结剂从而形成粘结段，压裂套管的端部设有喷头，喷头处设有温压实时监测系统，压裂套管靠近喷头处的外侧设有膨胀顶紧钻孔孔壁防止粘结剂流入空腔段的粘结剂阻隔系统；
所述压裂套管延伸在煤岩试样外侧部分与流体预热系统的输出管路相连接；温压实时监测系统通过线路顺序连接有信号传输系统和数据处理系统。
所述的压裂套管为夹层套管结构，压裂套管位于钻孔内的端部设有喷头，压裂套管的夹层套管结构包括内管和外管，内管设置在外管内，内管的外壁与外管的内壁两端通过内外管间通道封闭装置封堵形成夹层空间，该夹层空间通过管路连接有微型气体泵，微型气体泵上设有压力表。
所述粘结剂阻隔系统包括设置在压裂套管靠近喷头处且围绕外管一圈的外管内凹槽结构，外管内凹槽结构上设有固定气囊，固定气囊与外管内凹槽结构之间通过胶水粘连，外管内凹槽结构上开有与固定气囊连通的进气微孔，利用微型气体泵通过压裂套管的夹层空间向固定气囊内充气从而控制其膨胀程度，固定气囊膨胀后挤压钻孔孔壁从而对钻孔封孔，最终形成对粘结剂的封堵作用，在压裂套管固管的基础上，有效阻隔粘结剂进入压裂钻孔的空腔段，保护空腔段空间的完好性，方便煤岩试样起裂。
所述的温压实时监测系统为设置在压裂套管喷头处的压力和温度传感器，压力和温度传感器的线路通过设置在压裂套管夹层结构内的信号传输通道延伸出压裂套管与信号传输系统相连接。
一种使用超临界二氧化碳压裂温压精准监测试验装置的试验方法，其步骤如下：
在煤岩试样顶面设置垂直钻孔，并在钻孔内通过粘结剂固定双层套管，固定双层套管时保证双层套管端部的喷头与钻孔孔底之间留有方便煤岩试样起裂的距离，该距离为空腔段，具体距离为10-20mm，通过微型气体泵向固定气囊充气，根据压力表示数控制充入的气体压力，从而控制固定气囊膨胀程度，膨胀后的固定气囊挤压钻孔孔壁形成对粘结剂的封堵，在压裂套管固管的基础上，阻隔粘结剂进入压裂钻孔的空腔段，保护空腔段空间的完好性，保证煤岩试样的起裂；
利用真三轴室对煤岩试样施加真三轴等效载荷，同时利用试样加热装置对煤岩试样施加实验设计温度；
利用超临界二氧化碳高效制备系统向双层套管内输送超临界二氧化碳，使超临界二氧化碳注入钻孔的空腔段对煤岩试样施加至裂压力，依据注入压力-时间曲线来判断煤岩体起裂；
实时通过温压实时监测系统监测压裂套管喷头处的温度和压力数据。
有益效果：
通过改进传统SC-CO2压裂温压监测装置布设位置以及阻隔固管粘结剂流入压裂管孔口的双重手段，相较于布置在三轴室外面，由于三轴室外监测装置和压裂套管喷头处之间还存在一段钢管的距离，压裂介质在传输段必然发生温度和压力的变化，因此常规压裂试验装置通过三轴室外监测到的温度和压力获取起裂压力等参数是不准确的，本申请能够有效减小了SC-CO2压裂实验装置温度和压力监测的误差，同时通过膨胀封孔装置防止粘结剂流入空腔段影响压裂效果，确保了SC-CO2压裂起裂压力数据的精准性，为SC-CO2压裂实验装置提供了一种新的温压监测方法，大大提高了SC-CO2压裂工程参数设计的便捷性与准确性，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明超临界二氧化碳压裂温压精准监测试验装置的结构示意图。
图2为本发明超临界二氧化碳压裂温压精准监测试验装置的空腔段未封堵状态示意图。
图3为本发明超临界二氧化碳压裂温压精准监测试验装置的空腔段已封堵状态示意图。
图中：1-超临界二氧化碳高效制备系统，2-流体预热系统，3-信号传输系统，4-数据处理系统，5-压裂套管内壁，6-压裂套管外壁，7-信号传输通道，8-真三轴等效载荷，9-二氧化碳供应系统，10-高效制冷系统，11-增压控制系统，12-粘结剂阻隔系统，13-温压实时监测系统，14-试样，15-试样加热装置，16-气囊，17-进气微孔，18-内凹槽结构，19-微型气体泵，20-压力表，21-空腔段，22-粘结段，23-钻孔孔壁，24-内外管间通道封闭装置，25-真三轴室。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述：
如图1所示，本发明的一种超临界二氧化碳压裂温压精准监测试验装置，包括超临界二氧化碳高效制备系统1和真三轴室25，其中超临界二氧化碳高效制备系统1包括顺序连接的二氧化碳供应系统9、高效制冷系统10、增压控制系统11和流体预热系统2，所述二氧化碳供应系统9为二氧化碳储罐，储罐中的二氧化碳先经过高效制冷系统10降温，在通过增压控制系统11增压从而迅速提高二氧化碳的压力，之后再通过流体预热系统2加热至二氧化碳的临界温度，实现二氧化碳超临界状态；
所述真三轴室25内设有结构匹配的煤岩试样14以及煤岩试样加热装置15，煤岩试样14顶面中心处垂直设有钻孔，钻孔内设有压裂套管，压裂套管内侧为压裂套管内壁5、外侧为压裂套管外壁6，压裂套管端部与钻孔孔底之间留有方便煤岩试样14起裂的空腔段21，压裂套管外壁6与钻孔孔壁23之间设有粘结剂从而形成粘结段22，压裂套管的端部设有喷头，喷头处设有温压实时监测系统13，压裂套管靠近喷头处的外侧设有膨胀顶紧钻孔孔壁23防止粘结剂流入空腔段21的粘结剂阻隔系统12；
所述压裂套管延伸在煤岩试样14外侧部分与流体预热系统2的输出管路相连接；温压实时监测系统13通过线路顺序连接有信号传输系统3和数据处理系统4。所述的温压实时监测系统13为设置在压裂套管喷头处的压力和温度传感器，压力和温度传感器的线路通过设置在压裂套管夹层结构内的信号传输通道7延伸出压裂套管与信号传输系统3相连接。
如图2和图3所示，所述的压裂套管为夹层套管结构，压裂套管位于钻孔内的端部设有喷头，压裂套管的夹层套管结构包括内管和外管，内管设置在外管内，内管的外壁与外管的内壁两端通过内外管间通道封闭装置24封堵形成夹层空间，该夹层空间通过管路连接有微型气体泵19，微型气体泵19上设有压力表20。所述粘结剂阻隔系统12包括设置在压裂套管靠近喷头处且围绕外管一圈的外管内凹槽结构18，外管内凹槽结构18上设有固定气囊16，固定气囊16与外管内凹槽结构18之间通过胶水粘连，外管内凹槽结构18上开有与固定气囊16连通的进气微孔17，利用微型气体泵19通过压裂套管的夹层空间向固定气囊16内充气从而控制其膨胀程度，固定气囊16膨胀后挤压钻孔孔壁23从而对钻孔封孔，最终形成对粘结剂的封堵作用，在压裂套管固管的基础上，有效阻隔粘结剂进入压裂钻孔的空腔段21，保护空腔段21空间的完好性，方便煤岩试样14起裂。
一种临界二氧化碳压裂温压精准监测试验方法，其步骤如下：
在煤岩试样14顶面设置垂直钻孔，并在钻孔内通过粘结剂固定双层套管，固定双层套管时保证双层套管端部的喷头与钻孔孔底之间留有方便煤岩试样14起裂的距离，该距离为空腔段21，具体距离为10-20mm，通过微型气体泵19向固定气囊16充气，根据压力表20示数控制充入的气体压力，从而控制固定气囊16膨胀程度，膨胀后的固定气囊16挤压钻孔孔壁23形成对粘结剂下流的封堵，在压裂套管固管的基础上，阻隔粘结剂流入压裂钻孔的空腔段21，保护空腔段21空间的完好性，保证煤岩试样14的起裂；
利用真三轴室25对煤岩试样14施加真三轴等效载荷8，同时利用试样加热装置15对煤岩试样14施加实验设计温度；
利用超临界二氧化碳高效制备系统1向双层套管内输送超临界二氧化碳，使超临界二氧化碳注入钻孔的空腔段21对煤岩试样14施加至裂压力，依据注入压力-时间曲线来判断煤岩体起裂；
实时通过温压实时监测系统13监测压裂套管喷头处的温度和压力数据。
实施例一、
前述的温压实时监测系统，其特征是：温度和压力监测装置安置于压裂套管孔口处，压裂管选用双层套管，内管5中流动SC-CO2，将SC-CO2注入煤岩体空腔段21起裂煤岩体；外管6与内管5间隔形成传输通道，内外管间的传输通道上下端呈封闭状态24；温度压力一体化传感器13安装在压裂套管内管5的喷头处，传感器的主体安装在内外管间的传输通道，通过插入内管5的探头监测SC-CO2压裂套管喷头处的温度和压力，并在安装传感器后将多余的空隙进行封堵，防止SC-CO2进入内外管间通道。
前述的粘结剂阻隔系统，其特征是：在压裂套管的上端布设微型微型气体泵19和压力表20；将压裂套管喷头处外管设置为弧形的内凹结构18，弧形内凹槽面涂强力胶，以放置和固定气囊16；在弧形凹槽开微孔17，从微型气体泵泵入的气体可以充入气囊，根据压力表示数可以控制充入的气体压力，从而控制气囊的膨胀程度，气囊体积膨胀后挤压钻孔孔壁形成对粘结剂的封堵作用，在压裂套管固管的基础上，有效阻隔粘结剂进入压裂钻孔的空腔段21，保护空腔段21空间的完好性。
前述的信号传输系统3、数据处理系统4中，信号传输系统3是将传感器导出的信号经压裂套管内外管间的传输通道，汇总后输送至计算机的数据处理系统进行计算处理和可视化分析。
Claims (2)
1.一种超临界二氧化碳压裂温压精准监测试验装置，其特征在于：它包括超临界二氧化碳高效制备系统（1）和真三轴室（25），其中超临界二氧化碳高效制备系统（1）包括顺序连接的二氧化碳供应系统（9）、高效制冷系统（10）、增压控制系统（11）和流体预热系统（2），所述二氧化碳供应系统（9）为二氧化碳储罐，储罐中的二氧化碳先经过高效制冷系统（10）降温，在通过增压控制系统（11）增压从而迅速提高二氧化碳的压力，之后再通过流体预热系统（2）加热至二氧化碳的临界温度，实现二氧化碳超临界状态；
所述真三轴室（25）内设有结构匹配的煤岩试样（14）以及煤岩试样加热装置（15），煤岩试样（14）顶面中心处垂直设有钻孔，钻孔内设有压裂套管，压裂套管端部与钻孔孔底之间留有方便煤岩试样（14）起裂的空腔段（21），压裂套管的外壁与钻孔孔壁（23）之间设有粘结剂从而形成粘结段（22），压裂套管的端部设有喷头，喷头处设有温压实时监测系统（13），温压实时监测系统（13）为设置在压裂套管喷头处的压力和温度传感器，压裂套管靠近喷头处的外侧设有膨胀顶紧钻孔孔壁（23）防止粘结剂流入空腔段（21）的粘结剂阻隔系统（12）；
所述压裂套管延伸在煤岩试样（14）外侧部分与流体预热系统（2）的输出管路相连接；温压实时监测系统（13）通过线路顺序连接有信号传输系统（3）和数据处理系统（4）；
所述的压裂套管为夹层套管结构，压裂套管位于钻孔内的端部设有喷头，压裂套管的夹层套管结构包括内管和外管，内管设置在外管内，内管的外壁与外管的内壁两端通过内外管间通道封闭装置（24）封堵形成夹层空间，该夹层空间通过管路连接有微型气体泵（19），微型气体泵（19）上设有压力表（20）；
所述粘结剂阻隔系统（12）包括设置在压裂套管靠近喷头处且围绕外管一圈的外管内凹槽结构（18），外管内凹槽结构（18）上设有固定气囊（16），固定气囊（16）与外管内凹槽结构（18）之间通过胶水粘连，外管内凹槽结构（18）上开有与固定气囊（16）连通的进气微孔（17），利用微型气体泵（19）通过压裂套管的夹层空间向固定气囊（16）内充气从而控制其膨胀程度，固定气囊（16）膨胀后挤压钻孔孔壁（23）从而对钻孔封孔，最终形成对粘结剂的封堵作用，在压裂套管固管的基础上，有效阻隔粘结剂进入压裂钻孔的空腔段（21），保护空腔段（21）空间的完好性，方便煤岩试样（14）起裂；
试验方法步骤如下：
在煤岩试样（14）顶面设置垂直钻孔，并在钻孔内通过粘结剂固定双层套管，固定双层套管时保证双层套管端部的喷头与钻孔孔底之间留有方便煤岩试样（14）起裂的距离，该距离为空腔段（21），具体距离为10-20mm，通过微型气体泵（19）向固定气囊（16）充气，从而控制固定气囊（16）膨胀程度，膨胀后的固定气囊（16）挤压钻孔孔壁（23）形成对粘结剂的封堵，在压裂套管固管的基础上，阻隔粘结剂进入压裂钻孔的空腔段（21），保护空腔段（21）空间的完好性，保证煤岩试样（14）的起裂；
利用真三轴室（25）对煤岩试样（14）施加真三轴等效载荷（8），同时利用试样加热装置（15）对煤岩试样（14）施加实验设计温度；
利用超临界二氧化碳高效制备系统（1）向双层套管内输送超临界二氧化碳，使超临界二氧化碳注入钻孔的空腔段（21）对煤岩试样（14）施加至起裂压力，依据注入压力-时间曲线来判断煤岩体起裂；
实时通过温压实时监测系统（13）监测压裂套管喷头处的温度和压力数据。
2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳压裂温压精准监测试验装置，其特征在于：所述的压力和温度传感器的线路通过设置在压裂套管夹层结构内的信号传输通道（7）延伸出压裂套管与信号传输系统（3）相连接。
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