CN116517517B - 一种拟三轴下水合物原位合成压裂驱替一体化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石油与天然气勘探开发技术领域，特别涉及一种拟三轴下水合物原位合成压裂驱替一体化装置。其技术方案是：在冷库内安装温度控制系统、动态裂缝扩展监测系统、变形位移测试系统、数据监测及伺服控制系统、天然气水合物原位合成系统、轴压‑围压应力模拟系统和压裂‑驱替模拟系统，所述轴压‑围压应力模拟系统包括第二控制器、注油排气系统、应力加载系统，对高压腔体内的天然气水合物试样施加轴向压力和围压。有益效果是：本发明可以实现多向应力加载下天然气水合物裂缝扩展机制及裂缝导流能力损伤机制研究，探究水合物储层水力裂缝动态扩展规律及裂缝导流能力时变性特征，为天然气水合物储层高效开发提供理论依据和技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及石油与天然气勘探开发技术领域，特别涉及一种拟三轴下水合物原位合成压裂驱替一体化装置。
背景技术
作为21世纪新型清洁能源，天然气水合物有机碳量为现有石油、天然气和煤总碳量的2倍，具有储量丰富，能量密度大的特点，其勘探开发有助于优化能源结构，减少碳排放。据统计，全球90%以上的天然气水合物资源赋存于海底淤泥质或泥质粉砂沉积物中，其赋存环境具有渗透率低、泥质含量高、束缚水饱和度高的特点，采用常规降压法难以获得较高单井日产气量，无法满足商业化开采的目的。因此，对天然气水合物储层进行水力压裂改造，能够扩大泄流面积、提高水合物分解效率、改善渗流条件等，从量级尺度提高水合物的产能，是实现水合物高效开发和利用的潜在技术手段之一。
通过生产实际和数值模拟发现，水合物储层压裂在开采中后期提产效果明显减弱，可能是水力裂缝改造范围不及预期及裂缝导流能力损伤过大造成的，裂缝在增大分解阵面中的主导作用下降。因此，深入探究未成岩水合物储层裂缝扩展规律和裂缝导流能力损伤机制，分析矿物组分及工程因素对于水合物储层压裂驱替的影响，提高裂缝导流能力，才能具备在短期内实现天然气水合物产业化开采的可能性。但是，目前大型真三轴水合物原位合成及水力裂缝扩展装置过于庞大，存在设备造价昂贵、试验中水合物合成不充分、裂缝扩展模拟效果欠佳等问题，并且不具备准确测量裂缝导流能力的条件。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种拟三轴下水合物原位合成压裂驱替一体化装置，在原位合成天然气水合物基础上开展多向应力加载下天然气水合物裂缝扩展机制及裂缝导流能力损伤机制研究，探究水合物储层水力裂缝动态扩展规律及裂缝导流能力时变性特征，形成压裂驱替一体化匹配工艺方案，为天然气水合物储层高效开发提供理论依据和技术支撑。
本发明提到的一种拟三轴下水合物原位合成压裂驱替一体化装置，其技术方案是：包括冷库，在冷库内安装温度控制系统、动态裂缝扩展监测系统、变形位移测试系统、数据监测及伺服控制系统，其中，还包括天然气水合物原位合成系统、轴压-围压应力模拟系统和压裂-驱替模拟系统，所述天然气水合物原位合成系统包括第一控制器、气体增压器、高压甲烷气瓶、高压氮气瓶、第一压力传感器、第一流量传感器、高压腔室、圆柱体岩心骨架、密封装置，所述气体增压器的一端连接第一控制器，另一端通过管线和第一压力传感器、第一流量传感器连接到底盘，气体增压器的下部分别连接高压甲烷气瓶和高压氮气瓶，在底盘上安装高压腔室，高压腔室内安装圆柱体岩心骨架，高压腔室的上端安装密封装置；
所述轴压-围压应力模拟系统包括第二控制器、注油排气系统、应力加载系统，第二控制器的输出端一路通过注油排气系统连接到底盘，另一路连接应力加载系统，应力加载系统分两路，一路连接到密封装置，对高压腔体内的天然气水合物试样施加轴向压力；第二路连接到底盘，对高压腔体内的天然气水合物试样施加围压；
所述压裂-驱替模拟系统包括压裂-驱替系统控制器、压裂系统、加砂系统、裂缝导流驱替系统，压裂-驱替系统控制器的输出端分别连接压裂系统、加砂系统和裂缝导流驱替系统，压裂系统和加砂系统汇集在一个管线连接到高压腔体；裂缝导流驱替系统通过管线连接到底盘；
优选的，上述注油排气系统包括第一大排量低压油泵、流量控制器、第二压力传感器、第二流量传感器且依次连接，并通过管线连接到底盘，油流通过底盘的油流注入通道注入高压腔体，由高压腔体顶部的气体排出通道排出，气体排出通道的外端连接第二节流阀和气泡显示盘，排出气体由气泡显示盘显示。
优选的，上述应力加载系统包括高精度高压柱塞泵、轴压控制器、轴压压力传感器、轴压流量传感器组成的一路，用于对天然气水合物试样施加轴向压力；还包括围压控制器、围压压力传感器、围压流量传感器组成的第二路，对天然气水合物试样施加围压。
优选的，上述压裂系统包括第二高精度高压柱塞泵、溶液容器、第一中间转换容器、压力控制器、第四压力传感器、第四流量传感器，第二高精度高压柱塞泵的上端连接溶液容器，第二高精度高压柱塞泵的输出端依次通过管线连接第一中间转换容器、压力控制器、第四压力传感器和第四流量传感器，并通过管线连接到高压腔体，压裂过程中由第二高精度高压柱塞泵对溶液加压，以恒定排量流经第一中间转换容器转换为压裂流体，注入天然气水合物试样，憋压后天然气水合物试样起裂并扩展，产生裂缝。
优选的，上述加砂系统包括第二大排量低压油泵、加砂搅拌器、第五压力控制器、第五压力传感器、第五流量传感器并且依次通过管线连接，并汇集到压裂系统的管线上。
优选的，上述裂缝导流驱替系统包括第三高精度高压柱塞泵、第二中间转换容器、压裂驱替压力控制器、第六压力传感器、第六流量传感器，所述第三高精度高压柱塞泵的输出端连接第二中间转换容器，第二中间转换容器的输出端通过管线依次连接压裂驱替压力控制器、第六压力传感器和第六流量传感器，并通过管线连接到底盘。
优选的，上述高压腔室的上端连接第一背压系统，下端的底盘上连接第二背压系统。
优选的，上述第一背压系统包括第一流体流量传感器、第一气液分离器、第一气体流量传感器、第一液体流量传感器、第二流体流量传感器、第三压力传感器、第一节流阀、第一中间容器、第一回压泵，所述第一气体流量传感器和第一液体流量传感器的前端通过管线和第一气液分离器、第一流体流量传感器连接到高压腔室，后端通过管线和第二流体流量传感器、第三压力传感器、第一节流阀、第一中间容器连接到第一回压泵的输出端。
优选的，上述第二背压系统包括第二流体流量传感器、第二气液分离器、第二气体流量传感器、第二液体流量传感器、第三流体流量传感器、第七压力传感器、第二节流阀、第二中间容器、第二回压泵，所述第二气体流量传感器、第二液体流量传感器的前端通过管线和第二气液分离器、第二流体流量传感器连接到底盘，后端通过管线和第三流体流量传感器、第七压力传感器、第二节流阀、第二中间容器连接到第二回压泵的输出端。
优选的，上述动态裂缝扩展监测系统包括监测控制器、功率放大器、信号接收器，所述监测控制器通过信号线、功率放大器和信号接收器连接到底盘。
与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：
本发明通过地质资料获得天然气水合物沉积物储层信息，配合天然气水合物原位合成系统模拟与真实储层地质参数及物性参数相似的水合物储层，利用温度控制系统模拟水合物生成条件及储层真实温度环境，利用拟三轴应力系统模拟地层真实应力环境，利用压裂-驱替模拟系统模拟水合物储层裂缝扩展、裂缝内支撑剂分布及裂缝渗流情况，配合动态裂缝扩展监测系统实时监测裂缝扩展情况，配合变形位移测试系统获得储层裂缝导流能力；本发明可以模拟不同类型天然气水合物、不同压裂流体类型及工艺参数、不同支撑剂类型及目数、不同驱替流体类型及工艺参数、不同作用时间、不同岩心尺寸及拟三轴应力条件下的天然气水合物沉积物地层裂缝扩展规律及裂缝导流能力时变性特征，形成最优压裂施工方案及裂缝导流能力匹配工艺方案，为优化压裂施工工艺和裂缝导流工艺提供借鉴。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是天然气水合物试样的安装示意图；
图3是底盘的结构示意图；
图4是裂缝导流能力的验证示意图；
上图中：计算机1、第一控制器2、冷库3、气体增压器5、高压甲烷气瓶6、高压氮气瓶7、第一压力传感器8、第一流量传感器9、高压腔室10、圆柱体岩心骨架11、密封装置12、第一背压系统13、第一大排量低压油泵14、流量控制器15、第二压力传感器16、第二流量传感器17、第一气体流量传感器18、第一液体流量传感器19、第二流体流量传感器20、第三压力传感器21、第一节流阀22、第一中间容器23、第一回压泵24、第二控制器25、注油排气系统27、应力加载系统28、高压腔体29、底盘30、气体排出通道31、油流注入通道32、气体流入通道33、气体流出通道34、压裂液流出通道35、第一声发射数据传输通道36、第二声发射数据传输通道37、第三声发射数据传输通道38、第四声发射数据传输通道39、第一径向应变数据传输通道40、第二径向应变数据传输通道41、第三径向应变数据传输通道42，第二节流阀43、气泡显示盘44、高精度高压柱塞泵45、轴压控制器46、轴压压力传感器47、轴压流量传感器48、围压控制器50、围压压力传感器51、围压流量传感器52、温度控制器53、冷库温度控制系统54、高压腔室温度控制系统55、低温恒温箱56、压裂-驱替系统控制器57、压裂系统58、加砂系统59、裂缝导流驱替系统60、第二高精度高压柱塞泵61、溶液容器62、第一中间转换容器63、压力控制器64、第四压力传感器65、第四流量传感器66、第二背压系统67、试样井眼68、第二温度传感器69、第二大排量低压油泵70、加砂搅拌器71、第五压力控制器72、第五压力传感器73、第五流量传感器74、第三高精度高压柱塞泵75、第二中间转换容器76、压裂驱替压力控制器77、第六压力传感器78、第六流量传感器79、探头80、变形控制器81、第一径向位移测量装置82、第二径向位移测量装置83、第三径向位移测量装置84、第一信号接收器85、第二信号接收器86、第三信号接收器87、第一温度传感器88、热缩管89、第一流体流量传感器90、第一气液分离器91、第二流体流量传感器92、第二气液分离器93、第二气体流量传感器94、第二液体流量传感器95、第三流体流量传感器96、第七压力传感器97、第二节流阀98、第二中间容器99、第二回压泵100、监测控制器101、功率放大器102、信号接收器103、加热电阻丝104。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，参照图1-图4，本发明提到的一种拟三轴下水合物原位合成压裂驱替一体化装置，包括冷库3，在冷库3内安装温度控制系统、动态裂缝扩展监测系统、变形位移测试系统、数据监测及伺服控制系统，其中，还包括天然气水合物原位合成系统、轴压-围压应力模拟系统和压裂-驱替模拟系统，所述天然气水合物原位合成系统包括第一控制器2、气体增压器5、高压甲烷气瓶6、高压氮气瓶7、第一压力传感器8、第一流量传感器9、高压腔室10、圆柱体岩心骨架11、密封装置12，所述气体增压器5的一端连接第一控制器2，另一端通过管线和第一压力传感器8、第一流量传感器9连接到底盘30，气体增压器5的下部分别连接高压甲烷气瓶6和高压氮气瓶7，在底盘30上安装高压腔室10，高压腔室10内安装圆柱体岩心骨架11，高压腔室10的上端安装密封装置12；天然气水合物原位合成系统能够合成不同尺寸、不同类型(强胶结、弱胶结、未胶结)、不同组分、不同孔隙度及不同饱和度天然气水合物样品；
所述轴压-围压应力模拟系统包括第二控制器25、注油排气系统27、应力加载系统28，第二控制器25的输出端一路通过注油排气系统27连接到底盘30，另一路连接应力加载系统28，应力加载系统28分两路，一路连接到密封装置12，对高压腔体29内的天然气水合物试样施加轴向压力；第二路连接到底盘30，对高压腔体29内的天然气水合物试样施加围压；
所述压裂-驱替模拟系统包括压裂-驱替系统控制器57、压裂系统58、加砂系统59、裂缝导流驱替系统60，压裂-驱替系统控制器57的输出端分别连接压裂系统58、加砂系统59和裂缝导流驱替系统60，压裂系统58和加砂系统59汇集在一个管线连接到高压腔体29；裂缝导流驱替系统60通过管线连接到底盘30；
上述注油排气系统27包括第一大排量低压油泵14、流量控制器15、第二压力传感器16、第二流量传感器17且依次连接，并通过管线连接到底盘30，油流通过底盘30的油流注入通道32注入高压腔体29，由高压腔体29顶部的气体排出通道31排出，气体排出通道31的外端连接第二节流阀43和气泡显示盘44，排出气体由气泡显示盘44显示，待气泡显示盘44显示没有气泡排出，表明油液充满高压腔体29。
其中，上述应力加载系统28包括高精度高压柱塞泵45、轴压控制器46、轴压压力传感器47、轴压流量传感器48组成的一路，用于对天然气水合物试样施加轴向压力；还包括围压控制器50、围压压力传感器51、围压流量传感器52组成的第二路，对天然气水合物试样施加围压；具体是通过该高精度高压柱塞泵45为应力加载系统28提供动力，分别通过轴压控制器46，对天然气水合物试样施加轴压(上覆岩层压力)，通过该围压控制器50，对天然气水合物试样施加拟三轴围压(水平主应力)，轴压可以达到200MPa，围压可以达到200MPa；通过轴压压力传感器47、轴压流量传感器48、围压压力传感器51和围压流量传感器52分别采集轴压和围压的压力和流量信息。
上述压裂系统58包括第二高精度高压柱塞泵61、溶液容器62、第一中间转换容器63、压力控制器64、第四压力传感器65、第四流量传感器66，第二高精度高压柱塞泵61的上端连接溶液容器62，第二高精度高压柱塞泵61的输出端依次通过管线连接第一中间转换容器63、压力控制器64、第四压力传感器65和第四流量传感器66，并通过管线连接到高压腔体29，压裂过程中由第二高精度高压柱塞泵61对溶液加压，以恒定排量流经第一中间转换容器63转换为压裂流体，注入天然气水合物试样，憋压后天然气水合物试样起裂并扩展，产生裂缝，此过程由第二背压系统67调整压力，以防水合物过量分解。
上述加砂系统59包括第二大排量低压油泵70、加砂搅拌器71、第五压力控制器72、第五压力传感器73、第五流量传感器74并且依次通过管线连接，并汇集到压裂系统58的管线上；在加砂过程中，由第二大排量低压油泵70从溶液容器62吸液，经由加砂搅拌器71携带出支撑剂注入裂缝，通过调节加砂搅拌器71的搅拌速率来调节加砂速率，此过程由第一背压系统13调整压力，以防天然气水合物试样过量分解。
上述裂缝导流驱替系统60包括第三高精度高压柱塞泵75、第二中间转换容器76、压裂驱替压力控制器77、第六压力传感器78、第六流量传感器79，所述第三高精度高压柱塞泵75的输出端连接第二中间转换容器76，第二中间转换容器76的输出端通过管线依次连接压裂驱替压力控制器77、第六压力传感器78和第六流量传感器79，并通过管线连接到底盘30；驱替过程中由第三高精度高压柱塞泵75对溶液加压，流经第二中间转换容器76转换为驱替流体，通过高压的管线流入天然气水合物试样，经由试样裂缝，由第二背压系统67流出，流体流入和流出天然气水合物试样的前后分别测量压力和流量，用于计算试样渗透率。
另外，上述高压腔室10的上端连接第一背压系统13，下端的底盘30上连接第二背压系统67。
其中，上述第一背压系统13包括第一流体流量传感器90、第一气液分离器91、第一气体流量传感器18、第一液体流量传感器19、第二流体流量传感器20、第三压力传感器21、第一节流阀22、第一中间容器23、第一回压泵24，所述第一气体流量传感器18和第一液体流量传感器19的前端通过管线和第一气液分离器91、第一流体流量传感器90连接到高压腔室10，后端通过管线和第二流体流量传感器20、第三压力传感器21、第一节流阀22、第一中间容器23连接到第一回压泵24的输出端。
上述第二背压系统67包括第二流体流量传感器92、第二气液分离器93、第二气体流量传感器94、第二液体流量传感器95、第三流体流量传感器96、第七压力传感器97、第二节流阀98、第二中间容器99、第二回压泵100，所述第二气体流量传感器94、第二液体流量传感器95的前端通过管线和第二气液分离器93、第二流体流量传感器92连接到底盘30，后端通过管线和第三流体流量传感器96、第七压力传感器97、第二节流阀98、第二中间容器99连接到第二回压泵100的输出端；第二背压系统67用来保持压裂系统、加砂系统及裂缝导流驱替系统的末端压力稳定。
还有，上述动态裂缝扩展监测系统包括监测控制器101、功率放大器102、信号接收器103，所述监测控制器101通过信号线、功率放大器102和信号接收器103连接到底盘30；另外，多个探头80均匀分置于天然气水合物试样的周围，用来获得裂缝扩展过程中动态声发射信号，监测动态裂缝扩展规律。
另外，温度控制系统包括温度控制器53、冷库温度控制系统54、高压腔室温度控制系统55、低温恒温箱56、第一温度传感器88、第二温度传感器69，所述温度控制器53的输出端分为两路，一路连接冷库温度控制系统54，冷库温度控制系统54包括第二温度传感器69，冷库温度控制系统54通过控制线连接到高压腔体29内；另一路连接高压腔室温度控制系统55，高压腔室温度控制系统55包括第一温度传感器88、低温恒温箱56并依次连接，高压腔室温度控制系统55通过控制线连接到底盘30，底盘30上安装加热电阻丝104，温度控制范围-25℃-100℃，第一温度传感器88、第二温度传感器69的接触端部放置于靠近天然气水合物试样的位置，将高压腔体29内的流体温度实时传给数据监测及伺服控制系统。
另外，底盘30上设有气体排出通道31、油流注入通道32、气体流入通道33、气体流出通道34、压裂液流出通道35、第一声发射数据传输通道36、第二声发射数据传输通道37、第三声发射数据传输通道38、第四声发射数据传输通道39、第一径向应变数据传输通道40、第二径向应变数据传输通道41、第三径向应变数据传输通道42，并且，在底盘30的中部安装加热电阻丝104。
变形位移测试系统包括变形控制器81、第一径向位移测量装置82、第二径向位移测量装置83、第三径向位移测量装置84、第一信号接收器85、第二信号接收器86、第三信号接收器87，变形控制器81的右端分别连接第一信号接收器85、第二信号接收器86和第三信号接收器87，并通过信号线连接到底盘30；第一径向位移测量装置82、第二径向位移测量装置83、第三径向位移测量装置84均匀分置于天然气水合物试样的上中下三个位置，用于测量试样垂直裂缝方位变形大小，结合渗透率数据获得裂缝导流能力。
数据监测及伺服控制系统包括计算机1，并通过信号线连接第一控制器2、第二控制器25、压裂-驱替系统控制器57、温度控制器53、变形控制器81、监测控制器101，通过数据监测及伺服控制系统实时监测并调整试验数据，实时控制并记录饱和气体压力及流量信息、冷库3的温度及高压腔体29内的温度、拟三轴应力大小、压裂流体及裂缝导流驱替流体流入或流出压力及流量、水合物分解气体流量、裂缝动态扩展声发射信号、试样径向变形数据等。
本发明提供了一种利用拟三轴下水合物原位合成压裂驱替一体化装置的测试方法，具体包括以下步骤：
步骤1，收集实验所需参数，南海XX海域水合物赋存储层主要为泥质粉砂型，以4-63μm的粉砂占比最大，黏土矿物以伊利石和蒙脱石为主，平均地温为14.37℃，储层孔隙度为34%左右，储层水合物饱和度为42%左右，地层孔隙压力为14.7MPa，上覆岩层压力为18MPa，水平主应力为17.2MPa，储层弹性模量为3.2GPa，泊松比为0.35，峰值强度为16.8MPa，压裂液选用胍胶压裂液，密度为1.22g/cm3，裂缝导流驱替流体选用去离子水，密度为1.0g/cm3；
步骤2，将石英砂与蒙脱石、伊利石按比例4:1:1混合，加入少量的硅酸钠溶液均匀搅拌，分次填充入模具中，模具内部放有热塑管，每次放入一定量混合土料后，轻轻捣击，使初步击实，制备圆柱体岩心骨架11，要保证圆柱体岩心骨架11各个面垂直度和平行度达到0.8%；
步骤3，在三轴实验机上，进行圆柱体岩心骨架11压实，施加轴压10KN，以恒定速度施加，轴压达到预定值后保持20分钟，然后撤消轴压，取出制作天然气水合物试样；
步骤4，利用孔隙度仪测量，试样孔隙度约为35%左右；
步骤5，添加去离子水，直到达到预定的量，然后再温度为-2℃环境下冷冻3h；
步骤6，天然气水合物试样准备完成后，将其与密封装置12下部的压头连接，并用热缩管89包被后加热，使得压头和天然气水合物试样紧密的连接到一起；在天然气水合物试样上、中、下位置处分别安置第一径向位移测量装置82、第二径向位移测量装置83和第三径向位移测量装置84，信号线连接好后一起推入高压腔体29，连接好天然气水合物原位合成系统、轴压-围压应力模拟系统、压裂-驱替模拟系统、温度控制系统、动态裂缝扩展监测系统、变形位移测试系统、数据监测及伺服控制系统，并检测设备运行完好性；
步骤7，关闭所有阀门，将高压腔体29与底盘30紧密接合，检查系统气密性，为实验做好准备；
步骤8，实验前2小时进行环境降温，温度为-2℃，准备生成天然气水合物试样；
步骤9，通过第一大排量低压油泵14向高压腔体29内充满液压油，油流通过底盘30的油流注入通道32注入高压腔体29，由高压腔体29顶部的气体排出通道31排出，气体排出通道31的外端连接第二节流阀43和气泡显示盘44，排出气体由气泡显示盘44显示，待气泡显示盘44显示没有气泡排出，表明油液充满高压腔体29；
步骤10，高压腔体29充满油后，启动高精度高压柱塞泵45，将围压提高到0.6MPa，然后以0.5MPa 孔压，通过底盘30供氮气，干燥管线及设备，清除天然气水合物试样的孔隙中残存空气；
步骤11，排气完毕后，同时，底盘30供甲烷气保压，升高环境温度至 2℃，分别增加围压至 10MPa，孔压至 9MPa，保持该状态 10 小时，通过第一气体流量传感器18监测到气体流量稳定后，继续保持系统状态24 小时，即可得到天然气水合物试样；
步骤12，根据储层应力设定地应力大小，通过应力加载系统向天然气水合物试样施加拟三轴应力，通过轴压控制器46施加轴向压力，也就是上覆岩层压力，通过应力加载系统28施加围压，也就是水平主应力，轴向压力和围压加载交替均匀进行，以保证天然气水合物试样受力均匀，应力加载完成后维持一段时间，以保证压力稳定；
步骤13，根据现场要求配置不同性能压裂流体，将第二背压系统67的压力调到压力值，通过压裂系统58以恒定排量不断向试样井眼68内注入流体，流体憋压后将天然气水合物试样压出裂缝，压裂完成后流体压力维持稳定，记录压力和流量变化；
步骤14，通过动态裂缝扩展监测系统，实时获取裂缝动态扩展声发射信号，分析裂缝扩展形态及规律；
步骤15，稳定第二背压系统67的压力，防止水合物分解，通过加砂系统59向天然气水合物试样裂缝内注入支撑剂，待压力稳定后停止注入；
步骤16，根据现场要求配置不同性能裂缝导流驱替流体，通过裂缝导流驱替系统60以设定排量注入流体，调节第二背压系统67的压力维持稳定，采集天然气水合物试样的裂缝流入及流出口处压力、流量信息，计算获得裂缝渗透率；
步骤17，通过裂缝处径向位移测量装置来测量获得裂缝变形量，结合步骤15获得的裂缝渗透率，即可得到主缝及对称分支缝的导流能力；
步骤18，通过数据监测及伺服控制系统实时监测并调整试验数据；
步骤19，当径向应变信号基本不变后，停止实验，拆卸仪器，并清洗所有容器和管线，保持设备清洁；
步骤20，实验完成后，观察天然气水合物试样的裂缝形态、裂缝面粗糙程度、支撑剂分布及嵌入规律，利用CT扫描建立三维立体图件，获得裂缝参数、水合物分布及分解情况，探究不同工况下水合物原位合成情况及裂缝扩展情况，在此基础上分析驱替流体循环时间、驱替流体性质、水合物分解、支撑剂性质、地层性质等因素对天然气水合物试样的裂缝导流能力的影响。
以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的相应简单修改或等同变换，尽属于本发明要求保护的范围。
Claims (7)
1.一种拟三轴下水合物原位合成压裂驱替一体化装置，包括冷库（3），在冷库（3）内安装温度控制系统、动态裂缝扩展监测系统、变形位移测试系统、数据监测及伺服控制系统，其特征是：还包括天然气水合物原位合成系统、轴压-围压应力模拟系统和压裂-驱替模拟系统，所述天然气水合物原位合成系统包括第一控制器（2）、气体增压器（5）、高压甲烷气瓶（6）、高压氮气瓶（7）、第一压力传感器（8）、第一流量传感器（9）、高压腔室（10）、圆柱体岩心骨架（11）、密封装置（12），所述气体增压器（5）的一端连接第一控制器（2），另一端通过管线和第一压力传感器（8）、第一流量传感器（9）连接到底盘（30），气体增压器（5）的下部分别连接高压甲烷气瓶（6）和高压氮气瓶（7），在底盘（30）上安装高压腔室（10），高压腔室（10）内安装圆柱体岩心骨架（11），高压腔室（10）的上端安装密封装置（12）；
所述轴压-围压应力模拟系统包括第二控制器（25）、注油排气系统（27）、应力加载系统（28），第二控制器（25）的输出端一路通过注油排气系统（27）连接到底盘（30），另一路连接应力加载系统（28），应力加载系统（28）分两路，一路连接到密封装置（12），对高压腔体（29）内的天然气水合物试样施加轴向压力；第二路连接到底盘（30），对高压腔体（29）内的天然气水合物试样施加围压；
所述压裂-驱替模拟系统包括压裂-驱替系统控制器（57）、压裂系统（58）、加砂系统（59）、裂缝导流驱替系统（60），压裂-驱替系统控制器（57）的输出端分别连接压裂系统（58）、加砂系统（59）和裂缝导流驱替系统（60），压裂系统（58）和加砂系统（59）汇集在一个管线连接到高压腔体（29）；裂缝导流驱替系统（60）通过管线连接到底盘（30）；
所述压裂系统（58）包括第二高精度高压柱塞泵（61）、溶液容器（62）、第一中间转换容器（63）、压力控制器（64）、第四压力传感器（65）、第四流量传感器（66），第二高精度高压柱塞泵（61）的上端连接溶液容器（62），第二高精度高压柱塞泵（61）的输出端依次通过管线连接第一中间转换容器（63）、压力控制器（64）、第四压力传感器（65）和第四流量传感器（66），并通过管线连接到高压腔体（29），压裂过程中由第二高精度高压柱塞泵（61）对溶液加压，以恒定排量流经第一中间转换容器（63）转换为压裂流体，注入天然气水合物试样，憋压后天然气水合物试样起裂并扩展，产生裂缝；
所述加砂系统（59）包括第二大排量低压油泵（70）、加砂搅拌器（71）、第五压力控制器（72）、第五压力传感器（73）、第五流量传感器（74）并且依次通过管线连接，并汇集到压裂系统（58）的管线上；
所述裂缝导流驱替系统（60）包括第三高精度高压柱塞泵（75）、第二中间转换容器（76）、压裂驱替压力控制器（77）、第六压力传感器（78）、第六流量传感器（79），所述第三高精度高压柱塞泵（75）的输出端连接第二中间转换容器（76），第二中间转换容器（76）的输出端通过管线依次连接压裂驱替压力控制器（77）、第六压力传感器（78）和第六流量传感器（79），并通过管线连接到底盘（30）。
2.根据权利要求1所述的拟三轴下水合物原位合成压裂驱替一体化装置，其特征是：所述注油排气系统（27）包括第一大排量低压油泵（14）、流量控制器（15）、第二压力传感器（16）、第二流量传感器（17）且依次连接，并通过管线连接到底盘（30），油流通过底盘（30）的油流注入通道（32）注入高压腔体（29），由高压腔体（29）顶部的气体排出通道（31）排出，气体排出通道（31）的外端连接第二节流阀（43）和气泡显示盘（44），排出气体由气泡显示盘（44）显示。
3.根据权利要求2所述的拟三轴下水合物原位合成压裂驱替一体化装置，其特征是：所述应力加载系统（28）包括高精度高压柱塞泵（45）、轴压控制器（46）、轴压压力传感器（47）、轴压流量传感器（48）组成的一路，用于对天然气水合物试样施加轴向压力；还包括围压控制器（50）、围压压力传感器（51）、围压流量传感器（52）组成的第二路，对天然气水合物试样施加围压。
4.根据权利要求3所述的拟三轴下水合物原位合成压裂驱替一体化装置，其特征是：所述高压腔室（10）的上端连接第一背压系统（13），下端的底盘（30）上连接第二背压系统（67）。
5.根据权利要求4所述的拟三轴下水合物原位合成压裂驱替一体化装置，其特征是：所述第一背压系统（13）包括第一流体流量传感器（90）、第一气液分离器（91）、第一气体流量传感器（18）、第一液体流量传感器（19）、第二流体流量传感器（20）、第三压力传感器（21）、第一节流阀（22）、第一中间容器（23）、第一回压泵（24），所述第一气体流量传感器（18）和第一液体流量传感器（19）的前端通过管线和第一气液分离器（91）、第一流体流量传感器（90）连接到高压腔室（10），后端通过管线和第二流体流量传感器（20）、第三压力传感器（21）、第一节流阀（22）、第一中间容器（23）连接到第一回压泵（24）的输出端。
6.根据权利要求5所述的拟三轴下水合物原位合成压裂驱替一体化装置，其特征是：所述第二背压系统（67）包括第二流体流量传感器（92）、第二气液分离器（93）、第二气体流量传感器（94）、第二液体流量传感器（95）、第三流体流量传感器（96）、第七压力传感器（97）、第二节流阀（98）、第二中间容器（99）、第二回压泵（100），所述第二气体流量传感器（94）、第二液体流量传感器（95）的前端通过管线和第二气液分离器（93）、第二流体流量传感器（92）连接到底盘（30），后端通过管线和第三流体流量传感器（96）、第七压力传感器（97）、第二节流阀（98）、第二中间容器（99）连接到第二回压泵（100）的输出端。
7.根据权利要求6所述的拟三轴下水合物原位合成压裂驱替一体化装置，其特征是：所述动态裂缝扩展监测系统包括监测控制器（101）、功率放大器（102）、信号接收器（103），所述监测控制器（101）通过信号线、功率放大器（102）和信号接收器（103）连接到底盘（30）。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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