CN205154123U - 一种模拟sagd过程中水力压裂作用机理的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种模拟SAGD(蒸汽辅助重力卸油)过程中水力压裂作用机理的实验装置。包括真三轴应力加载装置、蒸汽加热装置、压裂装置和声发射监测装置。真三轴应力加载装置通过压力室可以对实验岩样施加三个方向的应力。蒸汽加热装置通过预制在实验岩样中的热蒸汽循环管线，对实验岩样进行局部加热，并通过布置在实验岩样表面的温度传感器监测实验岩样温度。压裂装置通过预制在实验岩样中的井筒向实验岩样内部注入压裂液。声发射监测装置监测实验岩样内部产生的声发射信号，并通过相应定位算法确定裂缝空间位置。本实用新型模拟高温高压条件下的SAGD水力压裂过程，为稠油油田水力压裂施工设计提供真实有效的评估和参考。

Description

一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置

技术领域

本发明属于岩石力学水力压裂研究领域，具体涉及一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置。

背景技术

中国及世界范围内均具有丰富的稠油油藏资源，SAGD技术是当前稠油资源开发的重要方式，然而随着许多油田进入开发中后期，不断出现高含水、低渗透、超稠油等开发难题，油田产油量递减严重，传统的稠油热采技术亟须创新升级。另一方面，水力压裂是开发低渗油气藏主要的增产增注方式之一，对于提高油田采收率效果显著。因此将两种油气资源开采技术结合到一起，对于稠油油田增产意义重大，这就对SAGD技术与压裂技术相结合的实验室研究，提出了新需求和新挑战。

目前由于压裂实验设备的限制，大多数实验室所开展的水力压裂实验均为常规水力压裂实验，即仅考虑地应力条件对水力压裂效果的影响，而忽略了高温的影响。即使考虑温度的影响，通常也只是采用对实验岩样整体加热的方式来开展实验，这与SAGD过程中，注气井对地层的局部加热作用存在较大差异。因此为了更加真实得模拟和探究SAGD过程中水力压裂的作用机理，发明该实验装置并提出了相应的实验方法。

发明内容

为了解决上述现有实验研究中存在的问题，本发明提供了一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置，即模拟高温高压条件下的SAGD水力压裂过程。

为此本发明所采用的技术方案是：

一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置，包括真三轴应力加载装置、蒸汽加热装置、压裂装置和声发射监测装置。真三轴应力加载装置，所述真三轴应力加载装置主要包括千斤顶和围压筒，千斤顶之间形成了长方体形状的压力室，用于放置呈长方体形状的实验岩样。蒸汽加热装置，所述蒸汽加热装置包括温度传感器、蒸汽热源以及预制于实验岩样内部的热蒸汽循环管线。压裂装置，所述压裂装置包括双腔恒速注入泵、预制于实验岩样内部的井筒以及连接井筒与双腔恒速注入泵的压裂液注入管线。声发射监测装置，所述声发射监测装置包括声发射仪、多个声发射探头，声发射探头通过数据线与声发射仪连接，所有声发射探头都埋设在事先预留的，位于实验岩样表面的凹槽里。该实验装置可以对实验岩样施加三个方向的应力，并通过预制在实验岩样中的热蒸汽循环管线，对实验岩样进行局部加热，从而真实模拟SAGD过程中，储层所处的高温高压耦合应力状态。同时通过预制在实验岩样中的井筒，向实验岩样内注入压裂液，以模拟和探究上述耦合应力状态下的水力压裂作用机理，为水力压裂现场施工方案设计和热流固耦合理论研究提供有力的实验支撑。

如上所述的一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置，其中所述蒸汽热源可以提供不同的加热速率。

如上所述的一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置，其中所述热蒸气循环管线在实验岩样中的位置，有多种布置方式，根据实验目的的不同，选择合理的热蒸汽循环管线布置方式。

如上所述的一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置，其中所述井筒的长度不得超过实验岩样长度的一半。

如上所述的一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置，其中所述声发射探头个数不得少于4个。

如上所述的一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置，其中所述实验岩样的外形尺寸为300mm×300mm×600mm，井筒的外直径为20mm，热蒸汽循环管线外直径为10mm。

本发明所述一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置的工作方式是：

首先，针对不同的研究目的，确定蒸汽热源的加热速率，确定压力室施加三向应力的大小，确定热蒸汽循环管线的布置方式，确定双腔恒速注入泵的注入速率；然后采用真三轴应力加载装置，通过施加不同大小的三向应力，模拟实际地层的地应力状态；采用蒸汽加热装置，模拟SAGD过程中的注气井，对实验岩样进行局部加热，并通过温度传感器实时监测实验岩样温度，直至目标温度；采用压裂装置来模拟水平井压裂，通过双腔恒速注入泵，以及预制在实验岩样内部的井筒，以恒定速率向实验岩样内注入压裂液，并实时采集井筒内压裂液的压力；同时采用声发射监测装置，通过布置在实验岩样表面的多个声发射探头，接收由于裂缝的起裂及扩展而产生的声发射信号，并通过声发射仪内置的软件程序，对接收到的声发射信号进行定位处理，从而确定实验岩样内部裂缝的起裂位置以及整个裂缝面的空间位置。

本发明的的特点和优点是：

本发明提出了一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置，相比传统的水力压裂实验，本发明通过预制在实验岩样内部的热蒸汽循环管线，对实验岩样进行局部加热，从而更为真实的模拟SAGD水力压裂过程中，热流固耦合条件下，裂缝的起裂和发育情况；本发明所公开的模拟实验装置操作简单，针对性强，为SAGD过程中水力压裂作用机理的研究提供了有效手段。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1为本发明模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置的纵向剖面图；

图2为热蒸汽循环管线单侧布置示意图；

图3为热蒸汽循环管线垂直布置示意图；

图4为热蒸汽循环管线倾斜布置示意图；

附图标号说明：

1、压力室；2、温度传感器；3、声发射仪；4、蒸汽热源；5、热蒸汽回流端口；6、热蒸汽排出端口；7、温度传感器数据线；8、声发射数据线；9、压裂液注入管线；10、双腔恒速注入泵；11、井筒；12、声发射探头；13、围压伺服控制泵；14、热蒸汽循环管线；15、实验岩样

具体实施方式

本发明提出了一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置，为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

实施例1：如图1所示本发明公开了一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置，包括真三轴应力加载装置、蒸汽加热装置、压裂装置和声发射监测装置。

结合图1所示，本发明涉及实验岩样为由水泥砂浆浇筑而成的300mm×300mm×600mm实验岩样15。在浇筑水泥砂浆实验岩样时，需要将井筒11以及热蒸汽循环管线14提前放置在铁质模具中，一同浇筑。在浇筑时，井筒11出口放置在实验岩样中心位置，热蒸汽循环管线14的位置可根据实验要求和实验目的灵活放置，同时热蒸汽循环管线14的进出口以及井筒11入口均从长方体实验岩样的右侧端面引出。

结合图1所示，实验所需要的围压由千斤顶和围压筒组成的压力室1提供，并通过围压伺服控制泵13保持实验过程中围压的恒定有效。同时压力室右侧端面留有直径50mm的圆形开口，用于热蒸汽回流端口5、热蒸汽排除端口6以及压裂液注入管线9的进出。

结合图1所示，蒸汽加热装置主要由热蒸汽循环管线14、温度传感器2、温度传感器数据线7以及蒸汽热源4、热蒸汽回流端口5、热蒸汽排出端口6组成。首先蒸汽热源4产生热蒸汽，并通过热蒸汽排出端口6将热蒸汽排入热蒸汽循环管线14，热蒸汽中携带的大量热能通过热蒸汽循环管线14传递给实验岩样15，热传递之后的蒸汽通过热蒸汽回流端口5流回蒸汽热源4重新加热。同时布置在实验岩样15表面凹槽内的温度传感器2，直至加热至目标温度，从而实现对实验岩样的加温。

结合图1所示，压裂装置主要由双腔恒速注入泵10、压裂液注入管线9以及井筒11组成。压裂装置工作时，由双腔恒速注入泵10以恒定的注入速率，通过压裂液注入管线9向井筒11中注入压裂液。压裂液通过井筒11注入实验岩样，同时双腔恒速注入泵10实时监测井筒11内压裂液的压力值，以实现水力压裂模拟。

结合图1所示，声发射监测装置主要由声发射探头12、声发射数据线8、声发射仪3构成。实验岩样15在压裂过程中产生的声发射信号，由分布在实验岩样表面的声发射探头12接收，并通过声发射数据线8将接收到的声发射信号传输到声发射仪3，并由声发射仪3对接收到的声发射信号进行定位处理，其中声发射探头12以及声发射数据线8均放置在事先凿好的，位于实验岩样表面的凹槽里，以免声发射探头13及声发射数据线8在实验岩样受压时遭到挤压破坏。

下面对上述实验装置的使用方法作如下说明：

本实施例中，蒸汽热源4的加热速率为20℃/h，目标温度为50℃，热蒸汽加热管线14如图2所示为垂直布置。

上述实验装置的使用方法，具体包括以下步骤：

步骤1、在上述浇筑并凝固好的混凝土实验岩样15表面凿取放置声发射探头12、温度传感器2以及数据线所需要的凹槽，并用耦合剂将声发射探头12及温度传感器2黏贴在相应凹槽位置，并将数据线铺设于相应凹槽内，同时对实验岩样表面进行拍照记录，为后期实验结果对比做准备；

步骤2、将实验岩样15放置到真三轴加载装置的压力室1内，并将声发射数据线8另一端连接至声发射仪3，将温度传感器数据线7另一端连接至蒸汽热源4，将井筒11右侧压裂液进入端口与压裂液注入管线9连接；

步骤3、启动围压伺服控制泵13，按设定好的三向围压值对实验岩样15施加围压；

步骤4、通过上述加热装置对实验岩样15进行局部加热，同时打开声发射仪3，对加热过程中产生的声发射信号进行采集，并通过温度传感器2实时监测实验岩样温度，直至加热实验岩样15至目标温度值；

步骤5、实验岩样15温度达到目标温度值后，停止加热，同时启动双腔恒速注入泵10向井筒11内，以恒定速率注入压裂液，并实时监测和记录井筒11中压裂液的压力值，直至实验岩样15破坏，另外整个实验过程中，声发射监测装置始终保持工作状态，实时监测实验岩样15压裂破坏过程中产生的声发射信号，并对裂缝的起裂和扩展进行定位处理；

步骤6、实验岩样15破坏，压裂液透过实验岩样15表面流出之后，关闭双腔恒速注入泵10，停止压裂液注入，同时关闭声发射仪3，停止声发射信号采集，然后通过围压伺服控制泵13卸载围压至0压力值，然后拆除各装置相关的连接管线，并将实验岩样15移出压力室；

步骤7、对实验后的实验岩样15表面进行拍照，然后用剖切机将实验岩样15剖切成厚度均匀的切片，观察各切片上的裂缝分布，并拍照。

步骤8、利用上述实验结果展开SAGD过程中水力压裂作用机理的研究分析。

实施例2：一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置，同实施例1不同之处在于，蒸汽热源4的加热速率为40℃/h。

实施例3：一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置，同实施例1不同之处在于，蒸汽热源4的加热速率为60℃/h。

实施例4：一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置，同实施例1不同之处在于，目标温度为100℃。

实施例5：一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置，同实施例1不同之处在于，目标温度为150℃。

实施例6：一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置，同实施例1不同之处在于，目标温度为200℃。

实施例7：一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置，同实施例1不同之处在于，热蒸汽加热管线14如图3所示为单侧布置。

实施例8：一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置，同实施例1不同之处在于，热蒸汽加热管线14如图4所示为倾斜布置，且与水平面夹角为20°。

实施例9：一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置，同实施例1不同之处在于，热蒸汽加热管线14如图4所示为倾斜布置，且与水平面夹角为40°。

实施例10：一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置，同实施例1不同之处在于，热蒸汽加热管线14如图4所示为倾斜布置，且与水平面夹角为60°。

实施例11：一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置，同实施例1不同之处在于，热蒸汽加热管线14如图4所示为倾斜布置，且与水平面夹角为80°。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置，包括真三轴应力加载装置、蒸汽加热装置、压裂装置和声发射监测装置，其特征在于：

所述真三轴应力加载装置，主要包括围压筒和千斤顶，千斤顶之间形成了长方体形状的压力室，用于放置呈长方体形状的实验岩样；所述蒸汽加热装置，包括热蒸汽循环管线、温度传感器以及蒸汽热源；所述压裂装置包括井筒、双腔恒速注入泵以及连接井筒与双腔恒速注入泵的压裂液注入管线；所述声发射监测装置包括声发射仪、多个声发射探头，声发射探头通过数据线与声发射仪连接，所有声发射探头均埋设在事先预留在实验岩样表面的凹槽里。

2.根据权利要求1所述的一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置，其特征在于：加热装置采用的加热方式为热蒸汽加热，且为局部加热。

3.根据权利要求1所述的一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置，其特征在于：热蒸汽循环管线在浇筑实验岩样时预制于实验岩样内部。

4.根据权利要求1所述的一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置，其特征在于：蒸汽热源可以提供的加热速率为20℃/h或40℃/h或60℃/h。

5.根据权利要求1所述的一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置，其特征在于：热蒸汽循环管线有三类布置方式，即单侧布置、垂直布置、倾斜布置。

6.根据权利要求1所述的一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置，其特征在于：热蒸汽循环管线倾斜布置时的倾斜角度为20°或40°或60°或80°。

7.根据权利要求1所述的一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置，其特征在于：声发射探头的数量不得少于4个。

8.根据权利要求1所述的一种模拟SAGD过程中水力压裂作用机理的实验装置，其特征在于：所述实验岩样的外形尺寸为300mm×300mm×600mm，井筒的外直径为20mm，热蒸汽循环管线外直径为10mm。