CN208137925U - 一种三维多层多井压裂支撑裂缝实时监测实验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三维多层多井压裂支撑裂缝实时监测实验系统包括：岩心试件、岩心夹持装置、全三维多层应力加载装置、压裂泵注装置、裂缝扩展实时监测装置和控制装置。本实用新型公开提供了一种三维多层多井压裂支撑裂缝实时监测实验系统，在施加三向应力、且水平两个方向为分层应力条件下，包含多个井筒的岩心试件模拟水力压裂、加砂支撑，通过对压裂裂缝起裂及扩展过程裂缝诱导应力实时、定量监测与后期解释，实现三维多层多井压裂支撑裂缝起裂及扩展过程定量化描述，并可获得支撑剂在裂缝内的铺置状态。

Description

一种三维多层多井压裂支撑裂缝实时监测实验系统

技术领域

本实用新型涉及油气藏压裂改造技术领域，更具体的说是涉及一种三维多层多井压裂支撑裂缝实时监测实验系统。

背景技术

水力压裂技术目前已成为低渗透致密储层开发中的核心技术，煤层气开采的重要技术。通过水力压裂压开岩石沟通天然裂缝，并以支撑剂将裂缝支撑，产生高渗透路径，达到增产的目的。如何实现储层改造体积的最大化，是制约当前低渗透致密储层高效开发的技术难题，然而其关键在于如何确定原始地应力条件下裂缝起裂、扩展规律以及真实裂缝条件下支撑剂的铺置形态。

当前有关裂缝起裂、扩展规律室内实验大多应用岩石三轴试验机开展，岩样通过三向应力加载后，通过恒压恒速泵泵注高压染色液体，岩样表面事先放置声发射监测装置，通过监测压裂过程中的声发射事件半定性评价裂缝扩展过程，后期将岩样剖开观察染色情况确定裂缝形态。

上述实验存在以下不足：1、目前大多采用的真三轴压裂装置，三向应力加载方式，未涉及多层；2、裂缝监测手段采用声发射，该方式仅能半定性评价裂缝形成过程，不能定量评价诱导应力；3、目前仅能在Z方向采用单一直井，不能实现多井/复杂井型模拟；4、仅使用单一压裂液体进行压裂，不能评价支撑剂在裂缝中的铺置情况。

因此，基于以上不足，开发一种三维多层多井压裂支撑裂缝实时监测实验系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种三维多层多井压裂支撑裂缝实时监测实验系统，通过对压裂裂缝起裂及扩展过程中裂缝诱导应力实时、定量监测与后期解释，实现三维多层多井压裂支撑裂缝起裂及扩展过程定量化描述，有效解决了现有技术中的问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种三维多层多井压裂支撑裂缝实时监测实验系统，包括：岩心试件、岩心夹持装置、全三维多层应力加载装置、压裂泵注装置、裂缝扩展实时监测装置和控制装置；其中，

岩心试件上预制有多个井筒；所述岩心试件在X方向、Y方向和Z方向均设置有压板，其中，X方向和Y方向上安装有多个压板；且各个压板均通过液压缸与所述全三维多层应力加载装置连接；

所述岩心夹持装置夹持所述岩心试件；

所述全三维多层应力加载装置与所述岩心试件相连，为所述岩心试件加载三维多层应力；

所述压裂泵注装置与所述井筒连接，为所述井筒提供压裂液；

所述裂缝扩展实时监测装置安装于所述岩心试件上，实时监测应力/应变信息，并通过数据采集模块将监测应力/应变信息发送给所述控制装置；

所述全三维多层应力加载装置、所述压裂泵注装置、所述数据采集模块均与所述控制装置电连接；所述控制装置控制所述全三维多层应力加载装置和所述压裂泵注装置的启停，并记录、分析接收到的各种信息。

优选的，所述岩心夹持装置包括：外腔体，所述岩心试件设置在外腔体内；所述外腔体的顶部通过上法兰压板固定，所述外腔体的底部通过下法兰压板固定；所述外腔体的周围通过拉杆穿过所述上法兰压板和所述下法兰压板进行固定；其中，所述上法兰压板预留有与所述井筒匹配的压裂注入口；所述下法兰压板预留有与所述液压缸连通的注入口；且所述下法兰压板顶部还铺设有定位板。

优选的，所述全三维多层应力加载装置包括：通过第二管路和所述注入口与所述液压缸相连的电动加压泵和第二储液容器；其中，所述第二管路上且位于所述电动加压泵和所述液压缸之间还连通有三维应力加载系统泄压池；所述三维应力加载系统泄压池处设置有阀门；且所述电动加压泵与所述控制装置电连接。

优选的，压裂泵注装置包括：通过第一管路与所述压裂注入口均连接的泵注装置泄压池和泵注分路；其中，所述泵注分路包括依次连接的第一储液容器、恒速恒压泵和中间活塞容器；其中，所述中间活塞容器包括：并列设置的第一中间活塞容器和第二中间活塞容器；所述第一中间活塞容器和所述第二中间活塞容器的输入端均通过阀门与所述恒速恒压泵连接，输出端均通过阀门与所述第一管路连通；且所述恒速恒压泵与所述控制装置电连接；所述泵注装置泄压池处设置有阀门。

优选的，在所述第一管路上，且位于所述压裂注入口与所述第二中间活塞容器之间安装有压力传感器，所述压力传感器通过数据采集模块与所述控制装置电连接。

优选的，所述岩心试件包括：人造岩心或天然岩心；所述人造岩心或所述天然岩心内预制有多个井筒；且所述人造岩心或天然岩心在X方向上等距安装有三个所述压板，Y方向上等距安装有三个所述压板，Z方向安装有一个所述压板，且每个压板均连接有液压缸，且每个所述液压缸均通过压力传感器和阀门与第二管路连通。

优选的，所述恒速恒压泵靠近所述第一中间活塞容器和所述第二中间活塞容器的一侧安装有压力传感器。

优选的，所述第一管路上，且位于所述井筒和所述第二中间活塞容器之间安装有压力传感器。

优选的，所述裂缝扩展实时监测装置包括：应变花；所述应变花安装在岩心试件上，且所述应变花与所述控制装置电连接。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型公开提供了一种三维多层多井压裂支撑裂缝实时监测实验系统，在施加三向应力、且水平两个方向为分层应力条件下，包含多个井筒的岩心试件模拟水力压裂、加砂支撑，通过对压裂裂缝起裂及扩展过程裂缝诱导应力实时、定量监测与后期解释，实现三维多层多井压裂支撑裂缝起裂及扩展过程定量化描述，并可获得支撑剂在裂缝内的铺置状态。

本实用新型提供的实验系统适用于砂岩、页岩等多种油气藏中定向井、水平井水力压裂裂缝扩展诱导应力实时、定量测试，并可实现不同水平应力差下的多层携砂压裂实验，为定量研究不同井型/多井筒、不同地应力差、不同排量、不同砂比下压裂裂缝起裂与扩展诱导应力提供实验支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本实用新型提供的三维多层多井压裂支撑裂缝实时监测实验系统的结构框图；

图2附图为本实用新型提供的三维多层多井压裂支撑裂缝实时监测实验系统的结果简图；

图3附图为本实用新型提供的岩心试件和岩心夹持装置的结构示意图一；

图4附图为本实用新型提供的岩心试件和岩心夹持装置的结构示意图二。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例公开了一种三维多层多井压裂支撑裂缝实时监测实验系统，包括：岩心试件1、岩心夹持装置2、全三维多层应力加载装置3、压裂泵注装置4、裂缝扩展实时监测装置5和控制装置6；其中，

岩心试件1上预制有多个井筒11；岩心试件1在X方向、Y方向和Z方向均设置有压板12，其中，X方向和Y方向上安装有多个压板12；且各个压板12均通过液压缸13与全三维多层应力加载装置3连接；

压板包括：Z向压板；X上压板、X中压板、X下压板；Y上压板、Y中压板、Y下压板；压板的尺寸为300×300mm，适用岩心规格300×300× 300mm，压板表面预留应力/应变测试槽，例如可以用于安装应变花。

岩心夹持装置2夹持岩心试件1；

全三维多层应力加载装置3与岩心试件1相连，为岩心试件1加载三维多层应力；

压裂泵注装置4与井筒11连接，为井筒11提供压裂液；

裂缝扩展实时监测装置5安装于岩心试件1上，实时监测应力/应变信息，并通过数据采集模块9将监测应力/应变信息发送给所述控制装置6；

全三维多层应力加载装置3、压裂泵注装置4、数据采集模块9均与控制装置6电连接；控制装置6控制全三维多层应力加载装置3和压裂泵注装置4 的启停，并记录、分析接收到的各种信息。

本实用新型将带有复杂井筒或多个井筒的岩心试件置于岩心夹持系统中，通过全三维多层应力加载装置对岩心试件施加三向应力，裂缝扩展实时监测装置对应力/应变信息进行测量，压裂泵注装置对岩心试件进行水力压裂和携砂压裂，并通过控制装置对三维应力、泵注排量、泵注压力等进行自动控制与数据采集，从而实现裂缝扩展诱导应力实时监测与定量解释。

其中，控制装置实现对三维应力、泵注排量、泵注压力等数据的实时采集与分析。此外，本实用新型中公开的阀门和管线耐压90MPa。

为了进一步优化上述技术方案，岩心夹持装置2包括：外腔体21，岩心试件1设置在外腔体21内；外腔体21的顶部通过上法兰压板221固定，外腔体21的底部通过下法兰压板222固定；外腔体21的周围通过拉杆23穿过上法兰压板221和下法兰压板222进行固定；其中，上法兰压板221预留有与井筒11匹配的压裂注入口24；下法兰压板222预留有与液压缸13连通的注入口25；且下法兰压板222顶部还铺设有定位板26。

岩心夹持装置整体外形尺寸φ900×1200mm，整体材质碳钢防锈处理。附图4中黑色直角部件用于给液压缸和压板定位。上法兰压板底部还设置有Z 向的固定板，参见附图3，固定板上设有压裂注入口。

为了进一步优化上述技术方案，全三维多层应力加载装置3包括：通过第二管路31和注入口25与液压缸13相连的电动加压泵32和第二储液容器 33；其中，第二管路31上且位于电动加压泵32和液压缸13之间还连通有三维应力加载系统泄压池34；三维应力加载系统泄压池34处设置有阀门7；且电动加压泵32与控制装置6电连接。

电动加压泵最高压力可达到50MPa，实现轴向压力35MPa，可电脑控制；第二管路、阀门均可耐压60MPa；液压缸采用高压活塞缸，包括Z向活塞缸、 X上活塞缸、X中活塞缸、X下活塞缸、Y上活塞缸、Y中活塞缸、Y下活塞缸，其中X、Y向为对称作用缸，Z向为单作用缸；泄压管线与三维应力加载装置泄压池通过泄压阀门连接。

为了进一步优化上述技术方案，压裂泵注装置4包括：通过第一管路41 与压裂注入口24均连接的泵注装置泄压池42和泵注分路；其中，泵注分路包括依次连接的第一储液容器43、恒速恒压泵44和中间活塞容器；其中，中间活塞容器包括：并列设置的第一中间活塞容器45和第二中间活塞容器46；第一中间活塞容器45和第二中间活塞容器46的输入端均通过阀门7与恒速恒压泵44连接，输出端均通过阀门7与第一管路41连通；且恒速恒压泵44与控制装置电连接；泵注装置泄压池处设置有阀门。

恒速恒压泵可实现恒流注入，可电脑控制，泵注压力可达80MPa，流量范围0.01-9.99mL/min；第一中间活塞容器为带液位显示、可搅拌的活塞容器，容积2L，耐压90MPa，实现固液两相介质注入；第二中间活塞容器为带液位显示活塞容器，容积2L，耐压90MPa，实现高粘液体注入；此处阀门为高压控制阀门，可实现第一中间活塞容器和第二中间活塞容器间的转换，耐压 90MPa；第一管路为高压注入管线，耐压90MPa。

为了进一步优化上述技术方案，在第一管路41上，且位于压裂注入口24 与第二中间活塞容器46之间安装有压力传感器8，压力传感器8通过数据采集模块9与控制装置6电连接。

为了进一步优化上述技术方案，岩心试件1包括：人造岩心或天然岩心；人造岩心或天然岩心内预制有多个井筒11；且人造岩心或天然岩心在X方向上等距安装有三个压板12，Y方向上等距安装有三个压板12，Z方向安装有一个压板12，且每个压板12均连接有液压缸13，且每个液压缸13均通过压力传感器8和阀门7与第二管路31连通。

岩心试件包括人造岩心/天然岩心。人造岩心为根据不同比例水泥、石英砂、水、减阻剂等人工浇筑而成，尺寸为300×300×300mm，内部可事先预制裂缝；天然岩心为岩石露头切割而成；复杂井筒可模拟直井、定向井、丛式井、水平井等不同井型预制于人造岩心内；多井筒可预制在人造岩心/天然岩心的不同位置，并不限于附图2中所标识的位置。

为了进一步优化上述技术方案，恒速恒压泵44靠近第一中间活塞容器45 和第二中间活塞容器46的一侧安装有压力传感器8。

为了进一步优化上述技术方案，裂缝扩展实时监测装置5包括：应变花 51；应变花51安装在岩心试件1上，且应变花51与控制装置6电连接。

每个压板对应安装一个应变花，应变花为垂直型应变片，阻值120Ω；对应变花的最高采样频率200Hz。

为了进一步优化上述技术方案，第一管路41上，且位于井筒11和第二中间活塞容器之间安装有压力传感器8。

本实用新型还公开了一种三维多层多井压裂支撑裂缝实时监测实验方法，包括：

S1：制作岩心试件；

对于天然露头岩心，将岩样加工为300×300×300mm正方体岩心试件。根据层理情况，选择其中一表面固定位置钻取尺寸为φ14mm×150mm的两圆形孔洞，模拟井筒下端根据不同射孔相位角钻孔模拟射孔孔眼，孔眼直径 2mm，为使模拟井筒与岩心孔眼贴合紧密，模拟井筒外表面加工螺纹，将带模拟射孔孔眼的模拟井筒外表面(不包括孔眼位置)均匀涂抹高强度胶以增强模拟井筒与岩心孔眼的贴合强度，防止注窜；

对于人造岩心，以拟研究储层岩石力学参数为标定，设定人造岩心的材料配比，均匀混合后将其填入人造岩心模具内，根据设定的井眼轨迹加工不同走向的模拟井筒，其注入端口固定，为保证模拟井筒不影响人造岩心的强度，模拟井筒尽量沿岩心表面铺设，将模拟井筒固定于模具之内后，将混合好的人造岩心材料缓慢倒入模具，之后保养28天；在制作人造岩心的同时，将同样材料配比、同样保养周期的材料，钻取标准试件，进行杨氏模量、泊松比等参数的测定。

在应力/应变测试过程中，要提前输入岩心试件的杨氏模量和泊松比等参数，用控制装置中的软件系统计算诱导应力使用。

S2：将裂缝扩展实时监测装置贴合于岩心试件的测试点，之后将岩心试件置于岩心夹持装置内；

S3：将岩心试件与全三维多层应力加载装置和压裂泵注装置进行管线连接；将全三维多层应力加载装置、压裂泵注装置和裂缝扩展实时监测装置分别与控制装置电连接；

S4：根据预先设定好的三向应力值，启动全三维多层应力加载装置进行三向应力加载，加载完成后查看管线是否有渗漏；

S5：启动裂缝扩展实时监测装置，对测试点处应力/应变情况进行数据采集；

S6：启动压裂泵注装置，向岩心试件注入压裂液，开始压裂实验；在压裂实验过程中采集并记录注入压力、排量数据；将压裂液进入岩心试件后，将在岩体内部产生的裂缝延伸扩展，在裂缝延伸扩展中裂缝周围岩体受到裂缝内流体压力挤压产生诱导应力，裂缝扩展实时监测装置实时记录应力/应变数据；在注入过程中，在第一中间活塞容器和第二中间活塞容器中间进行切换，将混合均匀的携砂压裂液进行变排量注入，观察支撑剂(即携砂压裂液中的砂)在裂缝中的铺置状态；

S7：当岩心试件出液或注入压力长时间保持为0后，判断实验结束，保存采集到的各种数据，关闭压裂泵注装置，通过泵注装置泄压池进行泄压，取出岩心试件；

S8：通过对采集到的诱导应力、注入压力、排量随时间的变化情况综合分析，得到裂缝延伸扩展过程中岩心试件某位置三轴方向诱导应力形成结果；并借助工业CT扫描对岩心试件压裂前后进行扫描，对压后岩心试件解剖进行综合分析。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种三维多层多井压裂支撑裂缝实时监测实验系统，其特征在于，包括：岩心试件(1)、岩心夹持装置(2)、全三维多层应力加载装置(3)、压裂泵注装置(4)、裂缝扩展实时监测装置(5)和控制装置(6)；其中，

岩心试件(1)上预制有多个井筒(11)；所述岩心试件(1)在X方向、Y方向和Z方向均设置有压板(12)，其中，X方向和Y方向上安装有多个压板(12)；且各个压板(12)均通过液压缸(13)与所述全三维多层应力加载装置(3)连接；

所述岩心夹持装置(2)夹持所述岩心试件(1)；

所述全三维多层应力加载装置(3)与所述岩心试件(1)相连，为所述岩心试件(1)加载三维多层应力；

所述压裂泵注装置(4)与所述井筒(11)连接，为所述井筒(11)提供压裂液；

所述裂缝扩展实时监测装置(5)安装于所述岩心试件(1)上，实时监测应力/应变信息，并通过数据采集模块(9)将监测应力/应变信息发送给所述控制装置(6)；

所述全三维多层应力加载装置(3)、所述压裂泵注装置(4)、所述数据采集模块(9)均与所述控制装置(6)电连接；所述控制装置(6)控制所述全三维多层应力加载装置(3)和所述压裂泵注装置(4)的启停，并记录、分析接收到的各种信息。

2.根据权利要求1所述的三维多层多井压裂支撑裂缝实时监测实验系统，其特征在于，所述岩心夹持装置(2)包括：外腔体(21)，所述岩心试件(1)设置在外腔体(21)内；所述外腔体(21)的顶部通过上法兰压板(221)固定，所述外腔体(21)的底部通过下法兰压板(222)固定；所述外腔体(21)的周围通过拉杆(23)穿过所述上法兰压板(221)和所述下法兰压板(222)进行固定；其中，所述上法兰压板(221)预留有与所述井筒(11)匹配的压裂注入口(24)；所述下法兰压板(222)预留有与所述液压缸(13)连通的注入口(25)；且所述下法兰压板(222)顶部还铺设有定位板(26)。

3.根据权利要求2所述的三维多层多井压裂支撑裂缝实时监测实验系统，其特征在于，所述全三维多层应力加载装置(3)包括：通过第二管路(31)和所述注入口(25)与所述液压缸(13)相连的电动加压泵(32)和第二储液容器(33)；其中，所述第二管路(31)上且位于所述电动加压泵(32)和所述液压缸(13)之间还连通有三维应力加载系统泄压池(34)；所述三维应力加载系统泄压池(34)处设置有阀门(7)；且所述电动加压泵(32)与所述控制装置(6)电连接。

4.根据权利要求3所述的三维多层多井压裂支撑裂缝实时监测实验系统，其特征在于，压裂泵注装置(4)包括：通过第一管路(41)与所述压裂注入口(24)均连接的泵注装置泄压池(42)和泵注分路；其中，所述泵注分路包括依次连接的第一储液容器(43)、恒速恒压泵(44)和中间活塞容器；其中，所述中间活塞容器包括：并列设置的第一中间活塞容器(45)和第二中间活塞容器(46)；所述第一中间活塞容器(45)和所述第二中间活塞容器(46)的输入端均通过阀门(7)与所述恒速恒压泵(44)连接，输出端均通过阀门(7)与所述第一管路(41)连通；且所述恒速恒压泵(44)与所述控制装置电连接；所述泵注装置泄压池处设置有阀门。

5.根据权利要求4所述的三维多层多井压裂支撑裂缝实时监测实验系统，其特征在于，在所述第一管路(41)上，且位于所述压裂注入口(24)与所述第二中间活塞容器(46)之间安装有压力传感器(8)，所述压力传感器(8)通过数据采集模块(9)与所述控制装置(6)电连接。

6.根据权利要求5所述的三维多层多井压裂支撑裂缝实时监测实验系统，其特征在于，所述岩心试件(1)包括：人造岩心或天然岩心；所述人造岩心或所述天然岩心内预制有多个井筒(11)；且所述人造岩心或天然岩心在X方向上等距安装有三个所述压板(12)，Y方向上等距安装有三个所述压板(12)，Z方向安装有一个所述压板(12)，且每个压板(12)均连接有液压缸(13)，且每个所述液压缸(13)均通过压力传感器(8)和阀门(7)与第二管路(31)连通。

7.根据权利要求4所述的三维多层多井压裂支撑裂缝实时监测实验系统，其特征在于，所述恒速恒压泵(44)靠近所述第一中间活塞容器(45)和所述第二中间活塞容器(46)的一侧安装有压力传感器(8)。

8.根据权利要求7所述的三维多层多井压裂支撑裂缝实时监测实验系统，其特征在于，所述第一管路(41)上，且位于所述井筒(11)和所述第二中间活塞容器之间安装有压力传感器(8)。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的三维多层多井压裂支撑裂缝实时监测实验系统，其特征在于，所述裂缝扩展实时监测装置(5)包括：应变花(51)；所述应变花(51)安装在岩心试件(1)上，且所述应变花(51)与所述控制装置(6)电连接。