CN215292448U - 一种水力压裂裂缝模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种水力压裂裂缝模拟实验装置。其包括模拟岩心致裂模块、压裂液注入模块，压裂液注入模块包括注射泵和计量泵，计量泵和注射泵均为增压泵，计量泵的增压活塞往复运动以计量注入压裂液的流量，注射泵的动力腔与计量泵的增压腔连通，注射泵的增压腔具有向模拟岩心致裂模块注液的注液口和向注射泵增压腔补液的补液口。本实用新型的水力压裂裂缝模拟实验装置中，压裂液注入模块的计量泵和注射泵串联且均采用变截面进行增压，压裂液经过两级增压后通过注液口注入模拟岩心致裂模块中，压裂液增压幅度大，能够提供较大的注射压力，解决了目前的模拟实验装置提供的破裂压力低的技术问题。

Description

一种水力压裂裂缝模拟实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种水力压裂裂缝模拟实验装置。

背景技术

难动用储量在国外也被称为边际储量，大多数学者认为，难动用储量包括：低孔渗油田、自然地理和气候条件恶劣的油田、低质量原油油田（高含硫、重油等）以及剩余油储量。在现有经济技术条件下，如何实现以薄差层为主的致密储层有效开发，是当前世界油田面临的共同难题。探索此类储层改造技术是释放此类储层产能，实现经济开发的关键所在，国内外一些油田和企业在致密储层改造技术的研究和探索上，取得了一定进展，其中关键技术就是以形成复杂缝网，提高油藏改造体积为目的的体积压裂技术，而室内实验研究复杂缝网形成机制等是深层致密储层有效开发的重要研究方向。

公布号为CN108732010A的中国专利申请公开了一种压裂裂缝的模拟及评价装置及方法，包括岩心夹持机构、真三轴应力加载机构、加热机构、酸液及压裂液注入机构、裂缝表征机构、缝网评价机构、压裂数据采集及处理机构，其中岩心夹持机构、真三轴应力加载机构构成模拟岩心致裂模块，酸液及压裂液注入机构构成压裂液注入模块。该装置承压范围大，能够模拟高应力差调减下的起裂过程及缝网形成过程，但该装置模拟压力上限为80MPa，模拟地下承压大于100MPa的深层致密油藏岩心时误差较大。针对致密超深储层，现有室内物理模型实验压裂设备提供的破裂压力不足，严重限制了对非常规超深致密储层压裂改造机理研究，其中包括岩心物理力学特性、储层改造深度、储层地应力大小等对破裂压裂及缝网形成的影响。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种水力压裂裂缝模拟实验装置，用于解决目前的模拟实验装置提供的破裂压力低的技术问题。

本实用新型的一种水力压裂裂缝模拟实验装置采用如下技术方案：

一种水力压裂裂缝模拟实验装置包括：

模拟岩心致裂模块，用于模拟岩心受力状态；

压裂液注入模块，包括注射泵和计量泵，其特征在于：

计量泵和注射泵均为增压泵，增压泵包括缸体和设置在缸体内的增压活塞，增压活塞包括大径段和小径段，所述缸体内有与大径段滑动密封配合的大径段腔和与小径段滑动密封配合的增压腔，大径段腔包括处于大径段轴向一侧的动力腔和处于大径段另一侧的常压腔，小径段伸入常压腔内，动力腔供动力介质进出，以带动增压活塞往复运动；

计量泵的增压活塞往复运动以计量注入压裂液的流量，注射泵的动力腔与计量泵的增压腔连通，注射泵的增压腔具有向模拟岩心致裂模块注液的注液口和向注射泵增压腔补液的补液口。

有益效果：本实用新型的水力压裂裂缝模拟实验装置中，压裂液注入模块的计量泵和注射泵串联且均采用变截面进行增压，压裂液经过两级增压后通过注液口注入模拟岩心致裂模块中，压裂液增压幅度大，能够提供较大的注射压力，解决了目前的模拟实验装置提供的破裂压力低的技术问题。

进一步的，所述水力压裂裂缝模拟实验装置包括驱动电机和由驱动电机带动往复移动的驱动活塞，所述驱动活塞设置在计量泵的缸体内，通过挤压计量泵的大径段腔驱动计量泵的增压活塞。通过驱动电机驱动活塞挤压计量泵的大径段腔驱动计量泵的增压活塞结构较为简单。

进一步的，所述注射泵的缸体包括大径段腔缸体和增压腔缸体，注射泵的大径段腔处于大径段腔缸体内，注射泵的增压腔处于增压腔缸体内，大径段腔缸体插入增压腔缸体内，且大径段腔缸体的外径小于增压腔缸体的外径。注射泵的增压腔内压力较大，这种结构能够使注射泵承受较大的注射压力。

进一步的，所述注射泵的增压腔具有出液口，出液口能够在补液口向注射泵增压腔补液时排出注射泵增压腔内的气体。出液口便于排出注射泵内的气体。

进一步的，在注射泵的增压活塞压缩增压腔移动的方向上，所述出液口处于补液口和注液口的上游。

进一步的，补液口处于出液口和注液口之间。

进一步的，注射泵的增压腔为变径腔，注射泵的增压腔包括增压腔大径段和增压腔小径段，增压腔小径段处于增压腔大径段靠近注液口的一端。增压腔小径段能够形成类似喷嘴的结构，提高注射效果。

进一步的，模拟岩心致裂模块包括用于承载模拟岩心的下承台、处于模拟岩心水平侧的侧加载板、处于模拟岩心上侧的上加载板、处于上加载板上侧的上盖板，上加载板、下承台、侧加载板围成容纳模拟岩心的岩心容纳腔，岩心容纳腔内设置有向模拟岩心内喷射压裂液的注射井筒。

进一步的，数据采集模块包括设置在侧加载板上的声发射传感器和与声发射传感器连接的声发射采集装置。

进一步的，上加载板与上盖板之间设置有支撑反力板，数据采集模块包括用于采集支撑反力板位移的位移传感器。

附图说明

图1是本实用新型一种水力压裂裂缝模拟实验装置具体实施例1中的结构示意图；

图2是本实用新型一种水力压裂裂缝模拟实验装置具体实施例1中注射泵和计量泵的结构示意图；

图中：1、模拟岩心致裂模块；11、上盖板；12、支撑反力板；13、上加载板；14、侧加载板；15、下承台；16、注射井筒；17、下支撑板；171、压裂液收集通道；2、压裂液注入模块；21、注射泵；211、注射泵增压活塞；2111、注射泵大径段；212、注射泵缸体；2121、注射泵大径段腔；2122、注射泵增压腔；2123、注射常压腔；2124、注射泵动力腔；2125、注液口；2126、补液口；2127、出液口；2128、注射泵大径段腔缸体；2129、注射泵增压腔缸体；213、密封件；22、计量泵；221、计量泵增压活塞；2211、计量泵大径段；2112、注射泵小径段；2212、计量泵小径段；222、计量泵缸体；2221、计量泵大径段腔；2222、计量泵增压腔；2223、计量泵常压腔；2224、计量泵动力腔；2225、计量泵大径段腔缸体；2226、计量泵增压腔缸体；223、缸框架；23、驱动电机；24、驱动活塞；25、开关阀；3、数据采集模块；31、声发射采集装置；32、激光扫描装置；33、计算机；4、模拟岩心；5、压裂液收集装置；6、外接液压装置。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型，即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。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本实用新型的特征和性能作进一步的详细描述。

本实用新型一种水力压裂裂缝模拟实验装置的具体实施例1：

如图1和图2所示，一种水力压裂裂缝模拟实验装置包括模拟岩心致裂模块1、压裂液注入模块2和数据采集模块3，模拟岩心致裂模块1用于模拟岩心受力状态，压裂液注入模块2用于将压裂液注入模拟岩心4中，数据采集模块3用于在实验过程中采集模拟岩心4的数据。

如图1所示，模拟岩心致裂模块1包括用于承载模拟岩心的下承台15、处于模拟岩心水平侧的侧加载板14、处于模拟岩心上侧的上加载板13、处于上加载板13上侧的上盖板11，上加载板13、下承台14、侧加载板14围成容纳模拟岩心4的岩心容纳腔，岩心容纳腔内设置有向模拟岩心内喷射压裂液的注射井筒16。本实施例中的加载板能够安装液压缸，通过液压缸施加加载力。上加载板13与上盖板11之间设置有支撑反力板12，数据采集模块包括用于采集支撑反力板12位移的位移传感器、设置在侧加载板上的声发射传感器、与声发射传感器连接的声发射采集装置31。

注射井筒16通过管线连接压裂液注入模块2，通过注射井筒16向模拟岩心4内喷射压裂液。

为了使模拟岩心4受力环境更接近在地层中的实际受力环境，上加载板13外接有外接液压装置6，通过上加载板13给模拟岩心4施加垂向作用力，外接液压装置6与侧加载板14连接，通过侧加载板14给模拟岩心4施加水平作用力。本实施例中描述外接液压装置6与加载板连接，即通过外接液压装置6对加载板上安装的液压缸作用，通过液压缸对加载板施加加载力。当然，其他实施例中，加载板也可以采用其他的加载方式，比如加载板内部设置活动板，将液压油注入加载板后，活动板能够对模拟岩心施加加载力。

下承台15包括下支撑板17，下支撑板17内设置压裂液收集通道171，压裂液收集通道171通过管线连接有压裂液收集装置5。试验完毕后，压裂液由压裂液收集通道171进入压裂液收集装置5内。

压裂液注入模块2包括注射泵21和计量泵22。本实施例中，计量泵22和注射泵21均为增压泵，增压泵包括缸体和设置在缸体内的增压活塞，增压活塞为T形活塞，增压活塞包括大径段和小径段，所述缸体内有与大径段滑动密封配合的大径段腔和与小径段滑动密封配合的增压腔，大径段腔包括处于大径段轴向一侧的动力腔和处于大径段另一侧的常压腔，小径段伸入常压腔内，动力腔供动力介质进出，以带动增压活塞往复运动。常压腔与外界大气连通，处于常压状态。其他实施例中，常压腔也可以与油箱连通。

计量泵增压活塞221往复运动以计量注入压裂液的流量。计量泵增压活塞221的大径段为计量泵大径段2211，计量泵增压活塞221的小径段为计量泵小径段2212，计量泵缸体222内的大径段腔为计量泵大径段腔2221，计量泵缸体222内的增压腔为计量泵增压腔2222，计量泵缸体222内的常压腔为计量泵常压腔2223，计量泵缸体222内的动力腔为计量泵动力腔2224。

计量泵缸体222包括计量泵大径段腔缸体2225和计量泵增压腔缸体2226，计量泵大径段腔2221处于计量泵大径段腔缸体2225内，计量泵增压腔2222处于计量泵增压腔缸体2226内，计量泵22包括缸框架223，计量泵大径段腔缸体2225和计量泵增压腔缸体2226均固定在缸框架223上。

注射泵增压活塞211往复运动以将压裂液注入模拟岩心致裂模块1。注射泵增压活塞211的大径段为注射泵大径段2111，注射泵增压活塞211的小径段为注射泵小径段2112，注射泵缸体212内的大径段腔为注射泵大径段腔2121，注射泵缸体212内的增压腔为注射泵增压腔2122，注射泵缸体212内的常压腔为注射常压腔2123，注射泵缸体212内的动力腔为注射泵动力腔2124。

注射泵动力腔2124与计量泵增压腔2222连通，注射泵增压腔2122具有向模拟岩心致裂模块1注液的注液口2125和向注射泵增压腔2122补液的补液口2126。注射泵21的增压腔具有出液口2127，在注射泵21的增压活塞压缩注射泵增压腔2122移动的方向上，出液口2127处于补液口2126和注液口2125的上游，补液口2126处于出液口2127和注液口2125之间。补液口持续向注射泵增压腔补入压裂液时，出液口2127能够排出多余的压裂液，同时将注射泵增压腔内的气体带走，也能够在实验完毕后排出注射泵增压腔内的残留压裂液。出液口连接有出液管，补液口连接有补液管。

注射泵缸体212包括注射泵大径段腔缸体2128和注射泵增压腔缸体2129，注射泵大径段腔2121处于注射泵大径段腔缸体2128内，注射泵增压腔2122处于注射泵增压腔缸体2129内，注射泵大径段腔缸体2128插入注射泵增压腔缸体2129内，且注射泵大径段腔缸体2128的外径小于注射泵增压腔缸体2129的外径。这种设计使注射泵缸体212能够承受较高的压力。注射泵大径段腔缸体2128内设置有与注射泵小径段2112滑动密封的密封件213，以避免注射泵大径段腔2121与注射泵增压腔2122内的介质互窜。本实施例中，注射泵增压腔缸体为分体式结构，包括主体和处于主体底部的缸头。

注射泵增压腔2122为变径腔，注射泵增压腔2122包括增压腔大径段和增压腔小径段，增压腔小径段处于增压腔大径段靠近注液口2125的一端。增压腔小径段处于缸头上。

水力压裂裂缝模拟实验装置包括驱动电机23和由驱动电机23带动往复移动的驱动活塞24，驱动电机23与驱动活塞24传动连接。驱动活塞24设置在计量泵22的缸体内，通过挤压计量泵大径段腔2221驱动计量泵22的增压活塞。

计量泵22与注射泵21之间的连接管路上设置有开关阀25，开关阀25能够控制计量泵22与注射泵21的连通和关闭。

数据采集模块3还包括激光扫描装置32和计算机33，其中计算机33与计量泵22连接获得计量泵22的计量数据，声发射采集装置31与侧加载板14上的声发射传感器连接。

工作前，将模拟岩心4吊装到下承台15的下支撑板上，并在模拟岩心4中安装注射井筒16，然后安装侧加载板14、上加载板13、支撑反力板12、上盖板11，注射井筒16与注射泵21连接，侧加载板14与声发射采集装置31连接。上加载板13和侧加载板14连接外接液压装置6，通过上加载板13对模拟岩心4施加垂向应力，通过侧加载板14对模拟岩心4施加水平应力。

工作时，通过计算机33设定计量泵22的增压参数，计量泵动力腔2224内液压油受到驱动活塞24的作用压力升高，推动增压活塞移动，计量泵增压腔2222内压力大于动力腔内压力。注射泵动力腔2124内压力与计量泵增压腔2222内压力等同，然后注射泵增压活塞211在注射泵动力腔2124内压力下移动，注射泵增压腔2122内压力升高，实现二级增压，然后通过注液口2125将高压的压裂液注入模拟岩心4中。

模拟岩心4被压裂后，泵入模拟岩心4的压裂液通过下支撑板17上的管线回到压裂液收集装置5内，通过侧加载板14内的声发射传感器将模拟岩心4压裂时产生的微地震信号传送给数据采集模块3，用于绘制裂缝的空间图像，并通过激光扫描装置32生成稳定且高精度的轮廓图像。

本装置利用两级增压，能够将注射泵21的泵注压力提高到120MPa以上，满足高地应力系数下的致密储层模拟改造需要。该装置的阈值压力较高，具有足够的量程和动力，通过精确控制驱动电机23和由驱动电机23带动往复移动的驱动活塞24，可以实现低压快速和高压恒速注入压裂液的功能。

其他实施例中，水力压裂裂缝模拟实验装置可以通过向动力腔注入高压油驱动计量泵的增压活塞。

其他实施例中，计量泵和注射泵的缸体可以为一体成型结构。

其他实施例中，注射泵的增压腔可以为等径腔，即在注射泵增压活塞移动方向上，注射泵增压腔的内径处处相等。

其他实施例中，注射泵的大径段腔缸体的外径可以等于注射泵增压腔缸体的外径。

其他实施例中，出液口也可以没有，此时在补液时注射泵增压腔的容积同时增大，实验前可以先通过注液口完成排气。

其他实施例中，模拟岩心致裂模块也可以采用岩心夹持机构和真三轴应力加载机构。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，本实用新型的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本实用新型的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种水力压裂裂缝模拟实验装置，包括：

模拟岩心致裂模块，用于模拟岩心受力状态；

压裂液注入模块，包括注射泵和计量泵；

数据采集模块，用于采集模拟岩心致裂模块的实验数据；

其特征在于：

计量泵和注射泵均为增压泵，增压泵包括缸体和设置在缸体内的增压活塞，增压活塞包括大径段和小径段，所述缸体内有与大径段滑动密封配合的大径段腔和与小径段滑动密封配合的增压腔，大径段腔包括处于大径段轴向一侧的动力腔和处于大径段另一侧的常压腔，小径段伸入常压腔内，动力腔供动力介质进出，以带动增压活塞往复运动，所述常压腔与外界大气连通；

计量泵的增压活塞往复运动以计量注入压裂液的流量，注射泵的动力腔与计量泵的增压腔连通，注射泵的增压腔具有向模拟岩心致裂模块注液的注液口和向注射泵增压腔补液的补液口。

2.根据权利要求1所述的水力压裂裂缝模拟实验装置，其特征在于，所述水力压裂裂缝模拟实验装置包括驱动电机和由驱动电机带动往复移动的驱动活塞，所述驱动活塞设置在计量泵的缸体内，通过挤压计量泵的大径段腔驱动计量泵的增压活塞。

3.根据权利要求1或2所述的水力压裂裂缝模拟实验装置，其特征在于，所述注射泵的缸体包括大径段腔缸体和增压腔缸体，注射泵的大径段腔处于大径段腔缸体内，注射泵的增压腔处于增压腔缸体内，大径段腔缸体插入增压腔缸体内，且大径段腔缸体的外径小于增压腔缸体的外径。

4.根据权利要求1或2所述的水力压裂裂缝模拟实验装置，其特征在于，所述注射泵的增压腔具有出液口，出液口能够在补液口向注射泵增压腔补液时排出注射泵增压腔内的气体。

5.根据权利要求4所述的水力压裂裂缝模拟实验装置，其特征在于，在注射泵的增压活塞压缩增压腔移动的方向上，所述出液口处于补液口和注液口的上游。

6.根据权利要求4所述的水力压裂裂缝模拟实验装置，其特征在于，补液口处于出液口和注液口之间。

7.根据权利要求1或2所述的水力压裂裂缝模拟实验装置，其特征在于，注射泵的增压腔为变径腔，注射泵的增压腔包括增压腔大径段和增压腔小径段，增压腔小径段处于增压腔大径段靠近注液口的一端。

8.根据权利要求1或2所述的水力压裂裂缝模拟实验装置，其特征在于，模拟岩心致裂模块包括用于承载模拟岩心的下承台、处于模拟岩心水平侧的侧加载板、处于模拟岩心上侧的上加载板、处于上加载板上侧的上盖板，上加载板、下承台、侧加载板围成容纳模拟岩心的岩心容纳腔，岩心容纳腔内设置有向模拟岩心内喷射压裂液的注射井筒。

9.根据权利要求8所述的水力压裂裂缝模拟实验装置，其特征在于，数据采集模块包括设置在侧加载板上的声发射传感器和与声发射传感器连接的声发射采集装置。

10.根据权利要求8所述的水力压裂裂缝模拟实验装置，其特征在于，上加载板与上盖板之间设置有支撑反力板，数据采集模块包括用于采集支撑反力板位移的位移传感器。

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