專利名稱：研究壓裂液配制及巖體斷裂分形特征測(cè)定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是是石油與天然氣、礦業(yè)、巖土等工程中水力壓裂配砂分形設(shè)計(jì)方法中使用的裝置，具體涉及的是研究壓裂液配制及巖體斷裂分形特征測(cè)定裝置。背景技術(shù)：
在石油與天然氣、煤巖體等儲(chǔ)層開采技術(shù)領(lǐng)域中，都需要對(duì)儲(chǔ)層巖石進(jìn)行壓裂，其作用機(jī)理是利用地面高壓泵組，以超過儲(chǔ)層吸液能力排量將高粘壓裂液泵入井內(nèi)而在井底產(chǎn)生高壓，通過高壓驅(qū)動(dòng)水流擠入巖體內(nèi)，克服巖體的抗張強(qiáng)度，使巖體發(fā)生破裂，形成具有一定導(dǎo)流能力的裂縫通道。有效地溝通儲(chǔ)集層，提高油氣開采速度。目前，對(duì)于水力壓裂巖體斷裂壁面粗糙特征描述不明確，進(jìn)而導(dǎo)致壓裂裂縫導(dǎo)流能力計(jì)算存在偏差。盡管現(xiàn)有理論與有限元手段能夠給予近似模擬，但仍無法系統(tǒng)地測(cè)定與描述。從而影響了該方面技術(shù)充分發(fā)展?？梢?，對(duì)水力壓裂裂縫斷裂壁面的準(zhǔn)確描述、裂縫參數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算及不同裂縫參數(shù)特征下的裂縫導(dǎo)流能力分析，嚴(yán)重地阻礙了水力壓裂的進(jìn)一步發(fā)展。·
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供研究壓裂液配制及巖體斷裂分形特征測(cè)定裝置，它用于解決現(xiàn)有的對(duì)壓裂液與巖體斷裂裂縫間的關(guān)系無法測(cè)定與描述的問題。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是這種研究壓裂液配制及巖體斷裂分形特征測(cè)定裝置由支撐劑顆粒多級(jí)分形分選裝置、摻混系統(tǒng)、被壓試件測(cè)定系統(tǒng)、斷裂面自仿射觀測(cè)系統(tǒng)依次連接構(gòu)成，支撐劑顆粒多級(jí)分形分選裝置包括支撐劑顆粒裝載容器、多級(jí)分形分選震動(dòng)篩、分選顆粒容器，分選顆粒容器內(nèi)設(shè)置多級(jí)分形分選震動(dòng)篩，支撐劑顆粒裝載容器通過管線與分選顆粒容器連接，分選顆粒容器連接設(shè)有多級(jí)出口，每級(jí)出口分別外接顆粒輸送管線；摻混系統(tǒng)包括摻混容器、自動(dòng)攪拌器、壓裂液容器、過濾裝置，自動(dòng)攪拌器安裝在摻混容器中，壓裂液容器與摻混容器通過管線連接，管線上安裝過濾裝置，顆粒輸送管線連接摻混容器，摻混容器通過管線連接壓裂管柱；被壓試件測(cè)定系統(tǒng)包括測(cè)試容器、上覆外載控制系統(tǒng)、圍壓加載系統(tǒng)、變形測(cè)定系統(tǒng)，被壓試件安裝在測(cè)試容器中，壓裂管柱置于被測(cè)試件的中心，被測(cè)試件與測(cè)試容器之間是環(huán)形的圍壓室，被測(cè)試件上端是上覆外載加壓腔，上覆外載加壓腔被滑動(dòng)活塞分隔為上、下二個(gè)腔體；上覆外載控制系統(tǒng)連接到上覆外載加壓腔的上腔體，圍壓加載系統(tǒng)連接到圍壓室；變形測(cè)定系統(tǒng)由變形傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器和信號(hào)檢測(cè)儀組成，變形傳感器安裝在被測(cè)試件外表面；斷裂面自仿射觀測(cè)系統(tǒng)主要包括CXD攝像機(jī)、體式顯微鏡、顯微鏡觀測(cè)架、仿真成像計(jì)算系統(tǒng)，CXD攝像機(jī)和體式顯微鏡安裝在顯微鏡觀測(cè)架上，仿真成像計(jì)算系統(tǒng)與體式顯微鏡連接。上述方案中上覆外載控制系統(tǒng)由第一增壓泵和第一中間容器組成，上覆外載控制系統(tǒng)通過高壓管線與上腔體連接，測(cè)試運(yùn)行時(shí)由上覆外載控制系統(tǒng)通過高壓管線向上腔體中注入液體驅(qū)動(dòng)自由滑動(dòng)活塞行對(duì)被測(cè)試件施加上覆正應(yīng)力。上述方案中圍壓加載系統(tǒng)由第二增壓泵和第二中間容器組成，圍壓加載系統(tǒng)系統(tǒng)通過高壓管線與與圍壓室連接。有益效果I、本發(fā)明模擬現(xiàn)場(chǎng)多級(jí)壓裂過程，可確定不同支撐劑顆粒粒徑與壓裂巖石斷裂壁面粗糙度的關(guān)系以及粒徑與斷裂開度(裂縫縫寬)的關(guān)系。2、本發(fā)明能夠測(cè)定不同加砂支撐劑的作用下的斷裂壁面粗糙度。3、本發(fā)明可測(cè)定被測(cè)試件變形系統(tǒng)并作數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換與分析。四

圖I是本發(fā)明裝置總體結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明中自仿射觀測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意 圖3是變形傳感器在被測(cè)試件頂端分布排列結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是變形傳感器在被測(cè)試件側(cè)端分布排列結(jié)構(gòu)示意圖。I.支撐劑顆粒裝載容器2.分選顆粒容器3.多級(jí)分形分選震動(dòng)篩4.多級(jí)出口 5.摻混容器6.壓裂液容器7.壓裂管柱8.過濾裝置9.被測(cè)試件10.第一增壓泵11.第一中間容器12.上腔體13.滑動(dòng)活塞14.第二增壓泵15.第二中間容器16.圍壓室17.變形傳感器18.信號(hào)傳感器19.信號(hào)檢測(cè)儀20. CXD攝像機(jī)21.體式顯微鏡22.顯微鏡觀測(cè)架23.成像裝置24測(cè)試容器。五具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明
如圖I所示，這種研究壓裂液配制及巖體斷裂分形特征測(cè)定裝置由支撐劑顆粒多級(jí)分形分選裝置、摻混系統(tǒng)、被壓試件測(cè)定系統(tǒng)、斷裂面自仿射觀測(cè)系統(tǒng)依次連接構(gòu)成，支撐劑顆粒多級(jí)分形分選裝置包括支撐劑顆粒裝載容器I、多級(jí)分形分選震動(dòng)篩3、分選顆粒容器2，分選顆粒容器2內(nèi)設(shè)置多級(jí)分形分選震動(dòng)篩3，支撐劑顆粒裝載容器I通過管線與分選顆粒容器2連接，分選顆粒容器2連接設(shè)有多級(jí)出口 4，每級(jí)出口分別外接顆粒輸送管線；摻混系統(tǒng)包括摻混容器5、自動(dòng)攪拌器、壓裂液容器6、過濾裝置8，自動(dòng)攪拌器安裝在摻混容器5中，壓裂液容器6與摻混容器5通過管線連接，管線上安裝過濾裝置8，顆粒輸送管線連接摻混容器5，摻混容器5通過管線連接壓裂管柱7 ;被壓試件測(cè)定系統(tǒng)包括測(cè)試容器24、上覆外載控制系統(tǒng)、圍壓加載系統(tǒng)、變形測(cè)定系統(tǒng)，被測(cè)試件安裝在測(cè)試容器24中，壓裂管柱7置于被測(cè)試9件的中心，被測(cè)試件9與測(cè)試容器24之間是環(huán)形的圍壓室16，被測(cè)試件9上端是上覆外載加壓腔，上覆外載加壓腔被滑動(dòng)活塞13分隔為上、下二個(gè)腔體；上覆外載控制系統(tǒng)連接到上覆外載加壓腔的上腔體12，圍壓加載系統(tǒng)連接到圍壓室16 ;變形測(cè)定系統(tǒng)由變形傳感器17、信號(hào)轉(zhuǎn)換器18和信號(hào)檢測(cè)儀19組成，變形傳感器17安裝在被測(cè)試件外表面；斷裂面自仿射觀測(cè)系統(tǒng)主要包括CXD攝像機(jī)20、體式顯微鏡21、顯微鏡觀測(cè)架22、仿真成像計(jì)算系統(tǒng)23，CXD攝像機(jī)20和體式顯微鏡21安裝在顯微鏡觀測(cè)架22上，仿真成像計(jì)算系統(tǒng)23與體式顯微鏡21連接。本發(fā)明中支撐劑顆粒多級(jí)分形分選裝置的支撐劑顆粒裝載容器I與分選顆粒容器2相連，分選顆粒容器2內(nèi)置有多級(jí)分形分選震動(dòng)篩3，多級(jí)分形分選震動(dòng)篩3分別與供電系統(tǒng)連接，分選顆粒容器連接設(shè)有多級(jí)出口 4，每級(jí)出口分別外接顆粒輸送管線，顆粒輸送管線安裝有壓力表、流量計(jì)常規(guī)的支撐劑顆粒在分選顆粒容器通過多級(jí)分形分選震動(dòng)篩按粒徑要求分選開，分選后的各級(jí)顆粒實(shí)現(xiàn)單獨(dú)外輸。目前市面上買到的支撐劑顆粒通過多級(jí)分形分選震動(dòng)篩3選取出上述三個(gè)級(jí)次的支撐劑。摻混系統(tǒng)中壓裂液容器6與摻混容器5通過管線連接，管線上安裝壓力表、流量計(jì)、過濾裝置8、泵，分選后支撐劑顆粒通過顆粒輸送管線輸送到摻混容器5中，在摻混容器5中配制壓裂液，配制好的壓裂液被輸出管線輸送至壓裂管柱7，輸出管線上安裝壓力表、流量計(jì)、過濾裝置、泵，壓裂液被輸送到壓裂管柱7進(jìn)行壓裂測(cè)試。上覆外載控制系統(tǒng)由第一增壓泵10和第一中間容器11組成，上覆外載控制系統(tǒng)通過高壓管線與上腔體12連接，測(cè)試運(yùn)行時(shí)由上覆外載控制系統(tǒng)通過高壓管線向上腔體12中注入液體驅(qū)動(dòng)自由滑動(dòng)活塞13下行對(duì)被測(cè)試件9施加上覆正應(yīng)力。圍壓加載系統(tǒng)由第二增壓泵14和第二中間容器15組成，圍壓加載系統(tǒng)系統(tǒng)通過高壓管線與被測(cè)試件9外部環(huán)形腔體圍壓室16連接，測(cè)試運(yùn)行時(shí)由圍壓加載系統(tǒng)通過向環(huán)形腔體中注入液體對(duì)被測(cè)試件9施加橫向外載，確保橫向外載均勻。使被測(cè)試件9始終處于均勻受載狀態(tài)。橫向外載可連續(xù)恒定施加，亦可持續(xù)動(dòng)態(tài)施加。測(cè)試過程可根據(jù)需要通過第二增壓泵14控制橫向外載，保證提供環(huán)形腔體對(duì)被測(cè)試件9施加均勻的外載。變形測(cè)定系統(tǒng)由變形傳感器17、信號(hào)轉(zhuǎn)換器18和信號(hào)檢測(cè)儀19組成，變形傳感器17設(shè)置16個(gè)，參閱圖2、圖3，16個(gè)變形傳感器均布被測(cè)試件9的側(cè)端與頂端，形成16個(gè)傳·感觸點(diǎn)，測(cè)定試件的16個(gè)區(qū)域點(diǎn)的變形大小。測(cè)試運(yùn)行時(shí)，隨被測(cè)試件9不斷變形，變形傳感器17多點(diǎn)記錄并接收變形信號(hào)，信號(hào)實(shí)時(shí)傳至信號(hào)轉(zhuǎn)換器18，信號(hào)轉(zhuǎn)換器18將接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，傳輸至信號(hào)檢測(cè)儀19。斷裂面自仿射觀測(cè)系統(tǒng)主要包括CXD攝像機(jī)20、體式顯微鏡21、顯微鏡觀測(cè)架22、仿真成像計(jì)算系統(tǒng)23，CXD攝像機(jī)20和體式顯微鏡21安裝在顯微鏡觀測(cè)架22上，仿真成像計(jì)算系統(tǒng)23與體式顯微鏡21連接，仿真成像計(jì)算系統(tǒng)23由計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝圖像計(jì)算軟件構(gòu)成。本發(fā)明設(shè)計(jì)方案中的斷裂壁面自仿射成像計(jì)算系統(tǒng)主要是被測(cè)試件9經(jīng)上述實(shí)施過程結(jié)束，經(jīng)處理獲得斷裂壁面，經(jīng)CXD攝像機(jī)20、體式顯微鏡21、顯微鏡觀測(cè)架22、仿真成像計(jì)算系統(tǒng)23獲得斷裂壁面特征并計(jì)算得到斷裂壁面分形維數(shù)，建立不同分形砂粒分布與斷裂壁面分形維數(shù)關(guān)系。本發(fā)明中裝置工作過程為支撐劑顆粒由裝載容器輸送至分選顆粒容器2中，經(jīng)多級(jí)分選篩系統(tǒng)進(jìn)行分選，根據(jù)分選系統(tǒng)分別篩選出不同粒徑的支撐劑顆粒，分選后支撐劑顆粒根據(jù)方案設(shè)計(jì)由外輸系統(tǒng)經(jīng)不同的輸送通道輸送至摻混系統(tǒng)中，攪拌后壓裂液輸送至被測(cè)試件9中，并通過增壓系統(tǒng)實(shí)施壓裂。其中橫向外載控制系統(tǒng)平衡被測(cè)試件9的橫向外載，上覆外載控制系統(tǒng)對(duì)被壓試件施加上覆外載，被測(cè)試件9在橫向外載控制系統(tǒng)、上覆外載控制系統(tǒng)和摻混液壓裂聯(lián)合控制下，形成對(duì)被測(cè)試件9的橫向加載、上覆加載與壓裂破裂動(dòng)作。應(yīng)變傳感器17測(cè)量并記錄被測(cè)試件9的變形信號(hào)，將信號(hào)傳輸至信號(hào)轉(zhuǎn)換器18轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，信號(hào)檢測(cè)儀19處理并存儲(chǔ)被測(cè)試件的變形數(shù)據(jù)。卸載被測(cè)試件9，將被測(cè)試件斷裂壁面置于斷裂壁面自仿射成像計(jì)算系統(tǒng)中，通過斷裂壁面自仿射成像計(jì)算系統(tǒng)確定被測(cè)試件9的斷裂壁面分形維數(shù)。本發(fā)明具體工作方法為
第一步通過支撐劑顆粒多級(jí)分形分選裝置選取不同尺寸支撐劑顆粒篩網(wǎng)孔徑，形成具有分形特征的支撐劑顆粒粒度分布，其中第一級(jí)支撐劑顆粒直徑滿足
;第二級(jí)顆粒直徑滿足=;第三級(jí)顆粒直徑滿足
權(quán)利要求
1.一種研究壓裂液配制及巖體斷裂分形特征測(cè)定裝置，其特征在于這種研究壓裂液配制及巖體斷裂分形特征測(cè)定裝置由支撐劑顆粒多級(jí)分形分選裝置、摻混系統(tǒng)、被測(cè)試件測(cè)定系統(tǒng)、斷裂面自仿射觀測(cè)系統(tǒng)依次連接構(gòu)成，支撐劑顆粒多級(jí)分形分選裝置包括支撐劑顆粒裝載容器(I)、多級(jí)分形分選震動(dòng)篩(3)、分選顆粒容器(2)，分選顆粒容器(2)內(nèi)設(shè)置多級(jí)分形分選震動(dòng)篩(3)，支撐劑顆粒裝載容器(I)通過管線與分選顆粒容器(2)連接，分選顆粒容器(2)連接設(shè)有多級(jí)出口(4 )，每級(jí)出口分別外接顆粒輸送管線；摻混系統(tǒng)包括摻混容器(5)、自動(dòng)攪拌器、壓裂液容器(6)、過濾裝置(8)，自動(dòng)攪拌器安裝在摻混容器(5)中，壓裂液容器(6 )與摻混容器(5 )通過管線連接，管線上安裝過濾裝置(8 )，顆粒輸送管線連接摻混容器(5)，摻混容器(5)通過管線連接壓裂管柱(7);被壓試件測(cè)定系統(tǒng)包括測(cè)試容器(24)、上覆外載控制系統(tǒng)、圍壓加載系統(tǒng)、變形測(cè)定系統(tǒng)，被測(cè)試件(9)安裝在測(cè)試容器(24)中，壓裂管柱(7)置于被測(cè)試件(9)的中心，被測(cè)試件(9)與測(cè)試容器之間是環(huán)形的圍壓室(16)，被測(cè)試件(9)上端是上覆外載加壓腔，上覆外載加壓腔被滑動(dòng)活塞(13)分隔為上、下二個(gè)腔體；上覆外載控制系統(tǒng)連接到上覆外載加壓腔的上腔體(12)，圍壓加載系統(tǒng)連接到圍壓室(16);變形測(cè)定系統(tǒng)由變形傳感器(17)、信號(hào)轉(zhuǎn)換器(18)和信號(hào)檢測(cè)儀(19)組成，變形傳感器(17)安裝在被測(cè)試件(9)外表面；斷裂面自仿射觀測(cè)系統(tǒng)主要包括CXD攝像機(jī)(20 )、體式顯微鏡(21)、顯微鏡觀測(cè)架(22 )、仿真成像計(jì)算系統(tǒng)(23 )，CXD攝像機(jī)(20)和體式顯微鏡(21)安裝在顯微鏡觀測(cè)架(22)上，仿真成像計(jì)算系統(tǒng)(23)與體式顯微鏡(21)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的研究壓裂液配制及巖體斷裂分形特征測(cè)定裝置，其特征在于所述的上覆外載控制系統(tǒng)由第一增壓泵(10)和第一中間容器(11)組成，上覆外載控制系統(tǒng)通過高壓管線與上腔體(12)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的研究壓裂液配制及巖體斷裂分形特征測(cè)定裝置，其特征在于所述的圍壓加載系統(tǒng)由第二增壓泵(14)和第二中間容器(15)組成，圍壓加載系統(tǒng)系統(tǒng)通過高壓管線與圍壓室(16)連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是研究壓裂液配制及巖體斷裂分形特征測(cè)定裝置，這種研究壓裂液配制及巖體斷裂分形特征測(cè)定裝置由支撐劑顆粒多級(jí)分形分選裝置、摻混系統(tǒng)、被壓試件測(cè)定系統(tǒng)、斷裂面自仿射觀測(cè)系統(tǒng)依次連接構(gòu)成，支撐劑顆粒多級(jí)分形分選裝置的分選顆粒容器內(nèi)設(shè)置多級(jí)分形分選震動(dòng)篩，分選顆粒容器連接設(shè)有多級(jí)出口，每級(jí)出口分別外接顆粒輸送管線，顆粒輸送管線連接摻混容器，摻混容器通過管線連接壓裂管柱；被壓試件測(cè)定系統(tǒng)包括測(cè)試容器、上覆外載控制系統(tǒng)、圍壓加載系統(tǒng)、變形測(cè)定系統(tǒng)，被壓試件安裝在測(cè)試容器中，壓裂管柱置于被測(cè)試件的中心；斷裂面自仿射觀測(cè)系統(tǒng)主要包括CCD攝像機(jī)、體式顯微鏡、顯微鏡觀測(cè)架、仿真成像計(jì)算系統(tǒng)。本發(fā)明模擬現(xiàn)場(chǎng)多級(jí)壓裂過程，可確定不同支撐劑顆粒粒徑與壓裂巖石斷裂壁面粗糙度的關(guān)系以及粒徑與斷裂開度的關(guān)系。
文檔編號(hào)G01N33/24GK102749436SQ201210255350
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月24日
發(fā)明者付曉飛, 張立剛, 李士斌, 王婷婷, 艾池, 趙萬春 申請(qǐng)人:東北石油大學(xué)