儲層滲透介質(zhì)熱流固耦合多相流體壓裂-滲流組合式壓頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種儲層滲透介質(zhì)熱流固耦合多相流體壓裂-滲流組合式壓頭，包括機架；機架的下部設(shè)置有移動小車；機架上設(shè)置有提升機構(gòu)；提升機構(gòu)與壓力室連接；機架的中部固定有油缸；壓力室包括可置于移動小車上的底蓋；底蓋上螺栓連接有上座；上座的上端固定有導(dǎo)向蓋；導(dǎo)向蓋的中心配合有壓桿；壓桿內(nèi)沿軸向平行設(shè)置有第一水孔和第一氣孔；第一水孔的下端螺紋配合有上壓頭；底蓋的中心固定有壓座；壓座上固定有立柱；立柱的上端固定有下壓頭；壓座、立柱和下壓頭上設(shè)置有貫通的出孔；底蓋上設(shè)置有出水孔；機架固定在加熱油箱上；加熱油箱內(nèi)設(shè)置有油溫傳感器、加熱管和循環(huán)泵。本發(fā)明可進行的實驗方式更多，實驗精度更高。
【專利說明】儲層滲透介質(zhì)熱流固耦合多相流體壓裂-滲流組合式壓頭

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種實驗系統(tǒng)，特別是涉及一種用于研究非常規(guī)氣體壓裂-抽采聯(lián)合作用機理的實驗系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和人類社會的不斷進步，目前規(guī)模生產(chǎn)并大量利用的常規(guī)能源供應(yīng)日益不能滿足市場需求，在這種嚴(yán)峻的能源形勢下，非常規(guī)天然氣表現(xiàn)出了巨大的資源潛力，而且我國非常規(guī)天然氣資源十分豐富，發(fā)展前景廣闊，非常規(guī)天然氣必然會成為未來能源供應(yīng)的重要來源。非常規(guī)天然氣儲層滲透率是反映儲層內(nèi)流體滲流難易程度的物性參數(shù)，其與儲層裂隙發(fā)育特征、地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力狀態(tài)、流體壓力、地溫、滲透介質(zhì)基質(zhì)的收縮作用、儲層埋深、滲透介質(zhì)結(jié)構(gòu)及地電場等密切相關(guān)，而儲層滲透率的大小對天然氣的儲存于排采、流體壓力的分布起著重要的作用。因此，對非常規(guī)天然氣儲層及瓦斯儲層進行開采條件下力學(xué)變形特性和滲流特性的實驗研究是非常有必要的。
[0003]一般來說，非常規(guī)天然氣包括致密砂巖氣、煤層氣、頁巖氣和天然氣水合物等。我國非常規(guī)天然氣儲量非常豐富，開發(fā)潛力巨大，然而地質(zhì)條件復(fù)雜，埋藏深，開采成本高。在開發(fā)非常規(guī)天然氣的過程中，水力壓裂是一項提高效率、降低成本的關(guān)鍵技術(shù)。目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開始對儲層的水力壓裂破壞機理、裂縫擴展幾何形態(tài)和裂縫延伸規(guī)律進行了一些研究。然而，由于缺乏較為系統(tǒng)的科學(xué)研究，相關(guān)水力壓裂機理匱乏，未能將影響壓裂效果的相關(guān)主要參數(shù)進行量化，所以該項技術(shù)在非常規(guī)天然氣儲層增滲領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展受到了一定程度的限制。
[0004]現(xiàn)有的實驗裝置主要存在以下不足:1)所考慮的滲透率影響因素相對比較單一，不能進行考慮應(yīng)力場、滲流場、溫度場等的多物理場耦合實驗；2)如需測定滲透率，需取出巖心在另外的實驗設(shè)備上進行，而此時巖心因壓裂而產(chǎn)生的裂隙會重新閉合，不能定量精確測得原位巖心壓裂前后滲透率的變化；3)所進行的滲流實驗大多為單一的水相或氣相滲流實驗，不能精確測量水氣各自流量；4)不能測得試件內(nèi)部的真空度，對于存在氣體吸附的實驗來說不夠精確；5)安裝過程基本上靠手工搬運，不方便且過程不夠穩(wěn)定，對試件有一定的影響。
[0005]因此，建立一種科學(xué)的非常規(guī)氣體壓裂-滲流實驗測試系統(tǒng)，探索水力壓裂作用下儲層滲透介質(zhì)的斷裂損傷及增滲機理，對水力壓裂的應(yīng)用與推廣有重要意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能精確測量試件在多場耦合條件下壓裂前后滲透率變化的壓裂-滲流實驗系統(tǒng)。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種儲層滲透介質(zhì)熱流固耦合多相流體壓裂-滲流組合式壓頭，包括彼此螺紋連接的壓桿和上壓頭；所述壓桿內(nèi)沿軸向平行設(shè)置有第一水孔和第一氣孔；所述第一水孔位于所述壓桿的中心；
[0008]所述上壓頭的中心設(shè)置有與所述第一水孔連通的第二水孔；所述上壓頭上設(shè)置有若干個與所述第一氣孔連通的第二氣孔；
[0009]所述第二水孔的下端螺紋配合有壓裂頭。
[0010]為便于加工，所述第二水孔設(shè)置于上壓頭上部；所述第二氣孔設(shè)置于上壓頭下部；所述上壓頭上部和上壓頭下部焊接為一體結(jié)構(gòu)。
[0011 ] 作為壓裂-滲流實驗系統(tǒng)的核心部件，將壓頭應(yīng)用于壓裂-滲流實驗系統(tǒng)，可使實驗系統(tǒng)達(dá)到以下效果:
[0012](I)能對不同儲層滲透介質(zhì)進行考慮應(yīng)力場、滲流場、溫度場等的多物理場耦合實驗，包括三軸壓縮滲流實驗、水力壓裂實驗以及多相流體流固耦合實驗。
[0013](2)可對儲層滲透介質(zhì)在外部應(yīng)力作用下進行水力壓裂前后的滲透率進行原位精確測定。
[0014](3)可使水、氣流量的分別精確測量成為可能。
[0015](4)可更為方便的對試件進行抽真空處理，并且對試件內(nèi)部的真空度進行了可視化處理，使實驗條件更加精確。
[0016](5)可以在試件前后端分別設(shè)計了流體壓力監(jiān)測傳感器，從而使實驗條件更加精確。
[0017](6)可改變壓桿的尺寸以適應(yīng)不同的試件尺寸。
[0018]總之，本發(fā)明可進行的實驗方式更多，實驗精度更高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明一【具體實施方式】所應(yīng)用的實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2是圖1中壓力室的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖3是圖2中I處的局部放大結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖4是圖2中II處的局部放大結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖5是本發(fā)明一【具體實施方式】所應(yīng)用的實驗系統(tǒng)的出口管路結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明:
[0025]如圖2和圖3所示，一種儲層滲透介質(zhì)熱流固耦合多相流體壓裂-滲流組合式壓頭，包括彼此螺紋連接的壓桿14和上壓頭15。壓桿14內(nèi)沿軸向平行設(shè)置有第一水孔14a和第一氣孔14b，第一水孔14a位于壓桿14的中心。
[0026]上壓頭15的中心設(shè)置有與第一水孔14a連通的第二水孔15a，上壓頭15上設(shè)置有若干個與第一氣孔14b連通的第二氣孔15b。第二水孔15a的下端螺紋配合有壓裂頭16。
[0027]第二水孔15a設(shè)置于上壓頭上部，第二氣孔15b設(shè)置于上壓頭下部，上壓頭上部和上壓頭下部焊接為一體結(jié)構(gòu)。
[0028]如圖1至圖5所示,上述壓頭可應(yīng)用于一種儲層滲透介質(zhì)熱流固稱合多相流體壓裂-滲流實驗系統(tǒng)，該實驗系統(tǒng)包括機架1，機架I的下部設(shè)置有平行導(dǎo)軌2，平行導(dǎo)軌2上設(shè)置有移動小車3。
[0029]機架I的中部固定有油缸6,油缸6的活塞6a上固定有位移傳感器7,活塞6a的伸出端固定有壓力傳感器8。
[0030]機架I的下部設(shè)置有壓力室100，壓力室100包括可置于移動小車3上的底蓋10，底蓋10上螺栓連接有上座11，上座11的上端固定有導(dǎo)向蓋12。底蓋10上固定有定位桿13，導(dǎo)向蓋12上設(shè)置有與定位桿13對應(yīng)的定位孔12a。
[0031]導(dǎo)向蓋12的中心配合有壓桿14，壓桿的第一水孔14a的下端螺紋配合上壓頭15。
[0032]底蓋10的中心固定有壓座17，壓座17上固定有立柱18，立柱18的上端固定有下壓頭19，下壓頭19面向試件一側(cè)設(shè)置有若干第三氣孔19a。
[0033]壓座17、立柱18和下壓頭19上設(shè)置有貫通的出孔20，第三氣孔19與出孔20連通，底蓋10上設(shè)置有出水孔9。出孔20的末端連接有出氣出水接頭29。
[0034]機架I固定在加熱油箱21上，加熱油箱21內(nèi)設(shè)置有油溫傳感器22、加熱管23和循環(huán)泵24。
[0035]機架I上設(shè)置有提升機構(gòu),提升機構(gòu)包括升降減速電機25,升降減速電機25的動力通過傳動帶26傳遞至機架頂部I對稱設(shè)置的帶輪27。帶輪27固定于傳動絲桿28上，傳動絲桿28的向機架I的下方延伸并與上座11的上部固定?？稍趥鲃咏z桿上設(shè)置限位擋塊4，以及在絲桿附近設(shè)置行程開關(guān)5，以便于自動控制。
[0036]出孔20與水氣分離測量系統(tǒng)連接。水氣分離測量系統(tǒng)包括與出氣出水接頭29連接的三通閥30，三通閥30同時連接有第一截止閥31和第二截止閥32。
[0037]出氣出水接頭29與三通閥30的連接管路上連接有壓力傳感器42，壓力傳感器42與數(shù)據(jù)采集儀37連接。
[0038]第二截止閥32與氣液分離器33連接，氣液分離器33同時與四通閥34連接。
[0039]四通閥34同時連接有第三截止閥35、第四截止閥38和第五截止閥39，第三截止閥35與流量計36連接，流量計36同時與數(shù)據(jù)采集儀37連接。第四截止閥38與真空泵40連接，第五截止閥39與真空計41連接，真空計41與數(shù)據(jù)采集儀37連接。
[0040]為保證試驗精度，需在系統(tǒng)各處可能出現(xiàn)氣體液體滲漏處采用密封技術(shù)。
[0041]將上述實驗系統(tǒng)與高壓氣瓶、泵壓伺服增壓器及控制柜連接，可進行煤巖熱流固耦合壓裂-滲流實驗，具體步驟如下:
[0042](I)試件制備。將從現(xiàn)場取得的致密砂巖、頁巖、原煤或其他儲層滲透介質(zhì)的巖塊或煤塊用塑料薄膜密封好置于大小適當(dāng)?shù)哪鞠鋬?nèi)，然后用取芯機進行鉆取煤芯，最后利用磨床將取出的煤芯打磨成Φ50Χ 10mm的原巖樣或原煤樣，并將之置于烘箱內(nèi)烘干。利用臺鉆在烘干后的試件端面進行鉆孔，孔徑為Φ 10mm，孔深不小于30mm。在水力壓裂專用噴嘴中上段涂抹高強度黏結(jié)劑(如AB膠)后將其放入試件孔中并適當(dāng)壓擠使其接觸面平整，然后放置待干。
[0043](2)試件安裝。先用704硅橡膠將試件側(cè)面抹一層Imm的膠層，待抹上的膠層完全干透后，將水力壓裂專用噴嘴旋進壓裂頭16中，并將試件置于上壓頭15和下壓頭19之間；使試件各面與壓頭各面對齊，將試件的外密封件先套在試件中部，用電吹風(fēng)將熱縮管均勻吹緊使其與試件密實接觸；用兩個金屬箍分別緊緊箍住熱縮管與上壓頭和壓桿、下壓頭的重合部分。最后將鏈?zhǔn)綇较蛭灰苽鞲衅靼惭b于試件的中部位置，連接好數(shù)據(jù)傳輸接線，試件安裝完成后將移動小車歸位。
[0044](3)裝機。將三軸壓力室的上座11與底蓋10對位好，使用操作柜上的下降開關(guān)啟動電機25，將壓力室上座11落下，安裝固定壓力室上沉孔中的8個MlO螺釘，再固定擰緊下端部20個M30螺釘，應(yīng)先擰緊對稱位置上的兩個螺釘，使下蓋平穩(wěn)接觸壓力室，再擰緊其它螺釘；連接氣、水相應(yīng)進、出口接頭。
[0045](4)控制溫度、抽真空。使用操作柜上的上升開關(guān)將壓力室100提起，移出移動小車，使用操作柜上的下降開關(guān)將壓力室落入加熱油箱21中，設(shè)定實驗所需溫度。壓力室定位后在真空度計41表上設(shè)定實驗所需真空度(如300Pa)，打開壓力室上端的進氣閥43和進水閥44，啟動控制柜的真空轉(zhuǎn)換開關(guān)開始啟動真空泵40，打開第四截止閥38和第五截止閥39進行抽真空，當(dāng)實驗系統(tǒng)抽到目標(biāo)值后關(guān)閉打開第四截止閥38、第五截止閥39、進氣閥43和進水閥44，然后停止真空泵。
[0046](5)充氣吸附平衡。根據(jù)原巖應(yīng)力情況，通過計算機控制高精度伺服液壓泵站，操作油缸6動作向試件施加軸壓，同時向壓力室內(nèi)通入壓力油向試件施加圍壓，關(guān)閉出第一截止閥31和第二截止閥32，打開進氣閥44，調(diào)節(jié)高壓甲烷鋼瓶出氣閥門，保持瓦斯壓力一定，向試件內(nèi)充氣，充氣時間一般為24h。
[0047](6)測定原始滲透率。按照制定的實驗方案(即根據(jù)不同的巖石所處的原始環(huán)境設(shè)定實驗的溫度、氣體壓力、水壓或流量、軸壓和圍壓等參數(shù))施加相應(yīng)的軸壓及圍壓后，打開第二截止閥32、和第三截止閥35，并關(guān)閉第一截止閥31，讀取流量計36的數(shù)據(jù)，測定試件原始滲透率。
[0048](7)試件水力壓裂。關(guān)閉進氣閥44、第一截止閥31和第二截止閥32，打開進水閥43，通過伺服增壓器施加相應(yīng)的水壓或流量對試件進行壓裂處理。
[0049](8)測定壓裂后滲透率。關(guān)閉進水閥43，打開進氣閥44通入相應(yīng)壓力的氣體，打開第二截止閥32、和第三截止閥35，并關(guān)閉第一截止閥31，讀取流量計36的數(shù)據(jù)和氣液分離器33所收集的液體流量，從而可精確測定氣體流量和液體流量，以便準(zhǔn)確測定試件壓裂后的滲透率。
[0050](9)根據(jù)所制定的實驗方案，調(diào)整實驗條件。根據(jù)實驗方案重復(fù)(6) — (8)步驟。
[0051](10)進行下一輪實驗。實驗做完后，拆卸試件，并重復(fù)以上步驟進行下一輪實驗。
[0052]根據(jù)試驗需要，可將試件制成Φ100Χ200πιπι，此時，只需更換相應(yīng)內(nèi)徑的導(dǎo)向蓋12即可。
[0053]上述實驗系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如下:
[0054]1.最大軸向力:100kN
[0055]2.測力精度:示值的±1%
[0056]3.測力分檔:自動換檔
[0057]4.力值控制精度:示值的±0.5% (穩(wěn)壓精度)
[0058]5.活塞最大位移:60mm
[0059]6.軸向位移精度:示值的±1%
[0060]7.軸向控制方式:力控制、位移
[0061]8.圍壓控制范圍:0?60MPa(交流伺服增壓缸方式)
[0062]9.圍壓控制精度:示值的±1%
[0063]10.氣體流量(出口):0 ?5L/min
[0064]11.試件溫度范圍:0?100°C，溫度波動:±1°C
[0065]12.氣體壓力測量精度:示值的±1% (采用0.1級壓力傳感器)
[0066]13.抽真空度:6xl(T2Pa
[0067]14.氣路最大密封壓力:20MPa
[0068]15.軸向力實驗控制方式:負(fù)荷、位移閉環(huán)控制，可進行無沖擊轉(zhuǎn)換。
[0069]16.實驗波形:靜態(tài)，臺階加載，程控加載
[0070]17.噪聲:<72dB
[0071]18.總功率:6kW
[0072]19.主機外形尺寸(長 X 寬 X 高):1350x960x2874mm
[0073]20.液壓站外形尺寸(長X寬X高)=65Ox6OOx75Omm
[0074]21.設(shè)備總重量:1300kg
[0075]上述實驗中，水力壓裂和滲透率測試在同一設(shè)備上連續(xù)完成，因此測試滲透率時，巖心因壓裂而產(chǎn)生的裂隙不會重新閉合，且進行滲透率測試時可向第一氣孔14b通入氣體，從而第二氣孔15b向試件“面充氣”，從而能定量精確測得原位巖心壓裂前后滲透率的變化；并且能夠同時精確測量實驗中水流量和氣流量，從而提高了實驗精度。
[0076]另一方面，抽真空系統(tǒng)巧妙的利益了出口管路，因此可更為方便的對試件進行抽真空處理，并且對試件內(nèi)部的真空度進行了可視化處理，使實驗條件更加精確。
[0077]同時，可在甲烷鋼瓶出口處設(shè)置流通壓力監(jiān)測傳感器，與出口管路中的壓力傳感器42配合使用，可使實驗條件更精確。
[0078]以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本【技術(shù)領(lǐng)域】中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種儲層滲透介質(zhì)熱流固耦合多相流體壓裂-滲流組合式壓頭，其特征是: 包括彼此螺紋連接的壓桿(14)和上壓頭(15);所述壓桿(14)內(nèi)沿軸向平行設(shè)置有第一水孔(14a)和第一氣孔(14b);所述第一水孔(14a)位于所述壓桿(14)的中心； 所述上壓頭(15)的中心設(shè)置有與所述第一水孔(14a)連通的第二水孔(15a);所述上壓頭(15)上設(shè)置有若干個與所述第一氣孔(14b)連通的第二氣孔(15b)； 所述第二水孔(15a)的下端螺紋配合有壓裂頭(16)。
2.如權(quán)利要求1所述的儲層滲透介質(zhì)熱流固耦合多相流體壓裂-滲流組合式壓頭，其特征是:所述第二水孔(15a)設(shè)置于上壓頭上部；所述第二氣孔(15b)設(shè)置于上壓頭下部；所述上壓頭上部和上壓頭下部焊接為一體結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】G01N15/08GK104260408SQ201410355788
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】尹光志, 李銘輝, 李文璞, 許江, 王維忠, 蔣長寶, 李星, 鄧博知, 宋真龍, 韓佩博, 彭守建, 康向濤 申請人:重慶大學(xué)