一種煤巖高溫高壓真三軸壓裂滲流試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明為一種煤巖高溫高壓真三軸壓裂滲流試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法，壓裂介質(zhì)為氣 體或液體。屬于巖體力學(xué)與工程技術(shù)領(lǐng)域范疇。通過(guò)對(duì)試件的壓裂滲流變形特性等巖石力 學(xué)試驗(yàn)揭示煤巖在不同應(yīng)力及高溫狀況下的應(yīng)力-應(yīng)變等巖石力學(xué)性質(zhì)特征及其變化規(guī) 律；通過(guò)真三軸加載可模擬真實(shí)地層的埋藏條件；通過(guò)壓力室周圍傳壓板鉆孔內(nèi)置加熱棒 進(jìn)行高溫加熱；通過(guò)高壓水力或超臨界〇) 2進(jìn)行壓裂試驗(yàn)；通過(guò)聲發(fā)射系統(tǒng)對(duì)壓裂產(chǎn)生的 貫通裂縫的起裂、擴(kuò)展及開(kāi)閉合特性的觀察、控制和分析掌握裂縫的形成及擴(kuò)展機(jī)理；通過(guò) 注入高壓孔隙水或氣體進(jìn)行煤巖滲透試驗(yàn)以測(cè)試壓裂后試件的孔隙率和滲透性。為壓裂開(kāi) 采提供理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著油氣領(lǐng)域開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展，壓裂裝置與方法近年來(lái)取得了多項(xiàng)成果，涉及真 三軸壓裂的方法與裝置的中國(guó)發(fā)明專利主要有：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的"一種煤層氣井水力壓裂 物理模擬方法"（CN103883301A)。中國(guó)石油大學(xué)(華東）的"一種用于稠油熱采儲(chǔ)層破裂 的模擬實(shí)驗(yàn)裝置"（CN103821487A)。東北大學(xué)的"一種模擬頁(yè)巖氣壓壓裂過(guò)程的實(shí)驗(yàn)裝 置及實(shí)驗(yàn)方法"（CN103993867A)。重慶大學(xué)的"真三軸受力條件下頁(yè)巖水力壓裂損傷演 化裝置與實(shí)驗(yàn)方法"（CN103592186A)。中國(guó)石油化工股份有限公司的"模擬儲(chǔ)層環(huán)境的 應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)及其測(cè)試方法"（CN103728184A)。中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所的 "一種可實(shí)現(xiàn)水壓致裂試驗(yàn)的真三軸壓力裝置"（CN102621000B)。現(xiàn)有的三軸壓裂模擬 試驗(yàn)裝置及方法均是針對(duì)水力壓裂或頁(yè)巖氣壓裂，只能滿足常規(guī)條件下的室內(nèi)壓裂模擬， 但不能滿足模擬深埋地層高溫條件下的水力壓裂以及超臨界CO2壓裂。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明一種煤巖高溫高壓真三軸壓裂滲流試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)方法，目的在于克服 傳統(tǒng)試驗(yàn)方法的缺陷與不足，根據(jù)礦物地質(zhì)賦存條件下的地應(yīng)力和溫度場(chǎng)條件，公開(kāi)一種 模擬深部巖層高溫壓裂時(shí)的巖體特征以及壓裂后巖體的滲流特性，最高加熱溫度為400°C， 且能夠滿足在試驗(yàn)室內(nèi)對(duì)地下深部及高溫礦物煤巖高溫高壓進(jìn)行真三軸壓裂及壓裂后滲 流特性檢測(cè)的先進(jìn)、高效、直觀、可靠和安全的試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法。
[0004] 本發(fā)明的一種煤巖高溫高壓真三軸壓裂滲流試驗(yàn)裝置，其特征在于是一種可模擬 礦物埋藏深度達(dá)2000m和溫度達(dá)400°C的地質(zhì)環(huán)境條件，由真三軸伺服控制實(shí)時(shí)加載系統(tǒng) 1、水力壓裂系統(tǒng)2、超臨界0)2壓裂系統(tǒng)3、滲透系統(tǒng)4、循環(huán)冷卻系統(tǒng)5、溫度加載及保溫控 制系統(tǒng)6、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)7、壓力-變形測(cè)試系統(tǒng)8及數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)化控制系統(tǒng)9九大系 統(tǒng)組成的試驗(yàn)裝置，所述的真三軸伺服控制實(shí)時(shí)加載系統(tǒng)1是系統(tǒng)的重要組成部分，由五 組千斤頂及加載油缸16、三組獨(dú)立的穩(wěn)壓源、伺服油源、傳壓柱、傳壓板14、多孔槽板12、伺 服閥、壓力傳感器、位移傳感器和變形傳感器組成，通過(guò)壓力室內(nèi)的傳壓板14錯(cuò)位布置，實(shí) 現(xiàn)對(duì)試件19的剛性加載，對(duì)試件19施加模擬相應(yīng)地層的地應(yīng)力條件，如圖2所示，錯(cuò)位布 置是指?jìng)鲏喊?4之間改變?cè)杏策B接的布置為相互錯(cuò)位布置，用來(lái)解決試件19壓縮變形 時(shí)傳壓板14之間的相互擠壓以及滿足試件19的尺寸變化，壓力室通過(guò)傳壓板14的錯(cuò)位布 置實(shí)現(xiàn)五面剛性加載，傳壓板14與試件19之間嵌置多孔槽板12 ;所述的水力壓裂系統(tǒng)2， 由液體伺服增壓泵、壓裂管柱21、壓裂液注入壓力傳感器、壓裂液注入流量計(jì)量裝置和水力 壓裂配套組件組成，利用一組液體伺服增壓泵通過(guò)壓裂管柱21泵注壓裂液對(duì)試件19進(jìn)行 壓裂，通過(guò)壓裂管柱21與真三軸伺服控制實(shí)時(shí)加載系統(tǒng)1聯(lián)接；所述的超臨界0) 2壓裂系統(tǒng) 3,由氣體伺服增壓泵、壓裂管柱21、溫度加載裝置、保溫管路、注入壓力傳感器、注入流量計(jì) 量裝置和超臨界CO2壓裂配套組件組成，利用一組氣體伺服增壓泵及溫度控制裝置通過(guò)壓 裂管柱泵注超臨界CO2對(duì)試件19進(jìn)行壓裂，通過(guò)保溫管路連接壓裂管柱21與真三軸伺服控 制實(shí)時(shí)加載系統(tǒng)1聯(lián)接；所述的滲透系統(tǒng)4,由伺服增壓泵、孔隙水/氣注入壓力傳感器、孔 隙水/氣注入流量傳感器、孔隙水/氣滲透壓力傳感器、孔隙水/氣滲透流量傳感器和密封 配套組件組成，利用一組伺服增壓泵將孔隙水/氣通過(guò)壓力室的頂部接口泵注到用超高溫 密封膠13包裹的試件19的頂部，在壓力室的底部出口經(jīng)過(guò)底部多孔槽板12收集滲透過(guò)試 件19的孔隙水/氣；所述的循環(huán)冷卻系統(tǒng)5,由循環(huán)水泵、冷卻管路和循環(huán)冷卻配套組件組 成，在加載油缸靠近傳壓板的端部采用水冷對(duì)油缸進(jìn)行循環(huán)冷卻；所述的溫度加載及保溫 控制系統(tǒng)6,由保溫環(huán)境箱10、加熱棒22、溫度采集控制儀和加熱保溫配套組件組成，在壓 力室的內(nèi)部四周傳壓板14上打鉆孔15布置加熱棒22進(jìn)行加溫，通過(guò)多孔槽板12對(duì)試件19 傳遞熱量加熱，由溫度采集控制儀對(duì)溫度的加載進(jìn)行采集和控制，設(shè)計(jì)一個(gè)保溫環(huán)境箱10 用以提供恒溫環(huán)境；所述的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)7,由聲發(fā)射探頭和聲發(fā)射處理裝置組成，在壓 力室周圍傳壓板14上預(yù)留有聲發(fā)射探頭23布置點(diǎn)，利用聲發(fā)射儀監(jiān)測(cè)試件19的聲發(fā)射變 化，并進(jìn)行三維聲發(fā)射定位，用來(lái)監(jiān)測(cè)試件19內(nèi)部裂紋的起裂和擴(kuò)展演化參數(shù)；所述的壓 力-變形測(cè)試系統(tǒng)8,主要由各子系統(tǒng)中記錄溫度、壓力、流量、變形和位移的傳感器組成， 同時(shí)在壓力室內(nèi)部設(shè)置有壓力傳感器，記錄試件19內(nèi)部的壓力變化；所述的數(shù)據(jù)采集和自 動(dòng)化控制系統(tǒng)9,采用面板式的自動(dòng)化控制和數(shù)據(jù)顯示，通過(guò)輸入加載過(guò)程的控制程序，自 動(dòng)加載；試驗(yàn)完成后，通過(guò)程序控制自動(dòng)卸載；通過(guò)溫度采集控制儀，輸入設(shè)定的溫度值進(jìn) 行加熱；通過(guò)伺服增壓泵的控制程序，對(duì)壓力、排量和泵注體積參數(shù)進(jìn)行記錄和控制；實(shí)時(shí) 顯示試驗(yàn)過(guò)程中各傳感器測(cè)得的溫度、壓力、流量、變形和位移參數(shù)并能夠輸出數(shù)據(jù)；生成 試驗(yàn)過(guò)程中的壓力加載過(guò)程動(dòng)態(tài)曲線、溫度變化動(dòng)態(tài)曲線、壓裂過(guò)程動(dòng)態(tài)曲線、孔隙壓力變 化動(dòng)態(tài)曲線和試件19內(nèi)部壓力變化動(dòng)態(tài)曲線以便進(jìn)行控制并能夠予以輸出。
[0005] 上述的一種煤巖高溫高壓真三軸壓裂滲流試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的真三軸 伺服加載控制捕捉整個(gè)加載和壓裂過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變、起裂和裂紋擴(kuò)展演化參數(shù)的特征 信息，其三個(gè)方向的最大應(yīng)力均可達(dá)300MPa; 上述的一種煤巖高溫高壓真三軸壓裂滲流試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的試件19尺寸 為兩種規(guī)格：100X100XIOOmm或 300X300X300mm; 上述的一種煤巖高溫高壓真三軸壓裂滲流試驗(yàn)裝置，其特征在于，試件19的密封采用 耐超高溫密封膠13進(jìn)行密封，密封時(shí)將耐超高溫密封膠13均勻涂抹在水平方向的多孔槽 板12外圍，將多孔槽板12與試件19 一起密封，在多孔槽板12底部留設(shè)有滲流孔通道，以 便滲透后的氣、液收集測(cè)量； 上述的一種煤巖高溫高壓真三軸壓裂滲流試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的注入滲透孔 隙水/超臨界〇)2的壓力最大可達(dá)80MPa，流量可達(dá)500ml/min; 上述的一種煤巖高溫高壓真三軸壓裂滲流試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的滲透系統(tǒng)可 對(duì)壓裂后的試件19進(jìn)行水、超臨界C02、隊(duì)和CH4不同介質(zhì)的滲透效果測(cè)量，對(duì)壓裂前后試 件19的滲透性進(jìn)行對(duì)比分析。
[0006] 上述一種煤巖高溫高壓真三軸壓裂滲流試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，其特征在于采用上 述一種煤巖高溫高壓真三軸壓裂滲流試驗(yàn)裝置，可模擬礦物埋藏深度達(dá)2000m的最高溫度 達(dá)400°C的地質(zhì)環(huán)境條件，該方法首先要求對(duì)試件19進(jìn)行加工鉆孔17,進(jìn)行封孔處理并與 多孔板槽12用耐高溫密封膠13密封后置于壓力室中，進(jìn)行三軸壓力加載至設(shè)定應(yīng)力值，開(kāi) 啟聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)7，設(shè)定加熱溫度，開(kāi)啟加熱棒22對(duì)試件19進(jìn)行加熱，通過(guò)控溫溫度傳感 器控制溫度，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值并穩(wěn)定30分鐘后，開(kāi)啟壓裂系統(tǒng)進(jìn)行壓裂試驗(yàn)，壓裂過(guò)程 中通過(guò)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)7、壓力-變形測(cè)試系統(tǒng)8及數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)化控制系統(tǒng)9全程