储层渗透介质热流固耦合多相流体压裂-渗流实验系统

摘要

本发明公开了一种储层渗透介质热流固耦合多相流体压裂-渗流实验系统，包括机架；机架的下部设置有移动小车；机架上设置有提升机构；提升机构与压力室连接；机架的中部固定有油缸；压力室包括可置于移动小车上的底盖；底盖上螺栓连接有上座；上座的上端固定有导向盖；导向盖的中心配合有压杆；压杆内沿轴向平行设置有第一水孔和第一气孔；第一水孔的下端螺纹配合有上压头；底盖的中心固定有压座；压座上固定有立柱；立柱的上端固定有下压头；压座、立柱和下压头上设置有贯通的出孔；底盖上设置有出水孔；机架固定在加热油箱上；加热油箱内设置有油温传感器、加热管和循环泵。本发明可进行的实验方式更多，实验精度更高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种实验系统，特别是涉及一种用于研究非常规气体压裂-抽采 联合作用机理的实验系统。

背景技术

随着经济的快速发展和人类社会的不断进步，目前规模生产并大量利用的 常规能源供应日益不能满足市场需求，在这种严峻的能源形势下，非常规天然 气表现出了巨大的资源潜力，而且我国非常规天然气资源十分丰富，发展前景 广阔，非常规天然气必然会成为未来能源供应的重要来源。非常规天然气储层 渗透率是反映储层内流体渗流难易程度的物性参数，其与储层裂隙发育特征、 地质构造、地应力状态、流体压力、地温、渗透介质基质的收缩作用、储层埋 深、渗透介质结构及地电场等密切相关，而储层渗透率的大小对天然气的储存 于排采、流体压力的分布起着重要的作用。因此，对非常规天然气储层及瓦斯 储层进行开采条件下力学变形特性和渗流特性的实验研究是非常有必要的。

一般来说，非常规天然气包括致密砂岩气、煤层气、页岩气和天然气水合 物等。我国非常规天然气储量非常丰富，开发潜力巨大，然而地质条件复杂， 埋藏深，开采成本高。在开发非常规天然气的过程中，水力压裂是一项提高效 率、降低成本的关键技术。目前，国内外学者已经开始对储层的水力压裂破坏 机理、裂缝扩展几何形态和裂缝延伸规律进行了一些研究。然而，由于缺乏较 为系统的科学研究，相关水力压裂机理匮乏，未能将影响压裂效果的相关主要 参数进行量化，所以该项技术在非常规天然气储层增渗领域的应用与发展受到 了一定程度的限制。

现有的实验装置主要存在以下不足：1)所考虑的渗透率影响因素相对比较 单一，不能进行考虑应力场、渗流场、温度场等的多物理场耦合实验；2)如需 测定渗透率，需取出岩心在另外的实验设备上进行，而此时岩心因压裂而产生 的裂隙会重新闭合，不能定量精确测得原位岩心压裂前后渗透率的变化；3)所 进行的渗流实验大多为单一的水相或气相渗流实验，不能精确测量水气各自流 量；4)不能测得试件内部的真空度，对于存在气体吸附的实验来说不够精确； 5)安装过程基本上靠手工搬运，不方便且过程不够稳定，对试件有一定的影响。

因此，建立一种科学的非常规气体压裂-渗流实验测试系统，探索水力压裂 作用下储层渗透介质的断裂损伤及增渗机理，对水力压裂的应用与推广有重要 意义。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能精 确测量试件在多场耦合条件下压裂前后渗透率变化的压裂-渗流实验系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种储层渗透介质热流固耦合多相流体压 裂-渗流实验系统，包括机架；所述机架的下部设置有平行导轨；所述平行导轨 上设置有移动小车；所述机架上设置有提升机构；所述提升机构与压力室连接； 所述机架的中部固定有油缸；所述油缸的活塞上固定有位移传感器；所述活塞 的伸出端固定有压力传感器；

所述压力室包括可置于所述移动小车上的底盖；所述底盖上螺栓连接有上 座；所述上座的上端固定有导向盖；

所述导向盖的中心配合有压杆；所述压杆内沿轴向平行设置有第一水孔和 第一气孔；所述第一水孔位于所述压杆的中心；

所述第一水孔的下端螺纹配合有上压头；所述上压头的中心设置有与所述 第一水孔连通的第二水孔；所述上压头上设置有若干个与所述第一气孔连通的 第二气孔；

所述第二水孔的下端螺纹配合有压裂头；

所述底盖的中心固定有压座；所述压座上固定有立柱；所述立柱的上端固 定有下压头；所述下压头面向试件一侧设置有若干第三气孔；

所述压座、立柱和下压头上设置有贯通的出孔；所述第三气孔与所述出孔 连通；所述底盖上设置有出水孔；所述出孔的末端连接有出气出水接头；

所述机架固定在加热油箱上；所述加热油箱内设置有油温传感器、加热管 和循环泵。

较佳的，所述提升机构包括升降减速电机；所述升降减速电机的动力通过 传动带传递至所述机架顶部对称设置的带轮；所述带轮固定于传动丝杆上；所 述传动丝杆的向所述机架的下方延伸并与所述上座的上部固定。

为便于操作，所述底盖上固定有定位杆；所述导向盖上设置有与所述定位 杆对应的定位孔。

为精确测量水流量和气体流量，所述出孔与水气分离测量系统连接；所述 水气分离测量系统包括与所述出气出水接头连接的三通阀；所述三通阀同时连 接有第一截止阀和第二截止阀；所述第二截止阀与气液分离器连接；所述气液 分离器同时与四通阀连接；所述四通阀同时连接有第三截止阀；所述第三截止 阀与流量计连接；所述流量计同时与数据采集仪连接。

为便于压力室抽真空，简化管路结构，所述四通阀还连接有第四截止阀和 第五截止阀；所述第四截止阀与真空泵连接；所述第五截止阀与真空计连接； 所述真空计与所述数据采集仪连接。

为进一步精确实验，所述出气出水接头与所述三通阀的连接管路上连接有 压力传感器；所述压力传感器与所述数据采集仪连接。

本发明的有益效果是：

(1)能对不同储层渗透介质进行考虑应力场、渗流场、温度场等的多物理 场耦合实验，包括三轴压缩渗流实验、水力压裂实验以及多相流体流固耦合实 验。

(2)由于设计了水力压裂前后渗透率测试系统，因此可对储层渗透介质在 外部应力作用下进行水力压裂前后的渗透率进行原位精确测定。

(3)由于设计了水气分离测量系统，因此使水、气流量的分别精确测量成 为可能。

(4)由于设计了真空系统，该系统可更为方便的对试件进行抽真空处理， 并且对试件内部的真空度进行了可视化处理，使实验条件更加精确。

(5)可以在试件前后端分别设计了流体压力监测传感器，从而使实验条件 更加精确。

(6)可以通过设置不同内径的导向盖，从而改变压杆的尺寸以适应不同的 试件尺寸。

(7)通过设计提升机构和移动小车，从而使安装过程基本上不用手工搬运， 更加智能化。

总之，本发明可进行的实验方式更多，实验精度更高。

附图说明

图1是本发明一具体实施方式的结构示意图。

图2是图1中压力室的结构示意图。

图3是图2中I处的局部放大结构示意图。

图4是图2中II处的局部放大结构示意图。

图5是本发明一具体实施方式中出口管路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1至图5所示，一种储层渗透介质热流固耦合多相流体压裂-渗流实验 系统，包括机架1，机架1的下部设置有平行导轨2，平行导轨2上设置有移动 小车3。

机架1的中部固定有油缸6，油缸6的活塞6a上固定有位移传感器7，活 塞6a的伸出端固定有压力传感器8。

机架1的下部设置有压力室100，压力室100包括可置于移动小车3上的底 盖10，底盖10上螺栓连接有上座11，上座11的上端固定有导向盖12。底盖 10上固定有定位杆13，导向盖12上设置有与定位杆13对应的定位孔12a。

导向盖12的中心配合有压杆14，压杆14内沿轴向平行设置有第一水孔14a 和第一气孔14b，第一水孔14a位于压杆14的中心。

第一水孔14a的下端螺纹配合有上压头15，上压头15的中心设置有与第一 水孔14a连通的第二水孔15a，上压头15上设置有若干个与第一气孔14b连通 的第二气孔15b。

第二水孔15a的下端螺纹配合有压裂头16。

底盖10的中心固定有压座17，压座17上固定有立柱18，立柱18的上端 固定有下压头19，下压头19面向试件一侧设置有若干第三气孔19a。

压座17、立柱18和下压头19上设置有贯通的出孔20，第三气孔19与出 孔20连通，底盖10上设置有出水孔9。出孔20的末端连接有出气出水接头29。

机架1固定在加热油箱21上，加热油箱21内设置有油温传感器22、加热 管23和循环泵24。

机架1上设置有提升机构，提升机构包括升降减速电机25，升降减速电机 25的动力通过传动带26传递至机架顶部1对称设置的带轮27。带轮27固定于 传动丝杆28上，传动丝杆28的向机架1的下方延伸并与上座11的上部固定。 可在传动丝杆上设置限位挡块4，以及在丝杆附近设置行程开关5，以便于自动 控制。

出孔20与水气分离测量系统连接。水气分离测量系统包括与出气出水接头 29连接的三通阀30，三通阀30同时连接有第一截止阀31和第二截止阀32。

出气出水接头29与三通阀30的连接管路上连接有压力传感器42，压力传 感器42与数据采集仪37连接。

第二截止阀32与气液分离器33连接，气液分离器33同时与四通阀34连 接。

四通阀34同时连接有第三截止阀35、第四截止阀38和第五截止阀39，第 三截止阀35与流量计36连接，流量计36同时与数据采集仪37连接。第四截 止阀38与真空泵40连接，第五截止阀39与真空计41连接，真空计41与数据 采集仪37连接。

为保证试验精度，需在系统各处可能出现气体液体渗漏处采用密封技术。

将上述实验系统与高压气瓶、泵压伺服增压器及控制柜连接，可进行煤岩 热流固耦合压裂-渗流实验，具体步骤如下：

(1)试件制备。将从现场取得的致密砂岩、页岩、原煤或其他储层渗透介 质的岩块或煤块用塑料薄膜密封好置于大小适当的木箱内，然后用取芯机进行 钻取煤芯，最后利用磨床将取出的煤芯打磨成Φ50×100mm的原岩样或原煤样， 并将之置于烘箱内烘干。利用台钻在烘干后的试件端面进行钻孔，孔径为 Φ10mm，孔深不小于30mm。在水力压裂专用喷嘴中上段涂抹高强度黏结剂(如 AB胶)后将其放入试件孔中并适当压挤使其接触面平整，然后放置待干。

(2)试件安装。先用704硅橡胶将试件侧面抹一层1mm的胶层，待抹上的 胶层完全干透后，将水力压裂专用喷嘴旋进压裂头16中，并将试件置于上压头 15和下压头19之间；使试件各面与压头各面对齐，将试件的外密封件先套在试 件中部，用电吹风将热缩管均匀吹紧使其与试件密实接触；用两个金属箍分别 紧紧箍住热缩管与上压头和压杆、下压头的重合部分。最后将链式径向位移传 感器安装于试件的中部位置，连接好数据传输接线，试件安装完成后将移动小 车归位。

(3)装机。将三轴压力室的上座11与底盖10对位好，使用操作柜上的下 降开关启动电机25，将压力室上座11落下，安装固定压力室上沉孔中的8个 M10螺钉，再固定拧紧下端部20个M30螺钉，应先拧紧对称位置上的两个螺钉， 使下盖平稳接触压力室，再拧紧其它螺钉；连接气、水相应进、出口接头。

(4)控制温度、抽真空。使用操作柜上的上升开关将压力室100提起，移 出移动小车，使用操作柜上的下降开关将压力室落入加热油箱21中，设定实验 所需温度。压力室定位后在真空度计41表上设定实验所需真空度(如300Pa)， 打开压力室上端的进气阀43和进水阀44，启动控制柜的真空转换开关开始启动 真空泵40，打开第四截止阀38和第五截止阀39进行抽真空，当实验系统抽到 目标值后关闭打开第四截止阀38、第五截止阀39、进气阀43和进水阀44，然 后停止真空泵。

(5)充气吸附平衡。根据原岩应力情况，通过计算机控制高精度伺服液压 泵站，操作油缸6动作向试件施加轴压，同时向压力室内通入压力油向试件施 加围压，关闭出第一截止阀31和第二截止阀32，打开进气阀44，调节高压甲 烷钢瓶出气阀门，保持瓦斯压力一定，向试件内充气，充气时间一般为24h。

(6)测定原始渗透率。按照制定的实验方案(即根据不同的岩石所处的原 始环境设定实验的温度、气体压力、水压或流量、轴压和围压等参数)施加相 应的轴压及围压后，打开第二截止阀32、和第三截止阀35，并关闭第一截止阀 31，读取流量计36的数据，测定试件原始渗透率。

(7)试件水力压裂。关闭进气阀44、第一截止阀31和第二截止阀32，打 开进水阀43，通过伺服增压器施加相应的水压或流量对试件进行压裂处理。

(8)测定压裂后渗透率。关闭进水阀43，打开进气阀44通入相应压力的 气体，打开第二截止阀32、和第三截止阀35，并关闭第一截止阀31，读取流量 计36的数据和气液分离器33所收集的液体流量，从而可精确测定气体流量和 液体流量，以便准确测定试件压裂后的渗透率。

(9)根据所制定的实验方案，调整实验条件。根据实验方案重复(6)— (8)步骤。

(10)进行下一轮实验。实验做完后，拆卸试件，并重复以上步骤进行下 一轮实验。

根据试验需要，可将试件制成Φ100×200mm，此时，只需更换相应内径的 导向盖12即可。

上述实验系统的主要技术参数如下：

1.最大轴向力：1000kN

2.测力精度：示值的±1％

3.测力分档：自动换档

4.力值控制精度：示值的±0.5％(稳压精度)

5.活塞最大位移：60mm

6.轴向位移精度：示值的±1％

7.轴向控制方式：力控制、位移

8.围压控制范围：0～60MPa(交流伺服增压缸方式)

9.围压控制精度：示值的±1％

10.气体流量(出口)：0～5L/min

11.试件温度范围：0～100℃，温度波动：±1℃

12.气体压力测量精度：示值的±1％(采用0.1级压力传感器)

13.抽真空度：6x10^-2Pa

14.气路最大密封压力：20MPa

15.轴向力实验控制方式：负荷、位移闭环控制，可进行无冲击转换。

16.实验波形：静态，台阶加载，程控加载

17.噪声：≤72dB

18.总功率：6kW

19.主机外形尺寸(长x宽x高)：1350x960x2874mm

20.液压站外形尺寸(长x宽x高)：650x600x750mm

21.设备总重量：1300kg

上述实验中，水力压裂和渗透率测试在同一设备上连续完成，因此测试渗 透率时，岩心因压裂而产生的裂隙不会重新闭合，且进行渗透率测试时可向第 一气孔14b通入气体，从而第二气孔15b向试件“面充气”，从而能定量精确 测得原位岩心压裂前后渗透率的变化；并且能够同时精确测量实验中水流量和 气流量，从而提高了实验精度。

另一方面，抽真空系统巧妙的利益了出口管路，因此可更为方便的对试件 进行抽真空处理，并且对试件内部的真空度进行了可视化处理，使实验条件更 加精确。

同时，可在甲烷钢瓶出口处设置流通压力监测传感器，与出口管路中的压 力传感器42配合使用，可使实验条件更精确。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术 人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡 本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推 理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范 围内。