儲層滲透介質熱流固耦合多相流體壓裂-滲流實驗系統的制作方法

儲層滲透介質熱流固耦合多相流體壓裂-滲流實驗系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種儲層滲透介質熱流固耦合多相流體壓裂-滲流實驗系統，包括機架；機架的下部設置有移動小車；機架上設置有提升機構；提升機構與壓力室連接；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向蓋；導向蓋的中心配合有壓桿；壓桿內沿軸向平行設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、立柱和下壓頭上設置有貫通的出孔；底蓋上設置有出水孔；機架固定在加熱油箱上；加熱油箱內設置有油溫傳感器、加熱管和循環泵。本發明可進行的實驗方式更多，實驗精度更高。
【專利說明】儲層滲透介質熱流固耦合多相流體壓裂-滲流實驗系統

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種實驗系統，特別是涉及一種用于研究非常規氣體壓裂-抽采聯合 作用機理的實驗系統。

【背景技術】
[0002] 隨著經濟的快速發展和人類社會的不斷進步，目前規模生產并大量利用的常規能 源供應日益不能滿足市場需求，在這種嚴峻的能源形勢下，非常規天然氣表現出了巨大的 資源潛力，而且我國非常規天然氣資源十分豐富，發展前景廣闊，非常規天然氣必然會成為 未來能源供應的重要來源。非常規天然氣儲層滲透率是反映儲層內流體滲流難易程度的物 性參數，其與儲層裂隙發育特征、地質構造、地應力狀態、流體壓力、地溫、滲透介質基質的 收縮作用、儲層埋深、滲透介質結構及地電場等密切相關，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，對非常規天然氣儲層及瓦斯儲層進行 開采條件下力學變形特性和滲流特性的實驗研究是非常有必要的。
[0003] -般來說，非常規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 國非常規天然氣儲量非常豐富，開發潛力巨大，然而地質條件復雜，埋藏深，開采成本高。在 開發非常規天然氣的過程中，水力壓裂是一項提高效率、降低成本的關鍵技術。目前，國內 外學者已經開始對儲層的水力壓裂破壞機理、裂縫擴展幾何形態和裂縫延伸規律進行了一 些研究。然而，由于缺乏較為系統的科學研究，相關水力壓裂機理匱乏，未能將影響壓裂效 果的相關主要參數進行量化，所以該項技術在非常規天然氣儲層增滲領域的應用與發展受 到了一定程度的限制。
[0004] 現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備上進行，而此時巖心因壓裂而產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定，對試件 有一定的影響。
[0005] 因此，建立一種科學的非常規氣體壓裂-滲流實驗測試系統，探索水力壓裂作用 下儲層滲透介質的斷裂損傷及增滲機理，對水力壓裂的應用與推廣有重要意義。


【發明內容】

[0006] 有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術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。
[0007] 為實現上述目的，本發明提供了一種儲層滲透介質熱流固耦合多相流體壓裂-滲 流實驗系統，包括機架；所述機架的下部設置有平行導軌；所述平行導軌上設置有移動小 車；所述機架上設置有提升機構；所述提升機構與壓力室連接；所述機架的中部固定有油 缸；所述油缸的活塞上固定有位移傳感器；所述活塞的伸出端固定有壓力傳感器；
[0008] 所述壓力室包括可置于所述移動小車上的底蓋；所述底蓋上螺栓連接有上座；所 述上座的上端固定有導向蓋；
[0009] 所述導向蓋的中心配合有壓桿；所述壓桿內沿軸向平行設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；
[0010] 所述第一水孔的下端螺紋配合有上壓頭；所述上壓頭的中心設置有與所述第一水 孔連通的第二水孔；所述上壓頭上設置有若干個與所述第一氣孔連通的第二氣孔；
[0011] 所述第二水孔的下端螺紋配合有壓裂頭；
[0012] 所述底蓋的中心固定有壓座；所述壓座上固定有立柱；所述立柱的上端固定有下 壓頭；所述下壓頭面向試件一側設置有若干第三氣孔；
[0013] 所述壓座、立柱和下壓頭上設置有貫通的出孔；所述第三氣孔與所述出孔連通； 所述底蓋上設置有出水孔；所述出孔的末端連接有出氣出水接頭；
[0014] 所述機架固定在加熱油箱上；所述加熱油箱內設置有油溫傳感器、加熱管和循環 栗。
[0015] 較佳的，所述提升機構包括升降減速電機；所述升降減速電機的動力通過傳動帶 傳遞至所述機架頂部對稱設置的帶輪；所述帶輪固定于傳動絲桿上；所述傳動絲桿的向所 述機架的下方延伸并與所述上座的上部固定。
[0016] 為便于操作，所述底蓋上固定有定位桿；所述導向蓋上設置有與所述定位桿對應 的定位孔。
[0017] 為精確測量水流量和氣體流量，所述出孔與水氣分離測量系統連接；所述水氣分 離測量系統包括與所述出氣出水接頭連接的三通閥；所述三通閥同時連接有第一截止閥和 第二截止閥；所述第二截止閥與氣液分離器連接；所述氣液分離器同時與四通閥連接；所 述四通閥同時連接有第三截止閥；所述第三截止閥與流量計連接；所述流量計同時與數據 采集儀連接。
[0018] 為便于壓力室抽真空，簡化管路結構，所述四通閥還連接有第四截止閥和第五截 止閥；所述第四截止閥與真空泵連接；所述第五截止閥與真空計連接；所述真空計與所述 數據采集儀連接。
[0019] 為進一步精確實驗，所述出氣出水接頭與所述三通閥的連接管路上連接有壓力傳 感器；所述壓力傳感器與所述數據采集儀連接。
[0020] 本發明的有益效果是：
[0021] (1)能對不同儲層滲透介質進行考慮應力場、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。
[0022] (2)由于設計了水力壓裂前后滲透率測試系統，因此可對儲層滲透介質在外部應 力作用下進行水力壓裂前后的滲透率進行原位精確測定。
[0023] (3)由于設計了水氣分離測量系統，因此使水、氣流量的分別精確測量成為可能。
[0024] (4)由于設計了真空系統，該系統可更為方便的對試件進行抽真空處理，并且對試 件內部的真空度進行了可視化處理，使實驗條件更加精確。
[0025] (5)可以在試件前后端分別設計了流體壓力監測傳感器，從而使實驗條件更加精 確。
[0026] (6)可以通過設置不同內徑的導向蓋，從而改變壓桿的尺寸以適應不同的試件尺 寸。
[0027] (7)通過設計提升機構和移動小車，從而使安裝過程基本上不用手工搬運，更加智 能化。
[0028] 總之，本發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】
[0029] 圖1是本發明一【具體實施方式】的結構示意圖。
[0030] 圖2是圖1中壓力室的結構示意圖。
[0031] 圖3是圖2中I處的局部放大結構示意圖。
[0032] 圖4是圖2中II處的局部放大結構示意圖。
[0033] 圖5是本發明一【具體實施方式】中出口管路結構示意圖。

【具體實施方式】
[0034] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明：
[0035] 如圖1至圖5所示，一種儲層滲透介質熱流固耦合多相流體壓裂-滲流實驗系統， 包括機架1，機架1的下部設置有平行導軌2,平行導軌2上設置有移動小車3。
[0036] 機架1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。
[0037] 機架1的下部設置有壓力室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的上端固定有導向蓋12。底蓋10上固定有定位桿 13,導向蓋12上設置有與定位桿13對應的定位孔12a。
[0038] 導向蓋12的中心配合有壓桿14,壓桿14內沿軸向平行設置有第一水孔14a和第 一氣孔14b，第一水孔14a位于壓桿14的中心。
[0039] 第一水孔14a的下端螺紋配合有上壓頭15,上壓頭15的中心設置有與第一水孔 14a連通的第二水孔15a，上壓頭15上設置有若干個與第一氣孔14b連通的第二氣孔15b。
[0040] 第二水孔15a的下端螺紋配合有壓裂頭16。
[0041] 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面向試件一側設置有若干第三氣孔19a。
[0042] 壓座17、立柱18和下壓頭19上設置有貫通的出孔20,第三氣孔19與出孔20連 通，底蓋10上設置有出水孔9。出孔20的末端連接有出氣出水接頭29。
[0043] 機架1固定在加熱油箱21上，加熱油箱21內設置有油溫傳感器22、加熱管23和 循環泵24。
[0044] 機架1上設置有提升機構，提升機構包括升降減速電機25,升降減速電機25的動 力通過傳動帶26傳遞至機架頂部1對稱設置的帶輪27。帶輪27固定于傳動絲桿28上，傳 動絲桿28的向機架1的下方延伸并與上座11的上部固定。可在傳動絲桿上設置限位擋塊 4,以及在絲桿附近設置行程開關5,以便于自動控制。
[0045] 出孔20與水氣分離測量系統連接。水氣分離測量系統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。
[0046] 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 與數據采集儀37連接。
[0047] 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。
[0048] 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同時與數據采集儀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與數據采集儀37連接。
[0049] 為保證試驗精度，需在系統各處可能出現氣體液體滲漏處采用密封技術。
[0050] 將上述實驗系統與高壓氣瓶、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：
[0051] (1)試件制備。將從現場取得的致密砂巖、頁巖、原煤或其他儲層滲透介質的巖塊 或煤塊用塑料薄膜密封好置于大小適當的木箱內，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 100mm的原巖樣或原煤樣，并將之置于烘箱內烘干。利用 臺鉆在烘干后的試件端面進行鉆孔，孔徑為Φ l〇mm，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劑（如AB膠）后將其放入試件孔中并適當壓擠使其接觸面平整， 然后放置待干。
[0052] (2)試件安裝。先用704硅橡膠將試件側面抹一層1mm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。最后將鏈式徑向位移傳感器安裝于試件的中部位置，連接好數據傳輸接線，試 件安裝完成后將移動小車歸位。
[0053] (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M10螺釘，再固定擰緊下 端部20個M30螺釘，應先擰緊對稱位置上的兩個螺釘，使下蓋平穩接觸壓力室，再擰緊其它 螺釘；連接氣、水相應進、出口接頭。
[0054] (4)控制溫度、抽真空。使用操作柜上的上升開關將壓力室100提起，移出移動小 車，使用操作柜上的下降開關將壓力室落入加熱油箱21中，設定實驗所需溫度。壓力室定 位后在真空度計41表上設定實驗所需真空度（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換開關開始啟動真空泵40,打開第四截止閥38和第五截止 閥39進行抽真空，當實驗系統抽到目標值后關閉打開第四截止閥38、第五截止閥39、進氣 閥43和進水閥44,然后停止真空泵。
[0055] (5)充氣吸附平衡。根據原巖應力情況，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，同時向壓力室內通入壓力油向試件施加圍壓，關閉出第一 截止閥31和第二截止閥32,打開進氣閥44,調節高壓甲烷鋼瓶出氣閥門，保持瓦斯壓力一 定，向試件內充氣，充氣時間一般為24h。
[0056] (6)測定原始滲透率。按照制定的實驗方案（即根據不同的巖石所處的原始環境 設定實驗的溫度、氣體壓力、水壓或流量、軸壓和圍壓等參數）施加相應的軸壓及圍壓后， 打開第二截止閥32、和第三截止閥35,并關閉第一截止閥31，讀取流量計36的數據，測定試 件原始滲透率。
[0057] (7)試件水力壓裂。關閉進氣閥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的水壓或流量對試件進行壓裂處理。
[0058] (8)測定壓裂后滲透率。關閉進水閥43,打開進氣閥44通入相應壓力的氣體，打 開第二截止閥32、和第三截止閥35,并關閉第一截止閥31，讀取流量計36的數據和氣液分 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，以便準確測定試件壓裂 后的滲透率。
[0059] (9)根據所制定的實驗方案，調整實驗條件。根據實驗方案重復（6) - (8)步驟。
[0060] (10)進行下一輪實驗。實驗做完后，拆卸試件，并重復以上步驟進行下一輪實驗。
[0061] 根據試驗需要，可將試件制成Φ100Χ200πιπι，此時，只需更換相應內徑的導向蓋 12即可。
[0062] 上述實驗系統的主要技術參數如下：
[0063] 1.最大軸向力：1000kN
[0064] 2.測力精度：示值的±1%
[0065] 3.測力分檔：自動換檔
[0066] 4.力值控制精度：示值的±0. 5% (穩壓精度）
[0067] 5.活塞最大位移：60mm
[0068] 6.軸向位移精度：示值的±1%
[0069] 7.軸向控制方式：力控制、位移
[0070] 8.圍壓控制范圍：0?60MPa(交流伺服增壓缸方式）
[0071] 9.圍壓控制精度：示值的±1%
[0072] 10.氣體流量（出口）：0 ?5L/min
[0073] 11.試件溫度范圍：0?100°C，溫度波動：±1°C
[0074] 12.氣體壓力測量精度：示值的±1% (采用0· 1級壓力傳感器）
[0075] 13.抽真空度：6xl(T2Pa
[0076] 14.氣路最大密封壓力：20MPa
[0077] 15.軸向力實驗控制方式：負荷、位移閉環控制，可進行無沖擊轉換。
[0078] 16.實驗波形：靜態，臺階加載，程控加載
[0079] 17.噪聲：<72dB
[0080] 18.總功率：6kW
[0081] 19.主機外形尺寸（長 X 寬 X 高）：1350x960x2874mm
[0082] 20.液壓站外形尺寸（長X寬X高）：65〇x6〇Ox 75〇_
[0083] 21.設備總重量：1300kg
[0084] 上述實驗中，水力壓裂和滲透率測試在同一設備上連續完成，因此測試滲透率時， 巖心因壓裂而產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。
[0085] 另一方面，抽真空系統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，并且對試件內部的真空度進行了可視化處理，使實驗條件更加精確。
[0086] 同時，可在甲烷鋼瓶出口處設置流通壓力監測傳感器，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。
[0087] 以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無 需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本【技術領域】中技術 人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的 技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。
【權利要求】
1. 一種儲層滲透介質熱流固耦合多相流體壓裂-滲流實驗系統，包括機架（1);所述 機架（1)的下部設置有平行導軌（2);所述平行導軌（2)上設置有移動小車（3);所述機架 (1)上設置有提升機構（200);所述提升機構（200)與壓力室（100)連接；所述機架（1)的 中部固定有油缸（6);所述油缸（6)的活塞（6a)上固定有位移傳感器（7);所述活塞（6a) 的伸出端固定有壓力傳感器（8);其特征是： 所述壓力室（100)包括可置于所述移動小車（3)上的底蓋（10);所述底蓋（10)上螺 栓連接有上座（11);所述上座（11)的上端固定有導向蓋（12); 所述導向蓋（12)的中心配合有壓桿（14);所述壓桿（14)內沿軸向平行設置有第一水 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； 所述第一水孔（14a)的下端螺紋配合有上壓頭（15);所述上壓頭（15)的中心設置有 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); 所述底蓋（10)的中心固定有壓座（17);所述壓座（17)上固定有立柱（18);所述立 柱（18)的上端固定有下壓頭（19);所述下壓頭（19)面向試件一側設置有若干第三氣孔 (19a)； 所述壓座（17)、立柱（18)和下壓頭（19)上設置有貫通的出孔（20);所述第三氣孔 (19)與所述出孔（20)連通；所述底蓋（10)上設置有出水孔（9);所述出孔（20)的末端連 接有出氣出水接頭（29); 所述機架（1)固定在加熱油箱（21)上；所述加熱油箱（21)內設置有油溫傳感器（22)、 加熱管（23)和循環泵（24)。
2. 如權利要求1所述的儲層滲透介質熱流固耦合多相流體壓裂-滲流實驗系統，其特 征是：所述提升機構（200)包括升降減速電機（25);所述升降減速電機（25)的動力通過傳 動帶（26)傳遞至所述機架頂部（1)對稱設置的帶輪（27);所述帶輪（27)固定于傳動絲桿 (28)上；所述傳動絲桿（28)的向所述機架（1)的下方延伸并與所述上座（11)的上部固定。
3. 如權利要求1所述的儲層滲透介質熱流固耦合多相流體壓裂-滲流實驗系統，其特 征是：所述底蓋（10)上固定有定位桿（13);所述導向蓋（12)上設置有與所述定位桿（13) 對應的定位孔（12a)。
4. 如權利要求1或2或3所述的儲層滲透介質熱流固耦合多相流體壓裂-滲流實驗 系統，其特征是：所述出孔（20)與水氣分離測量系統連接；所述水氣分離測量系統包括與 所述出氣出水接頭（29)連接的三通閥（30);所述三通閥（30)同時連接有第一截止閥（31) 和第二截止閥（32);所述第二截止閥（32)與氣液分離器（33)連接；所述氣液分離器（33) 同時與四通閥（34)連接；所述四通閥（34)同時連接有第三截止閥（35);所述第三截止閥 (35)與流量計（36)連接；所述流量計（36)同時與數據采集儀（37)連接。
5. 如權利要求4所述的儲層滲透介質熱流固耦合多相流體壓裂-滲流實驗系統，其 特征是：所述四通閥（34)還連接有第四截止閥（38)和第五截止閥（39);所述第四截止閥 (38)與真空泵（40)連接；所述第五截止閥（39)與真空計（41)連接；所述真空計（41)與 所述數據采集儀（37)連接。
6. 如權利要求5所述的儲層滲透介質熱流固耦合多相流體壓裂-滲流實驗系統，其特 征是：所述出氣出水接頭（29)與所述三通閥（30)的連接管路上連接有壓力傳感器（42); 所述壓力傳感器（42)與所述數據采集儀（37)連接。
【文檔編號】G01N3/18GK104155226SQ201410356132
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月24日 優先權日:2014年7月24日
【發明者】尹志光, 許江, 王維忠, 李文璞, 李銘輝, 蔣長寶, 李星, 鄧博知, 彭守建, 宋真龍, 韓佩博, 康向濤 申請人:重慶大學