研究壓裂液配製及巖體斷裂分形特徵測定裝置的製作方法

2023-04-28 06:09:41 4

專利名稱：研究壓裂液配製及巖體斷裂分形特徵測定裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是是石油與天然氣、礦業、巖土等工程中水力壓裂配砂分形設計方法中使用的裝置，具體涉及的是研究壓裂液配製及巖體斷裂分形特徵測定裝置。背景技術：
在石油與天然氣、煤巖體等儲層開採技術領域中，都需要對儲層巖石進行壓裂，其作用機理是利用地面高壓泵組，以超過儲層吸液能力排量將高粘壓裂液泵入井內而在井底產生高壓，通過高壓驅動水流擠入巖體內，克服巖體的抗張強度，使巖體發生破裂，形成具有一定導流能力的裂縫通道。有效地溝通儲集層，提高油氣開採速度。目前，對於水力壓裂巖體斷裂壁面粗糙特徵描述不明確，進而導致壓裂裂縫導流能力計算存在偏差。儘管現有理論與有限元手段能夠給予近似模擬，但仍無法系統地測定與描述。從而影響了該方面技術充分發展。可見，對水力壓裂裂縫斷裂壁面的準確描述、裂縫參數的準確計算及不同裂縫參數特徵下的裂縫導流能力分析，嚴重地阻礙了水力壓裂的進一步發展。·
發明內容
本發明的目的是提供研究壓裂液配製及巖體斷裂分形特徵測定裝置，它用於解決現有的對壓裂液與巖體斷裂裂縫間的關係無法測定與描述的問題。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是這種研究壓裂液配製及巖體斷裂分形特徵測定裝置由支撐劑顆粒多級分形分選裝置、摻混系統、被壓試件測定系統、斷裂面自仿射觀測系統依次連接構成，支撐劑顆粒多級分形分選裝置包括支撐劑顆粒裝載容器、多級分形分選震動篩、分選顆粒容器，分選顆粒容器內設置多級分形分選震動篩，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有多級出口，每級出口分別外接顆粒輸送管線；摻混系統包括摻混容器、自動攪拌器、壓裂液容器、過濾裝置，自動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；被壓試件測定系統包括測試容器、上覆外載控制系統、圍壓加載系統、變形測定系統，被壓試件安裝在測試容器中，壓裂管柱置於被測試件的中心，被測試件與測試容器之間是環形的圍壓室，被測試件上端是上覆外載加壓腔，上覆外載加壓腔被滑動活塞分隔為上、下二個腔體；上覆外載控制系統連接到上覆外載加壓腔的上腔體，圍壓加載系統連接到圍壓室；變形測定系統由變形傳感器、信號轉換器和信號檢測儀組成，變形傳感器安裝在被測試件外表面；斷裂面自仿射觀測系統主要包括CXD攝像機、體式顯微鏡、顯微鏡觀測架、仿真成像計算系統，CXD攝像機和體式顯微鏡安裝在顯微鏡觀測架上，仿真成像計算系統與體式顯微鏡連接。上述方案中上覆外載控制系統由第一增壓泵和第一中間容器組成，上覆外載控制系統通過高壓管線與上腔體連接，測試運行時由上覆外載控制系統通過高壓管線向上腔體中注入液體驅動自由滑動活塞行對被測試件施加上覆正應力。上述方案中圍壓加載系統由第二增壓泵和第二中間容器組成，圍壓加載系統系統通過高壓管線與與圍壓室連接。有益效果I、本發明模擬現場多級壓裂過程，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係以及粒徑與斷裂開度(裂縫縫寬)的關係。2、本發明能夠測定不同加砂支撐劑的作用下的斷裂壁面粗糙度。3、本發明可測定被測試件變形系統並作數據動態轉換與分析。四

圖I是本發明裝置總體結構示意 圖2是本發明中自仿射觀測系統的結構示意 圖3是變形傳感器在被測試件頂端分布排列結構示意圖； 圖4是變形傳感器在被測試件側端分布排列結構示意圖。I.支撐劑顆粒裝載容器2.分選顆粒容器3.多級分形分選震動篩4.多級出口 5.摻混容器6.壓裂液容器7.壓裂管柱8.過濾裝置9.被測試件10.第一增壓泵11.第一中間容器12.上腔體13.滑動活塞14.第二增壓泵15.第二中間容器16.圍壓室17.變形傳感器18.信號傳感器19.信號檢測儀20. CXD攝像機21.體式顯微鏡22.顯微鏡觀測架23.成像裝置24測試容器。五具體實施例方式 下面結合附圖對本發明做進一步的說明
如圖I所示，這種研究壓裂液配製及巖體斷裂分形特徵測定裝置由支撐劑顆粒多級分形分選裝置、摻混系統、被壓試件測定系統、斷裂面自仿射觀測系統依次連接構成，支撐劑顆粒多級分形分選裝置包括支撐劑顆粒裝載容器I、多級分形分選震動篩3、分選顆粒容器2，分選顆粒容器2內設置多級分形分選震動篩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連接設有多級出口 4，每級出口分別外接顆粒輸送管線；摻混系統包括摻混容器5、自動攪拌器、壓裂液容器6、過濾裝置8，自動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 ;被壓試件測定系統包括測試容器24、上覆外載控制系統、圍壓加載系統、變形測定系統，被測試件安裝在測試容器24中，壓裂管柱7置於被測試9件的中心，被測試件9與測試容器24之間是環形的圍壓室16，被測試件9上端是上覆外載加壓腔，上覆外載加壓腔被滑動活塞13分隔為上、下二個腔體；上覆外載控制系統連接到上覆外載加壓腔的上腔體12，圍壓加載系統連接到圍壓室16 ;變形測定系統由變形傳感器17、信號轉換器18和信號檢測儀19組成，變形傳感器17安裝在被測試件外表面；斷裂面自仿射觀測系統主要包括CXD攝像機20、體式顯微鏡21、顯微鏡觀測架22、仿真成像計算系統23，CXD攝像機20和體式顯微鏡21安裝在顯微鏡觀測架22上，仿真成像計算系統23與體式顯微鏡21連接。本發明中支撐劑顆粒多級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內置有多級分形分選震動篩3，多級分形分選震動篩3分別與供電系統連接，分選顆粒容器連接設有多級出口 4，每級出口分別外接顆粒輸送管線，顆粒輸送管線安裝有壓力表、流量計常規的支撐劑顆粒在分選顆粒容器通過多級分形分選震動篩按粒徑要求分選開，分選後的各級顆粒實現單獨外輸。目前市面上買到的支撐劑顆粒通過多級分形分選震動篩3選取出上述三個級次的支撐劑。摻混系統中壓裂液容器6與摻混容器5通過管線連接，管線上安裝壓力表、流量計、過濾裝置8、泵，分選後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中配製壓裂液，配製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、過濾裝置、泵，壓裂液被輸送到壓裂管柱7進行壓裂測試。上覆外載控制系統由第一增壓泵10和第一中間容器11組成，上覆外載控制系統通過高壓管線與上腔體12連接，測試運行時由上覆外載控制系統通過高壓管線向上腔體12中注入液體驅動自由滑動活塞13下行對被測試件9施加上覆正應力。圍壓加載系統由第二增壓泵14和第二中間容器15組成，圍壓加載系統系統通過高壓管線與被測試件9外部環形腔體圍壓室16連接，測試運行時由圍壓加載系統通過向環形腔體中注入液體對被測試件9施加橫向外載，確保橫向外載均勻。使被測試件9始終處於均勻受載狀態。橫向外載可連續恆定施加，亦可持續動態施加。測試過程可根據需要通過第二增壓泵14控制橫向外載，保證提供環形腔體對被測試件9施加均勻的外載。變形測定系統由變形傳感器17、信號轉換器18和信號檢測儀19組成，變形傳感器17設置16個，參閱圖2、圖3，16個變形傳感器均布被測試件9的側端與頂端，形成16個傳·感觸點，測定試件的16個區域點的變形大小。測試運行時，隨被測試件9不斷變形，變形傳感器17多點記錄並接收變形信號，信號實時傳至信號轉換器18，信號轉換器18將接收到的模擬信號轉化為數位訊號，傳輸至信號檢測儀19。斷裂面自仿射觀測系統主要包括CXD攝像機20、體式顯微鏡21、顯微鏡觀測架22、仿真成像計算系統23，CXD攝像機20和體式顯微鏡21安裝在顯微鏡觀測架22上，仿真成像計算系統23與體式顯微鏡21連接，仿真成像計算系統23由計算機內安裝圖像計算軟體構成。本發明設計方案中的斷裂壁面自仿射成像計算系統主要是被測試件9經上述實施過程結束，經處理獲得斷裂壁面，經CXD攝像機20、體式顯微鏡21、顯微鏡觀測架22、仿真成像計算系統23獲得斷裂壁面特徵並計算得到斷裂壁面分形維數，建立不同分形砂粒分布與斷裂壁面分形維數關係。本發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，經多級分選篩系統進行分選，根據分選系統分別篩選出不同粒徑的支撐劑顆粒，分選後支撐劑顆粒根據方案設計由外輸系統經不同的輸送通道輸送至摻混系統中，攪拌後壓裂液輸送至被測試件9中，並通過增壓系統實施壓裂。其中橫向外載控制系統平衡被測試件9的橫向外載，上覆外載控制系統對被壓試件施加上覆外載，被測試件9在橫向外載控制系統、上覆外載控制系統和摻混液壓裂聯合控制下，形成對被測試件9的橫向加載、上覆加載與壓裂破裂動作。應變傳感器17測量並記錄被測試件9的變形信號，將信號傳輸至信號轉換器18轉換為數位訊號，信號檢測儀19處理並存儲被測試件的變形數據。卸載被測試件9，將被測試件斷裂壁面置於斷裂壁面自仿射成像計算系統中，通過斷裂壁面自仿射成像計算系統確定被測試件9的斷裂壁面分形維數。本發明具體工作方法為
第一步通過支撐劑顆粒多級分形分選裝置選取不同尺寸支撐劑顆粒篩網孔徑，形成具有分形特徵的支撐劑顆粒粒度分布，其中第一級支撐劑顆粒直徑滿足
;第二級顆粒直徑滿足=;第三級顆粒直徑滿足
權利要求
1.一種研究壓裂液配製及巖體斷裂分形特徵測定裝置，其特徵在於這種研究壓裂液配製及巖體斷裂分形特徵測定裝置由支撐劑顆粒多級分形分選裝置、摻混系統、被測試件測定系統、斷裂面自仿射觀測系統依次連接構成，支撐劑顆粒多級分形分選裝置包括支撐劑顆粒裝載容器(I)、多級分形分選震動篩(3)、分選顆粒容器(2)，分選顆粒容器(2)內設置多級分形分選震動篩(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)連接設有多級出口(4 )，每級出口分別外接顆粒輸送管線；摻混系統包括摻混容器(5)、自動攪拌器、壓裂液容器(6)、過濾裝置(8)，自動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);被壓試件測定系統包括測試容器(24)、上覆外載控制系統、圍壓加載系統、變形測定系統，被測試件(9)安裝在測試容器(24)中，壓裂管柱(7)置於被測試件(9)的中心，被測試件(9)與測試容器之間是環形的圍壓室(16)，被測試件(9)上端是上覆外載加壓腔，上覆外載加壓腔被滑動活塞(13)分隔為上、下二個腔體；上覆外載控制系統連接到上覆外載加壓腔的上腔體(12)，圍壓加載系統連接到圍壓室(16);變形測定系統由變形傳感器(17)、信號轉換器(18)和信號檢測儀(19)組成，變形傳感器(17)安裝在被測試件(9)外表面；斷裂面自仿射觀測系統主要包括CXD攝像機(20 )、體式顯微鏡(21)、顯微鏡觀測架(22 )、仿真成像計算系統(23 )，CXD攝像機(20)和體式顯微鏡(21)安裝在顯微鏡觀測架(22)上，仿真成像計算系統(23)與體式顯微鏡(21)連接。
2.根據權利要求I所述的研究壓裂液配製及巖體斷裂分形特徵測定裝置，其特徵在於所述的上覆外載控制系統由第一增壓泵(10)和第一中間容器(11)組成，上覆外載控制系統通過高壓管線與上腔體(12)連接。
3.根據權利要求I或2所述的研究壓裂液配製及巖體斷裂分形特徵測定裝置，其特徵在於所述的圍壓加載系統由第二增壓泵(14)和第二中間容器(15)組成，圍壓加載系統系統通過高壓管線與圍壓室(16)連接。
全文摘要
本發明涉及的是研究壓裂液配製及巖體斷裂分形特徵測定裝置，這種研究壓裂液配製及巖體斷裂分形特徵測定裝置由支撐劑顆粒多級分形分選裝置、摻混系統、被壓試件測定系統、斷裂面自仿射觀測系統依次連接構成，支撐劑顆粒多級分形分選裝置的分選顆粒容器內設置多級分形分選震動篩，分選顆粒容器連接設有多級出口，每級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；被壓試件測定系統包括測試容器、上覆外載控制系統、圍壓加載系統、變形測定系統，被壓試件安裝在測試容器中，壓裂管柱置於被測試件的中心；斷裂面自仿射觀測系統主要包括CCD攝像機、體式顯微鏡、顯微鏡觀測架、仿真成像計算系統。本發明模擬現場多級壓裂過程，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係以及粒徑與斷裂開度的關係。
文檔編號G01N33/24GK102749436SQ201210255350
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月24日 優先權日2012年7月24日
發明者付曉飛, 張立剛, 李士斌, 王婷婷, 艾池, 趙萬春 申請人:東北石油大學