頁巖原位體積壓裂試驗系統及方法
2023-05-02 11:56:21 1
頁巖原位體積壓裂試驗系統及方法
【專利摘要】本發明提供了一種頁巖原位體積壓裂試驗系統及方法，屬於頁巖氣開發【技術領域】，包括開有中心孔的立方體形的頁巖試件、用於對所述頁巖試件施加壓力的三軸加載系統、用於對所述頁巖試件注射壓裂液的體積壓裂系統以及用於採集所述頁巖試件在破裂過程中的聲音和載荷的數據監測採集系統。本頁巖原位體積壓裂試驗系統採用真實的頁巖體為試驗對象，相對於現有的系統增加了帶有柔性液壓囊的三軸加載系統，能夠真實地模擬頁巖氣開發過程中頁巖層所受到的應力，以便人們獲得更準確的頁巖破裂的相關技術數據，有效解決現有的研究頁巖原位體積壓裂的試驗系統及方法無法模擬真實的開採過程中頁巖層的應力狀態和破裂模式的問題。
【專利說明】頁巖原位體積壓裂試驗系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及頁巖氣開採【技術領域】，具體而言，涉及頁巖原位體積壓裂試驗系統及方法。
【背景技術】
[0002]頁巖氣，是從頁巖層中開採出來的一種非常規天然氣資源，是一種非常重要的清潔能源。目前國際上開採頁巖氣常用的技術為體積壓裂技術。但是，現有的研究頁巖原位體積壓裂的試驗系統及方法基本都是以水泥、細沙以及玻璃片等混合成的物理模型為壓力試件，無法模擬真實的開採過程中頁巖層的應力狀態和破裂模式。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在於提供頁巖原位體積壓裂試驗系統及方法，以解決現有的研究頁巖原位體積壓裂的試驗系統及方法無法模擬真實的開採過程中頁巖層的應力狀態和破裂模式的問題。
[0004]本發明是這樣實現的:
[0005]本頁巖原位體積壓裂試驗系統包括開有中心孔的立方體形的頁巖試件、用於對頁巖試件施加壓力的三軸加載系統、用於對頁巖試件注射壓裂液的體積壓裂系統以及用於採集頁巖試件在破裂過程中的聲音和載荷的數據監測採集系統。三軸加載系統包括多個軸向施壓於頁巖試件的液壓千斤頂和側向施壓於頁巖試件的柔性液壓囊，液壓千斤頂和柔性液壓囊均外接有液壓源。體積壓裂系統包括依次連接的注液管和注塞泵，注液管的輸出口伸入中心孔，注塞泵外接有壓裂液源。數據監測採集系統包括聲發射探頭、壓力傳感器以及微機控制器，聲發射探頭和壓力傳感器分別與微機控制器連接。
[0006]進一步地，三軸加載系統包括外接有液壓源的液壓箱，多個液壓千斤頂均設置於液壓箱上。液壓箱可以高效及時地為多個液壓千斤頂提供液壓油。
[0007]進一步地，頁巖原位體積壓裂試驗系統位於硐室內部，包括用於穩定整個系統的支撐裝置。支撐裝置包括上支撐柱、右支撐柱、主支撐柱以及副支撐柱。上支撐柱一端抵住所述液壓箱上部，另一端抵住硐室頂壁；右支撐柱一端抵住液壓箱右部，另一端抵住硐室右側壁；主支撐柱和副支撐柱均一端抵住液壓箱下部，另一端抵住硐室地面。主支撐柱和副支撐柱用於承載整個實驗系統的重量，右支撐柱用於為液壓千斤頂提供反作用力，上支撐柱用於保證整個實驗系統的受力平衡。
[0008]進一步地，壓力傳感器有5個，其中I個設置於頁巖試件的中心孔內，其餘4個分別設置於頁巖試件側向的4個面上。這5個壓力傳感器可以全面有效地檢測實驗過程中頁巖試件所受到的應力值，並反饋給數據採集監測系統。
[0009]進一步地，多個液壓千斤頂連接有直接對頁巖試件施壓的立方體形的柔性加載板。柔性加載板能使多個液壓千斤頂提供的力均勻地施加於頁巖試件上，以便使實驗效果最優化。
[0010]進一步地，聲發射探頭有7個，其中3個設置於柔性加載板軸向的施壓於頁巖試件的面上，其餘4個分別設置於柔性加載板側向的4個面上。這7個聲發射探頭可以全面地監測試驗過程中頁巖試件發出的聲音信號，並反饋給數據採集監測系統。
[0011]進一步地，柔性加載板與頁巖試件之間設置有用於密封的墊圈和環氧樹脂膠結層，墊圈和環氧樹脂膠結層均開有與頁巖試件的中心孔匹配的孔。墊圈和環氧樹脂膠結層的設置對中心孔具有良好的密封效果，並且可以防止液壓千斤頂在施力時對頁巖試件造成非實驗目的物理性破壞。
[0012]進一步地，多個柔性液壓囊之間設置有封隔柱，以防止多個柔性液壓囊之間相互幹涉，影響應力模擬效果。
[0013]進一步地，液壓千斤頂和柔性液壓囊均連接有液壓控制器，以實現三軸加載系統的自動化運轉。
[0014]本頁巖原位體積壓裂試驗系統採用真實的頁巖體為試驗對象，相對於現有的系統增加了帶有柔性液壓囊的三軸加載系統，能夠真實地模擬頁巖氣開發過程中頁巖層所受到的應力，以便人們獲得更準確的頁巖破裂的相關技術數據，有效解決現有的研究頁巖原位體積壓裂的試驗系統及方法無法模擬真實的開採過程中頁巖層的應力狀態和破裂模式的問題。
[0015]本基於上述的頁巖原位體積壓裂試驗系統的頁巖原位體積壓裂試驗方法包括以下步驟:
[0016]SPl:利用方形排鑽方式取樣，鑽取立方體形的頁巖試件，試件尺寸1000mmX 1000mmX 1000mm 或者 500mmX 500mmX 500mm,中心壓裂孔尺寸為 Φ 30mmX 600mm或者Φ 15mmX 300mm,頁巖試件的側壁和中心孔壁打磨光滑。
[0017]SP2:在可移動的儲液車中製作壓裂液，這種製作方式能夠滿足不同實驗場地的需要，而且受外界影響小。
[0018]SP3:多個液壓囊分別與液壓管連接，然後平整放入方形試件的四周，並在多個液壓囊之間設置封隔柱，以防止側向加載的時候四個液壓囊相互幹涉影響。
[0019]SP4:將注液管放入頁巖的中心孔中，然後用固化劑密封住中心孔，並且套上環氧樹脂膠結層，讓注液管的埠與頁巖試件的表面黏貼牢固，達到密封效果。
[0020]SP5:安裝主支撐柱和副支撐柱，然後安裝液壓箱以及右支撐柱，然後將注液管與注塞泵連接，並在加載板中預留聲發射探頭的安裝位置，並與微機控制器連接，然後安裝上支撐柱。
[0021]SP6:將多個壓力傳感器安裝好，並與微機控制器連接。
[0022]SP7:開啟聲發射採集功能，並檢查各個聲發射探頭接觸是否良好，然後設置聲發射相關參數，包括門檻、波速、採樣率、傳感器的三維空間位置等。
[0023]SP8:利用三軸加載系統給頁巖試件施加初始壓力，系統穩定後，依據頁巖儲層的實際的應力給頁巖試件施加軸向和側向壓力。
[0024]SP9:啟動微機控制器，設定好壓裂液的工作壓力和注入流速。啟動注塞泵，依據微機控制器的設置，向頁巖試件的中心孔注射壓裂液，微機控制器記錄模擬頁巖試件內部各個部分的壓力變化和聲發射信號。
[0025]SPlO:當壓力計顯示的壓力值不再增加，即達到壓力最大值，此壓力值即為介質的破裂壓力，停止注塞泵工作，完成頁巖原位體積壓裂實驗實施。
[0026]SPll:實驗結束後，觀察頁巖試件的中心孔的破裂特徵與方向，並拍照記錄，分析和處理監測得到的壓力數據、聲發射信號以及反應壓裂情況的參數。
[0027]本頁巖原位體積壓裂試驗方法能夠高效真實的模擬檢測出真實頁巖氣開發過程中頁巖的破裂情況和規律，有效加快頁巖氣開發技術的發展。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1為本發明實施例提供的頁巖原位體積壓裂試驗系統的結構示意圖；
[0029]圖2為本發明實施例提供的體積壓裂系統的結構示意圖；
[0030]圖3為本發明實施例提供的頁巖試件的被施壓示意圖；
[0031]圖4為通過方形排鑽方式取得的頁巖試件的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0032]下面通過具體的實施例子並結合附圖對本發明做進一步的詳細描述。
[0033]參閱圖1-4，本頁巖原位體積壓裂試驗系統包括開有中心孔160的立方體形的頁巖試件250、用於對頁巖試件250施加壓力的三軸加載系統、用於對頁巖試件250注射壓裂液的體積壓裂系統以及用於採集頁巖試件250在破裂過程中的聲音和載荷的數據監測採集系統。三軸加載系統包括9個軸向施壓於頁巖試件250的液壓千斤頂120和4個側向施壓於頁巖試件250的柔性液壓囊170，液壓千斤頂120和柔性液壓囊170均外接有液壓源220。體積壓裂系統包括依次連接的注液管330和注塞泵300，注液管330的輸出口伸入中心孔160，注塞泵300外接有壓裂液源230。數據監測採集系統包括聲發射探頭180、壓力傳感器270以及微機控制器240，聲發射探頭180和壓力傳感器270分別與微機控制器240連接。
[0034]三軸加載系統包括外接有液壓源220的液壓箱110，9個液壓千斤頂120均設置於液壓箱110上。液壓箱110可以高效及時地為9個液壓千斤頂120提供液壓油。
[0035]頁巖原位體積壓裂試驗系統位於硐室內部，包括用於穩定整個系統的支撐裝置。支撐裝置包括上支撐柱210、右支撐柱200、主支撐柱190以及副支撐柱195。上支撐柱210一端抵住所述液壓箱110上部，另一端抵住硐室頂壁；右支撐柱200 —端抵住液壓箱110右部，另一端抵住硐室右側壁；主支撐柱190和副支撐柱195均一端抵住液壓箱110下部，另一端抵住硐室地面。主支撐柱190和副支撐柱195用於承載整個實驗系統的重量，右支撐柱200用於為液壓千斤頂120提供反作用力，上支撐柱210用於保證整個實驗系統的受力平衡。
[0036]壓力傳感器270有5個，其中I個設置於頁巖試件250的中心孔160內，其餘4個分別設置於頁巖試件250側向的4個面上。這5個壓力傳感器270可以全面有效地檢測實驗過程中頁巖試件250所受到的應力值，並反饋給數據採集監測系統。
[0037]9個液壓千斤頂120連接有直接對頁巖試件250施壓的立方體形的柔性加載板130。柔性加載板130能使9個液壓千斤頂120提供的力均勻地施加於頁巖試件250上，以便使實驗效果最優化。
[0038]聲發射探頭180有7個，其中3個設置於柔性加載板130軸向的施壓於頁巖試件250的面上，其餘4個分別設置於柔性加載板130側向的4個面上。這7個聲發射探頭180可以全面地監測試驗過程中頁巖試件250發出的聲音信號，並反饋給數據採集監測系統。
[0039]柔性加載板130與頁巖試件250之間設置有用於密封的墊圈150和環氧樹脂膠結層140，墊圈150和環氧樹脂膠結層140均開有與頁巖試件250的中心孔160匹配的孔。墊圈150和環氧樹脂膠結層140的設置對中心孔160具有良好的密封效果，並且可以防止液壓千斤頂120在施力時對頁巖試件250造成非實驗目的物理性破壞。
[0040]4個柔性液壓囊170之間設置有封隔柱260，以防止4個柔性液壓囊170之間相互幹涉，影響應力模擬效果。
[0041]9個液壓千斤頂120和4個柔性液壓囊170均連接有液壓控制器280，以實現三軸加載系統的自動化運轉。
[0042]注塞泵300連接有伺服增壓器290，伺服增壓器290與壓裂液源230連接。以便控制壓裂液的注射壓力，達到實驗要求。
[0043]聲發射探頭180和微機控制器240之間設置有信號放大器，以便微機控制器240更好地接收頁巖試件250破裂過程中發出聲音信號。
[0044]注液管330上設置有壓力計310和流量計320，以便監控注液管330內壓裂液的壓力值和流量值。
[0045]本頁巖原位體積壓裂試驗系統採用真實的頁巖體為試驗對象，相對於現有的系統增加了帶有柔性液壓囊170的三軸加載系統，能夠真實地模擬頁巖氣開發過程中頁巖層所受到的應力，以便人們獲得更準確的頁巖破裂的相關技術數據，有效解決現有的研究頁巖原位體積壓裂的試驗系統及方法無法模擬真實的開採過程中頁巖層的應力狀態和破裂模式的問題。
[0046]本基於上述的頁巖原位體積壓裂試驗系統的頁巖原位體積壓裂試驗方法包括以下步驟:
[0047]SPl:利用方形排鑽方式取樣，鑽取立方體形的頁巖試件250，試件尺寸1000mmX 1000mmX 1000mm 或者 500mmX 500mmX 500mm,中心壓裂孔尺寸為 Φ 30mmX 600mm或者Φ 15mmX300mm，頁巖試件250的側壁和中心孔160壁打磨光滑。
[0048]SP2:在可移動的儲液車中製作壓裂液以作為壓裂液源，這種方式能夠滿足不同實驗場地的需要，而且受外界影響小。
[0049]SP3:4個柔性液壓囊170分別與液壓管連接，然後平整放入方形試件的四周，並在4個柔性液壓囊170之間設置封隔柱260，以防止側向加載的時候四個柔性液壓囊170相互幹涉影響。
[0050]SP4:將注液管330放入頁巖的中心孔160中，然後用固化劑密封住中心孔160，並且套上環氧樹脂膠結層140，讓注液管330的埠與頁巖試件250的表面黏貼牢固，達到密封效果。
[0051]SP5:安裝主支撐柱190和副支撐柱195，然後安裝液壓箱110以及右支撐柱200，然後將注液管330與注塞泵300連接，並在加載板中預留聲發射探頭180的安裝位置，並與微機控制器240連接，然後安裝上支撐柱210。
[0052]SP6:將多個壓力傳感器270安裝好，並與微機控制器240連接。
[0053]SP7:開啟聲發射採集功能，並檢查各個聲發射探頭180接觸是否良好，然後設置聲發射相關參數，包括門檻、波速、採樣率、傳感器的三維空間位置等。
[0054]SP8:利用三軸加載系統給頁巖試件250施加初始壓力，系統穩定後，依據頁巖儲層的實際的應力給頁巖試件250施加軸向和側向壓力。
[0055]SP9:啟動微機控制器240，設定好壓裂液的工作壓力和注入流速，啟動注塞泵300，依據微機控制器240的設置，向頁巖試件250的中心孔160注射壓裂液，微機控制器240記錄模擬頁巖試件250內部各個部分的壓力變化和聲發射信號。
[0056]SPlO:當壓力計310顯示的壓力值不再增加，即達到壓力最大值，此壓力值即為介質的破裂壓力，停止注塞泵300工作，完成頁巖原位體積壓裂實驗實施。
[0057]SPll:實驗結束後，觀察頁巖試件250的中心孔160的破裂特徵與方向，並拍照記錄，分析和處理監測得到的壓力數據、聲發射信號以及反應壓裂情況的參數。
[0058]本頁巖原位體積壓裂試驗方法能夠高效真實的模擬檢測出真實頁巖氣開發過程中頁巖的破裂情況和規律，有效加快頁巖氣開發技術的發展。
[0059]當然，本頁巖原位體積壓裂試驗方法中的方形排鑽取樣也可以用圓形排孔取樣。
[0060]以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種頁巖原位體積壓裂試驗系統，其特徵在於，包括開有中心孔的立方體形的頁巖試件、用於對所述頁巖試件施加壓力的三軸加載系統、用於對所述頁巖試件注射壓裂液的體積壓裂系統以及用於採集所述頁巖試件在破裂過程中的聲音和載荷的數據監測採集系統，所述三軸加載系統包括多個軸向施壓於所述頁巖試件的液壓千斤頂和側向施壓於所述頁巖試件的柔性液壓囊，所述液壓千斤頂和柔性液壓囊均外接有液壓源，所述體積壓裂系統包括依次連接的注液管和注塞泵，所述注液管的輸出口伸入所述中心孔，所述注塞泵外接有壓裂液源，所述數據監測採集系統包括聲發射探頭、壓力傳感器以及微機控制器，所述聲發射探頭和壓力傳感器分別與微機控制器連接。
2.根據權利要求1所述的頁巖原位體積壓裂試驗系統，其特徵在於，所述三軸加載系統包括外接有液壓源的液壓箱，多個液壓千斤頂均設置於所述液壓箱上。
3.根據權利要求2所述的頁巖原位體積壓裂試驗系統，其特徵在於，所述頁巖原位體積壓裂試驗系統位於硐室內部，包括用於穩定整個系統的支撐裝置，所述支撐裝置包括上支撐柱、右支撐柱、主支撐柱以及副支撐柱，所述上支撐柱一端抵住所述液壓箱上部，另一端抵住硐室頂壁，所述右支撐柱一端抵住液壓箱右部，另一端抵住硐室右側壁，所述主支撐柱和副支撐柱均一端抵住液壓箱下部，另一端抵住硐室地面。
4.根據權利要求1所述的頁巖原位體積壓裂試驗系統，其特徵在於，所述壓力傳感器有5個，其中I個設置於所述頁巖試件的中心孔內，其餘4個分別設置於所述頁巖試件側向的4個面上。
5.根據權利要求1所述的頁巖原位體積壓裂試驗系統，其特徵在於，多個液壓千斤頂連接有直接對所述頁巖試件施壓的立方體形的柔性加載板。
6.根據權利要求5所述的頁巖原位體積壓裂試驗系統，其特徵在於，所述聲發射探頭有7個，其中3個設置於所述柔性加載板軸向的施壓於所述頁巖試件的面上，其餘4個分別設置於所述柔性加載板側向的4個面上。
7.根據權利要求5所述的頁巖原位體積壓裂試驗系統，其特徵在於，所述柔性加載板與所述頁巖試件之間設置有用於密封的墊圈和環氧樹脂膠結層，所述墊圈和環氧樹脂膠結層均開有與所述頁巖試件的中心孔匹配的孔。
8.根據權利要求1所述的頁巖原位體積壓裂試驗系統，其特徵在於，多個柔性液壓囊之間設置有封隔柱。
9.根據權利要求1所述的頁巖原位體積壓裂試驗系統，其特徵在於，所述液壓千斤頂和所述柔性液壓囊均連接有液壓控制器。
10.一種基於權利要求1-9中任一項所述的頁巖原位體積壓裂試驗系統的頁巖原位體積壓裂試驗方法，其特徵在於，包括以下步驟: SPl:利用方形排鑽方式取樣，鑽取立方體形的頁巖試件，試件尺寸1000mm X 1000mm X 1000mm 或者 500mmX 500mmX 500mm,中心壓裂孔尺寸為 Φ 30mmX 600mm或者Φ 15mmX 300mm,頁巖試件的側壁和中心孔壁打磨光滑； SP2:在可移動的儲液車中製作壓裂液； SP3:多個液壓囊分別與液壓管連接，然後平整放入方形試件的四周，並在多個液壓囊之間設置封隔柱； SP4:將注液管放入頁巖的中心孔中，然後用固化劑密封住中心孔，並且套上環氧樹脂膠結層，讓注液管的埠與頁巖試件的表面黏貼牢固，達到密封效果； SP5:安裝主支撐柱和副支撐柱，然後安裝液壓箱以及右支撐柱，然後將注液管與注塞泵連接，並在加載板中預留聲發射探頭的安裝位置，並與微機控制器連接，然後安裝上支撐柱； SP6:將多個壓力傳感器安裝好，並與微機控制器連接； SP7:開啟聲發射採集功能，並檢查各個聲發射探頭接觸是否良好，然後設置聲發射相關參數，包括門檻、波速、採樣率、傳感器的三維空間位置等； SP8:利用三軸加載系統給頁巖試件施加初始壓力，系統穩定後，依據頁巖儲層的實際的應力給頁巖試件施加軸向和側向壓力； SP9:啟動微機控制器，設定好壓裂液的工作壓力和注入流速，啟動注塞泵，依據微機控制器的設置，向頁巖試件的中心孔注射壓裂液，微機控制器記錄模擬頁巖試件內部各個部分的壓力變化和聲發射信號； SPlO:當壓力計顯示的壓力值不再增加，即達到壓力最大值，此壓力值即為介質的破裂壓力，停止注塞泵工作，完成頁巖原位體積壓裂實驗實施； SPll:實驗結束後，觀察頁巖試件的中心孔的破裂特徵與方向，並拍照記錄，分析和處理監測得到的壓力數據、聲發射信號以及反應壓裂情況的參數。
【文檔編號】G01N3/10GK104132850SQ201410371569
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月30日 優先權日:2014年7月30日
【發明者】劉大安, 王洪建, 李曉 申請人:中國科學院地質與地球物理研究所