壓裂作業模擬實時監測系統及其模擬測試方法與流程
2023-12-12 23:39:57 3
本發明屬於油井固井技術領域，尤其涉及一種壓裂作業模擬實時監測系統及其模擬測試方法。
背景技術：
壓裂是油田增產、增注，保持油田穩產的一項重要工藝技術。它利用液體傳導壓力的性能，在地面利用高壓泵組，將壓裂液泵入井中，在井底憋起超過油層的地應力和巖石抗張強度的高壓，從而形成裂縫，改變了油液的流動方式，降低了滲透阻力，可起到增產增注的作用。因此，研究油層裂縫形成和擴展規律很有意義。目前在對壓裂裂縫的監測方面，傳統的方法都有一定的局限性，尤其是在裂縫的直觀觀測和實時觀測上。比如現有的將試樣劈開來觀測裂縫的觀測方法，不僅會對試樣裂縫產生破壞，影響實驗結果的準確性，而且只能觀測幾個斷面的裂縫形狀。現有的方法大多是在裂縫形成後，再去觀測，實時性差，實驗結果對裂縫的預測指導作用差。
技術實現要素：
本發明為了解決現有技術中的不足之處，提供一種結構簡單、便於操控、可以實時、直觀、準確地監測壓裂作業裂縫形成過程的壓裂作業模擬實時監測系統及其模擬測試方法。
為解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案：壓裂作業模擬實時監測系統，包括壓裂作業模擬裝置、壓裂實時掃描裝置和壓裂作業實時三維顯示裝置；
壓裂作業模擬裝置包括底板、試樣容器、壓緊塊、蓋板、壓裂管、壓裂液儲存桶、液壓泵、液壓泵驅動電機和壓裂液輸送管路，試樣容器為頂部敞口的圓筒形結構，試樣容器由透明材料製成，壓緊塊設在蓋板下表面，壓緊塊呈圓柱形結構，壓緊塊的圓周開設有凹槽，凹槽內設有與試樣容器頂部內壁密封配合的密封圈，蓋板與試樣容器頂部通過卡扣連接；壓緊塊和蓋板中心對應開設有通孔，壓裂管插設在通孔內且壓裂管外壁與通孔內壁密封連接，壓裂管底部設有堵板，堵板和壓裂管上均開設有位於試樣容器內的透液孔；液壓泵驅動電機的動力輸出端與液壓泵的動力輸入端連接，液壓泵的進液口通過進液管與壓裂液存儲桶連接，液壓泵的出液口童壓裂液輸送管路與壓裂管上端連接，壓裂管上設有位於蓋板上方的壓力表；
壓裂實時掃描裝置包括導柱、導向筒、螺紋杆、升降塊、升降驅動電機、減速器和掃描儀，導柱垂直固定設在底板上並位於試樣容器左側，導向筒滑動套設在導柱上，升降塊固定設在導向筒側部，減速器設在導柱上端，升降驅動電機設在減速器上並與減速器的動力輸入端傳動連接，升降塊沿垂直方向設有螺紋孔，螺紋杆插設並螺紋連接在螺紋孔內，螺紋杆上端與減速器的動力輸出端傳動連接，掃描儀外形呈圓環形結構，掃描儀套設在試樣容器外部，掃描儀內的X光線發射頭和X光線檢測傳感器朝向試樣容器且沿圓周方向勻速運動，掃描儀左側部與升降塊固定連接；
壓裂作業實時三維顯示裝置包括工作桌，工作桌下設有數據處理計算機，工作桌的桌面上放置有分別與數據處理計算機連接的鍵鼠、控制按鈕和顯示器；
壓力表、液壓泵驅動電機、升降驅動電機以及掃描儀上的X光線發射頭和X光線檢測傳感器分別通過數據信號線與數據處理計算機連接。
導向筒的前側和後側分別通過一個連接杆與掃描儀前側和後側固定連接。
底板四周設有防護框架。
掃描儀包括呈圓環形的殼體，殼體內設置有變頻器、變頻電機、蝸杆、蝸輪、端面軸承、滾珠軸承和所述的X光線發射頭及X光線檢測傳感器，變頻電機與變頻器通過控制線連接，變頻器通過數據線與數據處理計算機連接，殼體內具有圓環形的安裝腔，端面軸承設置在安裝腔底部，蝸輪設置在端面軸承下表面，滾珠軸承的外圈與蝸輪內壁過盈配合，滾珠軸承的內圈與殼體內壁下部過盈配合，變頻電機通過蝸杆與蝸輪傳動連接，X光線發射頭和X光線檢測傳感器安裝在蝸輪的上端面上，X光線發射頭和X光線檢測傳感器位於渦輪某一直徑的相對兩側，殼體內壁上設有與X光線發射頭及X光線檢測傳感器同高度的環形透明窗。
壓裂作業模擬實時監測系統的模擬測試方法，包括以下步驟：
（1）將蓋板、壓緊塊和壓裂管取下，把試樣放置到試樣容器內，使壓緊塊塞到試樣容器內，密封圈與試樣容器內壁緊密貼合，上蓋板與試樣容器上端外側通過卡扣連接；
（2）操作控制按鈕，啟動液壓泵驅動電機，液壓泵工作，將壓裂液從壓裂液儲存桶內抽出，依次壓裂液輸送管路、壓裂管和壓裂管上的透液孔輸送到試樣容器內模擬壓裂作業；
（3）操作控制按鈕，同時啟動掃描儀和升降驅動電機，掃描儀中的X光線發射頭和X光線檢測傳感器做圓周運動，升降驅動電機通過減速器驅動螺紋杆旋轉，與螺紋杆螺紋連接的升降塊帶動導向筒沿導柱向上或向下移動，掃描儀也隨之上下移動，變頻電機通過蝸杆驅動蝸輪轉動，蝸輪在滾珠軸承的限定下轉動，端面軸承起到限定蝸輪軸向位置的作用，蝸輪帶動X光線發射頭和X光線檢測傳感器做圓周運動，X光線發射頭和X光線檢測傳感器的圓周運動和整個掃描儀的上下運動相互配合通過透明窗對試樣容器內的試樣進行螺旋掃描，掃描數據經數據信號線傳輸給數據處理計算機，數據處理計算機將數據處理後繪成三維圖像顯示在顯示器上。
在模擬測試之前，在壓裂液儲存桶內添加適量及合適的造影劑，提高壓裂液在壓裂過程中試樣成分的對比度，提高x光線掃描的精細程度，提高裂縫可探測性，提高模型準確度。
步驟（3）在操作過程中，根據壓力表的監測值，對升降驅動電機的轉速以及X光線發射頭和X光線檢測傳感器的圓周運動速度進行適當調整，以改變螺旋掃描的螺距及掃描速率。
採用上述技術方案，與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
1、本發明採用x光線對試樣進行螺旋掃描，掃描速度快，掃描全面。
2、本發明採用的壓裂液與實際壓裂作業成分相同，煤塊試樣經煤塊試樣加壓塊進行加壓，更好的貼近實際壓裂作業工況，也可根據需要在壓裂液中加入適量、合適的造影劑，形成對比度更好的圖像，壓裂模擬結果更加準確。
3、本發明利用多臺高性能的計算機，對掃描儀數據進行高速存儲和處理，為研究壓裂裂縫的形成和擴展規律提供更為全面、準確的實驗數據，經特殊算法，螺旋掃描結果進行初步處理，形成二維圖像，再進行疊加形成三維圖像，可快速形成三維動畫，直觀的、實時的監測壓裂裂縫的形成和擴展。
綜上所述，本發明將x光線螺旋掃描成像原理用於監測壓裂模擬作業，原理科學，實時性強，可實時監測壓裂作業過程中裂縫的形成和擴展，提高壓裂模擬實驗結果對實際作業的指導作用，為實際壓裂作業裂縫的形成和擴展提供預測依據。
附圖說明
圖1是本發明的整體結構示意圖；
圖2是圖1中底板上各部件的立面剖視圖；
圖3是掃描儀的內部結構示意圖。
具體實施方式
如圖1、圖2和圖3所示，本發明的壓裂作業模擬實時監測系統，包括壓裂作業模擬裝置、壓裂實時掃描裝置和壓裂作業實時三維顯示裝置。
壓裂作業模擬裝置包括底板1、試樣容器2、壓緊塊3、蓋板4、壓裂管5、壓裂液儲存桶6、液壓泵7、液壓泵驅動電機8和壓裂液輸送管路（圖中未示意出來），試樣容器2為頂部敞口的圓筒形結構，試樣容器2由透明材料製成，壓緊塊3設在蓋板4下表面，壓緊塊3呈圓柱形結構，壓緊塊3的圓周開設有凹槽，凹槽內設有與試樣容器2頂部內壁密封配合的密封圈，蓋板4與試樣容器2頂部通過卡扣連接；壓緊塊3和蓋板4中心對應開設有通孔，壓裂管5插設在通孔內且壓裂管5外壁與通孔內壁密封連接，壓裂管5底部設有堵板9，堵板9和壓裂管5上均開設有位於試樣容器2內的透液孔；液壓泵驅動電機8的動力輸出端與液壓泵7的動力輸入端連接，液壓泵7的進液口通過進液管與壓裂液存儲桶6連接，液壓泵7的出液口童壓裂液輸送管路與壓裂管5上端連接，壓裂管5上設有位於蓋板4上方的壓力表（圖中未示意出來）。
壓裂實時掃描裝置包括導柱10、導向筒11、螺紋杆12、升降塊13、升降驅動電機14、減速器15和掃描儀16，導柱10垂直固定設在底板1上並位於試樣容器2左側，導向筒11滑動套設在導柱10上，升降塊13固定設在導向筒11側部，減速器15設在導柱10上端，升降驅動電機14設在減速器15上並與減速器15的動力輸入端傳動連接，升降塊13沿垂直方向設有螺紋孔，螺紋杆12插設並螺紋連接在螺紋孔內，螺紋杆12上端與減速器15的動力輸出端傳動連接，掃描儀16外形呈圓環形結構，掃描儀16套設在試樣容器2外部，掃描儀16內的X光線發射頭31和X光線檢測傳感器32朝向試樣容器2且沿圓周方向勻速運動，掃描儀16左側部與升降塊13固定連接。
壓裂作業實時三維顯示裝置包括工作桌17，工作桌17下設有數據處理計算機18，工作桌17的桌面上放置有分別與數據處理計算機18連接的鍵鼠19、控制按鈕20和顯示器21。
壓力表、液壓泵驅動電機8、升降驅動電機14以及掃描儀16上的X光線發射頭31和X光線檢測傳感器32分別通過數據信號線與數據處理計算機18連接。
導向筒11的前側和後側分別通過一個連接杆22與掃描儀16前側和後側固定連接，由於掃描儀16是懸臂設置，因此設置兩個連接杆22可確保掃描儀16內的X光線發射頭31和X光線檢測傳感器32圓周運動的軌道保持水平。
底板1四周設有防護框架23，防護框架23保護底板1上設置的部件不易被觸碰損壞。
掃描儀16包括呈圓環形的殼體24，殼體24內設置有變頻器25、變頻電機26、蝸杆27、蝸輪28、端面軸承29、滾珠軸承30和所述的X光線發射頭31及X光線檢測傳感器32，變頻電機26與變頻器25通過控制線連接，變頻器25通過數據線與數據處理計算機18連接，殼體24內具有圓環形的安裝腔，端面軸承29設置在安裝腔底部，蝸輪28設置在端面軸承29下表面，滾珠軸承30的外圈與蝸輪28內壁過盈配合，滾珠軸承30的內圈與殼體24內壁下部過盈配合，變頻電機26通過蝸杆27與蝸輪28傳動連接，X光線發射頭31和X光線檢測傳感器32安裝在蝸輪28的上端面上，X光線發射頭31和X光線檢測傳感器32位於渦輪某一直徑的相對兩側，殼體24內壁上設有與X光線發射頭31及X光線檢測傳感器32同高度的環形透明窗。
壓裂作業模擬實時監測系統的模擬測試方法，包括以下步驟：
（1）將蓋板4、壓緊塊3和壓裂管5取下，把試樣放置到試樣容器2內，使壓緊塊3塞到試樣容器2內，密封圈與試樣容器2內壁緊密貼合，上蓋板4與試樣容器2上端外側通過卡扣連接；
（2）操作控制按鈕20，啟動液壓泵驅動電機8，液壓泵7工作，將壓裂液從壓裂液儲存桶6內抽出，依次壓裂液輸送管路、壓裂管5和壓裂管5上的透液孔輸送到試樣容器2內模擬壓裂作業；
（3）操作控制按鈕20，同時啟動掃描儀16和升降驅動電機14，掃描儀16中的X光線發射頭31和X光線檢測傳感器32做圓周運動，升降驅動電機14通過減速器15驅動螺紋杆12旋轉，與螺紋杆12螺紋連接的升降塊13帶動導向筒11沿導柱10向上或向下移動，掃描儀16也隨之上下移動，變頻電機26通過蝸杆27驅動蝸輪28轉動，蝸輪28在滾珠軸承30的限定下轉動，端面軸承29起到限定蝸輪28軸向位置的作用，蝸輪28帶動X光線發射頭31和X光線檢測傳感器32做圓周運動，X光線發射頭31和X光線檢測傳感器32的圓周運動和整個掃描儀16的上下運動相互配合通過透明窗對試樣容器2內的試樣進行螺旋掃描，掃描數據經數據信號線傳輸給數據處理計算機18，數據處理計算機18將數據處理後繪成三維圖像顯示在顯示器21上。
在模擬測試之前，在壓裂液儲存桶6內添加適量及合適的造影劑，提高壓裂液在壓裂過程中試樣成分的對比度，提高x光線掃描的精細程度，提高裂縫可探測性，提高模型準確度。
步驟（3）在操作過程中，根據壓力表的監測值，對升降驅動電機14的轉速以及X光線發射頭31和X光線檢測傳感器32的圓周運動速度進行適當調整，以改變螺旋掃描的螺距及掃描速率。X光線發射頭31和X光線檢測傳感器32的圓周運動速度通過變頻器25來改變變頻電機26的轉速實現。
本實施例並非對本發明的形狀、材料、結構等作任何形式上的限制，凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬於本發明技術方案的保護範圍。