压裂作业模拟实时监测系统及其模拟测试方法与流程

本发明属于油井固井技术领域，尤其涉及一种压裂作业模拟实时监测系统及其模拟测试方法。

背景技术：

压裂是油田增产、增注，保持油田稳产的一项重要工艺技术。它利用液体传导压力的性能，在地面利用高压泵组，将压裂液泵入井中，在井底憋起超过油层的地应力和岩石抗张强度的高压，从而形成裂缝，改变了油液的流动方式，降低了渗透阻力，可起到增产增注的作用。因此，研究油层裂缝形成和扩展规律很有意义。目前在对压裂裂缝的监测方面，传统的方法都有一定的局限性，尤其是在裂缝的直观观测和实时观测上。比如现有的将试样劈开来观测裂缝的观测方法，不仅会对试样裂缝产生破坏，影响实验结果的准确性，而且只能观测几个断面的裂缝形状。现有的方法大多是在裂缝形成后，再去观测，实时性差，实验结果对裂缝的预测指导作用差。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种结构简单、便于操控、可以实时、直观、准确地监测压裂作业裂缝形成过程的压裂作业模拟实时监测系统及其模拟测试方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：压裂作业模拟实时监测系统，包括压裂作业模拟装置、压裂实时扫描装置和压裂作业实时三维显示装置；

压裂作业模拟装置包括底板、试样容器、压紧块、盖板、压裂管、压裂液储存桶、液压泵、液压泵驱动电机和压裂液输送管路，试样容器为顶部敞口的圆筒形结构，试样容器由透明材料制成，压紧块设在盖板下表面，压紧块呈圆柱形结构，压紧块的圆周开设有凹槽，凹槽内设有与试样容器顶部内壁密封配合的密封圈，盖板与试样容器顶部通过卡扣连接；压紧块和盖板中心对应开设有通孔，压裂管插设在通孔内且压裂管外壁与通孔内壁密封连接，压裂管底部设有堵板，堵板和压裂管上均开设有位于试样容器内的透液孔；液压泵驱动电机的动力输出端与液压泵的动力输入端连接，液压泵的进液口通过进液管与压裂液存储桶连接，液压泵的出液口童压裂液输送管路与压裂管上端连接，压裂管上设有位于盖板上方的压力表；

压裂实时扫描装置包括导柱、导向筒、螺纹杆、升降块、升降驱动电机、减速器和扫描仪，导柱垂直固定设在底板上并位于试样容器左侧，导向筒滑动套设在导柱上，升降块固定设在导向筒侧部，减速器设在导柱上端，升降驱动电机设在减速器上并与减速器的动力输入端传动连接，升降块沿垂直方向设有螺纹孔，螺纹杆插设并螺纹连接在螺纹孔内，螺纹杆上端与减速器的动力输出端传动连接，扫描仪外形呈圆环形结构，扫描仪套设在试样容器外部，扫描仪内的X光线发射头和X光线检测传感器朝向试样容器且沿圆周方向匀速运动，扫描仪左侧部与升降块固定连接；

压裂作业实时三维显示装置包括工作桌，工作桌下设有数据处理计算机，工作桌的桌面上放置有分别与数据处理计算机连接的键鼠、控制按钮和显示器；

压力表、液压泵驱动电机、升降驱动电机以及扫描仪上的X光线发射头和X光线检测传感器分别通过数据信号线与数据处理计算机连接。

导向筒的前侧和后侧分别通过一个连接杆与扫描仪前侧和后侧固定连接。

底板四周设有防护框架。

扫描仪包括呈圆环形的壳体，壳体内设置有变频器、变频电机、蜗杆、蜗轮、端面轴承、滚珠轴承和所述的X光线发射头及X光线检测传感器，变频电机与变频器通过控制线连接，变频器通过数据线与数据处理计算机连接，壳体内具有圆环形的安装腔，端面轴承设置在安装腔底部，蜗轮设置在端面轴承下表面，滚珠轴承的外圈与蜗轮内壁过盈配合，滚珠轴承的内圈与壳体内壁下部过盈配合，变频电机通过蜗杆与蜗轮传动连接，X光线发射头和X光线检测传感器安装在蜗轮的上端面上，X光线发射头和X光线检测传感器位于涡轮某一直径的相对两侧，壳体内壁上设有与X光线发射头及X光线检测传感器同高度的环形透明窗。

压裂作业模拟实时监测系统的模拟测试方法，包括以下步骤：

（1）将盖板、压紧块和压裂管取下，把试样放置到试样容器内，使压紧块塞到试样容器内，密封圈与试样容器内壁紧密贴合，上盖板与试样容器上端外侧通过卡扣连接；

（2）操作控制按钮，启动液压泵驱动电机，液压泵工作，将压裂液从压裂液储存桶内抽出，依次压裂液输送管路、压裂管和压裂管上的透液孔输送到试样容器内模拟压裂作业；

（3）操作控制按钮，同时启动扫描仪和升降驱动电机，扫描仪中的X光线发射头和X光线检测传感器做圆周运动，升降驱动电机通过减速器驱动螺纹杆旋转，与螺纹杆螺纹连接的升降块带动导向筒沿导柱向上或向下移动，扫描仪也随之上下移动，变频电机通过蜗杆驱动蜗轮转动，蜗轮在滚珠轴承的限定下转动，端面轴承起到限定蜗轮轴向位置的作用，蜗轮带动X光线发射头和X光线检测传感器做圆周运动，X光线发射头和X光线检测传感器的圆周运动和整个扫描仪的上下运动相互配合通过透明窗对试样容器内的试样进行螺旋扫描，扫描数据经数据信号线传输给数据处理计算机，数据处理计算机将数据处理后绘成三维图像显示在显示器上。

在模拟测试之前，在压裂液储存桶内添加适量及合适的造影剂，提高压裂液在压裂过程中试样成分的对比度，提高x光线扫描的精细程度，提高裂缝可探测性，提高模型准确度。

步骤（3）在操作过程中，根据压力表的监测值，对升降驱动电机的转速以及X光线发射头和X光线检测传感器的圆周运动速度进行适当调整，以改变螺旋扫描的螺距及扫描速率。

采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用x光线对试样进行螺旋扫描，扫描速度快，扫描全面。

2、本发明采用的压裂液与实际压裂作业成分相同，煤块试样经煤块试样加压块进行加压，更好的贴近实际压裂作业工况，也可根据需要在压裂液中加入适量、合适的造影剂，形成对比度更好的图像，压裂模拟结果更加准确。

3、本发明利用多台高性能的计算机，对扫描仪数据进行高速存储和处理，为研究压裂裂缝的形成和扩展规律提供更为全面、准确的实验数据，经特殊算法，螺旋扫描结果进行初步处理，形成二维图像，再进行叠加形成三维图像，可快速形成三维动画，直观的、实时的监测压裂裂缝的形成和扩展。

综上所述，本发明将x光线螺旋扫描成像原理用于监测压裂模拟作业，原理科学，实时性强，可实时监测压裂作业过程中裂缝的形成和扩展，提高压裂模拟实验结果对实际作业的指导作用，为实际压裂作业裂缝的形成和扩展提供预测依据。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是图1中底板上各部件的立面剖视图；

图3是扫描仪的内部结构示意图。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明的压裂作业模拟实时监测系统，包括压裂作业模拟装置、压裂实时扫描装置和压裂作业实时三维显示装置。

压裂作业模拟装置包括底板1、试样容器2、压紧块3、盖板4、压裂管5、压裂液储存桶6、液压泵7、液压泵驱动电机8和压裂液输送管路（图中未示意出来），试样容器2为顶部敞口的圆筒形结构，试样容器2由透明材料制成，压紧块3设在盖板4下表面，压紧块3呈圆柱形结构，压紧块3的圆周开设有凹槽，凹槽内设有与试样容器2顶部内壁密封配合的密封圈，盖板4与试样容器2顶部通过卡扣连接；压紧块3和盖板4中心对应开设有通孔，压裂管5插设在通孔内且压裂管5外壁与通孔内壁密封连接，压裂管5底部设有堵板9，堵板9和压裂管5上均开设有位于试样容器2内的透液孔；液压泵驱动电机8的动力输出端与液压泵7的动力输入端连接，液压泵7的进液口通过进液管与压裂液存储桶6连接，液压泵7的出液口童压裂液输送管路与压裂管5上端连接，压裂管5上设有位于盖板4上方的压力表（图中未示意出来）。

压裂实时扫描装置包括导柱10、导向筒11、螺纹杆12、升降块13、升降驱动电机14、减速器15和扫描仪16，导柱10垂直固定设在底板1上并位于试样容器2左侧，导向筒11滑动套设在导柱10上，升降块13固定设在导向筒11侧部，减速器15设在导柱10上端，升降驱动电机14设在减速器15上并与减速器15的动力输入端传动连接，升降块13沿垂直方向设有螺纹孔，螺纹杆12插设并螺纹连接在螺纹孔内，螺纹杆12上端与减速器15的动力输出端传动连接，扫描仪16外形呈圆环形结构，扫描仪16套设在试样容器2外部，扫描仪16内的X光线发射头31和X光线检测传感器32朝向试样容器2且沿圆周方向匀速运动，扫描仪16左侧部与升降块13固定连接。

压裂作业实时三维显示装置包括工作桌17，工作桌17下设有数据处理计算机18，工作桌17的桌面上放置有分别与数据处理计算机18连接的键鼠19、控制按钮20和显示器21。

压力表、液压泵驱动电机8、升降驱动电机14以及扫描仪16上的X光线发射头31和X光线检测传感器32分别通过数据信号线与数据处理计算机18连接。

导向筒11的前侧和后侧分别通过一个连接杆22与扫描仪16前侧和后侧固定连接，由于扫描仪16是悬臂设置，因此设置两个连接杆22可确保扫描仪16内的X光线发射头31和X光线检测传感器32圆周运动的轨道保持水平。

底板1四周设有防护框架23，防护框架23保护底板1上设置的部件不易被触碰损坏。

扫描仪16包括呈圆环形的壳体24，壳体24内设置有变频器25、变频电机26、蜗杆27、蜗轮28、端面轴承29、滚珠轴承30和所述的X光线发射头31及X光线检测传感器32，变频电机26与变频器25通过控制线连接，变频器25通过数据线与数据处理计算机18连接，壳体24内具有圆环形的安装腔，端面轴承29设置在安装腔底部，蜗轮28设置在端面轴承29下表面，滚珠轴承30的外圈与蜗轮28内壁过盈配合，滚珠轴承30的内圈与壳体24内壁下部过盈配合，变频电机26通过蜗杆27与蜗轮28传动连接，X光线发射头31和X光线检测传感器32安装在蜗轮28的上端面上，X光线发射头31和X光线检测传感器32位于涡轮某一直径的相对两侧，壳体24内壁上设有与X光线发射头31及X光线检测传感器32同高度的环形透明窗。

压裂作业模拟实时监测系统的模拟测试方法，包括以下步骤：

（1）将盖板4、压紧块3和压裂管5取下，把试样放置到试样容器2内，使压紧块3塞到试样容器2内，密封圈与试样容器2内壁紧密贴合，上盖板4与试样容器2上端外侧通过卡扣连接；

（2）操作控制按钮20，启动液压泵驱动电机8，液压泵7工作，将压裂液从压裂液储存桶6内抽出，依次压裂液输送管路、压裂管5和压裂管5上的透液孔输送到试样容器2内模拟压裂作业；

（3）操作控制按钮20，同时启动扫描仪16和升降驱动电机14，扫描仪16中的X光线发射头31和X光线检测传感器32做圆周运动，升降驱动电机14通过减速器15驱动螺纹杆12旋转，与螺纹杆12螺纹连接的升降块13带动导向筒11沿导柱10向上或向下移动，扫描仪16也随之上下移动，变频电机26通过蜗杆27驱动蜗轮28转动，蜗轮28在滚珠轴承30的限定下转动，端面轴承29起到限定蜗轮28轴向位置的作用，蜗轮28带动X光线发射头31和X光线检测传感器32做圆周运动，X光线发射头31和X光线检测传感器32的圆周运动和整个扫描仪16的上下运动相互配合通过透明窗对试样容器2内的试样进行螺旋扫描，扫描数据经数据信号线传输给数据处理计算机18，数据处理计算机18将数据处理后绘成三维图像显示在显示器21上。

在模拟测试之前，在压裂液储存桶6内添加适量及合适的造影剂，提高压裂液在压裂过程中试样成分的对比度，提高x光线扫描的精细程度，提高裂缝可探测性，提高模型准确度。

步骤（3）在操作过程中，根据压力表的监测值，对升降驱动电机14的转速以及X光线发射头31和X光线检测传感器32的圆周运动速度进行适当调整，以改变螺旋扫描的螺距及扫描速率。X光线发射头31和X光线检测传感器32的圆周运动速度通过变频器25来改变变频电机26的转速实现。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。