储层渗透介质热流固耦合多相流体压裂-渗流实验系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种储层渗透介质热流固耦合多相流体压裂-渗流实验系统，包括机架；机架的下部设置有移动小车；机架上设置有提升机构；提升机构与压力室连接；机架的中部固定有油缸；压力室包括可置于移动小车上的底盖；底盖上螺栓连接有上座；上座的上端固定有导向盖；导向盖的中心配合有压杆；压杆内沿轴向平行设置有第一水孔和第一气孔；第一水孔的下端螺纹配合有上压头；底盖的中心固定有压座；压座上固定有立柱；立柱的上端固定有下压头；压座、立柱和下压头上设置有贯通的出孔；底盖上设置有出水孔；机架固定在加热油箱上；加热油箱内设置有油温传感器、加热管和循环泵。本发明可进行的实验方式更多，实验精度更高。
【专利说明】储层渗透介质热流固耦合多相流体压裂-渗流实验系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种实验系统，特别是涉及一种用于研究非常规气体压裂-抽采联合 作用机理的实验系统。
【背景技术】
[0002] 随着经济的快速发展和人类社会的不断进步，目前规模生产并大量利用的常规能 源供应日益不能满足市场需求，在这种严峻的能源形势下，非常规天然气表现出了巨大的 资源潜力，而且我国非常规天然气资源十分丰富，发展前景广阔，非常规天然气必然会成为 未来能源供应的重要来源。非常规天然气储层渗透率是反映储层内流体渗流难易程度的物 性参数，其与储层裂隙发育特征、地质构造、地应力状态、流体压力、地温、渗透介质基质的 收缩作用、储层埋深、渗透介质结构及地电场等密切相关，而储层渗透率的大小对天然气的 储存于排采、流体压力的分布起着重要的作用。因此，对非常规天然气储层及瓦斯储层进行 开采条件下力学变形特性和渗流特性的实验研究是非常有必要的。
[0003] -般来说，非常规天然气包括致密砂岩气、煤层气、页岩气和天然气水合物等。我 国非常规天然气储量非常丰富，开发潜力巨大，然而地质条件复杂，埋藏深，开采成本高。在 开发非常规天然气的过程中，水力压裂是一项提高效率、降低成本的关键技术。目前，国内 外学者已经开始对储层的水力压裂破坏机理、裂缝扩展几何形态和裂缝延伸规律进行了一 些研究。然而，由于缺乏较为系统的科学研究，相关水力压裂机理匮乏，未能将影响压裂效 果的相关主要参数进行量化，所以该项技术在非常规天然气储层增渗领域的应用与发展受 到了一定程度的限制。
[0004] 现有的实验装置主要存在以下不足：1)所考虑的渗透率影响因素相对比较单一， 不能进行考虑应力场、渗流场、温度场等的多物理场耦合实验；2)如需测定渗透率，需取出 岩心在另外的实验设备上进行，而此时岩心因压裂而产生的裂隙会重新闭合，不能定量精 确测得原位岩心压裂前后渗透率的变化；3)所进行的渗流实验大多为单一的水相或气相 渗流实验，不能精确测量水气各自流量；4)不能测得试件内部的真空度，对于存在气体吸 附的实验来说不够精确；5)安装过程基本上靠手工搬运，不方便且过程不够稳定，对试件 有一定的影响。
[0005] 因此，建立一种科学的非常规气体压裂-渗流实验测试系统，探索水力压裂作用 下储层渗透介质的断裂损伤及增渗机理，对水力压裂的应用与推广有重要意义。
【发明内容】
[0006] 有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能精确测量 试件在多场耦合条件下压裂前后渗透率变化的压裂-渗流实验系统。
[0007] 为实现上述目的，本发明提供了一种储层渗透介质热流固耦合多相流体压裂-渗 流实验系统，包括机架；所述机架的下部设置有平行导轨；所述平行导轨上设置有移动小 车；所述机架上设置有提升机构；所述提升机构与压力室连接；所述机架的中部固定有油 缸；所述油缸的活塞上固定有位移传感器；所述活塞的伸出端固定有压力传感器；
[0008] 所述压力室包括可置于所述移动小车上的底盖；所述底盖上螺栓连接有上座；所 述上座的上端固定有导向盖；
[0009] 所述导向盖的中心配合有压杆；所述压杆内沿轴向平行设置有第一水孔和第一气 孔；所述第一水孔位于所述压杆的中心；
[0010] 所述第一水孔的下端螺纹配合有上压头；所述上压头的中心设置有与所述第一水 孔连通的第二水孔；所述上压头上设置有若干个与所述第一气孔连通的第二气孔；
[0011] 所述第二水孔的下端螺纹配合有压裂头；
[0012] 所述底盖的中心固定有压座；所述压座上固定有立柱；所述立柱的上端固定有下 压头；所述下压头面向试件一侧设置有若干第三气孔；
[0013] 所述压座、立柱和下压头上设置有贯通的出孔；所述第三气孔与所述出孔连通； 所述底盖上设置有出水孔；所述出孔的末端连接有出气出水接头；
[0014] 所述机架固定在加热油箱上；所述加热油箱内设置有油温传感器、加热管和循环 栗。
[0015] 较佳的，所述提升机构包括升降减速电机；所述升降减速电机的动力通过传动带 传递至所述机架顶部对称设置的带轮；所述带轮固定于传动丝杆上；所述传动丝杆的向所 述机架的下方延伸并与所述上座的上部固定。
[0016] 为便于操作，所述底盖上固定有定位杆；所述导向盖上设置有与所述定位杆对应 的定位孔。
[0017] 为精确测量水流量和气体流量，所述出孔与水气分离测量系统连接；所述水气分 离测量系统包括与所述出气出水接头连接的三通阀；所述三通阀同时连接有第一截止阀和 第二截止阀；所述第二截止阀与气液分离器连接；所述气液分离器同时与四通阀连接；所 述四通阀同时连接有第三截止阀；所述第三截止阀与流量计连接；所述流量计同时与数据 采集仪连接。
[0018] 为便于压力室抽真空，简化管路结构，所述四通阀还连接有第四截止阀和第五截 止阀；所述第四截止阀与真空泵连接；所述第五截止阀与真空计连接；所述真空计与所述 数据采集仪连接。
[0019] 为进一步精确实验，所述出气出水接头与所述三通阀的连接管路上连接有压力传 感器；所述压力传感器与所述数据采集仪连接。
[0020] 本发明的有益效果是：
[0021] (1)能对不同储层渗透介质进行考虑应力场、渗流场、温度场等的多物理场耦合实 验，包括三轴压缩渗流实验、水力压裂实验以及多相流体流固耦合实验。
[0022] (2)由于设计了水力压裂前后渗透率测试系统，因此可对储层渗透介质在外部应 力作用下进行水力压裂前后的渗透率进行原位精确测定。
[0023] (3)由于设计了水气分离测量系统，因此使水、气流量的分别精确测量成为可能。
[0024] (4)由于设计了真空系统，该系统可更为方便的对试件进行抽真空处理，并且对试 件内部的真空度进行了可视化处理，使实验条件更加精确。
[0025] (5)可以在试件前后端分别设计了流体压力监测传感器，从而使实验条件更加精 确。
[0026] (6)可以通过设置不同内径的导向盖，从而改变压杆的尺寸以适应不同的试件尺 寸。
[0027] (7)通过设计提升机构和移动小车，从而使安装过程基本上不用手工搬运，更加智 能化。
[0028] 总之，本发明可进行的实验方式更多，实验精度更高。
【专利附图】
【附图说明】
[0029] 图1是本发明一【具体实施方式】的结构示意图。
[0030] 图2是图1中压力室的结构示意图。
[0031] 图3是图2中I处的局部放大结构示意图。
[0032] 图4是图2中II处的局部放大结构示意图。
[0033] 图5是本发明一【具体实施方式】中出口管路结构示意图。
【具体实施方式】
[0034] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
[0035] 如图1至图5所示，一种储层渗透介质热流固耦合多相流体压裂-渗流实验系统， 包括机架1，机架1的下部设置有平行导轨2,平行导轨2上设置有移动小车3。
[0036] 机架1的中部固定有油缸6,油缸6的活塞6a上固定有位移传感器7,活塞6a的 伸出端固定有压力传感器8。
[0037] 机架1的下部设置有压力室100,压力室100包括可置于移动小车3上的底盖10， 底盖10上螺栓连接有上座11，上座11的上端固定有导向盖12。底盖10上固定有定位杆 13,导向盖12上设置有与定位杆13对应的定位孔12a。
[0038] 导向盖12的中心配合有压杆14,压杆14内沿轴向平行设置有第一水孔14a和第 一气孔14b，第一水孔14a位于压杆14的中心。
[0039] 第一水孔14a的下端螺纹配合有上压头15,上压头15的中心设置有与第一水孔 14a连通的第二水孔15a，上压头15上设置有若干个与第一气孔14b连通的第二气孔15b。
[0040] 第二水孔15a的下端螺纹配合有压裂头16。
[0041] 底盖10的中心固定有压座17,压座17上固定有立柱18,立柱18的上端固定有下 压头19,下压头19面向试件一侧设置有若干第三气孔19a。
[0042] 压座17、立柱18和下压头19上设置有贯通的出孔20,第三气孔19与出孔20连 通，底盖10上设置有出水孔9。出孔20的末端连接有出气出水接头29。
[0043] 机架1固定在加热油箱21上，加热油箱21内设置有油温传感器22、加热管23和 循环泵24。
[0044] 机架1上设置有提升机构，提升机构包括升降减速电机25,升降减速电机25的动 力通过传动带26传递至机架顶部1对称设置的带轮27。带轮27固定于传动丝杆28上，传 动丝杆28的向机架1的下方延伸并与上座11的上部固定。可在传动丝杆上设置限位挡块 4,以及在丝杆附近设置行程开关5,以便于自动控制。
[0045] 出孔20与水气分离测量系统连接。水气分离测量系统包括与出气出水接头29连 接的三通阀30,三通阀30同时连接有第一截止阀31和第二截止阀32。
[0046] 出气出水接头29与三通阀30的连接管路上连接有压力传感器42,压力传感器42 与数据采集仪37连接。
[0047] 第二截止阀32与气液分离器33连接，气液分离器33同时与四通阀34连接。
[0048] 四通阀34同时连接有第三截止阀35、第四截止阀38和第五截止阀39,第三截止 阀35与流量计36连接，流量计36同时与数据采集仪37连接。第四截止阀38与真空泵40 连接，第五截止阀39与真空计41连接，真空计41与数据采集仪37连接。
[0049] 为保证试验精度，需在系统各处可能出现气体液体渗漏处采用密封技术。
[0050] 将上述实验系统与高压气瓶、泵压伺服增压器及控制柜连接，可进行煤岩热流固 耦合压裂-渗流实验，具体步骤如下：
[0051] (1)试件制备。将从现场取得的致密砂岩、页岩、原煤或其他储层渗透介质的岩块 或煤块用塑料薄膜密封好置于大小适当的木箱内，然后用取芯机进行钻取煤芯，最后利用 磨床将取出的煤芯打磨成Φ50Χ 100mm的原岩样或原煤样，并将之置于烘箱内烘干。利用 台钻在烘干后的试件端面进行钻孔，孔径为Φ l〇mm，孔深不小于30mm。在水力压裂专用喷 嘴中上段涂抹高强度黏结剂（如AB胶）后将其放入试件孔中并适当压挤使其接触面平整， 然后放置待干。
[0052] (2)试件安装。先用704硅橡胶将试件侧面抹一层1mm的胶层，待抹上的胶层完 全干透后，将水力压裂专用喷嘴旋进压裂头16中，并将试件置于上压头15和下压头19之 间；使试件各面与压头各面对齐，将试件的外密封件先套在试件中部，用电吹风将热缩管均 匀吹紧使其与试件密实接触；用两个金属箍分别紧紧箍住热缩管与上压头和压杆、下压头 的重合部分。最后将链式径向位移传感器安装于试件的中部位置，连接好数据传输接线，试 件安装完成后将移动小车归位。
[0053] (3)装机。将三轴压力室的上座11与底盖10对位好，使用操作柜上的下降开关启 动电机25,将压力室上座11落下，安装固定压力室上沉孔中的8个M10螺钉，再固定拧紧下 端部20个M30螺钉，应先拧紧对称位置上的两个螺钉，使下盖平稳接触压力室，再拧紧其它 螺钉；连接气、水相应进、出口接头。
[0054] (4)控制温度、抽真空。使用操作柜上的上升开关将压力室100提起，移出移动小 车，使用操作柜上的下降开关将压力室落入加热油箱21中，设定实验所需温度。压力室定 位后在真空度计41表上设定实验所需真空度（如300Pa)，打开压力室上端的进气阀43和 进水阀44,启动控制柜的真空转换开关开始启动真空泵40,打开第四截止阀38和第五截止 阀39进行抽真空，当实验系统抽到目标值后关闭打开第四截止阀38、第五截止阀39、进气 阀43和进水阀44,然后停止真空泵。
[0055] (5)充气吸附平衡。根据原岩应力情况，通过计算机控制高精度伺服液压泵站，操 作油缸6动作向试件施加轴压，同时向压力室内通入压力油向试件施加围压，关闭出第一 截止阀31和第二截止阀32,打开进气阀44,调节高压甲烷钢瓶出气阀门，保持瓦斯压力一 定，向试件内充气，充气时间一般为24h。
[0056] (6)测定原始渗透率。按照制定的实验方案（即根据不同的岩石所处的原始环境 设定实验的温度、气体压力、水压或流量、轴压和围压等参数）施加相应的轴压及围压后， 打开第二截止阀32、和第三截止阀35,并关闭第一截止阀31，读取流量计36的数据，测定试 件原始渗透率。
[0057] (7)试件水力压裂。关闭进气阀44、第一截止阀31和第二截止阀32,打开进水阀 43,通过伺服增压器施加相应的水压或流量对试件进行压裂处理。
[0058] (8)测定压裂后渗透率。关闭进水阀43,打开进气阀44通入相应压力的气体，打 开第二截止阀32、和第三截止阀35,并关闭第一截止阀31，读取流量计36的数据和气液分 离器33所收集的液体流量，从而可精确测定气体流量和液体流量，以便准确测定试件压裂 后的渗透率。
[0059] (9)根据所制定的实验方案，调整实验条件。根据实验方案重复（6) - (8)步骤。
[0060] (10)进行下一轮实验。实验做完后，拆卸试件，并重复以上步骤进行下一轮实验。
[0061] 根据试验需要，可将试件制成Φ100Χ200πιπι，此时，只需更换相应内径的导向盖 12即可。
[0062] 上述实验系统的主要技术参数如下：
[0063] 1.最大轴向力：1000kN
[0064] 2.测力精度：示值的±1%
[0065] 3.测力分档：自动换档
[0066] 4.力值控制精度：示值的±0. 5% (稳压精度）
[0067] 5.活塞最大位移：60mm
[0068] 6.轴向位移精度：示值的±1%
[0069] 7.轴向控制方式：力控制、位移
[0070] 8.围压控制范围：0?60MPa(交流伺服增压缸方式）
[0071] 9.围压控制精度：示值的±1%
[0072] 10.气体流量（出口）：0 ?5L/min
[0073] 11.试件温度范围：0?100°C，温度波动：±1°C
[0074] 12.气体压力测量精度：示值的±1% (采用0· 1级压力传感器）
[0075] 13.抽真空度：6xl(T2Pa
[0076] 14.气路最大密封压力：20MPa
[0077] 15.轴向力实验控制方式：负荷、位移闭环控制，可进行无冲击转换。
[0078] 16.实验波形：静态，台阶加载，程控加载
[0079] 17.噪声：<72dB
[0080] 18.总功率：6kW
[0081] 19.主机外形尺寸（长 X 宽 X 高）：1350x960x2874mm
[0082] 20.液压站外形尺寸（长X宽X高）：65〇x6〇Ox 75〇_
[0083] 21.设备总重量：1300kg
[0084] 上述实验中，水力压裂和渗透率测试在同一设备上连续完成，因此测试渗透率时， 岩心因压裂而产生的裂隙不会重新闭合，且进行渗透率测试时可向第一气孔14b通入气 体，从而第二气孔15b向试件"面充气"，从而能定量精确测得原位岩心压裂前后渗透率的 变化；并且能够同时精确测量实验中水流量和气流量，从而提高了实验精度。
[0085] 另一方面，抽真空系统巧妙的利益了出口管路，因此可更为方便的对试件进行抽 真空处理，并且对试件内部的真空度进行了可视化处理，使实验条件更加精确。
[0086] 同时，可在甲烷钢瓶出口处设置流通压力监测传感器，与出口管路中的压力传感 器42配合使用，可使实验条件更精确。
[0087] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无 需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本【技术领域】中技术 人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的 技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
【权利要求】
1. 一种储层渗透介质热流固耦合多相流体压裂-渗流实验系统，包括机架（1);所述 机架（1)的下部设置有平行导轨（2);所述平行导轨（2)上设置有移动小车（3);所述机架 (1)上设置有提升机构（200);所述提升机构（200)与压力室（100)连接；所述机架（1)的 中部固定有油缸（6);所述油缸（6)的活塞（6a)上固定有位移传感器（7);所述活塞（6a) 的伸出端固定有压力传感器（8);其特征是： 所述压力室（100)包括可置于所述移动小车（3)上的底盖（10);所述底盖（10)上螺 栓连接有上座（11);所述上座（11)的上端固定有导向盖（12); 所述导向盖（12)的中心配合有压杆（14);所述压杆（14)内沿轴向平行设置有第一水 孔（14a)和第一气孔（14b);所述第一水孔（14a)位于所述压杆（14)的中心； 所述第一水孔（14a)的下端螺纹配合有上压头（15);所述上压头（15)的中心设置有 与所述第一水孔（14a)连通的第二水孔（15a);所述上压头（15)上设置有若干个与所述第 一气孔（14b)连通的第二气孔（15b); 所述第二水孔（15a)的下端螺纹配合有压裂头（16); 所述底盖（10)的中心固定有压座（17);所述压座（17)上固定有立柱（18);所述立 柱（18)的上端固定有下压头（19);所述下压头（19)面向试件一侧设置有若干第三气孔 (19a)； 所述压座（17)、立柱（18)和下压头（19)上设置有贯通的出孔（20);所述第三气孔 (19)与所述出孔（20)连通；所述底盖（10)上设置有出水孔（9);所述出孔（20)的末端连 接有出气出水接头（29); 所述机架（1)固定在加热油箱（21)上；所述加热油箱（21)内设置有油温传感器（22)、 加热管（23)和循环泵（24)。
2. 如权利要求1所述的储层渗透介质热流固耦合多相流体压裂-渗流实验系统，其特 征是：所述提升机构（200)包括升降减速电机（25);所述升降减速电机（25)的动力通过传 动带（26)传递至所述机架顶部（1)对称设置的带轮（27);所述带轮（27)固定于传动丝杆 (28)上；所述传动丝杆（28)的向所述机架（1)的下方延伸并与所述上座（11)的上部固定。
3. 如权利要求1所述的储层渗透介质热流固耦合多相流体压裂-渗流实验系统，其特 征是：所述底盖（10)上固定有定位杆（13);所述导向盖（12)上设置有与所述定位杆（13) 对应的定位孔（12a)。
4. 如权利要求1或2或3所述的储层渗透介质热流固耦合多相流体压裂-渗流实验 系统，其特征是：所述出孔（20)与水气分离测量系统连接；所述水气分离测量系统包括与 所述出气出水接头（29)连接的三通阀（30);所述三通阀（30)同时连接有第一截止阀（31) 和第二截止阀（32);所述第二截止阀（32)与气液分离器（33)连接；所述气液分离器（33) 同时与四通阀（34)连接；所述四通阀（34)同时连接有第三截止阀（35);所述第三截止阀 (35)与流量计（36)连接；所述流量计（36)同时与数据采集仪（37)连接。
5. 如权利要求4所述的储层渗透介质热流固耦合多相流体压裂-渗流实验系统，其 特征是：所述四通阀（34)还连接有第四截止阀（38)和第五截止阀（39);所述第四截止阀 (38)与真空泵（40)连接；所述第五截止阀（39)与真空计（41)连接；所述真空计（41)与 所述数据采集仪（37)连接。
6. 如权利要求5所述的储层渗透介质热流固耦合多相流体压裂-渗流实验系统，其特 征是：所述出气出水接头（29)与所述三通阀（30)的连接管路上连接有压力传感器（42); 所述压力传感器（42)与所述数据采集仪（37)连接。
【文档编号】G01N3/18GK104155226SQ201410356132
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2014年7月24日
【发明者】尹志光, 许江, 王维忠, 李文璞, 李铭辉, 蒋长宝, 李星, 邓博知, 彭守建, 宋真龙, 韩佩博, 康向涛 申请人:重庆大学