一种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置与试验方法
【技术领域】
[0001]本发明一种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置与试验方法，属于岩石及岩体力学与工程技术领域范畴。通过对煤岩试件多相态不同压裂介质条件下的压裂试验以进行多相不同流体对其压裂效果的对比分析，同时可研究多种压裂参数，如压裂介质增压速率、压裂介质的粘度、等温压缩系数及压裂介质温度等对试件压裂效果的影响，以深入研究压裂机理，探究影响压裂效果的主要因素，为压裂开采提供理论依据。
【背景技术】
[0002]在经济迅速发展的今天，煤层气、页岩气等非常规天然气作为常规能源的有效补充能源，表现出巨大的资源潜能，且我国该类型资源十分丰富，发展前景广阔；开发该类型资源过程中，压裂技术是提高煤岩渗透性及油气产出率的有效途径;涉及到各种压裂介质或各种相态介质的压裂装置的中国发明专利主要有:安徽理工大学的“一种柱状煤体三向应力下水力压裂实验装置及方法”(CN 104832148 A)、重庆地质矿产研究院的“一种脉冲水力压裂改造页岩气储层的实验装置及方法”(CN 103196762 A)、西安科技大学的“煤层液态二氧化碳压裂装置及方法”(CN 104632174 A)、重庆大学的“超临界二氧化碳压裂方法及系统”(CN 103244095 A)、中国石油大学(北京)的“超临界二氧化碳磨料射流射孔模拟实验系统”(CN 103742075 A)、重庆大学的“储层渗透介质多相流体压裂-渗流气液分离式实验系统”(CN 104132881 A)等;通过压裂介质对非常规天然气储层进行压裂达到增产目的的技术可统称为注能压裂技术，而压裂介质可包括不同物质及其多种相态，但目前缺乏较为系统的科学研究，相关压裂机理并不完善，并且相关方面系统的比较实验研究不够充分或只是停留在理论层次的数值仿真模拟，对多相态不同流体及其多种条件下的压裂试验研究不够系统，缺少一种实现模拟地层应力温度下的多相态不同压裂介质多条件实验装置，其中不同介质多相态压裂实验可包括:多种气体压裂、高温高压蒸汽压裂、水力压裂、超临界态压裂等。
[0003]现有的实验装置主要存在以下不足:I)进行的压裂实验装置多数只能进行单一水相或单一气体的压裂实验，不能满足多相态不同流体及其多条件下对煤岩试件压裂比较实验研究；2)进行的压裂实验所考虑影响压裂效果的因素很不充分，尤其气相及超临界相态介质条件下的压裂试验没有深入分析诸如压裂流体加压速率、压裂流体粘度、压裂流体等温增压系数等参数对压裂效果的影响;3)进行的压裂实验过程中对于起裂前后压裂介质温度及压力、煤岩试件的轴向即径向应变状况、压裂过程中的声发射事件等缺乏精确度高的记录。
[0004]因此、研制一种科学、高效、可靠、精准的煤岩多相不同流体及其多条件下压裂试验装置，比较多相态不同流体及其多种条件下对煤岩试件压裂效果，对压裂技术的应用及推广具有重要意义。
【发明内容】
[0005]本发明一种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置与试验方法，目的在于克服传统试验中压裂介质条件单一难以进行压裂效果比较的缺陷与不足，根据煤岩体在多相态不同压裂介质及其多种试验条件下的破坏特性的不同，公开一种能够真正意义上实现多相流体压裂介质及其多条件下对一定地下深度及温度矿物煤岩体的直观、高效、可靠的三轴压裂试验装置与试验方法。
[0006]一种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置，其特征在于是一种可模拟多相态不同压裂介质及其多种试验条件下煤岩试件的压裂的试验装置，该装置由三轴应力实时加载系统、多相不同流体压裂系统、密封系统、温度控制系统、声发射监测系统及数据采集系统六大系统组成，其所述的三轴应力实时加载系统是指三轴压力室，三轴压力室端部设置有轴向压力室，轴向压力室中设置有传压柱，在传压柱端部设置有可替换式上压头12，上压头12中部设置有压裂管11，压裂管11直接与含中心孔的煤岩试件19密封连接，三轴压力室内底部设置有下压头15，下压头15中部设置有排液口，三轴压力室外部设置有加压柱塞栗24，加压柱塞栗24外部管线上设置有径向压力传感器25与轴向压力传感器26，加压柱塞栗24将液压油经径向压力传感器25及轴向压力传感器26进行压力控制调节后，由轴向压力室上设置的轴向进油口 17压入轴向压力室，通过所述的传压柱与上压头12对煤岩试件19传递轴向压力，由三轴压力室上设置的径向进油口 21压入径向压力室直接对密封的煤岩试件19实施径向压力，轴向压力室外部还设置有轴向位移传感器16，对煤岩试件19进行轴向位移监测，煤岩试件19中部设置有链式径向位移传感器14，对试件进行径向位移监测;所述的多相不同流体压裂系统包括气相压裂系统、液相压裂系统和超临界态压裂系统，其中气相压裂系统包括CO2储气罐1、N2储气罐2和其它气体储气罐3，所述的各种储气罐通过压力控制阀依次与设置的制冷器5、压裂介质储罐6与增温增压集成装置7进行连接，制冷器5与增温增压集成装置7中的增温部分对压裂气体进行温度调节，通过增温增压集成装置7中的增压部分提高气体压力后，直接与压裂管11连接，对与压裂管11密封连接的煤岩试件19进行气相压裂，压裂管11设置有直接与其相连的压裂介质压力传感器9与伸入其内部的热电偶18，对压裂过程中的流体压力及温度进行精确监测；其中液相压裂系统是指储液罐4，储液罐4通过压力控制阀依次与设置的制冷器5、压裂介质储罐6和增温增压集成装置7进行连接，其实验过程及装置连接方式与上述气相压裂过程一致;超临界态压裂系统是指超临界态CO2储气罐I，CO2储气罐通过压力控制阀依次与设置的制冷器5、压裂介质储罐6和增温增压集成装置7进行连接，打开CO2储气罐I，C02流经所述的增温增压集成装置7中的增压部分将CO2气体压力提高至大于7.38MPa，经所述的增温增压集成装置7中的增温部分将CO2气体温度提高至大于31.1°C，由此产生高压超临界CO2经与所述的增温增压集成装置7相连的压裂管11对煤岩试件19进行压裂，压裂管11设置有直接与其相连的压裂介质压力传感器9与伸入其内部的热电偶18对压裂过程中的流体压力及温度进行精确监测;所述的密封系统是指耐高温密封胶27，利用所述的高温密封胶27将所述的压裂管11中上部分与煤岩试件19预留压裂口进行密封，将上述密封后的试件19的上、下端面与所述的上压头12及下压头15对齐，利用电工胶带自下而上螺旋式的将煤岩试件19的上压头12及下压头15固定，将与所述上压头12及下压头15固定的试件19套入热缩套管13，在所述的热缩套管13的上下端部用金属箍10固定，再将该密封整体置于所述的三轴压力室内与液压油隔绝;所述的温度控制系统包括制冷装置
5、增温增压集成装置7和加热保温套22，多相不同压裂介质经过依次与储罐相连的制冷装置5进行低温控制及增温增压集成装置7中的增温部分进行加热控制，三轴压力室周围设置有加热保温套22，通过加热保温套22对三轴压力室进行加热，通过三轴压力室内高温液压油将温度传递给煤岩试件19进行模拟地层温度控制;所述的声发射监测系统，包括声发射传感器20和声发射处理装置，压裂实验前，将所述的声发射传感器20分别与煤岩试件19的上、下端面粘结，置于所述的上压头12及下压头15上预留的声发射传感器布置孔中，利用声发射仪监测煤岩试件19的声发射变化，并进行三维声发射定位，用来监测煤岩试件19内部裂纹的起裂和扩展演化参数;所述的数据采集系统，是将压裂介质压力传感器9通过数据线与计算机29联接，以实时显示试验过程中压裂介质压力的变化，所述的热电偶18通过数据线与所述的计算机29联接，以实时显示实验过程中压裂介质温度的变化，所述的径向位移传感器14及轴向位移传感器16通过数据线与所述的计算机29联接，以实时显示实验过程中煤岩试件19的径向及轴向应变，所述的径向压力传感器25及轴向压力传感器26通过数据线与所述的计算机29联接，以实时显示控制径向及轴向压力，所述的流量计28通过数据线与所述的计算机29联接，以实时记录实验过程中压裂流体的排出量，在上述实时采集数据过程的同时还可生成压力加载过程动态曲线、温度变化动态曲线、压裂过程动态曲线、孔隙压力变化动态曲线和试件19内部压力变化动态曲线以便进行控制并能够予以输出。
[0007]上述一种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置，其特征在于，可通过增温增压集成装置7中的加压部分改变压裂介质的增压速率，以研究增压速率对同种流体压裂煤岩试件的压裂效果的影响，及进行多相态不同流体对增压速率这一压裂参数的敏感性分析，此基础上，替换上压头12处压裂管线更替为射流碰嘴，通过加压系统控制压裂介质在高压力与大流量下实现对含中心孔煤岩试件19的多相不同流体射流压裂，以比较多相态不同流体对煤岩试件的射流压裂效果。<