一种围压水力压裂实验装置及其使用方法
【专利摘要】本发明公开了一种围压水力压裂实验装置及其使用方法，涉及试样，包括围压装置、采集所述试样的事件发生时与事件有关信息的采集装置；所述围压装置包括承压轴、端盖、与所述端盖形成密封空间的腔体、排气阀、第一、第二、第三注水阀、真空泵、压力变送器、水泵、注水管；所述采集装置包括声发射传感器、声音接收器、应力应变片、应力应变仪。本发明克服现有技术无法对裂缝定位的不足，避免传统基于连续力学方法的人为影响；通过利用声发射原理、应力、应变效应，能够较为真实的获取压裂过程参数，尤其能定位出破裂位置，记录破裂释放出的波形和频率等系列特征，模拟不同围压条件下、不同煤岩样水力压裂的相关参数变化及破裂规律。
【专利说明】一种围压水力压裂实验装置及其使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种围压水力压裂实验装置及其使用方法。
【背景技术】
[0002]水力致裂技术最早应用在石油工程来提高贫油井的产量，逐渐成为测定深部地层原地应力的最可靠方法之一。在地热资源的开发、核废料的储存等领域也得到了重要应用。因此，水力压裂技术具有重要工业价值和经济效益。
[0003]水力压裂中的破裂压力是使地层产生水力裂缝或张开原有裂缝时井底流体压力，而破裂压力梯度是指破裂压力和深度的比值称之为破裂压力梯度，地层破裂压力是确定井下管柱、井下工具、井口装置压力极限的主要依据；根据破裂压力可以确定压裂施工时的最高地面泵压、泵注排量以及需用设备功率。目前地层破裂压力较高，是因为地层地应力大；非均匀性弱，高温高压下塑性强，泊松比大；地层渗透性低；高渗透和非渗透层间的破裂压力差值可达30%以上；地层塑性大，可变形性强，不易压裂。
[0004]在水力压裂中，水力裂缝起裂从点源开始，逐步连接成线源缝，井筒周围裂缝起裂可能是多条缝，在裂缝延伸过程中逐步形成一条主缝，地层破裂形成裂缝，首先要克服地应力及岩石的抗张强度。一般来说，岩石的抗张强度比抗压强度低得多，而且由于节理或天然裂缝的作用，在一些地层破裂的模式中，也采用岩石抗张强度为零的假说。裂缝的延伸是指岩石破裂形成裂缝后，在缝内液体压力作用下继续向前扩展的过程，主要研究侧向与垂向上的延伸，它的延伸平面总是垂直于最小主地应力方向，也即沿着最大主地应力方向。地层破裂在近井筒地带形成裂缝的几何形态是较复杂的，也可能是多条缝。随着裂缝的延伸，逐渐形成一条主缝，在天然裂缝发育等条件下，将会出现多裂缝。裂缝的延伸压力是指扩展裂缝所需要的压力，一般低于破裂压力，但有些天然裂缝发育的地层，地层破裂压力并不明显。
[0005]在中国专利申请号:201010612685中公开了一种煤岩钻孔水力致裂实验装置，包括样品装置系统、围压系统、致裂系统、封闭系统和监测系统，样品装置系统包括样品缸，样品缸内的底部设有筛筒，筛筒底部设有出水管，筛筒上方的样品缸内盛装有样品，样品内设有模拟钻孔；围压系统包括充气子系统和充水子系统，致裂系统包括致裂高压水泵，致裂高压水泵的出水口通过致裂管路与所述模拟钻孔相连通；封闭系统包括样品缸密封装置和实验缸密封装置；监测系统包括设在样品缸外壁上的声发射传感器。该技术方案可以在实验室进行模拟实验，查明煤矿井下本煤层钻孔水力压裂过程裂缝起裂、扩展、延伸变化规律，了解裂缝延伸方向，进而指导现场压裂，从而大大提高压裂效果。但是，预测得到的裂缝延伸压力往往与实测数值有很大差距，这是由于该技术方案不能对裂缝进行准确定位，也不能进行应力、应变效应的分析，设计模型的一些假设条件，并不一定符合实际的地层条件，所以该实验装置还有待进一步改进。
【发明内容】
[0006]针对上述问题，本发明提供了一种能够在不同围压下对不同煤岩样进行注水压破裂模拟实验，并在实验中有效地观察水力裂缝形态和位置的装置及其使用方法，即一种围压水力压裂实验装置及其使用方法。
[0007]为了解决上述问题，本发明提供的技术方案为:
[0008]一种围压水力压裂实验装置，涉及试样，包括围压装置、采集所述试样的事件发生时与事件有关信息的采集装置；所述围压装置包括承压轴、端盖、与所述端盖形成密封空间的腔体、排气阀、第一、第二、第三注水阀、真空泵、压力变送器、水泵、注水管；所述承压轴穿过所述端盖并深入所述腔体中，所述排气阀与所述腔体内部连通，所述注水管一端插入所述试样中，另一端与所述第二注水阀相连，所述第二注水阀的另一端与所述真空泵管道连接，所述压力变送器一端与真空泵管道连接，另一端与所述第一注水阀管道连接，所述第三注水阀与所述腔体内部连通，所述第一注水阀、第三注水阀均与所述水泵管道连接；所述采集装置包括声发射传感器、声音接收器、应力应变片、应力应变仪，所述声发射传感器、应力应变片安装在所述试样表面，所述声发射传感器与所述声音接收器电连接，所述应力应变片与所述应力应变仪电连接。通过利用声发射原理、应力、应变效应，能够较为试样真实的压裂过程，尤其能定位出破裂位置，记录破裂释放出的波形和频率等系列特征，模拟不同围压条件下、不同煤岩样水力压裂的相关参数变化及破裂规律。
[0009]优选的，所述注水管为金属管。
[0010]优选的，所述金属管为铜管。
[0011]优选的，所述水泵为柱塞计量泵；柱塞计量泵的流量可从百分之零到百分之百动态调节；脉冲小，工作平稳。
[0012]优选的，所述试样为地层的煤岩试样。
[0013]优选的，所述腔体上设有放水阀，便于将腔体内水放掉，从而继续下一组实验，
[0014]优选的，所述腔体为透明腔体，便于在腔体外进行观察。
[0015]优选的，所述采集装置还包括设在腔体外的摄像机，通过摄像机记录试样破裂时的有关信息，能够检测到试样压裂图像。
[0016]优选的，所述围压水力压裂实验装置的使用方法，
[0017](I)在试样表面安装声发射传感器、应力应变片，将试样放入腔体中，并且将注水管的插头插进试样中；
[0018](2)盖上端盖，将承压轴穿过端盖压住煤岩试样；
[0019](3)关闭第一注水阀、排气阀，打开第二注水阀，启动真空泵抽气；
[0020](4)抽气毕，关闭第二注水阀和真空泵，打开第三注水阀、启动水泵向腔体中注水；注水过程中通过排气阀排出多余气体；
[0021](5)达到预定试验压力后停止水泵，关闭第三注水阀；
[0022](6)通过承压轴对试样施加不同的轴向力；同时打开第一、第二注水阀，向试样中注水，直至试样破裂；压力变送器在向煤岩试样中注水时开启，实时测试注水压力；
[0023](7)试样破裂时,声发射传感器和应力应变片发出相应信号,声音接收器和应力应变仪接收信号后进行处理，获取压裂过程参数，摄像机获得试样压裂图像。
[0024]优选的，清除注水管、与所述第二注水阀、真空泵相连的管道中的水分后再进行步骤⑶。[0025]与现有技术相比，本发明的有益效果为:
[0026]本发明克服现有技术无法对裂缝定位的不足，避免传统基于连续力学方法的人为影响；通过利用声发射原理、应力、应变效应，能够较为真实的获取压裂过程参数，尤其能定位出破裂位置，记录破裂释放出的波形和频率等系列特征，模拟不同围压条件下、不同煤岩样水力压裂的相关参数变化及破裂规律；能够模拟不同围压、能够测试不同围压情况下注水压裂煤岩破裂规律、能够测试不同围压情况下注水压裂煤岩的压力门槛值、能够测试不同围压情况下注水压裂缺陷煤岩的破裂规律。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为本发明结构示意图。
[0028]图中:1、承压轴，2、端盖，3、腔体，4、排气阀，5、第一注水阀，6、第二注水阀，7、真空泵，8、压力变送器，9、柱塞计量泵，10、第三注水阀，11、试样，12、铜管，13、声发射传感器，14、应力应变片，15、放水阀，16、摄像机，17、水源，18、声音接收器，19、应力应变仪。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图对本发明做进一步说明:
[0030]结合图1，本发明的一种围压水力压裂实验装置，涉及试样11，试样11为地层的煤岩试样；包括围压装置、采集试样11的事件发生时与事件有关信息的采集装置；围压装置包括承压轴1、端盖2、与端盖2形成密封空间的透明腔体3、排气阀4、第一、第二、第三注水阀、真空泵7、压力变送器8、柱塞计量泵9、第三注水阀10、铜管12 ;承压轴I穿过端盖2并深入腔体3中，排气阀4与腔体3内部连通，铜管12 —端插入试样11中，另一端与第二注水阀6相连，第二注水阀6的另一端与真空泵7管道连接，压力变送器8 一端与真空泵7管道连接，另一端与第一注水阀5管道连接，围压注水阀10与腔体3内部连通，第一注水阀5、第三注水阀10均与柱塞计量泵9管道连接；采集装置包括声发射传感器13、声音接收器18、应力应变片14、应力应变仪19，声发射传感器13、应力应变片14安装在试样11表面，声发射传感器13与声音接收器18电连接，进行信号传输；应力应变片14与应力应变仪19电连接，进行信号传输；腔体3上设有放水阀15，腔体3外的摄像机16 ;柱塞计量泵9与水源17连接；透明腔体3便于观察、记录，摄像机16记录试样破裂时的有关信息。
[0031]本装置的使用方法，
[0032](I)在试样11表面安装声发射传感器13、应力应变片14，将试样11放入腔体3中，并且将铜管12的插头插进试样11中；
[0033](2)盖上端盖2，将承压轴I穿过端盖2压住煤岩试样11 ;
[0034](3)清除铜管12、与第二注水阀6、真空泵7相连的管道中的水分，关闭第一注水阀
5、排气阀4，打开第二注水阀6，启动真空泵7抽气；
[0035](4)抽气毕，关闭第二注水阀6和真空泵7，打开第三注水阀10、启动柱塞计量泵9向腔体3中注水；注水过程中通过排气阀4排出多余气体；
[0036](5)达到预定试验压力后停止柱塞计量泵9，关闭第三注水阀10 ；
[0037](6)通过承压轴I对试样11施加不同的轴向力；同时打开第一、第二注水阀，向试样11中注水，直至试样破裂；压力变送器8在向煤岩试样11中注水时开启，实时测试注水压力；
[0038](7)试样破裂时，声发射传感器13和应力应变片14发出相应信号，声音接收器18和应力应变仪19接收信号后进行处理，获取压裂过程参数，摄像机16获得试样压裂图像。
[0039]当然，也可以利用气体或油物来代替水，同样可以实现施加围压目的。
[0040]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1.一种围压水力压裂实验装置，其特征在于:涉及试样，包括围压装置、采集所述试样的事件发生时与事件有关信息的采集装置；所述围压装置包括承压轴、端盖、与所述端盖形成密封空间的腔体、排气阀、第一、第二、第三注水阀、真空泵、压力变送器、水泵、注水管；所述承压轴穿过所述端盖并深入所述腔体中，所述排气阀与所述腔体内部连通，所述注水管一端插入所述试样中，另一端与所述第二注水阀相连，所述第二注水阀的另一端与所述真空泵管道连接，所述压力变送器一端与真空泵管道连接，另一端与所述第一注水阀管道连接，所述第三注水阀与所述腔体内部连通，所述第一注水阀、第三注水阀均与所述水泵管道连接；所述采集装置包括声发射传感器、声音接收器、应力应变片、应力应变仪，所述声发射传感器、应力应变片安装在所述试样表面，所述声发射传感器与所述声音接收器电连接，所述应力应变片与所述应力应变仪电连接。
2.根据权利要求1所述的围压水力压裂实验装置，其特征在于:所述注水管为金属管。
3.根据权利要求2所述的围压水力压裂实验装置，其特征在于:所述金属管为铜管。
4.根据权利要求1所述的围压水力压裂实验装置，其特征在于:所述水泵为柱塞计量栗。
5.根据权利要求1所述的围压水力压裂实验装置，其特征在于:所述试样为地层的煤U-4JAi石试梓。
6.根据权利要求1所述的围压水力压裂实验装置，其特征在于:所述腔体上设有放水阀。
7.根据权利要求1所述的围压水力压裂实验装置，其特征在于:所述腔体为透明腔体。
8.根据权利要求7所述的围压水力压裂实验装置，其特征在于:所述采集装置还包括设在腔体外的摄像机。
9.根据权利要求8所述的围压水力压裂实验装置的使用方法，其特征在于: (1)在所述试样表面安装所述声发射传感器、应力应变片，将试样放入所述腔体中，并且将所述注水管的插头插进试样中； (2)盖上所述端盖，将所述承压轴穿过所述端盖压住试样； (3)关闭所述第一注水阀、排气阀，打开所述第二注水阀，启动所述真空泵抽气； (4)抽气毕，关闭所述第二注水阀、真空泵，打开所述第三注水阀、启动所述水泵向腔体中注水；注水过程中通过所述排气阀排出多余气体； (5)达到预定试验压力后停止所述水泵，关闭所述第三注水阀； (6)通过所述承压轴对试样施加不同的轴向力；同时打开所述第一、第二注水阀，向所述试样中注水，直至所述试样破裂；所述压力变送器在向试样中注水时开启，实时测试注水压力； (7)试样破裂时，所述声发射传感器和所述应力应变片发出相应信号，所述声音接收器、应力应变仪接收信号后进行处理，获取压裂过程参数，所述摄像机获得试样压裂图像。
10.根据权利要求9所述的围压水力压裂实验装置的使用方法，其特征在于:清除注水管、与所述第二注水阀、真空泵相连的管道中的水分后再进行步骤(3)。
【文档编号】E21B43/26GK104005747SQ201410209791
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月17日 优先权日:2014年5月17日
【发明者】成云海, 马衍坤, 朱萌萌, 巩华刚, 王维德, 孙建, 田厚强, 吴振虎, 成琦 申请人:成云海