大尺度真三轴岩石水力压裂试验系统及方法与流程

本发明属于油气藏开采技术研究领域，具体涉及大尺度真三轴岩石水力压裂试验系统及方法。

背景技术：

水力压裂作为油气增产的主要措施之一已被广泛应用于现代石油工业中，对于低渗油气藏的生产起了重要的作用，同时水力压裂还发展为测定深部地层原地应力的最可靠方法之一。

水力裂缝的几何形态是影响压裂处理效果的主要因素之一，经济有效的压裂，应尽可能地让裂缝在储层延伸，并且防止穿透水层和低压渗透层，这就要在深刻认识裂缝扩展规律的基础上优选压裂作业参数，并采取有效措施控制裂缝的扩展。同时，深部岩体所处的应力环境三向不等压状态(即真三轴应力状态)。开展真三轴条件下岩石(如页岩、致密砂岩等)水力压裂裂纹扩展效果研究，对于提高油气藏开采效率，特别是页岩气产量具有重要的理论价值和工程实践意义。而相应的物理模拟试验系统，成为了制约真三轴应力状态下岩石水力压裂研究的关键。

在真三轴岩石水力压裂试验系统方面，与本发明相关的国内专利和文献有：《干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置及方法》(申请号：201710916807.3)、《一种含温控系统的大尺寸真三轴水力压裂实验机及其实验方法》(申请号：201711070075.7)、《页岩中裂缝扩展的物理模拟系统及方法》(申请号：201410785259.1)、《页岩气水力压裂物理模拟试验系统》(申请号：201510507333.8)、《有效围压为零条件下瓦斯对煤体力学性质影响的实验》(见《岩石力学与工程学报》2015年第12期)、《大尺寸真三轴水力压裂模拟与分析》(见《岩石力学与工程学报》2000年增刊)、《多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统的研制和应用》(见《岩石力学与工程学报》2014年增2期)等，但是，现有技术或多或少存在如下问题：(1)试件尺寸小，无法满足大尺寸或多尺度试验需求；(2)仅考虑单井压裂，而无法进行水平井两井同步或异步分段压裂；(3)主要检测了压力以及温度等信息，对岩样的变形、声发射等信息难以获取；(4)压裂液不易更换；(5)岩样装卸速度慢，试验效率低。

技术实现要素：

为克服上述现有技术不足，本发明的目的是提供一种大尺度真三轴岩石水力压裂试验系统，以实现大尺度真三轴岩石水力压裂裂纹扩展模拟与分析。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种大尺度真三轴岩石水力压裂试验系统，包括真三轴模块、液压加载模块、压裂液搅拌与注入模块、压裂井组件和数据采集与控制模块；其中：

所述真三轴模块包括一个腔体，该腔体内用于放置压裂井组件；

所述液压加载模块包括x轴液压缸、y轴液压缸、z轴液压缸，分别位于压裂井组件的x轴、y轴、z轴方向；

所述压裂液搅拌与注入模块与压裂井组件相连；

所述数据采集与控制模块分别与液压加载模块、压裂液搅拌与注入模块连接。

所述真三轴模块的腔体内底部放置有岩芯底座，腔体的x轴、y轴、z轴方向开口，并分别设置有一块岩芯压板，压裂井组件放置于该岩芯底座上，并位于三块岩芯压板之间；所述岩芯压板上开设有声发射探头预留孔、渗流监测预留孔，声发射探头预留孔中安装有声发射探头，渗流监测预留孔中安装有渗流监测接头；其中，声发射探头、渗流监测接头分别与数据采集与控制模块连接。

所述腔体上沿着y轴反方向的端面设置有法兰板。

所述液压加载模块的x轴液压缸、y轴液压缸、z轴液压缸均通过液压缸活塞杆与相对应的岩芯压板连接，岩芯压板通过液压缸连接件与岩芯压板固定；x轴液压缸、y轴液压缸、z轴液压缸均与腔体通过液压缸法兰连接，并通过螺母和螺栓固定；其中，x轴液压缸、y轴液压缸、z轴液压缸分别与数据采集与控制模块连接。

所述压裂液搅拌与注入模块包括依次通过管线相连的气瓶、第一阀门、低温浴槽、注入泵、搅拌容器，所述搅拌容器一端与恒温恒压泵相连，另一端分别连接有第二阀门、第一压力表和第三阀门，第三阀门与压裂井组件相连；其中，第一压力表、恒速恒压泵分别与数据采集与控制模块连接。

所述气瓶内的气体为高纯二氧化碳。

所述压裂井组件包括待测岩芯，待测岩芯中安装有普通压裂井或分段式压裂井，普通压裂井或分段式压裂井与压裂井引流管连接，压裂井引流管与压裂液搅拌与注入模块连接；其中，普通压裂井或分段式压裂井与数据采集与控制模块连接。

一种大尺度真三轴岩石水力压裂试验方法，包括以下步骤：

步骤一，将安装好普通压裂井或分段式压裂井的待测岩芯放在岩芯底座上，将普通压裂井或分段式压裂井与压裂井引流管连接，并将压裂井引流管与压裂液搅拌与注入模块连接；

步骤二，打开连接气瓶的第一阀门，启动低温浴槽，设定冷却温度，关闭注入泵，气态气体在气瓶中逐渐液化；

步骤三，启动液压加载模块，分别将连接x轴液压缸、y轴液压缸和z轴液压缸上的三块岩芯压板托送至待测岩芯端面；

步骤四，打开数据采集与控制模块，设定x轴液压缸、y轴液压缸和z轴液压缸的油缸压力，对待测岩芯施加x轴、y轴、z轴三向应力；

步骤五，当x轴、y轴、z轴三向应力均加载完毕后，启动搅拌容器的电源，并打开第三阀门，启动注入泵，向搅拌容器内注入气瓶中的液态流体并不断搅拌；

步骤六，启动恒速恒压泵，设定压裂压力，通过压裂井引流管向待测岩芯中的普通压裂井或分段式压裂井注入压裂液，直至待测岩芯被压裂；实验过程中，通过数据采集与控制模块实时采集、保持和显示所测数据；

步骤七，实验完毕后，保存实验数据；关闭第三阀门，停止压裂液注入，将岩芯压板退出，取出待测岩芯，关闭试验系统电源并清扫腔体。

有益效果：该技术方案与现有技术方案相比，具有以下特点：

(1)系统可模拟真三轴应力状态，实现x、y、z三轴独立控制，自动加载和跟踪反馈。

(2)系统可以进行两井同步、异步压裂和单井分段压裂。

(3)系统具备压裂过程中的变形和声发射监测功能。

(4)系统可通过液压自动推进和推出加载，提高了岩样装卸速度与精确性，解决了人工装样的难题。

(5)装置设计有大流量液压站供给系统，能够快速供液压缸的快速进给及快速退出，提高了试验效率。

(6)真三轴模型腔体有效工作体积为400×400×400mm，结合不同尺寸的衬板，可实现不同尺度岩样真三轴试验。

(7)压裂液搅拌容器为独立系统，方便试验过程压裂液的更换。

附图说明

图1为发明的大尺度真三轴岩石水力压裂试验系统结构示意图。

图2为发明的大尺度真三轴岩石水力压裂试验系统中真三轴模型x轴与z轴加载结构示意图；

图3为发明的大尺度真三轴岩石水力压裂试验系统中真三轴模型y轴与z轴加载结构示意图；

图4a为发明的大尺度真三轴岩石水力压裂试验系统中真三轴模型岩芯压板结构示意图；

图4b为图4a的侧视图；

图5为压裂井组件的结构示意图；

图中：

1-真三轴模块；11-岩芯底座；12-岩芯压板；13-腔体；14-法兰板；15-声发射探头预留孔；16-渗流监测预留孔；17-声发射探头；18-渗流监测接头；

2-液压加载模块；21-x轴液压缸；22-y轴液压缸；23-z轴液压缸；24-液压缸活塞杆；25-液压缸连接件；26-液压缸法兰；27-螺母；28-螺栓；

3-压裂液搅拌与注入模块；31-气瓶；32-第一阀门；33-低温浴槽；34-注入泵；35-搅拌容器；36-第二阀门；37-第一压力表；38-第三阀门；39-恒速恒压泵；

4-压裂井组件；41-待测岩芯；42-普通压裂井；43-分段式压裂井、44-压裂井引流管；

5-数据采集与控制模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1～图5为本发明的一种大尺度真三轴岩石水力压裂试验系统，包括真三轴模块1、液压加载模块2、压裂液搅拌与注入模块3、压裂井组件4和数据采集与控制模块5；其中：

真三轴模块1包括一个腔体13，该腔体13内用于放置压裂井组件4；腔体13底部内放置有岩芯底座11，腔体13的x轴、y轴、z轴方向开口，并分别设置有一块岩芯压板12，压裂井组件4放置于该岩芯底座11上，并位于三块岩芯压板12之间；岩芯压板12上开设有声发射探头预留孔15、渗流监测预留孔16，声发射探头预留孔15中安装有声发射探头17，渗流监测预留孔16中安装有渗流监测接头18；其中，声发射探头17、渗流监测接头18分别与数据采集与控制模块5连接。腔体13上沿着y轴反方向的端面设置有法兰板14，其作用是：法兰板14固定以后与腔体13成为封闭压力室，也为y轴提供反力，是可以移动的，移开后可将岩样安装在腔体内，法兰板13上安装有传感元件导线，用于数据采集与控制模块5与声发射探头17、渗流监测接头18等传感元件的连接。岩芯压板尺寸为400mm×400mm×50mm，声发射探头预留孔直径为18mm，渗流监测预留孔直径为12mm。

液压加载模块2包括x轴液压缸21、y轴液压缸22、z轴液压缸23，分别位于压裂井组件4的x轴、y轴、z轴方向；x轴液压缸21、y轴液压缸22、z轴液压缸23均通过液压缸活塞杆24与相对应的岩芯压板12连接，岩芯压板12通过液压缸连接件25与岩芯压板12固定；x轴液压缸21、y轴液压缸22、z轴液压缸23均与腔体13通过液压缸法兰26连接，并通过螺母27和螺栓28固定；其中，x轴液压缸21、y轴液压缸22、z轴液压缸23分别与数据采集与控制模块5连接。x轴液压缸21、y轴液压缸22和z轴液压缸23的最大应力均为30mpa。

压裂液搅拌与注入模块3与压裂井组件4相连；压裂液搅拌与注入模块3包括依次通过管线相连的气瓶31、第一阀门32、低温浴槽33、注入泵34、搅拌容器35，搅拌容器35一端与恒温恒压泵35相连，另一端分别连接有第二阀门36、第一压力表37和第三阀门38，第三阀门38与压裂井组件4相连；其中，第一压力表37、恒速恒压泵35分别与数据采集与控制模块5连接。气瓶31内的气体为高纯二氧化碳。低温浴槽33最低工作温度-30℃；恒速恒压泵39产生的最大压裂压力为70mpa，流速为0.01～60ml/min。

压裂井组件4包括待测岩芯41，待测岩芯41中安装有普通压裂井42或分段式压裂井43，普通压裂井42或分段式压裂井43与压裂井引流管44连接，压裂井引流管44与压裂液搅拌与注入模块3连接；其中，普通压裂井42或分段式压裂井43与数据采集与控制模块5连接。

数据采集与控制模块5分别与液压加载模块2、压裂液搅拌与注入模块3连接。具体的，数据采集与控制模块5分别与第一压力表37、恒速恒压泵39、x轴液压缸21、y轴液压缸22、z轴液压缸23、声发射探头17、渗流监测接头18、普通压裂井42或分段式压裂井43连接，用于得到压力、流速、声发射等数据，并对液压加载、压裂液注入速度等进行控制。

以某现场采集的页岩试样为例，说明大尺度真三轴岩石水力压裂试验方法，包括以下步骤：

(1)将安装好普通压裂井42或分段式压裂井43的待测岩芯41放在岩芯底座11上，将普通压裂井42或分段式压裂井43与压裂井引流管44连接，并将压裂井引流管44与压裂液搅拌与注入模块3连接；其中，页岩尺寸为400mm×400mm×400mm，普通井尺寸为直径10mm，深度150mm。

(2)打开连接气瓶31的第一阀门32，启动低温浴槽33，设定冷却温度，打开第一阀门32，关闭注入泵33，气态气体将在贮罐中逐渐液化；其中，低温浴槽33温度设置为-20℃，气瓶31内为高纯二氧化碳。

(3)启动液压加载模块2，分别将连接x轴液压缸21、y轴液压缸22和z轴液压缸23上的3块岩芯压板12托送至岩芯端面。

(4)打开数据采集与控制模块5，设定x轴液压缸21、y轴液压缸22和z轴液压缸23所需提供的油缸压力，对待测岩芯41施加三向应力；其中，x轴液压缸21、y轴液压缸22和z轴液压缸23所需提供的油缸压力分别设置为30mpa、25mpa和20mpa。

(5)当三轴应力均加载完毕后，启动搅拌容器35的电源，并打开第三阀门38，在数据采集与控制模块5中启动注入泵34，向搅拌容器35内注入液态的co2并不断搅拌。

(6)在数据采集与控制模块5中启动恒速恒压泵39，设定所需压裂压力，向待测岩芯41中注入co2压裂液，直至待测岩芯41被压裂；实验过程中，数据采集与控制模块5实时采集、保持和显示所测数据；其中，恒速恒压泵39的压裂压力设定为65mpa。

(7)实验完毕后，保存实验数据，关闭第三阀门38，停止压裂液注入，将三块岩芯压板12退出，取出待测岩芯41，关闭试验系统电源并清扫腔体13。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。