CN104535727B - 一种水力加砂压裂*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水力加砂压裂***，包括：压裂装置通过进水口与压裂试件的注水接口连接，围压室设置在所述压裂试件的一侧；轴压室用于加载压裂试件的轴压值；第一压头的一端与压裂试件的一端连接，用于发射横波和纵波信号；第二压头的一端与所述压裂试件的另一端连接，用于接收横波和纵波信号；试件外部套接有热塑管；声发射探头套接在热塑管的表面，用于监测声发射信号，获取所述压裂试件的压裂起缝及裂缝延伸的声发射数据；其中，通过控制装置预设所述轴压值及所述围压值，将所述压裂液注入所述压裂试件中，当监测到压裂装置的水压突降时，根据获取的声发射数据、横波、纵波信号分析压裂起缝及裂缝延伸的规律及支撑剂在试件压裂面中的运移规律。

Description

一种水力加砂压裂***

技术领域

本发明属于石油工程岩石力学技术领域，尤其涉及一种水力加砂压裂***。

背景技术

近年来，以页岩气、致密砂岩气和煤层气为代表的非常规天然气的快速发展引起了世界的关注，所述非常规天然气主要包括页岩气、致密砂岩气和煤层气等清洁能源。目前我国急需大量的优质的清洁能源。而非常规天然气增产的主要方法之一为水力压裂。

而目前，现有技术中使用的水力压裂设备只能测量岩石的变形和起裂压力，不能模拟不同地层应力条件下的水力加砂压裂，对水力加砂压裂和支撑剂的运移情况观测不能满足，进而不能为现场水力加砂压裂提供理论基础。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供了一种水力加砂压裂***，用于解决现有技术中的水力压裂装置不能模拟不同地层应力条件下的水力加砂压裂实验的技术问题。

本发明的提供一种水力加砂压裂***，所述***包括：

压裂装置，所述压裂装置通过进水口与压裂试件的注水接口连接，用于将混有支撑剂的压裂液注入所述压裂试件中；

围压室，所述围压室设置在所述压裂试件的一侧，用于加载所述压裂试件的围压值；

轴压室，所述轴压室用于加载所述压裂试件的轴压值；

第一压头，所述第一压头的一端与压裂试件的一端连接，用于发射横波信号、纵波信号；

第二压头，所述第二压头的一端与所述压裂试件的另一端连接，用于接收所述横波信号及所述纵波信号；

热塑管，所述压裂试件外部套接有热塑管；

声发射探头，所述声发射探头套接在所述热塑管的表面，用于监测声发射信号，获取所述压裂试件的压裂起缝及裂缝延伸的声发射数据；

其中，通过控制装置预设所述轴压值及所述围压值，通过所述控制装置将所述压裂液注入所述压裂试件中，当所述控制装置监测到所述压裂装置的水压突降时，根据获取所述压裂试件的所述声发射数据、所述横波信号、所述纵波信号分析所述压裂起缝及裂缝延伸的规律及所述支撑剂在所述压裂试件压裂面中的运移规律。

上述方案中，所述第一压头通过第一数据线与所述控制装置连接，用于发射所述横波信号及所述纵波信号；

所述第二压头通过第二数据线与所述控制装置连接，用于将接收到的所述横波信号及所述纵波信号发送至所述控制装置；

所述声发射探头通过第三数据线与所述控制装置连接，将所述压裂试件压裂起缝及裂缝延伸的声发射信号发送至所述控制装置。

上述方案中，所述***还包括：

轴向应变仪，所述轴向应变仪卡接在所述热塑管的一侧，用于监测所述压裂试件的轴向应变；

径向应变仪，所述径向应变仪套接在所述热塑管的表面，用于监测所述压裂试件的径向应变。

上述方案中，所述轴向应变仪通过第四数据线与所述控制装置连接，用于所述压裂试件的轴向应变发送至所述控制装置；

所述径向应变仪通过第五数据线与所述控制装置连接，用于所述压裂试件的径向应变发送至所述控制装置。

上述方案中，所述声发射探头包括四个，呈“十”字型套接在所述热塑管的表面。

上述方案中，所述***还包括：

球头，所述球头的一端与所述第一压头的另一端贴合；

T型块，所述T型块的一端与所述球头的另一端贴合；

框架，所述T型块的另一端通过移动横杆与所述框架一端的两侧连接；

试验台，所述第二压头的另一端通过垫块与所述试验台的一侧连接；

第一薄片，所述第一薄片的一端与所述试验台另一侧的一端连接，所述第一薄片的另一端与所述框架另一端的一侧连接；

第二薄片，所述第二薄片一端与所述试验台另一侧的另一端连接，所述第二薄片的另一端与所述框架另一端的另一侧连接。

上述方案中，所述第一薄片与所述第二薄片之间设置有轴压室。

上述方案中，所述压裂装置包括：

压裂液室，所述压裂液室设置有混合有支撑剂的压裂液；

第一管道，所述第一管道的一端与所述压裂液室连接，所述第一管道的另一端与进水口连接；

第一增压泵，所述第一增压泵设置在所述第一管道上，用于通过第一管道、第一阀门将所述压裂液注入所述压裂试件中；

真空泵，所述真空泵通过第二管道与所述第一管道连接，用于所述压裂液注入所述压裂试件之前，通过三通阀门对所述第一管道进行抽真空；

第一溢流阀，所述第一溢流阀通过第三管道与所述第一管道连接，用于对所述压裂液溢流、稳压。

上述方案中，所述***还包括：第一液压装置；其中，所述第一液压装置包括：

第一液压油室，所述第一液压油室设置有第一液压油；

第四管道，所述第四管道的一端与所述第一液压油室连接，所述第四管道的另一端与第一进油口连接；

第二增压泵，所述第二增压泵设置在所述第四管道上，通过所述第四管道、第二阀门将所述液压油注入所述围压室中；

第五管道，所述第五管道的一端与所述第一液压油室连接，所述第五管道的另一端通过第三阀门与出油口连接；

第二溢流阀，所述第二溢流阀通过第六管道与所述第四管道连接。

上述方案中，所述***还包括：第二液压装置；其中，所述第二液压装置包括：

第二液压油室，所述第二液压油室设置有第二液压油；

第七管道，所述第七管道的一端与所述第二液压油室连接，所述第七管道的另一端与第二进油口连接；

第三增压泵，所述第三增压泵设置在所述第七管道上，通过所述第七管道、第四阀门将所述液压油注入所述轴压室中；

第三溢流阀，所述第三溢流阀通过第八管道与所述第七管道连接。

本发明提供了一种水力加砂压裂***，所述***包括：压裂装置，所述压裂装置通过进水口与压裂试件的注水接口连接，用于将混有支撑剂的压裂液注入所述压裂试件中；围压室，所述围压室设置在所述压裂试件的一侧，用于加载所述压裂试件的围压值；轴压室，所述轴压室用于加载所述压裂试件的轴压值；第一压头，所述第一压头的一端与压裂试件的一端连接，用于发射横波信号、纵波信号；第二压头，所述第二压头的一端与所述压裂试件的另一端连接，用于接收所述横波信号及所述纵波信号；热塑管，所述压裂试件外部套接有热塑管；声发射探头，所述声发射探头套接在所述热塑管的表面，用于监测声发射信号，获取所述压裂试件的压裂起缝及裂缝延伸的声发射数据；其中，通过控制装置预设所述轴压值及所述围压值，通过所述控制装置将所述压裂液注入所述压裂试件中，当所述控制装置监测到所述压裂装置的水压突降时，根据获取所述压裂试件的所述声发射数据、所述横波信号、所述纵波信号分析所述压裂起缝及裂缝延伸的规律及所述支撑剂在所述压裂试件压裂面中的运移规律，如此，所述水力加砂压裂***能够模拟不同地应力条件下的水力加砂压裂，并可以实时监测所述压裂试件的声波变化规律、裂纹开启与延伸的三维定位以及所述支撑剂在裂纹中的运移规律，为现场水力加砂压裂提供理论基础。

附图说明

图1为本发明实施例提供的水力压力***的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的压裂试件的正视图。

具体实施方式

为了可以模拟不同地应力条件下的水力加砂压裂实验，为增长非常规天然气提供保证，本发明提供了一种水力加砂压裂***，所述***包括：围压室，所述围压室设置在所述压裂试件的一侧，用于加载所述压裂试件的围压值；轴压室，所述轴压室用于加载所述压裂试件的轴压值；第一压头，所述第一压头的一端与压裂试件的一端连接，用于发射横波信号、纵波信号；第二压头，所述第二压头的一端与所述压裂试件的另一端连接，用于接收所述横波信号及所述纵波信号；热塑管，所述压裂试件外部套接有热塑管；声发射探头，所述声发射探头套接在所述热塑管的表面，用于监测声发射信号，获取所述压裂试件的压裂起缝及裂缝延伸的声发射数据；其中，通过所述控制装置预设所述轴压值及所述围压值，通过控制装置将所述压裂液注入所述压裂试件中，当所述控制装置监测到所述压裂装置的水压突降时，根据获取所述压裂试件的所述声发射数据、所述横波信号、所述纵波信号分析所述压裂起缝及裂缝延伸的规律及所述支撑剂在所述压裂试件压裂面中的运移规律。

下面通过附图及具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

本实施例提供一种水力加砂压裂***，如图1所示，所述水力加砂压裂***包括：压裂装置1、进水口2、压裂试件3、注水接口4、围压室5、轴压室6、控制装置7、第一液压装置8、第二液压装置9；其中，

所述压裂装置1通过进水口2与压裂试件3的注水接口连接，用于将混有支撑剂的压裂液注入所述压裂试件3中，进行压裂实验。

具体地，所述压裂装置1包括：压裂液室101、第一管道102，第一增压泵103、第一阀门104、真空泵105、第二管道106、三通阀门107、第一溢流阀108、第三管道109；其中，

所述压裂液室101设置有混合有支撑剂的压裂液；所述第一管道102的一端与所述压裂液室101连接，所述第一管道102的另一端与进水口2连接；

所述第一增压泵103设置在所述第一管道102上，所述第一增压泵103通过第一管道102、第一阀门104将所述压裂液注入所述压裂试件3中；

所述真空泵105通过第二管道106与所述第一管道102连接，用于所述压裂液注入所述压裂试件3之前，通过三通阀门107对所述第一管道102进行抽真空，排除空气压缩对压裂实验的影响。

所述第一溢流阀108通过第三管道109与所述第一管道102连接，用于在向压裂试件3注入压裂液时，对所述压裂液溢流、稳压。

所述围压室5设置在所述压裂试件3的一侧，用于加载所述压裂试件3的围压值；具体地，所述控制装置7可以根据实际实验要求通过围压室5设定所述围压值，所述围压值为第一液压装置8中的液压油的油压值。

所述第一液压装置8包括：第一液压油室80、第四管道81、第一进油口82、第二增压泵83、第二阀门84、第五管道85、第三阀门86、出油口87、第二溢流阀88、第六管道89；其中，

所述第一液压油室80中设置有第一液压油，在实验过程中，所述第一液压油的油压即为所述围压值，所述控制装置7可以实时监测所述围压值；

所述第四管道81的一端与所述第一液压油室80连接，所述第四管道81的另一端与第一进油口82连接；

所述第二增压泵83设置在所述第四管道81上，与所述控制装置7连接，通过所述第四管道81、第二阀门84将所述第一液压油注入所述围压室5中；这里，因所述围压室5在没有注入第一液压油之前，充满空气；为了防止空气在所述围压室5中压缩对压裂实验产生影响，需要通过所述出油口87将空气完全排出后，关闭所述出油口87。

所述第五管道85的一端与所述第一液压油室连接，所述第五管道85的另一端通过第三阀门86与出油口87连接，将所述第一液压油排出所述围压室5；

所述第二溢流阀88通过第六管道89与所述第四管道81连接，用于在向围压室注入第一液压油时，对所述第一液压油溢流、稳压。

这里，所述轴压室6用于加载所述压裂试件3的轴压值；具体地，所述控制装置7可以根据实际实验要求通过第二增压泵83加载所述轴压值，所述轴压值为第二液压装置中第二液压油的压力反射值。

所述第二液压装置9包括：第二液压油室91、第七管道92、第二进油口93、第三增压泵94、第四阀门95、第三溢流阀96、第八管道97；其中，

所述第二液压油室91中设置有第二液压油，在实验过程中，所述第二液压油的油压的反射值即为所述轴压值，所述控制装置7可以实时监测所述轴压值。

所述第七管道92的一端与所述第二液压油室91连接，所述第七管道92的另一端与第二进油口93连接；

所述第三增压泵94设置在所述第七管道92上，通过所述第七管道92、第四阀门95将所述第二液压油注入所述轴压室6中；

所述第三溢流阀96通过第八管道97与所述第七管道92连接，用于在向轴压室6注入第二液压油时，对所述第二液压油溢流、稳压。

这里，所述***还包括：第一压头10、第二压头11、热塑管12、声发射探头13；其中，

所述第一压头10的一端与压裂试件3的一端连接，用于发射横波信号及纵波信号。其中，所述第一压头10通过第一数据线与所述控制装置7连接。

所述第二压头11的一端与所述压裂试件3的另一端连接，用于接收所述横波信号及所述纵波信号。其中，所述第二压头11通过第二数据线与所述控制装置7连接，通过所述第二数据线将所述压裂试件3的所述横波信号及所述纵波信号发送至所述控制装置7。

所述压裂试件3的外部套接有热塑管12，可以通过热吹风吹所述热塑管12，保证所述热塑管12与所述压裂试件3紧密连接。

所述声发射探头13套接在所述热塑管12的表面，用于监测所述压裂试件3的压裂起缝及裂缝延伸的位移数据；其中，所述声发射探头13包括四个，呈“十”字型套接在所述热塑管12的表面。所述声发射探头13通过第三数据线与所述控制装置7连接，将所述压裂试件3压裂起缝及裂缝延伸的声发射信号发送至所述控制装置7。

这里，所述***还包括：轴向应变仪14及径向应变仪15；其中，

所述轴向应变仪14卡接在所述热塑管12的一侧，用于监测所述压裂试件3的轴向应变；所述述轴向应变仪14通过第四数据线与所述控制装置7连接，用于所述压裂试件3的轴向应变发送至所述控制装置7。

所述径向应变仪15套接在所述热塑管12的表面，用于监测所述压裂试件3的径向应变；所述径向应变仪15通过第五数据线与所述控制装置7连接，用于通过第五数据线将所述压裂试件3的径向应变发送至所述控制装置7。

所述***还包括：球头16、T型块17、框架18、移动横杆19、垫块20、试验台21、第一薄片22、第二薄片23；其中，

所述球头16的一端与所述第一压头10的另一端贴合，用于使所述第一压头10与所述压裂试件3的一端充分接触，防止应力集中；

所述T型块17的一端与所述球头16的另一端贴合；所述T型块17的另一端通过移动横杆19与所述框架18一端的两侧连接；这里，所述T型块17通过第六数据线与所述控制装置7连接，所述控制装置7控制所述T型块17通过移动横杆19沿所述框架18一端的两侧上下移动，以将所述压裂试件3固定到合适的位置，进行压裂实验。

这里，所述第二压头11的另一端通过垫块20与所述试验台21的一侧连接；

所述第一薄片22的一端与所述试验台21另一侧的一端连接，所述第一薄片22的另一端与所述框架18另一端的一侧连接；

所述第二薄片23一端与所述试验台21另一侧的另一端连接，所述第二薄片23的另一端与所述框架18另一端的另一侧连接。其中，所述第一薄片22与所述第二薄片23之间设置有轴压室6。所述第一薄片22及所述第二薄片23的材质可以为塑料，并具有一定的收缩性，用于保护所述轴压室6避免被尘埃污染。

实际应用时，可以利用本发明提供的水力加砂压裂***通过以下步骤进行实验：

步骤1，将现场取回的页岩、致密砂岩等岩石制作成压裂试件3，其中，如图2所示，所述压裂试件3为圆柱体形；所述圆柱体形的底面直径为100mm，所述圆柱体形的高度为200mm。

步骤2，将所述压裂试件3的中心设置一个圆柱形的中心孔，用于装载金属空心管24，所述空心管24的材料可以包括：不锈钢管、铁管及铜管等。所述中心孔的高度为113.5mm，所述中心孔的底面直径为12mm。所述空心管24的高度为95mm，所述空心管24的底面直径为6mm。这里，可以向所述空心管24周围注入环氧树脂25，使所述空心管24与压裂试件3黏贴牢固，达到密封效果。

步骤3，将制作好的压裂试件3的一端与所述第一压头10连接，所述空心管24的一端与所述第一压头10采用“O”型圈密封，将压裂试件3的外部套接热塑管12，通过热吹风吹所述热塑管12，保证所述热塑管12与所述压裂试件3紧密连接。

将所述声发射探头13套接在所述热塑管12的表面，通过第三数据线将所述声发射探头13与所述控制装置连接。将所述轴向应变仪14卡接在所述热塑管12的一侧，通过第四数据线将所述轴向应变仪14与所述控制装置7连接。将所述径向应变仪15套接在所述热塑管12的表面，通过第五数据线将所述径向应变仪15与所述控制装置7连接。

步骤3，通过所述控制装置7调整所述T型块17上下移动至合适位置，以将所述压裂试件精确固定在所述框架18中。

步骤4，利用所述控制装置7按照实验要求通过围压室5设定所述围压值到第一指定值，通过所述轴压室6设定所述轴压值到第二指定值。

这里，因不同的地下深度就会存在不同的第一指定值及第二指定值；比如，在地下1500米，所述轴压值应该在38MPa左右，所述围压值应该在38MPa左右，具体值需要实际测量获得。所述实验要求包括：不同的地层应力条件。

步骤5，按照流量控制模式向所述压裂试件3中注入混合有支撑剂的高压压裂液，当所述控制装置7监测到所述压裂液的压力值突然下降时，停止注入。

这里，所述流量控制模式为单位时间内向所述压裂试件3中注入的压裂液的体积，可以根据实验要求选择不同的流量控制模式。

步骤6，所述控制装置7获取并保存所述第二压头11接收到的所述压裂试件3的所述横波信号及所述纵波信号；获取所述声发射探头13监测到的所述压裂试件的压裂起缝及裂缝延伸的声发射数据；获取所述轴向应变仪14监测到的所述压裂试件3的轴向应变；获取所述径向应变仪15监测到的所述压裂试件3的径向应变。

分析所述压裂试件3在不同地层应力条件下的声波变化规律。

这里，根据获取的所述声发射数据分析所述压裂试件3的压密、裂开等。所述声波包括：纵波和横波。

步骤7，取出所述压裂试件3，观察所述压裂试件3的破裂方式及支撑剂在所述压裂试件3破裂面中的运移规律。

本发明提供的水裂加砂压力***，能够模拟不同地层应力条件下水力加砂压裂实验，实时监测压裂过程中压裂试件的声波变化、裂纹开启与裂缝延伸的三维定位，并观察支撑剂在裂纹中的运移规律，为现场水力加砂压裂提供理论基础。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水力加砂压裂***，其特征在于，所述***包括：

压裂装置，所述压裂装置通过进水口与压裂试件的注水接口连接，用于将混有支撑剂的压裂液注入所述压裂试件中；

围压室，所述围压室设置在所述压裂试件的一侧，用于加载所述压裂试件的围压值；

轴压室，所述轴压室用于加载所述压裂试件的轴压值；

第一压头，所述第一压头的一端与压裂试件的一端连接，用于发射横波信号、纵波信号；

第二压头，所述第二压头的一端与所述压裂试件的另一端连接，用于接收所述横波信号及所述纵波信号；

热塑管，所述压裂试件外部套接有热塑管；

声发射探头，所述声发射探头套接在所述热塑管的表面，用于监测声发射信号，获取所述压裂试件的压裂起缝及裂缝延伸的声发射数据；

其中，所述***还包括：轴向应变仪，所述轴向应变仪卡接在所述热塑管的一侧，用于监测所述压裂试件的轴向应变；

通过控制装置预设所述轴压值及所述围压值，通过所述控制装置将所述压裂液注入所述压裂试件中，当所述控制装置监测到所述压裂装置的水压突降时，根据获取所述压裂试件的所述声发射数据、所述横波信号、所述纵波信号分析所述压裂起缝及裂缝延伸的规律及所述支撑剂在所述压裂试件压裂面中的运移规律。

2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述第一压头通过第一数据线与所述控制装置连接，用于发射所述横波信号及所述纵波信号；

所述第二压头通过第二数据线与所述控制装置连接，用于将接收到的所述横波信号及所述纵波信号发送至所述控制装置；

所述声发射探头通过第三数据线与所述控制装置连接，将所述压裂试件压裂起缝及裂缝延伸的声发射信号发送至所述控制装置。

3.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述***还包括：

径向应变仪，所述径向应变仪套接在所述热塑管的表面，用于监测所述压裂试件的径向应变。

4.如权利要求3所述的***，其特征在于，所述轴向应变仪通过第四数据线与所述控制装置连接，用于所述压裂试件的轴向应变发送至所述控制装置；

所述径向应变仪通过第五数据线与所述控制装置连接，用于所述压裂试件的径向应变发送至所述控制装置。

5.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述声发射探头包括四个，呈“十”字型套接在所述热塑管的表面。

6.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述***还包括：

球头，所述球头的一端与所述第一压头的另一端贴合；

T型块，所述T型块的一端与所述球头的另一端贴合；

框架，所述T型块的另一端通过移动横杆与所述框架一端的两侧连接；

试验台，所述第二压头的另一端通过垫块与所述试验台的一侧连接；

第一薄片，所述第一薄片的一端与所述试验台另一侧的一端连接，所述第一薄片的另一端与所述框架另一端的一侧连接；

第二薄片，所述第二薄片一端与所述试验台另一侧的另一端连接，所述第二薄片的另一端与所述框架另一端的另一侧连接。

7.如权利要求6所述的***，其特征在于，所述第一薄片与所述第二薄片之间设置有轴压室。

8.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述压裂装置包括：

压裂液室，所述压裂液室设置有混合有支撑剂的压裂液；

第一管道，所述第一管道的一端与所述压裂液室连接，所述第一管道的另一端与进水口连接；

第一增压泵，所述第一增压泵设置在所述第一管道上，用于通过第一管道、第一阀门将所述压裂液注入所述压裂试件中；

真空泵，所述真空泵通过第二管道与所述第一管道连接，用于所述压裂液注入所述压裂试件之前，通过三通阀门对所述第一管道进行抽真空；

第一溢流阀，所述第一溢流阀通过第三管道与所述第一管道连接，用于对所述压裂液溢流、稳压。

9.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述***还包括：第一液压装置；其中，所述第一液压装置包括：

第一液压油室，所述第一液压油室设置有第一液压油；

第四管道，所述第四管道的一端与所述第一液压油室连接，所述第四管道的另一端与第一进油口连接；

第二增压泵，所述第二增压泵设置在所述第四管道上，通过所述第四管道、第二阀门将所述液压油注入所述围压室中；

第五管道，所述第五管道的一端与所述第一液压油室连接，所述第五管道的另一端通过第三阀门与出油口连接；

第二溢流阀，所述第二溢流阀通过第六管道与所述第四管道连接。

10.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述***还包括：第二液压装置；其中，所述第二液压装置包括：

第二液压油室，所述第二液压油室设置有第二液压油；

第七管道，所述第七管道的一端与所述第二液压油室连接，所述第七管道的另一端与第二进油口连接；

第三增压泵，所述第三增压泵设置在所述第七管道上，通过所述第七管道、第四阀门将所述液压油注入所述轴压室中；

第三溢流阀，所述第三溢流阀通过第八管道与所述第七管道连接。