CN107907431A - 三轴加载脉冲水力压裂裂缝扩展动态监测试验装置 - Google Patents

三轴加载脉冲水力压裂裂缝扩展动态监测试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三轴加载脉冲水力压裂裂缝扩展动态监测试验装置，涉及三轴水力压裂裂缝传递压力监测、裂缝发育及扩展规律研究的物理模拟实验***平台，主要包括注液控制***、三轴应力加载***、缝内水压监测***和声发射三维动态监测***。本发明能在模拟不同储层的三轴应力状态下，以不同压力、频率注入各类压裂液体系实现储层水力压裂；并在试验过程中实现三轴伺服加载，实时裂缝传递压力监测及裂缝三维演化的功能，为研究储层三轴水力压裂提供了研究平台。本发明操作简单、智能化程度高、结构紧凑，能够很好的研究储层水力压裂过程中岩石的断裂损伤机理。

Description

三轴加载脉冲水力压裂裂缝扩展动态监测试验装置
技术领域
本发明涉及一种用于模拟不同储层压力环境、不同脉冲频率、不同压裂液体系下，水力压裂储层改造实验、缝内液体压力实时跟踪以及水力裂缝扩展三维监测岩石物理实验模拟装置。
背景技术
随着世界能源格局的不断发展，传统能源日趋紧张和萎缩，在美国页岩气革命的成功后，诸如页岩气、煤层气及致密气等非常规能源引起了世界范围内的广泛关注和研究。我国非常规油气储量丰富、开发潜力大，重要集中在中部地区，但具有地质条件复杂、埋藏深、开采成本高等特点。由于非常规油气储层具有低孔低渗的特征，水力压裂技术是提高非常规油气储层产量的重要手段和关键技术之一。常规水力压裂在取得较好的效果的同时也存在压裂液量大、水力压力大易引发微震、压裂裂缝单一、压裂体积简单等问题。脉冲水力压裂是在常规水力压裂的基础上，进行改进的一种压裂方法，主要是运用水力的脉冲动能使储层发生疲劳损伤，进而扩展裂缝，丰富压裂体积以达到提高储层改造的效果。而现阶段对脉冲水力压裂的研究相对较缺乏，脉冲水力压裂机理尚未明确，主要的脉冲参数对压裂的影响机制还需深入探究，因而，建立科学的脉冲水力压裂模拟试验***，深入研究脉冲水力压裂作用机理、裂缝扩展延伸机理及储层压裂损伤破坏等领域，对脉冲水力压裂技术的研究和参数选取具有重要的意义。
常规水力压裂是将高压液体压入储层中，使储层破裂形成裂隙网路来提高储层的渗透率，提高产量。脉冲水力压裂采用一定的脉冲频率致裂岩石，能降低致裂压力、增加裂缝的扩展长度和提高裂隙网络的复杂程度。
目前，在三轴脉冲水力压裂储层改造及压裂裂缝扩缝研究方面还没有比较***成熟的试验装置，在这方面的研究相对匮乏的。现有三轴水力压裂试验大多数科研院所采用Φ50的岩心作为试样。现有相关水力压裂试验装置存在以下缺陷：
1、只有恒压水力压力、无脉冲频率，或者存在脉冲频率，但脉冲频率不可实时调节。
2、对压裂裂缝的扩展监测，只能在压后进行肉眼观察；或者在声发射监测下，也因为试样过大、物性差异和信号数据失真等，所以缺少动态监测裂缝三维扩展延伸的能力。
3、现有水力压裂装置只能监测压裂液进口压力，无法监测压裂液在压裂过程中的压力值变化，即缺乏监测在裂缝扩展延伸中的传递压力值。
4、现有水力压裂装置中，缝内水压监测和声发射监测都是独立测试，没有形成一个同步触发的动态监测***。
发明内容
本发明提供一种三轴加载脉冲水力压裂裂缝扩展动态监测试验装置，其主要是克服现有试验装置中的无脉冲压力、裂缝扩展不能实时进行三维监测及各监测***无法统一协调等缺陷，本试验***能够模拟储层岩石在三轴应力状态下、实现以不同压裂液体系进行脉冲或连续流体压裂，并对裂缝扩展压力跟踪监测、裂缝扩展动态实时三维监测，分析压裂裂缝的发育类型和扩展情况，为研究脉冲水力压力提供研究平台。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：三轴加载脉冲水力压裂裂缝扩展动态监测试验装置，其包括注液控制***、脉冲发生器、三轴应力加载***、三轴伺服控制***和监测***；其中：
所述注液控制***由容器池、高压泵、第一多通阀、第一开关阀、中间容器、第二开关阀、第二多通阀、进液口压力传感器组成；所述高压泵通过第一多通阀、第一开关阀连接到3个中间容器，其作用为将容器池内的液体不间断注入不同压裂液体系；所述进液口压力传感器，为监测进液压力。
所述脉冲发生器包括脉冲发生装置和脉冲控制端，其安装于第二多通阀和进液口压力传感器之间。脉冲发生器移除或关闭后，可以进行连续流注入压裂。
所述三轴应力加载***由岩心夹持器、轴压加载装置、环压加载装置、压力传递监测装置、声发射定位监测装置、回压阀、轴压装置、环压加载装置和天平监测装置组成；所述岩心夹持器为筒状结构，轴压加载装置可给筒内试样两端提供轴向压力，三轴应力加载***的环压加载装置给试样提供围向压力；所述压力传递监测装置由4个压力监测孔组成，其等距分布在岩心夹持器上。所述声发射定位监测装置由3对声发射监测孔组成，其呈垂直分布在岩心夹持器筒体上；所述回压阀安装在岩心夹持器出液口位置；所述天平监测装置能实时监测出液量的质量。
所述三轴伺服控制***包括高压泵伺服控制装置、环压伺服控制装置、轴压伺服控制装置。
所述监测***包括声发射三维动态监测***、缝内水压监测***、进液口压力监测***和天平监测***；所述缝内水压监测***包括压力传感器、采集软件，其压力传感器安装在4个压力监测孔上，监测压裂过程中岩心体上的传递压力；所述声发射三维动态监测***包括声发射探头、信号采集器、声发射软件，其声发射软件整合在微机里，声发射探头布置在3对声发射监测孔上，其主要监测岩心裂缝的发育扩展情况。
所述微机对三轴伺服控制***和监测***进行同步协调，呈伺服可控的管理状态，其提高了对数据的采集真实度和对试验条件的反馈敏感程度。
所有注液管材采用防腐耐高压的材料，管材口径≥Φ6mm，减小压裂液流动的管壁阻力。
所述的三轴伺服控制***与监测***，通过电压同步触发机制由微机(18)进行相互协同与控制。
所述的压力传递监测装置由第一压力监测孔、第二压力监测孔、第三压力监测孔和第四压力监测孔组成；以岩心夹持器长度方向的筒体中点为基点，第一压力监测孔和第四压力监测孔、第二压力监测孔和第三压力监测孔对称等距分布在岩心夹持器上；监测孔中安装有压力传感器，传感器通过数据线连接到压力传递监测***中。
所述的声发射定位监测装置由第一对声发射监测孔、第二对声发射监测孔和第三对声发射监测孔组成；每一对声发射监测孔有两个监测孔，且对称分布于岩心夹持器筒体上；第三对声发射监测孔位于岩心夹持器长度方向的筒体中点位置，且与压力传递监测装置处于同一平面，第一对声发射监测孔和第二对声发射监测孔对称分布于第三对声发射监测孔的左右两侧，且第一对声发射监测孔和第二对声发射监测孔分别与第三对声发射监测孔呈垂直分布，这三对监测孔呈空间垂直分布在岩心夹持器上。
所述第一对声发射监测孔、第二对声发射监测孔和第三对声发射监测孔中每个声发射监测孔由第一密封垫、分隔管、波导杆、压帽、第二密封垫和紧固螺帽组成；波导杆两端分别接触岩心与声发射探头，用于信号传输；波导杆穿过环压空间，由分隔管隔绝保护，分隔管由第一密封垫和压帽固定，保证分隔管与环压空间之间的密封性；由第二密封垫、紧固螺帽保证波导杆与分隔管之间的密封性，同时波导杆被紧固螺帽通过第二密封垫压紧贴合，与岩心接触良好；由波导杆将信号传至声发射探头上，再通过信号采集器，连入声发射三维动态监测***中。
所述声发射探头放置与声发射监测孔紧固螺帽内，由探头夹具固定贴紧使其与波导杆紧密贴合。
本发明提供的三轴加载脉冲水力压裂裂缝扩展动态监测试验装置,具有如下特点：
1、能够模拟不同地层深度的储层应力状态及地下水力压裂基本环境；2、能提供可控可调频的脉冲水压；3、能监测压裂过程中岩样裂缝的传递压力；4、能实时监测三维裂缝发育扩展情况及其他相关参数。该***丰富了研究非常规能源水力压裂的试验条件，可进行脉冲水力压裂和常规水力压裂的对比试验，为研究水力压裂提供了试验平台。
附图说明
图1是本发明三轴加载脉冲水力压裂裂缝扩展动态监测试验装置结构示意图；
图2是压力监测孔和声发射监测孔在岩心夹持器上的布置图；
图3是声发射监测孔结构图。
图中，1-容器池，2-高压泵，3-第一多通阀，4-第一开关阀，5-中间容器，6-第二开关阀，7-第二多通阀，8-进液口压力传感器，9-脉冲发生器，10-岩心夹持器，11-压力传递监测装置，12-岩心，13-环压加载装置，14-声发射定位监测装置，15-轴压加载装置，16-回压阀，17-天平监测装置，18-微机，19-岩心夹持器筒体，20-第一压力监测孔，21-第一对声发射监测孔，22-第二对声发射监测孔，23-第三对声发射监测孔，24-胶套，25-环压空间，26-筒体，27-第一密封垫，28-分隔管，29-波导杆，30-压帽，31-第二密封垫，32-紧固螺帽，33-声发射探头，34-探头夹具，35-第二压力监测孔，36-第三压力监测孔，37-第四压力监测孔。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案更加清晰明白，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
参阅图1，脉冲水力注液***由高压泵2、第一多通阀3、第一开关阀4、中间容器5、第二开关阀6、第二多通阀7、进液口压力传感器8组成的注液控制***和脉冲发生器9组成。高压泵2可调注液压力和注液流量，注液压力为0-40MPa，流量调节范围为0.01-9.99mL/s。采用中间容器5驱替压裂液，既能实现同时注入不同体系的压裂液，又能避免高压泵运行高黏、携砂的压裂液体系，保证压裂的可靠、安全。驱替压裂液进入脉冲发生器9，产生脉冲压力，脉冲频率范围为0-10Hz。进液口压力传感器8采集频率为100次/s，可以实时对注液口压裂液压力、频率进行监测。关闭移除脉冲发生器9，可实现连续流注液。
参阅图1，三轴应力加载及监测室由岩心夹持器10、轴压加载装置15、环压加载装置13、压力传递监测装置11、声发射定位监测装置14、回压阀16、天平监测装置17组成。岩心规格为Φ100mmx100-200mm，轴向压力加载提供0-50MPa，环压加载为0-50MPa。轴压***、环压***、注液***三者由微机伺服控制，精准可调，保证压裂的可行性。施加轴压作用于岩心12两端，防止注液从环边侧渗。压力传递监测装置11用于监测岩心在压裂过程中的裂缝传递压力，声发射定位监测装置14用于对裂缝发育扩展的三维动态定位监测。回压阀16可提供多个出液压差，天平监测装置17实时动态监测出液量的质量。
参阅图1，微机由三轴伺服控制***和监测***组成。
参阅图2，压力传递监测装置11和声发射定位监测装置14在岩心夹持器10筒体26上的详细布置。岩心夹持器10的岩心12规格为Φ100mmx100-200mm，压力传递监测装置11为4个压力监测孔组成，其均匀线性对称分布在筒体26上，两两间隔50mm，两边的第一压力监测孔20和第四压力监测孔37对称分布且距离分别筒体26边缘25mm，这样比较全面均匀的监测到裂缝传递压力值。声发射定位监测装置14由3对声发射监测孔，每一对监测孔相对称分布在筒体26上。第一对声发射监测孔23与压力传递监测装置处于同一平面，其分布在筒体26的中心位置，上下各一个，对称分布；第二对声发射监测孔21和第三对声发射监测孔22分布在同一平面，两对相距100mm，与第一对声发射监测孔23所在平面呈90°。这样空间分布，能将裂缝的发育和扩展情况形成三维动态监测，能丰富研究内容和提供裂缝三维模型化。
参阅图3，声发射监测孔的详细结构图。波导杆29放置于监测孔内，分隔管28起支撑、隔离液体保护波导杆的作用。第一密封垫27在筒体26与环压空间25之间，主要为防止环压空间25中的液体泄漏到监测孔中，同时也保证环压的加载。压帽30通过螺纹固定分隔管28。紧固螺帽32主要作用为压紧波导杆29使其贴合岩心12以及防止波导杆29被筒内压力顶出，保证数据采集的可靠性和稳定性。同时在波导杆29与压帽30、紧固螺帽32之间有第二密封垫31，其作用为保证信号传输稳定、不失真和监测孔的密封。声发射探头33与波导杆29之间通过声发射耦合剂连接，保证两者接触完整、密合。探头夹具34内置弹簧起固定、抵紧声发射探头33的作用。
使用本发明的三轴加载脉冲水力压裂裂缝扩展动态监测试验装置进行试验，其主要的试验步骤。
1、制作Φ100岩心保证岩心高度和两端平行对齐，同时钻取Φ8mm的先导孔；配置压裂液储存于中间容器5中。
2、安装调试缝内水压监测***、声发射三维动态监测***、高压泵伺服控制装置、环压伺服控制装置、轴压伺服控制装置、进液口压力监测***、天平监测***等各个***。
3、将Φ100岩心放置在岩心夹持器10内。
4、调好压力、流量参数后，开启高压泵2，打开第一多通阀3，选择开启相应的第一开关阀4，驱替中间容器5中的压裂液，同时打开第二开关阀6，第二多通阀7，压裂液进入脉冲发生器9中，产生脉冲水力压力，同时进液口压力传感器8进行压力、频率的监测。
5、调节轴压加载装置15，达到预定轴压值，接着调节环压加载装置13，达到试验所需压力。
6、压裂液从岩心夹持器10进液口进入，开始对岩心12产生压裂试验。当注液压力达到预定值并稳定时，***将自动同步触发缝内水压监测***和声发射监测***，微机18将采集全过程的试验数据，直至试验结束。
7、在岩心夹持器10出口处有回压阀16，提供可变的压差值。同时天平监测装置17将自动监测出液量。
8、如需要进行不同压裂液，可开启相应的第一开关阀4和第二开关阀6。
9、试验结束，停止数据采集工作，保存试验数据，关闭高压泵2、卸载环压、轴压，关闭第一开关阀4和第二开关阀6，打开中间容器5处理剩余压裂液及天平监测装置17中的压裂废液。

Claims (6)

1.三轴加载脉冲水力压裂裂缝扩展动态监测试验装置，包括注液控制***、脉冲发生器、三轴应力加载***、三轴伺服控制***、缝内水压监测***和声发射三维动态监测***，其特征在于：
所述注液控制***包括容器池(1)、高压泵(2)、第一多通阀(3)、第一开关阀(4)、中间容器(5)、第二开关阀(6)、第二多通阀(7)和进液口压力传感器(8)；所述高压泵(2)通过第一多通阀(3)、第一开关阀(4)连接到多个中间容器(5)，将容器池(1)中的液体不间断独立注入不同压裂液体系；
所述脉冲发生器(9)置于第二多通阀(7)和进液口压力传感器(8)之间；
所述三轴应力加载***包括岩心夹持器(10)、轴压加载装置(15)、环压加载装置(13)、压力传递监测装置(11)、声发射定位监测装置(14)、回压阀(16)和天平监测装置(17)；所述岩心夹持器(10)为圆筒体结构，轴压加载装置(15)给筒内岩心(12)两端提供轴向压力，环压加载装置(13)给筒内岩心(12)提供围向压力；所述压力传递监测装置(11)线性布置在岩心夹持器(10)上；所述声发射定位监测装置(14)空间布置在岩心夹持器(10)上；
所述三轴伺服控制***包括高压泵伺服控制装置、环压伺服控制装置和轴压伺服控制装置，环压伺服控制装置和轴压伺服控制装置分别提供筒内岩心(12)围向和两端压力；
所述监测***包括声发射三维动态监测***、缝内水压监测***、进液口压力监测***和天平监测***；声发射三维动态监测***是由信号采集器将多个声发射探头(33)所采集到的信息源通过数据线连接到声发射监测软件中，形成一个完整的采集监测***；所述缝内水压监测***是将多个压力传感器安装于压力传递监测孔上，采集裂缝缝内水压值，通过数据线接入缝内水压采集软件中，实现对缝内水压的实时监测。
2.根据权利要求1所述三轴加载脉冲水力压裂裂缝扩展动态监测试验装置，其特征在于：所述的三轴伺服控制***与监测***，通过电压同步触发机制由微机(18)进行相互协同与控制。
3.根据权利要求1所述三轴加载脉冲水力压裂裂缝扩展动态监测试验装置，其特征在于：所述的压力传递监测装置(11)由第一压力监测孔(20)、第二压力监测孔(35)、第三压力监测孔(36)和第四压力监测孔(37)组成；以岩心夹持器(10)长度方向的筒体中点为基点，第一压力监测孔(20)和第四压力监测孔(37)、第二压力监测孔(35)和第三压力监测孔(36)线性对称等距分布在岩心夹持器(10)上；监测孔中安装有压力传感器，传感器通过数据线连接到压力传递监测***中。
4.根据权利要求1所述三轴加载脉冲水力压裂裂缝扩展动态监测试验装置，其特征在于：所述的声发射定位监测装置(14)由第一对声发射监测孔(21)、第二对声发射监测孔(22)和第三对声发射监测孔(23)组成；每一对声发射监测孔有两个监测孔，且对称分布于岩心夹持器筒体(26)上；第三对声发射监测孔(23)位于岩心夹持器(10)长度方向的筒体(26)中点位置，且与压力传递监测装置(11)处于同一平面，第一对声发射监测孔(21)和第二对声发射监测孔(22)对称分布于第三对声发射监测孔(23)的左右两侧，且第一对声发射监测孔(21)和第二对声发射监测孔(22)分别与第三对声发射监测孔(23)呈垂直分布，这三对监测孔呈空间垂直分布在岩心夹持器(10)上。
5.根据权利要求4所述三轴加载脉冲水力压裂裂缝扩展动态监测试验装置，其特征在于：所述第一对声发射监测孔(21)、第二对声发射监测孔(22)和第三对声发射监测孔(23)中每个声发射监测孔由第一密封垫(27)、分隔管(28)、波导杆(29)、压帽(30)、第二密封垫(31)和紧固螺帽(32)组成；波导杆(29)两端分别接触岩心(12)与声发射探头(33)，用于信号传输；波导杆(29)穿过环压空间(25)，由分隔管(28)隔绝保护，分隔管(28)由第一密封垫(27)和压帽(30)固定，保证分隔管(28)与环压空间(25)之间的密封性；由第二密封垫(31)、紧固螺帽(32)保证波导杆(29)与分隔管(28)之间的密封性，同时波导杆(29)被紧固螺帽(32)通过第二密封垫(31)压紧贴合，与岩心(12)接触良好；由波导杆(29)将信号传至声发射探头(33)上，再通过信号采集器，连入声发射三维动态监测***中。
6.根据权利要求5所述三轴加载脉冲水力压裂裂缝扩展动态监测试验装置，其特征在于：所述声发射探头(33)放置于声发射监测孔紧固螺帽(32)内，由探头夹具(34)固定贴紧使其与波导杆(29)紧密贴合。
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