CN111579353A - 一种集加载和注液于一体的水力堵头装置和试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种集加载和注液于一体的水力堵头装置和试验方法，包括堵头装置本体和管线转接头；所述堵头装置本体具有水力堵头密封端面，堵头装置本体上具有L型导流孔和横向设置的压裂液入射孔；所述管线转接头为中心空洞的环状管阀件，管线转接头设置在L型导流孔横向的端部和压裂液入射孔端部之间，且管线转接头将L型导流孔横向的部分与裂液入射孔连通。本发明限定的水力堵头装置结构简易小巧、操作方便、密封性能可靠、拆装方便、经济、可循环使用，同时适应性强，即使是对针对钻孔较小的试样，也可能适用。
Description
技术领域
本发明涉及室内水力压裂实验技术领域，具体涉及一种辅助水力压裂实验、集加载和注液于一体的水力堵头装置及试验方法。
背景技术
非常规油气藏通过特殊手段改善储层渗透率，可实现传统开采技术无法直接获取的油气资源最大限度的开采利用。其中，水力压裂技术是非常规致密油气藏增产的主要措施。在水力压裂过程中，注入的高压流体驱动水力裂隙连续扩展，沟通储层各向异性裂隙群，最终形成纵横交错的复杂裂缝网络。随后在压差作用下，储层岩石内游离、吸附的油气析出，并顺压裂液返排，实现油气抽采过程。其中，水力裂缝扩展形态对复杂缝网的形成和油气最终抽采效率具有重要影响。
室内水力压裂试验模拟是研究储层水力裂缝起裂延伸规律的主要手段。因此稳定而有效模拟水力压裂过程对控制水力裂缝起裂和扩展至关重要。在水力压裂试验过程中，压裂液常以恒定流量或压力速率注入预先开凿钻孔的岩石试件内，伴随钻孔内流体体积的增大，钻孔内原有的气体被压缩。当气体体积被压缩到临界限度时，在压裂液入射口附近将出现高压应力。该应力区很大程度区抑制了压裂液的进一步注入，甚至引起压裂液沿钻孔孔壁渗漏，导致水力压裂试验失败。
现有室内水力压裂试验的多采用树脂胶封堵，主要是将入射管与钻孔孔壁粘结，利用胶的粘结力克服流体注入对入射管产生的反作用力，从而确保流体注入过程无流体沿孔壁溢出，直至岩石破裂，产生水力裂缝。但现有封堵方法操作困难，尤其针对钻孔较小（直径<10 mm）的试样,树脂胶与孔壁之间很难充填密实，且试验后压裂液入射口处压裂试样与胶体粘结成一体，不利于水力裂缝的观察，此外，岩石起裂时需同时克服树脂胶的粘结力，导致压裂试验的结果误差较大。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明的要解决的技术问题是：如何实现在压裂液出水口和岩石试件钻孔之间实现稳定的密封效果，避免黏胶造成的操作困难和结果误差。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种集加载和注液于一体的水力堵头装置，包括堵头装置本体和管线转接头；
所述堵头装置本体具有水力堵头密封端面，堵头装置本体上具有L型导流孔和横向设置的压裂液入射孔；
所述管线转接头为中心空洞的环状管阀件，管线转接头设置在L型导流孔横向的端部和压裂液入射孔端部之间，且管线转接头将L型导流孔横向的部分与裂液入射孔连通。
作为改进，所述压裂液入射孔内壁具有锥形密封螺纹。锥形螺纹的设计防止压裂液泄露，同时可克服因流体注入压缩气体产生的反力作用
作为改进，管线转接头靠近压裂液入射孔部分的内壁面为向内凸，且逐渐收缩的结构。弧形转接头壁面可防止压裂液回流。线转接头2在所述压裂孔入射和L型导流孔之间起到过渡作用，入射管线出水口通过转接头流入后续L型导流孔内，最终通过竖向的孔流出。这样的设置使得压裂液所受到的阻力更小，流动更为快速和顺畅。同时，转接头上设所知的弧面能够对水流起到引流作用，使高压液体直接被引到出L型导流孔。
作为改进，所述L型导流孔内壁平整光滑。压裂液经管线出水口直接流入L型导流孔内，并在转折位置由水平流动转为竖向向下流动。
作为改进，所述堵头密封端面具有向堵头装置本体内凹陷的密封槽I，所述内密封槽I与L型导流孔的出液孔同心。确保出水孔旁密封面积分配均匀，防止因孔压增大，同心密封槽I内接触面积受力不均而发生漏液。
作为改进，所述密封槽I内设有O型密封圈。在L型导流孔出水口与已预制钻孔的岩石试件端面之间起到密封作用，同心密封槽I是防止压裂液泄露的第一道防线。
作为改进，所述堵头密封端面具有向堵头装置本体内凹陷的密封槽II，所述内密封槽II与密封槽I同心，且密封槽II的内外径均大于密封槽I的外径。确保同心密封槽II与同心密封槽I之间的环形面积相对于所述L型导流孔的出水孔分配均匀，防止因受力不均而漏液。
作为改进，所述密封槽II内设有O型密封圈。在同心密封槽II与已预制钻孔的岩石试件端面之间起到密封防漏作用，同心密封槽II是防止压裂液泄露的第二道防线。
一种岩石水力压裂试验方法，采用上述的集加载和注液于一体的水力堵头装置，具体包括如下步骤：
S1:在所述密封槽I和密封槽II内各放置适宜规格的O型密封圈；
S2:水力堵头密封端面与预制钻孔的岩石试件端面相接触；
S3:通过试验机加载头向岩石试件施加预定的初始压应力；
S4:通过注射泵以恒流量或恒压速率向岩石试件内注入压裂液加载；
密切关注压裂液泵速和压力变化和岩石试件表面形态，一旦岩石试件破坏，先立即关闭注射泵注入***，再关闭初始压应力加载***，完成试验。
相对于现有技术，本发明至少具有如下优点：
1. 本发明限定的水力堵头装置结构简易小巧、操作方便、密封性能可靠、拆装方便、经济、可循环使用，同时适应性强，即使是对针对钻孔较小的试样，也可能适用。
2.L型导流孔的结构使得水平恒速注入的压裂液稳定转为竖向注入，确保了水力稳定加载过程。
3.水力堵头密封端面两个同心密封槽的设计解决常规水力压裂端部胶粘的密封问题，同时使得岩石试件拆装方便，大大降低对破裂岩石试件的扰动。且密封圈易于更换，操作方便。
4. 本发明限定的水力堵头装置可直接安置于传统单、双、三轴试验机上，再借助水力压裂注射泵即可模拟开展不同初始地应力下的水力压裂试验，无需花费大量人力、财力和时间制造配备专门的水力压裂试验***，且在水力压裂过程，可利用试验机和注射泵原有的加载控制***和数据监测***，从而保证了试验结果的精确度。
附图说明
图1为水力堵头装置的俯视图。
图2为图1 A-A处的剖面图。
图3为水力堵头装置的侧视图。
图4为水力压裂试验***结构示意图。
图5为实例2中水力堵头与柱状试样装配后三维立体图。
图6为实例3中水力堵头与块状试样装配后三维立体图。
图中：1-压裂液入射孔，2-管线转接头，3-L型导流孔，4-密封槽I，5-密封槽II，6-堵头密封端面，7-加载端面，8-外接管线，9-O型密封圈，10-螺丝，11-试验机轴向压头，a-预制钻孔柱状岩石试件，b-预制钻孔块状岩石试件。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细说明。
实施例1：参见图1-图4，一种集加载和注液于一体的水力堵头装置，包括堵头装置本体和管线转接头2；所述堵头装置本体具有水力堵头密封端面6，堵头装置本体上具有L型导流孔3和横向设置的压裂液入射孔1；
所述管线转接头2为中心空洞的环状管阀件，管线转接头2设置在L型导流孔3横向的端部和压裂液入射孔1端部之间，且管线转接头2将L型导流孔3横向的部分与裂液入射孔1连通。
该水力堵头装置从功能上划分由注液部分、密封部分和加载部分组成。
所述的注液部分为压裂液流经水力堵头装置注入岩石试件预制钻孔所经过的部分。它主要包括压裂液入射孔1、管线转接头2和L型导流孔3。
压裂液入射孔1横向设置，且其出口位于堵头装置本体的一个侧面，压裂液入射孔1内壁预制锥形密封螺纹，使用时，通过外接合适规格的螺丝10，以固定外接管线8，压裂液通过外接管线8流入堵头装置本体。锥形密封螺纹的设计防止压裂液泄露，同时可克服因流体注入压缩气体产生的反力作用。
管线转接头2为中心空洞的环状管阀件，管线转接头2靠近压裂液入射孔1部分的内壁面为向内凸，且逐渐收缩的结构。外接管线8压裂液出水口在管线转接头2远离压裂液入射孔1一端伸出，弧形转接头壁面可防止压裂液回流。
L型导流孔3包括横向的部分和竖向的部分，L型导流孔3横向部分通过管线转接头2与压裂液入射孔1连通，L型导流孔3内壁平整光滑，压裂液经管线出水口直接流入L型导流孔内，并在转折位置由水平流动转为竖向向下流动。
密封部分包括水力堵头密封端面6、密封槽I5、密封槽II4和O型密封圈9。
水力堵头密封端面6即堵头装置本体的底面，其表面光滑平整，无毛刺，该端面与试验机压头接触，确保端面与试验机压头完全接触。
所述密封槽I5和密封槽II4为水力堵头装置的关键部分。密封槽I5和密封槽II4内需设有O型密封圈9，在轴向加压条件下，密封圈9收缩变形，并与岩石试件端面压紧，初设轴向压力需大于岩石试件水力压裂破裂压力，保证注液过程压裂液不会沿端面泄露，从而实现对岩石试件的端部密封。
所述O型密封圈9具有伸缩性，在预先设置轴压条件下不会失效，从确保稳定的密封效果。
使用时，水力堵头密封端面6与预制钻孔岩石试件直接接触。
基于实施例1给出的水力堵头装置，本发明可依据实际情况改造于展开不同应力状态下的水力压裂试验，在以下实施例中主要配合常规轴向加压试验机和注射泵开展水力压力试验，试验***示意图参见图4。
本发明提供的水力堵头装置水力堵头装置可针对小型岩样φ50×100 mm进行试验，进而探究不同尺寸效应下的单向轴压作用下水力裂缝起裂扩展规律。单次试验一人即可操作，操作方便，容易拆装，成本较低。
实施例2：一种岩石水力压裂试验方法，采用实施例1所述的集加载和注液于一体的水力堵头装置，本实施例将水力堵头放在常规轴向加压试验机上，开展水力压裂试验，主要针对柱状岩石试件，试验***参见图4，具体包括如下步骤：
S1:参见图2，在所述密封槽I5和密封槽II4内各放置适宜规格的O型密封圈9。
S2:水力堵头密封端面6与预制钻孔的岩石试件端面相接触装配，装配完成后的三维立体图像如图5所示。
S3:参见图4，将岩石试件置于轴向加压的试验机上，并利用试验机加载头11向岩石试件施加初始法向应力，即试验机轴向压头11将荷载稳定施加，通过刚性的水力压裂堵头，将荷载稳定传递至岩石试件。
S4:待S3法向应力稳定后，启动注射泵，以恒定的流体速率注入流体，压裂液经由水力堵头装置，在重力和泵压推动下，注入岩石试件预先开凿的钻孔内，随孔内压力增大，岩石试件被水力稳定加载。
需要说明的是，步骤3和步骤4位置不可以替换。
S5:时刻关注流体注射压力和流速变化以及岩石试样表面形态，一旦岩石试件破坏，先立即关闭注射泵，再关闭轴压加载***。
S6:通过注射泵以恒流量或恒压速率向岩石试件内注入压裂液加载；
S7:卸载轴向压力，拆卸压头和试样，记录实验数据，完成试验。
实施例3：一种岩石水力压裂试验方法，采用实施例1所述的集加载和注液于一体的水力堵头装置，本实施例将水力堵头装置放在三轴加压试验机上，配合注射泵开展水力压裂试验，主要针对块状岩石试件，试验***参见图4，具体包括如下步骤：
S1:参见图2，在所述密封槽I5和密封槽II4内各放置适宜规格的O型密封圈9。
S2:将水力堵头密封端面6与块状岩石试件预制钻孔端面装配，装配完成后的三维立体效果如图6所示。
S3:参见图4，将岩石试件置于三轴试验机上，并利用试验机加载头11向岩石试件施加初始法向应力。
S4:待步骤S3法向应力稳定后，利用试验机压头以恒的速率向岩石试件端面施加围压1至初始设定值。
S5:待步骤S4施加围压1稳定后，启动以恒定的速率向岩石试件施加围压2至预定值。
S6:步骤S4施加围压2稳定后，启动注射泵，以流体速率注入岩石试件预先开凿的钻孔内，随孔内压力增大，岩石试件被水力稳定加载。
需要说明的是，步骤3、4、5和6位置均不可替换。
S7:时刻关注岩石试样表面形态及流体注射压力和流速变化，一旦岩石试件破坏，先立即关闭注射泵，再关闭围压1和围压2，最后关闭轴压加载***。
S8:先卸载围压1，再卸载围压2，最后卸载轴向压力。
S9:拆卸压头和试样，记录实验数据，完成试验。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种集加载和注液于一体的水力堵头装置，其特征在于：包括堵头装置本体和管线转接头（2）；
所述堵头装置本体具有水力堵头密封端面（6），堵头装置本体上具有L型导流孔（3）和横向设置的压裂液入射孔（1）；
所述管线转接头（2）为中心空洞的环状管阀件，管线转接头（2）设置在L型导流孔（3）横向的端部和压裂液入射孔（1）端部之间，且管线转接头（2）将L型导流孔（3）横向的部分与裂液入射孔（1）连通。
2.如权利要求1所述的集加载和注液于一体的水力堵头装置，其特征在于： 所述压裂液入射孔（1）内壁具有锥形密封螺纹。
3.如权利要求1所述的集加载和注液于一体的水力堵头装置，其特征在于：管线转接头（2）靠近压裂液入射孔（1）部分的内壁面为向内凸，且逐渐收缩的结构。
4.如权利要求1所述的集加载和注液于一体的水力堵头装置，其特征在于：所述L型导流孔（3）内壁平整光滑。
5.如权利要求1所述的集加载和注液于一体的水力堵头装置，其特征在于：所述堵头密封端面（6）具有向堵头装置本体内凹陷的密封槽I（5），所述内密封槽I（5）与L型导流孔（3）的出液孔同心。
6.如权利要求5所述的集加载和注液于一体的水力堵头装置，其特征在于：所述密封槽I（5）内设有O型密封圈（9）。
7.如权利要求5或6所述的集加载和注液于一体的水力堵头装置，其特征在于：所述堵头密封端面（6）具有向堵头装置本体内凹陷的密封槽II（4），所述内密封槽II（4）与密封槽I（5）同心，且密封槽II（4）的内外径均大于密封槽I（5）的外径。
8.如权利要求7所述的集加载和注液于一体的水力堵头装置，其特征在于：所述密封槽II（4）内设有O型密封圈（9）。
9.一种岩石水力压裂试验方法，其特征在于：采用权利要求8所述的集加载和注液于一体的水力堵头装置，具体包括如下步骤：
在所述密封槽I（5）和密封槽II（4）内各放置适宜规格的O型密封圈（9）；
水力堵头密封端面（6）与预制钻孔的岩石试件端面相接触；
通过试验机加载头向岩石试件施加预定的初始压应力；
通过注射泵以恒流量或恒压速率向岩石试件内注入压裂液加载；
密切关注压裂液泵速和压力变化和岩石试件表面形态，一旦岩石试件破坏，先立即关闭注射泵注入***，再关闭初始压应力加载***，完成试验。
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