CN112033811B - 一种上向钻孔低温流体致裂的模拟实验***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种上向钻孔低温流体致裂的模拟实验***及方法，包括真三轴加载装置、数据监测装置和冰胀致裂模拟装置，真三轴加载装置能对试样在三个方向上独立施加预应力，冰胀致裂模拟装置能在上向钻孔内注满过冷水，并使低温流体流经内螺纹换热管和外螺纹换热管，进而过冷水与低温流体在上向钻孔内发生热交换，使水相变成冰，进而其体积膨胀产生的冰胀力对上向钻孔的孔壁进行压裂；数据监测装置从过冷水注入直至完成冰胀致裂的全过程进行监测，从而实现监测冰胀压裂上向钻孔全过程的温度和声发射的变化情况，获取上向钻孔温度变化与致裂情况之间的关系，为后续研究提供数据基础。

Description

一种上向钻孔低温流体致裂的模拟实验***及方法
技术领域
本发明涉及一种上向钻孔低温流体致裂的模拟实验***及方法，属于煤层压裂试验技术领域。
背景技术
中国非常规天然气资源丰富，发展潜力大，其中煤层气可采资源量约为10.87×1012m3,页岩气可采资源量为15×1012～25×1012m3，未来10～20年，中国非常规天然气产量将显著增长，在弥补常规油气产量短缺中扮演日益重要的角色。我国非常规天然气资源储量虽大，但储层复杂且致密，储集空间主体为纳米级孔喉***，局部发育微米～毫米级孔隙。因此，强化增透措施对于开发这类能源至关重要。美国页岩气规模开发的成功，离不开水力压裂增透技术，但同时问题也显露出来，如：压裂液泄露污染地下水体、水敏性地层孔隙堵塞、坚硬地层内启动压力高、水资源大量浪费等。
通过调研发现，目前行业内对于冰胀压裂的研究较少，尤其是针对冰胀压裂真三轴模拟实验***的开发更是空白，真三轴模拟对于推动冰胀压裂现场应用而言是必不可少的一环，目前该***开发的核心难点在于如何有效地使水充分作用于上向钻孔壁且如何模拟冰胀致裂过程，同时能对试验过程进行全面地数据测量。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种上向钻孔低温流体致裂的模拟实验***及方法，能有效模拟水相变成冰对上向钻孔壁进行冰胀致裂，并且能对冰胀致裂全过程进行全面地数据测量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种上向钻孔低温流体致裂的模拟实验***，包括真三轴加载装置、试验台、数据监测装置和冰胀致裂模拟装置，
所述试验台包括支撑平板和底座，支撑平板处于底座正上方、且支撑平板与底座之间通过多个圆柱固定连接；
所述真三轴加载装置包括液压控制箱、液压控制器、压力表、液压加载缸、加载板和挡板，液压控制器、压力表、加载板、液压加载缸和挡板均为三个，三个加载板和三个挡板均设置在支撑平板上，三个加载板和三个挡板围成立方体形加载室、且加载室的三组相对面均由一个加载板和一个挡板组成；三个液压加载缸的伸出端分别与三个加载板固定连接，三个液压控制器通过液压管分别与三个液压加载缸连接，液压控制箱分别通过三个液压控制器对三个液压加载缸进行控制，三个压力表分别与三个液压控制器连接，用于检测三个液压加载缸各自的压力值；试样放置在加载室内、且试样上开设上向钻孔；
所述冰胀致裂模拟装置包括内螺纹换热管、外螺纹换热管、气体加压泵、低温流体罐、低温流体注入管、低温流体回流管、冷凝器、过冷水箱、注水泵和注水管，内螺纹换热管和外螺纹换热管交错设置在上向钻孔内、且内螺纹换热管一端和外螺纹换热管一端连接；气体加压泵和冷凝器均装在低温流体罐上、且均与低温流体罐连通；低温流体回流管处于低温流体注入管内，低温流体注入管一端伸入低温流体罐内，低温流体注入管另一端穿过支撑平板和加载室底部的挡板伸入上向钻孔内、并与外螺纹换热管另一端连接；低温流体回流管一端伸出低温流体注入管与冷凝器连接，低温流体回流管另一端穿过支撑平板和加载室底部的挡板伸入上向钻孔内、并与内螺纹换热管另一端连接；注水泵装在过冷水箱上、且与过冷水箱内连通；注水管一端与注水泵连接，注水管另一端穿过支撑平板和加载室底部的挡板伸入上向钻孔内；低温流体注入管上装有第一控制阀，注水管上装有第二控制阀；
所述数据监测装置包括声发射接收器、温度信号接收器、温度检测装置、声发射探头、控制主机和显示器，温度检测装置和声发射探头均为多个，多个温度检测装置均匀固定在试样表面、且各个温度检测装置通过数据线与温度信号接收器连接，多个声发射探头分别固定在围成加载室的各个挡板和加载板内表面、且各个声发射探头通过数据线与声发射接收器连接，声发射接收器和温度信号接收器均通过数据线与控制主机连接，控制主机与显示器连接。
进一步，所述低温流体为液态氮、液态二氧化碳的其中一种。
进一步，所述过冷水为预冷至温度为0℃或接近0℃的低温水。
进一步，所述温度检测装置为T型热电偶。
进一步，所述第一控制阀为低温球阀。
进一步，所述控制主机为微型计算机。
一种上向钻孔低温流体致裂的模拟实验***的使用方法，具体步骤为：
A、先制备带有上向钻孔的试样，并将试样放置到加载室内，将内螺纹换热管和外螺纹换热管装在上向钻孔内，并将注水管、低温流体注入管和低温流体回流管伸入上向钻孔后，将上向钻孔的孔口密封；
B、先设定三个液压加载缸各自的加载压力值，开启液压控制箱，通过三个液压控制器分别使三个液压加载缸开始带动加载板对试样施加预应力，三个液压加载缸独立控制，通过三个压力表分别观察三个液压加载缸的实时加载压力值，当各自实时加载压力值达到设定的加载压力值时，停止加载并保持当前状态，完成试样真三轴加载预应力的过程；
C、开启第二控制阀和注水泵，此时注水泵将过冷水箱内的过冷水通过注水管注入上向钻孔内，持续一段时间后，停止注水泵并关闭第二控制阀，保持上向钻孔内的水压；然后开启气体加压泵和第一控制阀，此时低温流体以一定压力依次流经低温流体注入管、外螺纹换热管、内螺纹换热管和低温流体回流管，在低温流体经过处于上向钻孔内的外螺纹换热管和内螺纹换热管时，上向钻孔内的过冷水与低温流体发生热交换，此时过冷水的温度快速下降，使水相变成冰，进而其体积膨胀产生的冰胀力对上向钻孔的孔壁进行压裂；同时经过热交换的低温流体温度升高使其部分相变形成气体，并随低温流体继续流动，最后回流到冷凝器内，低温流体经过冷凝器冷凝后回流到低温流体罐内，如此循环一段时间后停止气体加压泵，完成一次模拟上向钻孔冰胀致裂的过程；
D、从过冷水注入上向钻孔直至低温流体循环对上向钻孔完成冰胀致裂的全过程中，声发射探头实时监测试样内部产生的应力波，并通过声发射接收器反馈给控制主机；温度检测装置实时监测试样的温度情况，并通过温度信号接收器反馈给控制主机；控制主机将上述两个监测数据通过显示器显示，从而实现监测冰胀压裂上向钻孔全过程的温度和声发射的变化情况，获取上向钻孔温度变化与致裂情况之间的关系。
与现有技术相比，本发明采用真三轴加载装置、试验台、数据监测装置和冰胀致裂模拟装置相结合方式，真三轴加载装置能对试样在三个方向上独立施加预应力，冰胀致裂模拟装置能先对试样的上向钻孔内注满过冷水，然后使低温流体流经外螺纹换热管和内螺纹换热管，这样上向钻孔内的过冷水与低温流体发生热交换此时过冷水的温度快速下降，使水相变成冰，进而其体积膨胀产生的冰胀力对上向钻孔的孔壁进行压裂；数据监测装置能从过冷水注入上向钻孔直至对上向钻孔完成冰胀致裂的全过程进行监测，从而实现监测冰胀压裂上向钻孔全过程的温度和声发射的变化情况，获取上向钻孔温度变化与致裂情况之间的关系，为后续研究提供数据基础。因此本发明能有效模拟水相变成冰对上向钻孔壁进行冰胀致裂，并且能对冰胀致裂全过程进行全面地数据测量。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中加载室的局部放大图。
图中：1、液压控制箱，2、压力表，3、液压控制器，4、液压加载缸，5、加载室，6、支撑平板，7、注水管，8、底座，9、圆柱，10、过冷水箱，11、注水泵，12、第二控制阀，13、低温流体注入管，14、低温流体罐，15、冷凝器，16、气体加压泵，17、低温流体回流管，18、第一控制阀，19、上向钻孔，20、内螺旋换热管，21、T型热电偶，22、声发射探头，23、外螺纹换热管，24、声发射接收器，25、温度信号接收器，26、控制主机，27、显示器。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，一种上向钻孔低温流体致裂的模拟实验***，包括真三轴加载装置、试验台、数据监测装置和冰胀致裂模拟装置，
所述试验台包括支撑平板6和底座8，支撑平板6处于底座8正上方、且支撑平板6与底座8之间通过多个圆柱9固定连接；
所述真三轴加载装置包括液压控制箱1、液压控制器3、压力表2、液压加载缸4、加载板和挡板，液压控制器3、压力表2、加载板、液压加载缸4和挡板均为三个，三个加载板和三个挡板均设置在支撑平板6上，三个加载板和三个挡板围成立方体形加载室5、且加载室5的三组相对面均由一个加载板和一个挡板组成；三个液压加载缸4的伸出端分别与三个加载板固定连接，三个液压控制器3通过液压管分别与三个液压加载缸4连接，液压控制箱1分别通过三个液压控制器3对三个液压加载缸4进行控制，三个压力表2分别与三个液压控制器3连接，用于检测三个液压加载缸4各自的压力值；试样放置在加载室5内、且试样上开设上向钻孔19；
所述冰胀致裂模拟装置包括内螺纹换热管20、外螺纹换热管23、气体加压泵16、低温流体罐14、低温流体注入管13、低温流体回流管17、冷凝器15、过冷水箱10、注水泵11和注水管7，内螺纹换热管20和外螺纹换热管23交错设置在上向钻孔19内、且内螺纹换热管20一端和外螺纹换热管23一端连接；气体加压泵16和冷凝器15均装在低温流体罐14上、且均与低温流体罐14连通；低温流体回流管17处于低温流体注入管13内，低温流体注入管13一端伸入低温流体罐14内，低温流体注入管13另一端穿过支撑平板6和加载室5底部的挡板伸入上向钻孔19内、并与外螺纹换热管23另一端连接；低温流体回流管17一端伸出低温流体注入管13与冷凝器15连接，低温流体回流管17另一端穿过支撑平板6和加载室5底部的挡板伸入上向钻孔19内、并与内螺纹换热管20另一端连接；注水泵11装在过冷水箱10上、且与过冷水箱10内连通；注水管7一端与注水泵11连接，注水管7另一端穿过支撑平板6和加载室5底部的挡板伸入上向钻孔19内；低温流体注入管13上装有第一控制阀18，注水管7上装有第二控制阀12；
所述数据监测装置包括声发射接收器24、温度信号接收器25、温度检测装置、声发射探头22、控制主机26和显示器27，温度检测装置和声发射探头22均为多个，多个温度检测装置均匀固定在试样表面、且各个温度检测装置通过数据线与温度信号接收器25连接，多个声发射探头22分别固定在围成加载室5的各个挡板和加载板内表面、且各个声发射探头22通过数据线与声发射接收器24连接，声发射接收器24和温度信号接收器25均通过数据线与控制主机26连接，控制主机26与显示器27连接。
上述真三轴加载装置为现有设备。
进一步，所述低温流体为液态氮、液态二氧化碳的其中一种。
进一步，所述过冷水为预冷至温度为0℃或接近0℃的低温水。
进一步，所述温度检测装置为T型热电偶21。
进一步，所述第一控制阀18为低温球阀。
进一步，所述控制主机26为微型计算机。
一种上向钻孔低温流体致裂的模拟实验***的使用方法，具体步骤为：
A、先制备带有上向钻孔19的试样，并将试样放置到加载室5内，将内螺纹换热管20和外螺纹换热管23装在上向钻孔19内，并将注水管7、低温流体注入管13和低温流体回流管17伸入上向钻孔19后，将上向钻孔19的孔口密封；
B、先设定三个液压加载缸4各自的加载压力值，开启液压控制箱1，通过三个液压控制器3分别使三个液压加载缸4开始带动加载板对试样施加预应力，三个液压加载缸4独立控制，通过三个压力表2分别观察三个液压加载缸4的实时加载压力值，当各自实时加载压力值达到设定的加载压力值时，停止加载并保持当前状态，完成试样真三轴加载预应力的过程；
C、开启第二控制阀12和注水泵11，此时注水泵11将过冷水箱10内的过冷水通过注水管7注入上向钻孔19内，持续一段时间后，停止注水泵11并关闭第二控制阀12，保持上向钻孔19内的水压；然后开启气体加压泵16和第一控制阀18，此时低温流体以一定压力依次流经低温流体注入管13、外螺纹换热管23、内螺纹换热管20和低温流体回流管17，在低温流体经过处于上向钻孔19内的外螺纹换热管23和内螺纹换热管20时，上向钻孔19内的过冷水与低温流体发生热交换，此时过冷水的温度快速下降，使水相变成冰，进而其体积膨胀产生的冰胀力对上向钻孔19的孔壁进行压裂；同时经过热交换的低温流体温度升高使其部分相变形成气体，并随低温流体继续流动，最后回流到冷凝器15内，低温流体经过冷凝器15冷凝后回流到低温流体罐14内，如此循环一段时间后停止气体加压泵16，完成一次模拟上向钻孔冰胀致裂的过程；
D、从过冷水注入上向钻孔19直至低温流体循环对上向钻孔19完成冰胀致裂的全过程中，声发射探头22实时监测试样内部产生的应力波，并通过声发射接收器24反馈给控制主机26；温度检测装置实时监测试样的温度情况，并通过温度信号接收器25反馈给控制主机26；控制主机26将上述两个监测数据通过显示器27显示，从而实现监测冰胀压裂上向钻孔19全过程的温度和声发射的变化情况，获取上向钻孔温度变化与致裂情况之间的关系。

Claims (5)

1.一种上向钻孔低温流体致裂的模拟实验***的使用方法，其特征在于，采用的模拟实验***包括真三轴加载装置、试验台、数据监测装置和冰胀致裂模拟装置，
所述试验台包括支撑平板和底座，支撑平板处于底座正上方、且支撑平板与底座之间通过多个圆柱固定连接；
所述真三轴加载装置包括液压控制箱、液压控制器、压力表、液压加载缸、加载板和挡板，液压控制器、压力表、加载板、液压加载缸和挡板均为三个，三个加载板和三个挡板均设置在支撑平板上，三个加载板和三个挡板围成立方体形加载室、且加载室的三组相对面均由一个加载板和一个挡板组成；三个液压加载缸的伸出端分别与三个加载板固定连接，三个液压控制器通过液压管分别与三个液压加载缸连接，液压控制箱分别通过三个液压控制器对三个液压加载缸进行控制，三个压力表分别与三个液压控制器连接，用于检测三个液压加载缸各自的压力值；试样放置在加载室内、且试样上开设上向钻孔；
所述冰胀致裂模拟装置包括内螺纹换热管、外螺纹换热管、气体加压泵、低温流体罐、低温流体注入管、低温流体回流管、冷凝器、过冷水箱、注水泵和注水管，内螺纹换热管和外螺纹换热管交错设置在上向钻孔内、且内螺纹换热管一端和外螺纹换热管一端连接；气体加压泵和冷凝器均装在低温流体罐上、且均与低温流体罐连通；低温流体回流管处于低温流体注入管内，低温流体注入管一端伸入低温流体罐内，低温流体注入管另一端穿过支撑平板和加载室底部的挡板伸入上向钻孔内、并与外螺纹换热管另一端连接；低温流体回流管一端伸出低温流体注入管与冷凝器连接，低温流体回流管另一端穿过支撑平板和加载室底部的挡板伸入上向钻孔内、并与内螺纹换热管另一端连接；注水泵装在过冷水箱上、且与过冷水箱内连通；注水管一端与注水泵连接，注水管另一端穿过支撑平板和加载室底部的挡板伸入上向钻孔内；低温流体注入管上装有第一控制阀，注水管上装有第二控制阀；
所述数据监测装置包括声发射接收器、温度信号接收器、温度检测装置、声发射探头、控制主机和显示器，温度检测装置和声发射探头均为多个，多个温度检测装置均匀固定在试样表面、且各个温度检测装置通过数据线与温度信号接收器连接，多个声发射探头分别固定在围成加载室的各个挡板和加载板内表面、且各个声发射探头通过数据线与声发射接收器连接，声发射接收器和温度信号接收器均通过数据线与控制主机连接，控制主机与显示器连接；具体步骤为：
A、先制备带有上向钻孔的试样，并将试样放置到加载室内，将内螺纹换热管和外螺纹换热管装在上向钻孔内，并将注水管、低温流体注入管和低温流体回流管伸入上向钻孔后，将上向钻孔的孔口密封；
B、先设定三个液压加载缸各自的加载压力值，开启液压控制箱，通过三个液压控制器分别使三个液压加载缸开始带动加载板对试样施加预应力，三个液压加载缸独立控制，通过三个压力表分别观察三个液压加载缸的实时加载压力值，当各自实时加载压力值达到设定的加载压力值时，停止加载并保持当前状态，完成试样真三轴加载预应力的过程；
C、开启第二控制阀和注水泵，此时注水泵将过冷水箱内的过冷水通过注水管注入上向钻孔内，持续一段时间后，停止注水泵并关闭第二控制阀，保持上向钻孔内的水压；然后开启气体加压泵和第一控制阀，此时低温流体以一定压力依次流经低温流体注入管、外螺纹换热管、内螺纹换热管和低温流体回流管，在低温流体经过处于上向钻孔内的外螺纹换热管和内螺纹换热管时，上向钻孔内的过冷水与低温流体发生热交换，此时过冷水的温度快速下降，使水相变成冰，进而其体积膨胀产生的冰胀力对上向钻孔的孔壁进行压裂；同时经过热交换的低温流体温度升高使其部分相变形成气体，并随低温流体继续流动，最后回流到冷凝器内，低温流体经过冷凝器冷凝后回流到低温流体罐内，如此循环一段时间后停止气体加压泵，完成一次模拟上向钻孔冰胀致裂的过程；所述过冷水为预冷至温度为0℃或接近0℃的低温水；
D、从过冷水注入上向钻孔直至低温流体循环对上向钻孔完成冰胀致裂的全过程中，声发射探头实时监测试样内部产生的应力波，并通过声发射接收器反馈给控制主机；温度检测装置实时监测试样的温度情况，并通过温度信号接收器反馈给控制主机；控制主机将上述两个监测数据通过显示器显示，从而实现监测冰胀压裂上向钻孔全过程的温度和声发射的变化情况，获取上向钻孔温度变化与致裂情况之间的关系。
2.根据权利要求1所述的一种上向钻孔低温流体致裂的模拟实验***的使用方法，其特征在于，所述低温流体为液态氮、液态二氧化碳的其中一种。
3.根据权利要求1所述的一种上向钻孔低温流体致裂的模拟实验***的使用方法，其特征在于，所述温度检测装置为T型热电偶。
4. 根据权利要求1 所述的一种上向钻孔低温流体致裂的模拟实验***的使用方法，其特征在于，所述第一控制阀为低温球阀。
5. 根据权利要求1 所述的一种上向钻孔低温流体致裂的模拟实验***的使用方法，其特征在于，所述控制主机为微型计算机。
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