CN211553604U - 一种带ct实时扫描的真三轴水力压裂实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种带CT实时扫描的真三轴水力压裂实验装置，包括真三轴压力室、支架、加载装置、泵压***、CT扫描***及控制/监测装置。真三轴压力室包括盖板和桶体；支架包括顶板、底板及立柱，位于CT扫描区内的装置均由碳纤维材料制成；加载装置包括轴压、侧压以及围压加载装置，提供实验所需的轴压、侧压和围压；泵压装置包括注入泵和压裂管控制着实验所需要的水压；CT扫描装置包括CT放射源和CT探测器，实时观察试件内部变化；监测/控制装置包括声发射传感器、微震传感器以及流体压力传感器。此外，本发明实现了真三轴应力下水力压裂与CT扫描的实时配合，对于研究试件的裂隙发育、形态等情况有重要意义，为工程实践提供指导。

Description

一种带CT实时扫描的真三轴水力压裂实验装置

技术领域

本发明涉及一种水力压裂物理模拟实验研究，尤其适用于一种带CT实时扫描的真三轴水力压裂实验装置。

背景技术

随着国民经济的持续快速发展，我国对能源的需求量在日益增加，国内能源资源短缺形势越来越严重。我国天然气进口的依存量逐渐增加。为了解决能源的紧张状态，国家在“十二五”能源规划中将重点发展非常规天然气和其他新能源。天然气主要以吸附和游离的状态存在于煤岩体中，吸附状态占20％～85％，由于储层具有典型的低渗透性，孔隙度一般为4％～6％，渗透率小于0.001×10^-3μm²，因此对于煤层气的开发，必须要进行压裂和增透的改造，目前国内外采用最为广泛的增透技术为水力压裂。

水力裂缝的几何状态是影响压裂结果的主要因素之一，经济有效的压裂，应当尽可能地让裂缝在储层眼神，并且防止穿透水层和低渗透层，这就要在深刻认识裂缝扩展规律基础上优选压裂作业参数，并且采取有效措施控制裂缝的扩展。同时，深部煤/岩体所处的应力环境三项不等压状态(即真三轴应力状态)。开展真三轴条件下煤岩/体水力压裂裂纹扩展效果研究，对于提高天然气开采效率，特别是煤层气产量具有重要的理论价值和工程实践意义。煤岩体的内部裂缝状态往往都是从其内部的微裂隙、微孔隙开始，最终相互贯通引起宏观破坏，所以弄清煤岩体内部损伤破坏情况极为关键。而CT扫描技术能够对煤岩体内部的结构变化进行观测，全面了解其内部的变化。但是由于设备的局限，CT扫描往往是在煤岩体从真三轴水力压裂实验台上卸取之后进行的，未能够实现进行观测。

所以将CT扫描技术与真三轴水力压裂实验***相结合，实现真正意义上的实时扫描，对于实现全面、***研究真三轴受理条件下，煤岩体水力压裂裂纹扩展、损伤具有重要意义。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种能够进行实时CT扫描、可进行真三轴受力状态下煤岩体水力压裂实验的试验装置，模拟、分析煤岩体在三向应力条件下水力压裂裂纹扩展机理，可以模拟不同的应力环境、不同的水压条件。

为实现上述目的，其技术方案如下：一种带CT实时扫描的真三轴水力压裂实验装置，包括真三轴压力室，承载实验装置的支架，为煤岩体试件提供轴压、侧压、围压的加载装置，为试件提供水力环境的泵压***，能对煤岩体试件进行实时观测的CT扫描***，CT扫描***包括设置于真三轴实验机前后两侧的放射源和探测器，以及控制/采监测装置；所述真三轴压力室包括开设有进油/液口、排油口和加载***位置口的盖板、桶体；所述支架包括带有加载装置底座的顶底板和连接顶底板的立柱；所述加载装置包括上、下、左、右四个位置处的压力室及其相关配件的和围压加载液压泵；为了实现CT***的实时扫描，以上所述位于CT扫描区域内的真三轴压力室、支架以及加载***部分配件均为碳纤维材质。

所述支架顶、底板由于不需要进行扫描，是由矩形厚钢板组成，在顶板、底板内侧面上设置有压力室底座，所述的上、下压力室固定于底座上。

所述桶体上部敞开，底部中心位置处开设中心孔，盖板与桶体底部相对位置处亦开设有中心孔，盖板与桶体采用法兰连接，连接处设有O型圈。

所述位于上、下压力室包括液压缸、活塞压柱以及压柱前端的压头组成，上压力室和下压力室活塞压柱从盖板和桶底中心孔中伸入压力室中，并与压头相连接，最终将轴压传至煤岩体试件上，中心孔边缘设置有O型圈，保证密闭性。

所述的桶体左右两侧同一个高度水平对称位置设有孔洞，并连接有左、右压力室，焊接在桶体上，压力室中有活塞压柱伸出，压柱前端连接压头、压头与压块相连，可以将实验所需的侧压传至煤岩体试件上，各压块之间有垫片，防止发生刚性碰撞。

所述的盖板上设置有进油口，所述的桶体下部位置上开有排油口，进油口通过导管与外部油压泵相连，与排油口配合，为试件提供实验条件所需的围压。

所述桶体及盖板上各个孔周围均装有O型圈进行密封。

所述上压头内部设有压裂液导管，外部压裂液通过导管与试件上预设的压裂管连接，整个泵压装置为实验提供所需的水力条件。

所述流体压力传感器设置于煤岩体试件内部，用于监测注入泵的流量；

所述声发射监测***包括声发射仪、用于分析压裂数据与声发射数据的电脑主机用于监测试件内部裂纹的起裂与扩展演化参数；

所述微震传感器置于试件的表面，与外部微震仪连接；

所述上下压头左右各压块边缘均设有倒角，防止出现各个加载组件之间的刚性接触，一方面防止影响实验结果，另一方面为了延长设备配件的使用年限。

所述的CT扫描装置包括在真三轴仪前后两侧设置的CT放射源和CT探测器，且位于扫描区域的各配件均为碳纤维材质。

上述一种带CT实时扫描的真三轴水力压裂实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)加工试件：将所需实验煤/岩样取回，切割尺寸为50mm×50mm×100mm 的标准试件，然后在试件端面中心位置处开设压裂孔并将压裂管置于孔内，压裂管上端通过管路注入泵连接；

2)布置感应器：在真三轴压力室上布置多个声发射传感器，在试件表面设置有微震传感器，并将流体压力传感器置于试件内部，所有的传感器均与数据监测装置相连板；

3)施加压力：将制备完善的试件放置好，将轴压、侧压加载***安装到位，连接注入泵，向压力室中注满液压油、装配盖板；将试件置于压力室中，打开控制/监测装置，设定实验温度，恒定；

4)开始实验：启动注入泵，开始水力压裂实验，通过流体压力传感器监测注入液流量，在加压的同时开启CT实时扫描装置和声发射装置，观测试件内部裂纹扩展、发育变化；

5)实验结束：分析压裂数据和CT扫描结果，对实验结果进行分析，并准备下组实验；

在上述全试验过程中，控制/监测***全程记录压裂液流量变化、声发射信号等信息，CT扫描装置在所需时刻对试件进行扫描获取试件内部孔裂隙发育程度。

本发明的积极效果：

1)本发明实验装置所有位于扫描区的配件材质均为碳纤维，放射线能够穿透，克服了传统实验无法实时进行CT扫描的缺陷，对煤岩样试件的研究无疑更加丰富、全面；

2)本发明的实验装置，能够模拟不同应力环境、不同压裂孔径、不同水力条件下煤岩体的裂纹扩展规律；

3)本发明的实验装置围压为柔性加载方式，保证了围压的加载更为均匀；

4)本发明装置对于研究真三轴应力状态下水力压裂实验条件，煤岩体试件孔裂隙实时发育及其相互关系规律具有极为重要的意义；

5)本发明极大丰富了真三轴水力压裂可视实验领域的研究。

附图说明

图1为本发明总装置的主视图(图中线头方向表示数据传输方向)

图2为本发明去掉前侧CT放射源外部结构示意图

图3为本发明实验装置俯视图

图4为本发明实验装置真三轴压力室透视图

其中，

000-实验煤岩体试件，101-压力室盖板，102-进油口，103-桶体，104-排油口，201-立柱，202-顶板，203-底板，310-上压力室，311-上压柱，312-上压头，313- 轴压传感器1，320-下压力室，321-下压柱，322-下压头，323-轴压传感器2，410- 右压力室，411-侧压传感器1，412-右压柱，413-右压头，414-垫片，415-压块， 420-左压力室，421-侧压传感器2，422-左压柱，423-左压头，424-垫片，425-压块，501-注入泵，502-导管，503-压裂管，601-声发射仪，602-声发射传感器，， 701-微震仪，702-微震传感器，801-CT放射源，802-CT探测器，901-监测控制***，902-流体压力传感器；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施示例对本发明做进一步的详细描述。

如图1、图2所示一种带CT实时扫描的真三轴水力压裂实验，包括真三轴压力室、承载实验装置的支架、加载装置、泵压***、CT扫描***以及控制监测装置。真三轴压力室由盖板101、桶体103组成，所述盖板上留有进油口102 和中心孔，桶体103上部敞口，底部与盖板101对称位置留有中心孔，桶体103 下部预设排油口104。

上述支架由立柱201和顶板202、底板203组成；立柱贯穿于顶板202、底板203的4个角上预设的贯通孔，构成支架；顶板202、底板203由高强度钢材制成，立柱材质为碳纤维；所述的顶板内侧中心位置处装有加载室底座，上加载室310固定在顶板内侧底座处，装配于顶板202上，上加载室活塞压柱311通过盖板101中心孔延伸至桶体103中，连接至上压头312，上加载室外侧设有压力传感器313；底板内侧中心位置处装有加载室底座，下加载室320固定于底板底座，装配在底板202上，下加载室活塞压柱321通过桶底中心孔延伸至桶体103内，连接下压头322，下加载室外侧设有压力传感器323，轴压加载室将轴压通过压柱-压头传至试件000上；压柱311、321与盖板101、桶体103接触处设有 O型圈，保证密封性；盖板101与桶体103采用法兰连接，连接处亦设有O型圈；

所述上压头314、下压头324左右各压块边缘均设有倒角，防止出现各个加载组件之间的刚性接触，一方面防止影响实验结果，另一方面为了延长设备配件的使用年限；

在真三轴压力室桶体103两侧同一水平高度处开有孔洞，左、右压力室420、 410焊接在孔洞外侧，左、右活塞压柱422、412前端连接有左、右压头423、 413，压头与压块425、415相连，为防止出现刚性碰撞，各压块之间采用垫片 424、414隔开；压柱422、412，压头423、413，压块425、415均采用炭纤维材料制作而成；侧压传力顺序为压力室-压柱-压头-压块-煤岩体试件；

所述盖板上设有进油口102，所述的桶体下部位置上开有排油口104，进油口102通过导管与外部油压泵相连，与排油口104配合，为试件提供实验条件所需的围压。

所述上压头312内部设有压裂液导管502，外部注入泵501通过导管502与煤岩体试件上端面上预设的压裂管503连接，整个泵压装置为实验提供所需的水力条件。

所述声发射监测***包括声发射仪602、声发射传感器602，用于分析压裂数据与声发射数据的电脑主机901用于监测试件内部裂纹的起裂与扩展演化参数；

所述微震传感器702置于试件的表面，与外部微震仪相连接701，并最终将数据传输与电脑主机901上；

所述的CT扫描装置包括在真三轴仪前后两侧设置的CT放射源801和CT 探测器802，且位于扫描区域的各配件均为碳纤维材质。

所述流体压力传感器902设置于煤岩体试件内部，用于监测注入泵的流量，与外部电脑主机901连接，实现数据实时传输；

所述电脑主机901主要有两个功能，其一控制加载装置加载速度、加载压力等，其二实时记录由控制/监测装置采集传输回的信号；

为更好地理解本发明，下面详细说明上述一种带CT实时扫描的真三轴流固耦合煤岩体瓦斯渗流实验方法，包括以下步骤：

1)加工试件：将所需实验煤/岩样000取回，切割尺寸为50mm×50 mm×100mm的标准试件，然后在试件端面中心位置处开设压裂孔503并将压裂管502置于孔内，压裂管上端通过管路注入泵501连接；

2)布置感应器：在真三轴压力室上布置多个声发射传感器602，在试件表面设置有微震传感器702，并将流体压力传感器902置于试件内部，所有的传感器均与数据监测装置相连板；

3)施加压力：将制备完善的试件000放置好，将轴压310(320)、侧压加载***410(420)安装到位，连接注入泵501，向压力室103中注满液压油、装配盖板101；打开控制/监测装置，设定实验温度，恒定；

4)开始实验：启动注入泵502，开始水力压裂实验，通过流体压力传感器902 监测注入液流量，在加压的同时开启CT实时扫描装置801和、声发射装置601、微震装置701，观测试件内部裂纹扩展、发育变化；

5)实验结束：导出、分析压裂数据和CT扫描结果，对实验结果进行分析，并准备下组实验。

Claims (6)

1.一种带CT实时扫描的真三轴水力压裂实验装置，其主要由：真三轴压力室、支架、加载装置、泵压***、CT扫描***及控制/监测装置组成，其中：

所述支架由顶板、底板以及4根立柱组成，顶板底板中心设有中心孔，顶板和底板内侧面的中心位置处焊接有加载室底座，轴向加载室设置于顶板、底板的加载室底座处，顶板和底板由立柱连接，并由螺栓固定；

所述真三轴压力室包括盖板和桶体，桶体在两侧同一高度水平位置开设有圆孔，圆孔外侧处连接有侧压加载装置，底部开设中心孔，下加载室活塞压杆通过此处延伸至桶内；桶体下部位置上设有排油口，桶体与盖板之间有O型圈提供密封，且在桶体上端周围开设有螺栓孔，链接桶体与盖板；

所述盖板上预设有进油口，与排油口配合使用，提供实验条件所需的围压，盖板中间位置开设有中心孔，上加载室活塞压杆通过中心孔延伸至桶内；

所述加载装置包括轴压加载室、侧压加载室和围压加载装置；所述的轴向加载室安置于支架顶板、底板所焊接的加载室底座处；所述轴压加载室包括上压力室、下压力室、上压柱、下压柱、上压头、下压头，左压力室、右压力室、左压柱、右压柱、左压头、右压头以及若干压块、垫片；

所述上、下、左、右压力室连接有活塞压柱，活塞压柱前部连接有上、下、左、右压头，压头与压块连接，共同配合为试件提供所需实验条件的轴压、侧压，各压块之间有垫片相互隔断，防止出现刚性碰撞，影响实验结果；所述围压加载方式为柔性加载，通过油压泵经上部进液口为实验提供所需围压；

所述泵压***包括注入泵和压裂管，所述的压裂管置于试件端面的压裂孔内，所述注入泵与压裂管连接，通过泵注压裂液对试件进行压裂；

所述控制/监测装置包括声发射传感器、微震传感器、流体压力传感器，其中：所述声发射传感器置于真三轴加载***上，用于监测试件的声发射变化，并进行三维声发射定位，用于监测试件内部裂纹的起裂与扩展演化参数；所述微震传感器置于试件的表面，所述流体压力传感器布置于试件内部，用于监测泵流量；

所述CT扫描***包括位于真三轴实验仪前后两侧的CT放射源和CT探测器组成，能为试件提供实时扫描。

2.根据权利要求1所述的一种带CT实时扫描的真三轴水力压裂实验装置，其特征在于：真三轴试验仪前后两侧方向设有CT放射源和CT探测器，在进行水力压裂实验同时可以进行实时扫描。

3.根据权利要求1所述的一种带CT实时扫描的真三轴水力压裂实验装置，其特征在于：真三轴围压加载方式为柔性方式的油压加载，保证了围压加载更为均匀。

4.根据权利要求1所述的一种带CT实时扫描的真三轴水力压裂实验装置，其特征在于：所述声发射传感器、微震传感器、流体压力传感器与数据监测装置信号相连接。

5.根据权利要求1所述的一种带CT实时扫描的真三轴水力压裂实验装置，其特征在于：位于扫描区的实验装置配件均是由碳纤维组成，其余部位均采用钢材制成。

6.根据权利要求1所述的一种带CT实时扫描的真三轴水力压裂实验装置，其特征在于：为实验环境提供轴向压力的上、下压力室均固定于顶板、底板上，较为稳固。

Images