(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010188888.1
(22)申请日 2020.03.17
(71)申请人 太原理工大学
地址 030024 山西省太原市万柏林区迎泽
西大街79号
(72)发明人 梁卫国 姜玉龙 李文达 武鹏飞
(74)专利代理机构 太原市科瑞达专利代理有限
公司 14101
代理人 王思俊
(51)Int.Cl.
G01N 3/18(2006.01)
G01N 3/12(2006.01)
G01N 3/02(2006.01)
G01N 15/08(2006.01)
(54)发明名称一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法(57)摘要本发明公开了一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法，属于岩石力学及油气藏开采领域，其特征主要由模型系统（1）、水力压裂系统（2）、三轴应力加载及控制系统（3）、压力测量系统（4）、温控系统（5）、渗流-增压系统（6）、管阀件系统（7）、数据采集处理系统（8）、声发射系统（9）、操作台（10）及复合相态流体监测系统（11）等部分组成。该实验装置可模拟原位条件下不同压裂介质压裂含孔隙压力多孔岩石的真三轴压裂过程，可考虑地层流体与压裂介质相互作用影响，并能模拟含天然气储层压裂过程，解决现有设备只能压裂零孔隙压力多孔岩石的问题。此外，此压裂渗流设备通过分别计量不同方向的流量并结合上下游压力差实现各向异性渗透率测量，进而对比压裂前后渗透率值确定不同压裂介 质的各向异性压裂效果。权利要求书2页 说明书4页 附图2页CN 111272576 A 2020.06.12
C N 111272576
A
1.一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法，其特征在于是可模拟原位条件下不同压裂介质真三轴压裂含孔隙压力多孔岩石的压裂过程，并可测量压裂前后岩体不同方向渗透率；该装置主要由模型系统（1）、水力压裂系统（2）、三轴应力加载及控制系统（3）、压力测量系统（4）、温控系统（5）、渗流-增压系统（6）、管阀件系统（7）、数据采集处理系统（8）、声发射系统（9）、操作台（10）及复合相态流体（CO2等）监测系统（11）等部分组成；
所述的三轴应力加载及控制系统（3）通过X、Y、Z三个方向的液压油缸分别推动围压腔内的内置油缸对岩石试件联动加载，液压油缸用于施加约束应力等地应力状态，内置油缸结合三维密封胶套实现压裂试件的密封，进而保证压裂前的岩石试件孔隙压力稳定加载和压裂前后的渗流试验； 此外，5个外置液压油缸分别通过独立的伺服控制阀控制，保证压裂过程中的地应力状态保持恒定并互不影响；所述的温控系统（5）可实现试件的整体加热/保温，最高温度可至100℃，采用围压腔流体循环加热及内置电热插管的复合加热/保温方式保证实验全过程试件温度恒定，且带压循环流体对密封胶套施加围压密封试件，需保证循环流体压力要高于试件孔隙压力；所述的渗流-增压系统（6）通过分别计量水力压裂系统（2）经井眼向试件注入压力后的试件壁面XYZ方向的流量计算各向异性渗透率，
从而确定体积压裂效果；
此外，渗流-增压系统（6）可通过渗流管线向试件6个壁面注入流体增压，实现岩石试件孔隙压力的加载；
所述的操作台（10）可通过省力减速机构及伺服丝杠移动机构实现岩石试件的拉出和推进；
所述的流体相态（CO2等）监测系统（11）通过压裂管线的压力传感器和注入井井底的热电偶测量压裂介质的温度、压力，进而根据其相态图确定注入流体相态；
此外，压裂管线和渗流管线分别布置有可视窗，可实时监测岩石试件上下游压裂介质相态变化。
2.根据权利要求1所述的一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法，其特征在于，所述的压裂介质（CO2等）相态监测是通过压裂管线上的压力传感器与注入井井底的温度传感器确定温度、压力值，并结合相态图确定注入井井底处压裂介质的相态；此外，压裂管线和渗流管线分别布置有可视窗，可观测岩石试件上下游CO2实时相态监测。
3.根据权利要求1所述的一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法，其特征在于，所述的压裂试件尺寸为（200×200×200mm）立方体，且是通过外置与内置油缸联动传动等方式实现岩石试件的三轴应力加载。
4.根据权利要求1所述的一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法，其特征在于，所述的含孔隙压力多孔岩石试件的密封是通过内置油缸、全封闭胶套及带压循环流体实现，且围压腔循环流体压力值要始终高于岩石试件孔隙压力加载值，防止岩石内孔隙流体通过内置油缸与密封套界面泄露至围压腔。
5.根据权利要求1所述的一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法，其特征在于，所述的岩石试件孔隙压力的加载有两种方法，一是通过渗流管线反向向试件6个壁面注入流体加压实现，岩石试件可提前饱和减少加压时间，监测注入井段的压力值达到岩石试件的孔隙压力设定值并保持30min，即可认为试件孔隙压裂加载完成；二是当岩石试件渗透率较高时，可通过压裂管线和井眼向岩石试件注入流体增压，当渗流管线流出注入流体无气泡，关
闭渗流管线并观察其压力值，当其压力值稳定达到岩石试件的孔隙压力设定值并保持30min，可认为试件孔隙压力加载完成。
6.根据权利要求1所述的一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法，其特征在于，所述的含孔隙压力多孔岩石的复合相态CO2压裂试验是预先向岩石试件注入相应地层流体（水/ CH4等）后开展压裂试验，可模拟压裂过程中CO2与地层流体的相互作用。
7.根据权利要求1所述的一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法，其特征在于，所述的含天然气储层压裂试验是预先向岩石试件注入目标气体直至气体压力达到孔隙压力设定值后开展压裂试验。
8.根据权利要求1所述的一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法，其特征在于，所述的各向异性渗透率测量是通过分别计量井眼注入岩石试件后XYZ三个方向的流量与岩石试件上下游压力差计算得到，进而通过压裂前后的渗透率值变化评价不同压裂介质压裂效果的各向异性。
一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法
技术领域
[0001]本发明一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法，属于岩石力学与油气藏开发领域，主要适用于原位条件下不同压裂介质真三轴压裂含孔隙压力多孔岩石并测量各向异性渗透率的研究，重点揭示不同压裂介质的含孔隙压力多孔岩石的裂缝起裂扩展规律、各向异性压裂效果特征，实现压裂介质与地层流体相互作用下的压裂试验模拟。
背景技术
[0002]我国非常规油气资源十分丰富，但由于其低渗特性储层需要压裂才能实现经济开采。除了已广泛应用的水力压裂技术，无水（干法）压裂技术（液态CO2，液氮，超临界CO2（ScCO2），LPG）也备受关注。此外，随着油气储层埋藏深度的增加，孔隙（地层）压力逐渐增加，其压裂过程不能忽略地层原始孔隙压力对地层压裂效果的影响。此外，不同压裂介质可能与地层孔隙流体发生作用进而影响其压裂效果，例如ScCO2会与地层水结合生成碳酸溶蚀地层。
[0003]目前随着油气资源的开采技术的不断革新与发展，在压裂装置与方法近年来取得了需要重要的研究成果，涉及的压裂渗流的装置与方法的专利也已经取得了重要的突破，但其专利基本只对零孔隙压力岩石试件开展压裂试验，针对含孔隙压力岩石的真三轴压裂渗流装置与方法方面的专利极为缺少。针对压裂渗流装置与方法的专利能够获得如现有的公开号为：成都理工大学的“一种保持岩石应力实现不同方向渗流的真三轴夹持装置（CN108362622 A）”属于油气实验技术领域，该试验装置通过测量同一方向岩石试件两壁面的流量与压力差，实现真三轴地应力条件下的各向异性渗透率测量。本发明装置与上述发明不同之处在于本装置通过井眼注入流体后同时测量岩石试件不同方向流量确定渗透率的各向异性。中国石油大学（北京）的“一种超临界二氧化碳压裂模拟试验装置（CN 106404549 A）”可开展饱和孔隙压力条件下的ScCO2压裂试验，装置无密封胶套，孔隙压力加载的实现方式是围压腔流体通过应力加载面缝隙向岩石时间加孔隙压力，且不能实现渗透率的测量。本发明装置与之相比含有三维密封胶套，并通过多孔槽板的应力加载面实现孔隙压力加载，且能测量各向异性渗透率。东北大学的“一种模拟页岩气压压裂过程的实验装置及实验方法（CN201410235314.X）”，中国科学院武汉岩土力学研究所的“一种可实现水压致裂试验的真三轴压力装置（CN201210084189.8）”，太原理工大学的“一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置与试验方法（CN104655495B）”均是针对零孔隙压力多孔岩石，且未加密封胶套实现真正的压裂前后的渗透率评价。
[0004]综上，急需研发一种不同压裂介质真三轴压裂含孔隙压力多孔岩石压裂及渗流测量装置与试验
方法，进而探究不同压裂介质与地层流体相互作用下的多孔岩石裂缝起裂扩展规律，评价压裂前后的各向异性渗透率的变化，综合评估不同施工参数下的压裂介质的压裂效果。
发明内容
[0005]本发明一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法，解决现有装置不能压裂含孔隙压力多孔岩石试件的弊端，且真正实现原位条件下压裂前后各向异性渗透率测量。[0006]为了解决上述技术问题，本发明通过以下方式实现：
本发明的一种新的真三轴压裂渗流试验装置主要由模型系统（1）、水力压裂系统（2）、三轴应力加载及控制系统（3）、压力测量系统（4）、温控系统（5）、渗流-增压系统（6）、管阀件系统（7）、数据采集处理系统（8）、声发射系统（9）、操作台（10）及压裂介质相态监测系统（11）等部分组成。
[0007]所述的三轴应力加载及控制系统（3）是通过X、Y、Z三个方向的外置-内置油缸对岩石试件应力加载，内置油缸位于密封腔内，内置油缸结合密封胶套整体密封岩石试件，此外，5个外置液压油缸带有独立伺服控制系统，可实现压裂全过程三轴应力的恒定，外部油缸布置有三个方向的位移传感器，测量压裂全过程各个方向位移变化；此系统包含1套应力加载泵，分别5个外置油缸和内置油缸（Z方向下部无油缸），XYZ方向三套伺服控制系统，三个位移传感器。
[0008]所述的温控系统（5）可实现试件的整体加热/保温，最高温度可至100℃，采用围压腔流体循环加热及内置电热插管的复合加热/保温方式保证实验过程岩石试件温度恒定，且带压循环流体对密封胶套施加围压进而密封试件，需保证循环流体压力要高于试件孔隙压力。所述的渗流-增压系统（6）通过分别计量水力压裂系统（2）经井眼向岩石试件注入压力后的试件壁面XYZ方向的流量计算各向异性渗透率，对比压裂前后渗透率变化确定压裂效果。此外，渗流-增压系统（6）可通过渗流管线向试件6个壁面注入流体增压，实现岩石试件孔隙压力的加载。
[0009]所述的流体相态（CO2等）监测系统（11）通过压裂管线的压力传感器和注入井井底的温度传感器分别测量井口处压裂介质的压力、温度，进而根据其相态图确定其相态。此外，压裂管线和渗流管线分别装有可视窗，可实时观测压裂过程中试件上下游CO2相态变化。
[0010]上述的一种不同压裂介质真三轴压裂带孔隙压力岩石及渗流测量装置与试验方法，所述的岩石试件尺寸为200×200×200mm立方体，三轴应力最高达50MPa，孔隙压力最高达10Mpa（围压腔循环流体压力最多10MPa，孔隙压力低于围压），可模拟储层埋藏深度达2000m和最高温度达100℃的地质环境条件下的真三轴压裂过程。
[0011]与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明装置三维密封胶套与带压循环流体有效实现试件全密封，通过岩石试件壁面加压实现岩石试件
的孔隙压力加载，首次实现含孔隙压力多孔岩石的真三轴压裂，并可测量其三个不同方向的渗透率。
附图说明
[0012]图1：真三轴压裂装置整体流程示意图；
图2：真三轴压裂夹持器模型主视图结构示意图；
图3：真三轴压裂装置组装完成后结构示意图；
图中标号：
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