CN105332683A - 压裂实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压裂实验装置及方法，该装置包括：控制器、用于容纳岩石样品的腔体、流体供应系统、流体注入管线、多个液压泵、至少一个加载活塞以及至少一个载荷均衡部件。其中，加载活塞对岩石样品施加压力时与对应的载荷均衡部件接触。载荷均衡部件包括底板和转子，底板上设置有凹槽，转子可旋转安装在凹槽内。流体供应系统与流体注入管线连接，为流体注入管线提供压裂液。流体注入管线穿设在腔体内，且与岩石样品中的井筒连通。该装置通过设置包含底板和转子的载荷均衡部件，使得当岩石样品的加载平面不平行时，通过转子的转动使得岩石样品表面所受到的力变得均匀，从而保证压裂实验结果的准确性。

Description

压裂实验装置及方法

技术领域

本发明涉及压裂技术，尤其涉及一种压裂实验装置及方法。

背景技术

压裂技术是油气田开发中的关键增产技术。其原理是将流体通过地面高压泵组注入井筒并在井底产生压力，当压力超过地层的地应力和抗张强度时，会在井底产生一条裂缝，该裂缝可以作为油气的运移通道。

现有技术中，可以通过实验装置模拟压裂过程，具体地，通过模拟地下岩石的应力环境，以及实际压裂施工的过程来完成实验，具体实验过程中，将岩石样品呈入实验装置内，采用活塞直接对岩石施加压力来模拟岩石所受到的地下应力，再通入压裂液，直到岩石产生裂缝并使压裂液进入裂缝中。实验结束后对裂缝的形态进行直观的观察，从而研究各种因素(地应力、施工排量、压裂液粘度、天然裂缝性质等)对裂缝起裂扩展的影响，从而为实践提供有效的理论依据和技术支持。

但是，使用现有的实验装置模拟压裂过程时，当岩石样品不是标准的正方形时，岩石样品的加载平面会不平行，这样会导致活塞对岩石样品进行边界压力加载时岩石样品受力不均匀，从而导致模拟压裂的实验结果不准确。

发明内容

本发明提供一种压裂实验装置及方法，用于解决现有技术中岩石样品受力不均匀导致的模拟压裂的实验结果不准确的问题。

本发明第一方面提供一种压裂实验装置，该装置包括：控制器、用于容纳岩石样品的腔体、流体供应系统、流体注入管线、多个液压泵、至少一个加载活塞以及至少一个载荷均衡部件；其中，

所述多个液压泵包括：一个主液压泵和至少一个从液压泵，所述主液压泵以及所述至少一个从液压泵均与所述控制器连接，所述至少一个从液压泵与所述至少一个加载活塞一一对应，所述至少一个加载活塞均与所述主液压泵连接，且所述至少一个加载活塞分别与对应的从液压泵连接；

所述至少一个加载活塞与所述至少一个载荷均衡部件一一对应，所述加载活塞对所述岩石样品施加压力时与对应的所述载荷均衡部件接触；

所述至少一个载荷均衡部件设置于所述腔体的外侧；

所述载荷均衡部件包括底板和转子，所述底板上设置有凹槽，所述转子可旋转安装在所述凹槽内；

所述流体供应系统与所述流体注入管线连接，为所述流体注入管线提供压裂液；

所述流体注入管线穿设在所述腔体内，且与所述岩石样品中的井筒连通。

本发明第二方面提供一种压裂实验方法，该方法应用于前述的装置，该方法包括：

控制器开启主液压泵，并控制所述主液压泵依次对至少一个加载活塞施加对应的预设压力，其中，所述主液压泵施加于不同加载活塞的预设压力不同；

控制器开启至少一个从液压泵，并控制所述至少一个从液压泵分别对对应的加载活塞施加预设压力，其中，不同从液压泵施加的预设压力不同；

控制器为岩石样品中通入压裂液，并监测和记录压裂结果。

本发明所提供的压裂实验装置，通过在压裂实验装置中设置包含底板和转子的载荷均衡部件，使得当岩石样品的加载平面不平行时，通过转子的转动使得岩石样品表面所受到的力变得均匀，从而保证压裂实验结果的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的压裂实验装置实施例一的结构示意图；

图2为本发明提供的压裂实验装置实施例二的结构示意图；

图3为本发明提供的压裂实验装置实施例三的结构示意图；

图4为本发明提供的压裂实验装置实施例四的结构示意图；

图5为本发明提供的压裂实验装置实施例五的结构示意图；

图6为本发明提供的压裂实验方法实施例一的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明提供的压裂实验装置实施例一的结构示意图，如图1所示，该压裂实验装置包括：控制器1、用于容纳岩石样品的腔体2、流体供应系统3、流体注入管线4、多个液压泵、至少一个加载活塞5以及至少一个载荷均衡部件6。

多个液压泵包括：一个主液压泵9和至少一个从液压泵10，主液压泵9以及至少一个从液压泵10均与控制器1连接，至少一个从液压泵10与至少一个加载活塞5一一对应，至少一个加载活塞5均与主液压泵9连接，且至少一个加载活塞5分别与对应的从液压泵10连接。

至少一个加载活塞5与至少一个载荷均衡部件6一一对应，加载活塞5对岩石样品施加压力时与对应的载荷均衡部件6接触。

至少一个载荷均衡部件6设置于腔体2的外侧。

载荷均衡部件6包括底板65和转子66，底板65上设置有凹槽，转子66可旋转安装在该凹槽内。

流体供应系统3与流体注入管线4连接，为流体注入管线4提供压裂液。

流体注入管线4穿设在腔体2内，且与岩石样品中的井筒连通。

可选地，上述主液压泵9以及从液压泵10与液压缸连接，通过液压缸为液压泵提供液压，并由主液压泵9以及从液压泵10推动加载活塞5。

可选地，加载活塞5与载荷均衡部件6接触的一端设有凹槽，在加载活塞与载荷均衡部件6接触时可容纳转子66。

需要说明的是，对于较大尺寸的岩石样品，例如40cm×40cm×40cm的岩石样品，可以直接呈入腔体2中进行压裂实验，对于尺寸较小的岩石样品，例如30cm×30cm×30cm的岩石样品，可以在其表面包裹一层厚度适中的金属外壳再将其呈入腔体中，以保证实验结果的准确性。

当使用上述装置进行压裂实验时，启动控制器，在控制器的控制下，首先启动主液压泵使加载活塞移动，并推动岩石样品，使得岩石样品呈入腔体内，当岩石样品呈入腔体后，关闭主液压泵并启动从液压泵，从液压泵为加载活塞施加较小的力，使得加载活塞对岩石样品施加较小的力，即对岩石样品进行精确加压，以模拟岩石在实际地下环境中所受的应力。达到地下环境应力后，通过流体注入系统为腔体中的岩石样品注入压裂液，并进行岩石的压裂分析。如果岩石样品的加载平面不平行，当加载活塞接触载荷均衡部件时，载荷均衡部件中的转子进行相应的转动，从而使得与之接触的岩石样品表面所受到的力变得均匀。

本实施例中，通过在压裂实验装置中设置包含底板和转子的载荷均衡部件，使得当岩石样品的加载平面不平行时，通过转子的转动使得岩石样品表面所受到的力变得均匀，从而保证压裂实验结果的准确性。

优选地，主液压泵9为高压泵，从液压泵10为低压泵。

图2为本发明提供的压裂实验装置实施例二的结构示意图，在图1的基础上，如图2所示，至少一个加载活塞5包括：第一加载活塞51、第二加载活塞52、第三加载活塞(未示出)，相应地，至少一个载荷均衡部件6包括：第一载荷均衡部件61、第二载荷均衡部件62、第三载荷均衡部件(未示出)。

第一加载活塞51设置于腔体2的第一表面外侧、第二加载活塞52设置于腔体2的第二表面外侧、第三加载活塞设置于腔体2的第三表面外侧，其中，腔体2为长方体，上述第一表面、上述第二表面和上述第三表面两两相邻。

需要说明的是，岩石样品一般为正方体，因此，优选地，腔体可以设置为与岩石样品匹配的正方体。

本实施例中，加载活塞具体为三个互相垂直且两两相邻的加载活塞，分别设置在腔体的三个表面外侧，从而形成三轴模型，该三轴模型能够有效模拟真实地下环境中岩石所受的三轴应力，从而保证压裂实验的准确性。

图3为本发明提供的压裂实验装置实施例三的结构示意图，在图1或图2的基础上，如图3所示，该装置还包括：至少一个管道安装部件7，至少一个管道安装部件7与至少一个载荷均衡部件6一一对应，管道安装部件7位于载荷均衡部件6与腔体2之间。

管道安装部件7包括：流体注入板71以及平衡底板72，流体注入板71与平衡底板72平行，且流体注入板71的一端面与平衡底板72固定连接，流体注入板71的另一端面与载荷均衡部件6固定连接，平衡底板72位于流体注入板71与腔体2之间。

平衡底板72上设有至少一个通孔，流体注入板71上设有至少一个槽。

相应地，上述实施例一种所述的流体注入管线4穿设在腔体2内，且与岩石样品中的井筒连通，具体为：流体注入管线4连接至流体注入板71，并穿过流体注入板71的槽、且穿过上述通孔并且插设在岩石样品的井筒中，与井筒连通。

当流体注入管线与插设在岩石样品中的井筒连通时，其连接处会有一定的凸起，而通过设置带有通孔的平衡底板以及带有槽的流体注入板，可以使得凸起穿过平衡底板上的通孔并容纳在流体注入管的槽内，而不会破坏岩石样品加载面的平行，保证压裂过程中岩石样品受力均匀。

进一步地，流体注入板中的槽能够容纳流体注入管线，即用于流体注入管线的铺设，由于流体注入管线都铺设在槽内，也不会破坏岩石样品加载面的平行，保证压裂过程中岩石样品受力均匀。

进一步地，平衡底板上设置有至少一个通孔，流体注入板上设置有至少一个槽，当岩石样品中设置了多个井筒时，多个井筒可以通过上述至少一个通孔以及至少一个槽分别连接到流体注入管线中，从而实现多井筒分别注入压裂液，从而实现多井筒压裂实验。

图4为本发明提供的压裂实验装置实施例四的结构示意图，在图3的基础上，如图4所示，流体供应系统3包括：二氧化碳相态转换部件31、压力控制部件32以及流体容器33。

二氧化碳相态转换部件31的输出端与流体容器33的第一输入端连接。

压力控制部件32与流体容器33的第二输入端连接。

流体容器33的输出端与流体注入管线4连接。

优选地，二氧化碳相态转换部件31为低温浴槽。

优选地，流体注入管线4外设置有保温层。

当使用二氧化碳作为压裂液时，需要对二氧化碳的相态进行严格控制，以满足液态二氧化碳和超临界二氧化碳的压裂物理模拟的实验要求。本实施例中，通过低温浴槽对二氧化碳的温度进行控制，同时，压力控制部件对二氧化碳的压力进行控制，在满足一定的温度和压力后，产生符合相态要求的二氧化碳压裂液并存储于流体容器中，当开始压裂实验后，从流体容器的输出端将二氧化碳压裂液输出。在流体输入管线外设置保温层，能够阻止二氧化碳流经流体输入管线时与外界发生热量交换对相态产生的影响。

图5为本发明提供的压裂实验装置实施例五的结构示意图，在图4的基础上，如图5所示，该装置还包括：温度控制部件8。

温度控制部件8包括：加热片81、温度传感器82以及温度控制器83。

加热片81设置在腔体2的内壁。

温度传感器82插设在腔体2的外壁。

加热片81以及温度传感器82均与温度控制器83连接。

具体地，腔体2具有一壳体21，壳体21与上述平衡底板72接触的端面设有通孔，通孔大小与平衡底板72的大小匹配，以使加载活塞5推动载荷均衡部件6、流体注入板71以及平衡底板72时，这三个部件可以移动到腔体2内部并与岩石样品接触。

可选地，加热片81可以设置在腔体内岩石样品的外壁，也可以设置在腔体内壁。

优选地，温度传感器为测温探头。

本实施例中，通过在该装置中增加温度控制部件，可以设定以及检测实验所需的恒定温度，以有效模拟岩石在实际地下环境中的温度，保证压裂实验的准确性。

图6为本发明提供的压裂实验方法实施例一的流程示意图，该方法应用于前述的装置，如图6所示，该方法包括：

S101、控制器开启主液压泵，并控制主液压泵依次对至少一个加载活塞施加对应的预设压力，其中，主液压泵施加于不同加载活塞的预设压力不同。

使用主液压泵对加载活塞施加对应的预设压力使得加载活塞推动载荷均衡部件、流体注入板以及平衡底板快速地移动到岩石样品处。

S102、控制器开启至少一个从液压泵，并控制至少一个从液压泵分别对对应的加载活塞施加预设压力，其中，不同从液压泵施加的预设压力不同。

使用不同的从液压泵分别对对应的加载活塞施加预设压力，使得加载活塞分别从不同方向对岩石样品施加精确的应力，不同方向的应力可以根据实际地下环境进行不同设置，从而能够有效模拟真实地下环境，保证压裂实验的准确性。

S103、控制器在流体供应系统向岩石样品中注入压裂液后，监测和记录压裂结果。

本实施例中，首先使用高压主液压泵使得加载活塞推动载荷均衡部件、流体注入板以及平衡底板快速地移动到岩石样品处，再使用低压从液压泵从不同方向对岩石样品进行精确加压，从而能够有效模拟真实环境。进一步地，使用主液压泵与从液压泵配合加载的方式，能够大大节省压裂实验的时间，经实验，使用上述方法可以使得压裂实验中加载过程所用的时间从1小时缩短到15分钟～20分钟，从而大大提高压裂实验的效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种压裂实验装置，其特征在于，包括：控制器、用于容纳岩石样品的腔体、流体供应系统、流体注入管线、多个液压泵、至少一个加载活塞以及至少一个载荷均衡部件；其中，

所述多个液压泵包括：一个主液压泵和至少一个从液压泵，所述主液压泵以及所述至少一个从液压泵均与所述控制器连接，所述至少一个从液压泵与所述至少一个加载活塞一一对应，所述至少一个加载活塞均与所述主液压泵连接，且所述至少一个加载活塞分别与对应的从液压泵连接；

所述至少一个加载活塞与所述至少一个载荷均衡部件一一对应，所述加载活塞对所述岩石样品施加压力时与对应的所述载荷均衡部件接触；

所述至少一个载荷均衡部件设置于所述腔体的外侧；

每个所述载荷均衡部件包括底板和转子，所述底板上设置有凹槽，所述转子可旋转安装在所述凹槽内；

所述流体供应系统与所述流体注入管线连接，为所述流体注入管线提供压裂液；

所述流体注入管线穿设在所述腔体内，且与所述岩石样品中的井筒连通。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个加载活塞包括：第一加载活塞、第二加载活塞、第三加载活塞，相应地，所述至少一个载荷均衡部件包括：第一载荷均衡部件、第二载荷均衡部件、第三载荷均衡部件；

所述第一加载活塞设置于所述腔体的第一表面外侧、所述第二加载活塞设置于所述腔体的第二表面外侧、所述第三加载活塞设置于所述腔体的第三表面外侧，其中，所述腔体为长方体，所述第一表面、所述第二表面和所述第三表面两两相邻。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，还包括：至少一个管道安装部件，所述至少一个管道安装部件与所述至少一个载荷均衡部件一一对应，所述管道安装部件位于所述载荷均衡部件与腔体之间；

所述管道安装部件包括：流体注入板以及平衡底板，所述流体注入板与所述平衡底板平行，且所述流体注入板的一端面与所述平衡底板固定连接，所述流体注入板的另一端面与所述载荷均衡部件固定连接，所述平衡底板位于所述流体注入板与所述腔体之间；

所述平衡底板上设有至少一个通孔，所述流体注入板上设有至少一个槽；

相应地，所述流体注入管线穿设在所述腔体内，且与所述岩石样品中的井筒连通，具体为：所述流体注入管线连接至所述流体注入板，并穿过所述流体注入板的槽、且穿过所述通孔并且插设在所述岩石样品的井筒中，与所述井筒连通。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述流体供应系统包括：二氧化碳相态转换部件、压力控制部件以及流体容器；

所述二氧化碳相态转换部件的输出端与所述流体容器的第一输入端连接；

所述压力控制部件与所述流体容器的第二输入端连接；

所述流体容器的输出端与所述流体注入管线连接。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述二氧化碳相态转换部件为低温浴槽。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述流体注入管线外设置有保温层。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括：温度控制部件；

所述温度控制部件包括：加热片、温度传感器以及温度控制器；

所述加热片设置在所述腔体的内壁；

所述温度传感器插设在所述腔体的外壁；

所述加热片以及所述温度传感器均与所述温度控制器连接。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主液压泵为高压泵，所述从液压泵为低压泵。

9.一种压裂实验方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-8任一项所述的装置，所述方法包括：

控制器开启主液压泵，并控制所述主液压泵依次对至少一个加载活塞施加对应的预设压力，其中，所述主液压泵施加于不同加载活塞的预设压力不同；

所述控制器开启至少一个从液压泵，并控制所述至少一个从液压泵分别对对应的加载活塞施加预设压力，其中，不同从液压泵施加的预设压力不同；

所述控制器在流体供应系统向岩石样品中注入压裂液后，监测和记录压裂结果。