一種圍壓水力壓裂實(shí)驗(yàn)裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種圍壓水力壓裂實(shí)驗(yàn)裝置，涉及試樣，包括圍壓裝置、采集所述試樣的事件發(fā)生時(shí)與事件有關(guān)信息的采集裝置；所述圍壓裝置包括承壓軸、端蓋、與所述端蓋形成密封空間的腔體、排氣閥、第一、第二、第三注水閥、真空泵、壓力變送器、水泵、注水管；所述采集裝置包括聲發(fā)射傳感器、聲音接收器、應(yīng)力應(yīng)變片、應(yīng)力應(yīng)變儀。本實(shí)用新型克服現(xiàn)有技術(shù)無法對(duì)裂縫定位的不足，避免傳統(tǒng)基于連續(xù)力學(xué)方法的人為影響；通過利用聲發(fā)射原理、應(yīng)力、應(yīng)變效應(yīng)，能夠較為真實(shí)的獲取壓裂過程參數(shù)，尤其能定位出破裂位置，記錄破裂釋放出的波形和頻率等系列特征，模擬不同圍壓條件下、不同煤巖樣水力壓裂的相關(guān)參數(shù)變化及破裂規(guī)律。
【專利說明】一種圍壓水力壓裂實(shí)驗(yàn)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種圍壓水力壓裂實(shí)驗(yàn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]水力致裂技術(shù)最早應(yīng)用在石油工程來提高貧油井的產(chǎn)量，逐漸成為測定深部地層原地應(yīng)力的最可靠方法之一。在地?zé)豳Y源的開發(fā)、核廢料的儲(chǔ)存等領(lǐng)域也得到了重要應(yīng)用。因此，水力壓裂技術(shù)具有重要工業(yè)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。
[0003]水力壓裂中的破裂壓力是使地層產(chǎn)生水力裂縫或張開原有裂縫時(shí)井底流體壓力，而破裂壓力梯度是指破裂壓力和深度的比值稱之為破裂壓力梯度，地層破裂壓力是確定井下管柱、井下工具、井口裝置壓力極限的主要依據(jù)；根據(jù)破裂壓力可以確定壓裂施工時(shí)的最高地面泵壓、泵注排量以及需用設(shè)備功率。目前地層破裂壓力較高，是因?yàn)榈貙拥貞?yīng)力大；非均勻性弱，高溫高壓下塑性強(qiáng)，泊松比大；地層滲透性低；高滲透和非滲透層間的破裂壓力差值可達(dá)30%以上；地層塑性大，可變形性強(qiáng)，不易壓裂。
[0004]在水力壓裂中，水力裂縫起裂從點(diǎn)源開始，逐步連接成線源縫，井筒周圍裂縫起裂可能是多條縫，在裂縫延伸過程中逐步形成一條主縫，地層破裂形成裂縫，首先要克服地應(yīng)力及巖石的抗張強(qiáng)度。一般來說，巖石的抗張強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度低得多，而且由于節(jié)理或天然裂縫的作用，在一些地層破裂的模式中，也采用巖石抗張強(qiáng)度為零的假說。裂縫的延伸是指巖石破裂形成裂縫后，在縫內(nèi)液體壓力作用下繼續(xù)向前擴(kuò)展的過程，主要研究側(cè)向與垂向上的延伸，它的延伸平面總是垂直于最小主地應(yīng)力方向，也即沿著最大主地應(yīng)力方向。地層破裂在近井筒地帶形成裂縫的幾何形態(tài)是較復(fù)雜的，也可能是多條縫。隨著裂縫的延伸，逐漸形成一條主縫，在天然裂縫發(fā)育等條件下，將會(huì)出現(xiàn)多裂縫。裂縫的延伸壓力是指擴(kuò)展裂縫所需要的壓力，一般低于破裂壓力，但有些天然裂縫發(fā)育的地層，地層破裂壓力并不明顯。
[0005]在中國專利申請(qǐng)?zhí)?201010612685中公開了一種煤巖鉆孔水力致裂實(shí)驗(yàn)裝置，包括樣品裝置系統(tǒng)、圍壓系統(tǒng)、致裂系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)，樣品裝置系統(tǒng)包括樣品缸，樣品缸內(nèi)的底部設(shè)有篩筒，篩筒底部設(shè)有出水管，篩筒上方的樣品缸內(nèi)盛裝有樣品，樣品內(nèi)設(shè)有模擬鉆孔；圍壓系統(tǒng)包括充氣子系統(tǒng)和充水子系統(tǒng)，致裂系統(tǒng)包括致裂高壓水泵，致裂高壓水泵的出水口通過致裂管路與所述模擬鉆孔相連通；封閉系統(tǒng)包括樣品缸密封裝置和實(shí)驗(yàn)缸密封裝置；監(jiān)測系統(tǒng)包括設(shè)在樣品缸外壁上的聲發(fā)射傳感器。該技術(shù)方案可以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，查明煤礦井下本煤層鉆孔水力壓裂過程裂縫起裂、擴(kuò)展、延伸變化規(guī)律，了解裂縫延伸方向，進(jìn)而指導(dǎo)現(xiàn)場壓裂，從而大大提高壓裂效果。但是，預(yù)測得到的裂縫延伸壓力往往與實(shí)測數(shù)值有很大差距，這是由于該技術(shù)方案不能對(duì)裂縫進(jìn)行準(zhǔn)確定位，也不能進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變效應(yīng)的分析，設(shè)計(jì)模型的一些假設(shè)條件，并不一定符合實(shí)際的地層條件，所以該實(shí)驗(yàn)裝置還有待進(jìn)一步改進(jìn)。
實(shí)用新型內(nèi)容[0006]針對(duì)上述問題，本實(shí)用新型提供了一種能夠在不同圍壓下對(duì)不同煤巖樣進(jìn)行注水壓破裂模擬實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)中有效地觀察水力裂縫形態(tài)和位置的裝置，即一種圍壓水力壓裂實(shí)驗(yàn)裝置。
[0007]為了解決上述問題，本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案為:
[0008]一種圍壓水力壓裂實(shí)驗(yàn)裝置，涉及試樣，包括圍壓裝置、采集所述試樣的事件發(fā)生時(shí)與事件有關(guān)信息的采集裝置；所述圍壓裝置包括承壓軸、端蓋、與所述端蓋形成密封空間的腔體、排氣閥、第一、第二、第三注水閥、真空泵、壓力變送器、水泵、注水管；所述承壓軸穿過所述端蓋并深入所述腔體中，所述排氣閥與所述腔體內(nèi)部連通，所述注水管一端插入所述試樣中，另一端與所述第二注水閥相連，所述第二注水閥的另一端與所述真空泵管道連接，所述壓力變送器一端與真空泵管道連接，另一端與所述第一注水閥管道連接，所述第三注水閥與所述腔體內(nèi)部連通，所述第一注水閥、第三注水閥均與所述水泵管道連接；所述采集裝置包括聲發(fā)射傳感器、聲音接收器、應(yīng)力應(yīng)變片、應(yīng)力應(yīng)變儀，所述聲發(fā)射傳感器、應(yīng)力應(yīng)變片安裝在所述試樣表面，所述聲發(fā)射傳感器與所述聲音接收器電連接，所述應(yīng)力應(yīng)變片與所述應(yīng)力應(yīng)變儀電連接。通過利用聲發(fā)射原理、應(yīng)力、應(yīng)變效應(yīng)，能夠較為試樣真實(shí)的壓裂過程，尤其能定位出破裂位置，記錄破裂釋放出的波形和頻率等系列特征，模擬不同圍壓條件下、不同煤巖樣水力壓裂的相關(guān)參數(shù)變化及破裂規(guī)律。
[0009]優(yōu)選的，所述注水管為金屬管。
[0010]優(yōu)選的，所述金屬管為銅管。
[0011]優(yōu)選的，所述水泵為柱塞計(jì)量泵；柱塞計(jì)量泵的流量可從百分之零到百分之百動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)；脈沖小，工作平穩(wěn)。
[0012]優(yōu)選的，所述試樣為地層的煤巖試樣。
[0013]優(yōu)選的，所述腔體上設(shè)有放水閥，便于將腔體內(nèi)水放掉，從而繼續(xù)下一組實(shí)驗(yàn)，
[0014]優(yōu)選的，所述腔體為透明腔體，便于在腔體外進(jìn)行觀察。
[0015]優(yōu)選的，所述采集裝置還包括設(shè)在腔體外的攝像機(jī)，通過攝像機(jī)記錄試樣破裂時(shí)的有關(guān)信息，能夠檢測到試樣壓裂圖像。
[0016]優(yōu)選的，所述圍壓水力壓裂實(shí)驗(yàn)裝置的使用方法，
[0017](I)在試樣表面安裝聲發(fā)射傳感器、應(yīng)力應(yīng)變片，將試樣放入腔體中，并且將注水管的插頭插進(jìn)試樣中；
[0018](2)蓋上端蓋，將承壓軸穿過端蓋壓住煤巖試樣；
[0019](3)關(guān)閉第一注水閥、排氣閥，打開第二注水閥，啟動(dòng)真空泵抽氣；
[0020](4)抽氣畢，關(guān)閉第二注水閥和真空泵，打開第三注水閥、啟動(dòng)水泵向腔體中注水；注水過程中通過排氣閥排出多余氣體；
[0021](5)達(dá)到預(yù)定試驗(yàn)壓力后停止水泵，關(guān)閉第三注水閥；
[0022](6)通過承壓軸對(duì)試樣施加不同的軸向力；同時(shí)打開第一、第二注水閥，向試樣中注水，直至試樣破裂；壓力變送器在向煤巖試樣中注水時(shí)開啟，實(shí)時(shí)測試注水壓力；
[0023](7)試樣破裂時(shí),聲發(fā)射傳感器和應(yīng)力應(yīng)變片發(fā)出相應(yīng)信號(hào),聲音接收器和應(yīng)力應(yīng)變儀接收信號(hào)后進(jìn)行處理，獲取壓裂過程參數(shù)，攝像機(jī)獲得試樣壓裂圖像。
[0024]優(yōu)選的，清除注水管、與所述第二注水閥、真空泵相連的管道中的水分后再進(jìn)行步驟⑶。[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果為:
[0026]本實(shí)用新型克服現(xiàn)有技術(shù)無法對(duì)裂縫定位的不足，避免傳統(tǒng)基于連續(xù)力學(xué)方法的人為影響；通過利用聲發(fā)射原理、應(yīng)力、應(yīng)變效應(yīng)，能夠較為真實(shí)的獲取壓裂過程參數(shù)，尤其能定位出破裂位置，記錄破裂釋放出的波形和頻率等系列特征，模擬不同圍壓條件下、不同煤巖樣水力壓裂的相關(guān)參數(shù)變化及破裂規(guī)律；能夠模擬不同圍壓、能夠測試不同圍壓情況下注水壓裂煤巖破裂規(guī)律、能夠測試不同圍壓情況下注水壓裂煤巖的壓力門檻值、能夠測試不同圍壓情況下注水壓裂缺陷煤巖的破裂規(guī)律。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖中:1、承壓軸，2、端蓋，3、腔體，4、排氣閥，5、第一注水閥，6、第二注水閥，7、真空泵，8、壓力變送器，9、柱塞計(jì)量泵，10、第三注水閥，11、試樣，12、銅管，13、聲發(fā)射傳感器，14、應(yīng)力應(yīng)變片，15、放水閥，16、攝像機(jī)，17、水源，18、聲音接收器，19、應(yīng)力應(yīng)變儀。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明:
[0030]結(jié)合圖1，本實(shí)用新型的一種圍壓水力壓裂實(shí)驗(yàn)裝置，涉及試樣11，試樣11為地層的煤巖試樣；包括圍壓裝置、采集試樣11的事件發(fā)生時(shí)與事件有關(guān)信息的采集裝置；圍壓裝置包括承壓軸1、端蓋2、與端蓋2形成密封空間的透明腔體3、排氣閥4、第一、第二、第三注水閥、真空泵7、壓力變送器8、柱塞計(jì)量泵9、第三注水閥10、銅管12 ;承壓軸I穿過端蓋2并深入腔體3中，排氣閥4與腔體3內(nèi)部連通，銅管12 —端插入試樣11中，另一端與第二注水閥6相連，第二注水閥6的另一端與真空泵7管道連接，壓力變送器8 一端與真空泵7管道連接，另一端與第一注水閥5管道連接，圍壓注水閥10與腔體3內(nèi)部連通，第一注水閥5、第三注水閥10均與柱塞計(jì)量泵9管道連接；采集裝置包括聲發(fā)射傳感器13、聲音接收器18、應(yīng)力應(yīng)變片14、應(yīng)力應(yīng)變儀19，聲發(fā)射傳感器13、應(yīng)力應(yīng)變片14安裝在試樣11表面，聲發(fā)射傳感器13與聲音接收器18電連接，進(jìn)行信號(hào)傳輸；應(yīng)力應(yīng)變片14與應(yīng)力應(yīng)變儀19電連接，進(jìn)行信號(hào)傳輸；腔體3上設(shè)有放水閥15，腔體3外的攝像機(jī)16 ;柱塞計(jì)量泵9與水源17連接；透明腔體3便于觀察、記錄，攝像機(jī)16記錄試樣破裂時(shí)的有關(guān)信息。
[0031]本裝置的使用方法，
[0032](I)在試樣11表面安裝聲發(fā)射傳感器13、應(yīng)力應(yīng)變片14，將試樣11放入腔體3中，并且將銅管12的插頭插進(jìn)試樣11中；
[0033](2)蓋上端蓋2，將承壓軸I穿過端蓋2壓住煤巖試樣11 ;
[0034](3)清除銅管12、與第二注水閥6、真空泵7相連的管道中的水分，關(guān)閉第一注水閥
5、排氣閥4，打開第二注水閥6，啟動(dòng)真空泵7抽氣；
[0035](4)抽氣畢，關(guān)閉第二注水閥6和真空泵7，打開第三注水閥10、啟動(dòng)柱塞計(jì)量泵9向腔體3中注水；注水過程中通過排氣閥4排出多余氣體；
[0036](5)達(dá)到預(yù)定試驗(yàn)壓力后停止柱塞計(jì)量泵9，關(guān)閉第三注水閥10 ；
[0037](6)通過承壓軸I對(duì)試樣11施加不同的軸向力；同時(shí)打開第一、第二注水閥，向試樣11中注水，直至試樣破裂；壓力變送器8在向煤巖試樣11中注水時(shí)開啟，實(shí)時(shí)測試注水壓力；
[0038](7)試樣破裂時(shí)，聲發(fā)射傳感器13和應(yīng)力應(yīng)變片14發(fā)出相應(yīng)信號(hào)，聲音接收器18和應(yīng)力應(yīng)變儀19接收信號(hào)后進(jìn)行處理，獲取壓裂過程參數(shù)，攝像機(jī)16獲得試樣壓裂圖像。
[0039]當(dāng)然，也可以利用氣體或油物來代替水，同樣可以實(shí)現(xiàn)施加圍壓目的。
[0040]以上顯示和描述了本實(shí)用新型的基本原理、主要特征和本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實(shí)用新型不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本實(shí)用新型的原理，在不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的前提下，本實(shí)用新型還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本實(shí)用新型范圍內(nèi)。本實(shí)用新型要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.一種圍壓水力壓裂實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:涉及試樣，包括圍壓裝置、采集所述試樣的事件發(fā)生時(shí)與事件有關(guān)信息的采集裝置；所述圍壓裝置包括承壓軸、端蓋、與所述端蓋形成密封空間的腔體、排氣閥、第一、第二、第三注水閥、真空泵、壓力變送器、水泵、注水管；所述腔體上設(shè)有放水閥，所述承壓軸穿過所述端蓋并深入所述腔體中，所述排氣閥與所述腔體內(nèi)部連通，所述注水管一端插入所述試樣中，另一端與所述第二注水閥相連，所述第二注水閥的另一端與所述真空泵管道連接，所述壓力變送器一端與真空泵管道連接，另一端與所述第一注水閥管道連接，所述第三注水閥與所述腔體內(nèi)部連通，所述第一注水閥、第三注水閥均與所述水泵管道連接；所述采集裝置包括聲發(fā)射傳感器、聲音接收器、應(yīng)力應(yīng)變片、應(yīng)力應(yīng)變儀，所述聲發(fā)射傳感器、應(yīng)力應(yīng)變片安裝在所述試樣表面，所述聲發(fā)射傳感器與所述聲音接收器電連接，所述應(yīng)力應(yīng)變片與所述應(yīng)力應(yīng)變儀電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圍壓水力壓裂實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:所述注水管為金屬管。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圍壓水力壓裂實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:所述金屬管為銅管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圍壓水力壓裂實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:所述水泵為柱塞計(jì)量栗。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圍壓水力壓裂實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:所述試樣為地層的煤U-4JAi石試梓。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圍壓水力壓裂實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:所述腔體上設(shè)有放水閥。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圍壓水力壓裂實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:所述腔體為透明腔體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的圍壓水力壓裂實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:所述采集裝置還包括設(shè)在腔體外的攝像機(jī)。
【文檔編號(hào)】E21B43/26GK203822282SQ201420254276
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年5月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月17日
【發(fā)明者】成云海, 馬衍坤, 朱萌萌, 鞏華剛, 王維德, 孫建, 田厚強(qiáng), 吳振虎, 成琦 申請(qǐng)人:成云海