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CN110487697A - 注超临界二氧化碳煤岩力学特性测试及压裂实验装置 - Google Patents

注超临界二氧化碳煤岩力学特性测试及压裂实验装置 Download PDF

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CN110487697A CN201910690960.8A CN201910690960A CN110487697A CN 110487697 A CN110487697 A CN 110487697A CN 201910690960 A CN201910690960 A CN 201910690960A CN 110487697 A CN110487697 A CN 110487697A
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Abstract

本发明涉及多物理场耦合环境下岩石力学特性测试技术领域,提供了一种注超临界二氧化碳煤岩力学特性测试及压裂实验装置,包括围压系统、轴压系统、孔隙压系统、温度控制系统、信息采集处理系统;围压系统、轴压系统和孔隙压系统能同时为实验样品分别提供围压、轴压和孔隙压;温度控制系统为实验样品提供温度控制;信息采集处理系统对围压系统、轴压系统、孔隙压系统的实时数据进行采集和处理。本发明现了热流固耦合环境下,轴压系统、围压系统、孔隙压系统和温度控制系统的有机组合,从而实现了实验过程各种加载量的同步实施,监测量的实时同步监测;结构合理,具有广阔应用前景。

Description

注超临界二氧化碳煤岩力学特性测试及压裂实验装置
技术领域
本发明涉及多物理场耦合环境下岩石力学特性测试技术领域,特别涉及一种注超临界二氧化碳煤岩力学特性测试及压裂实验装置。
背景技术
在煤层气、页岩气、致密气和石油储层压裂增产开发过程以及二氧化碳地质封存工程中均涉及温度场、流体渗流场以及应力场耦合作用下煤岩力学响应问题。近年来,国际上很多国家的研究机构和学者开始将超临界二氧化碳作为压裂介质进行石油、天然气和非常规天然气的压裂增产作业。深入研究热流固耦合环境下煤岩与超临界二氧化碳之间的相互作用,研究注超临界二氧化碳过程煤岩全应力-应变-渗透率-声发射响应曲线,对进一步理解煤岩与超临界二氧化碳作用机理和推动我国在超临界二氧化碳压裂煤岩领域的技术进步具有重要的科学意义。然而,现有三轴实验机只能满足流固条件下的渗透率测试或热流固耦合条件下的应力—应变测试,尚未将温度控制系统、围压系统、轴压系统以及孔隙压系统有机地组合在一起,难以满足实验室热流固耦合环境下全应力-应变-渗透率-声发射过程曲线研究的需要。
发明内容
本发明的目的就是克服现有技术的不足,提供了一种注超临界二氧化碳煤岩力学特性测试及压裂实验装置,通过控制温度控制系统、围压系统、轴压系统以及孔隙压系统,使煤岩(实验样本)处于设定的热流固耦合环境中;然后,利用瞬态法渗透率测试中上下游两个气泵压力设定实现基于瞬态法的渗透率测试;并通过位移传感器(LVDT)和声发射采集装置实时同步监测实验过程中煤岩的变形与声发射事件;从而深入研究和理解热流固耦合作用下注超临界二氧化碳煤岩的多场耦合效应及相互作用机理。
本发明采用如下技术方案:
一种注超临界二氧化碳煤岩力学特性测试及压裂实验装置,包括围压系统、轴压系统、孔隙压系统、温度控制系统、信息采集处理系统;
所述围压系统、轴压系统和孔隙压系统能同时为实验样品分别提供围压、轴压和孔隙压;所述温度控制系统为实验样品提供温度控制;所述信息采集处理系统对围压系统、轴压系统、孔隙压系统的实时数据进行采集和处理。
进一步的,所述围压系统包括外管、内柔性管、围压控制压力泵和围压控制阀门;
所述内柔性管固定设置在外管腔体内,所述外管腔体充满第一液体;所述围压控制压力泵通过所述围压控制阀门与所述外管的腔体连接;实验样品放置于所述内柔性管内部;所述围压控制压力泵控制所述外管腔体内第一液体的压力,所述第一液体的压力通过所述内柔性管传递给实验样品,形成实验样品的围压。
进一步的,所述外管和内柔性管的固定方式为:所述外管的两端均设置反力底座,所述反力底座螺纹连接于所述外管的端部,夹持器螺纹连接于所述反力底座,所述内柔性管的2端分别套接于2个所述夹持器。
进一步的,所述轴压系统包括第一密封压板、第二密封压板、轴向压力控制泵、轴向压力控制阀门;
所述第一密封压板、第二密封压板均设置于所述内柔性管内,所述第一密封压板、第二密封压板和内柔性管共同形成的密闭空间用于放置实验样品;所述第一密封压板与夹持器固定连接,所述第二密封压板能在所述内柔性管内滑动;
第二密封压板、内柔性管及夹持器之间的密闭空间形成轴压腔,所述轴压腔内充满第二液体,所述轴向压力控制泵通过所述轴向压力控制阀门与所述轴压腔连接;所述轴向压力控制泵控制所述轴压腔内第二液体的压力,所述第二密封压板在所述第二液体压力驱动下,在所述内柔性管内滑动,挤压实验样品,为实验样品提供轴压。
进一步的,所述孔隙压系统包括气源、上游压力泵、下游压力泵、孔隙压力控制泵;
所述第一密封压板、第二密封压板上均设置有通孔;所述上游压力泵通过设置于第一密封压板上的通孔对实验样品施加上游压力,所述下游压力泵通过设置于第二密封压板上通孔对实验样品施加下游压力;
所述气源与孔隙压力控制泵连接,所述孔隙压力控制泵分别与上游压力泵和下游压力泵连接。
进一步的,所述温度控制系统包括温度控制箱、加热器件、温度传感器、支撑支座;
所述外管、内柔性管及实验样品均设置在所述温度控制箱内,所述温度控制箱的内壁上设置加热器件及温度传感器,所述支撑支座用于支撑所述外管。
进一步的,所述信息采集处理系统包括所述温度传感器、位移传感器、声发射采集装置、计算机;
所述位移传感器设置在所述第二密封压板上,用于测量实验样品的位移;
所述声发射采集装置包括声发射探头和声发射采集仪;所述声发射探头设置在第一密封压板和/或第二密封压板上,所述声发射探头通过数据传输线连接到声发射采集仪;
所述计算机分别与所述温度传感器、位移传感器、声发射采集仪连接;
所述计算机同时采集实验样品的围压、轴压和孔隙压。
进一步的,所述第一密封压板、第二密封压板均为O型或双O型。O型密封压板结构的设计主要是针对水等黏度较大的压裂流体设计,可以有效地防止压裂流体溢出等;双O型密封压板结构的设计主要是针对二氧化碳和超临界二氧化碳等黏度较小的压裂流体设计,实现压裂过程压裂液的密封功能。
进一步的,所述实验装置还包括抽真空装置,所述抽真空装置为实验样品提供真空环境。
本发明还提供了一种使用上述实验装置进行实验的方法,包括:
第一步,将实验装置各管线连接好,进行气密性测试;利用抽真空装置对实验装置进行抽真空操作;
第二步,利用温度控制系统将温度控制箱的温度设定为40℃,保证当注入CO2压力大于7.38MPa时,CO2发生相变成为超临界状态;
第三步,先利用围压系统围压控制压力泵对岩石试样施加1MPa的围压,确保岩石试样处于一个稳定的围压状态;依次通过轴向压力控制泵对岩石实验样品施加1MPa的轴压以及通过上游压力泵、下游压力泵和孔隙压力控制泵对岩石实验样品施加1MPa孔隙压,并再次检查系统的整体气密性;
第四步,逐级利用围压系统、轴压系统和孔隙压控制系统增加围压、轴压和孔隙压,并在不同的应力水平利用上游压力泵和下游压力泵的压力差开展瞬态法渗透率测试。同时,利用位移传感器监测加载过程中煤岩的变形,利用声发射采集系统监测岩石实验样品声发射信息;考虑注气过程,气体在岩石实验样品中扩散的时间效应,在每个围压、轴压和孔隙压水平,持续监测渗透率48h,使气体在岩石实验样品中扩散平衡,得到不同应力水平下的渗透率随时间演化曲线;
第五步,保持围压控制压力泵压力15MPa和轴向压力控制泵压力15MPa不变,通过孔隙压力控制泵逐级增大注气压力,利用温度传感器控制温度,位移传感器监测试样轴向变形,声发射采集系统监测声发射事件;测试不同孔隙压作用下煤岩渗透率数值,得到外部应力不变条件下,全应力-应变-渗透率-声发射曲线。
本发明的有益效果为:
1.实现了热流固耦合环境下,轴压系统、围压系统、孔隙压系统和温度控制系统的有机组合。
2.利用温度控制系统和流体压力控制系统,可以准确地控制二氧化碳的相态变化,从而实现注超临界二氧化碳煤岩多场耦合效应力学特性测试。
3.利用流体压力控制系统中设置的上游和下游二级压力泵实现岩样上下游压力差,进行超低渗岩石的瞬态法渗透率测试。
4.设计O型和双O型压板密封装置,实现室内小尺寸煤岩的压裂实验,同步监测压裂过程的声发射信号,深入掌握热流固耦合环境下煤岩起裂与破裂机理。
5.温度控制系统、围岩系统、轴压系统、孔隙压系统和信息采集系统均集成在计算机软件控制系统,并统一进行操控;从而实现了实验过程各种加载量的同步实施,监测量的实时同步监测。
附图说明
图1为本发明实施例中实验装置的结构示意图。
图2所示为温度控制系统的结构示意图。
图3所示为O型密封压板结构示意图。
图4所示为双O型密封压板结构示意图。
图中:1—反力底座;2—外管;3—内柔性管;41—第一密封压板;42—第二密封压板;5—夹持器;6—温度传感器;7—温度控制箱;8—支撑支座;9—位移传感器(LVDT);10—加热器件;11—计算机;12—声发射采集装置;13—围压控制压力泵;14—围压控制阀门(V1);15—轴向压力控制阀门(V2);16—上游压力泵;17—下游压力泵;18—抽真空装置;19—轴向压力控制泵;20—压力传感器;21—连接接口;22—气源;23—孔隙压力控制泵。
具体实施方式
下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是,下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的,它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中,各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件,可应用于不同实施例中。
如图1所示,本发明实施例一种注超临界二氧化碳煤岩多场耦合效应力学特性测试及压裂实验装置,包括围压系统、轴压系统、孔隙压系统、温度控制系统、信息采集处理系统;
所述围压系统、轴压系统和孔隙压系统能同时为实验样品分别提供围压、轴压和孔隙压;所述温度控制系统为实验样品提供温度控制;所述信息采集处理系统对围压系统、轴压系统、孔隙压系统的实时数据进行采集和处理。
所述围压系统在实验过程中为岩石试样样本提供不同大小的环向应力;作为一种具体实现方式,所述围压系统包括外管2、内柔性管3、围压控制压力泵13和围压控制阀门14;所述内柔性管3固定设置在外管2腔体内,所述外管2腔体充满第一液体;所述围压控制压力泵13通过所述围压控制阀门14与所述外管2的腔体连接;实验样品放置于所述内柔性管3内部;所述围压控制压力泵13控制所述外管2腔体内第一液体的压力,所述第一液体的压力通过所述内柔性管3传递给实验样品,形成实验样品的围压。
外管2和内柔性管3之间的固定可采用多种方式,优选的,所述外管2和内柔性管3的固定方式为:所述外管2的两端均设置反力底座1,所述反力底座1螺纹连接于所述外管2的端部,夹持器5螺纹连接于所述反力底座1,所述内柔性管3的2端分别套接于2个所述夹持器5。
所述轴压系统为实验样本提供不同大小的轴向应力,优选的,所述轴压系统包括第一密封压板41、第二密封压板42、轴向压力控制泵19、轴向压力控制阀门15;所述第一密封压板41、第二密封压板42均设置于所述内柔性3管内,所述第一密封压板41、第二密封压板42和内柔性管3共同形成的密闭空间用于放置实验样品;所述第一密封压板41与夹持器5固定连接,所述第二密封压板42能在所述内柔性管3内滑动;第二密封压板42、内柔性管3及夹持器5之间的密闭空间形成轴压腔,所述轴压腔内充满第二液体,所述轴向压力控制泵19通过所述轴向压力控制阀门15与所述轴压腔连接;所述轴向压力控制泵19控制所述轴压腔内第二液体的压力,所述第二密封压板42在所述第二液体压力驱动下,在所述内柔性管3内滑动,挤压实验样品,为实验样品提供轴压。优选的,所述第一密封压板41、第二密封压板42可采用O型或双O型,如图3、图4所示。O型密封压板结构的设计主要是针对水等黏度较大的压裂流体设计,可以有效地防止压裂流体溢出等;双O型密封压板结构的设计主要是针对二氧化碳和超临界二氧化碳等黏度较小的压裂流体设计,实现压裂过程压裂液的密封功能。
孔隙压控制系统是为了实现岩石实验试样内部孔隙、裂隙加压以及瞬态法渗透率测试;所述孔隙压系统包括气源22、上游压力泵16、下游压力泵17、孔隙压力控制泵23;所述第一密封压板41、第二密封压板42上均设置有通孔;所述上游压力泵16通过设置于第一密封压板41上的通孔对实验样品施加上游压力,所述下游压力泵17通过设置于第二密封压板42上通孔对实验样品施加下游压力;所述气源22与孔隙压力控制泵23连接,所述孔隙压力控制泵23分别与上游压力泵16和下游压力泵17连接。使用时,气源22向孔隙压力控制泵23提供一定压力的气体;此时,孔隙压力控制泵23可以对泵内气体进行二次加压,加载至实验所需的压力数值;孔隙压力控制泵23分别与上游压力泵16和下游压力泵17相连接,向上游压力泵16和下游压力泵17提供一定的压力;上游压力泵16和下游压力泵17通过自身的加压装置,使各自的压力达到实验所需的压力差,从而实现实验样品的瞬态法测渗透率。
如图2所示,所述温度控制系统为使实验样本(岩样)及加载系统中的流体处于设定的恒温状态,保障实验过程中二氧化碳可以相变为超临界状态,所述温度控制系统包括温度控制箱7、加热器件10、温度传感器6、支撑支座8;所述外管2、内柔性管3及实验样品均设置在所述温度控制箱7内,所述温度控制箱7的内壁上设置加热器件10及温度传感器6,所述支撑支座8用于支撑所述外管2。所述温度控制箱7上还设置有连接接口21,用于管线进入温度控制箱7。连接接口21具有一定的密封作用,主要是保障温度控制箱7内的温度恒定,连接接口21嵌入在温度控制箱7内,且两端均有螺纹,可以分别连接温度控制箱7内外的装置。
信息采集系统为实现整个实验装置加载及测试过程中各物理量的实时、同步收集;所述信息采集处理系统包括所述温度传感器6、位移传感器9、声发射采集装置12、计算机11;所述位移传感器9设置在所述第二密封压板42上,用于测量实验样品的位移;所述计算机11分别与所述温度传感器6、位移传感器9、声发射采集装置12连接;所述计算机还采集实验样品的围压、轴压和孔隙压,通过压力传感器20实现压力测量。
本发明实验装置的工作流程如下:
第一步,将实验装置各个管线连接好,进行气密性测试。然后,利用抽真空装置18对实验装置进行抽真空操作。
第二步,利用温度控制系统将温度控制箱7的温度设定为40℃,保证当注入CO2压力大于7.38MPa时,CO2将会发生相变成为超临界状态。
第三步,先利用围压系统围压控制压力泵13等对岩石试样施加1MPa的围压,确保岩石试样处于一个稳定的围压状态。依次通过轴压系统轴向压力控制泵19等对岩石试样施加1MPa的轴压以及通过孔隙压系统上游压力泵16、下游压力泵17和孔隙压力控制泵23对岩石试样施加1MPa孔隙压,并再次检查系统的整体气密性。
第四步,逐级利用上述围压系统、轴压系统和孔隙压控制系统增加围压、轴压和孔隙压,并在不同的应力水平利用上游压力泵16和下游压力泵17的压力差开展瞬态法渗透率测试。同时,利用位移传感器(LVDT)9监测加载过程中煤岩的变形,利用声发射采集系统12监测岩石试样声发射等信息。考虑注气过程,气体在岩石试样中扩散的时间效应,在每个围压、轴压和孔隙压水平,持续监测渗透率48h(气体在岩石试样中扩散平衡),得到不同应力水平下的渗透率随时间演化曲线。
第五步,保持围压控制压力泵13压力15MPa和(19)轴向压力控制泵压力15MPa不变,通过孔隙压力控制泵23逐级增大注气压力(孔隙压),利用温度传感器6控制系统稳定,位移传感器(LVDT)9监测轴向变形,声发射采集系统12监测声发射事件,以及测试不同孔隙压作用下煤岩渗透率数值,得到外部应力不变条件下,全应力-应变-渗透率-声发射曲线。
本文虽然已经给出了本发明的几个实施例,但是本领域的技术人员应当理解,在不脱离本发明精神的情况下,可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的,不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (10)

1.一种注超临界二氧化碳煤岩力学特性测试及压裂实验装置,其特征在于,包括围压系统、轴压系统、孔隙压系统、温度控制系统、信息采集处理系统;
所述围压系统、轴压系统和孔隙压系统能同时为实验样品分别提供围压、轴压和孔隙压;所述温度控制系统为实验样品提供温度控制;所述信息采集处理系统对围压系统、轴压系统、孔隙压系统的实时数据进行采集和处理。
2.如权利要求1所述的实验装置,其特征在于,所述围压系统包括外管、内柔性管、围压控制压力泵和围压控制阀门;
所述内柔性管固定设置在外管腔体内,所述外管腔体充满第一液体;所述围压控制压力泵通过所述围压控制阀门与所述外管的腔体连接;实验样品放置于所述内柔性管内部;所述围压控制压力泵控制所述外管腔体内第一液体的压力,所述第一液体的压力通过所述内柔性管传递给实验样品,形成实验样品的围压。
3.如权利要求2所述的实验装置,其特征在于,所述外管和内柔性管的固定方式为:所述外管的两端均设置反力底座,所述反力底座螺纹连接于所述外管的端部,夹持器螺纹连接于所述反力底座,所述内柔性管的2端分别套接于2个所述夹持器。
4.如权利要求3所述的实验装置,其特征在于,所述轴压系统包括第一密封压板、第二密封压板、轴向压力控制泵、轴向压力控制阀门;
所述第一密封压板、第二密封压板均设置于所述内柔性管内,所述第一密封压板、第二密封压板和内柔性管共同形成的密闭空间用于放置实验样品;所述第一密封压板与夹持器固定连接,所述第二密封压板能在所述内柔性管内滑动;
所述第二密封压板、内柔性管及夹持器之间的密闭空间形成轴压腔,所述轴压腔内充满第二液体,所述轴向压力控制泵通过所述轴向压力控制阀门与所述轴压腔连接;所述轴向压力控制泵控制所述轴压腔内第二液体的压力,所述第二密封压板在所述第二液体压力驱动下,在所述内柔性管内滑动,挤压实验样品,为实验样品提供轴压。
5.如权利要求4所述的实验装置,其特征在于,所述孔隙压系统包括气源、上游压力泵、下游压力泵、孔隙压力控制泵;
所述第一密封压板、第二密封压板上均设置有通孔;所述上游压力泵通过设置于第一密封压板上的通孔对实验样品施加上游压力,所述下游压力泵通过设置于第二密封压板上通孔对实验样品施加下游压力;
所述气源与孔隙压力控制泵连接,所述孔隙压力控制泵分别与上游压力泵和下游压力泵连接。
6.如权利要求2-5任一项所述的实验装置,其特征在于,所述温度控制系统包括温度控制箱、加热器件、温度传感器、支撑支座;
所述外管、内柔性管及实验样品均设置在所述温度控制箱内,所述温度控制箱的内壁上设置加热器件及温度传感器,所述支撑支座用于支撑所述外管。
7.如权利要求6所述的实验装置,其特征在于,所述信息采集处理系统包括所述温度传感器、位移传感器、声发射采集装置、计算机;
所述位移传感器设置在所述第二密封压板上,用于测量实验样品的位移;
所述声发射采集装置包括声发射探头和声发射采集仪;所述声发射探头设置在第一密封压板和/或第二密封压板上,所述声发射探头通过数据传输线连接到声发射采集仪;
所述计算机分别与所述温度传感器、位移传感器、声发射采集仪连接;
所述计算机同时采集实验样品的围压、轴压和孔隙压。
8.如权利要求4所述的实验装置,其特征在于,所述第一密封压板、第二密封压板均为O型或双O型。
9.如权利要求6所述的实验装置,其特征在于,所述实验装置还包括抽真空装置,所述抽真空装置为实验样品提供真空环境。
10.使用如权利要求1-9任一项所述实验装置进行实验的方法,其特征在于,包括:
第一步,将实验装置各管线连接好,进行气密性测试;利用抽真空装置对实验装置进行抽真空操作;
第二步,利用温度控制系统将温度控制箱的温度设定为40℃,保证当注入CO2压力大于7.38MPa时,CO2发生相变成为超临界状态;
第三步,先利用围压系统围压控制压力泵对岩石试样施加1MPa的围压,确保岩石试样处于一个稳定的围压状态;依次通过轴向压力控制泵对岩石实验样品施加1MPa的轴压以及通过上游压力泵、下游压力泵和孔隙压力控制泵对岩石实验样品施加1MPa孔隙压,并再次检查系统的整体气密性;
第四步,逐级利用围压系统、轴压系统和孔隙压控制系统增加围压、轴压和孔隙压,并在不同的应力水平利用上游压力泵和下游压力泵的压力差开展瞬态法渗透率测试。同时,利用位移传感器监测加载过程中煤岩的变形,利用声发射采集系统监测岩石实验样品声发射信息;考虑注气过程,气体在岩石实验样品中扩散的时间效应,在每个围压、轴压和孔隙压水平,持续监测渗透率48h,使气体在岩石实验样品中扩散平衡,得到不同应力水平下的渗透率随时间演化曲线;
第五步,保持围压控制压力泵压力15MPa和轴向压力控制泵压力15MPa不变,通过孔隙压力控制泵逐级增大注气压力,利用温度传感器控制温度,位移传感器监测试样轴向变形,声发射采集系统监测声发射事件;测试不同孔隙压作用下煤岩渗透率数值,得到外部应力不变条件下,全应力-应变-渗透率-声发射曲线。
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