一种脉冲水力压裂改造页岩储层的实验装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术是一种脉冲水力压裂改造页岩气储层的实验装置，包括高压水泵、压裂液池、过滤装置、水力脉冲生成装置、三轴应力加载装置、压力传感器、声发射装置、节流阀、溢流阀、数据采集记录系统、岩心试件等。本实用新型专利技术装置能模拟施加一定围压条件的页岩岩样在不同脉冲压力、脉冲频率等主要工作参数水力作用下的作业环境，并可实时监测裂缝的时空发展规律及测试压裂前后渗透率变化，为研究页岩气储层脉冲水力压裂技术提供实验平台。效果是：实验装置实用强、易于组装、操作简便、结构紧凑，能很好地模拟研究页岩气储层静压及脉冲水力压裂作用下岩样的断裂损伤和渗透率变化机理。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种模拟不同地层压力环境、不同脉冲压力及频率下，脉冲水力压裂改造页岩储层的实验以及实时监测裂缝类型和发展情况、测定岩心压裂前后渗透率的实验装置。
技术介绍
我国页岩气储量丰富、开发潜力大，但地质条件复杂、埋藏深，不易开采。水力压裂技术是高效低成本开发页岩气的关键技术之一，获得较好应用的同时也存在压裂液用量大、能量利用率低、体积压裂效果不明显等瓶颈问题。脉冲水力压裂是一种新的改造页岩储层的方法，能有效运用水力的脉冲效应和循环加载方式提高页岩气储层的改造效果。由于缺乏较为系统的科学研究，相关脉冲水力压裂机理匮乏，主要参数对压裂效果影响难以给予量化确定，从而限制了该项技术在天然气储层改造领域的应用与发展。因此，建立科学的页岩气储层脉冲水力压裂实验测试系统，深入探索脉冲水力作用下页岩的断裂损伤及增渗机理，对该技术的研发与推广具有重要意义。常规水力压裂主要是在稳定高泵压下致裂岩石，然后维持一定压力，使裂缝延伸。使用脉冲水力压裂改造页岩气储层是一种新的改造储层方法，采用一定脉冲频率的压力致裂岩石，能节约压裂用水，降低能量消耗。还能提高水力压裂改造页岩气储层的效果，增加裂缝延伸长度和复杂程度。目前，国内外还没有在三轴应力下专门研究脉冲水力压裂改造页岩气储层的实验装置，缺乏对脉冲水力压裂改造页岩气储层的实验研究。国内外研究水力压裂改造储层的实验装置存在以下缺点:1.只能在恒定水力压力下、无脉冲频率、无三轴应力，不能进行模拟地层的脉冲水力压裂改造储层实验。或者只能在脉冲压力，但无三轴应力下模拟水力压裂改造储层。r>2.对于裂缝的监测只能经过实验压裂改造后，肉眼观察，缺乏实时监测裂缝发展规律的能力。3.原来的实验装置只能模拟水力能量模拟直接冲击岩石的情况，不能模拟在充满液体的井筒内，脉冲水力能量从径向压裂岩石的状态。4.原来同类实验装置不能同时测得压裂前后渗透率变化，如需测定渗透率，需取出岩心在另外的实验设备上进行。
技术实现思路
本技术提供一种脉冲水力压裂改造页岩气储层的实验装置，能够模拟储层岩石在不同三轴应力、脉冲压力和脉冲频率下的水力压裂状态，并实时监测压裂致裂岩石裂缝发展情况和类型，测定岩心压裂前后渗透率，评价脉冲水力压裂效果。  本技术解决其技术问题所采用的技术方案是：本技术首先提出一种脉冲水力压裂改造页岩气储层的实验装置，其包括脉冲发生与控制系统、三轴应力加载装置、裂缝监测装置和渗透率测定系统；其中：所述三轴应力加载装置由上钢座、下钢座、岩心夹持器、轴向压力和径向压力加载系统组成；所述岩心夹持器围成筒状，向夹持于筒内岩心试件传递径向力，上钢座和下钢座分别位于岩心夹持器上下两端，紧贴岩心试件的上下两端，传递轴向力；所述上钢座和下钢座均有中心孔，一端与岩心试件的岩心中心孔位置对应，相互连通；所述轴向压力和径向压力加载系统通过加载终端作用于岩心夹持器和上钢座、下钢座，提供加载的围压和轴向压力。采用该三轴应力加载装置，岩石试件在整个脉冲压裂过程中处于三轴应力情况下，装配方便，可组装于常规三轴应力加载系统或现有的三轴强度测试装置中。所述脉冲发生与控制系统包括压裂液池、高压泵、节流阀、溢流阀、水力脉冲生成装置、压力传感器、数据采集系统；所述上钢座和下钢座的中心孔另一端分别通过管道连接节流阀和溢流阀，进液管从压裂液池接出，通过高压泵、第一开关阀连接节流阀进口，出液管从溢流阀出口接至压裂液池，形成液流循环；从压裂液池接有一分支管路至高压泵和第一开关阀之间的管路，并在所述分支管路上安装第二开关阀；所述水力脉冲生成装置安装在上钢座的中心孔出口位置；所述压力传感器内置于下钢座中，通过信号线连接外部的数据采集系统。    工作时，使用水力脉冲生成装置产生自动产生具有脉冲性能的压裂液，利用节流阀调节流量、溢流阀调节脉冲压力，高压泵提供高压流体。压力传感器传输压裂液压力和脉冲频率数据给数据采集记录系统，利用记录的数据反馈，调节节流阀、溢流阀，使脉冲压力和频率达到实验要求。节流阀、溢流阀、高压泵、压力传感器和数据采集记录系统之间的配合调节，能产生不同压力、频率的脉冲压裂液，用于研究各种脉冲水力压裂改造页岩气储层的状况和与常规水力压裂对比。    所述裂缝监测装置采用声发射信号采集器，通过信号线连接安装在岩心夹持器上的声发射传感器，其输出信号连接至数据采集系统。使用声发射信号采集器采集脉冲压裂过程中产生的裂缝发展情况和裂缝类型，并用数据采集记录系统记录裂缝信号，便于研究脉冲水力压裂裂缝。所述渗透率测定系统包括所述的截止阀、调压阀、流量计、压力计、岩心夹持器和气源。气源的出气管路连接调压阀，气体由岩心夹持器的一端进入岩心试件，气体压力由调压阀控制。本实验装置可泵入介质为氮气，调节调压阀，配合压力传感器和数据采集记录系统，测定岩心渗透率。所述渗透率测定系统与脉冲发生与控制系统的管路是替换性地与岩心夹持器两端的管路连接的，分别进行不同的测定。    本技术的有益效果是：能够提供可控的脉冲水力能量，能模拟页岩岩石在地层三轴应力下和类似于井筒内水力压裂实际环境，脉冲水力能量致裂岩石的状态，同时能够实时监测压裂过程中裂缝发展情况和裂缝产生类型，测定岩心渗透率，能与常规水力压裂对比，评价脉冲水力压裂效果，指导水力压裂新技术的开发。该系统可进行脉冲水力压裂与常规水力压裂的效果对比实验，也可直接测量压裂前后岩心渗透率，评估脉冲压裂效果。附图说明图1是本技术脉冲水力压裂改造页岩气储层实验装置结构示意图。图2是岩心垫圈的示意图。图3是三轴应力加载装置的示意图。图4是岩心渗透率测定示意图。图4A是岩心中气体渗透的方向。图中，1-压裂液池，2-高压泵，3-节流阀，4-水力脉冲生成装置，5-环氧树脂胶结层，6-垫圈，7-岩心试件，8-声发射信号采集器，9-数据采集记录系统，10-压力传感器，11-过滤装置，12-溢流阀，13-岩心中心孔，14-第二开关阀，15-第一开关阀，16-上钢座，17-径向夹持件，18-下钢座，19-气源，20-声发射传感器，21-截止阀，22-调压阀，23-流量计，24-压力计。具体实施方式    上述仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本技术作进一步的详细说明。本技术一种脉冲水力压裂改造页岩气储层的实验装置，包括脉冲发生、监测与控制系统、三轴应力加载装置、裂缝监测装置和渗透率测定系统。参阅图1和图3，三轴应力加载装置由上钢座16、下钢座18、径向夹持件17组成的岩心夹持器和三轴应力加载系统组成，三轴应力加载系统轴向能提供0-4000kN压力，径向能提供0-50MPa围压，岩心规格Φ100mm×200mm。径向夹持件17可以由两、三个弧形块围成一个圆筒状，向夹持于筒内的岩心试件传递径向力。水力脉冲生成装置4、压力传感器10内置分别于上钢座16、下钢座18中便于加载轴向压力。岩心两端附上垫圈本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种脉冲水力压裂改造页岩气储层的实验装置，包括脉冲发生与控制系统、三轴应力加载装置、裂缝监测装置和渗透率测定系统；其特征在于：?所述三轴应力加载装置由岩心夹持器和轴向压力和径向压力加载系统组成；所述岩心夹持器包括上钢座（16）、下钢座（18）和径向夹持件（17），所述径向夹持件（17）围成筒状，向夹持于筒内的岩心试件传递径向力，上钢座（16）和下钢座（18）分别位于径向夹持件上下两端，向岩心试件传递轴向力；所述上钢座（16）和下钢座（18）均有中心孔，与岩心试件的岩心中心孔相互连通；所述轴向压力和径向压力加载系统是通过加载终端作用于径向夹持件（17）、上钢座（16）和下钢座（18），提供加载的围压和轴向压力；所述脉冲发生与控制系统包括压裂液池（1）、高压泵（2）、节流阀（3）、溢流阀（12）、水力脉冲生成装置（4）、压力传感器（10）、数据采集系统（9）；岩心夹持器的上下两端，即上钢座（16）和下钢座（18）的中心孔分别通过管道连接节流阀（3）和溢流阀（12），进液管从压裂液池接出，通过高压泵（2）、第一开关阀（15）连接节流阀（3）进口，出液管从溢流阀（12）出口接至压裂液池（1），形成液流循环；从压裂液池（1）接有一分支管路至高压泵（2）和第一开关阀（15）之间的管路，并在所述分支管路上安装第二开关阀（14）；所述水力脉冲生成装置（4）安装在上钢座（16）的中心孔出口位置；所述压力传感器（10）内置于下钢座（18）中，通过信号线连接外部的数据采集系统（9）；所述裂缝监测装置采用声发射信号采集器（8），通过信号线连接安装在岩心夹持器上的声发射传感器（20），其输出信号连接至数据采集系统（9）；所述渗透率测定系统包括截止阀（21）、调压阀（22）、流量计（23）、压力计（24）和气源（19），气源（19）的输气管路连接调压阀（22）、流量计（23）、压力计（24），并由岩心夹持器的一端的管道接入，将气体输入岩心试件，气体压力由调压阀（22）控制，截止阀（21）安装在由岩心夹持器另一端的管道上。...

【技术特征摘要】
1.一种脉冲水力压裂改造页岩气储层的实验装置，包括脉冲发生与控制系统、三轴应力加载装置、裂缝监测装置和渗透率测定系统；其特征在于：
 所述三轴应力加载装置由岩心夹持器和轴向压力和径向压力加载系统组成；所述岩心夹持器包括上钢座（16）、下钢座（18）和径向夹持件（17），所述径向夹持件（17）围成筒状，向夹持于筒内的岩心试件传递径向力，上钢座（16）和下钢座（18）分别位于径向夹持件上下两端，向岩心试件传递轴向力；所述上钢座（16）和下钢座（18）均有中心孔，与岩心试件的岩心中心孔相互连通；所述轴向压力和径向压力加载系统是通过加载终端作用于径向夹持件（17）、上钢座（16）和下钢座（18），提供加载的围压和轴向压力；
所述脉冲发生与控制系统包括压裂液池（1）、高压泵（2）、节流阀（3）、溢流阀（12）、水力脉冲生成装置（4）、压力传感器（10）、数据采集系统（9）；岩心夹持器的上下两端，即上钢座（16）和下钢座（18）的中心孔分别通过管道连接节流阀（3）和溢流阀（12），进液管从压裂液池接出，通过高压泵（2）、第一开关阀（15）连接节流阀（3）进口，出液管从溢流阀（12）出口接至压裂液池（1），形成液流循环；从压裂液池（1）接有一分支管路至高压泵（2）和第一开关阀（15）之间的管路，并在所述分支管路上安装第二开关阀（14）；所述水力脉冲生成装置（4）安装在上钢座（16）的中心孔出口位置；所述压力传感器（10）内置于下钢座（18）中，通过信号线连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆朝晖，贺培，程礼军，刘俊峰，李红英，谢庆明，邓智，
申请(专利权)人：重庆地质矿产研究院，
类型：实用新型
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