本發(fā)明涉及壓裂及熱流固化領(lǐng)域，尤其涉及一種高溫高壓真三軸壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、干熱巖、深部非常規(guī)油氣、油頁(yè)巖以及“煤炭地下氣化制氫與甲烷”是重要的戰(zhàn)略接替礦產(chǎn)資源，具有巖層溫度高、儲(chǔ)量大且綠色低碳的突出特征，傳統(tǒng)方法難開(kāi)采的1000至3000米深部煤炭經(jīng)地下氣化(600至1200℃)產(chǎn)出的氫氣及甲烷折合天然氣資源量約為常規(guī)儲(chǔ)量4倍。戰(zhàn)略接替礦產(chǎn)能源的高效開(kāi)采需要對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行造縫增滲改造，進(jìn)而增效開(kāi)采，其中高壓流體致裂巖體并驅(qū)動(dòng)裂縫擴(kuò)展的壓裂是核心技術(shù)，高溫是突出地質(zhì)特征，高溫巖層壓裂裂縫的擴(kuò)展規(guī)律遠(yuǎn)比常溫巖層復(fù)雜，由于相關(guān)理論及技術(shù)尚處于起步階段，高溫壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)理不明且現(xiàn)場(chǎng)難測(cè)難控，需要開(kāi)展高溫巖石真三軸加載條件下的壓裂物理模擬試驗(yàn)，用于支持理論深化、工藝技術(shù)優(yōu)化及施工參數(shù)優(yōu)選，因此，亟需研制高溫高壓真三軸壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)高溫儲(chǔ)層增滲改造理論及技術(shù)提供有力支撐。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種高溫高壓真三軸壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高溫高壓下開(kāi)展帶有聲發(fā)射等監(jiān)測(cè)的壓裂物理模擬試驗(yàn)。

2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的實(shí)施方式提供了一種高溫高壓真三軸壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括：整體框架以及設(shè)置在所述整體框架中的加熱及溫控模塊、加載模塊、泵注模塊、監(jiān)測(cè)模塊、上樣模塊；

3、所述加熱及溫控模塊包括多通道伺服控溫模塊、多層組合式高溫加壓板、循環(huán)水路降溫模塊，

4、所述多層組合式高溫加壓板與通過(guò)所述上樣模塊進(jìn)入固定位置的試樣直接接觸；所述多通道伺服控溫模塊用于為所述多層組合式高溫加壓板進(jìn)行升溫；所述循環(huán)水路降溫模塊設(shè)置在所述多層組合式高溫加壓板內(nèi)部，用于為所述多層組合式高溫加壓板進(jìn)行降溫；

5、所述加載模塊包括承載板和加卸載油缸，所述加卸載油缸為所述承載板提供壓力，所述承載板與所述多層組合式高溫加壓板直接接觸，并將所述加卸載油缸提供的壓力傳遞到所述多層組合式高溫加壓板；

6、所述泵注模塊包括泵注注入模塊、壓力與流量測(cè)控模塊，所述泵注注入模塊設(shè)置在所述試樣內(nèi)部，用于為所述試樣提供壓裂液；所述壓力與流量測(cè)控模塊用于檢測(cè)所述試樣內(nèi)部實(shí)時(shí)泵注壓力與流量；

7、所述監(jiān)測(cè)模塊包括聲發(fā)射監(jiān)測(cè)裝置、應(yīng)力及孔隙壓力監(jiān)測(cè)裝置、光學(xué)監(jiān)測(cè)裝置，所述聲發(fā)射監(jiān)測(cè)裝置用于對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行可視化分析，所述應(yīng)力及孔隙壓力監(jiān)測(cè)裝置用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所述試樣內(nèi)的應(yīng)力以及孔隙壓力，所述光學(xué)監(jiān)測(cè)裝置用于監(jiān)測(cè)試所述樣結(jié)構(gòu)內(nèi)部連續(xù)的應(yīng)變變化，定位裂縫發(fā)生位置及裂縫的大小。

8、另外，多層組合式高溫加壓板包括：加熱加壓層，耐高溫中間層、加載層；

9、所述加熱加壓層與所述試樣直接接觸，并且設(shè)置有插孔，所述插孔內(nèi)布置多個(gè)加熱棒以及溫度傳感器，所述加熱棒以及所述溫度傳感器與所述多通道伺服控溫模塊相連；所述加熱加壓層同時(shí)還設(shè)置有聲發(fā)射傳感器導(dǎo)波桿；

10、所述耐高溫中間層的材料為耐高溫隔熱材料，所述耐高溫中間層具有放置聲發(fā)射傳感器的降溫艙，所述降溫艙用于放置并保護(hù)聲發(fā)射傳感器，其中，所述聲發(fā)射傳感器與所述聲發(fā)射傳感器導(dǎo)波桿對(duì)應(yīng)設(shè)置，所述降溫倉(cāng)與循環(huán)水路相連；

11、所述加載層直接與所述承載板接觸。

12、另外，所述降溫艙最外側(cè)為雙層的近似環(huán)狀結(jié)構(gòu)，并且有注水口與出水口，并留有聲發(fā)傳感器放置孔，所述降溫倉(cāng)用于為放置于其內(nèi)部的所述聲發(fā)傳感器降溫，還用于承受所述承載板加載于得到試樣的壓力；

13、所述降溫艙放置所述聲發(fā)射傳感器的中孔孔深比所述聲發(fā)射傳感器的高度大；

14、所述降溫艙的注水口與出水口與所述循環(huán)水路連接，所述降溫艙內(nèi)放置所述聲發(fā)射傳感器的中空，自靠近所述試樣的內(nèi)側(cè)向外依次為所述聲發(fā)射傳感器導(dǎo)波桿、所述聲發(fā)射傳感器、彈簧以及反力蓋；其中所述聲發(fā)射傳感器導(dǎo)波桿為接觸所述試樣端截面積小而接觸所述聲發(fā)射傳感器端截面積大的結(jié)構(gòu)，

15、所述聲發(fā)射傳感器與所述聲發(fā)射傳感器導(dǎo)波桿貼合部位還涂設(shè)耦合劑；

16、所述彈簧經(jīng)所述反力蓋固定于所述降溫艙，所述彈簧經(jīng)壓縮對(duì)所述聲發(fā)射傳感器及所述聲發(fā)射傳感器導(dǎo)波桿施加壓應(yīng)力，使所述聲發(fā)射傳感器與所述聲發(fā)射傳感器導(dǎo)波桿形成的整體緊壓在所述試樣上，同時(shí)所述導(dǎo)波桿聲發(fā)射傳感器末端與所述試樣之間涂設(shè)耦合劑。

17、另外，所述循環(huán)水路通過(guò)水路管線連接每一個(gè)降溫艙，所述循環(huán)水路自下向上進(jìn)行水循環(huán)，針對(duì)每一個(gè)降溫倉(cāng)采用分流器進(jìn)行分流與合流。

18、另外，所述泵注注入模塊包括高精度注液泵、油水隔離器、多相流體泵注系統(tǒng)；

19、所述高精度注液泵是泵注注入模塊的動(dòng)力源；所述油水隔離器為活塞容器，由活塞分隔的兩個(gè)空間，分別與注入泵和試樣注液管相連，其中與所述試樣注液管相連的空間存放液態(tài)壓裂介質(zhì)。

20、另外，所述壓力與流量測(cè)控模塊包括布置在油水隔離器的出液端的壓力傳感器，所述壓力傳感器用于監(jiān)測(cè)泵注于所述試樣內(nèi)部的流體壓力；流量傳感器，用于監(jiān)測(cè)泵注流量；位移傳感器，用于監(jiān)測(cè)所述油水隔離器活塞的位移行程，進(jìn)一步計(jì)算泵注流量。

21、另外，所述壓裂介質(zhì)包括支撐劑、暫堵劑、水基壓裂液、油基壓裂液中至少一種，所述水基壓裂液和所述油基壓裂液用于調(diào)控泵注流體粘度、酸堿度、濾失特性中至少一種物理化學(xué)性質(zhì)。

22、另外，所述泵注模塊還設(shè)置了co2、n2、蒸汽氣態(tài)與超臨界態(tài)多相流體的貯存罐體與泵送裝置，用于多相流體作為壓裂介質(zhì)壓裂；同時(shí)配備有壓裂介質(zhì)加溫與蒸汽激發(fā)器升溫系統(tǒng)，用于高溫流體作為壓裂介質(zhì)進(jìn)行壓裂物理模擬。

23、另外，所述光學(xué)監(jiān)測(cè)裝置包括光纖光柵；所述光纖光柵預(yù)埋在所述試樣結(jié)構(gòu)內(nèi)部及表面，并在光纖光柵上設(shè)置高強(qiáng)度透明玻璃板，并在所述高強(qiáng)度透明玻璃板后設(shè)置相機(jī)。

24、另外，所述上樣模塊包括兩組垂直的上樣滑軌，兩組上樣滑軌分別對(duì)應(yīng)一個(gè)平臺(tái)組成放置所述試樣的雙層可滑動(dòng)組合平臺(tái)。

25、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著效果如下：本發(fā)明提供的一種高溫高壓真三軸壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要功能模塊“加熱及溫控模塊、加載模塊、泵注模塊、上樣模塊以及監(jiān)測(cè)模塊”，可以通過(guò)有機(jī)組合以滿足高溫真三軸壓裂物理模擬試驗(yàn)的試驗(yàn)條件。加熱及溫控模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣進(jìn)行加熱以達(dá)到地層溫度條件，加載模塊可對(duì)試樣施加地應(yīng)力；多裂縫擴(kuò)展的泵注模塊，可對(duì)試樣進(jìn)行壓裂物理模擬，即高壓流體驅(qū)動(dòng)裂縫擴(kuò)展，并對(duì)每條裂縫擴(kuò)展過(guò)程中的壓力及縫內(nèi)流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)；裂縫擴(kuò)展的監(jiān)測(cè)模塊通過(guò)聲學(xué)、光學(xué)等監(jiān)測(cè)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)在高溫情況下對(duì)聲發(fā)射信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得監(jiān)測(cè)試樣的破裂、斷裂及裂縫擴(kuò)展。幾個(gè)主要功能模塊有機(jī)組合，確保試驗(yàn)滿足“地層高溫高壓地質(zhì)條件物理模擬、裂縫擴(kuò)展物理模擬以及裂縫擴(kuò)展特征刻畫”。

技術(shù)特征：

1.一種高溫高壓真三軸壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，包括：整體框架以及設(shè)置在所述整體框架中的加熱及溫控模塊、加載模塊、泵注模塊、監(jiān)測(cè)模塊、上樣模塊；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫高壓真三軸壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述多層組合式高溫加壓板包括：加熱加壓層，耐高溫中間層、加載層；

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高溫高壓真三軸壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述降溫艙最外側(cè)為雙層的近似環(huán)狀結(jié)構(gòu)，并且有注水口與出水口，并留有聲發(fā)傳感器放置孔，所述降溫倉(cāng)用于為放置于其內(nèi)部的所述聲發(fā)傳感器降溫，還用于承受所述承載板加載于得到試樣的壓力；

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高溫高壓真三軸壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述循環(huán)水路通過(guò)水路管線連接每一個(gè)降溫艙，所述循環(huán)水路自下向上進(jìn)行水循環(huán)，針對(duì)每一個(gè)降溫倉(cāng)采用分流器進(jìn)行分流與合流。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫高壓真三軸壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述泵注注入模塊包括高精度注液泵、油水隔離器、多相流體泵注系統(tǒng)；

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高溫高壓真三軸壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述壓力與流量測(cè)控模塊包括布置在油水隔離器的出液端的壓力傳感器，所述壓力傳感器用于監(jiān)測(cè)泵注于所述試樣內(nèi)部的流體壓力；流量傳感器，用于監(jiān)測(cè)泵注流量；位移傳感器，用于監(jiān)測(cè)所述油水隔離器活塞的位移行程，進(jìn)一步計(jì)算泵注流量。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高溫高壓真三軸壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述壓裂介質(zhì)包括支撐劑、暫堵劑、水基壓裂液、油基壓裂液中至少一種，所述水基壓裂液和所述油基壓裂液用于調(diào)控泵注流體粘度、酸堿度、濾失特性中至少一種物理化學(xué)性質(zhì)。

8.據(jù)權(quán)利要求5所述的高溫高壓真三軸壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述泵注模塊還設(shè)置了co2、n2、蒸汽氣態(tài)與超臨界態(tài)多相流體的貯存罐體與泵送裝置，用于多相流體作為壓裂介質(zhì)壓裂；同時(shí)配備有壓裂介質(zhì)加溫與蒸汽激發(fā)器升溫系統(tǒng)，用于高溫流體作為壓裂介質(zhì)進(jìn)行壓裂物理模擬。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫高壓真三軸壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)監(jiān)測(cè)裝置包括光纖光柵；所述光纖光柵預(yù)埋在所述試樣結(jié)構(gòu)內(nèi)部及表面，并在光纖光柵上設(shè)置高強(qiáng)度透明玻璃板，并在所述高強(qiáng)度透明玻璃板后設(shè)置相機(jī)進(jìn)行觀測(cè)。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫高壓真三軸壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述上樣模塊包括兩組垂直的上樣滑軌，兩組上樣滑軌分別對(duì)應(yīng)一個(gè)平臺(tái)組成放置所述試樣的雙層可滑動(dòng)組合平臺(tái)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種高溫高壓真三軸壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括“加熱及溫控模塊、加載模塊、泵注模塊、上樣模塊以及監(jiān)測(cè)模塊”，可以通過(guò)有機(jī)組合以滿足高溫真三軸壓裂物理模擬試驗(yàn)的試驗(yàn)條件。加熱及溫控模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣進(jìn)行加熱以達(dá)到地層溫度條件，加載模塊可對(duì)試樣施加非均勻地應(yīng)力；多裂縫擴(kuò)展的泵注模塊，可對(duì)試樣進(jìn)行壓裂物理模擬，即高壓流體驅(qū)動(dòng)裂縫擴(kuò)展，并對(duì)每條裂縫擴(kuò)展過(guò)程中的壓力及縫內(nèi)流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)；裂縫擴(kuò)展的監(jiān)測(cè)模塊通過(guò)聲學(xué)、光學(xué)等監(jiān)測(cè)方法，監(jiān)測(cè)試樣的破裂、斷裂及裂縫擴(kuò)展。幾個(gè)主要功能模塊有機(jī)組合，確保試驗(yàn)滿足“地層高溫高壓地質(zhì)條件物理模擬、裂縫擴(kuò)展物理模擬以及裂縫擴(kuò)展特征刻畫”。

技術(shù)研發(fā)人員：邢岳堃,韓泰森,徐杭,黃炳香,丁海
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8