[发明专利]页岩原位体积压裂试验系统

说明书

技术领域

本发明涉及页岩气开采技术领域，具体而言，涉及页岩原位体积压裂试验系统及方法。

背景技术

页岩气，是从页岩层中开采出来的一种非常规天然气资源，是一种非常重要的清洁能源。目前国际上开采页岩气常用的技术为体积压裂技术。但是，现有的研究页岩原位体积压裂的试验系统及方法基本都是以水泥、细沙以及玻璃片等混合成的物理模型为压力试件，无法模拟真实的开采过程中页岩层的应力状态和破裂模式。

发明内容

本发明的目的在于提供页岩原位体积压裂试验系统及方法，以解决现有的研究页岩原位体积压裂的试验系统及方法无法模拟真实的开采过程中页岩层的应力状态和破裂模式的问题。

本发明是这样实现的：

本页岩原位体积压裂试验系统包括开有中心孔的立方体形的页岩试件、用于对页岩试件施加压力的三轴加载系统、用于对页岩试件注射压裂液的体积压裂系统以及用于采集页岩试件在破裂过程中的声音和载荷的数据监测采集系统。三轴加载系统包括多个轴向施压于页岩试件的液压千斤顶和侧向施压于页岩试件的柔性液压囊，液压千斤顶和柔性液压囊均外接有液压源。体积压裂系统包括依次连接的注液管和注塞泵，注液管的输出口伸入中心孔，注塞泵外接有压裂液源。数据监测采集系统包括声发射探头、压力传感器以及微机控制器，声发射探头和压力传感器分别与微机控制器连接。

进一步地，三轴加载系统包括外接有液压源的液压箱，多个液压千斤顶均设置于液压箱上。液压箱可以高效及时地为多个液压千斤顶提供液压油。

进一步地，页岩原位体积压裂试验系统位于硐室内部，包括用于稳定整个系统的支撑装置。支撑装置包括上支撑柱、右支撑柱、主支撑柱以及副支撑柱。上支撑柱一端抵住所述液压箱上部，另一端抵住硐室顶壁；右支撑柱一端抵住液压箱右部，另一端抵住硐室右侧壁；主支撑柱和副支撑柱均一端抵住液压箱下部，另一端抵住硐室地面。主支撑柱和副支撑柱用于承载整个实验系统的重量，右支撑柱用于为液压千斤顶提供反作用力，上支撑柱用于保证整个实验系统的受力平衡。

进一步地，压力传感器有5个，其中1个设置于页岩试件的中心孔内，其余4个分别设置于页岩试件侧向的4个面上。这5个压力传感器可以全面有效地检测实验过程中页岩试件所受到的应力值，并反馈给数据采集监测系统。

进一步地，多个液压千斤顶连接有直接对页岩试件施压的立方体形的柔性加载板。柔性加载板能使多个液压千斤顶提供的力均匀地施加于页岩试件上，以便使实验效果最优化。

进一步地，声发射探头有7个，其中3个设置于柔性加载板轴向的施压于页岩试件的面上，其余4个分别设置于柔性加载板侧向的4个面上。这7个声发射探头可以全面地监测试验过程中页岩试件发出的声音信号，并反馈给数据采集监测系统。

进一步地，柔性加载板与页岩试件之间设置有用于密封的垫圈和环氧树脂胶结层，垫圈和环氧树脂胶结层均开有与页岩试件的中心孔匹配的孔。垫圈和环氧树脂胶结层的设置对中心孔具有良好的密封效果，并且可以防止液压千斤顶在施力时对页岩试件造成非实验目的物理性破坏。

进一步地，多个柔性液压囊之间设置有封隔柱，以防止多个柔性液压囊之间相互干涉，影响应力模拟效果。

进一步地，液压千斤顶和柔性液压囊均连接有液压控制器，以实现三轴加载系统的自动化运转。

本页岩原位体积压裂试验系统采用真实的页岩体为试验对象，相对于现有的系统增加了带有柔性液压囊的三轴加载系统，能够真实地模拟页岩气开发过程中页岩层所受到的应力，以便人们获得更准确的页岩破裂的相关技术数据，有效解决现有的研究页岩原位体积压裂的试验系统及方法无法模拟真实的开采过程中页岩层的应力状态和破裂模式的问题。

本基于上述的页岩原位体积压裂试验系统的页岩原位体积压裂试验方法包括以下步骤：

SP1：利用方形排钻方式取样，钻取立方体形的页岩试件，试件尺寸1000mm×1000mm×1000mm或者500mm×500mm×500mm，中心压裂孔尺寸为φ30mm×600mm或者φ15mm×300mm，页岩试件的侧壁和中心孔壁打磨光滑。

SP2：在可移动的储液车中制作压裂液，这种制作方式能够满足不同实验场地的需要，而且受外界影响小。

SP3：多个液压囊分别与液压管连接，然后平整放入方形试件的四周，并在多个液压囊之间设置封隔柱，以防止侧向加载的时候四个液压囊相互干涉影响。

SP4：将注液管放入页岩的中心孔中，然后用固化剂密封住中心孔，并且套上环氧树脂胶结层，让注液管的端口与页岩试件的表面黏贴牢固，达到密封效果。