[发明专利]一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置与试验方法

说明书

技术领域：

本发明为一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置与试验方法，压裂介质为气体或液体。属于岩体力学与工程技术领域范畴。通过对试件的压裂渗流变形特性等岩石力学试验揭示煤岩在不同应力及高温状况下的应力-应变等岩石力学性质特征及其变化规律；通过真三轴加载可模拟真实地层的埋藏条件；通过压力室周围传压板钻孔内置加热棒进行高温加热；通过高压水力或超临界CO₂进行压裂试验；通过声发射系统对压裂产生的贯通裂缝的起裂、扩展及开闭合特性的观察、控制和分析掌握裂缝的形成及扩展机理；通过注入高压孔隙水或气体进行煤岩渗透试验以测试压裂后试件的孔隙率和渗透性。为压裂开采提供理论基础和实验依据。

背景技术：

随着油气领域开采技术的发展，压裂装置与方法近年来取得了多项成果，涉及真三轴压裂的方法与装置的中国发明专利主要有：中国矿业大学的“一种煤层气井水力压裂物理模拟方法”(CN 103883301 A)。中国石油大学(华东)的“一种用于稠油热采储层破裂的模拟实验装置”(CN 103821487 A)。东北大学的“一种模拟页岩气压压裂过程的实验装置及实验方法”(CN 103993867 A)。重庆大学的“真三轴受力条件下页岩水力压裂损伤演化装置与实验方法”(CN 103592186 A)。中国石油化工股份有限公司的“模拟储层环境的应力应变测试系统及其测试方法”(CN 103728184 A)。中国科学院武汉岩土力学研究所的“一种可实现水压致裂试验的真三轴压力装置”(CN 102621000 B)。现有的三轴压裂模拟试验装置及方法均是针对水力压裂或页岩气压裂，只能满足常规条件下的室内压裂模拟，但不能满足模拟深埋地层高温条件下的水力压裂以及超临界CO₂压裂。

发明内容：

本发明一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置及其试验方法，目的在于克服传统试验方法的缺陷与不足，根据矿物地质赋存条件下的地应力和温度场条件，公开一种模拟深部岩层高温压裂时的岩体特征以及压裂后岩体的渗流特性，最高加热温度为400℃，且能够满足在试验室内对地下深部及高温矿物煤岩高温高压进行真三轴压裂及压裂后渗流特性检测的先进、高效、直观、可靠和安全的试验装置与试验方法。

本发明的一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置，其特征在于是一种可模拟矿物埋藏深度达2000m和温度达400℃的地质环境条件，由真三轴伺服控制实时加载系统1、水力压裂系统2、超临界CO₂压裂系统3、渗透系统4、循环冷却系统5、温度加载及保温控制系统6、声发射监测系统7、压力-变形测试系统8及数据采集和自动化控制系统9九大系统组成的试验装置，所述的真三轴伺服控制实时加载系统1是系统的重要组成部分，由五组千斤顶及加载油缸16、三组独立的稳压源、伺服油源、传压柱、传压板14、多孔槽板12、伺服阀、压力传感器、位移传感器和变形传感器组成，通过压力室内的传压板14错位布置，实现对试件19的刚性加载，对试件19施加模拟相应地层的地应力条件，如图2所示，错位布置是指传压板14之间改变原有硬连接的布置为相互错位布置，用来解决试件19压缩变形时传压板14之间的相互挤压以及满足试件19的尺寸变化，压力室通过传压板14的错位布置实现五面刚性加载，传压板14与试件19之间嵌置多孔槽板12；所述的水力压裂系统2，由液体伺服增压泵、压裂管柱21、压裂液注入压力传感器、压裂液注入流量计量装置和水力压裂配套组件组成，利用一组液体伺服增压泵通过压裂管柱21泵注压裂液对试件19进行压裂，通过压裂管柱21与真三轴伺服控制实时加载系统1联接；所述的超临界CO₂压裂系统3，由气体伺服增压泵、压裂管柱21、温度加载装置、保温管路、注入压力传感器、注入流量计量装置和超临界CO₂压裂配套组件组成，利用一组气体伺服增压泵及温度控制装置通过压裂管柱泵注超临界CO₂对试件19进行压裂，通过保温管路连接压裂管柱21与真三轴伺服控制实时加载系统1联接；所述的渗透系统4，由伺服增压泵、孔隙水/气注入压力传感器、孔隙水/气注入流量传感器、孔隙水/气渗透压力传感器、孔隙水/气渗透流量传感器和密封配套组件组成，利用一组伺服增压泵将孔隙水/气通过压力室的顶部接口泵注到用超高温密封胶13包裹的试件19的顶部，在压力室的底部出口经过底部多孔槽板12收集渗透过试件19的孔隙水/气；所述的循环冷却系统5，由循环水泵、冷却管路和循环冷却配套组件组成，在加载油缸靠近传压板的端部采用水冷对油缸进行循环冷却；所述的温度加载及保温控制系统6，由保温环境箱10、加热棒22、温度采集控制仪和加热保温配套组件组成，在压力室的内部四周传压板14上打钻孔15布置加热棒22进行加温，通过多孔槽板12对试件19传递热量加热，由温度采集控制仪对温度的加载进行采集和控制，设计一个保温环境箱10用以提供恒温环境；所述的声发射监测系统7，由声发射探头和声发射处理装置组成，在压力室周围传压板14上预留有声发射探头23布置点，利用声发射仪监测试件19的声发射变化，并进行三维声发射定位，用来监测试件19内部裂纹的起裂和扩展演化参数；所述的压力-变形测试系统8，主要由各子系统中记录温度、压力、流量、变形和位移的传感器组成，同时在压力室内部设置有压力传感器，记录试件19内部的压力变化；所述的数据采集和自动化控制系统9，采用面板式的自动化控制和数据显示，通过输入加载过程的控制程序，自动加载；试验完成后，通过程序控制自动卸载；通过温度采集控制仪，输入设定的温度值进行加热；通过伺服增压泵的控制程序，对压力、排量和泵注体积参数进行记录和控制；实时显示试验过程中各传感器测得的温度、压力、流量、变形和位移参数并能够输出数据；生成试验过程中的压力加载过程动态曲线、温度变化动态曲线、压裂过程动态曲线、孔隙压力变化动态曲线和试件19内部压力变化动态曲线以便进行控制并能够予以输出。