一种脉动CO2泡沫压裂及评价模拟一体化试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种脉动CO2泡沫压裂及评价模拟一体化试验装置及方法，通过CO2增压液化系统和泡沫压裂液定量注入系统实现了不同泡沫质量CO2泡沫压裂液的配制；高温高压泡沫性能评价系统能模拟研究深部高温高压环境下不同配比的CO2泡沫稳定性能；脉动压裂控制系统能实现高频大幅度脉动压裂；三轴岩心夹持器可模拟深部原位应力环境，其与声发射监测系统结合能研究压裂过程裂缝扩展及破裂能量规律；另外将三轴岩心夹持器和渗透率测量系统结合，能用于评估压裂前后试样渗透率的变化情况；因此本发明专利技术能模拟非常规天然气储层脉动CO2泡沫压裂过程，获取各种不同情况的试验数据，从而能对CO2泡沫压裂液的配比进行优选，并能研究不同脉动参量对于压裂效果的影响。同脉动参量对于压裂效果的影响。同脉动参量对于压裂效果的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种脉动CO2泡沫压裂及评价模拟一体化试验装置及方法


[0001]本专利技术涉及非常规天然气开采
，具体是一种脉动CO2泡沫压裂及评价模拟一体化试验装置及方法。

技术介绍

[0002]我国非常规天然气(煤层气、页岩气、致密砂岩气等)资源丰富，其产量约为全国天然气产量的1/10。非常规天然气是一种高热量的清洁能源，其有效开采可以优化能源消费结构。但是，非常规天然气资源赋存条件复杂，直接打井筒或钻孔抽采效果不佳，无法实现非常规天然气的商业化开采，需要采取人工致裂增透措施(水力压裂等)，对储层进行体积压裂，增加气体导流通道。传统的水力压裂措施对非常规天然气开采方面做出了卓越的贡献，但是仍然存在着以下几个方面的问题：一是压裂作业耗水量巨大，压裂液对水资源污染严重；二是滤失量大影响储层改造效果；三是携带支撑剂能力不足；四是对于水资源匮乏地区及水敏感性地层水力压裂技术则不再适用。基于上述不足，具有耗水量少、滤失量小、携带支撑剂能力强、压裂效果好、压裂液返排率高等优点的泡沫压裂技术被提出来。然而，泡沫压裂液是非稳定流体，其在高温高压环境下的稳定性能至关重要。由于泡沫压裂液黏度较高，裂缝起裂压力增大，造缝长度较短，影响储层压裂效果。
[0003]基于上述技术缺陷，有学者提出脉动CO2泡沫压裂技术，利用脉动泵进行脉动式加载，对储层造成疲劳损伤，促进储层中微小孔裂隙的扩张，形成复杂缝网，增加储层裂缝长度。CO2气体吸附性强于CH4，因此，CO2气体的注入还能在储层中形成驱替效应，再者就是可以将CO2封存在地下，减少CO2排放到空气中。然而，当前的脉动CO2泡沫压裂技术仅仅处于理论阶段，并未有具体如何进行压裂的具体方案及其压裂所需的相关参数确定的研究，因此，亟需提供脉动CO2泡沫压裂及评价模拟一体化试验装置及方法，使其能对CO2泡沫压裂所需的参数进行试验测定，为后续实际使用提供数据支撑。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种脉动CO2泡沫压裂及评价模拟一体化试验装置及方法，能对不同围压和轴压情况下的煤岩体进行CO2泡沫压裂，获得不同情况下的试验数据，为后续实际使用提供数据支撑。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种脉动CO2泡沫压裂及评价模拟一体化试验装置，包括数据采集控制系统、渗透率测量系统、三轴岩心夹持器、声发射监测系统、脉动压裂控制系统、高温高压泡沫性能评价系统、泡沫压裂液定量注入系统和CO2增压液化系统；
[0006]所述三轴岩心夹持器包括夹持器主体、平流泵一、左侧堵头、右侧堵头和多个声波传导杆，夹持器主体内设有三轴加载机构，岩心试样设置在三轴加载机构内，岩心试样上设有钻孔；平流泵一通过两个分支管路与三轴加载机构连接，用于控制三轴加载机构对岩心试样施加三轴围压模拟井下实际应力情况；夹持器主体两端均开设端口，左侧堵头和右侧
堵头分别设置在两个端口处，用于封堵两个端口；多个声波传导杆一端分别伸入夹持器主体内，并与岩心试样表面贴合接触；且各个声波传导杆的侧部与夹持器主体固定连接；夹持器主体外部被加热套一包裹；
[0007]所述声发射监测系统与三轴岩心夹持器的多个声波传导杆连接，用于监测压裂过程中试样内部裂缝扩展规律及能量释放特征；
[0008]所述CO2增压液化系统包括CO2气瓶、增压泵以及高压活塞容器三，CO2气瓶与高压活塞容器三的进气口通过管路连接，增压泵与高压活塞容器三通过管路连接，为其提供动力；
[0009]所述泡沫压裂液定量注入系统包括平流泵二、高压活塞容器一、高压活塞容器二和回压装置，平流泵二通过管路分别与高压活塞容器一和高压活塞容器二连接，为其提供动力；高压活塞容器一的端口与高压活塞容器三的出口和回压装置的进口通过管路连接，回压装置的出口与高压活塞容器二的端口通过管路连接；
[0010]所述高温高压泡沫性能评价系统包括泡沫发生器、工业相机、高温高压可视窗、搅拌电机和控制器，搅拌电机装在泡沫发生器底部，且其输出轴伸入泡沫发生器内，搅拌电机的输出轴上装有搅拌机扇叶，用于搅拌发泡；高温高压可视窗装在泡沫发生器侧部，工业相机放置在相机支架上、并正对高温高压可视窗，用于拍摄泡沫发生器内部在高温高压下泡沫的形态变化；泡沫发生器外部被加热套二包裹；控制器用于控制加热套二的加热温度及搅拌电机的搅拌速率；泡沫发生器的进口通过管路与回压装置的出口和高压活塞容器二的端口连接；泡沫发生器的出口连接压裂管路一端，压裂管路另一端与注液管一端连接，注液管另一端为注液口，其经过左侧堵头伸入夹持器主体，并达到岩心试样的钻孔内；泡沫发生器与夹持器主体之间的注液管上装有背压阀；
[0011]所述脉动压裂控制系统包括伺服变频控制系统、脉动泵和伺服增压缸，伺服增压缸的出口通过管路与泡沫发生器的增压口连接，伺服增压缸的进口通过管路与脉动泵的输出端连接，伺服变频控制系统用于控制脉动泵的脉动频率及脉动幅值；
[0012]所述渗透率测量系统包括气源、气体增压泵、流量计、入口高频脉冲压力传感器、排液管、出口高频脉冲压力传感器和排液水杯；气源通过管路与气体增压泵的进口连接，气体增压泵的出口通过管路与背压阀和夹持器主体之间的压裂管路连接；排液管一端与岩心试样接触、另一端为排液出口，排液出口经过右侧堵头伸出夹持器主体与排液水杯连接；流量计设置在气体增压泵的出口处，入口高频脉冲压力传感器装在处于夹持器主体外部的压裂管路上；出口高频脉冲压力传感器装在处于夹持器主体外部的排液管上；
[0013]所述数据采集控制系统用于控制增压泵、气体增压泵、平流泵一、平流泵二、伺服变频控制系统和脉动泵的工作状态；流量计、入口高频脉冲压力传感器、出口高频脉冲压力传感器、工业相机、控制器、加热套一和加热套二均接入数据采集控制系统，数据采集控制系统对接收的气体流量、入口压力、出口压力、泡沫形态、加热控温数据进行数据计算处理。
[0014]进一步，在气源和气体增压泵之间的管路上设有截止阀一；在气体增压泵和注液管之间的管路上设有截止阀二；平流泵一与三轴加载机构之间的两个分支管路上分别设有截止阀三和截止阀四；泡沫发生器上装有泄压阀一和压力表一；平流泵二与高压活塞容器一之间的管路上装有截止阀六，平流泵二与高压活塞容器二之间的管路上装有截止阀五；高压活塞容器二上装有压力表二，高压活塞容器二的端口处装有截止阀七；高压活塞容器
一上装有压力表三和泄压阀二，高压活塞容器一的端口处装有截止阀八，高压活塞容器一和回压装置之间的管路上装有压力表四；截止阀七与回压装置之间的管路上设有注入管，注入管上装有截止阀九；增压泵与高压活塞容器三之间的管路上装有截止阀十；CO2气瓶与高压活塞容器三之间的管路上装有截止阀十一；高压活塞容器三上装有泄压阀三和压力表五，高压活塞容器三的端口处装有截止阀十二。
[0015]进一步，所述声发射监测系统包括声信号处理计算机、声发射采集仪、多个声信号放大器和多个声发射探头，声信号处理计算机与声发射采集仪连接，声发射采集仪通过多个声信号放大器分别与多个声发射探本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种脉动CO2泡沫压裂及评价模拟一体化试验装置，其特征在于，包括数据采集控制系统、渗透率测量系统、三轴岩心夹持器、声发射监测系统、脉动压裂控制系统、高温高压泡沫性能评价系统、泡沫压裂液定量注入系统和CO2增压液化系统；所述三轴岩心夹持器包括夹持器主体、平流泵一、左侧堵头、右侧堵头和多个声波传导杆，夹持器主体内设有三轴加载机构，岩心试样设置在三轴加载机构内，岩心试样上设有钻孔；平流泵一通过两个分支管路与三轴加载机构连接，用于控制三轴加载机构对岩心试样施加三轴围压模拟井下实际应力情况；夹持器主体两端均开设端口，左侧堵头和右侧堵头分别设置在两个端口处，用于封堵两个端口；多个声波传导杆一端分别伸入夹持器主体内，并与岩心试样表面贴合接触；且各个声波传导杆的侧部与夹持器主体固定连接；夹持器主体外部被加热套一包裹；所述声发射监测系统与三轴岩心夹持器的多个声波传导杆连接，用于监测压裂过程中试样内部裂缝扩展规律及能量释放特征；所述CO2增压液化系统包括CO2气瓶、增压泵以及高压活塞容器三，CO2气瓶与高压活塞容器三的进气口通过管路连接，增压泵与高压活塞容器三通过管路连接，为其提供动力；所述泡沫压裂液定量注入系统包括平流泵二、高压活塞容器一、高压活塞容器二和回压装置，平流泵二通过管路分别与高压活塞容器一和高压活塞容器二连接，为其提供动力；高压活塞容器一的端口与高压活塞容器三的出口和回压装置的进口通过管路连接，回压装置的出口与高压活塞容器二的端口通过管路连接；所述高温高压泡沫性能评价系统包括泡沫发生器、工业相机、高温高压可视窗、搅拌电机和控制器，搅拌电机装在泡沫发生器底部，且其输出轴伸入泡沫发生器内，搅拌电机的输出轴上装有搅拌机扇叶，用于搅拌发泡；高温高压可视窗装在泡沫发生器侧部，工业相机放置在相机支架上、并正对高温高压可视窗，用于拍摄泡沫发生器内部在高温高压下泡沫的形态变化；泡沫发生器外部被加热套二包裹；控制器用于控制加热套二的加热温度及搅拌电机的搅拌速率；泡沫发生器的进口通过管路与回压装置的出口和高压活塞容器二的端口连接；泡沫发生器的出口连接压裂管路一端，压裂管路另一端与注液管一端连接，注液管另一端为注液口，其经过左侧堵头伸入夹持器主体，并达到岩心试样的钻孔内；泡沫发生器与夹持器主体之间的压裂管路上装有背压阀；所述脉动压裂控制系统包括伺服变频控制系统、脉动泵和伺服增压缸，伺服增压缸的出口通过管路与泡沫发生器的增压口连接，伺服增压缸的进口通过管路与脉动泵的输出端连接，伺服变频控制系统用于控制脉动泵的脉动频率及脉动幅值；所述渗透率测量系统包括气源、气体增压泵、流量计、入口高频脉冲压力传感器、排液管、出口高频脉冲压力传感器和排液水杯；气源通过管路与气体增压泵的进口连接，气体增压泵的出口通过管路与背压阀和夹持器主体之间的压裂管路连接；排液管一端与岩心试样接触、另一端为排液出口，排液出口经过右侧堵头伸出夹持器主体与排液水杯连接；流量计设置在气体增压泵的出口处，入口高频脉冲压力传感器装在处于夹持器主体外部的压裂管路上；出口高频脉冲压力传感器装在处于夹持器主体外部的排液管上；所述数据采集控制系统用于控制增压泵、气体增压泵、平流泵一、平流泵二、伺服变频控制系统和脉动泵的工作状态；流量计、入口高频脉冲压力传感器、出口高频脉冲压力传感器、工业相机、控制器、加热套一和加热套二均接入数据采集控制系统，数据采集控制系统
对接收的气体流量、入口压力、出口压力、泡沫形态、加热控温数据进行数据计算处理。2.根据权利要求1所述的脉动CO2泡沫压裂及评价模拟一体化试验装置，其特征在于，在气源和气体增压泵之间的管路上设有截止阀一；在气体增压泵和注液管之间的管路上设有截止阀二；平流泵一与三轴加载机构之间的两个分支管路上分别设有截止阀三和截止阀四；泡沫发生器上装有泄压阀一和压力表一；平流泵二与高压活塞容器一之间的管路上装有截止阀六，平流泵二与高压活塞容器二之间的管路上装有截止阀五；高压活塞容器二上装有压力表二，高压活塞容器二的端口处装有截止阀七；高压活塞容器一上装有压力表三和泄压阀二，高压活塞容器一的端口处装有截止阀八，高压活塞容器一和回压装置之间的管路上装有压力表四；截止阀七与回压装置之间的管路上设有注入管，注入管上装有截止阀九；增压泵与高压活塞容器三之间的管路上装有截止阀十；CO2气瓶与高压活塞容器三之间的管路上装有截止阀十一；高压活塞容器三上装有泄压阀三和压力表五，高压活塞容器三的端口处装有截止阀十二。3.根据权利要求1所述的脉动CO2泡沫压裂及评价模拟一体化试验装置，其特征在于，所述声发射监测系统包括声信号处理计算机、声发射采集仪、多个声信号放大器和多个声发射探头，声信号处理计算机与声发射采集仪连接，声发射采集仪通过多个声信号放大器分别与多个声发射探头连接；各个声发射探头分别与各个声波传导杆另一端贴合。4.根据权利要求1所述的脉动CO2泡沫压裂及评价模拟一体化试验装置，其特征在于，所述声波传导杆共8根，均...

【专利技术属性】
技术研发人员：余旭，郑仰峰，翟成，徐吉钊，孙勇，丛钰洲，唐伟，朱薪宇，李宇杰，陈爱坤，徐鹤翔，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：