一种高温高压压裂试验装置

技术领域

本发明涉及深地工程中非常规致密储层改造技术领域，如深层页岩气储层、致密砂岩储层及干热岩人工储留层等，提出了一种高温高压压裂试验装置。

背景技术

近年来，全球非常规油气勘探开发进入活跃期，随着社会对清洁能源需求的不断扩大以及天然气价格的不断上涨，非常规油气资源成为全球油气资源勘探开发的新亮点。我国非常规油气勘探开发经过10年攻关，已经获得了战略性突破，非常规油气产量占油气总产量的22％。由于页岩储层物性差且渗透率极低，需要水力压裂在储层中形成复杂的裂缝网络，产生高渗透路径，即提高改造体积，从而达到增产的目的，而人工压裂造缝是进行致密油气储层开发必要的手段和途径。另外，在川东北、新疆顺北油气田等超深缝洞性碳酸盐岩油气藏及干热岩地热能等领域同样需要水力压裂来达到高效开发的目的。水力压裂改造技术是一个十分复杂的物理过程，现场水力压裂所产生的压裂裂缝的形态难以直接观察，人们往往只能借助于建立在种种假设和简化条件基础上的数值模型进行分析。室内水力压裂物理模拟是认识裂缝扩展机制的重要手段，通过模拟储层条件下的水力压裂试验，可以对裂缝起裂、扩展及延伸的实际物理过程进行监测，并对形成的压裂缝进行直接观察。这对于正确认识特定层位水力裂缝扩展的机理，并在此基础上建立更实际的数值模型具有重要的意义。因此，探索和开发能够满足深层致密储层压裂缝起裂及扩展演化过程的研究手段，是目前压裂造缝机制研究需要突破的关键技术难题。

随着致密油气储层由中浅层向深层开发，所遇地层温度及应力条件逐渐增大，研发一套针对深层非常规致密储层在高温、高压等复杂地质条件下的压裂试验系统，对于深入揭示深部油气储层高地应力、高地温环境下，不同储层类型压裂缝的起裂及扩展机制、影响因素和复杂缝演化规律具有重要的作用。

发明内容

本发明通过提供一种高温高压压裂试验装置，实现了能够模拟深部油气储层在高温、高压等复杂地质条件下压裂缝的起裂的技术效果。

本发明提供了一种高温高压压裂试验装置，包括：侧部导热板、顶部导热板、底部导热板、侧部加载杆、顶部加载杆、保温隔热层、装置壳体及控制器；所述侧部导热板、所述顶部导热板和所述底部导热板围成试样区域；所述侧部导热板、所述顶部导热板和所述底部导热板均在所述装置壳体中；在所述装置壳体的上壁和侧壁均有通孔；所述顶部加载杆穿过所述装置壳体上壁的通孔与所述顶部导热板的外壁接触；所述侧部加载杆穿过所述装置壳体侧壁的通孔分别与所述侧部导热板的外壁接触；所述保温隔热层设置在所述装置壳体的内壁；在所述侧部导热板、所述顶部导热板和所述底部导热板中均有电阻丝；所述控制器与所述电阻丝的两端电性连接。

进一步地，所述电阻丝均匀分布在所述侧部导热板、所述顶部导热板、所述底部导热板中。

进一步地，所述侧部加载杆和所述顶部加载杆均为水浴压头，在所述压头的外侧套设中空环形套筒；在所述中空环形套筒上有进水口和出水口。

进一步地，还包括：测温部件；在所述侧部导热板、所述顶部导热板和所述底部导热板上有通孔；所述测温部件的测温端分别穿过所述侧部导热板、所述顶部导热板和所述底部导热板上的通孔；所述测温部件的测温端分别与所述侧部导热板、所述顶部导热板和所述底部导热板的内壁齐平；所述测温部件的温度输出端与所述控制器的信号输入端通信连接。

进一步地，在所述侧部导热板、所述顶部导热板和所述底部导热板的外壁有隔热垫片。

进一步地，所述隔热垫片的材质为石英。

进一步地，所述侧部导热板、所述顶部导热板和所述底部导热板的材质为8407模具钢材和/或H13钢。

进一步地，所述保温隔热层的材质为保温棉或保温砖。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

将电阻丝设置在侧部导热板、顶部导热板、底部导热板中，由侧部导热板、顶部导热板和底部导热板围成试样区域，将压裂试样放置在试样区域中。通过控制电阻丝两端的电压，可以根据试验的高温需求，按照一定的速率加温试样，并达到预定温度。在装置壳体的内壁还有保温隔热层，既能保证维持试样所需的高温状态，又可有效降低周围的环境温度，能够模拟深部油气储层在高温、高压等复杂地质条件下压裂缝的起裂，可研究不同类型致密储层在不同温度及压力条件下的水力压裂裂缝起裂及扩展机制。

附图说明

图1为本发明实施例提供的高温高压压裂试验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的高温高压压裂试验装置中电阻丝9的分布示意图；

其中，1-侧部导热板，2-顶部导热板，3-底部导热板，4-侧部加载杆，5-顶部加载杆，6-保温隔热层，7-装置壳体，8-压裂试样，9-电阻丝，10-测温部件，11-隔热垫片。

具体实施方式

本发明实施例通过提供一种高温高压压裂试验装置，实现了能够模拟深部油气储层在高温、高压等复杂地质条件下压裂缝的起裂的技术效果。

本发明实施例中的技术方案为实现上述技术效果，总体思路如下：

将电阻丝设置在侧部导热板、顶部导热板、底部导热板中，由侧部导热板、顶部导热板和底部导热板围成试样区域，将压裂试样放置在试样区域中。通过控制电阻丝两端的电压，可以根据试验的高温需求，按照一定的速率加温试样，并达到预定温度。在装置壳体的内壁还有保温隔热层，既能保证维持试样所需的高温状态，又可有效降低周围的环境温度，能够模拟深部油气储层在高温、高压等复杂地质条件下压裂缝的起裂，可研究不同类型致密储层在不同温度及压力条件下的水力压裂裂缝起裂及扩展机制。

为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

参见图1，本发明实施例提供的高温高压压裂试验装置，包括：侧部导热板1、顶部导热板2、底部导热板3、侧部加载杆4、顶部加载杆5、保温隔热层6、装置壳体7及控制器；侧部导热板1、顶部导热板2和底部导热板3围成试样区域；压裂试样8放置在试样区域中。侧部导热板1、顶部导热板2和底部导热板3均在装置壳体7中；在装置壳体7的上壁和侧壁均有通孔；顶部加载杆5穿过装置壳体7上壁的通孔与顶部导热板2的外壁接触；侧部加载杆4穿过装置壳体7侧壁的通孔分别与侧部导热板1的外壁接触；保温隔热层6设置在装置壳体7的内壁；在侧部导热板1、顶部导热板2和底部导热板3中均有电阻丝9；控制器与电阻丝9的两端电性连接。电阻丝9通电后发热通过导热板为压裂试样8传递热量。通过调节电阻丝9两端的电压值来控制加温温度和加温速率。在本实施例中，可以通过调压器来调节电阻丝9两端的电压值。根据试验要求加温的最大稳定温度选择合适长度的电阻丝9。

为了对压裂试样8进行高效均匀加热，电阻丝9均匀分布在侧部导热板1、顶部导热板2、底部导热板3中。

参见图2，电阻丝9可以成波浪形、锯齿形、回字形等形状分布在侧部导热板1、顶部导热板2、底部导热板3中，侧部导热板1、顶部导热板2、底部导热板3中电阻丝9的分布可以相同，也可以不同，只需保证均匀发热即可。

为了隔绝高温传导，避免高温从试样向加载杆传导，以提高压裂试验的准确度，侧部加载杆4和顶部加载杆5均为水浴压头，在压头的外侧套设中空环形套筒；在中空环形套筒上有进水口和出水口，进行水浴循环，从而隔绝高温传导。

在本实施例中，水浴压头为圆柱型压头。

为了对压裂试样8的升温效果进行监测，以有效控制压裂试样8的加温温度和加温速率，还包括：测温部件10；在侧部导热板1、顶部导热板2和底部导热板3上有通孔；测温部件10的测温端分别穿过侧部导热板1、顶部导热板2和底部导热板3上的通孔；测温部件10的测温端分别与侧部导热板1、顶部导热板2和底部导热板3的内壁齐平；测温部件10的温度输出端与控制器的信号输入端通信连接。

为了进一步隔绝高温传导，从而进一步避免高温从试样向加载杆传导，在侧部导热板1、顶部导热板2和底部导热板3的外壁有隔热垫片11。

在本实施例中，隔热垫片11的材质为石英。侧部导热板1、顶部导热板2和底部导热板3的材质为8407模具钢材和/或H13钢。保温隔热层6的材质为保温棉或保温砖。水浴压头采用耐高温、低变形钢材(H13)加工制作。压裂试样8为300mm×300mm×300mm的正方体压裂标准试样(最大适用尺寸可达800×800×800mm)，然后采用特质钻孔在其中300mm×300mm的一个端面钻直径为25mm，深度为450mm的模拟竖直井筒。

安装工作：安装前使用伺服泵压系统给试样0.5MPa左右的压力，并保持水压5分钟，以检测试样是否漏水。如果漏水，则放弃该试样；如果不漏水，则将准备好的试样放入装置壳体7中。

加温试验：压裂试样8安装完成后，接好电路，并进行电路安全性检测；以2℃/min(还可以是其他升温速率，这里以2℃/min为例)的速率加热压裂试样8。由测温部件10监测压裂试样8的温度，当温度加到预定温度值后，保温10h，使压裂试样8内、外温度相同。

压裂试验：在压裂液中添加红色示踪剂，同时启动岩土工程真三轴伺服加载系统，按照试验设计条件，通过加载板向压裂试样8加载三向主应力至预定值，启动伺服泵压系统进行压裂试验，同时开启声发射监测系统，并观察泵压曲线。当泵压曲线没有大的波动后，停止泵压系统和声发射监测系统，待泵压降为0MPa后，停止岩土工程真三轴伺服加载系统。电阻丝9断电，提升试验机压头，使整个系统降温。当温度降到人工可以操作时，取出压裂后的试样，即完成一次高温高压压裂试验。

1、将电阻丝9设置在侧部导热板1、顶部导热板2、底部导热板3中，由侧部导热板1、顶部导热板2和底部导热板3围成试样区域，将压裂试样8放置在试样区域中。通过控制电阻丝9两端的电压，可以根据试验的高温需求，按照一定的速率加温试样，并达到预定温度。在装置壳体7的内壁还有保温隔热层6，既能保证维持试样所需的高温状态，又可有效降低周围的环境温度，能够模拟深部油气储层在高温、高压等复杂地质条件下压裂缝的起裂，可研究不同类型致密储层在不同温度及压力条件下的水力压裂裂缝起裂及扩展机制。本发明实施例可以调节压裂试样8的升温速率和升温温度，温度控制精准，温控灵敏度不大于±3％，可加热试样的最高稳定温度为300℃。

2、将电阻丝9均匀分布在侧部导热板1、顶部导热板2、底部导热板3中，能够对压裂试样8进行高效均匀加热。

3、侧部加载杆4和顶部加载杆5均为水浴压头，在压头的外侧套设中空环形套筒；在中空环形套筒上有进水口和出水口，能够隔绝高温传导，避免高温从试样向加载杆传导，从而提高了压裂试验的准确度。

4、通过对测温部件10的使用，能够对压裂试样8的升温效果进行监测，从而有效控制压裂试样8的加温温度和加温速率。

5、通过对隔热垫片11的使用，能够进一步隔绝高温传导，从而进一步避免了高温从试样向加载杆传导。

本发明实施例提供了一种可以模拟深部高温、高压环境的试验装置，能够对压裂试样8加温以模拟深部储层的高温环境，可用于开展高储层环境温度模拟下的水力压裂物模试验，分析高温环境下水力压裂后裂缝受温度应力与水压共同作用下裂缝的起裂及扩展特征，为大尺度试样在高温高压条件下的水力压裂裂缝起裂和扩展的物理模拟提供了技术支持。应用本发明实施例提供的试验装置，使深层高温致密油气储层压裂物模试验成为了可能，丰富了高温压裂缝起裂及扩展研究手段，使得大尺度试样压裂物理模拟更接近工程实际中的地质环境，为推动深部致密储层岩体水力压裂理论的发展和工程实际中的压裂设计优化提供了参考。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。