一种深部热储压裂、渗流、驱替一体化测试装置及方法

技术领域

本发明涉及储层开发技术领域，具体为一种深部热储压裂、渗流、驱替一体化测试装置及方法。

背景技术

地壳中地热储层所藴含的地热能量巨大且清洁环保，已成为世界各国重点研究开发的新能源，而其中90%的地热资源储存在深部干热岩中（3-10km）。深部地热资源开发面临的储层改造、换质换热、储层保护等重大现实问题必须在工程实施前进行完全研究后才能在施工过程中避免出现各类问题。因此，有针对性地开展热储介质的压裂、渗流、驱替等实验意义非常重大。

目前国内针对深部地热储层的研究大都采用三轴压缩后的岩样，再进行酸腐蚀或渗流传热研究，将多个研究分开进行，而岩样在压缩后再进行下一次实验过程中应力卸载后会产生损伤损坏，裂缝的开度以及摩擦系数等都会受到很大的影响，不能很好地模拟真实的地层环境，测试结果可靠性非常低，从而不能对深部地热储层进行压裂—渗流-驱替的全流程物理模拟。

发明内容

本发明针对现有技术不能对深部地热储层进行压裂—渗流-驱替的全流程物理模拟的问题，提供了一种深部热储压裂、渗流、驱替一体化测试装置，包括：

真三轴模型部分，用于为实验岩样提供实验模拟环境；

循环加热系统，与真三轴模型部分相连，循环加热系统用于向真三轴模型部分进行实时加热保温，对实验模拟环境内的实验岩样进行换热模拟，并反馈换热效率；

压裂系统，与真三轴模型部分相连，压裂系统用于向真三轴模型部分注入包括水、酸、超临界CO

伺服加载系统，与真三轴模型部分相连，伺服加载系统用于为真三轴模型部分提供静态加载及液态加载，对实验模拟环境内的实验岩样提供围压，模拟实际地层压力条件；

出口计量系统，与压裂系统相连，出口计量系统用于监测压裂系统向真三轴模型部分的流体注入和产出状态；

实时监测与控制系统，与真三轴模型部分、伺服加载系统、压裂系统、循环加热系统和出口计量系统相连；实时监测与控制系统中的控制系统用于对实验岩样进行温度、压力、流体进出的实时优化控制；实时监测与控制系统中的监测系统用于实时监测记录岩样裂缝、磁化率、电阻率及压力数据，完成对深部热储压裂、渗流、驱替的一体化测量与监控。

进一步的，所述真三轴模型部分具体包括：

支架；

腔体，固定设于所述支架上，所述腔体内设有导轨；

滚珠丝杠，转动设于所述支架上，所述滚珠丝杠平行设于所述导轨上，所述滚珠丝杠的一端固定设有手柄；

岩样托，滑动设于所述导轨上，所述岩样托与所述滚珠丝杠传动配合，所述岩样托上固定设有前盖，所述前盖与所述腔体的大小位置相对应；

其中，当岩样放置在岩样托上后，通过手柄转动滚珠丝杠，使岩样送入腔体中。

进一步的，所述循环加热系统具体包括：

补液油罐；

大排量加载泵，与腔体相连，用于对腔体内部进行快速充液以缩短实验时间；

高压循环泵，与腔体相连，其中在大排量加载泵对腔体充液后，启动高压循环泵使腔体内氟油进行循环流动；

氟油加热器，连接在高压循环泵出口，氟油加热器用于将氟油加热至200℃，并保证环腔围压在0～10MPa；

环压跟踪泵，与补液油罐相连，其中当压力传感器检测到环腔围压低于设定围压时，启动环压跟踪泵，将补液油罐中的氟油泵入系统，以控制围压。

进一步的，所述压裂系统具体包括：

压裂流体储罐，存有气态的压裂流体；

压裂流体冷却盘管，放置在低温浴槽中，压裂流体冷却盘管通过净化器与压裂流体储罐相连；

压裂流体高压注入泵，与压裂流体冷却盘管相连；其中当打开压裂流体储罐顶部阀门后，以CO

压裂流体加热系统，与压裂流体高压注入泵相连；其中当打开高压注入泵顶部闸阀时，液态的压裂流体直接进入压裂流体加热系统，从而变为气态，体积迅速扩大从而变为超临界的压裂流体进入压裂井眼进行压裂实验；

搅拌容器，与压裂流体高压注入泵和压裂流体加热系统相连；其中当打开压裂流体高压注入泵侧路闸阀时，液态的压裂流体首先进入搅拌容器，与搅拌容器中的压裂液或携砂压裂液混合后再进入压裂流体加热系统中，经压裂流体加热系统后，压裂液压力迅速增大，完成超临界压力压裂实验。

进一步的，所述伺服加载系统具体包括：

五个伺服油缸，包括设于所述腔体左右两侧的X向左伺服油缸和X向右伺服油缸、设于所述腔体前后两侧的Y向左伺服油缸和Y向右伺服油缸、设于所述腔体上部的Z向伺服油缸；

液压驱动装置，包括：

储油罐；

液压泵站，与储油罐相连，液压泵站用于将液压油从储油罐泵入真三轴模型部分，为真三轴模型部分提供恒定的油压，液压泵站出口管路上设置有用于对系统整体压力测量的压力测试装置；

伺服跟踪泵，与每个伺服油缸一一对应，伺服跟踪泵出口连接单向阀及压力表，所述压力表用于监测伺服油缸的压力；其中当设定压力低于误差标准或者低于设定伺服油缸所需的实验压力时，压力表将信号传输至实时监测与控制系统，启动伺服跟踪泵以维持每个伺服油缸所需的压力精度及压力；

伺服阀，与五个伺服油缸相连，伺服阀用于切换伺服油缸的驱动和卸载模式，使伺服油缸实现对真三轴模型的加压和卸压；

过滤器，设于液压泵站及每个伺服跟踪泵的入口侧，过滤器用于净化液压油，防止对系统精度造成影响；

单向阀，设于液压泵站及每个伺服跟踪泵的出口侧，单向阀用于防止压力过高造成管路爆破或带来其他安全隐患。

进一步的，所述出口计量系统具体包括：

气液分离器，与真三轴模型部分内的压板的内腔相连；

电子天平，与气液分离器相连，电子天平用于测量液相；

干燥腔，与气液分离器的气相出口相连，干燥腔内放置有干燥剂，干燥剂用于干燥气相；

气体流量计，与干燥腔相连，气体流量计用于测量经过干燥的气相。

进一步的，所述实时监测与控制系统中的监测系统具体包括：

裂缝监测系统，包括16个布于压板表面声发射检测/超声波检测一体化探头；裂缝监测系统用于监测裂缝的发育过程，识别裂缝特性；其中裂缝特性包括几何形态、方向；

磁化率监测系统，包括用于测量多种尺寸岩芯的弯曲传感器、矩形或圆形传感器、大口径传感器；磁化率监测系统用于监测岩石的磁化率；

电阻率测量系统，设于压板内，电阻率测量系统的测量头置于不同规格岩样的内部，用于测量岩石的电阻率；

真三轴压力传感器，设于液压驱动装置上，真三轴压力传感器用于监测伺服油缸的压力，即为真三轴的压力；

水力压裂压力传感器，设于压裂流体加热系统后、真三轴模型前，水力压裂压力传感器用于测量进入岩样内流体的压力。

进一步的，所述实时监测与控制系统中的控制系统具体包括：

温度控制系统，设置于循环加热系统、压裂流体加热系统内；温度控制系统用于控制真三轴模型内温度、压裂实验中流体的温度；

压力控制系统，设置于压裂流体加热系统、液压驱动装置、循环加热系统内；压力控制系统用于控制压裂实验中流体的压力、伺服油缸的压力、真三轴模型部分内的围压；

流体进出报警控制系统，与压力控制系统相连；流体进出报警控制系统用于监测系统内部压力，防止流体压力过高产生危险；

计算机，与温度控制系统、压力控制系统、流体进出报警控制系统相连；计算机用于实现自动控制、数据采集处理并实时自动计算结果及显示测试曲线、数据存储及生成图表。

进一步的，本发明提供的一种深部热储压裂、渗流、驱替一体化测试方法，包括以下步骤：

将实验岩样密封在真三轴模型部分中，为实验岩样提供实验模拟环境；

在实验过程中，同时利用循环加热系统向真三轴模型部分进行实时加热保温，对实验模拟环境内的实验岩样进行换热模拟，并反馈换热效率；

待压力达到储层条件并稳定后，向真三轴模型部分注入包括水、酸、超临界CO

利用伺服加载系统对实验岩样进行加围压，模拟实际地层压力条件情况；

利用出口计量系统监测压裂系统向真三轴模型部分的流体注入和产出状态；

利用实时监测与控制系统中的控制系统对实验岩样进行温度、压力、流体进出的实时优化控制；利用实时监测与控制系统中的监测系统实时监测记录岩样裂缝、磁化率、电阻率及压力数据，完成对深部热储压裂、渗流、驱替的一体化测量与监控。

与现有技术相比，本发明提供的一种深部热储压裂、渗流、驱替一体化测试装置及方法，其有益效果是：

本发明提供的深部热储压裂、渗流、驱替一体化测试装置及方法，其中系统包括真三轴模型部分、伺服加载系统、压裂系统、循环加热系统、出口计量系统及实时监测与控制系统；真三轴模型部分可以实现多种尺寸不同形状岩样的测试，可实现在X、Y、Z轴方向无极调整压力值并伺服控制，可恒应力/恒位移及自定义函数加载；伺服加载系统支持静态加载及液态加载；压裂系统及循环加热系统保持系统内处于高温高压条件下，模拟真实地质环境通过循环加热系统能够对地层干热岩进行换热模拟，并反馈换热效率；出口计量系统能获得准确的实验结果；实时监测与控制系统采用声发射探头、压力传感器、水力压裂压力传感器等，可对裂缝、磁化率、电阻率、渗透率、密度等进行精确测量及准确模拟；本发明通过以上全流程物理模拟实验系统结合，实现了真实模拟原始深部地热储层改造、渗流传热等开发过程，使实验结果更加接近真实情况。

附图说明

图1为本发明实施例提供的深部热储压裂、渗流、驱替一体化测试装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的真三轴模型部分正视图；

图3为本发明实施例提供的真三轴模型部分俯视图；

图4为本发明实施例提供的伺服加载系统组成示意图；

图5为本发明实施例提供的真三轴模型内部测点位置示意图。

图中：1、压裂流体储罐，2、净化器，3、低温浴槽，4、压裂流体冷却盘管，5、压裂流体高压注入泵，6、搅拌容器，7、压裂流体加热系统，8、真三轴模型部分，9、气体流量计，10、干燥剂，11、气液分离器，12、伺服加载系统，13、高压循环泵，14、氟油加热器，15、环压跟踪泵，16、大排量加载泵，17、补液油罐，18、实时监测与控制系统，19、岩样，20、灌胶，21、密封插管、22、井筒、23、声发射探头、24、压裂液注入管、25、温度、压力、电阻率一体化测点，71、支架，72、滚珠丝杠，73、手柄，74、X向左伺服油缸，75、Z向伺服油缸，76、X向右伺服油缸，77、Y向左伺服油缸，78、Y向右伺服油缸，79、前盖，80、腔体，81、岩样托，82、储油罐，83、液压泵站，84、伺服跟踪泵，85、单向阀，86、伺服阀，87、压力表，88、伺服油缸，89、压板。

具体实施方式

下面结合附图1-5，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1：

本发明提供一种深部热储压裂、渗流、驱替一体化测试装置，包括：

真三轴模型部分8，用于为实验岩样提供实验模拟环境；循环加热系统，与真三轴模型部分8相连，循环加热系统用于向真三轴模型部分8进行实时加热保温，对实验模拟环境内的实验岩样进行换热模拟，并反馈换热效率；压裂系统，与真三轴模型部分8相连，压裂系统用于向真三轴模型部分8注入包括水、酸、超临界CO

在本实施例中，真三轴模型部分8具体包括：支架71；腔体80，固定设于支架71上，腔体80内设有导轨；滚珠丝杠72，转动设于支架71上，滚珠丝杠72平行设于导轨上，滚珠丝杠72的一端固定设有手柄73；岩样托81，滑动设于导轨上，岩样托81与滚珠丝杠72传动配合，岩样托81上固定设有前盖79，前盖79与腔体80的大小位置相对应；其中，将岩样放置在岩样托81上后，利用手柄73转动滚珠丝杠72，将岩样送入腔体80中，同时，前盖79与腔体80贴合，将前盖79与腔体80密封固定。

在本实施例中，循环加热系统具体包括：补液油罐17；大排量加载泵16，与腔体80相连，用于对腔体80内部进行快速充液以缩短实验时间；高压循环泵13，与腔体80相连，其中在大排量加载泵16对腔体80充液后，启动高压循环泵13使腔体80内氟油进行循环流动；氟油加热器14，连接在高压循环泵13出口，氟油加热器14用于将氟油加热至200℃，并保证环腔围压在0～10MPa；环压跟踪泵15，与补液油罐17相连，其中当压力传感器检测到环腔围压低于设定围压时，启动环压跟踪泵15，将补液油罐17中的氟油泵入系统，以控制围压。

在本实施例中，压裂系统具体包括：压裂流体储罐1，存有气态的压裂流体；压裂流体冷却盘管4，放置在低温浴槽3中，压裂流体冷却盘管4通过净化器2与压裂流体储罐1相连；压裂流体高压注入泵5，与压裂流体冷却盘管4相连；其中当打开压裂流体储罐1顶部阀门后，以CO

在本实施例中，伺服加载系统12具体包括：五个伺服油缸88，包括设于腔体80左右两侧的X向左伺服油缸74和X向右伺服油缸76、设于腔体80前后两侧的Y向左伺服油缸77和Y向右伺服油缸78、设于腔体80上部的Z向伺服油缸75；液压驱动装置，包括：储油罐82；液压泵站83，与储油罐82相连，液压泵站83用于将液压油从储油罐82泵入真三轴模型部分8，为真三轴模型部分8提供恒定的油压，液压泵站83出口管路上设置有用于对系统整体压力测量的压力测试装置；伺服跟踪泵84，与每个伺服油缸88一一对应，伺服跟踪泵84出口连接单向阀85及压力表87，压力表87用于监测伺服油缸88的压力；其中当设定压力低于误差标准或者低于设定伺服油缸88所需的实验压力时，压力表87将信号传输至实时监测与控制系统18，启动伺服跟踪泵84以维持每个伺服油缸88所需的压力精度及压力；伺服阀86，与五个伺服油缸88相连，伺服阀86用于切换伺服油缸88的驱动和卸载模式，使伺服油缸88实现对真三轴模型的加压和卸压；过滤器，设于液压泵站83及每个伺服跟踪泵84的入口侧，过滤器用于净化液压油，防止对系统精度造成影响；单向阀85，设于液压泵站83及每个伺服跟踪泵84的出口侧，单向阀85用于防止压力过高造成管路爆破或带来其他安全隐患。

在本实施例中，出口计量系统具体包括：气液分离器11，与真三轴模型部分8内的压板89的内腔相连；电子天平，与气液分离器11相连，电子天平用于测量液相；干燥腔，与气液分离器11的气相出口相连，干燥腔内放置有干燥剂10，干燥剂10用于干燥气相；气体流量计9，与干燥腔相连，气体流量计9用于测量经过干燥的气相。

在本实施例中，实时监测与控制系统18中的监测系统具体包括：裂缝监测系统，包括16个布于压板89表面声发射检测/超声波检测一体化探头；裂缝监测系统用于监测裂缝的发育过程，识别裂缝特性；其中裂缝特性包括几何形态、方向；磁化率监测系统，包括用于测量多种尺寸岩芯的弯曲传感器、矩形或圆形传感器、大口径传感器；磁化率监测系统用于监测磁化率较低的岩石的磁化率；电阻率测量系统，设于压板89内，电阻率测量系统的测量头置于不同规格岩样的内部，用于测量岩石的电阻率；真三轴压力传感器，设于液压驱动装置上，真三轴压力传感器用于监测伺服油缸88的压力，即为真三轴的压力；水力压裂压力传感器，设于压裂流体加热系统7后、真三轴模型前，水力压裂压力传感器用于测量进入岩样内流体的压力。

在本实施例中，实时监测与控制系统18中的控制系统具体包括：温度控制系统，设置于循环加热系统、压裂流体加热系统内；温度控制系统用于控制真三轴模型内温度、压裂实验中流体的温度；压力控制系统，设置于压裂流体加热系统、液压驱动装置、循环加热系统内；压力控制系统用于控制压裂实验中流体的压力、伺服油缸88的压力、真三轴模型部分8内的围压；流体进出报警控制系统，与压力控制系统相连；流体进出报警控制系统用于监测系统内部压力，防止流体压力过高产生危险；计算机，与温度控制系统、压力控制系统、流体进出报警控制系统相连；计算机用于实现自动控制、数据采集处理并实时自动计算结果及显示测试曲线、数据存储及生成图表。

在本实施例中，本发明提供的一种深部热储压裂、渗流、驱替一体化测试方法，包括以下步骤：将实验岩样密封在真三轴模型部分8中，为实验岩样提供实验模拟环境；在实验过程中，同时利用循环加热系统向真三轴模型部分8进行实时加热保温，对实验模拟环境内的实验岩样进行换热模拟，并反馈换热效率；待压力达到储层条件并稳定后，向真三轴模型部分8注入包括水、酸、超临界CO

实施例2：

基于实施例1提供的深部热储压裂、渗流、驱替一体化测试装置及方法，本实施例提供的深部热储压裂、渗流、驱替一体化测试装置，包括真三轴模型部分、伺服加载系统、压裂系统、循环加热系统、出口计量系统及监测系统与控制系统，基于此系统下的高温压下压裂、渗流、驱替科学测试方法，具体包括以下步骤：

1）将岩样19放置在岩样托81上，通过手柄73，利用滚珠丝杠72将岩样托81送入腔体80内，与此同时，前盖79与腔体80贴合，用螺栓将前盖与腔体密封固定。

2）启动循环加热系统，使岩样19处于高温环境下。包括：①启动环压跟踪泵15，使真三轴模型内部快速充满氟油，之后关闭；②启动高压循环泵13，使系统内氟油开始在真三轴模型与加热器7之间循环流动；③启动氟油加热器14，利用铸铝加热器对系统内氟油进行加热，使试验温度达到在200℃范围内可控。④设定环压跟踪泵15的自动启动压力。当系统内油压降低时，压力监测装置将信号反馈给环压跟踪泵，环压跟踪泵自动启动，将补液油罐17储存的氟油泵入系统，以控制和维持系统内部恒压恒温状态。

3）启动压裂系统（压裂流体选用超临界CO

4）启动伺服加载系统12

伺服加载系统最高工作压力27MPa，包含储油罐82、液压泵站83、伺服跟踪泵84、单向阀85、伺服阀86、压力表87、伺服油缸88、安全阀、过滤器等部件。控制原理为：伺服跟踪泵84与伺服油缸88一一对应，其中Z轴为1个伺服油缸，X轴和Y轴向各有两个伺服油缸，从而实现三个三轴力的大小分别控制。压力变送器不断测量实际三轴压力值并与设定的压力值相比较，当三轴压力值低于误差标准时，控制电路将自动启动伺服跟踪泵84补偿对应轴向的加载力，保持三轴压力的稳定。

5）出口计量系统

①液相计量：采用电子天平，量程2200g，精度1mg；②气相测量：气体通过气液分离器11、干燥剂10后，进入气体流量计9，对气体体积进行计量，计量精度0.1mL。

6）实时监测与控制系统

①包括裂缝监测、磁化率监测、电阻率测量、密度测量、渗透率测量系统。②模拟地层的干热岩，注入流体对干热岩岩样19进行换热模拟，并实时反馈换热效率。③按照实验设定的温度、时间，实现对系统机械压力、流体压力、温度、流量的计算机自动化控制，实现全部模拟过程的自动控制。④实现对系统压力、温度、流量等参数的自动采集和处理，并形成数据报表。

实施例3：

与实施例2不同，本实施例提供的深部热储压裂、渗流、驱替一体化测试装置，包括真三轴模型部分、伺服加载系统、水力压裂系统、循环加热系统、出口计量系统及监测系统与控制系统；其中，真三轴模型部分、伺服加载系统、循环加热系统、出口计量系统及监测与控制系统与实施例2相同，第3）条压裂系统变更为水力压裂系统，包括：①启动注入水从储罐1流入到高压注入泵5中，进一步注入到加热器7中，根据现场工作条件调整水的温度。②启动搅拌容器6，搅拌容器6采用磁力搅拌原理，且容器外部设置有硅橡胶加热套，将预热后的压裂液组分高压注入到加热器7中，与水一起注入压裂液注入口（位置见图5）。

实施例4：

与实施例2和实施例3不同，本实施例提供的深部热储压裂、渗流、驱替一体化测试装置，包括真三轴模型部分、伺服加载系统、水力压裂系统、循环加热系统、出口计量系统及监测系统与控制系统；其中，真三轴模型部分、伺服加载系统、循环加热系统、出口计量系统及监测与控制系统与实施例相同，第3）条压裂系统变更为酸化压裂系统，包括：①启动注入酸液从储罐1流入到高压注入泵5中，进一步注入到加热器7中，根据现场工作条件调整水的温度。②启动搅拌容器6，搅拌容器6采用磁力搅拌原理，且容器外部设置有硅橡胶加热套，将预热后的压裂液组分高压注入到加热器7中，与酸液一起注入压裂液注入口（位置见图5）。

综合来看，与现有技术相比，本发明提供的一种深部热储压裂、渗流、驱替一体化测试装置及方法，具有以下的有益效果：

（1）本发明提供的一体化实验装置同时将真三轴模型部分、伺服加载系统、压裂系统、循环加热系统、出口计量系统及实时监测与控制系统进行有机协同结合，实现了深部地热储层力学性能分析-储层改造—水/酸蚀-渗流-驱替的全流程物理模拟，实现热-流-固-化多场环境耦合，可保证在原始地层温度压力条件下，进行深部地热储层改造的深入研究，能够真实地模拟深部地热储层改造及渗流传热过程。

（2）本发明提供的一体化实验装置还可以模拟不同的传热介质（水、酸、CO

综合来看，本发明提供的深部热储压裂、渗流、驱替一体化测试装置及方法，其中装置包括真三轴模型部分、伺服加载系统、压裂系统、循环加热系统、出口计量系统及实时监测与控制系统；真三轴模型部分可以实现多种尺寸不同形状岩样的测试，可实现在X、Y、Z轴方向无极调整压力值并伺服控制，可恒应力/恒位移及自定义函数加载；伺服加载系统支持静态加载及液态加载；压裂系统及循环加热系统保持系统内处于高温高压条件下，模拟真实地质环境通过循环加热系统能够对地层干热岩进行换热模拟，并反馈换热效率；出口计量系统能获得准确的实验结果；实时监测与控制系统采用声发射探头、压力传感器、水力压裂压力传感器等，可对裂缝、磁化率、电阻率、渗透率、密度等进行精确测量及准确模拟；本发明通过以上全流程物理模拟实验系统结合，实现了真实模拟原始深部地热储层改造、渗流传热等开发过程，使实验结果更加接近真实情况。

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。