一种大尺寸真三轴水力压裂模拟实验的三维应力加载装置及方法与流程

1.本发明涉及地质工程和水力压裂测试技术领域，具体地说是一种实现大尺度真三轴水力压裂实验三维应力加载的装置及方法，属于一种新型加压装置及方法，用于大型水力压裂模拟实验。


背景技术：

2.水力压裂技术是油气田开发过程中最常用的增产措施，通过水力压裂可在地层中形成具有高导流能力的大规模裂缝网，从而增加油气的泄流面积，减小油气的流动阻力。在水力压裂中，研究压裂裂缝的形成条件、裂缝形态、方位等，对有效发挥压裂在增产、增注中的作用至关重要，因此开展物理模拟试验，对于研究裂缝的起裂和扩展行为具有十分重要的意义。
3.真三轴实验仪是能模拟岩石在地层中的三向应力状态并能独立 地改变试样上三个主应力大小用以测定岩石强度和变形特性的仪器， 主要由压力室、加载荷系统、量测系统、排水系统、自动控制系统和其它附属设备组成。
4.目前常规的真三轴应力加载设备和方法存在三个主要问题：一是设备尺寸偏小，只能通过相似准则对现场进行近似模拟，导致实验结果有其局限性，因此其实验结果对现场的指导意义有限。二是三轴加围压装置在最大加载压力和稳定性方面存在不足，不能较为真实地还原地层岩石的受力状态，这直接导致了实验效果不佳、效率较低。三是成本高昂，目前较为先进的大型真三轴压裂模拟实验设备和方案耗资巨大，不能广泛用于研究和推广。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明设计了一种大尺寸真三轴水力压裂模拟实验的三维应力加载装置及方法，极大程度上还原储层原始应力状态，实验操作便捷，提高了实验效率，降低了实验成本。
6.本发明的技术方案为：一种大尺寸真三轴水力压裂模拟实验的三维应力加载方法，包括如下步骤：步骤a、对实验场地进行布置，安装实验装置和组装实验仪器， 并安装相应位置的阀门；步骤b、将现场取回的岩样进行切割加工，制成标准岩样并装入压力容器中；步骤c、根据实验所需加载压力值，在碳纤维真三轴压力容器室的夹板中添加适量的岩石膨胀剂；步骤d、打开注水系统阀门，膨胀剂与水发生理化反应，实时观测各压力表示数；步骤e、完成压裂模拟实验后，启动电加热系统，使膨胀剂中水分减少，实时观测各压力表示数。
7.进一步的，在步骤 e 中需观测各压力表示数，直至压力完全卸载后，再取出岩样。
8.进一步的，在步骤 b 中，所取岩样的尺寸为 60cm
×
60cm
×
60cm的正方体，公差为
±
1mm。
9.进一步的，在步骤 c 中，x 方向加载至 45mpa，y 方向加载至 35mpa， z 方向加载至 25mpa，分别在碳纤维真三轴压力容器室 x 方向的夹板中添加 30kg 的岩石膨胀剂，y 方向的夹板中添加 24kg 的岩石膨胀剂， z 方向的夹板中添加 17kg 的岩石膨胀剂。
10.进一步的，在步骤 b 中，所取岩样的尺寸为 40cm
×
40cm
×
40cm 的正方体，公差为
±
1mm。
11.进一步的，在步骤 c 中，x 方向加载至 30mpa，y 方向加载至 20mpa， z 方向加载至 25mpa，分别在碳纤维真三轴压力容器室 x 方向的夹板中添加 20kg 的岩石膨胀剂、y 方向的夹板中添加 14kg 的岩石膨胀剂、z 方向的夹板中添加 17kg 的岩石膨胀剂。
12.优选的，在步骤b 中使用到的压力容器的材质为碳纤维。
13.进一步的，在步骤 d 中依靠注入水量来调节与岩石膨胀剂反应产生的压力，并通过注水系统和电加热系统配合进行压力调节。
14.本发明还提供了一种大尺寸真三轴水力压裂模拟实验的三维应力加载装置，包括碳纤维真三轴压力容器，还设有压力传感器和平流泵，所述压力传感器设置在所述碳纤维真三轴压力容器内部，所述平流泵设置在所述碳纤维真三轴压力容器外部且通过管道与所述碳纤维真三轴压力容器相连接。
15.优选的，所述碳纤维真三轴压力容器的材质为碳纤维。
16.本发明的优点在于：基于压力容器的结构设计，通过岩石膨胀剂与水相互反应，实现体积膨胀提供压力的效果，极大程度上还原储层原始应力状态，实验操作便捷，可以真正模拟地层岩石的受力状态， 较好地对现场进行模拟，实验结果能够直接用于现场，提高了实验效率，且降低了实验成本。
17.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。附图说明图 1 为本发明实验装置的安装流程示意图。
18.图 2 为本发明压力容器的结构示意图。
19.图 3 为本发明压力容器夹板的结构示意图。
20.图 4 为本发明压力加载的示意图。
21.图 5 为本发明实施例一中的压力随时间变化图。
22.图 6 为本发明实施例二中的压力随时间变化图。具体实施方式以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
23.参照图 1
‑
图 6，本发明提供了一种大尺寸真三轴水力压裂模拟实验的三维应力加载方法，包括如下步骤：步骤a、对实验场地进行布置，安装实验装置和组装实验仪器，并安装相应位置的阀门；步骤 b、将现场取回的岩样进行切割加工，制成标准岩样并装入压力容器中； 步骤c、根据实验所需加载压力值，在碳纤维真三轴压力容器室的夹板中添加适量的岩石膨胀剂；步骤d、打开注水系统阀门，膨胀剂与水发生理化反应，实时观测各压力表示数；步骤e、完成压裂模拟实验后，启动电加热系统，使膨胀剂中水分减少，实时观测各压力表示
数。本发明所使用的实验材料与实验装置包括碳纤维真三轴压力容器室、承载实验装置的支架、岩石膨胀剂、注水系统、电加热系统、岩样、蒸馏水和相应的阀门。各实验装置作用是：压力容器为岩样提供固定作用，平流泵为注入水提供动力，输送管线为注入水提供注入途径，阀门调节泵入排量，压力表为调节泵速提供依据，电加热装置可对压力进行调节以及卸载。其中，在步骤e中需观测各压力表示数，直至压力完全卸载后，再取出岩样。其中，在步骤d中依靠注入水量来调节与岩石膨胀剂反应产生的压力，并通过注水系统和电加热系统配合进行压力调节。
24.其中，在步骤b中，所取岩样的尺寸为60cm
×
60cm
×
60cm的正方体，公差为
±
1mm。在步骤c中，x方向加载至45mpa，y方向加载至35mpa，z方向加载至25mpa，分别在碳纤维真三轴压力容器室x方向的夹板中添加30kg的岩石膨胀剂，y方向的夹板中添加24kg的岩石膨胀剂，z方向的夹板中添加17kg的岩石膨胀剂。当然在步骤b中，所取岩样的尺寸也可以是40cm
×
40cm
×
40cm的正方体，公差为
±
1mm。此时在步骤c中，x方向加载至30mpa，y方向加载至20mpa，z方向加载至25mpa，分别在碳纤维真三轴压力容器室x方向的夹板中添加20kg的岩石膨胀剂、y方向的夹板中添加14kg的岩石膨胀剂、z方向的夹板中添加17kg的岩石膨胀剂。优选的，在步骤b中使用到的压力容器的材质为碳纤维，当然也可以采用可达到相同效果的材料。
25.hsca岩石膨胀剂类型及应用气温范围情况如表1所示。
26.表1hsca岩石膨胀剂类型及应用气温范围本发明还提供了一种大尺寸真三轴水力压裂模拟实验的三维应力加载装置，包括碳纤维真三轴压力容器，还设有压力传感器和平流泵，所述压力传感器设置在所述碳纤维真三轴压力容器内部，所述平流泵设置在所述碳纤维真三轴压力容器外部且通过管道与所述碳纤维真三轴压力容器相连接。优选的，所述碳纤维真三轴压力容器的材质为碳纤维，当然也可以采用可达到相同效果的材料。
27.本发明提出了一种新的大尺寸真三轴水力压裂模拟实验的三维应力加载装置及方法。该方法中采用岩石膨胀剂与水反应提供压力，基于压力容器的结构，可以对岩样分别施加三个方向的压力。本发明经过实际检验之后，得到的结果与预期相符，说明本发明行之有效。本发明基于压力容器的结构设计，通过岩石膨胀剂与水相互反应，实现体积膨胀提供压力的效果，极大程度上还原储层原始应力状态，实验操作便捷，降低了实验成本，对优化真三轴水力压裂模拟实验有重要的指导意义。本发明跳出了现有技术的思维壁垒，为压裂裂缝形态实验评价大尺寸真三轴实验设备的三维应力加载装置及加载方法提供了一种
全新的思路与方法。
28.本发明基于压力容器的结构设计，通过岩石膨胀剂与水相互反应，实现体积膨胀提供压力的效果，极大程度上还原储层原始应力状态，实验操作便捷，可以真正模拟地层岩石的受力状态，较好地对现场进行模拟，实验结果能够直接用于现场，提高了实验效率，且降低了实验成本。
29.实施例 1对实验场地进行布置，按照装置安装流程示意图安装各实验装置；（1） 按实验要求组装实验仪器，并安装相应位置的阀门；（2） 将现场取回的岩样进行切割加工，制成标准岩石试样并装入压力容器中，所取岩样的尺寸：60cm
×
60cm
×
60cm 正方体，公差
±
1mm。；（3）根据实验要求，x 方向需加载至 45mpa，y 方向需加载至35mpa，z 方向需加载至 25mpa，分别在碳纤维真三轴压力容器室 x 方向的夹板中添加 30kg 的ⅰ类膨胀剂，y 方向的夹板中添加 24kg 的
ⅰꢀ
类膨胀剂，z 方向的夹板中添加 17kg 的ⅰ类膨胀剂；（4） 打开注水系统阀门，膨胀剂与水发生理化反应，实时观测各端压力表示数，并及时进行相应的调整；（5） 完成压裂模拟实验后，启动电加热系统，使膨胀剂中水分减少，实时观测各压力表示数，岩样压力完全卸载后即可取出。
30.根据岩样试件的尺寸可求得其三个施加载荷的表面积分别为： s1=0.6
×
0.6=0.36m2s2=0.6
×
0.6=0.36m2s3=0.6
×
0.6=0.36m2岩石膨胀剂与水反应的快慢与温度有直接的关系，实验室温度为25℃，可忽略温度极小波动导致的误差。根据压力传感器数值，可获得各方向压力随时间的变化情况，如图 5 所示。根据图示结果可知， 岩石膨胀剂作为压力源效果较好，三个方向的压力基本同步达到要求压力值，达到预期实验效果。
31.实施例 2对实验场地进行布置，按照装置安装流程示意图安装各实验装置；（1） 按实验要求组装实验仪器，并安装相应位置的阀门；（2） 将现场取回的岩样进行切割加工，制成标准岩石试样并装入压力容器中，所取岩样的尺寸：40cm
×
40cm
×
40cm 正方体，公差
±
1mm。；（3）根据实验要求，x 方向需加载至 30mpa，y 方向需加载至20mpa，z 方向需加载至 25mpa，分别在碳纤维真三轴压力容器室 x 方向的夹板中添加 20kg 的ⅰ类膨胀剂、y 方向的夹板中添加 14kg 的
ⅰꢀ
类膨胀剂、z 方向的夹板中添加 17kg 的ⅰ类膨胀剂；（4） 打开注水系统阀门，膨胀剂与水发生理化反应，实时观测各压力表示数，并及时进行相应的调整；（5） 完成压裂模拟实验后，启动电加热系统，使膨胀剂中水分减少，实时观测各压力表示数，岩样压力卸载后即可取出。
32.根据岩样试件的尺寸可求得其三个自由方向的表面积分别为：s1=0.6
×
0.6=0.36m2s2=0.6
×
0.6=0.36m2s3=0.6
×
0.6=0.36m2岩石膨胀剂与水反应的快慢与温度有直接的关系，实验室温度为25℃，可忽略温度极小波动导致的误差。根据压力传感器数值，可获得各方向压力随时间的变化情况，如图 6 所示。根据计算结果可知， 岩石膨胀剂作为压力源效果较好，达到预期实验效果。
33.当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。