[发明专利]一种模拟页岩气压压裂过程的实验装置及实验方法

说明书

技术领域

本发明属于页岩气开采工程技术领域，特别是涉及一种模拟页岩气压压裂过程的实验装置及实验方法。

背景技术

页岩气作为一种非常规天然气，其开采技术不同与常规天然气的开采，且主要包括水压压裂技术和气压压裂技术，其中水压压裂技术在美国最为成熟，但是水压压裂技术需要耗费大量的水资源，且水中还需要加入大量的化学制剂，从而导致了地下水的污染，因此从环境保护角度来看，水压压裂技术并不环保。

而气压压裂技术作为一种最新的开采技术，具有节水和环保的优势，并且该技术已经在加拿大页岩试验气田中进行了工业实验，且达到了理想的实验效果。

目前，为了进一步研究气压压裂技术，开展压裂模拟室内实验是必不可少的，但是现有的压裂模拟室内实验均是针对水压压裂技术的，用于页岩水压压裂的实验装置无法简单移植或调整为页岩气压压裂实验装置，而现有的一些气压压裂实验装置只能满足常规三轴条件下的压裂模拟室内实验，现阶段还没有一种页岩气压压裂实验装置能够满足真三轴条件下的压裂模拟室内实验，更无法实现寻找合适的压裂气体的目的，也无法准确评估压裂效果。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种模拟页岩气压压裂过程的实验装置及实验方法，能够在真三轴应力状态下，满足气体增压，实现页岩试样压裂及裂纹扩展，并能实现废气回收，满足寻找合适的压裂气体的目的。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种模拟页岩气压压裂过程的实验装置，包括真三轴加载单元和气压压裂系统单元，所述真三轴加载单元包括竖直加载框架、水平加载框架、压力室及支撑台，所述竖直加载框架通过支撑油缸安装在支撑台上，所述水平加载框架通过滑动导轨设置在支撑台上，竖直加载框架与水平加载框架相正交，所述压力室设置在水平加载框架内，页岩试样位于压力室内；

所述气压压裂系统单元包括高压气瓶、增压器、第一高压计量泵、第二高压计量泵、真空泵及废气收集罐，所述高压气瓶与增压器相连通，增压器一路与第一高压计量泵相连通，增压器另一路与第二高压计量泵相连通，第二高压计量泵一路与页岩试样相连通，第二高压计量泵第二路与真空泵相连通，第二高压计量泵第三路与废气收集罐相连通。

在所述高压气瓶与增压器之间的管路上设置有调压阀，在调压阀与增压器之间的管路上依次设置有第一开关阀和第二开关阀。

在所述增压器与第二高压计量泵之间的管路上设置有第三开关阀。

在所述第二高压计量泵与页岩试样之间的管路上连接有压力传感器，在第二高压计量泵与压力传感器之间的管路上依次设置有第四开关阀和第五开关阀。

在所述真空泵的进气口上安装有第六开关阀，在所述废气收集罐的进气口上安装有第七开关阀，在所述页岩试样与真空泵及废气收集罐的公共进气管路上设置有第八开关阀。

采用所述的模拟页岩气压压裂过程的实验装置的实验方法，包括如下步骤：

步骤一：实验前，对页岩试样钻削加工中心孔，中心孔经过页岩试样的几何中心；

步骤二：将页岩试样与承压垫块进行装夹，页岩试样中心孔孔口一侧的承压垫块已事先加工有导气孔，中心孔通过导气孔与外部相连通；再对装夹后的页岩试样与承压垫块进行密封处理，密封完成后安装体变测量传感器，构成试样组合体；

步骤三：将试样组合体送入压力室内，首先将体变测量传感器的数据传输线与压力室内的对应数据端口相连，然后将气压压裂系统单元与页岩试样中心孔相接通，此时封闭压力室，充油加压，并加载大主应力、中主应力及小主应力方向的真三轴应力，通过真三轴应力加载过程测量页岩试样的应力应变关系；

步骤四：开始气压压裂实验，实验前，启动真空泵排除管路内及页岩试样中心孔内的空气；

步骤五：令高压气瓶内的压裂气体经调压阀进入增压器，通过调压阀设定增压器和管路内的压力，封闭高压气瓶，然后通过第一高压计量泵增加管路内的压力；

步骤六：封闭增压器出气口，通过第二高压计量泵调节管路内气压压力速率，同时通过第二高压计量泵采集注入压裂气体的流量及压力数据，直到第二高压计量泵出现压力骤降及体变测量传感器出现数值突变，页岩试样完成初次压裂，同时通过压力传感器记录初次压裂过程中管路内的压裂压力；

步骤七：通过第二高压计量泵观察管路内压裂气体的流量消耗数值，直到压裂气体的流量出现连续消耗，此时页岩试样完成扩展压裂，压裂过程结束；

步骤八：通过废气收集罐将页岩试样内及管路内的残余气体收集起来，此时气压压裂系统单元为下次气压压裂实验做准备。

本发明的有益效果：