[发明专利]一种用于上向钻孔低温流体压裂的模拟试验系统及方法

说明书

本发明公开了一种用于上向钻孔低温流体压裂的模拟试验系统及方法，包括真三轴加载装置、数据监测装置和低温流体注入装置，真三轴加载装置能对试样在三个方向上独立施加预应力，低温流体注入装置对上向钻孔内注入低温流体，并能将钻孔内气化的低温流体通过负压作用及时排出，从而使上向钻孔内注满低温流体，低温流体充分作用于上向钻孔壁进行低温流体压裂；数据监测装置能从低温流体注入开始对低温流体压裂全过程进行监测，从而实现监测低温流体压裂上向钻孔全过程的气压、温度、声发射和相变气体排出流量的变化情况，为后续研究提供数据基础；另外为了保证试验过程的安全性，通过安全泄压阀防止上向钻孔内的气压过高导致试样发生爆炸的情况。

技术领域

本发明涉及一种用于上向钻孔低温流体压裂的模拟试验系统及方法，属于煤层压裂试验技术领域。

背景技术

中国非常规天然气资源丰富，发展潜力大，其中煤层气可采资源量约为10.87×10¹²m³,页岩气可采资源量为15×10¹²～25×10¹²m³，未来10～20年，中国非常规天然气产量将显著增长，在弥补常规油气产量短缺中扮演日益重要的角色。我国非常规天然气资源储量虽大，但储层复杂且致密，储集空间主体为纳米级孔喉系统，局部发育微米～毫米级孔隙。因此，强化增透措施对于开发这类能源至关重要。美国页岩气规模开发的成功，离不开水力压裂增透技术，但同时问题也显露出来，如：压裂液泄露污染地下水体、水敏性地层孔隙堵塞、坚硬地层内启动压力高、水资源大量浪费等。

低温流体具有极低的冷冲击温度，同时受热能气化膨胀，主要包括液氮、液态二氧化碳和液态氧等，以液氮为例，其常压下温度为-196℃，与固体接触时可迅速降低固体的温度，使固体收缩且沿内部径向形成热应力；同时，液氮汽化膨胀为21℃纯氮气时具有696倍的膨胀率，在有限空间内可产生巨大气压；若固体内部孔隙中有水，还会导致水冰相变产生约9％的体积膨胀，理论上能够产生高达207MPa的冻胀力。这些特性若能充分作用于储层，增透效果将十分明显。

通过调研发现，目前行业内对于低温流体压裂的研究较少，尤其是针对低温流体压裂真三轴模拟试验系统的开发更是空白，真三轴模拟对于推动低温流体压裂现场应用而言是必不可少的一环，目前该系统开发的核心难点在于如何有效地使低温流体充分作用于上向钻孔壁且如何对试验过程进行全面地数据测量，同时还要保证安全性。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种用于上向钻孔低温流体压裂的模拟试验系统及方法，能有效使低温流体充分作用于上向钻孔壁进行低温流体压裂，并且能对低温流体压裂全过程进行全面地数据测量，同时还能保证试验全程的安全性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于上向钻孔低温流体压裂的模拟试验系统，包括真三轴加载装置、试验台、数据监测装置和低温流体注入装置，

所述试验台包括支撑平板和底座，支撑平板处于底座正上方、且支撑平板与底座之间通过多个圆柱固定连接；

所述真三轴加载装置包括液压控制箱、液压控制器、压力表、液压加载缸、加载板和挡板，液压控制器、压力表、加载板、液压加载缸和挡板均为三个，三个加载板和三个挡板均设置在支撑平板上，三个加载板和三个挡板围成立方体形加载室、且加载室的三组相对面均由一个加载板和一个挡板组成；三个液压加载缸的伸出端分别与三个加载板固定连接，三个液压控制器通过液压管分别与三个液压加载缸连接，液压控制箱分别通过三个液压控制器对三个液压加载缸进行控制，三个压力表分别与三个液压控制器连接，用于检测三个液压加载缸各自的压力值；试样放置在加载室内、且试样上开设上向钻孔；