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原文传递高温高压煤岩超临界二氧化碳压裂-蠕变-渗流试验方法

专利名称：	高温高压煤岩超临界二氧化碳压裂-蠕变-渗流试验方法
摘要：	高温高压煤岩超临界二氧化碳压裂‑蠕变‑渗流试验方法，在高温高压下煤岩的超临界二氧化碳流体压裂试验，并实时监测、记录超临界二氧化碳压裂过程中超临界二氧化碳的温度、压力的变化以及裂缝起裂、扩展的特性，以及实时监测、记录煤岩试样的轴向和径向变形，且可以保证在不卸载煤岩试样应力的条件下直接、有效地测量压裂前后煤岩的CH4渗透率，并且可以实现压裂后的煤岩在蠕变作用下CH4的渗透率的测量。本发明测量方法精度高、直观，且自动化程度高，所用装置结构简单。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	山西;14
申请人：	太原理工大学
发明人：	梁卫国;曹孟涛;武鹏飞;耿毅德;杨晓琴;高翔
专利状态：	有效
申请日期：	2019-04-28T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-26T00:00:00+0800
申请号：	CN201910349188.3
公开号：	CN110057740A
代理机构：	太原市科瑞达专利代理有限公司
代理人：	卢茂春
分类号：	G01N15/08(2006.01);G;G01;G01N;G01N15
申请人地址：	030024 山西省太原市万柏林区迎泽西大街79号
主权项：	1.高温高压下煤岩超临界二氧化碳压裂-蠕变-渗流试验方法，其特征是包括下述步骤：（1）将煤岩样品加工成直径是50 mm，长度是100mm的圆柱体煤岩试样；在煤岩试样的轴心钻孔，钻孔的直径为5mm，深度为60mm；清洗煤岩试样的钻孔，待干燥后，将不锈钢高压管线插入钻孔中，并采用环氧树脂胶对不锈钢高压管线与钻孔壁的间隙进行浇筑；放置24小时；（2）将不锈钢高压管线穿过试验装置的多孔板a（2）、左压头（4）的中心孔，并把不锈钢高压管线与左压头（4）通过卡套紧紧固定；之后，一并放入三轴压力室腔体内，安装第二固定装置（25），使其轻轻抵住左压头（4）；然后，从三轴压力室右侧依次安装多孔板b（3）、右压头（5）以及轴压腔体固定装置（8），旋紧轴压腔体固定装置（8）、第二固定装置（25），使得左压头（4）、左多孔板（2）、煤岩试样（1）、多孔板b（3）以及右压头（5）紧紧地接触在一起；（3）开启升温控温系统，并把温度设定为25°C-300°C，设置加热速率为5°C/min-40°C/min，达到给定温度后，保温4小时后；（4）开启轴压、围压恒流恒压泵，并打开阀门V10、V9，并分别通过轴压冷却装置（42）、围压冷却装置（41），把加载介质分别通入到轴压腔体、三轴压力室腔体内，使轴压、围压分别达到设定值σ1、σ3 MPa，并保持恒定；（5）压裂前煤岩试样CH4渗透率k1的测量步骤如下：CH4气瓶（40）中的气体通过阀门V3，通入到压裂泵（38）中，设置渗透压为给定压力P0 MPa, 并保持P0 MPa恒定，打开阀门V4，把气体通入到预热器中，设置与煤岩试样相同的温度是25°C-300°C，然后打开阀门V7，CH4气体通过压力传感器2（32）通入到渗透压入口（14）中；关闭阀门V1，在左压头（4）的偏下位置设有一个圆孔（6），不锈钢高压管线和圆孔（6）连接，打开阀门V8，通入到量筒（28）中，采用排水集气法，测量单位时间内量筒内的气体体积，待气体体积稳定后，即通过该值计算出该煤岩试样在该温度、轴压、围压条件下的CH4渗透率，记为k1；（6）关闭阀门V3和V7，并清空预热器和压裂泵内的气体，采用抽真空的方式，排空煤岩试样内部的CH4气体；（7）打开压力-变形监测系统，通过轴向变形采集装置采集煤岩试样轴向的变形；通过径向位移采集装置采集压裂过程中径向变形，通过采集的围压恒流恒压泵中流体的体积变化进行测量煤岩试样的径向变形；测量径向变形的具体方法如下：假设煤岩试样的原始长度为L0 mm，直径为d0 mm；在t0=0时，围压恒流恒压泵的累积流量为V0ml，LVDT位移传感器的读数为a0 mm；在t1时，围压恒流恒压泵的累积流量为V1 ml， LVDT位移传感器读数为a1 mm，煤岩试样长度的压缩量∆L为则变形后煤岩试样的直径d1为则该时刻的煤岩试样的径向应变为（8）打开声发射监测系统，监测压裂过程中煤岩试样的起裂、扩展以及闭合特性；（9）打开二氧化碳气瓶，打开阀门V2，并启动压裂泵，打开阀门V4，以恒定的流量把二氧化碳注入到预热器中，并设定预热器温度，对二氧化碳进行加热，使二氧化碳达到超临界状态，二氧化碳通过阀门V5、保温不锈钢高压管、四通阀（30）通入温度传感器（31）和压力传感器（29），并通入阀门V1，穿过压裂入口（26），通入到煤岩试样内部，压裂泵不断地将恒流的超临界二氧化碳注入煤岩试样内部，直至压裂成功；（10）关闭阀门V2、V3，放空预热器和压裂泵中的超临界二氧化碳气体，重复步骤（5），得到压裂后煤岩试样的CH4气体渗透率k2；（11）保持煤岩试样所设置的轴压、围压、温度不变，设定6小时为时间梯度，重复步骤5，测量压裂后的煤岩试样在不同时刻的CH4渗透率，如此便得到超临界二氧化碳压裂后煤岩试样在蠕变作用下的CH4渗透率的演化规律；同时，通过轴向变形采集装置和径向变形采集装置，也可得到压裂后的煤岩试样在蠕变作用下的轴向变形和径向变形的演化规律。 2.根据权利要求1所述的高温高压煤岩超临界二氧化碳压裂-蠕变-渗流试验方法，其特征在于试验温度可以达到300°C，轴压、围压可以达到70MPa。 3.根据权利要求1所述高温高压下煤岩超临界二氧化碳压裂-蠕变-渗流试验方法，其特征是所述试验装置，其特征是由三轴压力室、轴压和围压加载系统、升温控温系统、超临界二氧化碳发生器系统、声发射监测系统、压力-变形监测系统、渗透率测量系统组成；所述三轴压力室包括三轴压力室筒体（16）、多孔板b（3）、多孔板a（2）、左压头（4）、右压头（5）、轴向液压活塞（10）、轴压腔体（9）、轴压腔体固定装置（8）、橡胶套（22）、锥度套b（18）、锥度套a（23）、第一固定装置（24）、第二固定装置（25）；所述的三轴压力室筒体（16）具有轴向贯通的三轴压力室腔体（21），轴压腔体固定装置（8）与三轴压力室腔体（21）同轴，三轴压力室筒体（16）的侧壁依次设置有围压入口（20）、围压出口（15）和测温入口（19）；锥度套a（23）和锥度套b（18）分别设置在两个压头外围；橡胶套（22）与三轴压力室筒体（16）之间的空腔形成三轴压力室腔体（21）；锥度套a（23）和锥度套b（18）前端成锥形，保证锥度套a、锥度套b和橡胶套之间密封，锥度套a（23）和锥度套b（18）均与三轴压力室筒体（16）之间通过O型圈密封；第一固定装置（24）与三轴压力室筒体（16）连接，轴压腔体固定装置（8）与三轴压力室筒体（16）连接，以实现固定锥度套a（23）和锥度套b（18）的目的；第二固定装置（25）连接第一固定装置（24），第二固定装置（25）抵在左压头（4）左端面并挤压多孔板a（2），保证多孔板a（2）与煤岩试样（1）的左端面接触；轴向液压活塞（10）的左端放置一个端面直径为50mm的右压头（5），右压头（5）左侧设置多孔板b（3），多孔板b（3）与煤岩试样的右端相抵；通过轴压恒流恒压泵注水至轴压腔体（9）里，从而推动轴向液压活塞（10）进行加载；所述的轴压和围压加载系统包括轴压恒流恒压泵（34）、围压恒流恒压泵（36）、阀门V9、阀门V10、轴压冷却装置（42）、围压冷却装置（41），轴压恒流恒压泵（34）通过阀门V10接入到轴压冷却装置（42），并连接到轴压腔体（9）内实现轴压加载；围压恒流恒压泵（36）通过阀门V9连接到围压冷却装置（41），并接入三轴压力室腔体（21）内，实现围压的加载；所述升温控温系统包括加热套（17）、加热装置（35）、第一温度传感器（33），加热套（17）包裹在三轴压力室的腔体外并连接加热装置（35），第一温度传感器（33）插入测温入口（19）进行探测煤岩试样（1）的温度，通过加热装置（35）进行温度的实时控制；所述超临界二氧化碳发生器系统，由CO2气瓶（39）、压裂泵（38）、预热器（37）以及保温的不锈钢高压管线组成，预热器（37）与压裂泵（38）之间连接有阀门V4，压裂泵（38）与CO2气瓶（39）之间连接有阀门V2；所述的压力-变形监测系统（43）包括压力-温度采集装置，轴向变形采集装置、径向位移采集装置；所述的压力-温度采集装置包括电脑、第一压力传感器（29）、第二压力传感器（32），第一压力传感器（29）、第二压力传感器（32）、第一温度传感器（31）、第二温度传感器（33）、LVDT位移传感器（13）、轴压恒流恒压泵（34）、围压恒流恒压泵（36）、压裂泵（38）通过多通道数据采集卡连接到电脑中，用于自动测量、记录实验过程中各个温度和压力传感器所测的温度及压力数值，并记录压裂泵的流量与压力；所述的轴向变形采集装置包括LVDT位移传感器固定支架（11）和LVDT位移传感器（13）以及多通道数据采集卡，LVDT位移传感器固定支架（11）固定在轴压腔体固定装置（8）上，LVDT位移传感器（13）对称地安装在轴压液压活塞（10）的两侧，LVDT位移传感器底端分别抵在轴压液压活塞（10）右端面，并保证LVDT位移传感器（13）、轴压液压活塞（10）以及三轴压力室筒体（16）的轴线相互平行；所述径向位移采集装置，压力-温度采集装置包括第一压力传感器（29）、第二压力传感器（32）、第一温度传感器（31）、第二温度传感器（33）、LVDT位移传感器（13）、轴压恒流恒压泵（36）、围压恒流恒压泵（34）、压裂泵（38）与多通道采集盒相连接，并接入到电脑，实现压力、流量、温度以及变形的实时采集；渗透率测量系统由CH4气瓶（40）、压裂泵（38）、预热器（37）、量筒（28）、阀门V3、阀门V4、阀门V7、阀门V8以及保温不锈钢高压管线组成； CH4气瓶（40）通过阀门V3连接压裂泵（38），CH4气瓶（40）通过阀门V4连接预热器（38）；CH4气瓶（40）通过阀门V7至渗透压入口（14）。 4.根据权利要求2所述的高温高压煤岩超临界二氧化碳压裂-蠕变-渗流试验方法，其特征在于所述的三轴压力室中的左压头（4）设有中心孔（46），不锈钢高压管线穿过中心孔进入煤岩试样（1），实现超临界二氧化碳压裂试验，同时不锈钢高压管线通过卡套与左压头进行密封，保证压裂试验和渗透率测量试验时，气体不从不锈钢高压管线与中心孔的间隙处流出。 5.根据权利要求3所述的高温高压煤岩超临界二氧化碳压裂-蠕变-渗流试验方法，其特征在于所述的三轴压力室中的左压头（4）的下部设有圆孔（6），通过阀门V8与量筒（28）相连，确保在煤岩试样渗透率的测量中，关闭阀门V1后，气体从煤岩试样的左端面流出，通过圆孔（6）通入到量筒中。 6.根据权利要求3所述的高温高压煤岩超临界二氧化碳压裂-蠕变-渗流试验方法，其特征在于在左压头的左端面、右压头的右端面分别设置三个声发射探头预留孔，左压头（4）、右压头（5）均设置有循环水冷却装置进水口（44）和循环水冷却装置出水口（45），实现在高温试验条件下左、右压头的冷却，保证声发射探头的工作温度。 7.根据权利要求3所述的高温高压煤岩超临界二氧化碳压裂-蠕变-渗流试验方法，其特征在于四通阀（30）分别接入第一温度传感器（31）和第一压力传感器（29），与压裂入口相连，可以保证准确地测量压裂过程中同一个位置处的超临界二氧化碳的温度、压力变化，以便更准确地判断压裂过程中超临界二氧化碳的相态变化。
所属类别：	发明专利