CN106501488B - 真三轴加砂压裂试验机及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种真三轴加砂压裂试验机，包括围压系统和注入系统，所述注入系统包括压裂液容器Ⅰ、压裂液容器Ⅱ和活塞容器，活塞容器内设置两个活塞片挡板。其试验方法包括以下步骤：在压裂液容器Ⅱ中搅拌形成携砂压裂液，向压裂液容器Ⅰ中注入前置压裂液；利用压力分别将前置压裂液和携砂压裂液注入到活塞容器的中部腔体和上部腔体内；通过恒压恒速柱塞泵Ⅰ和/或恒压恒速柱塞泵Ⅱ，向活塞容器的下部腔体内排水；前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液依次注入井下岩心进行压裂，压裂结束后取出井下岩心，观察裂缝扩展情况。本发明的技术方案简单易懂、操作便捷，可实现围压系统和注入系统的统一控制，且便于更换压裂液。

Description

真三轴加砂压裂试验机及其试验方法

技术领域

本发明属于油气藏开发技术领域，具体涉及一种真三轴加砂压裂试验机及其试验方法。

背景技术

在油气藏开发过程中，由于储层的低渗透地质特性使油气在运移过程中受阻，此时加砂压裂成为高效开发此类油藏的重要手段。通过加砂压裂能够形成复杂、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、减少储层油气的流动阻力，因此开展室内物理模拟试验，研究裂缝的起裂及扩展行为具有十分重要的意义。压裂现场往往采用加砂压裂的方式，根据需要的裂缝规模和支撑缝长计算所需要压裂液的体积，根据前置液、携砂液、替置液的占比依次注入到储层内部。室内试验现有技术真三轴实验装置主要由真三轴实验架、三轴液压稳压源、油水分离器、MTS增压及控制器、数据采集及处理系统等组成，进行加砂压裂作业往往只能往岩石中注入单一作用的压裂液，无法真实模拟现场压裂过程，而且在在加压稳定性、实验效率、可操作性、安全性和维护保养等方面存在不足。一方面模拟地层岩石受力状态的三轴加围压装置和模拟压裂过程的注入装置分别由两个相互独立的系统控制，二者之间无法在同一平台上进行协调控制，同时对于高压实验，缺乏统一的监控措施，这不仅增加了操作程序、影响实验效率，而且还带来一定的安全隐患；另一方面由于加三轴围压的液压稳压源采用柱塞泵的形式进行加压作业，无法对加压速率进行有效控制，从而导致岩体的三轴压差过大，发生破碎变形，影响实验效果；此外油水隔离器的拆装不易操作，在更换压裂液方面存在一定困难。

随着油气藏研究范围的不断深入，现有设备已无法满足实验的要求，压裂液作用单一，与现场真实过程不符。压裂设备之间连接的控制线、高压管线繁多，带来一定安全隐患，也不便于维修保养。因此急需开发一种新型的真三轴加砂压裂试验机及其试验方法，真实模拟现场加砂压裂，以提高实验的可操作性和安全性，尽可能真实地模拟井下岩石的压裂过程。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种真三轴加砂压裂试验机，包括围压系统、注入系统和真三轴试验架，所述围压系统和所述注入系统与所述真三轴试验架连接，所述真三轴试验架内放置井下岩心；所述注入系统和所述围压系统与计算机连接，所述注入系统包括压裂液容器Ⅰ、压裂液容器Ⅱ和活塞容器，所述压裂液容器Ⅱ内安装搅拌机构，所述搅拌机构与计算机连接，所述活塞容器内设置活塞片挡板Ⅰ和活塞片挡板Ⅱ，两个活塞片挡板的中部均开口。

本发明的真三轴加砂压裂试验机的压裂液容器和推注容器（即活塞容器）分开设计，这样便于更换压裂液。当需要更换压裂液时，只需在压裂液容器中操作即可，将压裂液容器下端的放液阀门打开，使容器内的压裂液排出，然后在容器上端的开口处注入新的压裂液即可，也可以先清洗容器，再注入新的压裂液。而现有技术中，压裂液容器和推注容器由一个装置（油水隔离器）实现，当需要更换压裂液时，将油水隔离器拆开，倒出容器内的水、油，然后手动或使用工具将容器内的活塞片向容器底部推压，再在活塞片上部腔体内注入新的压裂液，操作困难，容器不易清洗干净，并且每次更换压裂液都要拆卸油水隔离器，经过几次拆卸后，将导致油水隔离器的密封性变差，部件连接松动，也会导致注入液体的精度降低，压裂状态不稳定。

优选的是，所述压裂液容器Ⅰ的上端通过管线与高压气瓶连接，管线上安装开关阀门Ⅰ；所述压裂液容器Ⅰ的下端通过管线与活塞容器的中部腔体连接，管线上安装开关阀门Ⅱ。

在上述任一方案中优选的是，所述压裂液容器Ⅰ的底部设置放液阀门Ⅰ。

在上述任一方案中优选的是，所述压裂液容器Ⅱ的上端通过管线与高压气瓶连接，管线上安装开关阀门Ⅲ；所述压裂液容器Ⅱ的下端通过管线与活塞容器的上部腔体连接，管线上安装开关阀门Ⅳ。

在上述任一方案中优选的是，所述压裂液容器Ⅱ的底部设置放液阀门Ⅱ。

在上述任一方案中优选的是，所述活塞片挡板Ⅰ和所述活塞片挡板Ⅱ将所述活塞容器分为三个腔体。

在上述任一方案中优选的是，所述活塞容器内设置活塞片Ⅰ和活塞片Ⅱ，两个活塞片可上下移动。

在上述任一方案中优选的是，所述活塞片Ⅰ在所述活塞片挡板Ⅰ的上方，所述活塞片Ⅱ在所述活塞片挡板Ⅱ的上方。

在上述任一方案中优选的是，所述活塞容器的上部腔体通过管线与所述井下岩心连接，管线上安装开关阀门Ⅴ；所述活塞容器的中部腔体通过管线与所述井下岩心连接，管线上安装开关阀门Ⅵ；所述活塞容器的下部腔体通过管线与水槽连接。

在上述任一方案中优选的是，所述水槽通过管线分别与恒压恒速柱塞泵Ⅰ和恒压恒速柱塞泵Ⅱ连接。

在上述任一方案中优选的是，所述恒压恒速柱塞泵Ⅰ和所述恒压恒速柱塞泵Ⅱ与计算机连接。

在上述任一方案中优选的是，所述围压系统包括高压平流泵Ⅰ、高压平流泵Ⅱ和高压平流泵Ⅲ，三个泵体均与计算机连接。

在上述任一方案中优选的是，所述高压平流泵Ⅰ通过管线与所述井下岩心的前后两个面连接，管线上安装背压阀Ⅰ；所述高压平流泵Ⅱ通过管线与所述井下岩心的左右两个面连接，管线上安装背压阀Ⅱ；所述高压平流泵Ⅲ通过管线与所述井下岩心的上下两个面连接，管线上安装背压阀Ⅲ。当产生的围压超过设定值时，背压阀自动打开，卸压至设定值。

本发明还提供一种真三轴加砂压裂试验方法，使用上述任一种真三轴加砂压裂试验机，其按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：关闭所有的开关阀门和放液阀门，将压裂液和支撑剂按一定比例注入到压裂液容器Ⅱ中，设定搅拌时间，并启动搅拌机构进行搅拌，形成均匀的携砂压裂液；先打开开关阀门Ⅲ和开关阀门Ⅳ，再打开高压气瓶，此时携砂压裂液进入活塞容器的上部腔体内；待携砂压裂液全部进入后，先关闭高压气瓶，再关闭开关阀门Ⅲ和开关阀门Ⅳ；

步骤二：向压裂液容器Ⅰ中注入前置压裂液，先打开开关阀门Ⅰ和开关阀门Ⅱ，再打开高压气瓶，此时前置压裂液进入活塞容器的中部腔体内；待前置压裂液全部进入后，先关闭高压气瓶，再关闭开关阀门Ⅰ和开关阀门Ⅱ；

步骤三：根据试验要求设定围压值，并通过高压平流泵Ⅰ、高压平流泵Ⅱ和高压平流泵Ⅲ分别给井下岩心的三个轴向同时施加围压；

步骤四：打开开关阀门Ⅵ，并启动恒压恒速柱塞泵Ⅰ和恒压恒速柱塞泵Ⅱ，若两个柱塞泵内腔中的水没有满，则两个柱塞泵通过管线分别从水槽中吸满水，然后进行压裂作业；若两个柱塞泵内腔中的水已满，则直接进行压裂作业；

步骤五：根据试验要求设定排水量，当排水量小于等于50ml/min时，只有恒压恒速柱塞泵Ⅰ向活塞容器的下部腔体内排水，此时恒压恒速柱塞泵Ⅱ处于待命状态，当恒压恒速柱塞泵Ⅰ中的水全部排完后，恒压恒速柱塞泵Ⅱ开始向活塞容器的下部腔体内排水，此时恒压恒速柱塞泵Ⅰ从水槽中吸水；当排水量大于50ml/min时，恒压恒速柱塞泵Ⅰ和恒压恒速柱塞泵Ⅱ同时向活塞容器的下部腔体内排水；

步骤六：随着恒压恒速柱塞泵Ⅰ和/或恒压恒速柱塞泵Ⅱ的排水工作，前置压裂液注入到井下岩心中，当前置压裂液的注入量达到试验要求时，关闭开关阀门Ⅵ，同时打开开关阀门Ⅴ，此时携砂压裂液注入到井下岩心中，当携砂压裂液的注入量达到试验要求时，关闭开关阀门Ⅴ，同时打开开关阀门Ⅵ，此时替置压裂液驱替管线中的携砂压裂液，并最终注入到井下岩心中；

步骤七：随着恒压恒速柱塞泵Ⅰ和/或恒压恒速柱塞泵Ⅱ的排水工作，前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液依次注入到井下岩心中，同时观察计算机上显示的入口压力与时间的变化关系曲线，当入口压力降到低点，并处于平稳状态时，判断压裂过程结束，保存计算机记录的数据；

步骤八：关闭恒压恒速柱塞泵Ⅰ和恒压恒速柱塞泵Ⅱ，并确定入口压力为零，同时确定两个柱塞泵的内腔压力均为零，若内腔压力不为零，需要重新启动相应的柱塞泵，启动的瞬间再停止即可使内腔压力变为零；同时打开背压阀Ⅰ、背压阀Ⅱ和背压阀Ⅲ，卸载井下岩心三个轴向上的围压；

步骤九：从真三轴试验架内取出井下岩心，观察裂缝扩展情况。

优选的是，所述活塞容器的体积为2000ml。

在上述任一方案中优选的是，向井下岩心注入的前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液的总体积为500-800ml。

在上述任一方案中优选的是，向井下岩心注入的前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液分别为总体积的40%、50%和10%。

前置压裂液中不含有支撑剂，用于压开井下岩心的底层，延伸拓展裂缝，为裂缝准备充裕的填砂空间，等待支撑剂的到来；配制携砂压裂液时，可根据储集层特征和工艺要求选用不同的压裂液体系，用于进一步扩展裂缝；替置压裂液即为前置压裂液，只是二者的作用不同，替置压裂液用于在缝中输送和铺置支撑剂，形成具有设计要求的导流能力和几何形状的支撑剂填充裂缝，将井筒中的携砂压裂液全部替入储集层裂缝，以免井底沉砂或砂卡井下工具。

在本发明的真三轴加砂压裂试验中，活塞容器的上部腔体用于注入携砂压裂液，其容积为500ml；活塞容器的中部腔体用于注入前置压裂液，其容积为1000ml；活塞容器的下部腔体用于注入水，其容积为500ml。每次注入的携砂压裂液都必须是500ml，即将活塞容器的上部腔体填满，注入的前置压裂液的体积至少是前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液的总量。具有以下两点原因：（1）首先注入前置压裂液，前置压裂液从活塞容器中部腔体的右上方（即活塞片挡板Ⅰ的右下方）注入到井下岩心内部，活塞片Ⅱ往上升的体积即为所注入的前置压裂液体积；然后注入携砂压裂液，此时活塞片Ⅰ和活塞片Ⅱ同时往上升（将两个活塞片视为一个整体），上升的体积即为注入携砂压裂液的体积；最后注入替置压裂液，此时恒压恒速柱塞泵Ⅰ和恒压恒速柱塞泵Ⅱ推着活塞片Ⅱ往上升，上升的体积即为替置压裂液的体积。整个过程中活塞片Ⅱ都是往上升的，而且上升的体积即为前置压裂液、携砂压裂液、替置压裂液三者之和，因为在整个压裂过程中，液体会有一定的压缩，所以注入到活塞容器中部腔体的前置压裂液至少是三者之和。（2）向活塞容器的上部腔体内注满携砂压裂液，即注入500ml，如果不注满，那么在驱替携砂压裂液时，最开始被挤出去的是上部腔体内的空气，然后再开始注入携砂压裂液，此时所消耗的前置压裂液是携砂压裂液和空气的体积之和，而加入中部腔体内的前置压裂液等于前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液三者之和，空气可能会导致前置压裂液的注入量不足。

在上述任一方案中优选的是，步骤二中，搅拌时间至少为20min。

在上述任一方案中优选的是，步骤三中，对井下岩心施加三轴围压，X方向为水平最大主应力，Y方向为水平最小主应力，Z方向为垂向应力，其中X方向的围压大于Y方向的围压。

在上述任一方案中优选的是，步骤五中，排水量设定范围为0-100ml/min。

在上述任一方案中优选的是，所述替置压裂液采用前置压裂液，其作用是将管线内的携砂压裂液驱替至岩心中。

为了克服现有技术中三轴加压效率不一致，缺乏统一的操作平台，操作工序繁琐，不易更换压裂液等缺陷，本发明从加围压系统、压裂液注入系统、安全系统、计算机采集和控制系统四个方面进行了改进和创新，大大简化了真三轴水力压裂试验机的结构，在确保安全保障的情况下大大提升了试验机整体的可操作性。

本发明的真三轴加砂压裂试验机，其围压系统由三个单独的压力系统组成，每个系统之间可以同时加压也可分步加压，三面围压既能等压又能存在差压。每个单独的围压系统由硅油容器、平流泵、背压阀和管线等组成。围压介质采用硅油，由于硅油具有卓越的耐热性、电绝缘性、耐候性、疏水性、生理惰性和较小的表面张力，此外还具有较低的粘温系数和较高的抗压缩性，所以硅油作为加压介质具有效率高、安全性能好、无干扰等特点。高压输液泵采用双柱塞往复泵，一个为主吸液柱塞，另一个为辅助柱塞，由计算机控制的高效精密输液泵系统，能够确保在各种使用条件下都具有较高的输液精度和较好的重复性指标。注入系统由活塞容器、注入介质容器、压裂液搅拌容器和推注系统组成。活塞容器由不锈钢材料制成，其额定安全压力为100MPa、容积为2000ml；活塞容器由两个活塞片分隔成三个腔体，上部腔体和中部腔体内注入压裂液，下部腔体内推注液体。注入介质容器由不锈钢材料制成，其额定安全压力为2MPa、容积为2L。该容器带有刻度为1000ml的溶液调配罐，根据实验要求在调配罐中调配不同的压裂液，调配完成后打开调配罐下方的阀门注入容器中，然后关闭溶液调配罐阀门。打开高压气瓶或空气压缩泵，利用气压将注入介质压入活塞容器内。压裂液搅拌容器由不锈钢材料制成，其额定安全压力为2MPa、容积为2L，内设电机搅拌机构，可调节转速。压裂液搅拌容器上有支撑剂注入口和液体注入口，根据试验比例注入清水和支撑剂，由计算机控制搅拌机构，调节至需要的转速和搅拌时间，搅拌均匀后利用气压将压裂液注入活塞容器内。助推系统由双缸恒压恒速柱塞泵泵和助推液体容器组成。双缸恒压恒速柱塞泵的压力为100MPa、流速为0-100ml/min、精度为0.01ml/min。该柱塞泵的特点是启动、停止、流量等均通过计算机程序实现自动控制。该系统设计紧凑，方便且完全封闭，并采用进口伺服电机配合可编程控制器和智能显示屏对柱塞泵的进、退、调速、调压等进行精确控制，利用动画演示指示柱塞泵的运行状态和故障，曲线显示液体流速、流量以及压力的实时变化，具有操作简单、方便的人机接口界面。双缸恒压恒速柱塞泵既可以单缸独立工作，也可以双缸联动不间断地工作。单缸、双缸工作，均有恒压、恒流、跟踪三种工作模式，满足不同操作和试验的需求。在安全系统方面，本发明的试验机为高压装置，为确保试验安全，在围压系统和注入系统的入口都配置了安全阀，该安全阀灵敏度高、操作便捷、安全可靠，当围压或注入压力超过安全设定值时，安全阀会自动打开释放压力，同时在计算机上设置上限压力值，当压力超过设定值时，计算机发出命令自动停泵，以保证管路和操作人员的安全。在计算机采集和控制系统方面，数据采集系统可采集压力、温度、流量、恒速恒压柱塞泵的压力等即时数值。为保证测量精度和控制的可靠性，采用C168H数字采集控制卡，从而实现数字化采集传输。软件在Windows7/XP环境下运行，具有气体参数转化、数据分析功能。试验操作流程显示在界面上，可实现人机对话，操作人员设定好参数后，试验机即可独自工作，计算机可自动采集所有压力、流速等数值。计算机采集的数据经过处理后可生成原始数据报表、分析报表以及曲线图，同时生成数据库文件以便备份查询。

附图说明

图1为按照本发明的真三轴加砂压裂试验机的一优选实施例结构示意图；

图2为按照本发明的真三轴加砂压裂试验机的图1所示实施例的注入系统结构示意图；

图3为按照本发明的真三轴加砂压裂试验机的图1所示实施例的活塞容器的内部结构示意图；

图4为按照本发明的真三轴加砂压裂试验机的图1所示实施例的围压系统结构示意图。

图中标注说明：1-围压系统，101-高压平流泵Ⅰ，102-高压平流泵Ⅱ，103-高压平流泵Ⅲ，104-背压阀Ⅰ，105-背压阀Ⅱ，106-背压阀Ⅲ；

2-注入系统，201-压裂液容器Ⅰ，202-压裂液容器Ⅱ，203-活塞容器，204-搅拌机构，205-高压气瓶，206-开关阀门Ⅰ，207-开关阀门Ⅱ，208-放液阀门Ⅰ，209-开关阀门Ⅲ，210-开关阀门Ⅳ，211-放液阀门Ⅱ，212-开关阀门Ⅴ，213-开关阀门Ⅵ，214-活塞片挡板Ⅰ，215-活塞片挡板Ⅱ，216-活塞片Ⅰ，217-活塞片Ⅱ，218-活塞容器的上部腔体，219-活塞容器的中部腔体，220-活塞容器的下部腔体，221-水槽，222-恒压恒速柱塞泵Ⅰ，223-恒压恒速柱塞泵Ⅱ；

3-真三轴试验架，4-井下岩心，5-计算机。

具体实施方式

为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本发明。

实施例一：

如图1所示，按照本发明的真三轴加砂压裂试验机的一实施例，其包括围压系统1、注入系统2和真三轴试验架3，所述围压系统1和所述注入系统2与所述真三轴试验架3连接，所述真三轴试验架3内放置井下岩心4；所述注入系统2和所述围压系统1与计算机5连接，所述注入系统2包括压裂液容器Ⅰ201、压裂液容器Ⅱ202和活塞容器203，所述压裂液容器Ⅱ202内安装搅拌机构204，所述搅拌机构204与计算机5连接，所述活塞容器203内设置活塞片挡板Ⅰ214和活塞片挡板Ⅱ215，两个活塞片挡板的中部均开口。

本实施例的真三轴加砂压裂试验机的压裂液容器和推注容器（即活塞容器）分开设计，这样便于更换压裂液。当需要更换压裂液时，只需在压裂液容器中操作即可，将压裂液容器下端的放液阀门打开，使容器内的压裂液排出，然后在容器上端的开口处注入新的压裂液即可，也可以先清洗容器，再注入新的压裂液。而现有技术中，压裂液容器和推注容器由一个装置（油水隔离器）实现，当需要更换压裂液时，将油水隔离器拆开，倒出容器内的水、油，然后手动或使用工具将容器内的活塞片向容器底部推压，再在活塞片上部腔体内注入新的压裂液，操作困难，容器不易清洗干净，并且每次更换压裂液都要拆卸油水隔离器，经过几次拆卸后，将导致油水隔离器的密封性变差，部件连接松动，也会导致注入液体的精度降低，压裂状态不稳定。

如图2和图3所示，所述压裂液容器Ⅰ201的上端通过管线与高压气瓶205连接，管线上安装开关阀门Ⅰ206；所述压裂液容器Ⅰ201的下端通过管线与活塞容器的中部腔体219连接，管线上安装开关阀门Ⅱ207。所述压裂液容器Ⅰ201的底部设置放液阀门Ⅰ208。所述压裂液容器Ⅱ202的上端通过管线与高压气瓶205连接，管线上安装开关阀门Ⅲ209；所述压裂液容器Ⅱ202的下端通过管线与活塞容器的上部腔体218连接，管线上安装开关阀门Ⅳ210。所述压裂液容器Ⅱ202的底部设置放液阀门Ⅱ211。所述活塞容器的上部腔体218通过管线与所述井下岩心4连接，管线上安装开关阀门Ⅴ212；所述活塞容器的中部腔体219通过管线与所述井下岩心4连接，管线上安装开关阀门Ⅵ213；所述活塞容器的下部腔体220通过管线与水槽221连接。所述水槽221通过管线分别与恒压恒速柱塞泵Ⅰ222和恒压恒速柱塞泵Ⅱ223连接。所述恒压恒速柱塞泵Ⅰ222和所述恒压恒速柱塞泵Ⅱ223与计算机5连接。

如图3所示，所述活塞片挡板Ⅰ214和所述活塞片挡板Ⅱ215将所述活塞容器203分为三个腔体。所述活塞容器203内设置活塞片Ⅰ216和活塞片Ⅱ217，两个活塞片可上下移动。所述活塞片Ⅰ216在所述活塞片挡板Ⅰ214的上方，所述活塞片Ⅱ217在所述活塞片挡板Ⅱ215的上方。

如图4所示，所述围压系统1包括高压平流泵Ⅰ101、高压平流泵Ⅱ102和高压平流泵Ⅲ103，三个泵体均与计算机5连接。所述高压平流泵Ⅰ101通过管线与所述井下岩心4的前后两个面连接，管线上安装背压阀Ⅰ104；所述高压平流泵Ⅱ102通过管线与所述井下岩心4的左右两个面连接，管线上安装背压阀Ⅱ105；所述高压平流泵Ⅲ103通过管线与所述井下岩心4的上下两个面连接，管线上安装背压阀Ⅲ106。当产生的围压超过设定值时，背压阀自动打开，卸压至设定值。

按照本发明的真三轴加砂压裂试验方法的一实施例，使用本实施例的真三轴加砂压裂试验机，其按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：关闭所有的开关阀门和放液阀门，将压裂液和支撑剂按一定比例注入到压裂液容器Ⅱ中，设定搅拌时间，并启动搅拌机构进行搅拌，形成均匀的携砂压裂液；先打开开关阀门Ⅲ和开关阀门Ⅳ，再打开高压气瓶，此时携砂压裂液进入活塞容器的上部腔体内；待携砂压裂液全部进入后，先关闭高压气瓶，再关闭开关阀门Ⅲ和开关阀门Ⅳ；

步骤二：向压裂液容器Ⅰ中注入前置压裂液，先打开开关阀门Ⅰ和开关阀门Ⅱ，再打开高压气瓶，此时前置压裂液进入活塞容器的中部腔体内；待前置压裂液全部进入后，先关闭高压气瓶，再关闭开关阀门Ⅰ和开关阀门Ⅱ；

步骤三：根据试验要求设定围压值，并通过高压平流泵Ⅰ、高压平流泵Ⅱ和高压平流泵Ⅲ分别给井下岩心的三个轴向同时施加围压；

步骤四：打开开关阀门Ⅵ，并启动恒压恒速柱塞泵Ⅰ和恒压恒速柱塞泵Ⅱ，若两个柱塞泵内腔中的水没有满，则两个柱塞泵通过管线分别从水槽中吸满水，然后进行压裂作业；若两个柱塞泵内腔中的水已满，则直接进行压裂作业；

步骤五：根据试验要求设定排水量，当排水量小于等于50ml/min时，只有恒压恒速柱塞泵Ⅰ向活塞容器的下部腔体内排水，此时恒压恒速柱塞泵Ⅱ处于待命状态，当恒压恒速柱塞泵Ⅰ中的水全部排完后，恒压恒速柱塞泵Ⅱ开始向活塞容器的下部腔体内排水，此时恒压恒速柱塞泵Ⅰ从水槽中吸水；当排水量大于50ml/min时，恒压恒速柱塞泵Ⅰ和恒压恒速柱塞泵Ⅱ同时向活塞容器的下部腔体内排水；

步骤六：随着恒压恒速柱塞泵Ⅰ和/或恒压恒速柱塞泵Ⅱ的排水工作，前置压裂液注入到井下岩心中，当前置压裂液的注入量达到试验要求时，关闭开关阀门Ⅵ，同时打开开关阀门Ⅴ，此时携砂压裂液注入到井下岩心中，当携砂压裂液的注入量达到试验要求时，关闭开关阀门Ⅴ，同时打开开关阀门Ⅵ，此时替置压裂液驱替管线中的携砂压裂液，并最终注入到井下岩心中；

步骤七：随着恒压恒速柱塞泵Ⅰ和/或恒压恒速柱塞泵Ⅱ的排水工作，前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液依次注入到井下岩心中，同时观察计算机上显示的入口压力与时间的变化关系曲线，当入口压力降到低点，并处于平稳状态时，判断压裂过程结束，保存计算机记录的数据；

步骤八：关闭恒压恒速柱塞泵Ⅰ和恒压恒速柱塞泵Ⅱ，并确定入口压力为零，同时确定两个柱塞泵的内腔压力均为零，若内腔压力不为零，需要重新启动相应的柱塞泵，启动的瞬间再停止即可使内腔压力变为零；同时打开背压阀Ⅰ、背压阀Ⅱ和背压阀Ⅲ，卸载井下岩心三个轴向上的围压；

步骤九：从真三轴试验架内取出井下岩心，观察裂缝扩展情况。

所述活塞容器的体积为2000ml，其上部腔体、中部腔体和下部腔体的体积分别为500ml、1000ml和500ml。向井下岩心注入的前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液的总体积为500ml，其中前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液分别为总体积的40%、50%和10%，即注入的前置压裂液为200ml、携砂压裂液为250ml、替置压裂液为50ml。所述替置压裂液采用前置压裂液，其作用是将管线内的携砂压裂液驱替至岩心中。

前置压裂液中不含有支撑剂，用于压开井下岩心的底层，延伸拓展裂缝，为裂缝准备充裕的填砂空间，等待支撑剂的到来；配制携砂压裂液时，可根据储集层特征和工艺要求选用不同的压裂液体系，用于进一步扩展裂缝；替置压裂液即为前置压裂液，只是二者的作用不同，替置压裂液用于在缝中输送和铺置支撑剂，形成具有设计要求的导流能力和几何形状的支撑剂填充裂缝，将井筒中的携砂压裂液全部替入储集层裂缝，以免井底沉砂或砂卡井下工具。

在本实施例的真三轴加砂压裂试验中，活塞容器的上部腔体用于注入携砂压裂液，其容积为500ml；活塞容器的中部腔体用于注入前置压裂液，其容积为1000ml；活塞容器的下部腔体用于注入水，其容积为500ml。每次注入的携砂压裂液都必须是500ml，即将活塞容器的上部腔体填满，注入的前置压裂液的体积至少是前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液的总量。

步骤二中，搅拌时间至少为20min。步骤三中，对井下岩心施加三轴围压，X方向为水平最大主应力，Y方向为水平最小主应力，Z方向为垂向应力，其中X方向的围压大于Y方向的围压。步骤五中，排水量设定范围为0-100ml/min。

本实施例的真三轴水力压裂试验机，其围压系统由三个单独的压力系统组成，每个系统之间可以同时加压也可分步加压，三面围压既能等压又能存在差压。每个单独的围压系统由硅油容器、平流泵、背压阀和管线等组成。围压介质采用硅油，由于硅油具有卓越的耐热性、电绝缘性、耐候性、疏水性、生理惰性和较小的表面张力，此外还具有较低的粘温系数和较高的抗压缩性，所以硅油作为加压介质具有效率高、安全性能好、无干扰等特点。高压输液泵采用双柱塞往复泵，一个为主吸液柱塞，另一个为辅助柱塞，由计算机控制的高效精密输液泵系统，能够确保在各种使用条件下都具有较高的输液精度和较好的重复性指标。注入系统由活塞容器、注入介质容器、压裂液搅拌容器和推注系统组成。活塞容器由不锈钢材料制成，其额定安全压力为100MPa、容积为2000ml；活塞容器由两个活塞片分隔成三个腔体，上部腔体和中部腔体内注入压裂液，下部腔体内推注液体。注入介质容器由不锈钢材料制成，其额定安全压力为2MPa、容积为2L。该容器带有刻度为1000ml的溶液调配罐，根据实验要求在调配罐中调配不同的压裂液，调配完成后打开调配罐下方的阀门注入容器中，然后关闭溶液调配罐阀门。打开高压气瓶或空气压缩泵，利用气压将注入介质压入活塞容器内。压裂液搅拌容器由不锈钢材料制成，其额定安全压力为2MPa、容积为2L，内设电机搅拌机构，可调节转速。压裂液搅拌容器上有支撑剂注入口和液体注入口，根据试验比例注入清水和支撑剂，由计算机控制搅拌机构，调节至需要的转速和搅拌时间，搅拌均匀后利用气压将压裂液注入活塞容器内。助推系统由双缸恒压恒速柱塞泵泵和助推液体容器组成。双缸恒压恒速柱塞泵的压力为100MPa、流速为0-100ml/min、精度为0.01ml/min。该柱塞泵的特点是启动、停止、流量等均通过计算机程序实现自动控制。该系统设计紧凑，方便且完全封闭，并采用进口伺服电机配合可编程控制器和智能显示屏对柱塞泵的进、退、调速、调压等进行精确控制，利用动画演示指示柱塞泵的运行状态和故障，曲线显示液体流速、流量以及压力的实时变化，具有操作简单、方便的人机接口界面。双缸恒压恒速柱塞泵既可以单缸独立工作，也可以双缸联动不间断地工作。单缸、双缸工作，均有恒压、恒流、跟踪三种工作模式，满足不同操作和试验的需求。在安全系统方面，本发明的试验机为高压装置，为确保试验安全，在围压系统和注入系统的入口都配置了安全阀，该安全阀灵敏度高、操作便捷、安全可靠，当围压或注入压力超过安全设定值时，安全阀会自动打开释放压力，同时在计算机上设置上限压力值，当压力超过设定值时，计算机发出命令自动停泵，以保证管路和操作人员的安全。在计算机采集和控制系统方面，数据采集系统可采集压力、温度、流量、恒速恒压柱塞泵的压力等即时数值。为保证测量精度和控制的可靠性，采用C168H数字采集控制卡，从而实现数字化采集传输。软件在Windows7/XP环境下运行，具有气体参数转化、数据分析功能。试验操作流程显示在界面上，可实现人机对话，操作人员设定好参数后，试验机即可独自工作，计算机可自动采集所有压力、流速等数值。计算机采集的数据经过处理后可生成原始数据报表、分析报表以及曲线图，同时生成数据库文件以便备份查询。

实施例二：

按照本发明的真三轴加砂压裂试验方法的另一实施例，所使用的真三轴加砂压裂试验机与实施例一相同，试验步骤与实施例一相同，试验参数有所不同。本实施例中，向井下岩心注入的前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液的总体积为800ml，其中前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液分别为总体积的40%、50%和10%，即注入的前置压裂液为320ml、携砂压裂液为400ml、替置压裂液为80ml。

实施例三：

按照本发明的真三轴加砂压裂试验方法的另一实施例，所使用的真三轴加砂压裂试验机与实施例一相同，试验步骤与实施例一相同，试验参数有所不同。本实施例中，向井下岩心注入的前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液的总体积为600ml，其中前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液分别为总体积的40%、50%和10%，即注入的前置压裂液为240ml、携砂压裂液为300ml、替置压裂液为60ml。

本领域技术人员不难理解，本发明的真三轴加砂压裂试验机及其试验方法包括上述本发明说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种真三轴加砂压裂试验机，包括围压系统、注入系统和真三轴试验架，所述围压系统和所述注入系统与所述真三轴试验架连接，所述真三轴试验架内放置井下岩心，其特征在于：所述注入系统和所述围压系统与计算机连接，所述注入系统包括压裂液容器Ⅰ、压裂液容器Ⅱ和活塞容器，所述压裂液容器Ⅱ内安装搅拌机构，所述搅拌机构与计算机连接，所述活塞容器内设置活塞片挡板Ⅰ和活塞片挡板Ⅱ，两个活塞片挡板的中部均开口；

所述压裂液容器Ⅰ的上端通过管线与高压气瓶连接，管线上安装开关阀门Ⅰ；所述压裂液容器Ⅰ的下端通过管线与活塞容器的中部腔体连接，管线上安装开关阀门Ⅱ；

所述压裂液容器Ⅱ的上端通过管线与高压气瓶连接，管线上安装开关阀门Ⅲ；所述压裂液容器Ⅱ的下端通过管线与活塞容器的上部腔体连接，管线上安装开关阀门Ⅳ；

所述活塞片挡板Ⅰ和所述活塞片挡板Ⅱ将所述活塞容器分为三个腔体；所述活塞容器的上部腔体通过管线与所述井下岩心连接，管线上安装开关阀门Ⅴ；所述活塞容器的中部腔体通过管线与所述井下岩心连接，管线上安装开关阀门Ⅵ；所述活塞容器的下部腔体通过管线与水槽连接。

2.如权利要求1所述的真三轴加砂压裂试验机，其特征在于：所述压裂液容器Ⅰ的底部设置放液阀门Ⅰ。

3.如权利要求2所述的真三轴加砂压裂试验机，其特征在于：所述压裂液容器Ⅱ的底部设置放液阀门Ⅱ。

4.如权利要求3所述的真三轴加砂压裂试验机，其特征在于：所述活塞容器内设置活塞片Ⅰ和活塞片Ⅱ，两个活塞片可上下移动。

5.如权利要求4所述的真三轴加砂压裂试验机，其特征在于：所述活塞片Ⅰ在所述活塞片挡板Ⅰ的上方，所述活塞片Ⅱ在所述活塞片挡板Ⅱ的上方。

6.如权利要求5所述的真三轴加砂压裂试验机，其特征在于：所述水槽通过管线分别与恒压恒速柱塞泵Ⅰ和恒压恒速柱塞泵Ⅱ连接。

7.如权利要求6所述的真三轴加砂压裂试验机，其特征在于：所述恒压恒速柱塞泵Ⅰ和所述恒压恒速柱塞泵Ⅱ与计算机连接。

8.如权利要求7所述的真三轴加砂压裂试验机，其特征在于：所述围压系统包括高压平流泵Ⅰ、高压平流泵Ⅱ和高压平流泵Ⅲ，三个泵体均与计算机连接。

9.如权利要求8所述的真三轴加砂压裂试验机，其特征在于：所述高压平流泵Ⅰ通过管线与所述井下岩心的前后两个面连接，管线上安装背压阀Ⅰ；所述高压平流泵Ⅱ通过管线与所述井下岩心的左右两个面连接，管线上安装背压阀Ⅱ；所述高压平流泵Ⅲ通过管线与所述井下岩心的上下两个面连接，管线上安装背压阀Ⅲ。

10.一种真三轴加砂压裂试验方法，使用权利要求9所述的真三轴加砂压裂试验机，其按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：关闭所有的开关阀门和放液阀门，将压裂液和支撑剂按一定比例注入到压裂液容器Ⅱ中，设定搅拌时间，并启动搅拌机构进行搅拌，形成均匀的携砂压裂液；先打开开关阀门Ⅲ和开关阀门Ⅳ，再打开高压气瓶，此时携砂压裂液进入活塞容器的上部腔体内；待携砂压裂液全部进入后，先关闭高压气瓶，再关闭开关阀门Ⅲ和开关阀门Ⅳ；

步骤二：向压裂液容器Ⅰ中注入前置压裂液，先打开开关阀门Ⅰ和开关阀门Ⅱ，再打开高压气瓶，此时前置压裂液进入活塞容器的中部腔体内；待前置压裂液全部进入后，先关闭高压气瓶，再关闭开关阀门Ⅰ和开关阀门Ⅱ；

步骤三：根据试验要求设定围压值，并通过高压平流泵Ⅰ、高压平流泵Ⅱ和高压平流泵Ⅲ分别给井下岩心的三个轴向同时施加围压；

步骤四：打开开关阀门Ⅵ，并启动恒压恒速柱塞泵Ⅰ和恒压恒速柱塞泵Ⅱ，若两个柱塞泵内腔中的水没有满，则两个柱塞泵通过管线分别从水槽中吸满水，然后进行压裂作业；若两个柱塞泵内腔中的水已满，则直接进行压裂作业；

步骤五：根据试验要求设定排水量，当排水量小于等于50ml/min时，只有恒压恒速柱塞泵Ⅰ向活塞容器的下部腔体内排水，此时恒压恒速柱塞泵Ⅱ处于待命状态，当恒压恒速柱塞泵Ⅰ中的水全部排完后，恒压恒速柱塞泵Ⅱ开始向活塞容器的下部腔体内排水，此时恒压恒速柱塞泵Ⅰ从水槽中吸水；当排水量大于50ml/min时，恒压恒速柱塞泵Ⅰ和恒压恒速柱塞泵Ⅱ同时向活塞容器的下部腔体内排水；

步骤六：随着恒压恒速柱塞泵Ⅰ和/或恒压恒速柱塞泵Ⅱ的排水工作，前置压裂液注入到井下岩心中，当前置压裂液的注入量达到试验要求时，关闭开关阀门Ⅵ，同时打开开关阀门Ⅴ，此时携砂压裂液注入到井下岩心中，当携砂压裂液的注入量达到试验要求时，关闭开关阀门Ⅴ，同时打开开关阀门Ⅵ，此时替置压裂液驱替管线中的携砂压裂液，并最终注入到井下岩心中；

步骤七：随着恒压恒速柱塞泵Ⅰ和/或恒压恒速柱塞泵Ⅱ的排水工作，前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液依次注入到井下岩心中，同时观察计算机上显示的入口压力与时间的变化关系曲线，当入口压力降到低点，并处于平稳状态时，判断压裂过程结束，保存计算机记录的数据；

步骤八：关闭恒压恒速柱塞泵Ⅰ和恒压恒速柱塞泵Ⅱ，并确定入口压力为零，同时确定两个柱塞泵的内腔压力均为零，若内腔压力不为零，需要重新启动相应的柱塞泵，启动的瞬间再停止即可使内腔压力变为零；同时打开背压阀Ⅰ、背压阀Ⅱ和背压阀Ⅲ，卸载井下岩心三个轴向上的围压；

步骤九：从真三轴试验架内取出井下岩心，观察裂缝扩展情况。

11.如权利要求10所述的真三轴加砂压裂试验方法，其特征在于：所述活塞容器的体积为2000ml。

12.如权利要求10所述的真三轴加砂压裂试验方法，其特征在于：向井下岩心注入的前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液的总体积为500-800ml。

13.如权利要求12所述的真三轴加砂压裂试验方法，其特征在于：向井下岩心注入的前置压裂液、携砂压裂液和替置压裂液分别为总体积的40％、50％和10％。

14.如权利要求10所述的真三轴加砂压裂试验方法，其特征在于：步骤二中，搅拌时间至少为20min。

15.如权利要求10所述的真三轴加砂压裂试验方法，其特征在于：步骤三中，对井下岩心施加三轴围压，X方向为水平最大主应力，Y方向为水平最小主应力，Z方向为垂向应力，其中X方向的围压大于Y方向的围压。

16.如权利要求10所述的真三轴加砂压裂试验方法，其特征在于：步骤五中，排水量设定范围为0-100ml/min。

17.如权利要求10-16中任一项所述的真三轴加砂压裂试验方法，其特征在于：所述替置压裂液采用前置压裂液，其作用是将管线内的携砂压裂液驱替至岩心中。