本发明涉及地质领域，特别是涉及一种能够对海地泥质粉沙含油层岩样进行压裂状态分析的压裂分析装置。
背景技术：
由于地层的非均质性，油气聚集带并不一定与井底相连通。通过压裂形成的人造裂缝可以将这些孤立聚集带同井底连通起来，增加新的供油区，沟通油气储集区是压裂增产的重要原因，是一种提高油气层中流体流动能力的一种储层改造技术。
压裂工艺在硬质的岩样类型上使用较好。但对于松散的没有骨架结构的泥质粉沙构成的油气层目前业界普遍认为无法采用压裂工艺，而且目前也没有任何现有技术给出已经采用的例子。
此外，泥质粉沙构成的油气层一般位于海面下，即使实施了压裂技术，在海面上也无法即时确认当前的压裂状态，需要在海面上长时间停留才得到测量到结果，成本高昂。
技术实现要素：
本发明的目的是要提供一种能够对海地泥质粉沙含油层岩样进行压裂状态分析的压裂分析装置。
特别地，本发明提供一种泥质粉沙油气层的压裂实验装置，包括：
地层系统，用于模拟油气层环境，包括两端活动密封的柱状空心容器，所述容器的筒壁上均匀设置有贯穿注压通孔，在所述容器内设置有轴向移动的活塞；
井筒系统，用于模拟地下井筒，包括由所述容器上端插入内部的井管，和为所述井管提供压力的供压装置、提供压裂液的供液装置，所述井管的下端设置有排出内部压裂液的排液孔；
背压系统，用于模拟所述容器承受的地下径向压力，包括背压泵，和连接所述背压泵和所述注压通孔的注压管路；
覆压系统，用于模拟所述容器承受的地下轴向压力，包括覆压泵，和一端连通所述覆压泵，一端连通所述容器内活塞与容器内底部之间空间的覆压管路；
控制系统，用于控制和记录实验过程，包括作为控制中心的计算机，和记录并操作实验过程的控制软件，以及通过通讯接口与各系统连接的通讯线路。
在本发明的一个实施方式中，所述容器的两端设置有外螺纹，分别通过螺纹拧有上盖和下盖，且在所述容器的两端口处分别安装有密封堵头，在所述密封堵头远离所述容器的一面设置有向外凸出的连接台，在所述上盖和所述下盖上设置有供所述连接台穿过的通孔，在所述连接台上设置有轴向贯穿孔。
在本发明的一个实施方式中，在所述上盖和所述下盖上还分别设置有用于安装辅助测试设备的备用插孔。
在本发明的一个实施方式中，所述注压通孔沿所述容器的圆周均匀分布且设置有多层，各层的所述注压通孔位置对应。
在本发明的一个实施方式中，在所述注压通孔位于所述容器外壁的一端固定有用于连接所述注压管路的连接头。
在本发明的一个实施方式中，每层所述注压通孔设置有8个，共设置有4层且沿所述容器的测试区均匀分布；所述连接头的内部带有内螺纹且通过焊接固定在每个所述注压通孔处。
在本发明的一个实施方式中，所述注压管路包括具备十字形内部通槽的转接头和独立封闭堵头，每个所述转接头的十字形通槽的三个出口分别通过支管连接一个所述连接头，另一个接口通过支管和所述背压泵连接的管路连通；所述封闭堵头用于封闭不使用的所述连接头。
在本发明的一个实施方式中，所述转接头和所述支管为不锈钢管，且两者通过螺纹密封固定连接。
在本发明的一个实施方式中，所述容器内部的活塞下方为灌注水形成的覆压空间，灌注水使所述活塞与最接近的所述注压通孔的距离大于在垂直方向上的两个所述注压通孔的距离。
在本发明的一个实施方式中，所述井管的直径为所述容器直径的1/20～30；所述排液孔为在径向上穿过所述井管的轴线且在端部相通的剖开槽，所述剖开槽的宽度为所述井管直径的1/2～3，高度为所述井管直径的1.5～2倍。
在本发明的一个实施方式中，在所述容器内部与所述注压通孔对应的位置处放置有阻挡泥质粉沙挤出的滤层。
在本发明的一个实施方式中，在所述容器的外表面涂有防氧化的金属酸层。
在本发明的一个实施方式中，所述井筒系统的输液管路通过三通与所述背压系统的注压管路连接，以在实验前通过注水来测试所述注压通孔是否堵塞。
在本发明的一个实施方式中，所述背压系统的背压泵依次通过控制阀、回压容器和回压阀与所述井筒系统连接，在所述回压容器上安装有压力表，在所述回压阀处连接有排出实验过程中由岩样中挤压出的水的排水管。
在本发明的一个实施方式中，所述覆压泵的输出端连接有供水箱，所述供水箱通过阀门控制与所述覆压管路连通。
在本发明的一个实施方式中，所述井筒系统的供压装置包括依次连接的恒速恒压泵、四通阀、活塞液压容器、四通阀；所述供压装置为设置在所述活塞液压容器上部盛装分裂液的盛液腔，所述恒速恒压泵为双缸结构，每个缸分别实现一路压力输出。
在本发明的一个实施方式中，所述井管的插入位置与所述容器的轴心线重合。
在本发明的一个实施方式中，还包括取出实验后所述容器中岩样的取样筒，所述取样筒包括直径小于所述容器内径且外壁能够与所述容器内壁接触的空心筒体，在所述筒体上设置有便于控制所述筒体动作的把手。
在本发明的一个实施方式中，所述筒体的下端为锯齿形，所述筒体的上端侧壁上对称设置有垂直穿过轴心线的通孔，所述把手穿过两个通孔后与安装在所述容器上。
在本发明的一个实施方式中，所述筒体的下端为锯齿形，所述筒体的上端外侧壁上对称固定有固定座，所述把手为两根独立的杆状体，两个所述杆状体的一端分别通过轴结构连接在对应所述固定座上，且连接后的所述杆状体以固定座为支点相对所述筒体的轴线方向实现来回转动。
本发明能够完整模拟泥质粉沙的地下环境，通过各系统的配合实现泥质粉沙的压裂测试过程，不但证明了泥质粉沙的含油层能够进行压裂施工，而且还能够确定实际压裂所需要的各种参数，为实际压裂施工提供支持，同时达到降低成本的目的。
附图说明
图1是本发明一个实施方式的压裂实验装置的结构示意图；
图2是本发明一个实施方式的容器示意图；
图3是本发明一个实施方式的井管上排液孔的结构示意图；
图4是本发明一个实施方式的取样筒结构示意图；
图5是本发明另一取样筒结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一个实施例的泥质粉沙油气层的压裂实验装置一般性地包括用于模拟油气层环境的地层系统10，用于模块地下井筒的井筒系统20，用于模拟地下径向压力的背压系统30，用于模拟地下轴向压力的覆压系统40和控制上述各系统实验过程的控制系统(图中未示出)。
该地层系统10一般包括两端活动密封的柱状空心容器11，容器11的筒壁上均匀分布有贯穿内外的注压通孔16，在容器11内设置有轴向移动的活塞17。
该井筒系统20包括由容器11上端插入容器内部的井管21，和为井管21提供压力的供压装置、提供压裂液的供液装置22；井管21用于模拟井筒，中空结构，上端开口，下端设置有排出内部压裂液的排液孔211。
背压系统30包括背压泵31，和连接背压泵31和容器11上注压通孔16的注压管路32，在工作时，背压泵31通过注压管路32向容器11内注入压力，使岩样承受圆周径向压力(水平方向)。
该覆压系统40包括覆压泵41，和一端连通覆压泵41另一端连通容器11内活塞17与容器11内底部之间空间的覆压管路42，覆压泵41通过覆压管路42向容器11的底部注入轴向压力(垂直压力)，以推动活塞17向上方移动，对上方的岩样施加相应的轴向压力。
控制系统用于控制和记录实验过程，包括作为控制中心的计算机，和安装在计算机内记录并操作实验过程的控制软件，以及通过通讯接口与各系统连接的通讯线路。
在实验时，先将泥质粉沙构成的岩样进行处理，再放入容器11内的活塞17上方的测试区中，容器11的上下两端为活动密封结构，当岩样放好后，再封闭容器11，连接背压系统30、覆压系统40，同时将井筒系统20的井管21由容器11的上端插入容器11内的岩样中心的一定深度处。
启用背压泵31为容器11内注入指定径向压力，启动覆压泵41为容器11注入指定的轴向压力，同时启动井筒系统20的供压装置同步由井管21向容器11内注压，当容器11内部压力达到指定的压力且平稳时，即由供压装置将供液装置22中的压裂液由井管21注入到岩样中，通过控制压裂液的注入压力，即可使岩样出现压裂效果，然后停止各系统的注压，再取出岩样进行压裂效果分析，在整个处理过程中，各系统的注压控制、压力监控和压裂液的注入控制等，都需要由控制系统进行设置和调整，同时记录实验过程中的各个数据变化。
为方便观察压裂效果，本实施方式中的压裂剂采用水性荧光漆，不但可降低成本，同时还能够在烘干后维持当前形状，防止岩样变形，从而为后期观察提供稳定基础。
本发明能够完整模拟泥质粉沙的地下环境，通过各系统的配合实现泥质粉沙的压裂测试过程，不但证明了泥质粉沙的含油层能够进行压裂施工，而且还能够确定实际压裂所需要的各种参数，为实际压裂施工提供支持，同时达到降低成本的目的。
容器11的活动密封结构采用如下方式：在容器11的两端设置外螺纹，分别通过螺纹安装有带有内螺纹的上盖12和下盖13，同时在容器11的两端口处分别安装插入容器11端口的密封堵头14，在密封堵头14远离容器11的一面设置有向外凸出的连接台143，在上盖12和下盖13上设置有供连接台143穿过的通孔15，在连接台143上设置有轴向贯穿孔141，用于插装相应注压管路32、井管21、覆压管路42等。上盖12和下盖13与容器11之间、密封堵头14之间可设置相应的密封圈、密封垫等密封结构，而密封堵头14与容器11内壁接触的外圆周上也可以设置相应的密封圈。上端的密封堵头14与容器11采用滑动接触，可以在上盖12的挤压下作用到内部的岩样上，而下端的密封堵头14则作为承受容器11内压力的密封件。本方案方便随时打开容器11，并在实现多层密封效果的同时不影响各管路的连接。此外，上盖12和下盖13上除插装相应管路的通孔141外，还可以设置相应的用于检测其它实验数据的辅助仪器的备用插孔142。用于安装井管21的通孔141位置需要位于容器11的轴心线上，使插入的井管21能够与轴心线重合，以使输出的压裂液能够对四周岩样施加同样的压力。
具体的注压通孔16设置有多个，是为了建立地层围压循环通道，注压通孔的孔径和数量，理论上越小越密越好，但考虑到样品堵塞和流溢的可能，本实施方式中采用1-2mm的钻头钻穿容器即可。注压通孔在水平方向沿容器11的圆周均匀分布，同时在垂直方向上间隔设置多层，各层的注压通孔16位置相互对应。本实施方式中每层注压通孔16设置有8个，同一层各注压通孔16的间隔角度为45角度，在垂直方向上一共设置有4层，这4层与安装岩样的测试区位置对应且相互间隔距离一致。
为方便注压通孔16连接管路，可在注压通孔16位于容器11外壁的一端固定用于连接注压管路32的连接头18。在连接头18的内部设置有内螺纹，如采用金属螺帽。连接头18可以通过焊接的方式固定在每个注压通孔16处，。注压管路32的接头上可以设置相应的外螺纹，两者通过螺纹拧在一起，可以提高抗压能力，防止脱离。
在本发明的一个实施方式中，为方便连接注压管路32，该注压管路32可以分成内部具备十字形内部通槽的转接头、独立使用的封闭堵头和相应的支管38，每个转接头的十字形通槽的三个出口分别可通过支管38与一个连接头18连接，而剩下的一个出口则可通过支管38和注压泵31连接的管路连通。
由于每次测试所需要的压力要求不同，或是从简化注压管路32的连接结构角度出发，不需要每一个连接头18都连接一根支管38，此时即可通过封闭堵头将不需要连接的连接头18封住，如只使用12、16个连接头，其余的全部封闭，在选择连接的连接头18时需要选择对称分布的即可。此外，如果每个连接头18分别连接一根支管38则不但布局较麻烦，而且出问题的机率也大。此时可以将转接头直接设置在相应的几个连接头18附近，直接通过较短的支管38进行连接即可，可大大简化容器端11和注压管路32间的连接设计。进一步的，转接头剩余的出口也可以不直接与背压泵31端连接，而是再与相邻的转接头连接，即所有的转接头本身围绕容器通过支管形成串联，最终只有一根支管与注压管路32连接。
本实施方式中，注压管路32和转接头都采用不锈钢材质制作，相互连接可通过螺纹方式，同时在连接点采用密封处理。
如图3所示，在本发明的一个实施方式中，井管21的直径可以为容器11直径的1/20～30；具体的排液孔211可以是在径向上穿过井管21的轴线且在其端部处相通的剖开槽，剖开槽的宽度可以为井管21直径的1/2～3，高度为井管21直径的1.5～2倍。采用上述尺寸限定是因为压裂液具备一定的粘性，如果井管21、排液孔211的尺寸太小容易导致堵塞，而太大又不易控制流量。本方案的排液孔211虽然采用剖开槽的结构，但在其它的方案中，在满足不堵塞的要求下，也可以采用在井管21端部设置对称的孔、槽等结构。
在本发明的一个实施方式中，在容器11内部与注压通孔16对应的位置处放置有阻挡泥质粉沙挤出的滤层，具体的滤层可以是具备一定目数的滤纸，也可以是以滤网作为骨架，再加上滤纸的结构。由于注压通孔16直接与容器11内部相通，如果直接对容器11内部的岩样进行施压，则由于粉质泥沙的特性其会灌进注压通孔16中，堵塞注压通道。而采用滤层结构后，则会阻挡粉质泥沙但不会阻止水渗出，使实验能够正常进行。具体滤纸的目数可以根据泥质粉沙的颗粒大小进行确定。
在本发明的一个实施方式中，容器11内部的活塞17下方为灌注水形成的覆压空间19(也可以是空气)，活塞17被覆压空间19内的压力顶离底部，使活塞17与最接近的注压通孔16的距离大于在垂直方向上两个注压通孔16之间的距离。如两个注压通孔16垂直距离为40毫米，则活塞17距离最接近注压通孔16的距离可在50毫米左右，以留出上升挤压的空间。灌注水可以由覆压系统40直接提供。覆压泵41的输出端可以连接有供水箱43，供水箱43通过阀门431控制与覆压管路42连通。此外，也可以由供压装置实现。
为防止容器11被水或液体腐蚀，在容器11的外表面和/或内表面可以涂喷防氧化的金属酸层。
在本发明的一个实施方式中，为测试连接后的注压管路32中是否存在泄漏现象，井筒系统20的输液管路26可以通过三通与背压系统30的注压管路32连接，以使井筒系统20在实验前可通过注水来测试注压通孔16是否堵塞。因为井筒系统20具备供液装置22，可以直接用于注水，所以可以直接利用，而不需要背压系统30再安装一套供水装置。在本实施方式中，注压管路32和输液管路26都可以通过阀门实现单独控制通断，以避免相互影响。
具体的背压系统30的背压泵31可以依次通过控制阀33、回压容器34和回压阀36与地层系统10连接，在回压容器34上安装有压力表35，在回压阀36处连接有排出实验过程中进入井管21中水的排水管37。控制阀33和回压阀36可以控制压力输送，防止压力回流，一直保持当前压力维持在指定压力状态下，回压容器34使压力表35直接反映出当前的压力大小。排水管37用于排出实验过程中由岩样中被压裂剂挤出水。还可以在排水管37的排出端设置一个接水箱39。位于回压阀36之前的注压管路32由分别与每一个连接头18或指定数量连接头18连接的支管、相应的转接头构成。
在本发明的一个实施方式中，井筒系统20的供压装置包括依次连接的恒速恒压泵25、四通阀23、活塞液压容器24、四通阀27；供液装置22为设置在活塞液压容器上部的液压腔，该液压腔即可以用于前期盛水来测试管路是否通畅，也可以在后期实验时盛装压裂剂，恒速恒压泵25为双缸结构，每个缸可分别实现一路压力输出。采用四通阀23、27可以方便安装测量当前状态的测量仪器，如压力表，或作为检测当前管路是否通畅的检测口，也可以随时接入相应的输入管路，如注水管。活塞液压容器24中的活塞在恒速恒压泵25的压力下向上挤压液压腔内的压裂剂，以将压裂剂在一定压力下由井管21挤入容器11中的岩样中，恒速恒压泵可维持压力输出在指定值处。
如图4所示，在本发明的一个实施方式中，提供一种将实验后岩样由容器内取出的取样筒50，由于岩样在容器11内需要经受较大的压力，同时本身也是兑水后的产物，因此其与容器11内壁接触较紧，强力取样易破坏实验结果，因此，本实施方式利用取样筒50沿容器11的内侧壁向下压，对岩样的外边沿下行切割式提取岩样。
具体的取样筒50包括直径小于容器11内径且外壁能够与容器11内壁接触的空心筒体51，在筒体51上设置有便于控制筒体动作的把手52。在使用时，通过把手52将力施加至筒体51上，使筒体51的下端剖开岩样与容器11内壁的接合，逐渐使岩样进入筒体51的内部，最后提出筒体51再取出岩样即可。本实施方式的取样筒50既可以一次将岩样整个取出，也可以采用分段方式将岩样一段一段的取出。
进一步地，为方便筒体51剖开岩样，可以将筒体51的下端设置成锯齿形511，以在筒体51下行过程中，不但可以施加垂直压力，也可以进行左右旋转，以切割方式加快下行速度，同时也可降低施力大小。把手52可以是一根直杆，然后在筒体51的上端侧壁上对称设置垂直穿过轴心线的通孔，把手52穿过两个通孔且两端露出足够操作人手持的长度。使用时，操作人可以通过两端露出的把手52对筒体51进行施压和旋转，使筒体51能够更快速的将岩样切割下来。
如图5所示，在本发明的另一个实施方式中，在筒体51下端为锯齿形511的结构下，把手52可以设置成分开的两段结构，并采用可旋转的方式安装在筒体51上，具体结构如下：在筒体51的上端外侧壁上对称固定固定座53，把手52采用两根独立的杆状体521，两个杆状体521的一端分别通过轴结构连接在对应固定座53上，且连接后的杆状体521以固定座53为支点相对筒体51的轴线方向实现来回转动。本结构方便取样筒50的平时储放，而且不影响正常使用。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。