小直径水压致裂高压流体控制系统的制作方法

本实用新型涉及一种小直径岩体测试工具，具体地说，涉及一种小直径水压致裂高压流体控制系统。

背景技术：

Hubbert和Willis于1957年提出井孔液体压裂所产生的裂缝与岩体中所赋存的应力状态密切相关，并指出岩体压力并非处于静水压力状态。Kehle（1964）首次对封隔器隔离的实验段的井孔周边的应力分布进行了简单分析，并指出封隔器的影响使孔壁周边形成剪应力区。Fairhurst（1964）是第一位提出利用水压致裂技术来测量原地应力的科学家，并指出了水压致裂技术的诸多优点。Haimson和Fairhurst（1967）指出井壁上产生的裂缝与以下三个因素有关，①地壳应力，②水压致裂的液体压力与孔隙水压力之间的差应力；③岩体渗透的径向流量，这些理论分析奠定了经典水压致裂测试技术的理论基础。Haimson（1968）在其博士论文中对水压致裂原地应力测试技术从实验和理论两个方面进行了全面分析和完善。以上这些重要工作为将水压致裂原地应力测试技术应用于工程实践奠定了理论和实验基础。真正意义的应力测量工程实践是由Von Schonfeldt 和Fairhurst（1970）领导的研究组在明尼苏达州的一个地下花岗岩岩体中展开的；随后，在Rangely油田也开展了类似的应力测量和研究工作（Haimson，1973；Raleigh等，1976）。从此，水压致裂应力测量正式进入工程实践领域。1987年和2003年，国际岩石力学学会（ISRM）都把水压致裂原地应力测量方法作为一种主要的应力估算方法来推荐，也奠定了水压致裂原地应力测量技术的重要地位。

中国的地应力测量工作稍迟于国外，五十年代末，李四光和陈宗基教授分别指导地质力学所和三峡岩基专题研究组开始的。1980年10月，由李方全教授领导的研究组在河北易县首次成功地进行了水压致裂法地应力测量（李方全，1980），随后中国地震局地壳应力研究所研制成功轻便型水压致裂测量设备（李方全，1981；丁健民，1990；安其美，1996；郭啟良，1999）。水压致裂测试技术在中国的各行各业得到广泛的应用推广。到目前为止，中国国内使用的主要的水压致裂测试方法均遵守国际岩石力学学会所推荐的方法。

关于水压致裂原地应力测量的设备目前主要分为五大类：（1）重型缆线式水压致裂原地应力测量设备，以瑞士MESY-SOLEXPERTS设备为代表；（2）轻便缆线型水压致裂原地应力测量设备，主要以日本OYO公司和澳大利亚的CSIRO组织制造的浅孔测试设备为代表；（3）综合水压致裂测试设备，以法国Cornet教授和美国Thiercelin教授制作的将水压致裂测试与其它物探录井设备结合到一起的新型水压致裂测试设备为代表；（4）BABHY测试设备，以日本东北大学Ito教授制造的为代表；（5）钻杆式水压致裂设备，以中国地震局地壳应力研究所研发制造的为代表。

中国大陆境内广泛使用的测量系统由六个部分组成，高压流体控制系统、高压水泵、动力系统、数据记录系统、跨接式封隔器和钻杆系统，整体的结构示意图如图1和2所示，其中：40、30：钻架，41：高压软管，42、32：钻杆连通测试段，43、33：适配器，44、34：测试段，45、35：封隔器，46、36：压力传感器。高压流体控制系统是地表设备中的重要组成部分。

实用新型人所在的单位中国地震局地壳应力研究所是开展水压致裂原地应力测试最早的单位之一，所有的水压致裂测试系统均由研究所自行研发组装，并推广到全国各行各业使用，在早期，水压致裂原地应力测试系统的高压流体控制系统采用液压单向球阀、针阀、耐震压力表以及连接件组成。现有高压流体控制系统存在以下问题：

（1）标准化程度低，现有的高压流体控制系统均采用零散配件现场组装，各种阀体、连接件选择和安装都具有随意性，不符合标准化测试和原地应力测试现场质量控制的标准，需要对设备进行革新。

（2）功能单一，现有的高压流体控制系统由于采用现场临时组装的策略，一般只为现场的需求而设定单一功能，无法满足现场多种情况。

（3）安全性能差，现有的高压流体控制系统由于是现场临时组装的产品，无法全面考虑各种安全隐患和全面开展各种安全性能测试，故在使用过程中会存在较大的安全隐患，故需要增加现有系统的安全系数进而保障水压致裂原地应力测试过程中人员的人身安全。

鉴于以上客观技术原因，非常有必要开发新一代的小直径水压致裂高压流体控制系统。

技术实现要素：

本实用新型正是为了解决上述技术问题而设计的小直径水压致裂高压流体控制系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种小直径水压致裂高压流体控制系统，包括高压油泵、油箱、加压球阀、泄压球阀、针阀、压力表、压力传感器、PC采集处理单元和多个三通管件接头；高压油泵将油箱中液体泵出到三通，三通分别与封隔器通道和压裂段通道相连；在封隔器通道依次连接有针阀和2个三通，2个三通的第三通道分别连接压力表和压力传感器；在压裂段通道依次连接有加压球阀和3个三通，3个三通的第三通道分别连接压力表、压力传感器和泄压球阀；泄压球阀通过管道输出到油箱；2个压力传感器均输出到PC采集处理单元。

所述小直径水压致裂高压流体控制系统，在封隔器通道和压裂段通道末端均可加装堵头。

所述小直径水压致裂高压流体控制系统，系统用不锈钢外壳封装，加压球阀、泄压球阀、针阀的控制阀在不锈钢外壳面板上，压力表位于不锈钢外壳面板上。

所述小直径水压致裂高压流体控制系统，其不锈钢外壳标识了高压流体的走向。

本实用新型的任务是开发小直径水压致裂原地应力测量高压流体控制系统。在前一代快速水压致裂高压流体控制系统的基础上全面升级革新高压流体控制系统，主要实现以下功能：

（1）按照标准化制造的概念，将高压流体控制系统的所有可能使用到的功能集成到一套系统上，并且对各种配件、组件按照标准件的要求规范生产，规范安装，尽量减少非标准件的使用。流体控制系统功能包括系统实现高压下渗透性自检和传感器标定、封隔器座封、压裂段高压输出、泄压等功能；

（2）全部系统封装在不锈钢外壳内，外壳上标识了高压流体的走向、压力表和流量计等设备，以整体提高设备的安全系数。

本实用新型的有益效果是：

（1）实现了水压致裂原地应力测量过程中各种高压流体控制功能的集成和实现，而且现场管线连接方便。

（2）经过现场检验，小直径水压致裂高压流体控制面板安全可靠，使用标识齐全，有效地保障了操作人员和监理人员的人身安全。

附图说明

图1为现有双回路测试系统水压致裂原地应力测量装置跨接式封隔器示意图。

图2为现有单回路测试系统水压致裂原地应力测量装置跨接式封隔器示意图。

图3 为本实用新型水压致裂原地应力测量高压流体控制系统技术设计图。

图4为本实用新型高压渗透性自检和传感器标定功能测试示意图。

图5为本实用新型封隔器座封功能测试示意图。

图6为本实用新型压裂段高压输出功能测试示意图。

图7为本实用新型泄压功能测试示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

如图3-7所示，本实用新型一种小直径水压致裂高压流体控制系统，包括高压油泵2、油箱1、加压球阀5、泄压球阀12、针阀4、压力表6和8、压力传感器10和13、PC采集处理单元16和多个三通管件接头；高压油泵2将油箱1中液体泵出到三通3，三通3分别与封隔器通道17和压裂段通道18相连；在封隔器通道17依次连接有针阀4和2个三通7和11，2个三通7和11的第三通道分别连接压力表6和压力传感器10；在压裂段通道18依次连接有加压球阀5和3个三通9、14和15，3个三通9、14和15的第三通道分别连接压力表8、压力传感器13和泄压球阀12；泄压球阀12通过管道输出到油箱1；2个压力传感器10和13均输出到PC采集处理单元16。

所述小直径水压致裂高压流体控制系统，在封隔器通道17和压裂段通道18末端均可加装堵头19、20。

所述小直径水压致裂高压流体控制系统，系统用不锈钢外壳封装，加压球阀5、泄压球阀12、针阀4的控制阀在不锈钢外壳面板上，压力表6、8位于不锈钢外壳面板上。

所述小直径水压致裂高压流体控制系统，其不锈钢外壳标识了高压流体的走向。

小直径水压致裂高压流体控制系统的测试方法，可依次完成高压渗透性自检和传感器标定功能测试，封隔器座封功能测试，压裂段高压输出功能测试和泄压功能测试。

（一）高压渗透性自检和传感器标定功能测试

高压渗透性自检和传感器标定功能测试如图4所示：将封隔器通道和压裂段通道分别用堵头19、20堵死，打开针阀4和加压球阀5，关闭泄压球阀12，然后启动高压油泵，同时观测不同压力阶段压力表的显示值，观测压力表和压力传感器测量值是否一一对应，并标定压力传感器；同时检查各个连接部位是否有冒水、滴漏等泄露现象；测试数据通过PC采集处理单元16存储在计算机内。

（二）封隔器座封功能测试

封隔器座封功能测试的结构示意图如图5所示，关闭压裂段加压球阀5和泄压球阀12，打开针阀4，然后启动高压油泵2，给封隔器加压，检验其座封功能；测试数据通过PC采集处理单元16存储在计算机内。

（三）压裂段高压输出功能测试

压裂段高压输出功能测试的结构示意图如图6所示，关闭针阀4和泄压球阀12，打开压裂段加压球阀5，然后启动高压油泵2，给压裂段通道加压，检验高压液体输出及压裂功能；测试数据通过PC采集处理单元16存储在计算机内。

（四）泄压功能测试

泄压功能测试的结构示意图如图7所示，在压裂段高压输出功能测试后，关闭高压油泵2，打开封隔器针阀4、压裂段加压球阀5和泄压球阀12，完成泄压作业。

水压致裂原地应力测量高压流体控制系统由两个球阀（分别是压裂段加压球阀和泄压球阀）和一个封隔器针阀、两个高精度耐震压力表、两个压力传感器、若干三通管件接头和适配器组成，图3则显示了该实用新型设计的核心技术方案以及连接示意图。主要实现高压下渗透性自检和传感器标定、封隔器座封、压裂段高压输出、泄压等功能。图中高压加压部分为高压油泵，根据水压致裂原地应力测量的现场需要选用。

小直径水压致裂高压流体控制面板设计和制作完成后，首先在实验室中的原地应力测试实验进行了测试，检验结果整个操作系统运行稳定、连接方便，应用效果良好。实验过程详细描述如下：

（1）利用内径为Ф34mm的钢管模拟现场小直径钻孔，将高压油泵、高压流体控制系统、双回路安装杆、小直径跨接式封隔器连接起来。

（2）打开油泵出油阀，关闭压裂段球阀和泄压球阀，给封隔器加压，检验其座封功能，封隔器监测压力表，显示封隔器耐压40MPa，座封能力良好。

（3）打开油泵出油阀，关闭封隔器针阀和泄压球阀，给压裂段加压，检验压裂功能，压裂段监测压力表，显示压裂段耐压40MPa，封隔器压力50MPa，高压流体压裂输出能力良好。

（4）测试过程中，各个连接件密封性良好，没有跑冒滴漏现象，压力维持稳定性良好。

（5）打开油泵回油阀，关闭出油阀，打开封隔器针阀、压裂段球阀、泄压球阀，完成泄压作业。

本实用新型不局限于上述最佳实施方式，任何人在本实用新型的启示下得出的其他任何与本实用新型相同或相近似的产品，均落在本实用新型的保护范围之内。