一种压裂监测实验装置的制作方法

1.本实用新型属于油气压裂监测领域，具体涉及一种压裂监测实验装置。


背景技术：

2.压裂裂缝监测技术是指通过一定的仪器装备和技术手段对煤层气、石油、页岩气等压裂全过程进行实时监测和测试评价，通过数据处理，得到裂缝的方向、长、宽、高、导流能力、压裂液的滤失系数、预测产量、计算压裂效益等，从而评价压裂效果。目前，常用的压裂裂缝监测技术主要有两种：地面微地震监测技术和电位法监测技术。
3.当地质体的电阻率远小于围岩电阻率时，可近似地将其看作理想导体。当理想导体位于一般导电介质中时，向其上任意一点供电(或称“充电”)后，电流便遍及整个理想导体，然后垂直于导体表面流向周围介质。理想导体的充电电场与充电点的位置无关，只取决于充电电流的大小、充电导体的形状、产状、大小、位置及周围介质的电性分布情况。当进行压裂作业时，压裂液为带有电解质的溶液，其相对于其周围岩石电阻率较低，可看成是理想导体。如果向这些电解质充电，并观测充电电场的分布，便可据此推断整个地下压裂流体与其周围岩石的电性分布情况，从而解释压裂裂缝推进发育情况，但进行实际压裂作业需要克服诸多问题，从而造成测量结果不准确，效率较低等问题。


技术实现要素：

4.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种压裂监测实验装置，所述压裂监测实验装置可以获得实验环境下的测试数据，以对现场布局实现指导作用，提高压裂现场监测时的准确性。
5.根据本实用新型实施例的压裂监测实验装置，包括：
6.实验槽，其内填充有沙状颗粒物；
7.井筒裂缝模型组件，包括第一导电段、第二导电段，所述第一导电段的一端和所述第二导电段的一端连接，所述第一导电段设置于所述实验槽内，所述第二导电段的另一端伸出所述实验槽设置；
8.信号发射系统，与所述第二导电段伸出所述实验槽的所述另一端电性连接，用于发射测试交流电；
9.多个电位传感器，皆设置于所述实验槽内填充的所述沙状颗粒物的上表面，用于采集所述井筒裂缝模型组件与所述电位传感器之间的电位差信号；所述沙状颗粒物用于将所述井筒裂缝模型组件和多个所述电位传感器固定于所述实验槽中；
10.信号接收系统，与多个所述电位传感器电性连接，所述信号接收系统用于接收多个所述电位传感器采集的电位差信号。
11.根据本实用新型实施例的压裂监测实验装置，至少具有如下技术效果：实验槽起到承载的作用，结合沙状颗粒物后模拟自然界的地层。井筒裂缝模型组件用来模拟常见的不同井筒类型，充分考虑到自然界中对煤层气、石油等压裂全过程出现的不同情况的预测。
信号发射系统与多个电位传感器以及信号接收系统配合工作，多个电位传感器布置在沙状颗粒物表面，通过采集井筒裂缝模型组件与电位传感器之间的电位差信号，并将信号发送至信号接收系统，进而可以利用多次采集电位差信号进行实际压裂作业模拟结果的分析，将实验验证的结果运用到实际监测中，从而为实际现场进行检测提供理论指导。本实用新型实施例的压裂监测实验装置验证了基于“充电法”原理的油气压裂监测系统效果，可以在实验环境下模拟油气压裂监测系统运行状态，为实际压裂作业提供测量基础，有效提升测量结果准确度，提高测量效率。
12.根据本实用新型的一些实施例，所述井筒裂缝模型组件包括：
13.金属井筒构件，包括第一金属段和第二金属段，所述第一金属段的一端和所述第二金属段的一端连接，所述第二金属段的另一端伸出所述实验槽设置；
14.多个金属裂缝构件，多个所述金属裂缝构件皆设于所述实验槽中并位于所述第一金属段所在区域，每个所述金属裂缝构件皆与所述第一金属段或所述第二金属段电性连接。
15.根据本实用新型的一些实施例，所述井筒裂缝模型组件包括：
16.井筒模拟管，包括第一管段和第二管段，所述第一管段的一端和所述第二管段的一端连接，所述第二管段的另一端伸出所述实验槽设置，所述第一管段上开设有多个筛孔；
17.供液装置，与所述第二管段的所述另一端连接，用于向所述井筒模拟管内灌注压裂液。
18.根据本实用新型的一些实施例，所述井筒模拟管采用pvc管。
19.根据本实用新型的一些实施例，所述第一导电段与所述第二导电段构成l型结构，所述第一导电段水平设置于所述实验槽内。
20.根据本实用新型的一些实施例，多个所述电位传感器呈井字形分布结构，所述井字形分布结构包括多条互相平行设置的第一线型测线和皆与所述第一线型测线垂直设置的多条第二线型测线，多个所述电位传感器分布于多条所述第一线型测线以及多条所述第二线型测线上。
21.根据本实用新型的一些实施例，多条所述第一线型测线皆平行于所述第一导电段设置。
22.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
23.本实用新型的上述或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
24.图1是本实用新型实施例的压裂监测实验装置的压裂裂缝模拟示意图；
25.图2是本实用新型实施例的压裂监测实验装置的静态实验模拟示意图；
26.图3是本实用新型实施例的压裂监测实验装置的动态实验模拟示意图；
27.图4是本实用新型实施例的电位传感器的布局示意图；
28.图5是本实用新型实施例的压裂监测实验装置的不同层位深度模拟示意图；
29.图6是本实用新型实施例的压裂监测实验方法的流程示意图；
30.图7是本实用新型另一实施例的压裂监测实验方法的流程示意图。
31.附图标记：
32.实验槽100、
33.金属井筒构件210、井筒模拟管220、
34.信号发射系统300、
35.电位传感器400、
36.信号接收系统500。
具体实施方式
37.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
38.在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
39.在本实用新型的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
40.本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。
41.下面参考图1至图5描述根据本实用新型实施例的压裂监测实验装置。
42.根据本实用新型实施例的压裂监测实验装置，包括：实验槽100、井筒裂缝模型组件、信号发射系统300、多个电位传感器400、信号接收系统500。
43.实验槽100，其内填充有沙状颗粒物；
44.井筒裂缝模型组件，包括第一导电段、第二导电段，第一导电段的一端和第二导电段的一端连接，第一导电段设置于实验槽100内，第二导电段的另一端伸出实验槽100设置；
45.信号发射系统300，与第二导电段伸出实验槽100的另一端电性连接，用于发射测试交流电；
46.多个电位传感器400，皆设置于实验槽100内填充的沙状颗粒物的上表面，用于采集井筒裂缝模型组件与电位传感器400之间的电位差信号；沙状颗粒物用于将井筒裂缝模型组件和多个电位传感器400固定于实验槽100中；
47.信号接收系统500，与多个电位传感器400电性连接，信号接收系统500用于接收多个电位传感器400采集的电位差信号。
48.参考图2、图3以及图4，实验槽100可以为长宽高尺寸是2m*1m*2m的沙土坑，实验槽100中填充有沙状颗粒物。井筒裂缝模型组件包括第一导电段和第二导电段，其中第一导电
段完全埋设于实验槽100中的沙状颗粒物下，第二导电段一端与第一导电段一端连接，第二导电段部分位于沙状颗粒物中，另一端伸出实验槽100，伸出实验槽100的一端与信号发射系统300连接。信号发射系统300至少包括一个直流源和逆变器，直流源提供直流电压，逆变器将直流电压逆变成交流电压输出，信号发射系统300具有两个连接端口(如图2、3中所示a、b)，其一端a与井筒裂缝模型组件连接，另一端b通过埋设于实验槽100外地面处的铝箔引出线接地，从而可以实现向井筒裂缝模型组件输出测试交流电。
49.多个电位传感器400皆设置于沙状颗粒物的上表面，对应于多个电位传感器400，信号接收系统500具有多个信号接收端(如图2、3所示的m极)和一个公共端(如图2、3所示n极)，多个信号接收端分别与多个电位传感器400电性连接。信号接收系统500还具有接地端，接地端连接至远端，即连接大地。另外，信号接收系统500的核心处理器可以使用单片机、dsp或arm，具体的，可以使用stm32系列处理器，例如stm32f407zgt6，进而，信号接收系统500可以通过模数转换模块完成对多个电位传感器400输出的电位差信号的接收。
50.信号发射系统300发射测试交流电，多个电位传感器400采集井筒裂缝模型组件与电位传感器400本身之间的电位差信号，信号接收系统500则接收多个电位传感器400采集的电位差信号，完成电位差信号的采集，通过采集多次数据并通过核心处理器进行存储，即可完成实际压裂作业的模拟数据采集并分析。需要说明的是，本实施例对实验槽100的开设不做位置限制，也不做大小限制，合理并能完成实验即可。
51.根据本实用新型实施例的压裂监测实验装置，实验槽100起到承载的作用，结合沙状颗粒物后模拟自然界的地层。井筒裂缝模型组件用来模拟常见的不同井筒类型，充分考虑到自然界中对煤层气、石油等压裂全过程出现的不同情况的预测。信号发射系统300与多个电位传感器400以及信号接收系统500配合工作，多个电位传感器400布置在沙状颗粒物表面，通过采集井筒裂缝模型组件与电位传感器400之间的电位差信号，并将信号发送至信号接收系统500，进而可以利用多次采集电位差信号进行实际压裂作业模拟结果的分析，将实验验证的结果运用到实际监测中，从而为实际现场进行检测提供理论指导。本实用新型实施例的压裂监测实验装置验证了基于“充电法”原理的油气压裂监测系统效果，可以在实验环境下模拟油气压裂监测系统运行状态，为实际压裂作业提供测量基础，有效提升测量结果准确度，提高测量效率。
52.在本实用新型的一些实施例中，多个电位传感器400均采用铁钉，实现多个区域点电位差信号的采集。
53.在本实用新型的一些实施例中，井筒裂缝模型组件包括金属井筒构件210、多个金属裂缝构件。金属井筒构件210，包括第一金属段和第二金属段，第一金属段的一端和第二金属段的一端连接，第二金属段的另一端伸出实验槽100设置；多个金属裂缝构件，多个金属裂缝构件皆设于实验槽100中并位于第一金属段所在区域，每个金属裂缝构件皆与第一金属段或第二金属段电性连接。
54.参考图1，第一金属段完全埋设于实验槽100的沙状颗粒物中用来模拟井筒的水平段，第二金属段部分伸出实验槽100，多个金属裂缝构件布置在第一金属段周围用来模拟裂缝。本实施例采用的金属井筒构件210以及多个金属裂缝构件可以采用直径大小不同的铁丝支撑，具体的，金属井筒构件210可以采用的铁丝直径约为1mm，多个金属裂缝构件采用的铁丝直径约为0.5mm，直径为1mm的铁丝折成l形，其水平段即为第一金属段，长度设置为1m，
垂直段为第二金属段，长度设为2m；直径为0.5mm的铁丝则参考图1所示的样式弯折，分别有单缝、多缝以及网缝等三种样式，每一种样式的金属裂缝构件皆与第一金属段或第二金属段电性连接，图1中为与第一金属段电性连接，但本实施例对此不做限制。需要说明的是，对金属井筒构件210和多个金属裂缝构件的材质不做限定，只需要保证足够的导电能力即可，对直径的大小也不做限定，合理即可。
55.在本实用新型的一些实施例中，井筒裂缝模型组件包括井筒模拟管220、供液装置。井筒模拟管220，包括第一管段和第二管段，第一管段的一端和第二管段的一端连接，第二管段的另一端伸出实验槽100设置，第一管段上开设有多个筛孔；供液装置，与第二管段的另一端连接，用于向井筒模拟管220内灌注压裂液。
56.参考图3，第一管段不同区域段开设有多个筛孔，用以模拟压裂射孔，第二管段部分伸出实验槽100，伸出实验槽100的部分，管口与供液装置连接，供液装置向井筒模拟管220内灌注压裂液，压裂液需确保与信号发射系统300保持良好接触，供液装置保持持续供液。第一管段的前部、中部、尾部沙状颗粒物中压裂液的浸润过程及范围，有效模拟压裂过程中压裂液的动态变化过程。需要说明的是，本实施例使用的压裂液可以为自来水，但本实施例对此不做限制，在导电良好的情况下，根据实际情况进行调整，环保、经济即可。还需要说明的是，图3中第一管段上在其前部、中部及尾部分别开设了四个筛孔，但本实施例对筛孔的位置以及数量皆不做限定，合理设置并能成功采集数据即可。
57.在本实用新型的一些实施例中，井筒模拟管220采用pvc管。本实施例采取的井筒模拟管220是pvc管，pvc管由于自身材料特性的原因导致其耐压性强，能防止酸性物质和碱性物质腐蚀，防水性佳。其次，pvc管所使用的是优质pvc改性材料，具有柔韧性好、有好的阻燃性能、绝缘性能良好、内壁平滑、摩擦系数小等重要物理性质。但本实施例对井筒模拟管220的材质不做限定，合理即可。
58.在本实用新型的一些实施例中，第一导电段与第二导电段构成l型结构，第一导电段水平设置于实验槽100内。参考图2和图3，分别是本实施例中采用的两种井筒裂缝模型构件。
59.如图1和图2所示，井筒裂缝模型构件采用的是金属井筒构件210和多个金属裂缝构件，其中将金属井筒构件210弯折成l型，如图3所示，井筒裂缝模型构件采用的是井筒模拟管220与供液装置构成，其中将两段井筒模拟管220拼接成l型。金属井筒构件210和井筒模拟管220两种呈l型的两个导电段均模拟的是实际压裂作业中的水平井。
60.在本实用新型的一些实施例中，多个电位传感器400呈井字形分布结构，井字形分布结构包括多条互相平行设置的第一线型测线和皆与第一线型测线垂直设置的多条第二线型测线，多个电位传感器400分布于多条第一线型测线以及多条第二线型测线上。
61.参考图2、图3以及图4，多个电位传感器400呈井字形分布结构分布在沙状颗粒物表面，其中包括多条互相平行设置的第一线型测线和皆与第一线型测线垂直设置的多条第二线型测线，图中示例针对第一线型测线和第二线型测线分别画了两条，但本实施例对此不做限制，根据实际井筒裂缝模型组件的长、宽度设置即可。另外，多个电位传感器400均匀的分布于多条第一线型测线以及多条第二线型测线上，其每两个电位传感器400之间的间隔均一致，但本实施例对电位传感器400之间的间隔不做限制，可做多种变换。
62.在本实用新型的一些实施例中，多条第一线型测线皆平行于第一导电段设置。对
应于模拟水平井，第一导电段与实验槽100底部平行，即多条第一线型测线均平行于实验槽100底部设置。
63.根据本实用新型实施例的压裂监测实验装置，还提出一种实验方法，包括以下步骤：
64.步骤s100，布置实验槽100；
65.步骤s200，将井筒裂缝模型组件放置于实验槽100中，井筒裂缝模型组件包括第一导电段和第二导电段，第一导电段的一端和第二导电段的一端连接；
66.步骤s300，向实验槽100中填充沙状颗粒物，以使得第一导电段被固定于沙状颗粒物中，第二导电段的另一端露出沙状颗粒物上表面；
67.步骤s400，布置信号发射系统300，将第二导电段伸出实验槽100的一端与信号发射系统300电性连接，信号发射系统300用于发射测试交流电；
68.步骤s500，将多个电位传感器400布置在沙状颗粒物表面，并将多个电位传感器400与信号接收系统500电性连接；
69.步骤s600，启动信号发射系统300，以向井筒裂缝模型组件发射测试交流电，并启动信号接收系统500接收多个电位传感器400采集的电位差信号。
70.参考图1至图6，步骤s100中，布置实验槽100可是通过在一块主要土质为沙土的平整地面上，挖一个长宽高尺寸为2m*1m*2m的沙土坑得到。步骤s200中，将井筒裂缝模型组件放置于实验槽100中合适的位置，确保第一导电段和第二导电段的连接，为后续步骤做好准备。
71.步骤s300中，放置好井筒裂缝模型组件后，开始向实验槽100中填充沙状颗粒物，填充至第一导电段完全被固定于沙状颗粒物中，第二导电段部分被固定于沙状颗粒物中，另一端露出沙状颗粒物上表面，至此完成井筒裂缝模型组件的安装固定。需要说明的是，如图5所示，井筒裂缝模型组件可根据实验需求放置于实验槽100中不同深度，或者将井筒裂缝模型组件放置于同一深度保持不变的同时，增加沙状颗粒物填充的厚度，以此来模拟距离地面不同深度下的压裂。
72.步骤s400中，信号发射系统300的位置是不固定的，在保证与第二导电段伸出实验槽100的一端良好接触的前提下，合理布局信号发射系统300的位置即可。
73.步骤s500中，本实施例采用的电位传感器400是直径为1mm的铁钉，将多个铁钉按照实验需求插入沙状颗粒物中，钉帽露在外部，用以模拟信号接收系统500的信号感应电极，多个电位传感器400接收来自信号发射系统300的发射的测试电信号，采集井筒裂缝模型组件与多个电位传感器400之间的电位差信号，并传输至信号接收系统500接收。
74.步骤s600中，启动信号发射系统300与信号接收系统500配合工作，可实现如上述的在使用不同井筒裂缝模型组件时、距地面不同深度时、以及其他条件充当变量时的多次电位差信号采集。
75.根据本实用新型实施例的压裂监测实验方法，该压裂监测实验方法应用于第一方面所述的压裂监测实验装置，实验槽100起到承载的作用，结合沙状颗粒物后模拟自然界的地层。井筒裂缝模型组件用来模拟常见的不同井筒类型，充分考虑到自然界中对煤层气、石油等压裂全过程出现的不同情况的预测。信号发射系统300与多个电位传感器400以及信号接收系统500配合工作，多个电位传感器400布置在沙状颗粒物表面，通过采集井筒裂缝模
型组件与电位传感器400之间的电位差信号，并将信号发送至信号接收系统500，进而可以利用多次采集电位差信号进行实际压裂作业模拟结果的分析，将实验验证的结果运用到实际监测中，从而为实际现场进行检测提供理论指导。本实用新型实施例的压裂监测实验装置验证了基于“充电法”原理的油气压裂监测系统效果，可以在实验环境下模拟油气压裂监测系统运行状态，为实际压裂作业提供测量基础，有效提升测量结果准确度，提高测量效率。
76.在本实用新型的一些实施例中，井筒裂缝模型组件包括井筒模拟管220和供液装置，井筒模拟管220包括第一管段和第二管段，第一管段的一端和第二管段的一端连接；
77.在将井筒裂缝模型组件放置于实验槽100中之前，还包括以下步骤：
78.步骤s110，将第一管段水平设置于实验槽100内；
79.步骤s120，向实验槽100中填充沙状颗粒物，以使得第一管段埋于沙状颗粒物中，并使得第二管段的另一端露出沙状颗粒物上表面；
80.步骤s130，将供液装置与第二管段的另一端连接；
81.步骤s140，布置信号发射系统300，将第二管段伸出实验槽100的一端与信号发射系统300电性连接，信号发射系统300用于发射测试交流电；
82.步骤s150，将多个电位传感器400安装至沙状颗粒物表面，并将多个电位传感器400接入信号接收系统500；
83.步骤s160，启动供液装置持续向井筒模拟管220内注入压裂液；
84.步骤s170，启动信号发射系统300向井筒裂缝模型组件发射测试交流电，并启动信号接收系统500接收多个电位传感器400采集的背景场电位差信号。
85.参考图1至图7，步骤s110至s170的安装及实验过程在前已作详细描述，在此不再赘述。需要说明的是，步骤s110至步骤s170中的第一管段是完整的，第一管段上并未开设有筛孔，因此，此时信号接收系统500接收的电位差信号为动态实验的背景场电位差信号，背景场电位差信号是整个实验槽100在正常场的情况下测得的一个数据分析结果。该分析结果消除了管道中灌入的压裂液本身的电位差信号，留下了对模拟实际压裂作业有用的地表面与井筒模拟管220附近压裂处的电位差信号，该分析结果可以作为平均值与后续测试场测得的电位差信号相比较，例如，随着地下压裂时地质体的改变，因此电场在不断改变，地面测点的测量值也在随时间不断改变，从而可以实时的根据比较结果反应地下压裂情况。
86.在本实用新型的一些实施例中，将井筒裂缝模型组件放置于实验槽100中，包括以下步骤：
87.将井筒模拟管220从沙状颗粒物中取出；
88.在第一管段上开设多个筛孔；
89.将第一管段重新放置于实验槽100中并回填沙土，并使得重新放置的井筒模拟管220在实验槽100中的位置与采集背景场电位差信号时井筒模拟管220在实验槽100中的位置一致；
90.通过供液装置持续向井筒模拟管220内注入压裂液。
91.在连续监测一段时间的背景场电位差信号后，关停信号发射系统300、信号接收系统500以及供液装置，将井筒模拟管220从沙状颗粒物中取出，按照实验要求在第一管段上开设多个筛孔，用以模拟动态实验的测试场。开设完筛孔后将井筒模拟管220重新固定于原
位置，然后通过供液装置持续向井筒模拟管220内注入压裂液，位置设置相同是为了保证动态实验测试场测得的电位差信号数据与背景场电位差信号数据具有可对比性。
92.需要说明的是，第一方面所述的井筒裂缝模型组件还有包括金属井筒构件210以及多个金属裂缝构件的实施例，此实施例用于采集静态实验下，不同裂缝对比之间的电位差信号数据，同样具有良好实验意义。
93.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
94.尽管上述结合附图对本实用新型实施例作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。