一种可模拟一定地应力条件下的CO2致裂测试系统及方法与流程

一种可模拟一定地应力条件下的co2致裂测试系统及方法
技术领域
1.本发明涉及采矿技术领域和二氧化碳利用、封存技术领域，尤其涉及一种可模拟一定地应力条件下的co2致裂测试系统及方法。


背景技术：

2.co2相变致裂技术主要应用于低透气性、高瓦斯煤层的致裂、增透技术领域，起到治理瓦斯的作用。此外，co2相变致裂技术在一定条件下可以代替炸药，应用于岩体破裂、混凝土拆除、矿石开采等技术领域。上述致裂作用主要由co2致裂器产生。co2致裂器主要由充装阀、储液管、加热管、定压剪切片、泄能头等部分组成，其工作原理为：储存在储液管内的液态二氧化碳在加热管加热后，快速气化膨胀并产生高压，当压力达到定压剪切片极限强度时，定压剪切片破断，高压气体从泄能头释放，由气体膨胀产生的压力作用于煤层，使其产生裂隙，并使原有的裂隙扩张，起到增加煤层透气性和驱替瓦斯的作用。泄能头是液态二氧化碳气化后的能量释放通道，对致裂效果具有较大影响。
3.与水力压裂技术相比，co2相变致裂技术操作简单，爆破威力可控、致裂范围广，避免了水进入地层，防止注入的水对地层水敏伤害作用，具有更强的吸附能力与更高的瓦斯抽采效率。
4.但是现有行业内二氧化碳相变致裂实验研究具有以下缺点：(1)没有考虑煤岩周围应力场作用对co2致裂效果的作用，使得实验效果与实际应用效果相比误差较大；(2)没有考虑co2致裂管管径、布孔方式、布孔数量等因素对致裂实验效果的影响；(3)真三轴致裂模拟实验装置所用到的岩样尺寸一般为边长约30cm的立方体，当前行业内所用型号的co2相变致裂器与该岩样尺寸不匹配，不适合直接开展配套实验研究。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种可模拟一定地应力条件下的co2致裂测试系统及方法。本发明提供的可模拟一定地应力条件的co2致裂测试系统，能够对岩样加载一定围压来模拟地层所处的地应力条件，研究致裂管的孔径、布孔方式等技术参数对致裂效果的影响规律，该系统还可以模拟研究co2压裂技术。
6.一方面，本发明提出了一种可模拟一定地应力条件下的co2致裂测试系统，包括：
7.co2冷凝系统，所述co2冷凝系统包括用于储存液态co2的储液罐；
8.设置在所述储液罐下游的输送泵，所述输送泵通过管道连接所述储液罐底部；
9.设置在所述输送泵下游的控温罐，所述控温罐放置在控温装置中；
10.设置在所述控温罐下游的致裂管，所述致裂管末端置于岩样中心位置，所述岩样外侧连接声发射监测装置，通过改变所述致裂管的直径和布孔方式模拟不同致裂管类型条件下的致裂情况；
11.真三轴围压加载装置，所述岩样放置在所述真三轴围压加载装置内部，通过所述
真三轴围压加载装置对所述岩样施加围压以模拟所述岩样所处的地应力条件。
12.在一些实施例中，所述控温罐入口和所述输送泵之间的管线上设置第二阀和止回阀，所述止回阀设置在所述第二阀和所述控温罐之间。
13.在一些实施例中，所述输送泵和所述第二阀之间的支路上设置安全阀。
14.在一些实施例中，所述控温罐出口和所述致裂管之间的管线上设置第二温度计、第二压力计和第三阀，所述第二温度计和所述第二压力计分别用于监测所述控温罐内co2的温度和压力，所述第三阀靠近所述致裂管设置。
15.在一些实施例中，所述co2冷凝系统还包括：
16.至少一个储气瓶，所述储气瓶为系统提供co2气体；
17.设置在所述储气瓶下游的冷凝器，所述冷凝器和所述储气瓶之间设置第一阀，所述冷凝器和所述储液罐之间设置第一温度计和第一压力计，所述第一温度计和所述第一压力计分别用于监测所述储液罐中co2的温度和压力。
18.在一些实施例中，所述冷凝器和所述第一阀之间设置过滤器。
19.在一些实施例中，所述输送泵为恒速恒压泵。
20.在一些实施例中，所述控温装置为水浴锅，所述控温罐浸没在所述水浴锅液面以下。
21.在一些实施例中，所述控温装置为油浴锅，所述控温罐浸没在所述油浴锅液面以下。
22.另一方面，本发明提出了一种可模拟一定地应力条件下的co2致裂测试方法，利用可模拟一定地应力条件的co2致裂测试系统进行co2加热相变致裂试验、co2压裂试验和co2相变致裂管致裂试验，其中，
23.所述co2加热相变致裂试验包括以下步骤：
24.将致裂管置于岩样中心位置，通过真三轴围压加载装置对所述岩样加载围压；
25.将控温装置内温度设置到实验目标温度；
26.通过输送泵将co2注入控温罐进行加热，气化后的co2气体通过所述致裂管对所述岩样进行致裂，同时声发射监测装置对岩样中裂缝产生时的声发射信号数据进行采集分析；
27.改变所述真三轴围压加载装置加载的围压、co2注入量、所述致裂管的直径、所述致裂管的布孔方式及实验温度，模拟研究不同致裂管在不同加载压力、不同co2注入量及不同实验温度下对致裂效果的影响规律；
28.所述co2压裂试验包括以下步骤：
29.将致裂管置于岩样中心位置，通过真三轴围压加载装置对所述岩样加载围压；
30.将控温装置内温度设置到实验目标温度；
31.通过输送泵将co2注入控温罐进行加热，气化后的co2气体通过所述致裂管对所述岩样进行致裂，同时声发射监测装置对岩样中裂缝产生时的声发射信号数据进行采集分析；
32.改变所述真三轴围压加载装置加载的围压、co2注入量、所述致裂管的直径、所述致裂管的布孔方式及实验温度，模拟研究不同致裂管在不同加载压力、不同co2注入量及不同实验温度下对致裂效果的影响规律；
33.所述co2相变致裂管致裂试验：
34.将小型化的致裂管置于岩样中心位置，通过真三轴围压加载装置对所述岩样加载围压；
35.控制co2相变致裂管直接爆破岩样，同时声发射监测装置对岩样中裂缝产生时的声发射信号数据进行采集分析；
36.改变所述真三轴围压加载装置加载的围压、所述致裂管的长度和直径、所述致裂管内部充装的co2的量及所述致裂管的布孔方式，模拟研究不同加载围压下，致裂管的不同长度和直径、致裂管内部充装的不同co2的量、布孔位置和布孔数量对岩样致裂效果的影响规律。
37.相对于现有技术，本发明的有益效果为：
38.本发明使用真三轴围压加载系统模拟地层所处的地应力条件，考虑了岩样周围应力场作用对co2致裂效果的作用，提高了实验精度，改善了实验效果。
39.本发明可用于研究co2致裂管管径、布孔位置、布孔数量等因素对致裂实验效果的影响。
40.本发明利用co2相变致裂技术可应用于煤矿开采领域，由于co2与地层ch4的置换作用，部分co2被封存在地下，实现了co2利用和部分封存的目的。co2压裂技术也可应用于页岩气、煤层气、常规油气压裂开发技术领域，在利用co2压裂造缝同时，通过co2与地层ch4置换作用或者co2溶解在地层原油中，也可提高采收率，实现co2利用和部分封存的目的。
附图说明
41.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
42.图1为可模拟一定地应力条件下的co2致裂测试系统的结构示意图；
43.图2为不同直径的致裂管示意图；
44.图3为模拟致裂器时不同布孔方式的致裂管示意图；
45.图4为同直径不同布孔方式的致裂管示意图。
46.附图标记说明：
47.储气瓶1、第一阀2、过滤器3、冷凝器4、第一温度计5、第一压力计6、储液罐7、输送泵8、安全阀9、第二阀10、止回阀11、控温罐12、控温装置13、第二温度计14、第二压力计15、第三阀16、真三轴围压加载装置17、致裂管18、岩样19、声发射监测装置20。
具体实施方式
48.下面详细描述本发明的实施例，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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
49.下面参照附图描述根据本发明实施例提出的可模拟一定地应力条件下的co2致裂测试系统。
50.如图1-4所示，本发明的可模拟一定地应力条件下的co2致裂测试系统，包括：co2冷凝系统、输送泵8、控温罐12、致裂管18和真三轴围压加载装置17。
51.在一些实施例中，co2冷凝系统包括储液罐7、储气瓶1和冷凝器4。其中，储气瓶1至少为一个，储气瓶1中co2的量根据实际需求设定，储气瓶1为本发明的测试系统提供co2气体。冷凝器4设置在储气瓶1下游，co2气体从储气瓶1中流出后，经冷凝器4降温后冷凝，co2由气态变为液体。储液罐7设置在冷凝器4下游，用于储存液态co2，即经冷凝器4冷凝后的液态co2经储液罐7顶部的入口端进入储液罐7。
52.在一些实施例中，储气瓶1和冷凝器4之间设置第一阀2。可以理解的是，第一阀2用于控制co2气体的流量。
53.在一些实施例中，冷凝器4和第一阀2之间设置过滤器3。可以理解的是，过滤器3用于过滤去除co2气体中的杂质。
54.在一些实施例中，冷凝器4和储液罐7之间设置第一温度计5和第一压力计6，第一温度计5和第一压力计6分别用于监测储液罐7中co2的温度和压力。
55.在一些实施例中，输送泵8设置在储液罐7下游，输送泵8通过管道连接储液罐7底部。具体为，储液罐7的底部出口端与输送泵8通过管道连接，需要输送液态co2时，开启输送泵8，液态co2从储液罐7底部出口流出，通过输送泵8输送进入管路。
56.在一些实施例中，控温罐12设置在输送泵8的下游，控温罐12放置在控温装置13中。具体为，设置在控温罐12上游的输送泵8将液态co2输送到控温罐12，控温装置13开启时，可以加热控温罐12中的液态co2从而使得co2由液态变为气体发生相变。
57.在一些实施例中，控温装置13为水浴锅，控温罐12浸没在水浴锅液面以下。具体为，通过水浴锅对控温罐12中的液态co2进行加热，当达到相变温压条件时，使气态co2注入到致裂管18中进行相变致裂，同时，利用声发射监测装置20对实验中致裂过程中岩样破裂产生的声发射信号进行监测记录，并且分析致裂规律及致裂效果。
58.可以理解的是，控温装置13为水浴锅，控温罐12浸没在水浴锅液面以下，使得控温罐12受热均匀。另外，控温装置13还可以为油浴锅等其他合适的加热装置。
59.在一些实施例中，控温罐12入口和输送泵8之间的管线上设置第二阀10和止回阀11，止回阀11设置在第二阀10和控温罐12之间。具体为，输送泵8通过入口管线连接控温罐12的入口端，第二阀10和止回阀11设置在控温罐12的入口管线上，其中，止回阀11设置在第二阀10和控温罐12之间，第二阀10用于控制液态co2的流量，止回阀11用于防止气体co2回流，保护系统安全。
60.在一些实施例中，输送泵8和第二阀10之间的支路上设置安全阀9。可以理解的是，安全阀9用于防止输送泵8出口管线超出额定工作压力，起到保护设备及系统安全的作用。
61.在一些实施例中，输送泵8为恒速恒压泵，可以灵活设定co2输出压力、排量，并且计量co2的瞬时排量和累计输出量。
62.可以理解的是，为了便于输送泵8计量co2输出量，并且提高计量精度，推荐储液罐7中的co2存量为一次实验中co2消耗用量的20倍以上。当储液罐7中的co2存量较少时，输送泵8抽取储液罐7中的液态co2时，导致储液罐7中液态co2的密度降低明显，输送泵8计量的是co2的累计体积，此时根据输送泵8计量的co2的累计体积和初始液态co2的密度计算得到的co2的质量误差较大，对实验结果影响较大；当储液罐7中的液态co2存量较大时，输送泵8抽取储液罐7中的co2时，液态co2的密度降低量可以忽略不计，即液态co2的密度降低值可以忽略不计，输送泵8计量的为co2的累计体积，此时根据输送泵8计量的co2的累计体积和初始液
态co2的密度计算得到的co2的质量误差较小，可以忽略，不影响实验结果。
63.在一些实施例中，控温罐12出口和致裂管18之间的管线上设置第二温度计14、第二压力计15和第三阀16，第二温度计14和第二压力计15分别用于监测控温罐12内co2的温度和压力，第三阀16靠近致裂管18设置。具体为，致裂管18通过入口管线连接控温罐12的出口端，第二温度计14、第二压力计15和第三阀16设置在出口管线上，第三阀16的设置位置靠近致裂管18，第三阀16用于控制气态co2的流量，第二温度计14和第二压力计15的设置位置靠近控温罐12，第二温度计14用于监测控温罐12内co2的温度，第二压力计15用于监测控温罐12内co2的压力。
64.在一些实施例中，致裂管18设置在控温罐12的下游，致裂管18末端置于岩样19中心位置，岩样19外侧连接声发射监测装置20。控温罐12中的co2经第三阀16进入致裂管18，对岩样19进行钻孔，深度至岩样19中心，将致裂管18末端放置在岩样19的中心位置。岩样19外侧通过导线连接声发射监测装置20，声发射监测装置20用于对实验致裂过程产生的声发射信号进行监测记录，并且分析致裂规律及致裂效果。
65.在一些实施例中，岩样19放置在真三轴围压加载装置17内部，真三轴围压加载装置17用于加载围压以模拟地应力条件。真三轴围压加载装置17是真三轴设备的一部分，真三轴设备是一种真实模拟地应力状态的压裂模拟实验测试仪器，是本领域人员常用的设备。
66.利用可模拟一定地应力条件下的co2致裂测试系统可以进行co2加热相变致裂试验、co2压裂试验和co2相变致裂管18致裂试验。
67.co2加热相变致裂试验包括以下步骤：
68.将致裂管18置于岩样19中心位置，通过真三轴围压加载装置17对岩样19加载围压；
69.将控温装置13内温度设置到实验目标温度；
70.通过输送泵8将co2注入控温罐12进行加热，气化后的co2气体通过致裂管18对岩样19进行致裂，同时声发射监测装置20对岩样中裂缝产生时的声发射信号数据进行采集分析；
71.改变真三轴围压加载装置17加载的围压、co2注入量、致裂管18的直径、致裂管18的布孔方式及实验温度，模拟研究不同致裂管18在不同加载围压、不同co2注入量及不同实验温度下对致裂效果的影响规律。
72.具体为，对岩样19进行钻孔，深度至岩样19中心，将致裂管18放置其中，封好孔，通过真三轴围压加载装置17对岩样19加载围压，并检查系统气密性；开启第一阀2，co2气体经过滤器3过滤，冷凝器4降温液化后储存在储液罐7中；开启第二阀10、止回阀11和输送泵8，将一定量的液态co2输入控温罐12后关闭输送泵8，设定控温装置13的温度为目标实验温度后进行加热；开启第三阀16，气化后的co2通过致裂管18对岩样19进行致裂，同时利用声发射监测装置20对裂缝产生时的声发射信号数据进行采集分析，分析致裂规律及致裂效果；采用控制变量法，分别改变致裂管18的直径、co2注入量、致裂管18的布孔方式、真三轴围压加载装置17加载的围压、实验温度进行对比实验。
73.如图2所示，致裂管a、致裂管b、致裂管c为不同直径的致裂管18，模拟co2致裂器，为了考察管径粗细对致裂效果的影响，致裂管18设计有粗、中、细三种直径的致裂管。
74.在一个具体的实施例中，以正方体形状的岩样19为例，当岩样19的边长为30cm时，致裂管18的直径可以设置为3mm、6mm、9mm以进行试验，在该实施例中，细管为直径为3mm的致裂管，中管为直径为6mm的致裂管，粗管为直径为9mm的致裂管。
75.致裂管18的布孔方式包括布孔数量和布孔位置。如图4所示，以致裂管b为例来说明致裂管18的布孔方式，b1为单孔致裂管；b2为双孔致裂管，双孔位置呈轴向直线分布；b3为双孔致裂管，双孔位置呈径向分布；b4为双孔致裂管，双孔位置呈斜向分布。可以理解的是，布孔位置可以呈螺旋分布或直线分布或在致裂管沿直径圆周面上分布，布孔数量还可以为其他合适数量。
76.实验温度设置为25℃至300℃。可以理解的是，实验温度能够使得控温罐12内部co2能够气化即可。
77.co2压裂试验包括以下步骤：
78.将致裂管18置于岩样19中心位置，通过真三轴围压加载装置17对岩样19加载围压；
79.将控温装置内温度设置到实验目标温度；
80.通过输送泵8直接将co2注入致裂管18进行压裂，同时声发射监测装置20对裂缝产生的数据进行采集分析；
81.改变真三轴围压加载装置17加载的围压、致裂管18的直径、致裂管的布孔方式、co2注入排量及实验温度，模拟研究不同致裂管18在不同加载压力、不同co2注入排量及不同实验温度下对致裂效果的影响规律。
82.具体为，对岩样19进行钻孔，深度至岩样19中心，将致裂管18放置其中，封好孔，通过真三轴围压加载装置17对岩样19加载围压，并检查系统气密性；设定好控温装置13的温度后，开启第二阀10和输送泵8，直接通过输送泵8将液态co2加压注入到致裂管18进行压裂，同时声发射监测装置20对裂缝产生时的声发射信号数据进行采集分析，考察分析co2对岩样19的压裂效果，实验过程中输送泵18保持开启状态，并按照设定排量输送液态co2；采用控制变量法，分别改变保持致裂管18的直径、致裂管18的布孔方式、真三轴围压加载装置17加载的围压、co2注入排量、实验温度进行对比实验。
83.该实验过程中，控温装置13的温度可以设定为－30℃至300℃，致裂管18模拟的是井筒，致裂管18的直径及布孔方式参阅图2和图4。可以理解的是，布孔位置还可以在致裂管上呈螺旋分布或直线分布或在致裂管沿直径圆周面上分布，布孔数量还可以为其他合适数量。
84.另外，在进行co2压裂试验时可以在环境温度下进行co2压裂试验。
85.co2相变致裂管致裂试验：
86.将小型化的致裂管18置于岩样19中心位置，通过真三轴围压加载装置17对岩样19加载围压；
87.控制co2相变致裂管直接爆破岩样，同时声发射监测装置20对裂缝产生的数据进行采集分析；
88.改变真三轴围压加载装置17加载的围压、致裂管的长度和直径、致裂管内部充装的co2的量及致裂管18的布孔方式模拟研究不同加载围压下，致裂管内部充装的co2的量、致裂管的长度和直径、布孔位置和布孔数量对岩样19致裂效果的影响规律。
89.具体为，将小型化的致裂管置于岩样19中心位置，通过真三轴围压加载装置对岩样19加载围压；关闭第三阀16，co2相变致裂管直接爆破，研究co2相变致裂管对岩样的致裂管效果，利用声发射监测装置20对致裂效果进行测定分析；采用控制变量法，分别改变真三轴围压加载装置加载的围压、致裂管的长度和直径、致裂管内部充装的co2的量及致裂管的布孔方式进行对比实验。
90.布孔方式包括布孔数量和布孔位置。如图3所示，致裂管d为单孔致裂管，致裂管e、致裂管f、致裂管g均为双孔致裂管，模拟致裂器。其中，致裂管e的双孔位置呈轴向直线分布，致裂管f的双孔位置呈径向分布，致裂管g的双孔位置呈斜向分布。可以理解的是，布孔位置还可以呈螺旋分布或直线分布或在致裂管沿直径圆周面上分布，布孔数量还可以为其他合适数量。
91.co2相变致裂管致裂试验中通过电加热致裂管中的co2从而发生相变致裂。
92.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“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发明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可以针对不同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
93.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
94.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明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，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。