一种用于上向钻孔低温流体压裂的模拟试验系统及方法
技术领域
本发明涉及一种用于上向钻孔低温流体压裂的模拟试验系统及方法，属于煤层压裂试验技术领域。
背景技术
中国非常规天然气资源丰富，发展潜力大，其中煤层气可采资源量约为10.87×1012m3,页岩气可采资源量为15×1012～25×1012m3，未来10～20年，中国非常规天然气产量将显著增长，在弥补常规油气产量短缺中扮演日益重要的角色。我国非常规天然气资源储量虽大，但储层复杂且致密，储集空间主体为纳米级孔喉系统，局部发育微米～毫米级孔隙。因此，强化增透措施对于开发这类能源至关重要。美国页岩气规模开发的成功，离不开水力压裂增透技术，但同时问题也显露出来，如：压裂液泄露污染地下水体、水敏性地层孔隙堵塞、坚硬地层内启动压力高、水资源大量浪费等。
低温流体具有极低的冷冲击温度，同时受热能气化膨胀，主要包括液氮、液态二氧化碳和液态氧等，以液氮为例，其常压下温度为-196℃，与固体接触时可迅速降低固体的温度，使固体收缩且沿内部径向形成热应力；同时，液氮汽化膨胀为21℃纯氮气时具有696倍的膨胀率，在有限空间内可产生巨大气压；若固体内部孔隙中有水，还会导致水冰相变产生约9％的体积膨胀，理论上能够产生高达207MPa的冻胀力。这些特性若能充分作用于储层，增透效果将十分明显。
通过调研发现，目前行业内对于低温流体压裂的研究较少，尤其是针对低温流体压裂真三轴模拟试验系统的开发更是空白，真三轴模拟对于推动低温流体压裂现场应用而言是必不可少的一环，目前该系统开发的核心难点在于如何有效地使低温流体充分作用于上向钻孔壁且如何对试验过程进行全面地数据测量，同时还要保证安全性。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种用于上向钻孔低温流体压裂的模拟试验系统及方法，能有效使低温流体充分作用于上向钻孔壁进行低温流体压裂，并且能对低温流体压裂全过程进行全面地数据测量，同时还能保证试验全程的安全性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于上向钻孔低温流体压裂的模拟试验系统，包括真三轴加载装置、试验台、数据监测装置和低温流体注入装置，
所述试验台包括支撑平板和底座，支撑平板处于底座正上方、且支撑平板与底座之间通过多个圆柱固定连接；
所述真三轴加载装置包括液压控制箱、液压控制器、压力表、液压加载缸、加载板和挡板，液压控制器、压力表、加载板、液压加载缸和挡板均为三个，三个加载板和三个挡板均设置在支撑平板上，三个加载板和三个挡板围成立方体形加载室、且加载室的三组相对面均由一个加载板和一个挡板组成；三个液压加载缸的伸出端分别与三个加载板固定连接，三个液压控制器通过液压管分别与三个液压加载缸连接，液压控制箱分别通过三个液压控制器对三个液压加载缸进行控制，三个压力表分别与三个液压控制器连接，用于检测三个液压加载缸各自的压力值；试样放置在加载室内、且试样上开设上向钻孔；
所述低温流体注入装置包括气体加压泵、气体加压管、低温流体罐、低温流体注入管、气体泄压管、安全泄压阀和抽气泵，气体加压泵装在低温流体罐上、且通过气体加压管与低温流体罐连通；低温流体注入管一端伸入低温流体罐内，低温流体注入管另一端穿过支撑平板和加载室底部的挡板伸入上向钻孔内；气体泄压管一端穿过支撑平板和加载室底部的挡板伸入上向钻孔内的最深处，气体泄压管另一端与三通接头其中一个接口连接，三通阀另外两个接口分别通过管路与安全泄压阀和抽气泵连接，低温流体注入管上装有第一控制阀，三通接头与抽气泵之间的管路上装有第二控制阀；
所述数据监测装置包括气体压力信号接收器、气体流量信号接收器、声发射接收器、温度信号接收器、温度检测装置、声发射探头、气体压力传感器、气体流量传感器、控制主机和显示器，温度检测装置和声发射探头均为多个，多个温度检测装置均匀固定在试样表面、且各个温度检测装置通过数据线与温度信号接收器连接，多个声发射探头分别固定在围成加载室的各个挡板和加载板内表面、且各个声发射探头通过数据线与声发射接收器连接，气体压力传感器和气体流量传感器装在气体泄压管上，气体压力传感器通过数据线与气体压力信号接收器连接，气体流量传感器通过数据线与气体流量信号接收器连接，气体压力信号接收器、气体流量信号接收器、声发射接收器和温度信号接收器均通过数据线与控制主机连接，控制主机与显示器连接。
进一步，所述低温流体为液态氮、液态二氧化碳的其中一种。
进一步，所述温度检测装置为T型热电偶。
进一步，所述第一控制阀为低温球阀。
进一步，所述控制主机为微型计算机。
一种用于上向钻孔低温流体压裂的模拟试验系统的使用方法，具体步骤为：
A、先制备带有上向钻孔的试样，并将试样放置到加载室内；
B、先设定三个液压加载缸各自的加载压力值，开启液压控制箱，通过三个液压控制器分别使三个液压加载缸开始带动加载板对试样施加预应力，三个液压加载缸独立控制，通过三个压力表分别观察三个液压加载缸的实时加载压力值，当各自实时加载压力值达到设定的加载压力值时，停止加载并保持当前状态，完成试样真三轴加载预应力的过程；
C、开启抽气泵与三通接头之间的第二控制阀和抽气泵，此时抽气泵通过气体泄压管对试样的上向钻孔内进行抽气，使上向钻孔内处于负压状态；同时开启低温流体注入管上的第一控制阀及气体加压泵，气体加压泵通过气体加压管向低温流体罐内充气增大气压，进而使低温流体罐中的低温流体以一定压力沿低温流体注入管注入上向钻孔内，低温流体在上向钻孔内受热部分相变形成相变气体，相变气体受负压作用通过气体泄压管从抽气泵排出；保证上向钻孔内气压维持在常压状态，不会对低温流体注入形成反作用力；随着低温流体的持续注入，当抽气泵内有低温流体流出时，关闭第一控制阀及气体加压泵，同时关闭抽气泵及第二控制阀；此时上向钻孔内注满低温流体，使低温流体与上向钻孔的孔壁充分接触进行低温流体压裂过程，设定安全泄压阀的开启阈值，低温流体在上向钻孔内对孔壁压裂时会气化成相变气体，从而使上向钻孔及气体泄压管内的气压持续增大，当气体泄压管内的气压超过设定的开启阈值，则安全泄压阀自动开启，此时低温流体排气管内的相变气体从安全泄压阀排出，从而使上向钻孔及气体泄压管内的气压降低，防止上向钻孔内的气压过高导致试样发生爆炸的情况；当气压低于设定的开启阈值后安全泄压阀自动关闭，此时低温流体在上向钻孔内继续气化压裂；
D、从低温流体注入上向钻孔直至低温流体对上向钻孔完成压裂的全过程中，气体压力传感器实时监测上向钻孔内的气压值，并通过气体压力信号接收器反馈给控制主机；气体流量传感器实时监测从上向钻孔内的排出的相变气体流量，并通过气体流量信号接收器反馈给控制主机；声发射探头实时监测试样内部产生的应力波，并通过声发射接收器反馈给控制主机；温度检测装置实时监测试样的温度情况，并通过温度信号接收器反馈给控制主机；控制主机将上述各个监测数据通过显示器显示，从而实现监测低温流体压裂上向钻孔全过程的气压、温度、声发射和相变气体排出流量的变化情况。
进一步，所述低温流体为液态氮、液态二氧化碳的其中一种。
进一步，所述安全泄压阀的开启阈值为15MPa。
与现有技术相比，本发明采用真三轴加载装置、试验台、数据监测装置和低温流体注入装置相结合方式，真三轴加载装置能对试样在三个方向上独立施加预应力，低温流体注入装置能对试样的上向钻孔内注入低温流体，并能将钻孔内气化的低温流体通过负压作用及时排出，保证低温流体注入过程中上向钻孔内气压维持在常压状态，不会对低温流体注入形成反作用力，从而使上向钻孔内注满低温流体，低温流体充分作用于上向钻孔壁进行低温流体压裂；数据监测装置能从低温流体注入开始对低温流体压裂全过程进行监测，从而实现监测低温流体压裂上向钻孔全过程的气压、温度、声发射和相变气体排出流量的变化情况，为后续研究提供数据基础；另外为了保证试验过程的安全性，设定安全泄压阀，低温流体在上向钻孔内对孔壁压裂时会气化成相变气体，从而使上向钻孔及气体泄压管内的气压持续增大，当气体泄压管内的气压超过设定的开启阈值，则安全泄压阀自动开启，此时低温流体排气管内的相变气体从安全泄压阀排出，从而使上向钻孔及气体泄压管内的气压降低，防止上向钻孔内的气压过高导致试样发生爆炸的情况。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中加载室的局部放大图。
图中：1、液压控制箱，2、压力表，3、液压控制器，4、液压加载缸，5、加载室，6、支撑平板，7、圆柱，8、底座，9、低温流体注入管，10、气体泄压管，11、气体压力表，12、气体流量传感器，13、三通接头，14、安全泄压阀，15、第二控制阀，16、抽气泵，17、第一控制阀，18、低温流体罐，19、气体加压泵，20、气体加压管，21、上向钻孔，22、声发射探头，23、T型热电偶，24、气体压力信号接收器，25、气体流量信号接收器，26、声发射接收器，27、温度信号接收器，28、控制主机，29、显示器。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，一种用于上向钻孔低温流体压裂的模拟试验系统，包括真三轴加载装置、试验台、数据监测装置和低温流体注入装置，
所述试验台包括支撑平板和底座，支撑平板处于底座正上方、且支撑平板与底座之间通过多个圆柱固定连接；
所述真三轴加载装置包括液压控制箱、液压控制器、压力表、液压加载缸、加载板和挡板，液压控制器、压力表、加载板、液压加载缸和挡板均为三个，三个加载板和三个挡板均设置在支撑平板上，三个加载板和三个挡板围成立方体形加载室、且加载室的三组相对面均由一个加载板和一个挡板组成；三个液压加载缸的伸出端分别与三个加载板固定连接，三个液压控制器通过液压管分别与三个液压加载缸连接，液压控制箱分别通过三个液压控制器对三个液压加载缸进行控制，三个压力表分别与三个液压控制器连接，用于检测三个液压加载缸各自的压力值；试样放置在加载室内、且试样上开设上向钻孔；
所述低温流体注入装置包括气体加压泵、气体加压管、低温流体罐、低温流体注入管、气体泄压管、安全泄压阀和抽气泵，气体加压泵装在低温流体罐上、且通过气体加压管与低温流体罐连通；低温流体注入管一端伸入低温流体罐内，低温流体注入管另一端穿过支撑平板和加载室底部的挡板伸入上向钻孔内；气体泄压管一端穿过支撑平板和加载室底部的挡板伸入上向钻孔内的最深处，气体泄压管另一端与三通接头其中一个接口连接，三通阀另外两个接口分别通过管路与安全泄压阀和抽气泵连接，低温流体注入管上装有第一控制阀，三通接头与抽气泵之间的管路上装有第二控制阀；
所述数据监测装置包括气体压力信号接收器、气体流量信号接收器、声发射接收器、温度信号接收器、温度检测装置、声发射探头、气体压力传感器、气体流量传感器、控制主机和显示器，温度检测装置和声发射探头均为多个，多个温度检测装置均匀固定在试样表面、且各个温度检测装置通过数据线与温度信号接收器连接，多个声发射探头分别固定在围成加载室的各个挡板和加载板内表面、且各个声发射探头通过数据线与声发射接收器连接，气体压力传感器和气体流量传感器装在气体泄压管上，气体压力传感器通过数据线与气体压力信号接收器连接，气体流量传感器通过数据线与气体流量信号接收器连接，气体压力信号接收器、气体流量信号接收器、声发射接收器和温度信号接收器均通过数据线与控制主机连接，控制主机与显示器连接。
上述真三轴加载装置为现有设备。
进一步，所述低温流体为液态氮、液态二氧化碳的其中一种。
进一步，所述温度检测装置为T型热电偶。
进一步，所述第一控制阀为低温球阀。
进一步，所述控制主机为微型计算机。
一种用于上向钻孔低温流体压裂的模拟试验系统的使用方法，具体步骤为：
A、先制备带有上向钻孔的试样，并将试样放置到加载室内；
B、先设定三个液压加载缸各自的加载压力值，开启液压控制箱，通过三个液压控制器分别使三个液压加载缸开始带动加载板对试样施加预应力，三个液压加载缸独立控制，通过三个压力表分别观察三个液压加载缸的实时加载压力值，当各自实时加载压力值达到设定的加载压力值时，停止加载并保持当前状态，完成试样真三轴加载预应力的过程；
C、开启抽气泵与三通接头之间的第二控制阀和抽气泵，此时抽气泵通过气体泄压管对试样的上向钻孔内进行抽气，使上向钻孔内处于负压状态；同时开启低温流体注入管上的第一控制阀及气体加压泵，气体加压泵通过气体加压管向低温流体罐内充气增大气压，进而使低温流体罐中的低温流体以一定压力沿低温流体注入管注入上向钻孔内，低温流体在上向钻孔内受热部分相变形成相变气体，相变气体受负压作用通过气体泄压管从抽气泵排出；保证上向钻孔内气压维持在常压状态，不会对低温流体注入形成反作用力；随着低温流体的持续注入，当抽气泵内有低温流体流出时，关闭第一控制阀及气体加压泵，同时关闭抽气泵及第二控制阀；此时上向钻孔内注满低温流体，使低温流体与上向钻孔的孔壁充分接触进行低温流体压裂过程，设定安全泄压阀的开启阈值，低温流体在上向钻孔内对孔壁压裂时会气化成相变气体，从而使上向钻孔及气体泄压管内的气压持续增大，当气体泄压管内的气压超过设定的开启阈值，则安全泄压阀自动开启，此时低温流体排气管内的相变气体从安全泄压阀排出，从而使上向钻孔及气体泄压管内的气压降低，防止上向钻孔内的气压过高导致试样发生爆炸的情况；当气压低于设定的开启阈值后安全泄压阀自动关闭，此时低温流体在上向钻孔内继续气化压裂；
D、从低温流体注入上向钻孔直至低温流体对上向钻孔完成压裂的全过程中，气体压力传感器实时监测上向钻孔内的气压值，并通过气体压力信号接收器反馈给控制主机；气体流量传感器实时监测从上向钻孔内的排出的相变气体流量，并通过气体流量信号接收器反馈给控制主机；声发射探头实时监测试样内部产生的应力波，并通过声发射接收器反馈给控制主机；温度检测装置实时监测试样的温度情况，并通过温度信号接收器反馈给控制主机；控制主机将上述各个监测数据通过显示器显示，从而实现监测低温流体压裂上向钻孔全过程的气压、温度、声发射和相变气体排出流量的变化情况。
进一步，所述低温流体为液态氮、液态二氧化碳的其中一种。
进一步，所述安全泄压阀的开启阈值为15MPa。
