专利名称：研究压裂液配制及岩体断裂分形特征测定装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是是石油与天然气、矿业、岩土等工程中水力压裂配砂分形设计方法中使用的装置，具体涉及的是研究压裂液配制及岩体断裂分形特征测定装置。背景技术：
在石油与天然气、煤岩体等储层开采技术领域中，都需要对储层岩石进行压裂，其作用机理是利用地面高压泵组，以超过储层吸液能力排量将高粘压裂液泵入井内而在井底产生高压，通过高压驱动水流挤入岩体内，克服岩体的抗张强度，使岩体发生破裂，形成具有一定导流能力的裂缝通道。有效地沟通储集层，提高油气开采速度。目前，对于水力压裂岩体断裂壁面粗糙特征描述不明确，进而导致压裂裂缝导流能力计算存在偏差。尽管现有理论与有限元手段能够给予近似模拟，但仍无法系统地测定与描述。从而影响了该方面技术充分发展。可见，对水力压裂裂缝断裂壁面的准确描述、裂缝参数的准确计算及不同裂缝参数特征下的裂缝导流能力分析，严重地阻碍了水力压裂的进一步发展。·
发明内容
本发明的目的是提供研究压裂液配制及岩体断裂分形特征测定装置，它用于解决现有的对压裂液与岩体断裂裂缝间的关系无法测定与描述的问题。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是这种研究压裂液配制及岩体断裂分形特征测定装置由支撑剂颗粒多级分形分选装置、掺混系统、被压试件测定系统、断裂面自仿射观测系统依次连接构成，支撑剂颗粒多级分形分选装置包括支撑剂颗粒装载容器、多级分形分选震动筛、分选颗粒容器，分选颗粒容器内设置多级分形分选震动筛，支撑剂颗粒装载容器通过管线与分选颗粒容器连接，分选颗粒容器连接设有多级出口，每级出口分别外接颗粒输送管线；掺混系统包括掺混容器、自动搅拌器、压裂液容器、过滤装置，自动搅拌器安装在掺混容器中，压裂液容器与掺混容器通过管线连接，管线上安装过滤装置，颗粒输送管线连接掺混容器，掺混容器通过管线连接压裂管柱；被压试件测定系统包括测试容器、上覆外载控制系统、围压加载系统、变形测定系统，被压试件安装在测试容器中，压裂管柱置于被测试件的中心，被测试件与测试容器之间是环形的围压室，被测试件上端是上覆外载加压腔，上覆外载加压腔被滑动活塞分隔为上、下二个腔体；上覆外载控制系统连接到上覆外载加压腔的上腔体，围压加载系统连接到围压室；变形测定系统由变形传感器、信号转换器和信号检测仪组成，变形传感器安装在被测试件外表面；断裂面自仿射观测系统主要包括CXD摄像机、体式显微镜、显微镜观测架、仿真成像计算系统，CXD摄像机和体式显微镜安装在显微镜观测架上，仿真成像计算系统与体式显微镜连接。上述方案中上覆外载控制系统由第一增压泵和第一中间容器组成，上覆外载控制系统通过高压管线与上腔体连接，测试运行时由上覆外载控制系统通过高压管线向上腔体中注入液体驱动自由滑动活塞行对被测试件施加上覆正应力。上述方案中围压加载系统由第二增压泵和第二中间容器组成，围压加载系统系统通过高压管线与与围压室连接。有益效果I、本发明模拟现场多级压裂过程，可确定不同支撑剂颗粒粒径与压裂岩石断裂壁面粗糙度的关系以及粒径与断裂开度(裂缝缝宽)的关系。2、本发明能够测定不同加砂支撑剂的作用下的断裂壁面粗糙度。3、本发明可测定被测试件变形系统并作数据动态转换与分析。四

图I是本发明装置总体结构示意 图2是本发明中自仿射观测系统的结构示意 图3是变形传感器在被测试件顶端分布排列结构示意图； 图4是变形传感器在被测试件侧端分布排列结构示意图。I.支撑剂颗粒装载容器2.分选颗粒容器3.多级分形分选震动筛4.多级出口 5.掺混容器6.压裂液容器7.压裂管柱8.过滤装置9.被测试件10.第一增压泵11.第一中间容器12.上腔体13.滑动活塞14.第二增压泵15.第二中间容器16.围压室17.变形传感器18.信号传感器19.信号检测仪20. CXD摄像机21.体式显微镜22.显微镜观测架23.成像装置24测试容器。五具体实施例方式 下面结合附图对本发明做进一步的说明
如图I所示，这种研究压裂液配制及岩体断裂分形特征测定装置由支撑剂颗粒多级分形分选装置、掺混系统、被压试件测定系统、断裂面自仿射观测系统依次连接构成，支撑剂颗粒多级分形分选装置包括支撑剂颗粒装载容器I、多级分形分选震动筛3、分选颗粒容器2，分选颗粒容器2内设置多级分形分选震动筛3，支撑剂颗粒装载容器I通过管线与分选颗粒容器2连接，分选颗粒容器2连接设有多级出口 4，每级出口分别外接颗粒输送管线；掺混系统包括掺混容器5、自动搅拌器、压裂液容器6、过滤装置8，自动搅拌器安装在掺混容器5中，压裂液容器6与掺混容器5通过管线连接，管线上安装过滤装置8，颗粒输送管线连接掺混容器5，掺混容器5通过管线连接压裂管柱7 ;被压试件测定系统包括测试容器24、上覆外载控制系统、围压加载系统、变形测定系统，被测试件安装在测试容器24中，压裂管柱7置于被测试9件的中心，被测试件9与测试容器24之间是环形的围压室16，被测试件9上端是上覆外载加压腔，上覆外载加压腔被滑动活塞13分隔为上、下二个腔体；上覆外载控制系统连接到上覆外载加压腔的上腔体12，围压加载系统连接到围压室16 ;变形测定系统由变形传感器17、信号转换器18和信号检测仪19组成，变形传感器17安装在被测试件外表面；断裂面自仿射观测系统主要包括CXD摄像机20、体式显微镜21、显微镜观测架22、仿真成像计算系统23，CXD摄像机20和体式显微镜21安装在显微镜观测架22上，仿真成像计算系统23与体式显微镜21连接。本发明中支撑剂颗粒多级分形分选装置的支撑剂颗粒装载容器I与分选颗粒容器2相连，分选颗粒容器2内置有多级分形分选震动筛3，多级分形分选震动筛3分别与供电系统连接，分选颗粒容器连接设有多级出口 4，每级出口分别外接颗粒输送管线，颗粒输送管线安装有压力表、流量计常规的支撑剂颗粒在分选颗粒容器通过多级分形分选震动筛按粒径要求分选开，分选后的各级颗粒实现单独外输。目前市面上买到的支撑剂颗粒通过多级分形分选震动筛3选取出上述三个级次的支撑剂。掺混系统中压裂液容器6与掺混容器5通过管线连接，管线上安装压力表、流量计、过滤装置8、泵，分选后支撑剂颗粒通过颗粒输送管线输送到掺混容器5中，在掺混容器5中配制压裂液，配制好的压裂液被输出管线输送至压裂管柱7，输出管线上安装压力表、流量计、过滤装置、泵，压裂液被输送到压裂管柱7进行压裂测试。上覆外载控制系统由第一增压泵10和第一中间容器11组成，上覆外载控制系统通过高压管线与上腔体12连接，测试运行时由上覆外载控制系统通过高压管线向上腔体12中注入液体驱动自由滑动活塞13下行对被测试件9施加上覆正应力。围压加载系统由第二增压泵14和第二中间容器15组成，围压加载系统系统通过高压管线与被测试件9外部环形腔体围压室16连接，测试运行时由围压加载系统通过向环形腔体中注入液体对被测试件9施加横向外载，确保横向外载均匀。使被测试件9始终处于均匀受载状态。横向外载可连续恒定施加，亦可持续动态施加。测试过程可根据需要通过第二增压泵14控制横向外载，保证提供环形腔体对被测试件9施加均匀的外载。变形测定系统由变形传感器17、信号转换器18和信号检测仪19组成，变形传感器17设置16个，参阅图2、图3，16个变形传感器均布被测试件9的侧端与顶端，形成16个传·感触点，测定试件的16个区域点的变形大小。测试运行时，随被测试件9不断变形，变形传感器17多点记录并接收变形信号，信号实时传至信号转换器18，信号转换器18将接收到的模拟信号转化为数字信号，传输至信号检测仪19。断裂面自仿射观测系统主要包括CXD摄像机20、体式显微镜21、显微镜观测架22、仿真成像计算系统23，CXD摄像机20和体式显微镜21安装在显微镜观测架22上，仿真成像计算系统23与体式显微镜21连接，仿真成像计算系统23由计算机内安装图像计算软件构成。本发明设计方案中的断裂壁面自仿射成像计算系统主要是被测试件9经上述实施过程结束，经处理获得断裂壁面，经CXD摄像机20、体式显微镜21、显微镜观测架22、仿真成像计算系统23获得断裂壁面特征并计算得到断裂壁面分形维数，建立不同分形砂粒分布与断裂壁面分形维数关系。本发明中装置工作过程为支撑剂颗粒由装载容器输送至分选颗粒容器2中，经多级分选筛系统进行分选，根据分选系统分别筛选出不同粒径的支撑剂颗粒，分选后支撑剂颗粒根据方案设计由外输系统经不同的输送通道输送至掺混系统中，搅拌后压裂液输送至被测试件9中，并通过增压系统实施压裂。其中横向外载控制系统平衡被测试件9的横向外载，上覆外载控制系统对被压试件施加上覆外载，被测试件9在横向外载控制系统、上覆外载控制系统和掺混液压裂联合控制下，形成对被测试件9的横向加载、上覆加载与压裂破裂动作。应变传感器17测量并记录被测试件9的变形信号，将信号传输至信号转换器18转换为数字信号，信号检测仪19处理并存储被测试件的变形数据。卸载被测试件9，将被测试件断裂壁面置于断裂壁面自仿射成像计算系统中，通过断裂壁面自仿射成像计算系统确定被测试件9的断裂壁面分形维数。本发明具体工作方法为
第一步通过支撑剂颗粒多级分形分选装置选取不同尺寸支撑剂颗粒筛网孔径，形成具有分形特征的支撑剂颗粒粒度分布，其中第一级支撑剂颗粒直径满足
;第二级颗粒直径满足=;第三级颗粒直径满足
权利要求
1.一种研究压裂液配制及岩体断裂分形特征测定装置，其特征在于这种研究压裂液配制及岩体断裂分形特征测定装置由支撑剂颗粒多级分形分选装置、掺混系统、被测试件测定系统、断裂面自仿射观测系统依次连接构成，支撑剂颗粒多级分形分选装置包括支撑剂颗粒装载容器(I)、多级分形分选震动筛(3)、分选颗粒容器(2)，分选颗粒容器(2)内设置多级分形分选震动筛(3)，支撑剂颗粒装载容器(I)通过管线与分选颗粒容器(2)连接，分选颗粒容器(2)连接设有多级出口(4 )，每级出口分别外接颗粒输送管线；掺混系统包括掺混容器(5)、自动搅拌器、压裂液容器(6)、过滤装置(8)，自动搅拌器安装在掺混容器(5)中，压裂液容器(6 )与掺混容器(5 )通过管线连接，管线上安装过滤装置(8 )，颗粒输送管线连接掺混容器(5)，掺混容器(5)通过管线连接压裂管柱(7);被压试件测定系统包括测试容器(24)、上覆外载控制系统、围压加载系统、变形测定系统，被测试件(9)安装在测试容器(24)中，压裂管柱(7)置于被测试件(9)的中心，被测试件(9)与测试容器之间是环形的围压室(16)，被测试件(9)上端是上覆外载加压腔，上覆外载加压腔被滑动活塞(13)分隔为上、下二个腔体；上覆外载控制系统连接到上覆外载加压腔的上腔体(12)，围压加载系统连接到围压室(16);变形测定系统由变形传感器(17)、信号转换器(18)和信号检测仪(19)组成，变形传感器(17)安装在被测试件(9)外表面；断裂面自仿射观测系统主要包括CXD摄像机(20 )、体式显微镜(21)、显微镜观测架(22 )、仿真成像计算系统(23 )，CXD摄像机(20)和体式显微镜(21)安装在显微镜观测架(22)上，仿真成像计算系统(23)与体式显微镜(21)连接。
2.根据权利要求I所述的研究压裂液配制及岩体断裂分形特征测定装置，其特征在于所述的上覆外载控制系统由第一增压泵(10)和第一中间容器(11)组成，上覆外载控制系统通过高压管线与上腔体(12)连接。
3.根据权利要求I或2所述的研究压裂液配制及岩体断裂分形特征测定装置，其特征在于所述的围压加载系统由第二增压泵(14)和第二中间容器(15)组成，围压加载系统系统通过高压管线与围压室(16)连接。
全文摘要
本发明涉及的是研究压裂液配制及岩体断裂分形特征测定装置，这种研究压裂液配制及岩体断裂分形特征测定装置由支撑剂颗粒多级分形分选装置、掺混系统、被压试件测定系统、断裂面自仿射观测系统依次连接构成，支撑剂颗粒多级分形分选装置的分选颗粒容器内设置多级分形分选震动筛，分选颗粒容器连接设有多级出口，每级出口分别外接颗粒输送管线，颗粒输送管线连接掺混容器，掺混容器通过管线连接压裂管柱；被压试件测定系统包括测试容器、上覆外载控制系统、围压加载系统、变形测定系统，被压试件安装在测试容器中，压裂管柱置于被测试件的中心；断裂面自仿射观测系统主要包括CCD摄像机、体式显微镜、显微镜观测架、仿真成像计算系统。本发明模拟现场多级压裂过程，可确定不同支撑剂颗粒粒径与压裂岩石断裂壁面粗糙度的关系以及粒径与断裂开度的关系。
文档编号G01N33/24GK102749436SQ201210255350
公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月24日 优先权日2012年7月24日
发明者付晓飞, 张立刚, 李士斌, 王婷婷, 艾池, 赵万春 申请人:东北石油大学