本发明属于水力压裂技术领域，具体涉及一种真三轴水力压裂实验装置和水力压裂试验方法。
技术背景
实验室实验是科学研究的最基本的方法之一。水力压裂技术作为提高低渗储层渗透性的一种有效方法。目前的真三轴水力压裂实验装置包括有压裂室、真三轴加载装置和压裂泵注装置；压裂室中放置水力压裂试件，真三轴加载装置对水力压裂试件独立施加三向正压力模拟试件所受真实的应力状态，压裂泵注装置向水力压裂试件内部加压填充压裂液，使水力压裂试件产生透气裂隙。
该压裂实验装置的缺点是：压裂液在高压作用下在试件内部会沿着一个方向迅速起裂扩展直至试件破坏，在试件内部产生水力压裂裂隙扩展形式单一、裂隙宽度小，压裂完成后在三轴应力状态下水力压裂裂隙很容易闭合，影响后续压裂效果评价研究，例如，测量水力压裂试件的裂隙体积，现有设备难以对特别细小的裂隙进行检测。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供了一种真三轴水力压裂实验装置，它能增加裂隙的复杂程度和裂隙的宽度，克服裂隙在压裂完成后闭合的困难。本发明还提供一种使用该真三轴水力压裂实验装置的水力压裂试验方法。
本发明的构思是：首先对煤岩体进行常规水力压裂，然后对水力压裂试件周围压板注入液氮对水力压裂试试件进行降温，实现对水力压裂试件内部压裂液进行降温结冰，利用压裂液结冰体积增大的工作原理，进而增大水力压裂试件的裂隙，增强水力压裂效果，增大的裂隙不再闭合。
本发明提供的一种真三轴水力压裂实验装置，包括压裂室，用于放置水力压裂试件；真三轴应力加载装置，用于对水力压裂试件独立施加三向正压力以模拟水力压裂试件真实的应力状态；压裂泵注装置，用于向水力压裂试件内部加压填充压裂液，水力压裂试件涨裂产生透气裂隙；降温冷冻装置，用于冷冻裂隙内部的压裂液，致使压裂液体积增大，增加水力压裂裂隙体积。
本发明提供的一种使用上述真三轴水力压裂实验装置的水力压裂试验方法，包括以下步骤：
步骤1、对水力压裂试件进行常规水力压裂；
步骤2、向水力压裂试件周围压板注入液氮，对水力压裂试件内部的压裂液实施降温结冰；
步骤3、注入蒸馏水排除液氮，对水力压裂试件升温；
步骤4、对水力压裂试件进行第二次压裂。
与现有技术相比，本发明的技术效果是：
本发明的真三轴水力压裂实验装置增加了冷冻降温装置，冻结水力压裂试件内部的压裂液，压裂液的体积增大，增大了水力压裂试件的裂隙宽度。成本较低，可操作性较强，本发明的真三轴水力压裂实验装置有两部分：一部分为现有的真三轴水力压裂实验装置，另一部分为降温冷冻装置。通过上述两者的结合，本发明能够有效增加裂隙的复杂程度和裂隙的宽度，克服了裂隙在压裂完成后容易闭合的难题。对提高实验室水力压裂效果以及量化水力压裂裂隙体积等评价水力压裂效果提供了一种可靠的实验手段。
本发明的水力压裂试验方法由于在步骤2中对水力压裂试件内部压裂液进行冷冻，压裂液结冰体积增大，增大了水力压裂试件的裂隙；再经过步骤4对水力压裂试件实施第二次压裂，增大了水力压裂试件的裂隙宽度，增强了水力压裂的效果，经反复水力压裂后的裂隙不再闭合。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为本发明的真三轴水力压裂实验装置结构示意图；
图2为图1中的压裂室左视图；
图3为图1中的压裂腔体布设图。
图中，a、压裂室；b、真三轴加载装置；c、压裂泵注装置；d、降温冷冻装置；e、水力压裂试件；1、z轴管路；2、y轴管路；3、x轴管路；4、左压板；5、右压板；6、上压板；7、下压板；8、前压板；9、后压板；10、左压板液氮储存管路；11、右压板液氮储存管路；12、上压板液氮储存管路；13、下压板液氮储存管路；14、伺服泵站；15、液氮储罐；16、液体注入泵；17、左油缸；18、上油缸；19、压裂腔体；20、压力采集仪；21、压裂泵；22、液氮回收阀；23、液氮回收容器；24、前压板液氮储存管路；25、后压板液氮储存管路；26、温度传感器；27、箱体；28、压裂管路；29、封孔段；30、温度传感器线；31、温度传感器采集仪；32、压裂管；34、第一四通阀；35、蒸馏水罐；36、蒸馏水管路阀；37、液氮管路阀；38、前油缸；39、第二四通阀。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
本专利申请中，为了清楚描述各部件及位置关系，使用了“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等方位词，这些方位词是针对以上附图的布设位置来称谓的，在实际使用位置发生改变，其方位的称谓随之改变，不能视为对专利保护范围的限制。
如图1、图2和图3所示，本发明的真三轴水力压裂实验装置包括：
压裂室a，用于放置水力压裂试件e；真三轴加载装置b，用于对水力压裂试件e独立施加三轴应力以模拟水力压裂试件真实的应力状态；压裂泵注装置c，用于向水力压裂试件e内部加压填充压裂液，水力压裂试件涨裂产生透气裂隙；降温冷冻装置d，用于冷冻压裂液，致使压裂液体积增大，加大水力压裂的裂隙。
所述压裂室a含有箱体27，箱体27外部前侧、上侧和左侧分别固定是前油缸38、上油缸18和左油缸17，三个油缸的柱塞伸进箱体内部且油缸行程满足水力压裂试件三轴应力加载要求；箱体内壁安装有后压板9、右压板5和下压板7，前压板8、上压板6和左压板4；前油缸38、上油缸18和左油缸17的柱塞直接与前压板8、上压板6和左压板4接触对试件进行三轴应力加压；六个压板的内壁面对应布设有液氮储存管路。
所述真三轴加载装置b由伺服泵站14分别通过z轴管路1、x轴管路2、y轴管路3注入液压油经上油缸18、左油缸17、前油缸38对水力压裂试件e独立加载三轴应力。真三轴水力压裂装置独立控制三轴应力加载，最大压力为70mpa。
所述压裂泵注装置c包括压裂泵21、压裂管32和压力采集仪20，压裂泵21通过压裂管路28连通水力压裂试件预埋的压裂管32，压裂管路32上装有压力采集仪20。
所述降温冷冻装置d包括注入动力系统、液氮储存管路和液氮回收装置；所述注入动力系统包括液体注入泵6，液体注入泵6的进液口通过安装有蒸馏水管路阀36的一条管路连接蒸馏水罐35，通过安装有液氮管路阀37的另一条管路连接液氮储罐15，液体注入泵6的出液口经管道连接液氮储存管路。液体注入泵16通过蒸馏水管路阀36或液氮管路阀37可实现对液氮储存管路注入蒸馏水或液氮。
所述液氮储存管路包括有左压板液氮储存管路10、右压板液氮储存管路11、上压板液氮储存管路12、下压板液氮储存管路13、前压板液氮储存管路24和后压板液氮储存管路25；液体注入泵6出液口连接第一四通阀34前端口，第一四通阀34的三个后端口分别连接左压板液氮储存管路10、上压板液氮储存管路12和后压板液氮储存管路25；前压板液氮储存管路24与左压板液氮储存管路10连通，右压板液氮储存管路11与上压板液氮储存管路12连通，下压板液氮储存管路13与后压板液氮储存管路25连通，保证一个液氮管路可以向六个液氮储存管路同时注入液氮或者蒸馏水。
所述液氮回收装置包括液氮回收容器23，前压板液氮储存管路24、右压板液氮储存管路11和下压板液氮储存管路13的出液口分别连通第二四通阀39的三个前端口；第二四通阀39后端口的管路上设有液氮回收阀22，再与液氮回收容器23连接。
如图3所示，在压裂腔体19内壁放置温度传感器26，温度传感器26通过温度传感器线30经过压裂腔体19的封孔段29与压裂室a外的温度传感器采集仪31连接。
本发明提供的一种使用上述真三轴水力压裂实验装置的水力压裂试验方法，包括以下步骤：
步骤1、对水力压裂试件进行常规水力压裂，具体有以下步骤：
步骤11）、将现场取回的足够大的原煤样切割制成100mm×100mm×100mm标准水力压裂试件，利用直径为25mm的取芯钻杆取55mm的钻孔，形成压裂腔体；将预先加工好的压裂管放入压裂腔体中并用环氧树脂ab胶进行封孔；埋压裂管的同时，在试件压裂腔体内放入温度传感器；
步骤12）、将水力压裂试件放置在压裂室中，启动伺服泵站分别向z轴管路、x轴管路、y轴管路注液压油对水力压裂试件加载三轴压力至额定值；真三轴水力压裂实验装置独立控制三轴应力加载，最大压力为70mpa；
步骤13）、启动压裂泵对水力压裂试件e进行常规水力压裂，当水力压裂采集仪的压力突然下降超过30%，关闭压裂泵。
步骤2、向水力压裂试件周围压板注入液氮，对水力压裂试件内部的压裂液实施降温结冰：
打开液氮管路阀37，关闭蒸馏水管路阀36，启动液氮注入泵16分别向真三轴水力压裂实验装置的左压板液氮储存管路10、右压板液氮储存管路11、上压板液氮储存管路12、下压板液氮储存管路13、前压板液氮储存管路24、后压板液氮储存管路25注入液氮；温度传感器采集仪31实时监测压裂腔体19内壁内温度，温度传感器采集仪的温度低于-5℃并保持至少10min。
步骤3、注入蒸馏水排除液氮，对水力压裂试件升温，包括以下步骤：
步骤31）、打开液氮回收阀22排出左压板液氮储存管路10、右压板液氮储存管路11、上压板液氮储存管路12、下压板液氮储存管路13、前压板液氮储存管路24、后压板液氮储存管路25的液氮回收到液氮回收容器23；
步骤32）、关闭液氮管路阀37，打开蒸馏水管路阀36，启动液氮注入泵16注入蒸馏水罐35的蒸馏水，注入的蒸馏水排除左压板液氮储存管路10、右压板液氮储存管路11、上压板液氮储存管路12、下压板液氮储存管路13、前压板液氮储存管路24、后压板液氮储存管路25中未排尽的液氮，温度传感器采集仪31的温度达高于10℃并保持至少5min。
步骤4、对水力压裂试件进行第二次压裂：
重启裂压裂泵21，对水力压裂试件e第二次压裂。待压裂液从水力压裂试件e漏出时，停止压裂泵21；
启动伺服泵站14对水力压裂试件e围压卸载至0mpa，取出水力压裂试件e。
本方法发明增加了冷却降温的步骤，冻结水力压裂试件内部的压裂液，又增加了第二次压裂的步骤，增大了水力压裂试件的裂隙宽度，增强了水力压裂的效果，经反复水力压裂后的裂隙不再闭合。
1.一种真三轴水力压裂实验装置，包括：压裂室，用于放置水力压裂试件；真三轴应力加载装置，用于对水力压裂试件独立施加三轴应力以模拟水力压裂试件真实的应力状态；压裂泵注装置，用于向水力压裂试件内部加压填充压裂液，水力压裂试件涨裂产生透气裂隙；其特征是，还包括：降温冷冻装置，用于冷冻裂隙内部的压裂液，致使压裂液体积增大，加大水力压裂裂隙体积。
2.根据权利要求1所述的真三轴水力压裂实验装置，其特征是：所述压裂室含有箱体，箱体外部前侧、上侧和左侧分别固定是前油缸、上油缸和左油缸，三个油缸的柱塞伸进箱体内且油缸行程满足水力压裂试件三轴应力加载；箱体内壁安装有后压板、右压板和下压板，前压板、上压板和左压板，前油缸、上油缸和左油缸的柱塞直接与前压板、上压板和左压板接触对试件独立施加三轴应力；六个压板的内壁面对应布设有液氮储存管路。
3.根据权利要求2所述的真三轴水力压裂实验装置，其特征是：所述真三轴加载装置包括伺服泵站，伺服泵站经过z轴管路、x轴管路、y轴管路对应连接上油缸、左油缸和前油缸。
4.根据权利要求3所述的真三轴水力压裂实验装置，其特征是：所述压裂泵注装置包括压裂泵、压裂管和压力采集仪，压裂泵通过压裂管路连通在水力压裂试件中预先埋入的压裂管，压裂管路装有压力采集仪。
5.根据权利要求1-4任一所述的真三轴水力压裂实验装置，其特征是：所述降温冷冻装置包括注入动力装置、液氮储存管路和液氮回收装置；所述注入动力装置包括液体注入泵，液体注入泵的进液口通过安装有蒸馏水管路阀的一条管路连接蒸馏水罐，通过安装有液氮管路阀的另一条管路连接液氮储罐，液体注入泵的出液口经管道连接液氮储存管路；
所述液氮储存管路包括有左压板液氮储存管路、右压板液氮储存管路、上压板液氮储存管路、下压板液氮储存管路、前压板液氮储存管路和后压板液氮储存管路；液体注入泵出液口连接第一四通阀前端口，第一四通阀的三个后端口分别连接左压板液氮储存管路、上压板液氮储存管路和后压板液氮储存管路；前压板液氮储存管路与左压板液氮储存管路连通，右压板液氮储存管路与上压板液氮储存管路连通，下压板液氮储存管路与后压板液氮储存管路连通；
所述液氮回收装置包括液氮回收容器，前压板液氮储存管路、右压板液氮储存管路和下压板液氮储存管路的出液口分别连通第二四通阀的三个前端口；第二四通阀后端口连接液氮回收容器，第二四通阀与液氮回收容器之间设有液氮回收阀。
6.根据权利要求5所述的真三轴水力压裂实验装置，其特征是：在压裂腔体内壁放置温度传感器，温度传感器通过温度传感器线经过压裂腔体的封孔段与温度传感器采集仪连接。
7.一种使用权利要求1-6任一真三轴水力压裂实验装置的水力压裂试验方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1、对水力压裂试件进行常规水力压裂；
步骤2、向水力压裂试件周围压板注入液氮，对水力压裂试件内部压裂液实施降温结冰；
步骤3、注入蒸馏水排除液氮，对水力压裂试件升温；
步骤4、对水力压裂试件进行第二次压裂。
8.根据权利要求7所述的水力压裂试验方法，其特征是，在步骤1中，所述常规水力压裂包括以下步骤：
步骤11）、将现场取回的足够大的原煤样切割制成100mm×100mm×100mm标准水力压裂试件，利用直径为25mm的取芯钻杆取55mm的钻孔，形成压裂腔体；将预先加工好的压裂管放入压裂腔体中并用环氧树脂ab胶进行封孔；埋压裂管的同时，在试件压裂腔体内放入温度传感器；
步骤12）、将水力压裂试件放置在压裂室中，启动伺服泵站分别向z轴管路、x轴管路、y轴管路注液压油对水力压裂试件加载三轴压力至额定值；
步骤13）、启动压裂泵对水力压裂试件e进行常规水力压裂，当水力压裂采集仪的压力突然下降超过30%，关闭压裂泵。
9.根据权利要求8所述的水力压裂试验方法，其特征是，在步骤2中，所述压裂液实施降温结冰的过程为：
打开液氮管路阀（37），关闭蒸馏水管路阀（36），启动液氮注入泵（16）分别向真三轴水力压裂实验装置的左压板液氮储存管路（10）、右压板液氮储存管路（11）、上压板液氮储存管路（12）、下压板液氮储存管路（13）、前压板液氮储存管路（24）、后压板液氮储存管路（25）注入液氮；温度传感器采集仪（31）实时监测压裂腔体（19）内壁内温度，温度传感器采集仪的温度低于-5℃并保持至少10min。
10.根据权利要求9所述的水力压裂试验方法，其特征是，在步骤3中，排除液氮和水力压裂试件升温包括下步骤：
步骤31）、打开液氮回收阀（22）排出左压板液氮储存管路（10）、右压板液氮储存管路（11）、上压板液氮储存管路（12）、下压板液氮储存管路（13）、前压板液氮储存管路（24）、后压板液氮储存管路（25）的液氮回收到液氮回收容器（23）；
步骤32）、关闭液氮管路阀（37），打开蒸馏水管路阀（36），启动液氮注入泵（16）注入蒸馏水罐（35）的蒸馏水，注入的蒸馏水排除左压板液氮储存管路（10）、右压板液氮储存管路（11）、上压板液氮储存管路（12）、下压板液氮储存管路（13）、前压板液氮储存管路（24）、后压板液氮储存管路（25）中未排尽的液氮，温度传感器采集仪31的温度达高于10℃并保持至少5min。
技术总结