本發(fā)明屬于油氣藏開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種真三軸加砂壓裂試驗機及其試驗方法。

背景技術(shù)：

在油氣藏開發(fā)過程中，由于儲層的低滲透地質(zhì)特性使油氣在運移過程中受阻，此時加砂壓裂成為高效開發(fā)此類油藏的重要手段。通過加砂壓裂能夠形成復(fù)雜、具有高導(dǎo)流能力的大規(guī)模裂縫網(wǎng)，從而增加油氣的泄流面積、減少儲層油氣的流動阻力，因此開展室內(nèi)物理模擬試驗，研究裂縫的起裂及擴展行為具有十分重要的意義。壓裂現(xiàn)場往往采用加砂壓裂的方式，根據(jù)需要的裂縫規(guī)模和支撐縫長計算所需要壓裂液的體積，根據(jù)前置液、攜砂液、替置液的占比依次注入到儲層內(nèi)部。室內(nèi)試驗現(xiàn)有技術(shù)真三軸實驗裝置主要由真三軸實驗架、三軸液壓穩(wěn)壓源、油水分離器、MTS增壓及控制器、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)等組成，進行加砂壓裂作業(yè)往往只能往巖石中注入單一作用的壓裂液，無法真實模擬現(xiàn)場壓裂過程，而且在在加壓穩(wěn)定性、實驗效率、可操作性、安全性和維護保養(yǎng)等方面存在不足。一方面模擬地層巖石受力狀態(tài)的三軸加圍壓裝置和模擬壓裂過程的注入裝置分別由兩個相互獨立的系統(tǒng)控制，二者之間無法在同一平臺上進行協(xié)調(diào)控制，同時對于高壓實驗，缺乏統(tǒng)一的監(jiān)控措施，這不僅增加了操作程序、影響實驗效率，而且還帶來一定的安全隱患；另一方面由于加三軸圍壓的液壓穩(wěn)壓源采用柱塞泵的形式進行加壓作業(yè)，無法對加壓速率進行有效控制，從而導(dǎo)致巖體的三軸壓差過大，發(fā)生破碎變形，影響實驗效果；此外油水隔離器的拆裝不易操作，在更換壓裂液方面存在一定困難。

隨著油氣藏研究范圍的不斷深入，現(xiàn)有設(shè)備已無法滿足實驗的要求，壓裂液作用單一，與現(xiàn)場真實過程不符。壓裂設(shè)備之間連接的控制線、高壓管線繁多，帶來一定安全隱患，也不便于維修保養(yǎng)。因此急需開發(fā)一種新型的真三軸加砂壓裂試驗機及其試驗方法，真實模擬現(xiàn)場加砂壓裂，以提高實驗的可操作性和安全性，盡可能真實地模擬井下巖石的壓裂過程。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種真三軸加砂壓裂試驗機，包括圍壓系統(tǒng)、注入系統(tǒng)和真三軸試驗架，所述圍壓系統(tǒng)和所述注入系統(tǒng)與所述真三軸試驗架連接，所述真三軸試驗架內(nèi)放置井下巖心；所述注入系統(tǒng)和所述圍壓系統(tǒng)與計算機連接，所述注入系統(tǒng)包括壓裂液容器Ⅰ、壓裂液容器Ⅱ和活塞容器，所述壓裂液容器Ⅱ內(nèi)安裝攪拌機構(gòu)，所述攪拌機構(gòu)與計算機連接，所述活塞容器內(nèi)設(shè)置活塞片擋板Ⅰ和活塞片擋板Ⅱ，兩個活塞片擋板的中部均開口。

本發(fā)明的真三軸加砂壓裂試驗機的壓裂液容器和推注容器（即活塞容器）分開設(shè)計，這樣便于更換壓裂液。當(dāng)需要更換壓裂液時，只需在壓裂液容器中操作即可，將壓裂液容器下端的放液閥門打開，使容器內(nèi)的壓裂液排出，然后在容器上端的開口處注入新的壓裂液即可，也可以先清洗容器，再注入新的壓裂液。而現(xiàn)有技術(shù)中，壓裂液容器和推注容器由一個裝置（油水隔離器）實現(xiàn)，當(dāng)需要更換壓裂液時，將油水隔離器拆開，倒出容器內(nèi)的水、油，然后手動或使用工具將容器內(nèi)的活塞片向容器底部推壓，再在活塞片上部腔體內(nèi)注入新的壓裂液，操作困難，容器不易清洗干凈，并且每次更換壓裂液都要拆卸油水隔離器，經(jīng)過幾次拆卸后，將導(dǎo)致油水隔離器的密封性變差，部件連接松動，也會導(dǎo)致注入液體的精度降低，壓裂狀態(tài)不穩(wěn)定。

優(yōu)選的是，所述壓裂液容器Ⅰ的上端通過管線與高壓氣瓶連接，管線上安裝開關(guān)閥門Ⅰ；所述壓裂液容器Ⅰ的下端通過管線與活塞容器的中部腔體連接，管線上安裝開關(guān)閥門Ⅱ。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述壓裂液容器Ⅰ的底部設(shè)置放液閥門Ⅰ。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述壓裂液容器Ⅱ的上端通過管線與高壓氣瓶連接，管線上安裝開關(guān)閥門Ⅲ；所述壓裂液容器Ⅱ的下端通過管線與活塞容器的上部腔體連接，管線上安裝開關(guān)閥門Ⅳ。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述壓裂液容器Ⅱ的底部設(shè)置放液閥門Ⅱ。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述活塞片擋板Ⅰ和所述活塞片擋板Ⅱ?qū)⑺龌钊萜鞣譃槿齻€腔體。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述活塞容器內(nèi)設(shè)置活塞片Ⅰ和活塞片Ⅱ，兩個活塞片可上下移動。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述活塞片Ⅰ在所述活塞片擋板Ⅰ的上方，所述活塞片Ⅱ在所述活塞片擋板Ⅱ的上方。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述活塞容器的上部腔體通過管線與所述井下巖心連接，管線上安裝開關(guān)閥門Ⅴ；所述活塞容器的中部腔體通過管線與所述井下巖心連接，管線上安裝開關(guān)閥門Ⅵ；所述活塞容器的下部腔體通過管線與水槽連接。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述水槽通過管線分別與恒壓恒速柱塞泵Ⅰ和恒壓恒速柱塞泵Ⅱ連接。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述恒壓恒速柱塞泵Ⅰ和所述恒壓恒速柱塞泵Ⅱ與計算機連接。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述圍壓系統(tǒng)包括高壓平流泵Ⅰ、高壓平流泵Ⅱ和高壓平流泵Ⅲ，三個泵體均與計算機連接。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述高壓平流泵Ⅰ通過管線與所述井下巖心的前后兩個面連接，管線上安裝背壓閥Ⅰ；所述高壓平流泵Ⅱ通過管線與所述井下巖心的左右兩個面連接，管線上安裝背壓閥Ⅱ；所述高壓平流泵Ⅲ通過管線與所述井下巖心的上下兩個面連接，管線上安裝背壓閥Ⅲ。當(dāng)產(chǎn)生的圍壓超過設(shè)定值時，背壓閥自動打開，卸壓至設(shè)定值。

本發(fā)明還提供一種真三軸加砂壓裂試驗方法，使用上述任一種真三軸加砂壓裂試驗機，其按照先后順序包括以下步驟：

步驟一：關(guān)閉所有的開關(guān)閥門和放液閥門，將壓裂液和支撐劑按一定比例注入到壓裂液容器Ⅱ中，設(shè)定攪拌時間，并啟動攪拌機構(gòu)進行攪拌，形成均勻的攜砂壓裂液；先打開開關(guān)閥門Ⅲ和開關(guān)閥門Ⅳ，再打開高壓氣瓶，此時攜砂壓裂液進入活塞容器的上部腔體內(nèi)；待攜砂壓裂液全部進入后，先關(guān)閉高壓氣瓶，再關(guān)閉開關(guān)閥門Ⅲ和開關(guān)閥門Ⅳ；

步驟二：向壓裂液容器Ⅰ中注入前置壓裂液，先打開開關(guān)閥門Ⅰ和開關(guān)閥門Ⅱ，再打開高壓氣瓶，此時前置壓裂液進入活塞容器的中部腔體內(nèi)；待前置壓裂液全部進入后，先關(guān)閉高壓氣瓶，再關(guān)閉開關(guān)閥門Ⅰ和開關(guān)閥門Ⅱ；

步驟三：根據(jù)試驗要求設(shè)定圍壓值，并通過高壓平流泵Ⅰ、高壓平流泵Ⅱ和高壓平流泵Ⅲ分別給井下巖心的三個軸向同時施加圍壓；

步驟四：打開開關(guān)閥門Ⅵ，并啟動恒壓恒速柱塞泵Ⅰ和恒壓恒速柱塞泵Ⅱ，若兩個柱塞泵內(nèi)腔中的水沒有滿，則兩個柱塞泵通過管線分別從水槽中吸滿水，然后進行壓裂作業(yè)；若兩個柱塞泵內(nèi)腔中的水已滿，則直接進行壓裂作業(yè)；

步驟五：根據(jù)試驗要求設(shè)定排水量，當(dāng)排水量小于等于50ml/min時，只有恒壓恒速柱塞泵Ⅰ向活塞容器的下部腔體內(nèi)排水，此時恒壓恒速柱塞泵Ⅱ處于待命狀態(tài)，當(dāng)恒壓恒速柱塞泵Ⅰ中的水全部排完后，恒壓恒速柱塞泵Ⅱ開始向活塞容器的下部腔體內(nèi)排水，此時恒壓恒速柱塞泵Ⅰ從水槽中吸水；當(dāng)排水量大于50ml/min時，恒壓恒速柱塞泵Ⅰ和恒壓恒速柱塞泵Ⅱ同時向活塞容器的下部腔體內(nèi)排水；

步驟六：隨著恒壓恒速柱塞泵Ⅰ和/或恒壓恒速柱塞泵Ⅱ的排水工作，前置壓裂液注入到井下巖心中，當(dāng)前置壓裂液的注入量達到試驗要求時，關(guān)閉開關(guān)閥門Ⅵ，同時打開開關(guān)閥門Ⅴ，此時攜砂壓裂液注入到井下巖心中，當(dāng)攜砂壓裂液的注入量達到試驗要求時，關(guān)閉開關(guān)閥門Ⅴ，同時打開開關(guān)閥門Ⅵ，此時替置壓裂液驅(qū)替管線中的攜砂壓裂液，并最終注入到井下巖心中；

步驟七：隨著恒壓恒速柱塞泵Ⅰ和/或恒壓恒速柱塞泵Ⅱ的排水工作，前置壓裂液、攜砂壓裂液和替置壓裂液依次注入到井下巖心中，同時觀察計算機上顯示的入口壓力與時間的變化關(guān)系曲線，當(dāng)入口壓力降到低點，并處于平穩(wěn)狀態(tài)時，判斷壓裂過程結(jié)束，保存計算機記錄的數(shù)據(jù)；

步驟八：關(guān)閉恒壓恒速柱塞泵Ⅰ和恒壓恒速柱塞泵Ⅱ，并確定入口壓力為零，同時確定兩個柱塞泵的內(nèi)腔壓力均為零，若內(nèi)腔壓力不為零，需要重新啟動相應(yīng)的柱塞泵，啟動的瞬間再停止即可使內(nèi)腔壓力變?yōu)榱悖煌瑫r打開背壓閥Ⅰ、背壓閥Ⅱ和背壓閥Ⅲ，卸載井下巖心三個軸向上的圍壓；

步驟九：從真三軸試驗架內(nèi)取出井下巖心，觀察裂縫擴展情況。

優(yōu)選的是，所述活塞容器的體積為2000ml。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，向井下巖心注入的前置壓裂液、攜砂壓裂液和替置壓裂液的總體積為500-800ml。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，向井下巖心注入的前置壓裂液、攜砂壓裂液和替置壓裂液分別為總體積的40%、50%和10%。

前置壓裂液中不含有支撐劑，用于壓開井下巖心的底層，延伸拓展裂縫，為裂縫準備充裕的填砂空間，等待支撐劑的到來；配制攜砂壓裂液時，可根據(jù)儲集層特征和工藝要求選用不同的壓裂液體系，用于進一步擴展裂縫；替置壓裂液即為前置壓裂液，只是二者的作用不同，替置壓裂液用于在縫中輸送和鋪置支撐劑，形成具有設(shè)計要求的導(dǎo)流能力和幾何形狀的支撐劑填充裂縫，將井筒中的攜砂壓裂液全部替入儲集層裂縫，以免井底沉砂或砂卡井下工具。

在本發(fā)明的真三軸加砂壓裂試驗中，活塞容器的上部腔體用于注入攜砂壓裂液，其容積為500ml；活塞容器的中部腔體用于注入前置壓裂液，其容積為1000ml；活塞容器的下部腔體用于注入水，其容積為500ml。每次注入的攜砂壓裂液都必須是500ml，即將活塞容器的上部腔體填滿，注入的前置壓裂液的體積至少是前置壓裂液、攜砂壓裂液和替置壓裂液的總量。具有以下兩點原因：（1）首先注入前置壓裂液，前置壓裂液從活塞容器中部腔體的右上方（即活塞片擋板Ⅰ的右下方）注入到井下巖心內(nèi)部，活塞片Ⅱ往上升的體積即為所注入的前置壓裂液體積；然后注入攜砂壓裂液，此時活塞片Ⅰ和活塞片Ⅱ同時往上升（將兩個活塞片視為一個整體），上升的體積即為注入攜砂壓裂液的體積；最后注入替置壓裂液，此時恒壓恒速柱塞泵Ⅰ和恒壓恒速柱塞泵Ⅱ推著活塞片Ⅱ往上升，上升的體積即為替置壓裂液的體積。整個過程中活塞片Ⅱ都是往上升的，而且上升的體積即為前置壓裂液、攜砂壓裂液、替置壓裂液三者之和，因為在整個壓裂過程中，液體會有一定的壓縮，所以注入到活塞容器中部腔體的前置壓裂液至少是三者之和。（2）向活塞容器的上部腔體內(nèi)注滿攜砂壓裂液，即注入500ml，如果不注滿，那么在驅(qū)替攜砂壓裂液時，最開始被擠出去的是上部腔體內(nèi)的空氣，然后再開始注入攜砂壓裂液，此時所消耗的前置壓裂液是攜砂壓裂液和空氣的體積之和，而加入中部腔體內(nèi)的前置壓裂液等于前置壓裂液、攜砂壓裂液和替置壓裂液三者之和，空氣可能會導(dǎo)致前置壓裂液的注入量不足。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，步驟二中，攪拌時間至少為20min。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，步驟三中，對井下巖心施加三軸圍壓，X方向為水平最大主應(yīng)力，Y方向為水平最小主應(yīng)力，Z方向為垂向應(yīng)力，其中X方向的圍壓大于Y方向的圍壓。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，步驟五中，排水量設(shè)定范圍為0-100ml/min。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述替置壓裂液采用前置壓裂液，其作用是將管線內(nèi)的攜砂壓裂液驅(qū)替至巖心中。

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中三軸加壓效率不一致，缺乏統(tǒng)一的操作平臺，操作工序繁瑣，不易更換壓裂液等缺陷，本發(fā)明從加圍壓系統(tǒng)、壓裂液注入系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、計算機采集和控制系統(tǒng)四個方面進行了改進和創(chuàng)新，大大簡化了真三軸水力壓裂試驗機的結(jié)構(gòu)，在確保安全保障的情況下大大提升了試驗機整體的可操作性。

本發(fā)明的真三軸加砂壓裂試驗機，其圍壓系統(tǒng)由三個單獨的壓力系統(tǒng)組成，每個系統(tǒng)之間可以同時加壓也可分步加壓，三面圍壓既能等壓又能存在差壓。每個單獨的圍壓系統(tǒng)由硅油容器、平流泵、背壓閥和管線等組成。圍壓介質(zhì)采用硅油，由于硅油具有卓越的耐熱性、電絕緣性、耐候性、疏水性、生理惰性和較小的表面張力，此外還具有較低的粘溫系數(shù)和較高的抗壓縮性，所以硅油作為加壓介質(zhì)具有效率高、安全性能好、無干擾等特點。高壓輸液泵采用雙柱塞往復(fù)泵，一個為主吸液柱塞，另一個為輔助柱塞，由計算機控制的高效精密輸液泵系統(tǒng)，能夠確保在各種使用條件下都具有較高的輸液精度和較好的重復(fù)性指標(biāo)。注入系統(tǒng)由活塞容器、注入介質(zhì)容器、壓裂液攪拌容器和推注系統(tǒng)組成?；钊萜饔刹讳P鋼材料制成，其額定安全壓力為100MPa、容積為2000ml；活塞容器由兩個活塞片分隔成三個腔體，上部腔體和中部腔體內(nèi)注入壓裂液，下部腔體內(nèi)推注液體。注入介質(zhì)容器由不銹鋼材料制成，其額定安全壓力為2MPa、容積為2L。該容器帶有刻度為1000ml的溶液調(diào)配罐，根據(jù)實驗要求在調(diào)配罐中調(diào)配不同的壓裂液，調(diào)配完成后打開調(diào)配罐下方的閥門注入容器中，然后關(guān)閉溶液調(diào)配罐閥門。打開高壓氣瓶或空氣壓縮泵，利用氣壓將注入介質(zhì)壓入活塞容器內(nèi)。壓裂液攪拌容器由不銹鋼材料制成，其額定安全壓力為2MPa、容積為2L，內(nèi)設(shè)電機攪拌機構(gòu)，可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。壓裂液攪拌容器上有支撐劑注入口和液體注入口，根據(jù)試驗比例注入清水和支撐劑，由計算機控制攪拌機構(gòu)，調(diào)節(jié)至需要的轉(zhuǎn)速和攪拌時間，攪拌均勻后利用氣壓將壓裂液注入活塞容器內(nèi)。助推系統(tǒng)由雙缸恒壓恒速柱塞泵泵和助推液體容器組成。雙缸恒壓恒速柱塞泵的壓力為100MPa、流速為0-100ml/min、精度為0.01ml/min。該柱塞泵的特點是啟動、停止、流量等均通過計算機程序?qū)崿F(xiàn)自動控制。該系統(tǒng)設(shè)計緊湊，方便且完全封閉，并采用進口伺服電機配合可編程控制器和智能顯示屏對柱塞泵的進、退、調(diào)速、調(diào)壓等進行精確控制，利用動畫演示指示柱塞泵的運行狀態(tài)和故障，曲線顯示液體流速、流量以及壓力的實時變化，具有操作簡單、方便的人機接口界面。雙缸恒壓恒速柱塞泵既可以單缸獨立工作，也可以雙缸聯(lián)動不間斷地工作。單缸、雙缸工作，均有恒壓、恒流、跟蹤三種工作模式，滿足不同操作和試驗的需求。在安全系統(tǒng)方面，本發(fā)明的試驗機為高壓裝置，為確保試驗安全，在圍壓系統(tǒng)和注入系統(tǒng)的入口都配置了安全閥，該安全閥靈敏度高、操作便捷、安全可靠，當(dāng)圍壓或注入壓力超過安全設(shè)定值時，安全閥會自動打開釋放壓力，同時在計算機上設(shè)置上限壓力值，當(dāng)壓力超過設(shè)定值時，計算機發(fā)出命令自動停泵，以保證管路和操作人員的安全。在計算機采集和控制系統(tǒng)方面，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可采集壓力、溫度、流量、恒速恒壓柱塞泵的壓力等即時數(shù)值。為保證測量精度和控制的可靠性，采用C168H數(shù)字采集控制卡，從而實現(xiàn)數(shù)字化采集傳輸。軟件在Windows7/XP環(huán)境下運行，具有氣體參數(shù)轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)分析功能。試驗操作流程顯示在界面上，可實現(xiàn)人機對話，操作人員設(shè)定好參數(shù)后，試驗機即可獨自工作，計算機可自動采集所有壓力、流速等數(shù)值。計算機采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后可生成原始數(shù)據(jù)報表、分析報表以及曲線圖，同時生成數(shù)據(jù)庫文件以便備份查詢。

附圖說明

圖1為按照本發(fā)明的真三軸加砂壓裂試驗機的一優(yōu)選實施例結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為按照本發(fā)明的真三軸加砂壓裂試驗機的圖1所示實施例的注入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為按照本發(fā)明的真三軸加砂壓裂試驗機的圖1所示實施例的活塞容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為按照本發(fā)明的真三軸加砂壓裂試驗機的圖1所示實施例的圍壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中標(biāo)注說明：1-圍壓系統(tǒng)，101-高壓平流泵Ⅰ，102-高壓平流泵Ⅱ，103-高壓平流泵Ⅲ，104-背壓閥Ⅰ，105-背壓閥Ⅱ，106-背壓閥Ⅲ；

2-注入系統(tǒng)，201-壓裂液容器Ⅰ，202-壓裂液容器Ⅱ，203-活塞容器，204-攪拌機構(gòu)，205-高壓氣瓶，206-開關(guān)閥門Ⅰ，207-開關(guān)閥門Ⅱ，208-放液閥門Ⅰ，209-開關(guān)閥門Ⅲ，210-開關(guān)閥門Ⅳ，211-放液閥門Ⅱ，212-開關(guān)閥門Ⅴ，213-開關(guān)閥門Ⅵ，214-活塞片擋板Ⅰ，215-活塞片擋板Ⅱ，216-活塞片Ⅰ，217-活塞片Ⅱ，218-活塞容器的上部腔體，219-活塞容器的中部腔體，220-活塞容器的下部腔體，221-水槽，222-恒壓恒速柱塞泵Ⅰ，223-恒壓恒速柱塞泵Ⅱ；

3-真三軸試驗架，4-井下巖心，5-計算機。

具體實施方式

為了更進一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容，下面將結(jié)合具體實施例詳細闡述本發(fā)明。

實施例一：

如圖1所示，按照本發(fā)明的真三軸加砂壓裂試驗機的一實施例，其包括圍壓系統(tǒng)1、注入系統(tǒng)2和真三軸試驗架3，所述圍壓系統(tǒng)1和所述注入系統(tǒng)2與所述真三軸試驗架3連接，所述真三軸試驗架3內(nèi)放置井下巖心4；所述注入系統(tǒng)2和所述圍壓系統(tǒng)1與計算機5連接，所述注入系統(tǒng)2包括壓裂液容器Ⅰ201、壓裂液容器Ⅱ202和活塞容器203，所述壓裂液容器Ⅱ202內(nèi)安裝攪拌機構(gòu)204，所述攪拌機構(gòu)204與計算機5連接，所述活塞容器203內(nèi)設(shè)置活塞片擋板Ⅰ214和活塞片擋板Ⅱ215，兩個活塞片擋板的中部均開口。

本實施例的真三軸加砂壓裂試驗機的壓裂液容器和推注容器（即活塞容器）分開設(shè)計，這樣便于更換壓裂液。當(dāng)需要更換壓裂液時，只需在壓裂液容器中操作即可，將壓裂液容器下端的放液閥門打開，使容器內(nèi)的壓裂液排出，然后在容器上端的開口處注入新的壓裂液即可，也可以先清洗容器，再注入新的壓裂液。而現(xiàn)有技術(shù)中，壓裂液容器和推注容器由一個裝置（油水隔離器）實現(xiàn)，當(dāng)需要更換壓裂液時，將油水隔離器拆開，倒出容器內(nèi)的水、油，然后手動或使用工具將容器內(nèi)的活塞片向容器底部推壓，再在活塞片上部腔體內(nèi)注入新的壓裂液，操作困難，容器不易清洗干凈，并且每次更換壓裂液都要拆卸油水隔離器，經(jīng)過幾次拆卸后，將導(dǎo)致油水隔離器的密封性變差，部件連接松動，也會導(dǎo)致注入液體的精度降低，壓裂狀態(tài)不穩(wěn)定。

如圖2和圖3所示，所述壓裂液容器Ⅰ201的上端通過管線與高壓氣瓶205連接，管線上安裝開關(guān)閥門Ⅰ206；所述壓裂液容器Ⅰ201的下端通過管線與活塞容器的中部腔體219連接，管線上安裝開關(guān)閥門Ⅱ207。所述壓裂液容器Ⅰ201的底部設(shè)置放液閥門Ⅰ208。所述壓裂液容器Ⅱ202的上端通過管線與高壓氣瓶205連接，管線上安裝開關(guān)閥門Ⅲ209；所述壓裂液容器Ⅱ202的下端通過管線與活塞容器的上部腔體218連接，管線上安裝開關(guān)閥門Ⅳ210。所述壓裂液容器Ⅱ202的底部設(shè)置放液閥門Ⅱ211。所述活塞容器的上部腔體218通過管線與所述井下巖心4連接，管線上安裝開關(guān)閥門Ⅴ212；所述活塞容器的中部腔體219通過管線與所述井下巖心4連接，管線上安裝開關(guān)閥門Ⅵ213；所述活塞容器的下部腔體220通過管線與水槽221連接。所述水槽221通過管線分別與恒壓恒速柱塞泵Ⅰ222和恒壓恒速柱塞泵Ⅱ223連接。所述恒壓恒速柱塞泵Ⅰ222和所述恒壓恒速柱塞泵Ⅱ223與計算機5連接。

如圖3所示，所述活塞片擋板Ⅰ214和所述活塞片擋板Ⅱ215將所述活塞容器203分為三個腔體。所述活塞容器203內(nèi)設(shè)置活塞片Ⅰ216和活塞片Ⅱ217，兩個活塞片可上下移動。所述活塞片Ⅰ216在所述活塞片擋板Ⅰ214的上方，所述活塞片Ⅱ217在所述活塞片擋板Ⅱ215的上方。

如圖4所示，所述圍壓系統(tǒng)1包括高壓平流泵Ⅰ101、高壓平流泵Ⅱ102和高壓平流泵Ⅲ103，三個泵體均與計算機5連接。所述高壓平流泵Ⅰ101通過管線與所述井下巖心4的前后兩個面連接，管線上安裝背壓閥Ⅰ104；所述高壓平流泵Ⅱ102通過管線與所述井下巖心4的左右兩個面連接，管線上安裝背壓閥Ⅱ105；所述高壓平流泵Ⅲ103通過管線與所述井下巖心4的上下兩個面連接，管線上安裝背壓閥Ⅲ106。當(dāng)產(chǎn)生的圍壓超過設(shè)定值時，背壓閥自動打開，卸壓至設(shè)定值。

按照本發(fā)明的真三軸加砂壓裂試驗方法的一實施例，使用本實施例的真三軸加砂壓裂試驗機，其按照先后順序包括以下步驟：

步驟一：關(guān)閉所有的開關(guān)閥門和放液閥門，將壓裂液和支撐劑按一定比例注入到壓裂液容器Ⅱ中，設(shè)定攪拌時間，并啟動攪拌機構(gòu)進行攪拌，形成均勻的攜砂壓裂液；先打開開關(guān)閥門Ⅲ和開關(guān)閥門Ⅳ，再打開高壓氣瓶，此時攜砂壓裂液進入活塞容器的上部腔體內(nèi)；待攜砂壓裂液全部進入后，先關(guān)閉高壓氣瓶，再關(guān)閉開關(guān)閥門Ⅲ和開關(guān)閥門Ⅳ；

步驟二：向壓裂液容器Ⅰ中注入前置壓裂液，先打開開關(guān)閥門Ⅰ和開關(guān)閥門Ⅱ，再打開高壓氣瓶，此時前置壓裂液進入活塞容器的中部腔體內(nèi)；待前置壓裂液全部進入后，先關(guān)閉高壓氣瓶，再關(guān)閉開關(guān)閥門Ⅰ和開關(guān)閥門Ⅱ；

步驟三：根據(jù)試驗要求設(shè)定圍壓值，并通過高壓平流泵Ⅰ、高壓平流泵Ⅱ和高壓平流泵Ⅲ分別給井下巖心的三個軸向同時施加圍壓；

步驟四：打開開關(guān)閥門Ⅵ，并啟動恒壓恒速柱塞泵Ⅰ和恒壓恒速柱塞泵Ⅱ，若兩個柱塞泵內(nèi)腔中的水沒有滿，則兩個柱塞泵通過管線分別從水槽中吸滿水，然后進行壓裂作業(yè)；若兩個柱塞泵內(nèi)腔中的水已滿，則直接進行壓裂作業(yè)；

步驟五：根據(jù)試驗要求設(shè)定排水量，當(dāng)排水量小于等于50ml/min時，只有恒壓恒速柱塞泵Ⅰ向活塞容器的下部腔體內(nèi)排水，此時恒壓恒速柱塞泵Ⅱ處于待命狀態(tài)，當(dāng)恒壓恒速柱塞泵Ⅰ中的水全部排完后，恒壓恒速柱塞泵Ⅱ開始向活塞容器的下部腔體內(nèi)排水，此時恒壓恒速柱塞泵Ⅰ從水槽中吸水；當(dāng)排水量大于50ml/min時，恒壓恒速柱塞泵Ⅰ和恒壓恒速柱塞泵Ⅱ同時向活塞容器的下部腔體內(nèi)排水；

步驟六：隨著恒壓恒速柱塞泵Ⅰ和/或恒壓恒速柱塞泵Ⅱ的排水工作，前置壓裂液注入到井下巖心中，當(dāng)前置壓裂液的注入量達到試驗要求時，關(guān)閉開關(guān)閥門Ⅵ，同時打開開關(guān)閥門Ⅴ，此時攜砂壓裂液注入到井下巖心中，當(dāng)攜砂壓裂液的注入量達到試驗要求時，關(guān)閉開關(guān)閥門Ⅴ，同時打開開關(guān)閥門Ⅵ，此時替置壓裂液驅(qū)替管線中的攜砂壓裂液，并最終注入到井下巖心中；

步驟七：隨著恒壓恒速柱塞泵Ⅰ和/或恒壓恒速柱塞泵Ⅱ的排水工作，前置壓裂液、攜砂壓裂液和替置壓裂液依次注入到井下巖心中，同時觀察計算機上顯示的入口壓力與時間的變化關(guān)系曲線，當(dāng)入口壓力降到低點，并處于平穩(wěn)狀態(tài)時，判斷壓裂過程結(jié)束，保存計算機記錄的數(shù)據(jù)；

步驟八：關(guān)閉恒壓恒速柱塞泵Ⅰ和恒壓恒速柱塞泵Ⅱ，并確定入口壓力為零，同時確定兩個柱塞泵的內(nèi)腔壓力均為零，若內(nèi)腔壓力不為零，需要重新啟動相應(yīng)的柱塞泵，啟動的瞬間再停止即可使內(nèi)腔壓力變?yōu)榱悖煌瑫r打開背壓閥Ⅰ、背壓閥Ⅱ和背壓閥Ⅲ，卸載井下巖心三個軸向上的圍壓；

步驟九：從真三軸試驗架內(nèi)取出井下巖心，觀察裂縫擴展情況。

所述活塞容器的體積為2000ml，其上部腔體、中部腔體和下部腔體的體積分別為500ml、1000ml和500ml。向井下巖心注入的前置壓裂液、攜砂壓裂液和替置壓裂液的總體積為500ml，其中前置壓裂液、攜砂壓裂液和替置壓裂液分別為總體積的40%、50%和10%，即注入的前置壓裂液為200ml、攜砂壓裂液為250ml、替置壓裂液為50ml。所述替置壓裂液采用前置壓裂液，其作用是將管線內(nèi)的攜砂壓裂液驅(qū)替至巖心中。

前置壓裂液中不含有支撐劑，用于壓開井下巖心的底層，延伸拓展裂縫，為裂縫準備充裕的填砂空間，等待支撐劑的到來；配制攜砂壓裂液時，可根據(jù)儲集層特征和工藝要求選用不同的壓裂液體系，用于進一步擴展裂縫；替置壓裂液即為前置壓裂液，只是二者的作用不同，替置壓裂液用于在縫中輸送和鋪置支撐劑，形成具有設(shè)計要求的導(dǎo)流能力和幾何形狀的支撐劑填充裂縫，將井筒中的攜砂壓裂液全部替入儲集層裂縫，以免井底沉砂或砂卡井下工具。

在本實施例的真三軸加砂壓裂試驗中，活塞容器的上部腔體用于注入攜砂壓裂液，其容積為500ml；活塞容器的中部腔體用于注入前置壓裂液，其容積為1000ml；活塞容器的下部腔體用于注入水，其容積為500ml。每次注入的攜砂壓裂液都必須是500ml，即將活塞容器的上部腔體填滿，注入的前置壓裂液的體積至少是前置壓裂液、攜砂壓裂液和替置壓裂液的總量。

步驟二中，攪拌時間至少為20min。步驟三中，對井下巖心施加三軸圍壓，X方向為水平最大主應(yīng)力，Y方向為水平最小主應(yīng)力，Z方向為垂向應(yīng)力，其中X方向的圍壓大于Y方向的圍壓。步驟五中，排水量設(shè)定范圍為0-100ml/min。

本實施例的真三軸水力壓裂試驗機，其圍壓系統(tǒng)由三個單獨的壓力系統(tǒng)組成，每個系統(tǒng)之間可以同時加壓也可分步加壓，三面圍壓既能等壓又能存在差壓。每個單獨的圍壓系統(tǒng)由硅油容器、平流泵、背壓閥和管線等組成。圍壓介質(zhì)采用硅油，由于硅油具有卓越的耐熱性、電絕緣性、耐候性、疏水性、生理惰性和較小的表面張力，此外還具有較低的粘溫系數(shù)和較高的抗壓縮性，所以硅油作為加壓介質(zhì)具有效率高、安全性能好、無干擾等特點。高壓輸液泵采用雙柱塞往復(fù)泵，一個為主吸液柱塞，另一個為輔助柱塞，由計算機控制的高效精密輸液泵系統(tǒng)，能夠確保在各種使用條件下都具有較高的輸液精度和較好的重復(fù)性指標(biāo)。注入系統(tǒng)由活塞容器、注入介質(zhì)容器、壓裂液攪拌容器和推注系統(tǒng)組成?；钊萜饔刹讳P鋼材料制成，其額定安全壓力為100MPa、容積為2000ml；活塞容器由兩個活塞片分隔成三個腔體，上部腔體和中部腔體內(nèi)注入壓裂液，下部腔體內(nèi)推注液體。注入介質(zhì)容器由不銹鋼材料制成，其額定安全壓力為2MPa、容積為2L。該容器帶有刻度為1000ml的溶液調(diào)配罐，根據(jù)實驗要求在調(diào)配罐中調(diào)配不同的壓裂液，調(diào)配完成后打開調(diào)配罐下方的閥門注入容器中，然后關(guān)閉溶液調(diào)配罐閥門。打開高壓氣瓶或空氣壓縮泵，利用氣壓將注入介質(zhì)壓入活塞容器內(nèi)。壓裂液攪拌容器由不銹鋼材料制成，其額定安全壓力為2MPa、容積為2L，內(nèi)設(shè)電機攪拌機構(gòu)，可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。壓裂液攪拌容器上有支撐劑注入口和液體注入口，根據(jù)試驗比例注入清水和支撐劑，由計算機控制攪拌機構(gòu)，調(diào)節(jié)至需要的轉(zhuǎn)速和攪拌時間，攪拌均勻后利用氣壓將壓裂液注入活塞容器內(nèi)。助推系統(tǒng)由雙缸恒壓恒速柱塞泵泵和助推液體容器組成。雙缸恒壓恒速柱塞泵的壓力為100MPa、流速為0-100ml/min、精度為0.01ml/min。該柱塞泵的特點是啟動、停止、流量等均通過計算機程序?qū)崿F(xiàn)自動控制。該系統(tǒng)設(shè)計緊湊，方便且完全封閉，并采用進口伺服電機配合可編程控制器和智能顯示屏對柱塞泵的進、退、調(diào)速、調(diào)壓等進行精確控制，利用動畫演示指示柱塞泵的運行狀態(tài)和故障，曲線顯示液體流速、流量以及壓力的實時變化，具有操作簡單、方便的人機接口界面。雙缸恒壓恒速柱塞泵既可以單缸獨立工作，也可以雙缸聯(lián)動不間斷地工作。單缸、雙缸工作，均有恒壓、恒流、跟蹤三種工作模式，滿足不同操作和試驗的需求。在安全系統(tǒng)方面，本發(fā)明的試驗機為高壓裝置，為確保試驗安全，在圍壓系統(tǒng)和注入系統(tǒng)的入口都配置了安全閥，該安全閥靈敏度高、操作便捷、安全可靠，當(dāng)圍壓或注入壓力超過安全設(shè)定值時，安全閥會自動打開釋放壓力，同時在計算機上設(shè)置上限壓力值，當(dāng)壓力超過設(shè)定值時，計算機發(fā)出命令自動停泵，以保證管路和操作人員的安全。在計算機采集和控制系統(tǒng)方面，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可采集壓力、溫度、流量、恒速恒壓柱塞泵的壓力等即時數(shù)值。為保證測量精度和控制的可靠性，采用C168H數(shù)字采集控制卡，從而實現(xiàn)數(shù)字化采集傳輸。軟件在Windows7/XP環(huán)境下運行，具有氣體參數(shù)轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)分析功能。試驗操作流程顯示在界面上，可實現(xiàn)人機對話，操作人員設(shè)定好參數(shù)后，試驗機即可獨自工作，計算機可自動采集所有壓力、流速等數(shù)值。計算機采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后可生成原始數(shù)據(jù)報表、分析報表以及曲線圖，同時生成數(shù)據(jù)庫文件以便備份查詢。

實施例二：

按照本發(fā)明的真三軸加砂壓裂試驗方法的另一實施例，所使用的真三軸加砂壓裂試驗機與實施例一相同，試驗步驟與實施例一相同，試驗參數(shù)有所不同。本實施例中，向井下巖心注入的前置壓裂液、攜砂壓裂液和替置壓裂液的總體積為800ml，其中前置壓裂液、攜砂壓裂液和替置壓裂液分別為總體積的40%、50%和10%，即注入的前置壓裂液為320ml、攜砂壓裂液為400ml、替置壓裂液為80ml。

實施例三：

按照本發(fā)明的真三軸加砂壓裂試驗方法的另一實施例，所使用的真三軸加砂壓裂試驗機與實施例一相同，試驗步驟與實施例一相同，試驗參數(shù)有所不同。本實施例中，向井下巖心注入的前置壓裂液、攜砂壓裂液和替置壓裂液的總體積為600ml，其中前置壓裂液、攜砂壓裂液和替置壓裂液分別為總體積的40%、50%和10%，即注入的前置壓裂液為240ml、攜砂壓裂液為300ml、替置壓裂液為60ml。

本領(lǐng)域技術(shù)人員不難理解，本發(fā)明的真三軸加砂壓裂試驗機及其試驗方法包括上述本發(fā)明說明書的發(fā)明內(nèi)容和具體實施方式部分以及附圖所示出的各部分的任意組合，限于篇幅并為使說明書簡明而沒有將這些組合構(gòu)成的各方案一一描述。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。