基于核磁下实时监测水力压裂过程的试验系统及方法

1.本发明涉及室内基于实时核磁共振下水力压裂技术领域，特别涉及一种基于核磁下实时监测水力压裂过程的试验系统及方法。


背景技术：

2.随国内外能源需求的日益增长，页岩气、煤层气、致密砂岩气和地热等非常规资源已成为常规煤炭、石油和天然气的重要战略接替。水力压裂是开采非常规资源的主要技术手段，通过将高压流体注入地层深处，诱导储层岩体破裂产生连续扩展的水力裂缝，并通过与地层原生裂缝交汇最终形成复杂裂缝网络。这一过程可大幅增加储层渗透性，为非常规储藏资源的流动或交换提供良好的运移通道。因此，研究复杂裂缝网络的形成机制对优化水力压裂施工设计和提升非常规资源开采效率具有重要意义。
3.室内水力压裂物理试验是研究水力压裂形成缝网的重要手段之一。然而，当前压裂试验大多通过声发射或实时ct扫描反演水力裂缝动态扩展状态，未能捕捉基质孔隙结构变化和缝内流体压力分布及其运移规律等信息。孔压及缝内流体压力的变化将直接影响水力裂缝尖端应力状态，扰动水力裂缝后续扩展行为，进而影响复杂缝网形态。此外，当前三轴水力压裂试验多采用顶部注入方式，注入流体在堵头与试样端面之间容易产生应力集中，导致试件从注入端开始出现裂缝（而不是从内部开始出现裂缝），未能真实反映水力压裂过程。
4.核磁共振是基于岩石孔隙内部流体氢原子核（1h）频谱信号来表征基质内部结构的手段，在表征和分析亚微米级微小、复杂孔隙结构上具有独特优势。利用这种技术可在室内水力压裂过程实时监测试样内流体分布运移规律及基质孔隙结构变化。通过压头与连接杆配合将压裂液注入预设增压段，可有效解决端部应力集中问题。借此开展实时监测水力压裂过程流体分布和孔隙结构变化的试验，以更精确地获得裂缝的情况，为储层水力压裂改造提供试验和理论参考。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的上述问题，本发明要解决的技术问题是：现有的核磁共振下水力压裂试验及水力压裂压头，未考虑实时情况下试件的孔隙、裂隙等结构特性的重要信息，且现有的水力压裂压头只考虑了压头与试件表面接触，未考虑当水压过大时水从接触面冲出的问题。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于核磁下实时监测水力压裂过程的试验系统，包括总控制系统，总控制系统的一侧设有压力加载单元、核磁共振设备和泵压设备，核磁共振设备的内部设有试件，试件与总控制系统和压力加载单元相连接，试件的内部设有陶瓷水力压裂压头和陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆，陶瓷水力压裂压头与陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆相匹配。
7.在进一步的实施例中，陶瓷水力压裂压头的顶端设有加载接触面，陶瓷水力压裂
压头的内部设有压头导流管，压头导流管的顶端与底端均设有导流管转换接头，两个导流管转换接头相对的一侧分别设有注入压裂液接头和输出压裂液接头，注入压裂液接头的内部开设有注入射孔，输出压裂液接头的内部开设有输出射孔，陶瓷水力压裂压头用于对试件进行加压情况下水力压裂的实施，压力加载单元再对试件进行施压时能够确保试件更好地进行试验。
8.在进一步的实施例中，陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆的外部开设有多个连接杆预留密封槽，陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆的内部开设有铝制注液管道，陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆的底端开设有多个射孔，射孔与铝制注液管道相连通，射孔的下方设有连接杆底部，铝制注液管道能够输送压裂液，射孔能够对试件进行压裂。
9.在进一步的实施例中，陶瓷水力压裂压头的底部开设有多个压头密封槽，多个连接杆预留密封槽与压头密封槽的内部均设有密封圈，压头密封槽与密封圈的设置，保证压裂液不会从压头与试件接触面流出，使压裂液通过连接杆进入试件内部进行压裂。
10.在进一步的实施例中，泵压设备的一端连通设置有注液管，注液管远离泵压设备的一端与注入射孔相连接，注液管与注入射孔相连接，方便进行注液。
11.在进一步的实施例中，陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆外部一周由陶瓷材质制成，压头导流管由铝制成，试件的尺寸为50mm
×
100mm的标准圆柱形，总控制系统与压力加载单元、核磁共振设备和泵压设备电性连接，总控制系统可以控制压力加载单元、核磁共振设备和泵压设备对试件进行参数设定。
12.在进一步的实施例中，本发明还公开了一种基于核磁下实时监测水力压裂过程的试验系统的操作方法，包括以下步骤：s1：准备试件，选用尺寸50mm
×
100mm的标准圆柱形试件；s2：通过总控制系统对压力加载单元以及核磁共振设备进行试验参数设定，等待试验开始；s3：通过泵压设备对试验流体速率或流体压力进行试验参数设定，等待试验开始；s4：将注液管与陶瓷水力压裂压头的注入射孔连接，并在压头密封槽处套好密封圈，再将陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆处的连接杆预留密封槽套好密封圈，放入试件中，与试件内壁紧密接触。最后将陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆与陶瓷水力压裂压头组装，如图5所示；s5：将组装好的试件放入核磁共振设备中，通过总控制系统操作开始试验；s6：试件破坏时，立刻停止泵压设备，再通过压力加载单元进行卸载压力并关闭压力加载单元，最后关闭核磁共振设备；s7：拆卸陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆与陶瓷水力压裂压头，取出试件，再拆卸陶瓷水力压裂压头中注入射孔连接的注液管，取下连接杆预留密封槽及压头密封槽的密封圈；s8：记录试验数据，完成试验。
13.相对于现有技术，本发明至少具有如下优点：1.本发明设计合理、操作简单，考虑了水力压裂过程流体分布和孔隙结构变化特征，可以通过得到的数据及图像进行处理，分析试件在水力压裂试验下实时数据显示、流体走向及水力压裂裂缝的扩展规律。
14.2.陶瓷水力压裂压头其材质是为了可在核磁共振设备下进行工作，在压力加载过程中能够更好地进行试验，密封槽与密封圈的组装防止压裂液泄露，且密封圈安装方便、更换方便。
15.3.陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆其材质是为了可在核磁共振设备下进行工作，将压头与试样连接，防止压裂液在压头与试件接触面因气体被压缩产生的高压应力所抑制注入，也防止在接触面产生的应力集中导致试件从端部开始破坏；预留密封槽与密封圈组装使得连接杆与试件内部紧密接触防止压裂液泄露。
16.4.本发明使连接杆与压头组合，得到一个可承受压力加载下，密封效果好的装置，再利用总控制系统，对压力加载单元和核磁共振设备直接控制，配合上泵压设备可以保证试验的精确性，也节约了大量的时间成本和资金成本。
附图说明
17.图1为实施例1的整体装置结构示意图。
18.图2为图1中陶瓷水力压裂压头的结构示意图。
19.图3为实施例1试件与水力压裂压头的剖面图。
20.图4为实施例1陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆的结构示意图。
21.图5为图2和图4的组装示意图。
22.图中，1-总控制系统，2-压力加载单元，3-核磁共振设备，4-泵压设备，5-注液管，6-陶瓷水力压裂压头，7-试件，8-陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆，8a-连接杆底部，8b-射孔，8c-铝制注液管道，8d-连接杆预留密封槽，9-压头密封槽，10-压头导流管，11-导流管转换接头，12-注入压裂液接头，13-注入射孔，14-输出压裂液接头，15-输出射孔，16-密封圈，17-加载接触面。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例 1：
24.参见图1-5，一种基于核磁下实时监测水力压裂过程的试验系统，包括总控制系统1，总控制系统1的一侧设有压力加载单元2、核磁共振设备3和泵压设备4，核磁共振设备3的内部设有试件7，试件7与总控制系统1和压力加载单元2相连接，试件7的内部设有陶瓷水力压裂压头6和陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆8，陶瓷水力压裂压头6与陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆8相匹配。
25.通过压力加载单元2的设置，对试件7进行预压，使试件7加载固定的轴压和围压并恒定维持，通过核磁共振设备3的设置，对试件7进行实时压裂下孔隙、裂隙等结构特性的研究，通过泵压设备4的设置，可以设定好流体速率或流体压力进行试验。
26.具体的，陶瓷水力压裂压头6的顶端设有加载接触面17，陶瓷水力压裂压头6的内
部设有压头导流管10，压头导流管10的顶端与底端均设有导流管转换接头11，两个导流管转换接头11相对的一侧分别设有注入压裂液接头12和输出压裂液接头14，注入压裂液接头12的内部开设有注入射孔13，输出压裂液接头14的内部开设有输出射孔15，泵压设备4的一端连通设置有注液管5，注液管5远离泵压设备4的一端与注入射孔13相连接。
27.通过陶瓷水力压裂压头6的设置，陶瓷水力压裂压头6用于对试件7进行加压情况下水力压裂的实施，压力加载单元2再对试件7进行施压时能够确保试件7更好地进行试验。
28.具体的，陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆8的外部开设有多个连接杆预留密封槽8d，陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆8的内部开设有铝制注液管道8c，陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆8的底端开设有多个射孔8b，射孔8b与铝制注液管道8c相连通，射孔8b的下方设有连接杆底部8a，陶瓷水力压裂压头6的底部开设有多个压头密封槽9，多个连接杆预留密封槽8d与压头密封槽9的内部均设有密封圈16。
29.将预留密封槽8d与密封圈16组装放入试件7中，能与试件7内壁紧贴，可以更好地进行试验，通过铝制注液管道8c输送压裂液，通过射孔8b对试件7进行压裂，射孔8b为前、后、左、右四个孔，通过连接杆预留密封槽8d与密封圈16的设置，保证压裂液不会从压头与试件接触面流出，使压裂液通过连接杆进入试件内部进行压裂。
30.具体的，陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆8外部一周由陶瓷材质制成，压头导流管10由铝制成，试件7的尺寸为50mm
×
100mm的标准圆柱形，总控制系统1与压力加载单元2、核磁共振设备3和泵压设备4电性连接。
31.通过陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆8外部一周由陶瓷材质制成的设置，陶瓷材质可在核磁共振设备3下进行工作，通过总控制系统1的设置，可以控制压力加载单元2、核磁共振设备3和泵压设备4对试件7进行参数设定。
实施例 2：
32.参见图1-5，本发明还公开了一种基于核磁下实时监测水力压裂过程的试验系统的操作方法，包括以下步骤：s1：准备试件7，选用尺寸50mm
×
100mm的标准圆柱形试件7；s2：通过总控制系统1对压力加载单元2以及核磁共振设备3进行试验参数设定，等待试验开始；s3：通过泵压设备4对试验流体速率或流体压力进行试验参数设定，等待试验开始；s4：将注液管5与陶瓷水力压裂压头6的注入射孔13连接，并在压头密封槽9处套好密封圈16，再将陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆8处的连接杆预留密封槽8d套好密封圈16，放入试件7中，与试件7内壁紧密接触。最后将陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆8与陶瓷水力压裂压头6组装，如图5所示；s5：将组装好的试件7放入核磁共振设备3中，通过总控制系统1操作开始试验；s6：试件7破坏时，立刻停止泵压设备4，再通过压力加载单元2进行卸载压力并关闭压力加载单元2，最后关闭核磁共振设备3；s7：拆卸陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆8与陶瓷水力压裂压头6，取出试件7，再拆卸陶瓷水力压裂压头6中注入射孔13连接的注液管5，取下连接杆预留密封槽8d及压头密封
槽9的密封圈16；s8：记录试验数据，完成试验。
33.本发明的工作原理：在使用时，首先通过总控制系统1对压力加载单元2、核磁共振设备3和泵压设备4进行试验参数设定，等待试验开始，随后将注液管5与陶瓷水力压裂压头6的注入射孔13连接，并在压头密封槽9处套好密封圈16，再将陶瓷水力压裂压头6放入到试件7中，与试件7内壁紧密接触，随后将陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆8处的预留密封槽8d套好密封圈16，将陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆8与试件7内部陶瓷水力压裂压头6进行组装，组装完成后将试件7放入到核磁共振设备3中，通过总控制系统1操作开始试验，启动泵压设备4，使试件7中的流体速率或流体压力在整个试验过程中保持恒定，启动压力加载单元2对试件进行预压，使试件7承受的压力达到设定值并在整个试验过程中保持恒定，再通过核磁共振设备3，实时记录试件7在水力压裂过程中试件7的孔隙、裂隙等结构变化特性的重要信息，当试件7破坏时，立刻停止泵压设备4，再通过压力加载单元2进行卸载压力并关闭压力加载单元2，最后关闭核磁共振设备3，随后拆卸陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆8与陶瓷水力压裂压头6，将取出试件7，再拆卸陶瓷水力压裂压头6中注入射孔13连接的注液管5，取下预留密封槽8d及压头密封槽9的密封圈16。
34.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种基于核磁下实时监测水力压裂过程的试验系统，其特征在于：包括总控制系统（1），所述总控制系统（1）的一侧设有压力加载单元（2）、核磁共振设备（3）和泵压设备（4），所述核磁共振设备（3）的内部设有试件（7），所述试件（7）与总控制系统（1）和压力加载单元（2）相连接，所述试件（7）的内部设有陶瓷水力压裂压头（6）和陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆（8），所述陶瓷水力压裂压头（6）与陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆（8）相匹配。2.如权利要求1所述的一种基于核磁下实时监测水力压裂过程的试验系统，其特征在于：所述陶瓷水力压裂压头（6）的顶端设有加载接触面（17），所述陶瓷水力压裂压头（6）的内部设有压头导流管（10），所述压头导流管（10）的顶端与底端均设有导流管转换接头（11），两个所述导流管转换接头（11）相对的一侧分别设有注入压裂液接头（12）和输出压裂液接头（14），所述注入压裂液接头（12）的内部开设有注入射孔（13），所述输出压裂液接头（14）的内部开设有输出射孔（15）。3.如权利要求1所述的一种基于核磁下实时监测水力压裂过程的试验系统，其特征在于：所述陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆（8）的外部开设有多个连接杆预留密封槽（8d），所述陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆（8）的内部开设有铝制注液管道（8c），所述陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆（8）的底端开设有多个射孔（8b），所述射孔（8b）与铝制注液管道（8c）相连通，所述射孔（8b）的下方设有连接杆底部（8a）。4.如权利要求3所述的一种基于核磁下实时监测水力压裂过程的试验系统，其特征在于：所述陶瓷水力压裂压头（6）的底部开设有多个压头密封槽（9），多个所述连接杆预留密封槽（8d）与压头密封槽（9）的内部均设有密封圈（16）。5.如权利要求2所述的一种基于核磁下实时监测水力压裂过程的试验系统，其特征在于：所述泵压设备（4）的一端连通设置有注液管（5），所述注液管（5）远离泵压设备（4）的一端与注入射孔（13）相连接。6.如权利要求2所述的一种基于核磁下实时监测水力压裂过程的试验系统，其特征在于：所述陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆（8）外部一周由陶瓷材质制成，所述压头导流管（10）由铝制成，所述试件（7）的尺寸为50mm
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100mm的标准圆柱形，所述总控制系统（1）与压力加载单元（2）、核磁共振设备（3）和泵压设备（4）电性连接。7.一种基于核磁下实时监测水力压裂过程的试验系统的操作方法，包括权利要求1-6任意一项所述的一种基于核磁下实时监测水力压裂过程的试验系统，其特征在于，包括以下步骤：s1：准备试件（7），选用尺寸50mm
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100mm的标准圆柱形试件（7）；s2：通过总控制系统（1）对压力加载单元（2）以及核磁共振设备（3）进行试验参数设定，等待试验开始；s3：通过泵压设备（4）对试验流体速率或流体压力进行试验参数设定，等待试验开始；s4：将注液管（5）与陶瓷水力压裂压头（6）的注入射孔（13）连接，并在压头密封槽（9）处套好密封圈（16），再将陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆（8）处的连接杆预留密封槽（8d）套好密封圈（16），放入试件（7）中，与试件（7）内壁紧密接触，最后将陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆（8）与陶瓷水力压裂压头（6）组装，如图5所示；s5：将组装好的试件（7）放入核磁共振设备（3）中，通过总控制系统（1）操作开始试验；s6：试件（7）破坏时，立刻停止泵压设备（4），再通过压力加载单元（2）进行卸载压力并
关闭压力加载单元（2），最后关闭核磁共振设备（3）；s7：拆卸陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆（8）与陶瓷水力压裂压头（6），取出试件（7），再拆卸陶瓷水力压裂压头（6）中注入射孔（13）连接的注液管（5），取下连接杆预留密封槽（8d）及压头密封槽（9）的密封圈（16）；s8：记录试验数据，完成试验。

技术总结
本发明涉及一种基于核磁下实时监测水力压裂过程的试验系统及方法，该装置包括总控制系统，所述总控制系统的一侧设有压力加载单元、核磁共振设备和泵压设备，所述核磁共振设备的内部设有试件，所述试件与总控制系统和压力加载单元相连接，所述试件的内部设有陶瓷水力压裂压头和陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆，所述陶瓷水力压裂压头与陶瓷及铝制的可拆卸式连接杆相匹配，所述陶瓷水力压裂压头的顶端设有加载接触面，本发明设计合理、操作简单，考虑了水力压裂过程流体分布和孔隙结构变化特征，可以通过得到的数据及图像进行处理，分析试件在水力压裂试验下实时数据显示、流体走向及水力压裂裂缝的扩展规律。力压裂裂缝的扩展规律。力压裂裂缝的扩展规律。


技术研发人员：赵瑜 黄华森 张永发 王超林 毕靖 龙安发 吴胜锋 钟秀杰 罗祥忠
受保护的技术使用者：贵州大学
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/7/20