本发明提供一种能够实现岩石样品在地应力条件下被超临界二氧化碳致裂的岩石力学试验系统。其特征是采用液态二氧化碳源、高压计量柱塞泵以及数控高精度加热装置组成超临界二氧化碳伺服供给部分来实现超临界二氧化碳的等流量或等压力供给；采用密闭保温携砂装置、表面活性剂加注装置以及反排装置组成密闭携砂部分来实现超临界二氧化碳携砂进入并撑开裂缝；采用液压油源、三轴压力室、高刚度作动器、岩样上下垫板以及岩石试样组成岩样加压部分为岩石试样施加轴向应力和围压以模拟真实地应力状态。
1.一种能够实现岩石样品在地应力条件下被超临界二氧化碳致裂的岩石力学试验系统，由超临界二氧化碳伺服供给部分、密闭携砂部分以及岩样加压部分共三部分构成，所述超临界二氧化碳伺服供给部分由液态二氧化碳源(1)，第一安全阀门(2)，压力表(3)，高压计量柱塞泵(4)，止回阀(5)，第一压力传感器(6)，压力自动转换阀(7)，蓄能器(8)，第二安全阀门(9)，二氧化碳加热装置(10)，第一温度传感器(11)和第三安全阀门(12)组成，液态二氧化碳源(1)的二氧化碳在常温下高压保存于钢瓶中，高压计量柱塞泵(4)满足伺服供给的输出流量和输出压力要求，蓄能器(8)能够配合高压计量柱塞泵(4)以确保液态二氧化碳的稳定供给，二氧化碳加热装置(10)能够将液态二氧化碳均匀加热至设定温度；所述密闭携砂部分由密闭保温携砂装置(13)，第二温度传感器(14)，第二压力传感器(15)，表面活性剂加注装置(16)，阀门(17)，反排装置(18)，压裂操控装置(19)，第四安全阀门(20)和超临界二氧化碳注入口(21)组成，密闭保温携砂装置(13)在完全密闭条件下能够将超临界二氧化碳和细砂混合后输出，反排装置(18)能够使携砂后的超临界二氧化碳单向稳定输出，压裂操控装置(19)能够全面控制液态二氧化碳在供给过程中的压力、温度和流量；所述岩样加压部分由岩石试样(22)，试样上下垫板(23)，压力室(24)，围压输入口(25)，压力作动器(26)，加载操控装置(27)和液压油源(28)组成，压力室(24)的壁厚满足岩石试样(22)的围压加载，围压输入口(25)能够伺服输入岩石试样(22)围压加载所需压力，压力作动器(26)能够伺服输出岩石试样(22)轴压加载所需压力，试样上下垫板(23)的尺寸大于岩石试样(22)直径，加载操控装置(27)的频率响应能够满足岩石试样(22)的轴向及围压伺服加载；
其中，采用所述密闭保温携砂装置(13)配合所述第二温度传感器(14)和所述第二压力传感器(15)，使得超临界二氧化碳在压力温度恒定的情况下携带细砂进入岩石试样；
所述液态二氧化碳源(1)的输出端口分别与两个所述高压计量柱塞泵(4)的输入端通过管道连接；在所述液态二氧化碳源(1)与高压计量柱塞泵(4)的连接管道上，依次设置有第一安全阀门(2)和压力表(3)；两个所述高压计量柱塞泵(4)的输出端均与所述压力自动转换阀(7)通过管道连接；两个所述高压计量柱塞泵(4)与所述压力自动转换阀(7)的连接管道上均依次设置有止回阀(5)和第一压力传感器(6)；所述压力自动转换阀(7)与所述二氧化碳加热装置(10)的输入端通过管道连接；所述蓄能器(8)的输出端口通过管道连接在所述压力自动转换阀(7)与所述二氧化碳加热装置(10)的连接管道上；在所述压力自动转换阀(7)与所述二氧化碳加热装置(10)的连接管道上，设置有所述第二安全阀门(9)，且所述蓄能器(8)位于所述压力自动转换阀(7)与所述第二安全阀门(9)之间；所述二氧化碳加热装置(10)的输出端与所述密闭保温携砂装置(13)的输入端通过管道连接，且在所述二氧化碳加热装置(10)与所述密闭保温携砂装置(13)的连接管道上设置有第三安全阀门(12)；
所述密闭保温携砂装置(13)的输出端与所述超临界二氧化碳注入口(21)通过管道连接，且在所述密闭保温携砂装置(13)与所述超临界二氧化碳注入口(21)的连接管道上还设置有所述第四安全阀门(20)；所述超临界二氧化碳注入口(21)与所述岩石试样(22)的轴向钻孔通过管道连接；
所述表面活性剂加注装置(16)的输出端口与所述密闭保温携砂装置(13)的输入端通过管道连接，且在该管道上设置有阀门(17)；所述压裂操控装置(19)与所述表面活性剂加注装置(16)电连接，用于控制所述表面活性剂加注装置(16)的开启和关闭；
所述反排装置(18)通过管道连接在所述密闭保温携砂装置(13)与所述超临界二氧化碳注入口(21)的连接管道上，且所述反排装置(18)位于所述密闭保温携砂装置(13)和第四安全阀门(20)之间；
所述压裂操控装置(19)分别与所述高压计量柱塞泵(4)的控制端和所述第一压力传感器(6)电连接；所述第一压力传感器(6)用于检测所述高压计量柱塞泵(4)与所述压力自动转换阀(7)的连接管道中的压力值，以便所述压裂操控装置(19)根据所述压力传感器(6)检测得到的压力值控制所述高压计量柱塞泵(4)是否开启；
所述密闭保温携砂装置(13)上设置有所述第二温度传感器(14)和所述第二压力传感器(15)；所述第二温度传感器(14)和所述第二压力传感器(15)均与所述压裂操控装置(19)电连接；所述压裂操控装置(19)根据接收到的所述第二温度传感器(14)中检测的温度值和所述第二压力传感器(15)中检测的压力值，判断是否开启所述密闭保温携砂装置(13)；
所述二氧化碳加热装置(10)上设置有所述第一温度传感器(11)；所述第一温度传感器(11)与所述压裂操控装置(19)电连接；所述压裂操控装置(19)根据接收到的所述第一温度传感器(11)中检测的温度值，判断是否关闭所述二氧化碳加热装置(10)；
所述液压油源(28)的输出端与所述加载操控装置(27)通过管道连接；所述加载操控装置(27)与所述围压输入口(25)通过管道连接；
所述加载操控装置(27)分别与所述液压油源(28)的控制端和所述压力作动器(26)的控制端电连接，以用于控制所述液压油源(28)的开启和关闭，以及用于控制所述压力作动器(26)的开启和关闭；
所述超临界二氧化碳注入口(21)设置在所述压力室(24)一侧的上方；所述围压输入口(25)设置所述压力室(24)另一侧的下方；所述岩石试样(22)设置在所述试样上下垫板(23)的中间；所述岩石试样(22)和试样上下垫板(23)设置在压力室(24)中；所述压力作动器(26)设置在所述压力室(24)的正下方。
超临界二氧化碳岩石压裂试验系统
[0001] 技术领域 岩石力学试验技术与设备领域
[0002] 背景技术 页岩气的开发需要对储层实施压裂改造，将压裂介质携砂后高压泵入储层，在低渗透致密岩层中实施压裂形成三维裂缝网络，有效提高储层岩石渗透率而达到开发资源的目的。超临界二氧化碳是当二氧化碳温度超过31.26℃，压力超过7.38MPa时的一种特殊状态，超临界二氧化碳分子间作用力很小，流动性极强而密度较高，如果采用超临界二氧化碳作为压裂介质，可以最大限度沟通储层中的裂缝网络。对于如何通过在实验室模拟重现地应力状态下岩样在超临界二氧化碳作用下的破裂效果是个难题，主要在于几个方面的问题难以解决：如何实现液态二氧化碳向超临界二氧化碳的转变；如何实现超临界二氧化碳的伺服供给；如何实现超临界二氧化碳的携砂。
[0003] 发明内容 本发明提供一种能够实现岩石样品在地应力条件下被超临界二氧化碳致裂的岩石力学试验系统。其特征是采用液态二氧化碳源、高压计量柱塞泵以及数控高精度加热装置组成超临界二氧化碳伺服供给部分来实现超临界二氧化碳的等流量或等压力供给；采用密闭保温携砂装置、表面活性剂加注装置以及反排装置组成密闭携砂部分来实现超临界二氧化碳携砂进入并撑开裂缝；采用液压油源、三轴压力室、高刚度作动器、岩样上下垫板以及岩石试样组成岩样加压部分为岩石试样施加轴向应力和围压以模拟真实地应力状态。
[0004] 超临界二氧化碳岩石压裂试验系统，由超临界二氧化碳伺服供给部分、密闭携砂部分以及岩样加压部分共三部分构成，所述超临界二氧化碳伺服供给部分由液态二氧化碳源1，第一安全阀门2，压力表3，高压计量柱塞泵4，止回阀5，第一压力传感器6，压力自动转换阀7，蓄能器8，第二安全阀门9，二氧化碳加热装置10，第一温度传感器11和第三安全阀门12组成；所述密闭携砂部分由密闭保温携砂装置13，第二温度传感器14，第二压力传感器
15，表面活性剂加注装置16，阀门17，反排装置18，压裂操控装置19，第四安全阀门20和超临界二氧化碳注入口21组成；所述岩样加压部分由岩石试样22，试样上下垫板23，压力室24，围压输入口25，压力作动器26，加载操控装置27和液压油源28组成。
[0005] 基本原理与技术：针对液态二氧化碳增压泵送的需要，采用两台高压计量柱塞泵并联来实现液态二氧化碳的等压力或等流量连续伺服供给，将液态二氧化碳增压至超过7.38MPa；针对液态二氧化碳增压后还需要提升温度才能使得液态二氧化碳进入超临界态，采用二氧化碳加热装置配合温度传感器对增压后的液态二氧化碳均匀加热至超过31.26℃，最终使得液态二氧化碳进入超临界态；针对超临界二氧化碳储层压裂过程中压裂介质需要携砂进入裂缝以撑开裂缝，采用密闭保温携砂装置配合温度传感器和压力传感器使得超临界二氧化碳在保证压力温度恒定的情况下携带细砂进入岩石试样；针对岩石试样地应力状态的模拟需要，采用圆筒形压力室沿试样轴向及周边施加轴压及围压，围压由液压油注入口进入压力室沿试样周边来施加，轴压采用压力作动器沿试样轴向来施加；针对超临界二氧化碳储层压裂过程模拟的需要，采用沿岩石试样轴线布置一定直径的钻孔，将超临界二氧化碳沿钻孔注入岩样来实施压裂。
[0006] 超临界二氧化碳岩石压裂试验系统，由超临界二氧化碳伺服供给部分、密闭携砂部分以及岩样加压部分共三部分构成。
[0007] 超临界二氧化碳伺服供给部分由液态二氧化碳源1，第一安全阀门2，压力表3，高压计量柱塞泵4，止回阀5，第一压力传感器6，压力自动转换阀7，蓄能器8，第二安全阀门9，二氧化碳加热装置10，第一温度传感器11和第三安全阀门12组成。液态二氧化碳源1的二氧化碳在常温下高压保存于钢瓶中，高压计量柱塞泵4必须满足伺服供给的输出流量和输出压力要求，蓄能器8能够配合高压计量柱塞泵4以保证液态二氧化碳的稳定供给，二氧化碳加热装置10需要能够保证能够将液态二氧化碳均匀加热至设定温度。
[0008] 密闭携砂部分由密闭保温携砂装置13，第二温度传感器14，第二压力传感器15，表面活性剂加注装置16，阀门17，反排装置18，压裂操控装置19，第四安全阀门20和超临界二氧化碳注入口21组成。密闭保温携砂装置13必须保证在完全密闭条件下能够将超临界二氧化碳和细砂混合后输出，反排装置18可以保证携砂后的超临界二氧化碳单向稳定输出，压裂操控装置19能够全面控制液态二氧化碳在供给过程中的压力、温度和流量。
[0009] 岩样加压部分由岩石试样22，试样上下垫板23，压力室24，围压输入口25，压力作动器26，加载操控装置27和液压油源28组成。压力室24的壁厚应满足岩石试样22的围压加载需要，围压输入口25应能够伺服输入岩石试样22围压加载所需压力，压力作动器26应能够伺服输出岩石试样22轴压加载所需压力，试样上下垫板23的尺寸应大于岩石试样22直径，加载操控装置27的频率响应能够满足岩石试样22的轴向及围压伺服加载需要。
[0010] 所述液态二氧化碳源1的输出端口分别与两个所述高压计量柱塞泵4的输入端通过管道连接；在所述液态二氧化碳源1与高压计量柱塞泵4的连接管道上，依次设置有第一安全阀门2和压力表3；两个所述高压计量柱塞泵4的输出端均与所述压力自动转换阀7通过管道连接；两个所述高压计量柱塞泵4与所述压力自动转换阀7的连接管道上均依次设置有止回阀5和第一压力传感器6；所述压力自动转换阀7与所述二氧化碳加热装置10的输入端通过管道连接；所述蓄能器8的输出端口通过管道连接在所述压力自动转换阀7与所述二氧化碳加热装置10的连接管道上；在所述压力自动转换阀7与所述二氧化碳加热装置10的连接管道上，设置有所述第二安全阀门9，且所述蓄能器8位于所述压力自动转换阀7与所述第二安全阀门9之间；所述二氧化碳加热装置10的输出端与所述密闭保温携砂装置13的输入端通过管道连接，且在所述二氧化碳加热装置10与所述密闭保温携砂装置13的连接管道上设置有第三安全阀门12；所述密闭保温携砂装置13的输出端与所述超临界二氧化碳注入口21通过管道连接，且在所述密闭保温携砂装置13与所述超临界二氧化碳注入口21的连接管道上还设置有所述第四安全阀门20；所述超临界二氧化碳注入口21与所述岩石试样22的轴向钻孔通过管道连接；
[0011] 所述表面活性剂加注装置16的输出端口与所述密闭保温携砂装置13的输入端通过管道连接，且在该管道上设置有阀门17；所述压裂操控装置19与所述表面活性剂加注装置16电连接，用于控制所述表面活性剂加注装置16的开启和关闭；
[0012] 所述反排装置18通过管道连接在所述密闭保温携砂装置13与所述超临界二氧化碳注入口21的连接管道上，且所述反排装置18位于所述密闭保温携砂装置13和第四安全阀门20之间；
[0013] 所述压裂操控装置19分别与所述高压计量柱塞泵4的控制端和第一压力传感器6电连接；所述第一压力传感器6用于检测所述高压计量柱塞泵4与所述压力自动转换阀7的连接管道中的压力值，以便所述压裂操控装置19根据所述压力传感器6检测得到的压力值控制所述高压计量柱塞泵4是否开启；
[0014] 所述密闭保温携砂装置13上设置有所述第二温度传感器14和所述第二压力传感器15；所述第二温度传感器14和所述第二压力传感器15均与所述压裂操控装置19电连接；所述压裂操控装置19根据接收到的所述第二温度传感器14中检测的温度值和所述第二压力传感器15中检测的压力值，判断是否开启所述密闭保温携砂装置13；
[0015] 所述二氧化碳加热装置10上设置有所述第一温度传感器11；所述第一温度传感器11与所述压裂操控装置19电连接；所述压裂操控装置19根据接收到的所述第一温度传感器
11中检测的温度值，判断是否关闭所述二氧化碳加热装置10；
[0016] 所述液压油源28的输出端与所述加载操控装置27通过管道连接；所述加载操控装置27与所述围压输入口25通过管道连接；
[0017] 所述加载操控装置27分别与所述液压油源28的控制端和所述压力作动器26的控制端电连接，以用于控制所述液压油源28的开启和关闭，以及用于控制所述压力作动器26的开启和关闭；
[0018] 所述超临界二氧化碳注入口21设置在所述压力室24一侧的上方；所述围压输入口25设置所述压力室24另一侧的下方；所述岩石试样22设置在所述试样上下垫板23的中间；
所述岩石试样22和试样上下垫板23设置在压力室24中；所述压力作动器26设置在所述压力室24的正下方。
附图说明
[0019] 附图是超临界二氧化碳岩石压裂试验系统组成图。
[0020] 1：液态二氧化碳源；2：第一安全阀门；3：压力表；4：高压计量柱塞泵；5：止回阀；6：第一压力传感器；7：压力自动转换阀；8：蓄能器；9：第二安全阀门；10：二氧化碳加热装置；
11：第一温度传感器；12：第三安全阀门；13：密闭保温携砂装置；14：第二温度传感器；15：第二压力传感器；16：表面活性剂加注装置；17：阀门；18：反排装置；19：压裂操控装置；20：第四安全阀门；21：超临界二氧化碳注入口；22：岩石试样；23：试样上下垫板；24：压力室；25：
围压输入口；26：压力作动器；27：加载操控装置；28：液压油源。
[0021] 具体实施方式1.将岩石试样22放置于试样上下垫板23之间并置于压力室24中，启动加载操控装置27控制液压油源28中的液压油通过围压输入口25进入压力室24对岩石试样22施加围压至设定值，之后加载操控装置27控制压力作动器26沿岩石试样22轴向施加轴向荷载至设定值。
[0022] 2.打开第一安全阀门2，通过压力表3获取液态二氧化碳当前压力值，之后高压液态二氧化碳通过第一安全阀门2进入高压计量柱塞泵4，通过压裂操控装置19启动高压计量柱塞泵4对液态二氧化碳增压至设定值，通过压力自动转换阀7增压后液态二氧化碳的连续供给，打开第二安全阀门9，增压后的液态二氧化碳进入二氧化碳加热装置10进行均匀加热至设定温度值，最终使得液态二氧化碳进入超临界态。
[0023] 3.打开第三安全阀门12，超临界二氧化碳通过第三安全阀门12进入密闭保温携砂装置13后与细砂混合，在此过程中可以打开阀门17并开启表面活性剂加注装置16以实现超临界二氧化碳和细砂的均匀混合，携砂后的超临界二氧化碳通过反排装置18输出。
[0024] 4.打开第四安全阀门20，携砂后的超临界二氧化碳通过超临界二氧化碳注入口21输入岩石试样22的轴向钻孔，三轴应力状态下的岩石试样22在超临界二氧化碳作用下最终破裂。
