一种寒冷地层页岩油热压裂模拟实验系统技术领域
本发明涉及一种页岩油开采模拟实验系统，尤其涉及一种用于模拟寒冷地层液压油加
热压裂的模拟实验系统。
背景技术
随着能源危机的加剧，世界上许多国家包括美国、俄罗斯都开展了页岩油气的开采技
术研究，许多地区的页岩油开采已经初具规模，取得了技术上的突破和经济上的成功；而
中国页岩油开采起步较晚，矿藏赋存条件差，工业化生产难度较大，很大程度上制约了中
国页岩油的市场发展，不利于中国在国际能源领域的博弈和竞争。
页岩油开采的关键技术是压裂，尤其是热压裂。由于页岩岩层的孔隙度较小，传统的
压裂方法和压裂参数很难直接借鉴，必须针对特定页岩赋存油层进行大量的实验，寻找最
适用的压裂途径。传统的实验通常是在采油现场进行，这种方式虽然直接测量的精确度较
高，但由于现场环境变化大，影响因素多，很难得到完整的实验数据，很多关键数据都是
依靠多次实验的平均方差来得到，同时，考虑到国内油田一般都分布在偏远地区，这在无
形中也增加了实验成本。现有技术中也有一些模拟实验系统，但其仅仅是单一的参数的测
量，集成度不高，而且各实验步骤依赖手动切换和操作，精度较差，自动化程度低，更为
重要的是，现有的模拟实验系统通常没有温度调控装置，即使有，也是针对压裂液温度的
调节，对地层温度之一关键参数无法进行有针对性的模拟。这样，其模拟高寒地区的页岩
油压裂时，就很难得到正确的实验参数。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种寒冷地层页岩油热压裂模拟实验系统，包括外壳体、
中壳体和内壳体，所述外壳体和中壳体限定出外腔，所述中壳体和内壳体限定出内腔，所
述内壳体内部为实验腔，还包括配样模块、地层模块、压裂模块、分析模块和控制模块；
所述配样模块设置在所述外腔中，所述配样模块包括用于容纳页岩试样的配样筒，所
述配样筒上连接有第一计量泵和第二计量泵，所述第一计量泵连接油源，所述第二计量泵
连接气源，所述第一计量泵和第二计量泵上分别设置有电控截止阀门和计量表；
所述地层模块包括地层温度传感器和冷媒注入装置，所述地层温度传感器设置在所述
内腔中，所述冷媒注入装置注入管、电控开关和冷源，所述电控开关设置在所述注入管上，
所述注入管一端伸入到所述内腔中，另一端连接所述冷源；
所述压裂模块包括压裂温度传感器、压裂压力传感器、压裂液注入装置，所述压裂温
度传感器和压裂压力传感器设置在所述实验腔中，分别用于检测压裂温度和压裂压力，所
述压裂液注入装置包括高精度计量泵、压裂液暂存器、混配器、空气流量计、空压机、稳
压罐、背压阀和真空泵，所述高精度计量泵通过截止阀与所述压裂液暂存器的进口连接，
所述压裂液暂存器的出口通过截止阀与所述混配器的第一进口连接，所述混配器的第二进
口通过所述空气流量计与所述空压机连接；所述混配器的主出口通过可控流量阀与所述稳
压罐的进口连接，所述稳压罐的出口与所述实验腔中的页岩试样连接，所述混配器的第一
副出口连接所述背压阀，所述混配器的第二副出口连接所述真空泵；
所述分析模块设置在所述外腔中，包括光谱分析仪、核磁共振成像仪、声波探测仪和
远红外成像仪；
所述控制模块包括监控主机，所述监控主机连接所述配样模块、地层模块、压裂模块
和分析模块。
优选所述冷源为干冰或液氮。
优选所述压裂液注入装置还包括电加热盘管，所述电加热盘管设置在所述压裂液暂存
器和所述混配器的连接管路上。
优选所述配样模块还包括交流伺服电机、交流伺服电机控制器、减速机、滚珠丝杠和
输送台，所述配样筒设置在所述输送台上，所述交流伺服电机通过减速机、滚珠丝杠连接
所述输送台，通过所述交流伺服电机控制器控制所述交流伺服电机的电机轴转动圈数，以
此控制输送台的移动距离。
本发明集成度高，整个实验装置设置在一个壳体内，使用维修方便；采用了三层三腔
的壳体结构，准备工作在外腔进行，地层模拟在内腔进行，压裂模拟在内腔进行，三腔互
不干涉，达到了位置分离而功能效果相互影响的目的；自动化程度高，通过监控主机可以
实现实验的一键完成，可以在无人值守的情况下完成整个实验过程，提高了实验效率。
附图说明
附图1是本发明所述寒冷地层页岩油热压裂模拟实验系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明所述寒冷地层页岩油热压裂模拟实验系统的优选实施例进行
详细说明。
在一个优选实施例中，寒冷地层页岩油热压裂模拟实验系统，包括由外壳体、中壳体
和内壳体构成的实验平台，外壳体由轻质板材构成，基本为矩形，上设多个带玻璃片的观
察孔，中壳体基本为椭圆形，有隔温材料制作而成，优选包括三层结构，其外层为玻璃钢
板，厚度为3-4cm，中层为石棉层，厚度不小于10cm，内层为保护层，由厚度为1-2cm的
聚四氟乙烯层构成，即保证其与石棉层的可靠连接，又防止冷媒对其的腐蚀，外壳体和中
壳体之间为外腔，中壳体和内壳体之间为内腔，内壳体内部为实验腔，实验系统基本由配
样模块、地层模块、压裂模块、分析模块和控制模块几部分组成。
配样模块用于配置压裂试样，其设置在外腔中，所有的配样工作基本都在外腔中进行，
配制完成的试样通过配样模块的输送装置送入实验腔中。页岩试样放置在配样模块中的配
样筒中，配样筒上连接有第一计量泵和第二计量泵，第一计量泵连接油源，油源为配制好
的用于实验的石油，通常采用死油和活油混配的方式，尽可能的模拟现场的石油组分，第
二计量泵连接气源，气源为天然气，第一计量泵和第二计量泵上分别设置有电控截止阀门
和计量泵，通过计量泵注入配制好的石油和天然气，并保证足够的压力以使其渗入到试样
当中，通过电控截止阀门控制注入量，保证注入精度；配样模块还包括输送装置，输送装
置包括交流伺服电机、交流伺服电机控制器、减速机、滚珠丝杠和输送台，配样筒设置在
输送台上，交流伺服电机通过减速机、滚珠丝杠连接输送台，通过交流伺服电机控制器控
制交流伺服电机的电机轴转动圈数，以此控制输送台的移动距离，使其将配样筒精确的送
到实验腔的恰当位置。
地层模块用于模拟地层温度，并对其进行控制，其包括地层温度传感器和冷媒注入装
置，地层温度传感器设置在内腔中，用于实时监测内腔中的温度，冷媒注入装置包括注入
管、电控开关和冷源，注入管一端伸入到内腔中，另一端连接冷源，用于将冷源注入内腔，
保持内腔中的低温，电控开关设置在注入管上，实时控制冷源的注入量，冷源可以为干冰
或液氮，也可以采用其它冷媒，但必须保证其可以制造出内腔低于零下30℃的低温,以模拟
高寒地区的极低地层温度；
压裂模块包括压裂温度传感器、压裂压力传感器、压裂液注入装置，压裂温度传感器
和压裂压力传感器设置在实验腔中，分别用于检测压裂温度和压裂压力，压裂液注入装置
包括高精度计量泵、压裂液暂存器、混配器、空气流量计、空压机、稳压罐、背压阀和真
空泵，高精度计量泵通过第一截止阀与压裂液暂存器的进口连接，向暂存器中注入压裂液,
压裂液暂存器的出口通过第二截止阀与混配器的第一进口连接，将压裂液导入混配器中,混
配器的第二进口通过空气流量计与空压机连接,通过空压机向混配器注入空气,并使其与压
裂液混合,尽可能逼真的模拟现场实际的压裂现状；优选在压裂液暂存器和混配器的连接管
路上电加热盘管，实时对压裂液进行加热，模拟现场的热压裂，混配器包括三个出口,其主
出口通过可控流量阀与稳压罐的进口连接，稳压罐的体积尽量大,通过从混配器到稳压罐体
积的变化减少压裂液的压力波动,避免压力波动对压裂效果带来的影响,混配器的第一副出
口连接背压阀，用于在发生故障时卸压,防止发生危险,混配器的第二副出口连接真空泵,用
于在实验结束时放空混配器和与其连接的暂存器等中的压裂液；稳压罐的出口与实验腔中
的页岩试样连接，用于对试样进行压裂。
分析模块用于对试样进行分析，其设置在外腔中，包括但不限于光谱分析仪、核磁共
振成像仪、声波探测仪和远红外成像仪中的一种或多种，通过各种分析仪器对压裂后的试
样进行理化性能分析，得到压裂缝隙率、缝隙分布趋势、气溶解度、油溶解度、油气残存
量、压裂液用量等关键参数，并进而计算压裂效率，评估不同温度压力下的压裂效果。
控制模块包括监控主机PLC，监控主机连接配样模块、地层模块、压裂模块和分析模块，
用于控制其中各部件的运行，其控制可通过程序实现，也可通过手动分步骤进行。
以上所述，仅为本发明专利较佳的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限
于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变
化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。