岩石水压破裂动态监测系统及其测定方法

摘要

本发明公开一种动岩石水压破裂动态监测系统及其测定方法，包括：CT封闭室内设有CT扫描镜头；岩石夹持筒设置于CT封闭室内，岩石夹持筒内设有弹性筒，弹性筒的外壁与岩石夹持筒的内壁之间形成密闭的环形围压腔体；围压泵与环形围压腔体连接；轴压泵的输出端与岩石夹持筒的内腔上部连接；套筒嵌入岩心样品的内部，套筒的筒壁设有多个出水孔，中心水压泵通过管路与套筒连接；在CT封闭室内，利用轴压泵和围压泵同时对被测岩心样品进行加压，模拟底层下岩石的受力情况，通过中心水压泵对岩心样品内部施加水压，使岩石产生裂缝，CT扫描镜头实时扫描记录岩心样品的压裂过程，实现动态连续监测压裂条件下岩心样品的变化特征。

权利要求

1.一种岩石水压破裂动态监测系统，其特征在于，包括：

CT封闭室，所述CT封闭室内设有CT扫描镜头；

岩石夹持筒，所述岩石夹持筒设置于所述CT封闭室内，所述岩石夹持筒用于放置岩心样品，所述岩石夹持筒的上端设有盖体，下端设有底座，所述CT扫描镜头对准所述岩石夹持筒，所述岩石夹持筒内设有弹性筒，所述弹性筒的外壁与所述岩石夹持筒的内壁之间形成密闭的环形围压腔体；

围压泵，所述围压泵与所述环形围压腔体连接，用于对所述弹性筒施加周向压力；

轴压泵，所述轴压泵的输出端与所述岩石夹持筒的内腔上部连接，用于对所述弹性筒施加轴向压力；

套筒，所述套筒嵌入所述岩心样品的内部，所述套筒的筒壁设有多个出水孔；

中心水压泵，所述中心水压泵通过管路与所述套筒连接。

2.根据权利要求1所述的岩石水压破裂动态监测系统，其特征在于，所述弹性筒由橡胶制成，所述套筒由金属制成，所述岩石夹持筒由增强聚丙烯材料制成。

3.根据权利要求1所述的岩石水压破裂动态监测系统，其特征在于，还包括压力控制系统，所述压力控制系统分别与所述中心水压泵、所述轴压泵和所述围压泵连接，用于控制所述中心水压泵、所述轴压泵和所述围压泵的开启和关闭，以及施加压力值和施加压力的时间。

4.根据权利要求1所述的岩石水压破裂动态监测系统，其特征在于，所述盖体上设有第一通孔和第二通孔，所述岩石夹持筒内设有活塞，所述活塞将所述岩石夹持筒的内腔隔离为第一腔室和第二腔室，所述第一腔室通过所述第一通孔与所述轴压泵连通，所述弹性筒设于所述第二腔室内，所述中心水压泵通过管路穿过所述第二通孔与所述套筒连接。

5.根据权利要求1所述的岩石水压破裂动态监测系统，其特征在于，还包括轴向压力传感器和周向压力传感器，所述轴向压力传感器设置于所述弹性筒的外壁，所述轴向压力传感器设于所述轴压泵的输出端。

6.根据权利要求1所述的岩石水压破裂动态监测系统，其特征在于，还包括岩石声波参数测试仪，所述岩石声波参数测试仪用于测定所述岩心样品的抗压强度。

7.一种岩石水压破裂动态监测的测定方法，利用根据权利要求1-6中任一项所述的动态描述岩石水压破裂机理的测定系统，其特征在于，所述方法包括如下步骤：在岩心样品上钻孔，将套筒嵌入所述孔内；

将岩心样品放入岩石夹持筒，开启围压泵和轴压泵对所述岩石夹持筒内的岩心样品施加周向和轴向的压力到压力预定值；

开启中心水压泵，使液体通过套筒的多个出水孔对岩心样品进行压裂，同时对岩心样品进行实时的CT扫描，获得扫描数据。

8.根据权利要求7所述的岩石水压破裂动态监测的测定方法，其特征在于，所述扫描数据包括岩心样品的裂缝方位长度、高度、形状及裂缝的延展性。

9.根据权利要求7所述的岩石水压破裂动态监测的测定方法，其特征在于，在所述岩心样品放入岩石夹持筒之前，还包括：通过岩石声波参数测试仪对岩心样品进行声波测试，获得所述岩心样品的抗压强度。

10.根据权利要求9所述的岩石水压破裂动态监测的测定方法，其特征在于，根据所述抗压强度设定所述压力预定值。

说明书

岩石水压破裂动态监测系统及其测定方法

技术领域

[0001] 本发明属于石油开发技术领域，更具体地，涉及一种动岩石水压破裂动态监测系统及其测定方法。

背景技术

[0002] 油气开采初期，由于油藏中微裂缝处于张开状态，使得油藏的渗透率高于常规油藏.从而其日产油量比常规油藏高。随着开采过程的进行，在无注水补充能量的情况下油藏压力下降，油藏微裂缝闭合，渗透率下降，从而使其日产油量低于常规油藏。我国多数大型油气田已进入开采后期，低渗油气田的油气资源有望成为未来能源和经济发展的动力，而这些致密储层中的油气需要通过压裂才能够实现经济开采。合理、高效、经济地开发这类油藏是当前进行低渗透油田开发过程中面临的一个重要课题和难题。我国在五十年代起已开始进行压裂技术的研究，迄今为止已取得了很好的技术成就与较高的经济效益。随着油田的开发进程，针对不同时期不同对象及其对于改造技术的不同要求，压裂工艺技术不断发展、完善和提高。

[0003] 其中，通过动态监测岩石在压裂条件下的力学参数特征的变化规律，模拟实际生产压裂的效果，以便对压裂理论进行验证和研究对于完善压裂工艺技术是至关重要的。

发明内容

[0004] 为了对压裂理论进行验证和研究，构建岩石压裂模拟的监测过程，模拟实际生产压裂的效果，提供一种岩石水压破裂动态监测系统及其测定方法。

[0005] 为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提出一种岩石水压破裂动态监测系统，包括：

[0006] CT封闭室，所述CT封闭室内设有CT扫描镜头；

[0007] 岩石夹持筒，所述岩石夹持筒设置于所述CT封闭室内，所述岩石夹持筒用于放置岩心样品，所述岩石夹持筒的上端设有盖体，下端设有底座，所述CT扫描镜头对准所述岩石夹持筒，所述岩石夹持筒内设有弹性筒，所述弹性筒的外壁与所述岩石夹持筒的内壁之间形成密闭的环形围压腔体；

[0008] 围压泵，所述围压泵与所述环形围压腔体连接，用于对所述弹性筒施加周向压力；

[0009] 轴压泵，所述轴压泵的输出端与所述岩石夹持筒的内腔上部连接，用于对所述弹性筒施加轴向压力；

[0010] 套筒，所述套筒嵌入所述岩心样品的内部，所述套筒的筒壁设有多个出水孔；

[0011] 中心水压泵，所述中心水压泵通过管路与所述套筒连接。

[0012] 优选地，所述弹性筒由橡胶制成，所述套筒由金属制成，所述岩石夹持筒由增强聚丙烯材料制成。

[0013] 优选地，还包括压力控制系统，所述压力控制系统分别与所述中心水压泵、所述轴压泵和所述围压泵连接，用于控制所述中心水压泵、所述轴压泵和所述围压泵的开启和关闭，以及施加压力值和施加压力的时间。

[0014] 优选地，所述盖体上设有第一通孔和第二通孔，所述岩石夹持筒内设有活塞，所述活塞将所述岩石夹持筒的内腔隔离为第一腔室和第二腔室，所述第一腔室通过所述第一通孔与所述轴压泵连通，所述弹性筒设于所述第二腔室内，所述中心水压泵通过管路穿过所述第二通孔与所述套筒连接。

[0015] 优选地，所述岩石夹持筒分别与所述盖体和所述底座密封连接。

[0016] 优选地，还包括轴向压力传感器和周向压力传感器，所述轴向压力传感器设置于所述弹性筒的外壁，所述轴向压力传感器设于所述轴压泵的输出端。

[0017] 优选地，还包括岩石声波参数测试仪，所述岩石声波参数测试仪用于测定所述岩心样品的抗压强度。

[0018] 根据本发明的另一方面，利用所述的动态描述岩石水压破裂机理的测定系统，提出一种岩石水压破裂动态监测的测定方法，所述方法包括如下步骤：

[0019] 在岩心样品上钻孔，将套筒嵌入所述孔内；

[0020] 将岩心样品放入岩石夹持筒，开启围压泵和轴压泵对所述岩石夹持筒内的岩心样品施加周向和轴向的压力到压力预定值；

[0021] 开启中心水压泵，使液体通过套筒的多个出水孔对岩心样品进行压裂，同时对岩心样品进行实时的CT扫描，获得扫描数据。

[0022] 优选地，所述扫描数据包括岩心样品的裂缝方位长度、高度、形状及裂缝的延展性。

[0023] 优选地，在所述岩心样品放入岩石夹持筒之前，还包括：通过岩石声波参数测试仪对岩心样品进行声波测试，获得所述岩心样品的抗压强度。

[0024] 优选地，根据所述抗压强度设定所述压力预定值。

[0025] 本发明提供的有益效果在于：在CT封闭室内，利用轴压泵和围压泵同时对被测岩心样品进行加压后，并进行保压，模拟底层下岩石的受力情况，通过中心水压泵对岩心样品内部施加水压，使岩石产生裂缝，CT扫描镜头实时扫描记录岩心样品的压裂过程，获得扫描数据，以便对岩心样品进行裂缝延展分析，实现动态连续监测压裂条件下岩心样品的变化特征，从而取得地层下岩心样品的实际力学特征，模拟实际微地震勘探开发的效果，并对压裂理论进行验证和研究，其研究结果对于指导油气田、非常规页岩气和煤层气的开发应用，具有重要意义。

[0026] 可实现动态连续监测压裂条件下岩心样品的变化特征，从而达到模拟实际微地震勘探开发的效果。

[0027] 本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

[0028] 通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。其中，在示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

[0029] 图1示出了本发明一个实施例中的岩石水压破裂动态监测系统的结构示意图。

[0030] 图2示出了本发明一个实施例中的岩石水压破裂动态监测系统的岩心样品加压的流程图。

[0031] 图3示出了本发明一个实施例中的岩石水压破裂动态监测的测定方法的流程图。

[0032] 附图标记说明：

[0033] 1、CT封闭室；2、CT扫描镜头；3、岩心样品；4、岩石夹持筒；5、样品工作台；6、围压泵；7、轴压泵；8、中心水压泵；9、压力控制系统；10、弹性筒；11、活塞。

具体实施方式

[0034] 下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施例。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明，而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

[0035] 本发明的实施例提供一种岩石水压破裂动态监测系统，包括：

[0036] CT封闭室，CT封闭室内设有CT扫描镜头；岩石夹持筒，岩石夹持筒设置于CT封闭室内，岩石夹持筒用于放置岩心样品，岩石夹持筒的上端设有盖体，下端设有底座，CT扫描镜头对准岩石夹持筒，岩石夹持筒内设有弹性筒，弹性筒的外壁与岩石夹持筒的内壁之间形成密闭的环形围压腔体；围压泵，围压泵与环形围压腔体连接，用于对弹性筒施加周向压力；轴压泵，轴压泵的输出端与岩石夹持筒的内腔上部连接，用于对弹性筒施加轴向压力；套筒，套筒嵌入岩心样品的内部，套筒的筒壁设有多个出水孔；中心水压泵，中心水压泵通过管路与套筒连接。

[0037] 具体地，在CT封闭室内，岩石夹持筒内设有弹性筒，弹性筒的外壁与岩石夹持筒的内壁之间形成环形围压腔体，围压泵与环形围压腔体连接，实现对岩石夹持筒内的岩心样品施加周向压力，轴压泵与岩石夹持筒的内腔上部连接，实现对岩石夹持筒施加轴向压力，模拟岩心样品在底层下的受力情况；套筒嵌入岩心样品的内部，中心水压泵通过管路与套筒连接。筒壁设有多个出水孔，中心水压泵将水加压后从出水孔喷出，对岩心样品的内部施加水压，使岩石产生裂缝，利用CT扫描镜头实时扫描记录岩心样品的压裂过程，利用模拟油井压裂原理，实现动态连续监测压裂条件下岩心样品的变化特征，从而取得地层下岩心样品的实际力学特征，从而达到模拟实际微地震勘探开发的效果。

[0038] 作为优选方案，弹性筒由橡胶制成，套筒由金属制成，岩石夹持筒由增强聚丙烯材料制成。

[0039] 具体地，岩石夹持筒由非金属的增强聚丙烯材料制成，这种材料可以被x光穿透，从而实现对样品的动态扫描。

[0040] 更为优选地，岩芯夹持筒还可由聚醚醚酮(PEEK)制备成，聚醚醚酮是一种具有耐高温、自润滑、易加工和高机械强度等优异性能的特种工程塑料，可制造加工成各种机械零部件，这种材料也可以被x光穿透，从而实现对样品的动态扫描。

[0041] 具体地，金属材质的套筒嵌入岩心样品内部进行水压裂实验时，具有良好的强度。

[0042] 作为优选方案，还包括压力控制系统，压力控制系统分别与中心水压泵、轴压泵和围压泵连接，用于控制中心水压泵、轴压泵和围压泵的开启和关闭，以及施加压力值和施加压力的时间。

[0043] 具体地，通过压力控制系统对围压泵、轴压泵和中心水压泵的施压动作和压力大小，可单独控制，也可同时控制，也可以自动控制加压至压力预定值和继续加压至终压值，施加的压力及行程可在规定的范围任意调整。

[0044] 作为优选方案，盖体上设有第一通孔和第二通孔，岩石夹持筒内设有活塞，活塞将岩石夹持筒的内腔隔离为第一腔室和第二腔室，第一腔室通过第一通孔与轴压泵连通，弹性筒设于第二腔室内，中心水压泵通过管路穿过第二通孔与套筒连接。

[0045] 具体地，当轴压泵开启后，第一腔室内通过第一通孔与轴压泵连通，向第一腔室内注入压力液，推动活塞向下压紧岩心，实现轴向压力的加载。

[0046] 具体地，将岩芯放入弹性筒，向弹性筒的外壁与岩石夹持筒的内壁之间的环形围压腔体内注水加压，弹性筒就被挤向岩心样品的周向表面，实现围压加载。

[0047] 作为优选方案，岩石夹持筒分别与盖体和底座密封连接，保证对岩心样品施压围压时的气密性。

[0048] 作为优选方案，还包括轴向压力传感器和周向压力传感器，轴向压力传感器设置于弹性筒的外壁，轴向压力传感器设于轴压泵的输出端。

[0049] 具体地，通过轴向压力传感器检测岩心样品受到的周向压力值，通过轴向压力传感器检测岩心样品受到的轴向压力值。

[0050] 具体的，轴向压力传感器和周向压力传感器分别与压力控制系统连接，用于检测轴压泵和围压泵对岩心样品施加的压力预定值是否与传感器检测到的实际压力值一致，如果检测到的压力值未达到压力预定值，压力系统控制轴压泵和/或围压泵继续施加压力，直至达到对岩心样品所施加的轴向压力和周向压力预定值。

[0051] 作为优选方案，还包括岩石声波参数测试仪，岩石声波参数测试仪用于测定岩心样品的抗压强度。

[0052] 具体地，岩石声波参数测试仪通过测定声波在岩心样品中的传播特性参数，用于评价岩心样品的力学性能，为岩心样品设定压力预定值提供依据。

[0053] 根据本发明的另一方面，提出一种岩石水压破裂动态监测的测定方法，该方法包括如下步骤：

[0054] 步骤1：在岩心样品上钻孔，将套筒嵌入孔内；

[0055] 具体地，首先对岩心样品制作，使其外形尺寸满足岩石夹持筒内腔容积的尺寸要求，然后对岩心样品的顶面打孔，将套筒粘嵌入孔内。

[0056] 步骤2：将岩心样品放入岩石夹持筒，开启围压泵和轴压泵对岩石夹持筒内的岩心样品施加周向和轴向的压力到压力预定值；

[0057] 具体地，通过岩石声波参数测试仪对岩心样品进行声波测试，获得岩心样品的抗压强度，根据抗压强度设定压力预定值。

[0058] 具体地，施加轴向和轴向压力过程包括如下步骤：

[0059] 首先，设定压力预定值；通过岩石声波参数测试仪对岩心样品进行声波测试，获得岩心样品的抗压强度，根据抗压强度设定压力预定值。

[0060] 其次，启动加压进行；通过压力控制系统启动轴压泵和围压泵对岩心样品施加压力。

[0061] 再次，启动压力检测；通过轴向压力传感器和周向压力传感器检测岩心样品所受到的压力值。

[0062] 然后，根据检测到的压力值与压力预定值比较；如果小于压力预定值继续检测压力值，如果大于压力预定值则暂停加压，检测岩心样品的轴向压力和周向压力值。

[0063] 然后，判断是否可继续加压，或退出加压，进行保压。

[0064] 步骤3：开启中心水压泵，使液体通过套筒的多个出水孔对岩心样品进行压裂，同时对岩心样品进行实时的CT扫描，获得扫描数据。

[0065] 具体地，在保压过程中，达到设定值后将高压液体通过套筒前端的出水孔对指定部位进行压裂，使岩石起裂，在这个过程中一致对岩心样品进行CT扫描，并将扫描数据存储到计算机，对压裂结果进行评估。

[0066] 作为优选方案，扫描数据包括岩心样品的裂缝方位长度、高度、形状及裂缝的延展性。

[0067] 具体地，扫描数据可用于确定裂缝的方位长度、高度、形状及分析裂缝的延展情况。

[0068] 实施例1

[0069] 图1示出了本发明一个实施例中的岩石水压破裂动态监测系统的结构示意图。

[0070] 如图1所示，实施例提供一种岩石水压破裂动态监测系统，包括：

[0071] CT封闭室1，CT封闭室1内设有CT扫描镜头2；岩石夹持筒4，岩石夹持筒4设置于CT封闭室1内，位于样品工作台5上，岩石夹持筒4用于放置岩心样品3，岩石夹持筒4的上端设有盖体，下端设有底座，岩石夹持筒4分别与盖体和底座密封连接。

[0072] CT扫描镜头2对准岩石夹持筒4，岩石夹持筒4内设有弹性筒，弹性筒的外壁与岩石夹持筒4的内壁之间形成密闭的环形围压腔体；围压泵8，围压泵8与环形围压腔体连接，用于对弹性筒10施加周向压力；轴压泵7，轴压泵7的输出端与岩石夹持筒4的内腔上部连接，用于对弹性筒10施加轴向压力；套筒(未示出)，套筒嵌入岩心样品3的内部，套筒的筒壁设有多个出水孔；中心水压泵8，中心水压泵8通过管路与套筒连接。

[0073] 盖体上设有第一通孔和第二通孔，岩石夹持筒4内设有活塞11，活塞11将岩石夹持筒4的内腔隔离为第一腔室和第二腔室，第一腔室通过第一通孔与轴压泵7连通，弹性筒10设于第二腔室内，中心水压泵8通过管路穿过第二通孔与套筒连接。

[0074] 弹性筒由橡胶制成，套筒由金属制成，岩石夹持筒4由增强聚丙烯材料制成。还包括压力控制系统9，压力控制系统9分别与中心水压泵8、轴压泵7和围压泵6连接，用于控制中心水压泵8、轴压泵7和围压泵6的开启和关闭，以及施加压力值和施加压力的时间。还包括轴向压力传感器(未示出)和周向压力传感器(未示出)，轴向压力传感器设置于弹性筒的外壁，轴向压力传感器设于轴压泵7的输出端。还包括岩石声波参数测试仪(未示出)，岩石声波参数测试仪用于测定岩心样品的抗压强度。

[0075] 在CT封闭室内，通过压力控制系统9控制轴压泵7和围压泵6对岩石夹持筒4内的岩心样品3施加轴向压力和周向压力。当轴压泵7开启后，第一腔室内通过第一通孔与轴压泵7连通，向第一腔室内注入压力液，推动活塞11向下压紧岩心，实现轴向压力的加载；向弹性筒10的外壁与岩石夹持筒4的内壁之间的环形围压腔体内注水加压，弹性筒10就被挤向岩心样品3的周向表面，实现围压加载；中心水压泵8将水加压后从出水孔喷出，对岩心样品的内部施加水压，使岩石产生裂缝，利用CT扫描镜头实时扫描记录岩心样品的压裂过程，实现动态连续监测压裂条件下岩心样品的变化特征，从而取得地层下岩心样品的实际力学特征，从而达到模拟实际微地震勘探开发的效果。

[0076] 实施例2

[0077] 图2示出了本发明一个实施例中的岩石水压破裂动态监测系统的岩心样品加压的流程图，图3示出了本发明一个实施例中的岩石水压破裂动态监测的测定方法的流程图。

[0078] 如图3所示，实施例提供一种岩石水压破裂动态监测的测定方法，该方法包括如下步骤：

[0079] 步骤1：在岩心样品上钻孔，将套筒嵌入孔内；

[0080] 步骤2：将岩心样品放入岩石夹持筒，开启围压泵和轴压泵对岩石夹持筒内的岩心样品施加周向和轴向的压力到压力预定值；

[0081] 通过岩石声波参数测试仪对岩心样品进行声波测试，获得岩心样品的抗压强度，根据抗压强度设定压力预定值。

[0082] 如图2所示，施加轴向和轴向压力过程包括如下步骤：

[0083] 首先，设定压力预定值；通过岩石声波参数测试仪对岩心样品进行声波测试，获得岩心样品的抗压强度，根据抗压强度设定压力预定值。

[0084] 其次，启动加压进行；通过压力控制系统启动轴压泵和围压泵对岩心样品施加压力。

[0085] 再次，启动压力检测；通过轴向压力传感器和周向压力传感器检测岩心样品所受到的压力值。

[0086] 然后，判断检测压力值是否小于压力预定值；如果小于压力预定值继续检测压力值，如果大于压力预定值则暂停加压，检查岩心样品的轴向压力值和周向压力值。

[0087] 然后，判断是否可继续加压，或退出加压，进行保压。

[0088] 步骤3：开启中心水压泵，使液体通过套筒的多个出水孔对岩心样品进行压裂，同时对岩心样品进行实时的CT扫描，获得扫描数据，扫描数据包括岩心样品的裂缝方位长度、高度、形状及裂缝的延展性。

[0089] 在保压过程中，达到设定值后将高压液体通过套筒前端的出水孔对指定部位进行压裂，使岩石起裂，在这个过程中一致对岩心样品进行CT扫描，并将扫描数据存储到计算机，对压裂结果进行评估。

[0090] 以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。