一种间接可视化岩石多簇压裂室内试验装置及方法

摘要

本发明属于非常规油气开发技术领域，具体是一种间接可视化岩石多簇压裂室内试验装置及方法。包括低温箱，低温箱内放置有加载室，加载室内设置岩石样本，岩石样本周侧设置多个可以施加围压的加载杆，加载杆通过泵管与加载泵连接，岩石样本中间预制多条裂缝，裂缝内侧粘贴有薄膜压力传感器，薄膜压力传感器与薄膜压力采集仪连接；岩石样本表面粘贴有声发射传感器，声发射传感器通过传输线与放大器相连，放大器通过传输线与声发射采集仪相连；薄膜压力采集仪和声发射采集仪与数据采集系统连接；所述的加载室上方设置有工业相机，工业相机与数据采集系统连接。本发明提供了一种间接的试验方法，以达到多簇裂缝同步起裂的目的。

权利要求

1.一种间接可视化岩石多簇压裂室内试验装置，其特征在于：包括低温箱（13），低温箱（13）内放置有加载室（11），加载室（11）内设置岩石样本（15），岩石样本（15）周侧设置多个可以施加围压的加载杆（12），加载杆（12）通过泵管（7）与加载泵（5）连接，岩石样本（15）中间预制多条裂缝（9），裂缝（9）内侧粘贴有薄膜压力传感器（16），薄膜压力传感器（16）与薄膜压力采集仪（4）连接；岩石样本（15）表面粘贴有声发射传感器（10），声发射传感器（10）通过传输线与放大器（6）相连，放大器（6）通过传输线与声发射采集仪（3）相连；薄膜压力采集仪（4）和声发射采集仪（3）与数据采集系统（1）连接；所述的加载室（11）上方设置有工业相机（2），工业相机（2）与数据采集系统（1）连接；

所述装置的使用方法，包括以下步骤，

S100：将岩石样本（15）加工成试样，并在岩石样本（15）中间位置预制多条裂缝（9），并对岩石样本（15）进行喷斑处理；裂缝（9）的宽度大于等于3mm，裂缝（9）长度大于等于20mm；

裂缝（9）的深度大于等于40mm，试样的宽度为裂缝（9）长度的2倍或2倍以上，试样的高度是裂缝（9）深度的2倍或2倍以上；

S200：将加载室（11）置于低温箱（13）内，通过泵管（7）连接加载泵（5）和加载杆（12）；然后将岩石样本（15）放置于低温箱（13）内的加载室（11）中，将薄膜压力传感器（16）粘贴于裂缝（9）的一侧，用来监测岩石裂隙中的压力变化；将声发射传感器粘贴于岩石样本（15）表面，用于监测岩石裂隙扩展过程中的声发射信号；

S300：将裂缝（9）中注满水，对低温箱（13）设置冻结温度以及降温速率，开始进行冻结；

低温箱（13）设置的冻结温度小于等于‑20℃；低温箱（13）设置的降温速率大于等于1℃/min；

S400：实时监测裂缝（9）内的压力、声发射信号、岩石样本（15）表面应变场的变化以及裂缝的扩展情况。

2.根据权利要求1所述的间接可视化岩石多簇压裂室内试验装置，其特征在于：所述岩石样本（15）为长方体结构。

3.根据权利要求1所述的间接可视化岩石多簇压裂室内试验装置，其特征在于：所述低温箱（13）上设置有控制面板（14），低温箱（13）的最低温度为‑60℃，低温箱（13）上设置有与外界相连的小孔。

说明书

一种间接可视化岩石多簇压裂室内试验装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于非常规油气开发技术领域，具体是一种间接可视化岩石多簇压裂室内试验装置及方法。

背景技术

[0002] 非常规油气资源作为一种清洁、高效的化石能源，在我国能源结构中具有重要地位。但是非常规油气储层具有低孔隙度、低渗透率等特点。水平井多簇压裂技术可有效形成复杂裂缝，提高非常规油气开采产量。在压裂现场，通过井筒预制多簇裂缝，然后往井筒注入压裂液，随着泵压的升高，促使多簇裂缝起裂并相互连通，裂缝的扩展复杂程度及形态直接影响油气开采的产量。因此研究多簇裂缝的扩展规律对于水力压裂方案设计具有重要意义。然而在试验室条件下，由于试验样品尺寸有限，很难通过水力压裂试验做到多簇裂缝同步起裂。

[0003] 由于室内水力压裂试验中岩石式样的尺寸是有限的，当岩石在水力压裂作用下产生一条贯通裂缝后，压裂液便会沿着裂缝流出，无法再次形成有效泵压使岩石继续破裂。申请号CN202011591183.0，名称为一种真三轴多簇压裂模拟试验装置中，将真三轴应力加载装置的应力输出端伸入压裂室；声发射探头的发射端伸入压裂室；声发射探头的信号输入端与声发射设备的信号输出端通信连接；多簇压裂井筒设置在压裂室中；加压装置的介质输出端通入多簇压裂井筒。通过在井筒中安装三根管道，分别对应于三个射孔，这三根管道可以分别控制开关。当第一簇起裂后，关闭所对应的管道，然后重新憋压，直至第二簇起裂。第二簇起裂后然后关闭第二簇所对应的管道。然后重复这一步骤直至第三簇充分起裂。然而这种试验方法与现场实际情况是不相符的，无法做到多簇通道同步压裂。因此无法通过该试验方法研究多簇裂缝同步压裂时的扩展规律，从而无法为现场多簇压裂方案的设计提供借鉴意义。

发明内容

[0004] 本发明为了达到多簇裂缝同步起裂的目的，并且可以实时观测裂缝的扩展以及应变场变化情况，为室内试验研究多簇裂缝的扩展规律提供支撑，提供一种间接可视化岩石多簇压裂室内试验装置及方法。

[0005] 本发明采取以下技术方案：一种间接可视化岩石多簇压裂室内试验装置，包括低温箱，低温箱内放置有加载室，加载室内设置岩石样本，岩石样本周侧设置多个可以施加围压的加载杆，加载杆通过泵管与加载泵连接，岩石样本中间预制多条裂缝，裂缝内侧粘贴有薄膜压力传感器，薄膜压力传感器与薄膜压力采集仪连接；岩石样本表面粘贴有声发射传感器，声发射传感器通过传输线与放大器相连，放大器通过传输线与声发射采集仪相连；薄膜压力采集仪和声发射采集仪与数据采集系统连接；所述的加载室上方设置有工业相机，工业相机与数据采集系统连接。

[0006] 进一步的，岩石样本为长方体结构。

[0007] 进一步的，低温箱上设置有控制面板，低温箱的最低温度为‑60℃，低温箱上设置有与外界相连的小孔。

[0008] 一种间接可视化岩石多簇压裂室内试验装置的使用方法，包括以下步骤：

[0009] S100：将岩石样本加工成试样，并在岩石样本中间位置预制多条裂缝，并对岩石样本进行喷斑处理。

[0010] S200：将加载室置于低温箱内，通过泵管连接加压泵和加载杆；然后将岩石样本放置于低温箱内的加载室中，将薄膜压力传感器粘贴于裂缝的一侧，用来监测岩石裂隙中的压力变化；将声发射传感器粘贴于岩石样本表面，用于监测岩石裂隙扩展过程中的声发射信号。

[0011] S300：将裂缝中注满水，对低温箱设置冻结温度以及降温速率，开始进行冻结。

[0012] S400：实时监测裂隙内的压力、声发射信号、岩石样本表面应变场的变化以及裂缝的扩展情况。

[0013] 步骤S100中，裂缝的宽度大于等于3mm，裂缝长度大于等于20mm。

[0014] 步骤S100中，裂缝的深度大于等于40mm，试样的宽度为裂缝长度的2倍或2倍以上，试样的高度是裂缝深度的2倍或2倍以上。

[0015] 步骤S300中，低温箱设置的冻结温度小于等于‑20℃。

[0016] 步骤S300中，低温箱设置的降温速率大于等于1℃/min。

[0017] 与现有技术相比，本发明针对室内试验无法进行多簇同步水力压裂试验，本发明提供了一种间接的试验方法，以达到多簇裂缝同步起裂的目的。并且可以实时观测裂缝的扩展以及应变场变化情况。为在室内试验中研究多簇裂缝的扩展规律提供支撑。本发明可以在室内试验条件下实现多簇裂缝的同步扩展，并可以实时观测裂缝之间的相互干扰。

附图说明

[0018] 图1为本发明提供的一种间接可视化岩石多簇压裂室内试验装置结构示意图；

[0019] 图2为本发明提供的一种间接可视化岩石多簇压裂室内试验装置俯视图；

[0020] 图3为本发明提供的一种间接可视化岩石多簇压裂室内试验装置左视图；

[0021] 图中1‑数据采集系统，2‑工业相机，3‑声发射采集仪，4‑薄膜压力采集仪，5‑加压泵，6‑放大器，7‑泵管，8‑玻璃盖板，9‑裂缝，10‑声发射传感器，11‑加载室，12‑加载杆，13‑低温箱，14‑操作面板，15‑岩石样本，16‑薄膜压力传感器。

具体实施方式

[0022] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。

[0023] 本发明所采用的技术方案如下：一种间接可视化岩石多簇压裂室内试验装置，主要包括薄膜压力测试系统、加载室、声发射测试系统以及低温箱。

[0024] 薄膜压力测试系统，由薄膜压力传感器16、薄膜压力采集仪4和相应的采集软件组成。如图2、3所示，将薄膜压力传感器16粘贴于裂缝9的一侧，用来实时监测裂隙中压力的变化情况。薄膜压力传感器16通过传输线与薄膜压力采集仪4相连，薄膜压力采集仪4通过传输线与数据采集系统1相连。

[0025] 加载杆12一端抵在岩石样本15上，另一端抵在加载室11的内壁上，加载室11主要是利用加载杆12给岩石样本15施加围压，通过加压泵5控制。

[0026] 声发射测试系统由声发射传感器10、放大器6、声发射采集仪3和采集软件组成。主要用来监测岩石裂隙扩展时的声发射信号。声发射传感器10放置与低温箱13内粘贴于岩石样本15上，声发射传感器10通过传输线与放大器6相连，放大器6通过传输线与声发射采集仪3相连，声发射采集仪3通过传输线与数据采集系统1相连。

[0027] 低温箱13为编程控制，可以自动的降温和升温，最低温度可以达到‑60℃，所有的传感器均放置于低温箱13内，并通过低温箱13上预设的小孔与外界相连。连接完毕后，用弹性橡胶塞对小孔进行封堵，以防止低温箱内的温度受外界环境温度变化的影响。

[0028] 具体连接关系如图1所示，低温箱13内放置有加载室11，加载室11内设置岩石样本15，岩石样本15周侧设置多个可以施加围压的加载杆12，加载杆12通过泵管7与加载泵5连接，岩石样本15中间预制多条裂缝9，裂缝9一侧粘贴有薄膜压力传感器16，薄膜压力传感器
16与薄膜压力采集仪4连接；岩石样本15表面粘贴有声发射传感器10，声发射传感器10与声发射采集仪3连接；薄膜压力采集仪4和声发射采集仪3与数据采集系统1连接；所述的加载室11上方设置有工业相机2，工业相机2与数据采集系统1连接。

[0029] 低温箱13以及加载室11的顶部为透明的玻璃盖，工业相机2对整个过程进行拍摄，并将拍摄的数据传到数据采集系统1。

[0030] 间接可视化岩石多簇压裂室内试验装置的使用方法，包括以下步骤，

[0031] S100：将岩石样本15加工成试样，并在岩石样本15中间位置预制多条裂缝9，并对岩石样本15进行喷斑处理。通过在冻结过程中对岩石样本上的斑点进行实时拍照，然后将拍摄的图片导入相应的软件中便可以动态的获得试样上像素点的运动轨迹，从而利用相关的算法得到试件变表面的位移、变形等信息。利用这种处理方法可以研究岩石多簇裂缝扩展时变形场的变化。

[0032] S200：将加载室11置于低温箱13内，通过泵管7连接加压泵5和加载杆12；然后将岩石样本15放置于低温箱13内的加载室11中，将薄膜压力传感器粘贴于裂缝9的一侧，用来监测岩石裂隙中的压力变化；将声发射传感器粘贴于岩石样本15表面，用于监测岩石裂隙扩展过程中的声发射信号。

[0033] S300：将裂缝9中注满水，对低温箱13设置冻结温度以及降温速率，开始进行冻结。

[0034] S400：实时监测裂隙9内的压力、声发射信号、岩石样本15表面应变场的变化以及裂缝的扩展情况。

[0035] 水力压裂是将压裂液注入岩石中并形成高压以使岩石起裂。而岩石含水裂隙冻胀起裂的原理与水力压裂的原理是类似的。岩石裂隙中的水在0℃以下是会发生相变变成冰，体积膨胀约为9%。从而冰挤压岩石裂缝并产生冻胀压力。当冻胀压力超过岩石的抗拉强度时，裂缝便开始起裂。

[0036] 因此，本发明提出了通过冻胀起裂这种间接的试验方法去研究多簇裂缝的同步扩展规律。但是并不是任何情况下岩石裂缝在中产生的冻胀力都可以使裂缝扩展。首先要满足温度条件，温度条件包括两个，一个是冻结温度，另外一个是降温速率。冻结温度小于等于‑20℃，过高的冻结温度会使得冰塞在冻胀里的作用下发生滑移，不利于形成有效的冻胀压力。降温速率大于等于1℃/min,过慢的降温速率将会使得水分会使得水分有充足的时间向外部溢出，不利于后期憋压形成较高的冻胀压力。除了温度条件外，试样的加工也需要满足一定的条件。裂缝的宽度大于等于3mm，长度大于等于20mm，裂缝的深度大于等于40mm。过窄或过浅的裂缝储水量较少，因此产生的冻胀压力也有限。另外试样的宽度为裂缝长度的2倍或2倍以上，高度是裂缝深度的2倍或2倍以上，这样一方面可以使裂缝有充分的扩展空间，与现场的水力压裂情况更接近；另外一方面可以使试样裂缝形成一个单向冻条件，更有利于裂缝的扩展。

[0037] 本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

[0038] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。