CN103266888A - 可视化压裂模拟实验***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可视化压裂模拟实验***及方法。其技术方案是包括可视化压裂模拟实验装置、压力控制模块和数据采集模块，可视化压裂模拟实验装置为四方体形容器，压力控制模块包括伺服控制注入泵、围压泵等，数据采集模块包括压力数据记录仪、高清高频摄像机。本发明的可视化压裂模拟实验装置与透明试样的组合，可使研究人员清楚地了解实验试样内部水力裂缝起裂特性及扩展动态，深化对水力裂缝起裂机理及扩展规律的研究；本实验方法可获得裂缝起裂及扩展的动态录像，可清楚地展示裂缝起裂及扩展规律，且录像数据存储简单，传播方便，可帮助研究人员跨地域交流实验成果。

Description

可视化压裂模拟实验***及方法

技术领域

本发明涉及一种压裂模拟实验装置及方法，特别涉及一种可视化压裂模拟实验***及方法。

背景技术

    目前，各大油田与研究单位对压裂机理的研究从未停止，特别是近几年来，随着对页岩气、煤层气、致密砂岩气等非常规能源的高效开采，更要求从根本上搞清裂缝起裂与扩展机理，为获得高导流能力裂缝提供基本理论支持。现有的压裂模拟实验方法均依托非可视的实验装置，对天然岩心或人造岩心等不透明岩样进行压裂模拟，在压裂结束后观察裂缝形态。传统方法只能获得最终的裂缝形态，不能直接实时获得实验试样内部裂缝起裂及扩展动态，使得研究人员不能清楚认识裂缝的真实起裂规律及扩展状况，严重制约了研究人员对水力裂缝（尤其是复杂裂缝）起裂机理及扩展规律的研究。中国专利文献号为101968348A提供了一种《对压裂裂缝进行可视化监测的方法》，采用室温固化型流体材料作为压裂液，将流体材料注入岩心试样的模拟井筒中，在岩心试样被压裂产生裂缝的同时，该流体材料填充到所述裂缝中并充满所述裂缝，待流体材料固化形成模拟裂缝后，将模拟裂缝取出并观测该模拟裂缝的形态。本发明的对压裂裂缝进行可视化监测的方法，通过选用硅油和液体硅胶作为压裂液，在实验室内对已制备的混凝土岩心试样进行压裂实验，在压裂液填充压裂裂缝并固化之后，取出由硅胶模拟的裂缝，通过观察该模拟裂缝的形态以重现裂缝当时的扩展形态，达到可视化的目的。其存在的问题是：只能获得最终的裂缝几何形态，无法获得裂缝起裂及扩展的实时动态，且无法正确显示微小裂缝的形态，本质上没有克服传统压裂模拟实验方法只能观察裂缝最终形态的弊端。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种可视化压裂模拟实验***及方法，克服传统压裂模拟实验方法不能实时观测裂缝起裂及扩展动态且只能研究最终裂缝形态的弊端，在实验过程中实时获取水力裂缝在透明实验试样中的起裂及扩展动态，从而为研究者研究裂缝起裂机理及扩展规律提供实验基础，深化研究者对裂缝起裂机理及扩展规律的认识。

其技术方案是包括可视化压裂模拟实验装置、压力控制模块和数据采集模块，所述可视化压裂模拟实验装置为四方体形容器，主要由一块带凹槽及螺栓孔眼的上顶盖、一块带凹槽及螺栓孔眼的下底板、两块侧挡板、两块高强度透明材料壁面、四个螺栓、三个胶囊及一个试样室组成；所述上顶盖和下底板加工有螺纹孔眼及凹槽，用于在装配时固定螺栓、高强度透明材料壁面及侧挡板；所述螺栓固定于下底板四角的螺纹孔眼中；所述高强度透明材料壁面及侧挡板固定于下底板凹槽中；所述胶囊和支撑铁块置于侧挡板内侧，胶囊接口与侧挡板孔眼对应；所述试样室由高强度透明材料壁面、胶囊及上顶盖围成，顶部设有模拟井眼；

压力控制模块包括一台伺服控制注入泵、三台围压泵、三个压力调节阀、三个压力表、三个放空阀；其中，伺服控制注入泵与模拟井眼相连，用于往实验试样中泵入模拟压裂液致裂实验试样；三台围压泵分别与三个胶囊接口相连，用于对试样施加最大水平应力、最小水平应力和垂向应力，以模拟真实地层应力状态；压力控制阀用于调整围压大小；压力表用于指示围压大小；放空阀用于卸载围压；

数据采集模块包括一台压力数据记录仪、两台高清高频摄像机；其中，所述压力数据记录仪与伺服控制注入泵相连，用于实时记录孔眼压力大小及变化规律；两台高清高频摄像机分别正对于两块高强度透明材料壁面，用于实时记录水力裂缝在透明实验试样内部的起裂及扩展情况。

一种可视化压裂模拟实验方法，包括以下实验步骤：

①实验准备：根据实验要求，利用化学方法制备不同强度的透明试样；

②实验试样放置：将实验试样置于试样室中，盖好上顶盖，并用螺栓固定好可视化压裂模拟实验装置，所述可视化压裂模拟实验装置为四方体形容器，主要由一块带凹槽及螺栓孔眼的上顶盖、一块带凹槽及螺栓孔眼的下底板、两块侧挡板、两块高强度透明材料壁面、四个螺栓、三个胶囊及一个试样室组成；

③连接可视化压裂模拟实验***：利用高压管线分别连接三个胶囊与相应的围压泵，同时在管线上安装压力表、压力调节阀及放空阀；利用高压管线连接模拟井眼与伺服控制注入泵，同时连接伺服控制注入泵与压力数据记录仪；将两台高清高频摄像机分别正对于两块高强度透明材料壁面；

④准备数据采集***：启动压力数据记录仪和高清高频摄像机；

⑤施加围压：关闭放空阀，启动围压泵，调节压力调节阀，分别将最大水平应力、最小水平应力和垂向应力，调节至实验所需值；

⑥施加孔眼压力、致裂试样。启动伺服控制注入泵，以一定速率往预置井眼中泵入模拟压裂液，逐渐致裂实验试样，同时利用压力数据记录仪记录孔眼压力大小及变化规律，利用高清高频摄像机记录裂缝的起裂及扩展动态；

⑦在裂缝扩展到试样端部后，关闭伺服控制注入泵；关闭围压泵，打开放空阀、卸载围压；关闭高清高频摄像机、压力数据记录仪；

⑧拆卸上顶盖，取出实验试样，观察拍照记录裂缝最终形态。

上述的透明试样采用苯乙烯-醋酸乙烯酯共聚物。

本发明的有益效果是：可视化压裂模拟实验装置与透明试样的组合，可使研究人员清楚地了解实验试样内部水力裂缝起裂特性及扩展动态，深化对水力裂缝起裂机理及扩展规律的研究；本实验方法可获得裂缝起裂及扩展的动态录像，可清楚地展示裂缝起裂及扩展规律，且录像数据存储简单，传播方便，可帮助研究人员跨地域交流实验成果；所述装置制造简单、制造成本低廉；所述胶囊制作工艺简单，承压强度高，施压平稳；所述实验试样，具有一定脆性，在一定程度上与天然岩石性质相似，且其具有一定透明度，使得内部裂缝扩展可见。本发明继承了传统实验方法的基本功能，同时克服了传统压裂模拟实验方法只能观察最终裂缝形态的弊端，创新性地制造了可视化压裂模拟实验装置及透明实验试样，具备实时可视监测试样内部裂缝起裂及扩展动态的功能，提高了研究人员对裂缝起裂机理及扩展规律的认识，并可为相关理论研究提供实验支持。

附图说明

附图1是可视化压裂模拟实验***原理图；

附图2是可视化压裂模拟实验装置三维图；

附图3是可视化压裂模拟实验装置主视半剖面图；

附图4是可视化压裂模拟实验装置左视半剖面图；

附图5是可视化压裂模拟实验装置俯视全剖面图；

上图中：数据采集模块1、可视化压裂模拟实验装置2、压力控制模块3、伺服控制注入泵4、围压泵5、压力调节阀6、压力表7、放空阀8、高清高频摄像机9、压力数据记录仪10、螺栓11、高强度透明材料壁面12、试样室13、模拟井眼14、上顶盖15、胶囊接口16、下底板17、侧挡板18、胶囊19、支撑铁块20。

具体实施方式

    结合附图1-5，对本发明作进一步的描述：

本发明包括可视化压裂模拟实验装置2、压力控制模块3和数据采集模块1，所述可视化压裂模拟实验装置2为四方体形容器，主要由一块带凹槽及螺栓孔眼的上顶盖15、一块带凹槽及螺栓孔眼的下底板17、两块侧挡板18、两块高强度透明材料壁面12、四个螺栓11、三个胶囊19及一个试样室13组成；所述上顶盖15和下底板17加工有螺纹孔眼及凹槽，用于在装配时固定螺栓11、高强度透明材料壁面12及侧挡板18；所述螺栓11固定于下底板17四角的螺纹孔眼中；所述高强度透明材料壁面12及侧挡板18固定于下底板凹槽中；所述胶囊19和支撑铁块20置于侧挡板内侧，胶囊接口16与侧挡板孔眼对应；所述试样室13由高强度透明材料壁面12、胶囊19及上顶盖15围成，顶部设有模拟井眼14，除模拟井眼14外，试样室13其他位置均有良好密封性。

压力控制模块3包括一台伺服控制注入泵4、三台围压泵5、三个压力调节阀6、三个压力表7、三个放空阀8；其中，伺服控制注入泵4与模拟井眼14相连，用于往实验试样中泵入模拟压裂液致裂实验试样；三台围压泵5分别与三个胶囊接口16相连，用于对试样施加最大水平应力、最小水平应力和垂向应力，以模拟真实地层应力状态；压力控制阀6用于调整围压大小；压力表用于指示围压大小；放空阀8用于卸载围压；

数据采集模块1包括一台压力数据记录仪10、两台高清高频摄像机9；其中，所述压力数据记录仪10与伺服控制注入泵4相连，用于实时记录孔眼压力大小及变化规律；两台高清高频摄像机9分别正对于两块高强度透明材料壁面12，用于实时记录水力裂缝在透明实验试样内部的起裂及扩展情况。

一种可视化压裂模拟实验方法，包括以下实验步骤：

①实验准备：根据实验要求，利用化学方法制备不同强度的透明试样：苯乙烯-醋酸乙烯酯共聚物；

②实验试样放置：将实验试样置于试样室中，盖好上顶盖，并用螺栓固定好可视化压裂模拟实验装置，所述可视化压裂模拟实验装置2为四方体形容器，主要由一块带凹槽及螺栓孔眼的上顶盖15、一块带凹槽及螺栓孔眼的下底板17、两块侧挡板18、两块高强度透明材料壁面12、四个螺栓11、三个胶囊19及一个试样室13组成；

③连接可视化压裂模拟实验***：利用高压管线分别连接三个胶囊与相应的围压泵，同时在管线上安装压力表、压力调节阀及放空阀；利用高压管线连接模拟井眼与伺服控制注入泵，同时连接伺服控制注入泵与压力数据记录仪；将两台高清高频摄像机分别正对于两块高强度透明材料壁面；

④准备数据采集***：启动压力数据记录仪和高清高频摄像机；

⑤施加围压：关闭放空阀，启动围压泵，调节压力调节阀，分别将最大水平应力、最小水平应力和垂向应力，调节至实验所需值；

⑥施加孔眼压力、致裂试样。启动伺服控制注入泵，以一定速率往预置井眼中泵入模拟压裂液，逐渐致裂实验试样，同时利用压力数据记录仪记录孔眼压力大小及变化规律，利用高清高频摄像机记录裂缝的起裂及扩展动态；

⑦在裂缝扩展到试样端部后，关闭伺服控制注入泵；关闭围压泵，打开放空阀、卸载围压；关闭高清高频摄像机、压力数据记录仪；

⑧拆卸上顶盖，取出实验试样，观察拍照记录裂缝最终形态。

需要说明的是，经过检索，中国专利文献号为101968348A专利（下称“现有技术”）与本发明在名字上相似，但专利内容是完全不同的，不同点在于：

①实验装置不同。现有技术所用实验装置为传统压裂模拟实验装置，不具有透明可视性；本发明所涉及实验装置为新型可视化压裂模拟实验装置，装置壁面为高强度透明材料，具有可视性。

②实验试样不同。现有技术所用试样实验为传统不透明岩石试样，裂缝在其内部的扩展过程不可视；本发明所用试样为利用化学方法制造的透明试样，裂缝在其内部的扩展过程可视。

③实验原理不同。现有技术的实验原理在于用有色液体在试样中的凝固痕迹显示最终裂缝的形态，本质上仍是研究裂缝的最终形态；本发明的原理在于利用所述可视化压裂模拟实验***，在所述可视化压裂模拟实验装置内对所述透明实验试样致裂，以模拟压裂液的流动状态直观显示水力裂缝在透明试样中起裂及扩展动态，从而达到可视目的。

④实验结果不同。现有技术只能获得最终的裂缝几何形态，无法获得裂缝起裂及扩展的实时动态，且无法正确显示微小裂缝的形态，本质上没有克服传统压裂模拟实验方法只能观察裂缝最终形态的弊端；本发明继承了传统压裂模拟实验的功能，即获得最终裂缝形态，此外，本发明可实时获得裂缝起裂及扩展动态，克服了传统压裂模拟实验方法只能观察最终形态的弊端。

⑤研究方式不同。现有技术是通过有色液体的凝固痕迹间接研究裂缝的形态；本发明基于可视化实验***及透明实验试样可直接研究裂缝起裂及扩展动态。

经上所述，本发明与现有技术只在名字上相似，在实验装置、实验试样、实验原理、实验结果、研究方式等具体内容上是完全不同的，且本发明克服了现有技术的缺点及不足，具有很强的创新性，因此，本发明为全新的发明，与现有技术无相似性。

Claims (4)

1.一种可视化压裂模拟实验***，其特征是：包括可视化压裂模拟实验装置（2）、压力控制模块（3）和数据采集模块（1），

所述可视化压裂模拟实验装置（2）为四方体形容器，主要由一块带凹槽及螺栓孔眼的上顶盖（15）、一块带凹槽及螺栓孔眼的下底板（17）、两块侧挡板（18）、两块高强度透明材料壁面（12）、四个螺栓（11）、三个胶囊（19）及一个试样室（13）组成；所述上顶盖（15）和下底板（17）加工有螺纹孔眼及凹槽，用于在装配时固定螺栓（11）、高强度透明材料壁面（12）及侧挡板（18）；所述螺栓（11）固定于下底板（17）四角的螺纹孔眼中；所述高强度透明材料壁面（12）及侧挡板（18）固定于下底板凹槽中；所述胶囊（19）和支撑铁块（20）置于侧挡板内侧，胶囊接口（16）与侧挡板孔眼对应；所述试样室（13）由高强度透明材料壁面（12）、胶囊（19）及上顶盖（15）围成，顶部设有模拟井眼（14）；

压力控制模块（3）包括一台伺服控制注入泵（4）、三台围压泵（5）、三个压力调节阀（6）、三个压力表（7）、三个放空阀（8）；其中，伺服控制注入泵（4）与模拟井眼（14）相连，用于往实验试样中泵入模拟压裂液致裂实验试样；三台围压泵（5）分别与三个胶囊接口（16）相连，用于对试样施加最大水平应力、最小水平应力和垂向应力，以模拟真实地层应力状态；压力控制阀（6）用于调整围压大小；压力表用于指示围压大小；放空阀（8）用于卸载围压；

数据采集模块（1）包括一台压力数据记录仪（10）、两台高清高频摄像机（9）；其中，所述压力数据记录仪（10）与伺服控制注入泵（4）相连，用于实时记录孔眼压力大小及变化规律；两台高清高频摄像机（9）分别正对于两块高强度透明材料壁面（12），用于实时记录水力裂缝在透明实验试样内部的起裂及扩展情况。

2.一种可视化压裂模拟实验方法，其特征是：包括以下实验步骤：

①实验准备：根据实验要求，利用化学方法制备不同强度的透明试样；

②实验试样放置：将实验试样置于试样室中，盖好上顶盖，并用螺栓固定好可视化压裂模拟实验装置，所述可视化压裂模拟实验装置（2）为四方体形容器，主要由一块带凹槽及螺栓孔眼的上顶盖（15）、一块带凹槽及螺栓孔眼的下底板（17）、两块侧挡板（18）、两块高强度透明材料壁面（12）、四个螺栓（11）、三个胶囊（19）及一个试样室（13）组成；

③连接可视化压裂模拟实验***：利用高压管线分别连接三个胶囊与相应的围压泵，同时在管线上安装压力表、压力调节阀及放空阀；利用高压管线连接模拟井眼与伺服控制注入泵，同时连接伺服控制注入泵与压力数据记录仪；将两台高清高频摄像机分别正对于两块高强度透明材料壁面；

④准备数据采集***：启动压力数据记录仪和高清高频摄像机；

⑤施加围压：关闭放空阀，启动围压泵，调节压力调节阀，分别将最大水平应力、最小水平应力和垂向应力，调节至实验所需值；

⑥施加孔眼压力、致裂试样。

3.启动伺服控制注入泵，以一定速率往预置井眼中泵入模拟压裂液，逐渐致裂实验试样，同时利用压力数据记录仪记录孔眼压力大小及变化规律，利用高清高频摄像机记录裂缝的起裂及扩展动态；

⑦在裂缝扩展到试样端部后，关闭伺服控制注入泵；关闭围压泵，打开放空阀、卸载围压；关闭高清高频摄像机、压力数据记录仪；

⑧拆卸上顶盖，取出实验试样，观察拍照记录裂缝最终形态。

4.根据权利要求2所述的可视化压裂模拟实验方法，其特征是：所述的透明试样采用苯乙烯-醋酸乙烯酯共聚物。

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