CN103712863B - 基于突变理论研究压裂岩体损伤及裂缝扩展的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是基于突变理论研究压裂岩体损伤及裂缝扩展的装置及方法，这种基于突变理论研究压裂岩体损伤及裂缝扩展的装置及方法的固定挡板为直角形的，纵向压力夹持器、水平载荷液压夹持器与固定挡板共同围成试件腔，纵向压力夹持器同时位于纵向压力液压腔内，水平载荷液压夹持器同时位于水平载荷液压腔内；注水管通过管线与注入泵连接，压裂井筒伸入到试件腔内，压裂井筒通过管线与加热装置、压裂液增压泵连接；固定挡板安装有应变传感器和声发射信号接收器，水平载荷液压夹持器上安装声发射信号接收器，固定挡板的垂直边的外侧安装感应检测***的热感应探测器；纵向载荷增压***连接至纵向压力液压腔，横向载荷增压***连接至水平载荷液压腔。本发明实现了压裂岩体裂缝在岩体内部的裂缝扩展的可视化描述，对岩体裂缝在岩体内部扩展规律给予清晰的描述。
Description
一、技术领域：
本发明涉及的是石油与天然气、非常规油气储层、岩土工程等岩体压裂裂缝扩展计算的研究方法，具体涉及的是基于突变理论研究压裂岩体损伤及裂缝扩展的装置及方法。
二、背景技术：
在石油与天然气、页岩气以及煤层气等常规与非常规气藏开采与增产措施等技术领域中，水力压裂是目前应用最为广泛的技术方法。目前，对于岩体压裂主要是基于岩体压裂的裂缝的宏观描述及常规的压裂计算模型开展研究，大多数的研究往往将被压岩体卸载观察其裂缝形态，对内部裂缝的扩展内涵与形态未能有清晰的描述。因此，无法准确地描述裂缝的内部特征。
在实际压裂裂缝扩展过程中，由于裂缝扩展的复杂性及被压裂岩体力学特征的复杂性，裂缝扩展长度、扩展宽度等参数描述不够准确，使得开采中还存在很多技术问题和安全问题无法解决，进而影响了压裂过程的油气产量和油气采收率。目前，对于岩体储层水力压裂裂缝形态的描述，主要有二维或三维的PKN,KGD等计算方法，该方法主要是假定在水力压裂过程中裂缝的扩展是伴随压裂泵的连续做功而产生的裂缝持续性扩展，裂缝扩展形态为主要以矩形裂缝、椭圆形裂缝等模型进行参数计算。而通过实际压裂得知：岩体水力压裂主要表现为裂缝为开裂之前的能量聚积与裂缝开裂的能量突然释放，具有典型的突变特征。以往对裂缝扩展行为的研究及裂缝参数描述，与实际压裂裂缝扩展行为还存在一定的差异。尽管目前现有的数值模拟软件能够在一定程度上满足当前的认识的需要，但无法给予***的揭示，从而影响了该项技术方面的充分描述。
三、发明内容：
本发明的目的是提供基于突变理论研究压裂岩体损伤及裂缝扩展的装置及方法，它用于解决现有的水力压裂岩体裂缝扩展参数无法准确描述的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种基于突变理论研究压裂岩体损伤及裂缝扩展的装置包括固定挡板、纵向压力夹持器、水平载荷液压夹持器、感应检测***、变形检测***、能量释放接收***，固定挡板为直角形的，纵向压力夹持器、水平载荷液压夹持器分别从垂直与水平方向与固定挡板共同围成试件腔，纵向压力夹持器同时位于纵向压力液压腔内，水平载荷液压夹持器同时位于水平载荷液压腔内；注水管伸入到试件腔内，注水管通过管线与注入泵连接；压裂井筒伸入到试件腔内，压裂井筒通过管线与加热装置、压裂液增压泵连接，示踪剂掺混装置连接至压裂井筒与加热装置之间的管线上；固定挡板的垂直边的内壁安装有变形检测***的应变传感器和能量释放接收***的声发射信号接收器，水平载荷液压夹持器的内壁上安装能量释放接收***的声发射信号接收器，固定挡板的垂直边的外侧安装感应检测***的热感应探测器；纵向载荷增压***连接至纵向压力液压腔，横向载荷增压***连接至水平载荷液压腔。
上述方案中感应检测***由热感应探测器、热感动态检测***、热感成像仪通过管线连接而成。
上述方案中变形检测***由应变传感器、变形传感处理***通过管线连接而成。
上述方案中能量释放接收***由声发射信号接收器、声发射信号转换器、声发射处理***连接而成，声发射处理***安装在计算机中。
上述方案中纵向载荷增压***由纵向增压容器、纵向增压泵、压力记录仪通过管线连接构成。
上述方案中横向载荷增压***由横向载荷增压容器、横向增压泵、压力记录仪通过管线连接构成。
上述方案中的压裂***由压裂液增压泵、加热装置、示踪剂掺混装置、压裂液管线、压裂井筒组成。
上述基于突变理论研究压裂岩体损伤及裂缝扩展的装置用于研究压裂岩体损伤及裂缝扩展的方法：
第一步：制作岩心试件，对岩心试件进行养护、抛光，按照仪器规定制作成标准的试件尺寸，置于试件腔中；
第二步：通过纵向载荷增压***与横向载荷增压***对岩心试件施加外载，通过注入泵经注入管线向岩心试件中注入事先配置好的液体，通过压裂***对岩心试件实施压裂，记录压裂施加的泵压与施加泵压时间，当压裂泵压突然下降时，停止压裂***，记录该状态的泵压与时间；
第三步：通过变形检测***记录岩心试件被压裂过程的变形特征；通过能量释放接收***记录岩心试件被压裂过程的能量变化；
第四步：根据能量守恒原理，假定注入泵对岩体所做的外力功全部转换为岩体裂缝扩展的能量，得到岩体发生突变破裂时标准模型为：
；
通过标准模型得到一种新的基于突变理论的裂缝扩展长度计算模型为：
；
第五步：通过感应检测***记录岩心试件被压裂的破裂过程；
第六步：重复上述2-5步，并将试验结果记录。
有益效果：
1、本发明实现了压裂岩体裂缝在岩体内部的裂缝扩展的可视化描述，对岩体裂缝在岩体内部扩展规律给予清晰的描述。
2、本发明更直观地描述了裂缝的起裂行为，对目前压裂岩体裂缝的宏观描述给予很好的补充。
3、本发明基于能量理论揭示了裂缝的扩展规律，对压裂岩体的突然破裂形成裂缝的行为给予了更加合理的描述方法与描述手段。
四、附图说明：
图1是本发明装置的结构示意图。
1—固定挡板；2—注水管；3—纵向压力液压腔；4—传动装置；5—纵向压力夹持器；6—压裂井筒；7—压裂液管线；8—注入管线；9—注入泵；10—示踪剂掺混装置；11—加热装置；12—压裂液增压泵；13—压力记录仪；14—横向载荷增压容器；15—横向载荷增压泵；17—水平载荷液压腔；18—水平载荷液压夹持器；19—应变传感器；20—热感应探测器；21—变形传感处理***；22—压裂射孔管；23—试件腔；24—热感成像仪；25—热感动态检测***；26—压力记录仪；27—纵向增压容器；28—纵向增压泵；30—声发射信号接收器；31—声发射信号转换器；32—声发射处理***。
五、具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
如图1所示，这种基于突变理论研究压裂岩体损伤及裂缝扩展的装置包括固定挡板1、纵向压力夹持器5、水平载荷液压夹持器18、感应检测***、变形检测***、能量释放接收***，固定挡板1为直角形的，纵向压力夹持器5、水平载荷液压夹持器18分别从垂直与水平方向与固定挡板1共同围成试件腔23，进行实验时岩心试件置于试件腔23中，纵向压力夹持器5同时位于纵向压力液压腔3内，纵向压力夹持器5连接传动装置4，水平载荷液压夹持器18同时位于水平载荷液压腔17内，水平载荷液压夹持器18连接另外的传动装置；注水管2伸入到试件腔23内，注水管2通过管线与注入泵9连接；压裂井筒6伸入到试件腔23内，压裂井筒6通过管线与加热装置11、压裂液增压泵12连接，示踪剂掺混装置10连接至压裂井筒6与加热装置11之间的管线上，压裂井筒6的下部有压裂射孔管22；固定挡板1的垂直边的内壁安装有变形检测***的应变传感器19和能量释放接收***的声发射信号接收器30，水平载荷液压夹持器18的内壁上也安装能量释放接收***的声发射信号接收器30，固定挡板1的垂直边的外侧安装感应检测***的热感应探测器20。
纵向载荷增压***连接至纵向压力液压腔3，纵向载荷增压***由纵向增压容器27、纵向增压泵28、压力记录仪26通过管线连接构成。横向载荷增压***连接至水平载荷液压腔17，横向载荷增压***由横向载荷增压容器14、横向载荷增压泵15、压力记录仪13通过管线连接构成。
感应检测***由热感应探测器20、热感动态检测***25、热感成像仪24通过管线连接而成。热感应探测器20置于岩心试件的外边缘，对岩心试件损伤破坏产生的裂缝扩展进行感应探测，探测结果经热感成像仪24成像显示，描述裂缝的扩展形态。
变形检测***由应变传感器19、变形传感处理***21通过管线连接而成。应变传感器19置于岩心试件的外边缘，记录岩心试件的形变。
能量释放接收***由声发射信号接收器30、声发射信号转换器31、声发射处理***32连接而成，声发射处理***安装在计算机中。声发射信号接收器30与岩心试件相连接，岩心试件压裂后释放的能量以弹性波形式传输，声发射信号转换器将信号接收器30的信号进行信号转换，并传输至声发射处理***32。
压裂液可为气体与液体压裂液，示踪剂可为液体示踪剂与有色气体示踪剂。
岩心试件主要分别与横向载荷增压***与纵向载荷增压***相连接。试件中有注入泵9经注入管线8注入流体，模拟试件注入压力变化。岩体压裂液经压裂液增压泵12泵出，经加热装置11加热，示踪剂掺混装置10将示踪剂掺混压裂液中经压裂液管线7高压泵入到压裂井筒6中，对岩心试件实施压裂。
上述基于突变理论研究压裂岩体损伤及裂缝扩展的装置用于研究压裂岩体损伤及裂缝扩展的方法：
第一步：制作岩心试件（岩心试件），对岩心试件进行养护、抛光，按照仪器规定制作成标准的试件尺寸，置于试件腔23中；
第二步：通过纵向载荷增压***与横向载荷增压***对岩心试件施加外载，通过注入泵经注入管线向岩心试件中注入事先配置好的液体，通过压裂***对岩心试件实施压裂，记录压裂施加的泵压与施加泵压时间，当压裂泵压突然下降时，停止压裂***，记录该状态的泵压与时间；
第三步：通过变形检测***记录岩心试件被压裂过程的变形特征；通过能量释放接收***记录岩心试件被压裂过程的能量变化；
第四步：根据能量守恒原理，假定注入泵对岩体所做的外力功全部转换为岩体裂缝扩展的能量，得到岩体发生突变破裂时标准模型为：
通过标准模型得到一种新的基于突变理论的裂缝扩展长度计算模型为：
第五步：通过感应检测***记录试件腔中的岩心试件被压裂的破裂过程；
第六步：重复上述2-5步，并将试验结果记录。
Claims (6)
1.一种基于突变理论研究压裂岩体损伤及裂缝扩展的装置，其特征在于：这种基于突变理论研究压裂岩体损伤及裂缝扩展的装置包括固定挡板（1）、纵向压力夹持器（5）、水平载荷液压夹持器（18）、感应检测***、变形检测***、能量释放接收***，固定挡板（1）为直角形的，纵向压力夹持器（5）、水平载荷液压夹持器（18）分别从垂直与水平方向与固定挡板（1）共同围成试件腔（23），纵向压力夹持器（5）同时位于纵向压力液压腔（3）内，水平载荷液压夹持器（18）同时位于水平载荷液压腔（17）内；注水管（2）伸入到试件腔（23）内，注水管（2）通过管线与注入泵（9）连接；压裂井筒（6）伸入到试件腔（23）内，压裂井筒（6）通过管线与加热装置（11）、压裂液增压泵（12）连接，示踪剂掺混装置（10）连接至压裂井筒（6）与加热装置（11）之间的管线上；固定挡板（1）的垂直边的内壁安装有变形检测***的应变传感器（19）和能量释放接收***的声发射信号接收器（30），水平载荷液压夹持器（18）的内壁上安装能量释放接收***的声发射信号接收器（30），固定挡板（1）的垂直边的外侧安装感应检测***的热感应探测器（20）；纵向载荷增压***连接至纵向压力液压腔（3），横向载荷增压***连接至水平载荷液压腔（17）；
所述的基于突变理论研究压裂岩体损伤及裂缝扩展的装置用于研究压裂岩体损伤及裂缝扩展的方法：
第一步：制作岩心试件，对岩心试件进行养护、抛光，按照仪器规定制作成标准的试件尺寸，置于试件腔中；
第二步：通过纵向载荷增压***与横向载荷增压***对试件腔（23）中的岩心试件施加外载，通过注入泵（9）经注入管线（8）向试件腔（23）中的岩心试件注入事先配置好的液体，通过压裂***对试件腔（23）中的岩心试件实施压裂，记录压裂施加的泵压与施加泵压时间，当压裂泵压突然下降时，停止压裂***，记录该状态的泵压与时间；
第三步：通过变形检测***记录试件腔（23）中的岩心试件被压裂过程的变形特征；通过能量释放接收***记录试件腔（23）中的岩心试件被压裂过程的能量变化；
第四步：根据能量守恒原理，假定注入泵对岩体所做的外力功全部转换为岩体裂缝扩展的能量，得到岩体发生突变破裂时标准模型为：
通过标准模型得到一种新的基于突变理论的裂缝扩展长度计算模型为：
第五步：通过感应检测***记录试件腔（23）中的岩心试件被压裂的破裂过程；
第六步：重复上述2-5步，并将试验结果记录。
2.根据权利要求1所述的基于突变理论研究压裂岩体损伤及裂缝扩展的装置，其特征在于：所述的感应检测***由热感应探测器（20）、热感动态检测***（25）、热感成像仪（24）通过管线连接而成。
3.根据权利要求1所述的基于突变理论研究压裂岩体损伤及裂缝扩展的装置，其特征在于：所述的变形检测***由应变传感器（19）、变形传感处理***（21）通过管线连接而成。
4.根据权利要求1所述的基于突变理论研究压裂岩体损伤及裂缝扩展的装置，其特征在于：所述的能量释放接收***由声发射信号接收器（30）、声发射信号转换器（31）、声发射处理***（32）连接而成，声发射处理***（32）安装在计算机中。
5.根据权利要求1所述的基于突变理论研究压裂岩体损伤及裂缝扩展的装置，其特征在于：所述的纵向载荷增压***由纵向增压容器（27）、纵向增压泵（28）、压力记录仪（26）通过管线连接构成。
6.根据权利要求1所述的基于突变理论研究压裂岩体损伤及裂缝扩展的装置，其特征在于：所述的横向载荷增压***由横向载荷增压容器（14）、横向增压泵（15）、压力记录仪（13）通过管线连接构成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wang Tingting Inventor after: Zhao Wanchun Inventor after: Fu Xiaofei Inventor after: Li Yuwei Inventor after: Wang Mei Inventor after: Sun Yonghe Inventor before: Zhao Wanchun Inventor before: Wang Tingting Inventor before: Fu Xiaofei Inventor before: Sun Yonghe Inventor before: Li Yuwei Inventor before: Yuan Weiwei |
|
| COR | Change of bibliographic data | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160309 Termination date: 20190107 |