CN105352811A - 一种小型水力压裂三轴评价测试加压装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种小型水力压裂三轴评价测试加压装置及其方法，包括壳体，壳体两侧面及下面通过通孔分别连接X轴、Y轴、Z轴方向加卸载机构，X轴方向加卸载机构、Y轴方向加卸载机构前端各连接一大插板，Z轴方向加卸载机构前端连接方板，壳体另外两侧面内部通过凹槽各连接一组小插板，壳体顶端通过螺丝连接方形盖板，将岩心放入壳体内，通过液压泵对X、Y、Z方向依次进行加压，连接好管线，检测是否有液体渗出，将恒流泵设定为所需的恒定流量，进行压裂模拟测试，裂缝产生，会产生声音事件，声发射监测***可以对这些事件进行定位，最终将结果汇总，可以得到裂缝扩展的过程以及最终形态图，针对致密砂岩气藏储层钻井取心，利用本装置及方法较为真实有效地模拟储层中裂缝的起裂和扩展。

Description

一种小型水力压裂三轴评价测试加压装置及其方法

技术领域

本发明涉及水力压裂测试技术领域，具体涉及是一种模拟在不同水平压力差下针对不同流体和岩石进行近井地带地层裂缝起裂和延伸模拟小型水力压裂评价测试装置及其方法。

背景技术

水力压裂技术经过了近半个世纪的发展,特别是自80年代末以来,在压裂设计、压裂液和添加剂、支撑剂、压裂设备和监测仪器以及裂缝检测等方面都获得了迅速的发展,使水力压裂技术在缝高控制技术、高渗层防砂压裂、重复压裂、深穿透压裂以及大砂量多级压裂等方面都出现了新的突破。现在水力压裂技术作为油水井增产增注的主要措施,已广泛应用于低渗透油气田的开发中,通过水力压裂改善了井底附近的渗流条件,提高了油井产能,在美国有30%的原油产量是通过压裂获得的。国内低渗油田的产量和通过水力压裂改造获得的产量也在逐渐增加,特别是现在正处石油工业不景气的时代,对水力压裂技术的广泛应用和深入认真的研究可望给石油工业注入新的活力和生机,水力压裂技术的最优实施和关键性技术的突破,将给石油工业带来不可估量的前景。

压裂产生的高导流能力裂缝可以极大提高地层渗透率从而提高油井产量，水力压裂的关键问题之一就是如何确定地下水利裂缝的几何尺寸、方位以及位置。发展和研究裂缝的检测技术是目前水力压裂技术的一个薄弱环节，国内外采用的检测方法虽然取得了一定成效但是还有很大的局限性还需要进一步研究。

目前国内的研究裂缝起裂以及延伸的仪器均为大型真三轴水力压裂模拟实验仪器，如中国石油大学（北京）岩石力学实验室，中国石油勘探开发研究院廊坊分院等，虽然采用大尺寸真三轴模拟试验***可以模拟储层地应力条件下的水力压裂裂缝扩展机理模拟实验,实验试样为300mm×300mm×300mm天然岩样或人造岩样。但是实验岩样过大，而真实储层钻井取心一般为10cm圆柱，试样尺寸不能满足大型真三轴水力压裂模拟的要求。因此，实验取心主要来自岩石露头或者水泥浇筑，不能反应地层条件下真实岩心的沉积状态。同时，由于岩石试样较大，实验过程复杂、费时费力。因此有必要设计一种小型压裂实验装置，解决对真实储层条件下的岩心水力压裂裂缝起裂与延伸无法模拟的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种小型水力压裂三轴评价测试加压装置及其方法，即在地层条件下，对全直径岩心来模拟泵注方式、水平应力差对裂缝起裂和延伸的影响，通过研究，可以观察到不同水平应力差裂缝的起裂以及延伸情况，通过声发射装置监测裂缝的起裂与扩展，从而确定影响裂缝起裂以及延伸因素，为压裂施工方案设计提供借鉴。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种小型水力压裂三轴评价测试加压装置，包括壳体，壳体两侧面及下面通过通孔分别连接X轴方向加卸载机构、Y轴方向加卸载机构、Z轴方向加卸载机构，X轴方向加卸载机构、Y轴方向加卸载机构前端各连接一大插板，Z轴方向加卸载机构前端连接方板，壳体另外两侧面内部通过凹槽各连接一组小插板，壳体顶端通过螺丝连接方形盖板，下面四周设有支撑柱。

所述的X轴方向加卸载机构、Y轴方向加卸载机构、Z轴方向加卸载机构可通过六通阀与液压泵提供压力差，同时可拆卸，用于模拟X、Y、Z方向提供压力差的机构来模拟地层应力差。

所述的壳体材料为不锈钢，尺寸为80mm×80mm×100mm。

所述的大插板、小插板分别设有凹槽。

所述的小插板一组为2个。

所述的方板及方形盖板中间放置岩样，可以进行不同流量下的实验测试，选用了流量为0～50ml/min的低流量恒流恒压柱塞泵，压力范围为0～50MPa，恒流恒压柱塞泵起到提供平稳液流，压差测试准确的作用。

所述的凹槽内设有声发射探头。

一种小型水力压裂评价测试方法，包括以下步骤：

1）对要研究的目标储层进行钻井取心，将取出的岩样加工成80mm×80mm×100mm的长方体，在岩样顶端的中部钻取一个直径1.5mm，深75mm的洞，洞的下部45mm空间预留为裸眼段，然后将注液用的模拟井筒用高强度的环氧树脂胶粘在裸眼段上方，防止注液时液体从井口漏出导致泄压，为了使井筒能更好的粘结，在井筒的外壁刻上螺纹；

2）将大插板和小插板***壳体，并且将16个声发射探头置于各插板上预留的凹槽中，然后将加工好的岩石样品置于壳体中，将上部的方形盖板用螺丝固定，通过三个方向的液压活塞对岩样加载所需要的应力，可以模拟实际储层的应力条件；

3）从井筒中向岩样注入压裂液体，可以通过注入泵调节不同的注入速度，整个实验过程对注入压力进行监测记录，实验后研究压力变化曲线，当注入压力达到岩石的破裂压力时，岩石内部开始产生裂缝，裂缝的产生以及扩展过程中会产生声音事件，通过声发射监测***可以对这些事件进行定位，最终将结果汇总，可以得到裂缝扩展的过程以及最终形态图。

本发明的有益效果是：

1）对比现有的使用大尺寸野外露头岩样的大型真三轴压裂模拟实验仪器，本装置采用的样品尺寸较小，易于加工，而且是直接取自于研究目标储层的样品，比露头岩样更具有研究代表性。通过该装置可以有效地模拟储层中裂缝的起裂和扩展，通过改变泵注方式、水平应力差等条件，研究不同条件下对裂缝起裂和扩展的影响。

2）不用在实验后对岩样进行破坏，或是使用昂贵的高能CT扫描对岩样内部的裂缝形态进行分析。结合声发射监测***不但可以对岩样内部裂缝的最终形态有一个直观的描述，而且还可以对裂缝起裂与扩展的过程进行分析。

3）仪器结构设计合理，组装拆卸方便，实验后便于观察、清洗，***各部件具有良好的耐压密封性。

4）配置了高标准的配套仪器设备，确保实验测试的准确度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的俯视剖视示意图。

图3为本发明的大插板示意图。

图4为本发明的小插板示意图。

图5为声发射探头分布图。

图6为实验前后对比图，其中a为实验前图，b为试验后图。

图7为声发射监测结果图。

其中，1为壳体；2为方板;3为大插板；4为小插板；5为X轴方向加卸载机构；6为Z轴方向加卸载机构；7为Y轴方向加卸载机构；8为凹槽；9为凹槽；10为支撑住。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明进一步叙述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1、2所示，一种小型水力压裂三轴评价测试加压装置，包括壳体1，壳体1两侧面及下面通过通孔分别连接X轴方向加卸载机构5、Y轴方向加卸载机构7、Z轴方向加卸载机构6，X轴方向加卸载机构5、Y轴方向加卸载机构7前端各连接一大插板3，Z轴方向加卸载机构6前端连接方板2，壳体1另外两侧面内部通过凹槽各连接一组小插板4，壳体1顶端通过螺丝连接方形盖板9，下面四周设有支撑柱10。

所述的X轴方向加卸载机构5、Y轴方向加卸载机构7、Z轴方向加卸载机构6可通过六通阀与液压泵提供压力差，同时可拆卸，X轴、Y轴、Z轴的3个定圆8用于模拟X、Y、Z方向提供压力差的机构来模拟地层应力差。

所述的壳体1材料为不锈钢，尺寸为80mm×80mm×100mm。

如图3、4所述的大插板3、小插板4分别设有凹槽8。

所述的小插板4一组为2个。

所述的方板2及方形盖板9中间放置岩样，可以进行不同流量下的实验测试，选用了流量为0～50ml/min的低流量恒流恒压柱塞泵，压力范围为0～50MPa，恒流恒压柱塞泵起到提供平稳液流，压差测试准确的作用。

所述的凹槽8内设有声发射探头。

一种小型水力压裂评价测试方法，包括以下步骤：

1）对要研究的目标储层进行钻井取心，将取出的岩样加工成80mm×80mm×100mm的长方体，在岩样顶端的中部钻取一个直径1.5mm，深75mm的洞，洞的下部45mm空间预留为裸眼段，然后将注液用的模拟井筒用高强度的环氧树脂胶粘在裸眼段上方，防止注液时液体从井口漏出导致泄压，为了使井筒能更好的粘结，在井筒的外壁刻上螺纹；

2）将大插板和小插板***壳体，并且将16个声发射探头置于各插板上预留的凹槽中，然后将加工好的岩石样品置于壳体中，将上部的方形盖板用螺丝固定，通过三个方向的液压活塞对岩样加载所需要的应力，可以模拟实际储层的应力条件；

3）从井筒中向岩样注入压裂液体，可以通过注入泵调节不同的注入速度，整个实验过程对注入压力进行监测记录，实验后研究压力变化曲线，当注入压力达到岩石的破裂压力时，岩石内部开始产生裂缝，裂缝的产生以及扩展过程中会产生声音事件，通过声发射监测***可以对这些事件进行定位，最终将结果汇总，可以得到裂缝扩展的过程以及最终形态图。

以下根据上述方法，进行下述实验：

将岩心加工为80mm×80mm×100mm的尺寸以便放入壳体内，通过液压泵先对X方向进行水平加压，X方向加压完成后，关闭六通阀对应X方向的阀门；然后对Y方向进行加压，Y方向加压完成后，关闭六通阀对应Y方向的阀门；对Z方向进行加压，Z方向加压完成后关闭六通阀对应Z方向的阀门，连接好管线，检测是否有液体渗出，若无，将恒流泵设定为所需的恒定流量，进行压裂模拟测试，当岩石内部开始产生裂缝，裂缝的产生以及扩展过程中会产生声音事件，通过声发射监测***可以对这些事件进行定位，最终将结果汇总，可以得到裂缝扩展的过程以及最终形态图。

实施例

样品加工

将致密砂岩岩样按工作原理中的规格进行加工处理

实验用的岩心为鄂尔多斯盆地致密砂岩气藏钻井取心，岩心的物理性质及岩石力学性质见表1。为了防止岩心中存在天然裂缝对实验中水力裂缝扩展产生影响，实验前对岩心进行CT扫描，可以看出岩心中并未有天然裂缝存在。将其加工为尺寸8cm×8cm×10cm的方块。岩心中部钻一个直径1.5cm，深7.5cm的洞。洞的下部4.5cm空间预留为裸眼段，用工具在裸眼段的内壁上刻上深0.1cm的环用来模拟射孔，环的间距参数见表2。然后将注液用的模拟井筒用高强度的环氧树脂胶（固化剂）粘在裸眼段上方，防止注液时液体从井口漏出导致泄压。为了使井筒能更好的粘结，在井筒的外壁刻上螺纹。

声发射现象是材料内局部能量源快速释放而产生瞬态弹性波的一种现象。声发射监测实验是研究岩石内部变形与破坏机制以及测量地应力的重要手段。通常，在脆性岩石中裂缝的起裂与扩展是能量聚集后的瞬间释放的结果，同时产生弹性应力波，这就是声发射能量的来源。由于声发射信号是岩石内部裂缝产生扩展而释放出来的应变能，因此每个声发射信号所包含的信息都可以反映岩石内部结构发生了变化。

布置声发射探头

实验中共需要声发射探头16个，直径约8mm。在岩样的四个长方形面上，每个面上放置4个探头，每个探头的位置距样品的边界为20mm，如图5所示。

实验过程

沿X轴的方向加载20MPa应力，沿Y轴方向加载25MPa应力，沿Z轴方向加载15MPa应力，来模拟储层的真实应力，然后对岩样注液，注入速度保持在0.1mL/min，同时打开声发射监测***对压裂过程进行监测，当裂缝产生后停泵，观测裂缝形态。

实验结果

通过实验结果可以看出，在岩样中沿X轴的方向产生了两条对称的裂缝。而声发射监测的结果如图7所示，同样沿X轴方向产生了两条对称的裂缝，与实验结果完全吻合，实验前后对比见图6。

综上所述，根据上述实验可以看出，针对致密砂岩气藏储层钻井取心，利用本装置及方法较为真实有效地模拟储层中裂缝的起裂和扩展，通过改变泵注方式、水平应力差等条件，研究不同条件下对裂缝起裂和扩展的影响，声发射监测***不但可以对岩样内部裂缝的最终形态有一个直观的描述，而且还可以对裂缝起裂与扩展的过程进行分析。

Claims (8)

1.一种小型水力压裂三轴评价测试加压装置，包括壳体（1），其特征在于，壳体（1）两侧面及下面通过通孔分别连接X轴方向加卸载机构（5）、Y轴方向加卸载机构（7）、Z轴方向加卸载机构（6），X轴方向加卸载机构（5）、Y轴方向加卸载机构（7）前端各连接一大插板（3），Z轴方向加卸载机构（6）前端连接方板（2），壳体（1）另外两侧面内部通过凹槽各连接一组小插板（4），壳体（1）顶端通过螺丝连接方形盖板（9），下面四周设有支撑柱（10）。

2.根据权利要求1所述的一种小型水力压裂三轴评价测试加压装置，其特征在于，X轴方向加卸载机构（5）、Y轴方向加卸载机构（7）、Z轴方向加卸载机构（6）可通过六通阀与液压泵提供压力差，同时可拆卸，用于模拟X、Y、Z方向提供压力差的机构来模拟地层应力差。

3.根据权利要求1所述的一种小型水力压裂三轴评价测试加压装置，其特征在于，所述的壳体（1）材料为不锈钢，尺寸为80mm×80mm×100mm。

4.根据权利要求1所述的一种小型水力压裂三轴评价测试加压装置，其特征在于，所述的大插板（3）、小插板（4）分别设有凹槽（8）。

5.根据权利要求1所述的一种小型水力压裂三轴评价测试加压装置，其特征在于，所述的小插板（4）一组为2个。

6.根据权利要求1所述的一种小型水力压裂三轴评价测试加压装置，其特征在于，所述的方板（2）及方形盖板（9）中间放置岩样，可以进行不同流量下的实验测试，选用了流量为0～50ml/min的低流量恒流恒压柱塞泵，压力范围为0～50MPa，恒流恒压柱塞泵起到提供平稳液流，压差测试准确的作用。

7.根据权利要求4所述的一种小型水力压裂三轴评价测试加压装置，其特征在于，所述的凹槽（8）内设有声发射探头。

8.一种小型水力压裂评价测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）对要研究的目标储层进行钻井取心，将取出的岩样加工成80mm×80mm×100mm的长方体，在岩样顶端的中部钻取一个直径1.5mm，深75mm的洞，洞的下部45mm空间预留为裸眼段，然后将注液用的模拟井筒用高强度的环氧树脂胶粘在裸眼段上方，防止注液时液体从井口漏出导致泄压，为了使井筒能更好的粘结，在井筒的外壁刻上螺纹；

2）将大插板和小插板***壳体，并且将16个声发射探头置于各插板上预留的凹槽中，然后将加工好的岩石样品置于壳体中，将上部的方形盖板用螺丝固定，通过三个方向的液压活塞对岩样加载所需要的应力，可以模拟实际储层的应力条件；

3）从井筒中向岩样注入压裂液体，可以通过注入泵调节不同的注入速度，整个实验过程对注入压力进行监测记录，实验后研究压力变化曲线，当注入压力达到岩石的破裂压力时，岩石内部开始产生裂缝，裂缝的产生以及扩展过程中会产生声音事件，通过声发射监测***可以对这些事件进行定位，最终将结果汇总，可以得到裂缝扩展的过程以及最终形态图。