CN108693042B - 一种同步监测裂缝扩展与应力变化的压裂装置 - Google Patents

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Abstract

一种同步监测裂缝扩展与应力变化的压裂装置，包括偏振光组件、压裂裂缝扩展模拟组件、CT机和数据实时处理显示***。偏振光组件包括电子枪、聚能线圈、光学弹性片、靶环、应力数据采集器；聚能线圈为具有加强偏振光强度的线圈；其中电子枪的中心与聚能线圈的中心位于同一水平线上；聚能线圈靠近电子枪的一端安装有起偏器，另一端安装有聚光镜，电子枪发射的光束依次穿过聚能线圈的起偏器、聚光镜后形成偏振光源并会聚在靶环上，靶环和应力数据采集器分别安装在CT机的内壁上；压裂裂缝扩展模拟组件被所述CT机环绕。该装置能够实现压裂过程中储层内部裂缝起裂扩展和应力动态变化同步监测，对现场压裂施工方案的优化设计具有重要的指导意义。

Description

一种同步监测裂缝扩展与应力变化的压裂装置
技术领域
本发明涉及一种同步监测裂缝扩展与应力变化的压裂装置及模拟方法，属于石油天然气开采领域。
背景技术
我国的低渗透、特低渗透、非常规油气藏分布广泛，拥有较大的开发潜力。由于其低孔、低渗等特征，通常依赖于压裂增产改造技术以实现经济有效开发。压裂裂缝可有效沟通储层，为油气渗流提供通道，裂缝形态越复杂储层有效改造体积越大，越有利于储层开发与油气生产。
根据裂缝扩展经典理论，裂缝沿最小主应力方向起裂，沿最大主应力方向延伸，所以储层内裂缝的扩展规律与复杂形态主要取决于储层内应力的动态分布，所以准确认识储层应力分布与动态变化规律，对认识裂缝扩展规律与裂缝形态至关重要。
目前，油田现场压裂施工过程中，应用一种地震裂缝监测技术，利用断裂力学中摩尔‐库伦准则，采用适当频段的测震传感器接收和记录井下裂缝边缘发生的微地震，并根据微地震走时进行震源定位，由微地震震源的空间分布分析裂缝轮廓的平面分布与展布方位。但随着水平井分段压裂技术与井工厂技术的快速发展，储层压裂形成的裂缝形态愈加复杂与难以预测，同时由于储层埋藏深，井场环境复杂和噪音大等干扰因素的影响，导致现场裂缝监测得到的反馈信号弱且杂乱，难以得到准确的裂缝形态，致使施工方案的优化设计盲目与难以令人信服，所以亟需从理论分析与物理模拟实验的角度研究压裂过程中储层应力动态变化规律与裂缝扩展规律，对压裂机理认识和施工方案优化具有重要的知道意义。
计算机断层摄影(CT)***，是一种与高功率锥束CT应用相结合的、对数据进行扫描和采集/处理的***和方法，可指引X射线以连续的方式穿过物体，经由相继的探测器将探测到的光子聚集成各视图或各帧，并将这些数据重建成被研究区域的2D/3D图像，从而得到物体内部解剖结构的详细图像/图片，利用投影图像中的颜色对比区别和分析材料内部构造。
光学弹性法属于一种非接触式应力测试方法，既可测试表面应力，也可测试内部应力，其原理是将具有双折射效应的透明光弹性贴片粘贴在被测工件上并置于偏振光场中，通过测试工件加上载荷后弹性片上产生的干涉条纹数目与条纹密集程度，确定工件在受载情况下的应力状态，可用于复杂几何形状和载荷条件构件的应力分布状态的研究。
目前，测试应力的实验装置均要求压感元件与物件表面直接接触，并没有一种能够实现物件内部应力实时准确监测与数据处理分析的装置，无法实现压裂过程中储层内部裂缝起裂扩展和应力动态变化的同步监测。
发明内容
为解决现有压裂模拟装置无法实现压裂过程中储层内部裂缝起裂扩展和应力动态变化同步监测的问题，本发明提供一种同步监测裂缝扩展与应力变化的压裂装置。
本发明的技术方案：
一种同步监测裂缝扩展与应力变化的压裂装置，包括偏振光组件、压裂裂缝扩展模拟组件、CT机和数据实时处理显示***；
所述偏振光组件包括电子枪、聚能线圈、光学弹性片、靶环、应力数据采集器；
所述聚能线圈为金属材料或金属复合材料缠绕而成的具有加强偏振光强度的线圈；
所述电子枪的中心与所述聚能线圈的中心位于同一水平线上；
所述聚能线圈靠近电子枪的一端安装有起偏器，另一端安装有聚光镜；
所述电子枪发射的光束依次穿过聚能线圈的起偏器、聚光镜后形成偏振光并会聚在靶环上；
所述靶环和应力数据采集器分别安装在CT机的内壁上；
所述压裂裂缝扩展模拟组件包括内部具有压裂模拟岩样的压裂模拟容器，被所述CT机环绕。
所述偏振光组件还包括用于承载电子枪和聚能线圈的滑轨工作台，所述滑轨工作台通过底部带有万向轮的梯形支架和伸缩杆支撑；
所述滑轨工作台上安装有自由滑动的滑块，所述滑块通过伸缩杆分别与电子枪和聚能线圈连接。
所述压裂裂缝扩展模拟组件还包括用于承载压裂模拟容器的移动工作台；
所述压裂模拟容器为无盖的长方体容器，其长度为30-300cm、宽度为30-300cm、高度为30-300cm；
所述压裂模拟容器的前后左右内壁面上安装有千斤顶；
所述移动工作台通过底部带有万向轮的梯形支架和伸缩杆支撑；
所述压裂裂缝扩展模拟组件还包括泵和用于盛放压裂液体和支撑剂材料的容器；
所述泵通过管道与盛放压裂液体和支撑剂材料的容器连接。
所述压裂模拟岩样为由混凝土、硅酸盐类水泥、铝酸盐类水泥、砂砾、砂岩、煤岩材料中的一种或多种制成的长方体结构；
所述模拟岩样的长度为5-100cm、宽度为5-100cm、高度为5-100cm；
所述压裂模拟岩样内部安装有井筒。
所述压裂模拟岩样内部的井筒包括垂直井筒或水平井筒；
所述井筒的长度为5-400cm、直径为1-150mm；
所述井筒表面均匀或分簇分布有射孔；
所述射孔直径为1-20mm，射孔密度为8-96个/m，射孔相位角度为0～180°。
所述压裂模拟岩样内部布置有若干个具有应力敏感性的光学弹性片；
所述光学弹性片表面的干涉条纹随应力的变化而变化。
所述CT机为环形CT机；
所述CT机与数据处理***通讯连接。
所述靶环和所述应力数据采集器可滑动的安装在CT扫描机的内侧壁上；
通过移动所述靶环的位置调节偏振光源入射光线的强度与入射角度；
所述应力数据采集器与数据处理***通讯连接。
所述数据处理***实时接收应力变化数据与裂缝扩展数据并实时显示；
所述应力变化数据包括围压加载数据、弹性片条纹图像、应力变化曲线；
所述裂缝扩展数据包括裂缝起裂扩展实时变化图像。
一种同步监测裂缝扩展与应力变化的压裂装置的使用方法包括：
制成长方体压裂模拟岩样，压裂模拟岩样内部安装带有射孔的井筒，在压裂模拟岩样内部布置若干个具有应力敏感性的光学弹性片；
将压裂模拟岩样放置在压裂模拟容器内部，调节压裂模拟容器前后左右内壁面上的千斤顶，使前后左右内壁面上的千斤顶分别与压裂模拟岩样的壁面接触；
调节压裂裂缝扩展模拟组件与CT机的位置，使压裂裂缝扩展模拟组件被CT机环绕；
调节偏振光组件，使偏振光组件中的电子枪的中心与聚能线圈的中心位于同一水平线上，使电子枪发射的光束依次穿过聚能线圈的起偏器、聚光镜后形成偏振光源并会聚在安装在CT机内壁的靶环上；
调节CT机内壁上的应力数据采集器的位置，使其位于压裂模拟岩样的正上方；
将实验环境光线调暗，开启电子枪，开启CT机，开启数据实时处理显示***；
连接各部分线缆、检查通讯状态；
同步调节压裂模拟容器内壁面上的千斤顶的压力，使千斤顶对压力模拟岩样施加一固定的围压，之后用泵将压裂液与支撑剂材料注入井筒内，直至压裂模拟岩样内部因高压致裂；
调节CT机内壁上靶环和应力数据采集器的位置，直至在数据实时处理显示***中显示出一个清晰的裂缝破裂扩展显示图像；
数据实时处理显示***将记录压裂模拟岩样裂缝破裂扩展显示图像及裂缝破裂扩展过程中应力的变化数据；
重复调节CT机内壁上靶环和应力数据采集器的位置，通过数据实时处理显示***记录压裂模拟岩样中不同位置裂缝破裂扩展显示图像及裂缝破裂扩展过程中应力的变化数据；
存储数据后，分别关闭电子枪、CT机、数据实时处理显示***，卸载千斤顶的压力，从压裂模拟容器中取出压裂模拟岩样。
本发明的技术效果：
本发明的一种同步监测裂缝扩展与应力变化的压裂装置，电子枪发出的光束经过起偏器形成了偏振光，偏振光在聚能线圈中进一步强化，强化后的偏振光在聚光镜的作用下汇聚在位于CT机内壁的靶环上，靶环将偏振光反射到位于压裂模拟容器内部的压裂模拟岩样中，在压裂模拟岩样内部形成偏振光场，当压裂模拟岩样因外力产生压裂时，暴露在偏振光场中的光学弹性片表面的干涉条纹产生变化，应力数据采集器通过采集光学弹性片表面干涉条纹的变化信息来计算模拟岩样内部的应力。在应力数据采集器采集模拟岩样内部应力的同时，CT机进行模拟岩样内部裂缝扩展的动态信息的采集。应力数据采集器与CT机获取的信息同步传送到数据实时处理显示***中，实现应力动态变化与裂缝扩展同步监测。建立了裂缝扩展与动态应力的耦合分析概念，更好的理解压裂裂缝的产生对井筒周围应力重新分布的影响规律，提高对“井工厂”压裂模式易形成复杂裂缝的机理认识，对现场压裂施工方案的优化设计具有重要的指导意义。
附图说明
图1为本发明一种同步监测裂缝扩展与应力变化的压裂装置的结构示意图。
图2为本发明一种同步监测裂缝扩展与应力变化的压裂装置的CT机侧视图。
附图标号：
1‐1万向轮；1‐2梯形支架；1‐3伸缩杆；1‐4滑轨工作台；1‐5滑块；1‐6电子枪；1‐7聚能线圈；1‐8起偏器；1‐9聚光镜；2‐1压裂模拟容器；2‐2千斤顶；2‐3井筒；2‐4压裂模拟岩样；2‐5移动工作台；2‐6CT机；2‐7应力数据采集器；2‐8靶环；3‐1数据实时处理显示***；3‐2应力变化显示器；3‐3裂缝扩展显示器。
具体实施方式
为了更清楚的理解该发明的内容，将结合附图和实施例详细说明。
实施例1
如图1和图2所示，一种同步监测裂缝扩展与应力变化的压裂装置，包括偏振光组件、压裂裂缝扩展模拟组件、CT机和数据实时处理显示***。偏振光组件包括梯形支架1‐2、伸缩杆1‐3、滑轨工作台1‐4、电子枪1‐6和聚能线圈1‐7；梯形支架1‐2位于工作台1‐4的下方起支撑作用，其底部安装4个万向轮1‐1便于设备的移动与运输。梯形支架1‐2与滑轨工作台1‐4中间安装伸缩杆1‐3，伸缩杆1‐3可自由调节长度来调整滑轨工作台1‐4的高度。滑轨工作台1‐4表面安装滑轨，使滑块1‐5可自由滑动；滑轨工作台1‐4上依次安装了电子枪1‐6和聚能线圈1‐7，其均通过滑块1‐5安装在滑轨工作台1‐4上，滑块1‐5通过伸缩杆1‐3分别与电子枪1‐6和聚能线圈1‐7连接，电子枪1‐6和聚能线圈1‐7通过伸缩杆1‐3调整高度。电子枪1‐6可发射X射线，聚能线圈1‐7内部依次安装有起偏器1‐8和聚光镜1‐9，起偏器1‐8与聚光镜1‐9之间的距离可自由改变，电子枪1‐6发射的X射线通过起偏器1‐8形成偏振光，偏振光通过聚光镜1‐9汇聚到CT机2‐6内壁面的靶环2‐8上，靶环2‐8将偏振光反射到压裂模拟岩样2‐4的内部形成偏振光场。压裂裂缝扩展模拟组件包括压裂模拟容器2‐1、压裂模拟岩样2‐4及井筒2‐3和千斤顶2‐2，压裂模拟容器2‐1为无盖的长方体容器，压裂模拟容器2‐1的前、后、左、右四个方向分别安装千斤顶2‐2；压裂模拟岩样2‐4内部安装井筒2‐3，井筒2‐3表面均匀或分簇分布射孔，压裂模拟岩样2‐4内部特别是井筒2‐3周围布置足够的具有应力敏感性的光学弹性片，光学弹性片表面干涉条纹随应力变化而变化。移动工作台2‐5下方由梯形支架1‐2和伸缩杆1‐3支撑，伸缩杆1‐3可自由调节高度。CT机2‐6的截面为环形，其内壁安装靶环2‐8和应力数据采集器2‐7，靶环2‐8和应力数据采集器2‐7均可沿CT机2‐6的内壁面滑动以调节入射光线的强度与入射角度，所述靶环2‐8为长方形结构，可接收和反射偏振光；应力数据采集器2‐7通过采集光学弹性片的变化信息来计算模拟岩样2‐4内部的应力。在应力数据采集器2‐7采集模拟岩样内部应力的同时，CT机2‐6进行模拟岩样2‐4内部裂缝扩展的动态信息的采集。应力数据采集器2‐7与CT机2‐6获取的信息同步传送到数据实时处理显示***3‐1中，实现应力动态变化与裂缝扩展同步监测。
实施例2
如图1图2所示，本发明装置的其中一种操作方法为：首先采用混凝土、硅酸盐类水泥、铝酸盐类水泥、砂砾、砂岩、煤岩材料混合制成长度为100cm、宽度为80cm、高度为80cm的长方体压裂模拟岩样2-4，压裂模拟岩样2-4内部安装有2个长度为150cm，直接为10cm的垂直井筒2-3，井筒2-3的表面均匀分布有8个直径为1mm的射孔，射孔的相位角为180°。在压裂模拟岩样2-4内部及井筒2-3周围布置若干个具有应力敏感性的光学弹性片；将压裂模拟岩样2‐4放置在压裂模拟容器2‐1内部，压裂模拟容器2‐1的长度为300cm、宽度为200cm、高度为200cm，调节压裂模拟容器2‐1前后左右内壁面上的千斤顶2‐2，使前后左右内壁面上的千斤顶2‐2分别与压裂模拟岩样2‐4的壁面接触；调节压裂裂缝扩展模拟组件与CT机2-6的位置，使压裂裂缝扩展模拟组件被CT机2-6环绕；调节偏振光组件，使偏振光组件中的电子枪1-6的中心与聚能线圈1-7的中心位于同一水平线上，使电子枪1‐6发射的光束依次穿过聚能线圈1‐7的起偏器1‐8、聚光镜1‐9后形成偏振光源并会聚在安装在CT机2‐6内壁的靶环2‐8上；调节CT机2-6内壁上的应力数据采集器2-7的位置，使其位于压裂模拟岩样2-4的正上方；将实验环境光线调暗，开启电子枪1-6，开启CT机2-6，开启数据实时处理显示***3-1；连接各部分线缆、检查通讯状态；同步调节压裂模拟容器2‐1内壁面上的千斤顶2-2的压力，使千斤顶2-2对压力模拟岩样2-4施加一固定的围压，之后用泵将压裂液与支撑剂材料注入井筒2-3内，直至压裂模拟岩样2-4内部因高压致裂；调节CT机2-6内壁上靶环2-8和应力数据采集器2-7的位置，直至在数据实时处理显示***3-1中显示出一个清晰的裂缝破裂扩展显示图像；数据实时处理显示***将3-1记录压裂模拟岩样2-4裂缝破裂扩展显示图像及裂缝破裂扩展过程中应力的变化数据；重复调节CT机2-6内壁上靶环2-8和应力数据采集器2-7的位置，通过数据实时处理显示***3-1记录压裂模拟岩样2-4中不同位置裂缝破裂扩展显示图像及裂缝破裂扩展过程中应力的变化数据；存储数据后，分别关闭电子枪1-6、CT机2-6、数据实时处理显示***3-1，卸载千斤顶2-2的压力，从压裂模拟容器2-1中取出压裂模拟岩样2-4，完成操作。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换等都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种同步监测裂缝扩展与应力变化的压裂装置，其特征在于：包括偏振光组件、压裂裂缝扩展模拟组件、CT机和数据实时处理显示***；
所述偏振光组件包括电子枪、聚能线圈、光学弹性片、靶环、应力数据采集器；
所述聚能线圈为金属材料或金属复合材料缠绕而成的具有加强偏振光强度的线圈；
所述电子枪的中心与所述聚能线圈的中心位于同一水平线上；
所述聚能线圈靠近电子枪的一端安装有起偏器，另一端安装有聚光镜；
所述电子枪发射的光束依次穿过聚能线圈的起偏器、聚光镜后形成偏振光并会聚在靶环上；
所述靶环和应力数据采集器分别安装在CT机的内壁上；
所述压裂裂缝扩展模拟组件包括内部具有压裂模拟岩样的压裂模拟容器，被所述CT机环绕，所述压裂模拟容器的前后左右内壁面上安装有千斤顶；
所述靶环将偏振光反射到压裂模拟岩样的内部形成偏振光场，所述光学弹性片布置于压裂模拟岩样内部，具有应力敏感性；所述光学弹性片表面的干涉条纹随应力的变化而变化；
所述应力数据采集器通过采集光学弹性片的变化信息来计算模拟岩样内部的应力。
2.根据权利要求1所述的压裂装置，其特征在于：所述偏振光组件还包括用于承载电子枪和聚能线圈的滑轨工作台，所述滑轨工作台通过底部带有万向轮的梯形支架和伸缩杆支撑；
所述滑轨工作台上安装有自由滑动的滑块，所述滑块通过伸缩杆分别与电子枪和聚能线圈连接。
3.根据权利要求1所述的压裂装置，其特征在于：所述压裂裂缝扩展模拟组件还包括用于承载压裂模拟容器的移动工作台；
所述压裂模拟容器为无盖的长方体容器，其长度为30-300cm、宽度为30-300cm、高度为30-300cm；
所述移动工作台通过底部带有万向轮的梯形支架和伸缩杆支撑；
所述压裂裂缝扩展模拟组件还包括泵和用于盛放压裂液体和支撑剂材料的容器；
所述泵通过管道与盛放压裂液体和支撑剂材料的容器连接。
4.根据权利要求1所述的压裂装置，其特征在于：所述压裂模拟岩样为由混凝土、硅酸盐类水泥、铝酸盐类水泥、砂砾、砂岩、煤岩材料中的一种或多种制成的长方体结构；
所述模拟岩样的长度为5-100cm、宽度为5-100cm、高度为5-100cm；
所述压裂模拟岩样内部安装有井筒。
5.根据权利要求4所述的压裂装置，其特征在于：所述压裂模拟岩样内部的井筒包括垂直井筒或水平井筒；
所述井筒的长度为5-400cm、直径为1-150mm；
所述井筒表面均匀或分簇分布有射孔；
所述射孔直径为1-20mm，射孔密度为8-96个/m，射孔相位角度为0～180°。
6.根据权利要求1所述的压裂装置，其特征在于：所述CT机为环形CT机；
所述CT机与数据处理***通讯连接。
7.根据权利要求1所述的压裂装置，其特征在于：所述靶环和所述应力数据采集器可滑动的安装在CT扫描机的内侧壁上；
通过移动所述靶环的位置调节偏振光源入射光线的强度与入射角度；
所述应力数据采集器与数据处理***通讯连接。
8.根据权利要求1所述的压裂装置，其特征在于：所述数据处理***实时接收应力变化数据与裂缝扩展数据并实时显示；
所述应力变化数据包括围压加载数据、弹性片条纹图像、应力变化曲线；
所述裂缝扩展数据包括裂缝起裂扩展实时变化图像。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种同步监测裂缝扩展与应力变化的压裂装置的使用方法，其特征在于：
制成长方体压裂模拟岩样，压裂模拟岩样内部安装带有射孔的井筒，在压裂模拟岩样内部布置若干个具有应力敏感性的光学弹性片；
将压裂模拟岩样放置在压裂模拟容器内部，调节压裂模拟容器前后左右内壁面上的千斤顶，使前后左右内壁面上的千斤顶分别与压裂模拟岩样的壁面接触；
调节压裂裂缝扩展模拟组件与CT机的位置，使压裂裂缝扩展模拟组件被CT机环绕；
调节偏振光组件，使偏振光组件中的电子枪的中心与聚能线圈的中心位于同一水平线上，使电子枪发射的光束依次穿过聚能线圈的起偏器、聚光镜后形成偏振光源并会聚在安装在CT机内壁的靶环上；
调节CT机内壁上的应力数据采集器的位置，使其位于压裂模拟岩样的正上方；
将实验环境光线调暗，开启电子枪，开启CT机，开启数据实时处理显示***；
连接各部分线缆、检查通讯状态；
同步调节压裂模拟容器内壁面上的千斤顶的压力，使千斤顶对压力模拟岩样施加一固定的围压，之后用泵将压裂液与支撑剂材料注入井筒内，直至压裂模拟岩样内部因高压致裂；
调节CT机内壁上靶环和应力数据采集器的位置，直至在数据实时处理显示***中显示出一个清晰的裂缝破裂扩展显示图像；
数据实时处理显示***将记录压裂模拟岩样裂缝破裂扩展显示图像及裂缝破裂扩展过程中应力的变化数据；
重复调节CT机内壁上靶环和应力数据采集器的位置，通过数据实时处理显示***记录压裂模拟岩样中不同位置裂缝破裂扩展显示图像及裂缝破裂扩展过程中应力的变化数据；
存储数据后，分别关闭电子枪、CT机、数据实时处理显示***，卸载千斤顶的压力，从压裂模拟容器中取出压裂模拟岩样。
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