CN110700823B - 一种真三轴裂缝扩展模拟和渗透率同步实验的加载体以及渗透率测试表征方法 - Google Patents
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Abstract
本方案涉及一种真三轴裂缝扩展模拟和渗透率同步实验的加载体以及渗透率测试表征方法,加载体包括:加载框体,其内放置有整体呈立方体的试件;加载框体的前端面一侧设置有试件送入的送入装置;有分别从加载框体的X方向、Y方向和Z方向对试件进行加载的多组活塞,多组活塞分别从各个方向与加载框体之间形成密封、固定与加压;试件朝向前端面的前表面上设有钻孔,钻孔内安装有井筒;试件上除前表面之外的剩余五个表面上贴附有垫板,垫板上设置有通气结构;垫板上安装有汇气管线。解决了裂缝扩展实验前后常规测试方法无法完成大型致密试件渗透率测试的难题,为定量化评价不同地应力环境下的裂缝扩展实验效果提供了有效手段。
Description
技术领域
本发明涉及岩体力学与工程技术领域,具体是一种真三轴裂缝扩展模拟和渗透率同步实验的加载体和渗透率测试表征方法。
背景技术
非常规油气资源的勘探开发利用已成为油气能源发展的重点领域,其中水力压裂技术是这类资源取得经济高效开发的关键技术之一。水力压裂技术改造效果直接关系到这类资源的开发利用价值,准确地评价水力压裂技术改造储层效果就显得至关重要。模拟地下环境进行研究储层的裂缝扩展实验和渗透率测试是评价其改造效果的主要手段。当前,国内外受制于裂缝扩展模拟实验设备条件和方法限制,在原实验应力条件下,无法同时准确地的进行裂缝扩展实验或渗透率测试;或者能进行部分测试,但试件尺寸和模拟的地应力大小受限以及渗透率测试和表征方法不准确。
专利CN109975140A公布了一种超临界二氧化碳脉冲致裂与渗透率测试一体化的实验装置及方法,包括各项数据采集模块、动力模块和原位环境模拟***。能实现超临界二氧化碳脉冲压裂实验和压裂前后渗透率测试。但模拟的试件尺寸较小,应力环境为假三轴应力环境。专利CN1041328880B公布了三轴条件下水力压裂前后储层岩心渗透率测试实验方法,包括移动小车和压力室等,能对三轴应力条件下储层水力压裂前后的渗透率进行原位测定,无需对试件卸压,但所需试件较小,不能满足裂缝扩展实验需求,无渗透率具体表征方法。专利CN108663298A公布了一种真三轴裂缝扩展模拟和渗透率测试一体化的实验装置和方法,其包括真三轴加载***、压裂***、声发射检测***和渗透率测试***,能够实现岩石压裂与渗透率测试一体化测试。但真三轴加载框体不详,压裂前渗透率表征不全面。
因此,为了实现原位地应力环境下的裂缝扩展和渗透率测试实验,研发一种真三轴裂缝扩展和渗透率同步实验加载体和渗透率测试表征方法是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种真三轴裂缝扩展模拟和渗透率同步实验的加载体和渗透率测试表征方法,以实现岩石压裂与渗透率的一体化测试,可有效表征压裂实验前后的渗透率大小,评估压裂改造效果。
本发明的技术方案为:
本发明提供了一种真三轴裂缝扩展模拟和渗透率同步实验的加载体,包括:
加载框体,所述加载框体内放置有整体呈立方体的试件;
所述加载框体的前端面一侧设置有送入装置,所述试件通过所述送入装置送入至所述加载框体的内部;
用于分别从所述加载框体的X方向、Y方向和Z方向对所述试件进行加载的多组活塞,多组活塞分别从各个方向与所述加载框体之间形成密封、固定与加压;
所述试件的前表面上设有钻孔,所述钻孔内安装有用于向所述试件内通入渗透率测试气体或压裂液的井筒;
所述试件上除所述前表面之外的剩余五个表面上贴附有垫板,所述垫板上设置有用于将所述试件进行渗透率实验时流动至所述试件外表面的渗透率测试气体进行汇聚的通气结构;所述垫板上安装有用于将由所述通气结构所汇聚的渗透率测试气体进行收集的汇气管线。
优选地,所述垫板包括:
多个内垫板,分别贴附在所述试件上除所述前表面之外的剩余五个表面上,每一所述内垫板上均设置有用于将从所述试件内部流动至所述试件外端面的渗透率测试气体进行传输的多个通气道;
每一所述内垫板上均贴附有一个外垫板,所述外垫板上设置有相连通的导线槽和汇气孔;
所述汇气管线的一端连通外部管汇,另一端从所述导线槽伸入至所述汇气孔内,多个所述通气道传输的渗透率测试气体汇聚至所述汇气孔中,再通过所述汇气管线流出至外部管汇;
所述通气结构包括所述通气道和所述汇气孔。
优选地,所述内垫板上设置的多个通气道包括:
多条沿第一方向布置的第一通气槽以及多条沿第二方向布置的第二通气槽,所述第一方向和所述第二方向垂直;
所述第一通气槽和所述第二通气槽的交汇处设置有通气孔;
所述第一通气槽和所述第二通气槽均未连通至所述内垫板的侧端面;
所述外垫板上设置的汇气孔包括:
在所述外垫板朝向所述内垫板的端面上开设的第一汇气孔,以及在所述外垫板远离所述内垫板的端面上开设的第二汇气孔;所述第一汇气孔和所述第二汇气孔连通;
所述第一汇气孔的内径小于所述第二汇气孔的内径,所述第二汇气孔内设置有和所述汇气管线螺接的内螺纹;
所述外垫板上设置的导线槽包括:
在所述外垫板远离所述内垫板的端面上设置的第一导向槽,以及在所述外垫板的侧端面上设置的第二导向槽,所述第一导向槽的一端连通所述第二导向槽,另一端连通所述第二汇气孔。
优选地,在所述试件的下表面一侧设置的外垫板上开设有多条平行布置的试件送入槽。
优选地,所述井筒包括:相连的第一井筒段和第二井筒段;
所述第一井筒段和所述第二井筒段的外圆周上均开设有多条均匀布置的环形槽;
所述第一井筒段的外径大于所述第二井筒段的外径;
所述第二井筒段的外径小于所述试件内的钻孔的孔眼直径,且所述第二井筒段的外径和所述试件内的钻孔的孔眼直径之间的差值为1mm至3mm之间。
优选地,所述试件呈方形;
所述井筒和所述试件的钻孔之间的环空间隙采用环形树脂进行密封;
所述试件的十二条边采用为整体结构的橡胶模具进行密封,所述内垫板对所述橡胶模具形成支撑,所述外垫板压覆于所述内垫板和所述橡胶模具上。
优选地,所述加载体还包括:
安装在所述加载框体下侧的框体支撑架;
安装在所述加载框体的前端面一侧的滑轨;
贴附在所述试件下表面的垫板放置在所述送入装置上,所述送入装置安装在所述滑轨上,以将所述试件送入至所述加载框体的内部;
在所述试件被送入至所述加载框体的内部后,所述送入装置和所述加载框体螺接固定,且所述送入装置与所述加载框体的第一侧端面形成密封。
本发明还提供一种如上述的加载体的渗透率测试表征方法,包括:
1)试件准备:按照实验要求制作实验所需的整体呈立方体的试件;
2)三轴应力加载:按照实验所需三轴应力条件,通过液压驱动分别控制X、Y和Z三个方向的活塞达到所需三轴应力大小;
3)裂缝扩展实验前的渗透率测试:采用脉冲渗透率测试方法对试件进行整体渗透率测试,所述试件的整体渗透率表征为:
在整体渗透率测试完毕后,对所述试件进行单面渗透率测试;其中,所述试件上与前表面相邻的上表面、下表面、左表面和右表面中的任意一个表面的渗透率表征为:
所述试件上与所述前表面相对的后表面的渗透率表征为:
其中,上述三组公式中:K为渗透率,β为气体压缩系数,α为拟合值,μ为气体粘度,re为试件外接圆半径,rw井筒外径,h2为射孔长度或裸眼井段长度,t为测试时间,Pu,0为上游腔室内的初始压力,Pd,0下游腔室内的初始压力,Pu为上游腔室内的实验结束压力, Pd下游腔室内的实验结束压力;
4)进行裂缝扩展实验:按照预先计划的泵注程序,通过井筒向试件内泵注压裂液,直到试件完全致裂后停止泵注压裂液;
5)裂缝扩展实验后渗透率测试:采用常规渗透率测试方法对被致裂的试件进行整体渗透率测试,所述试件的整体渗透率表征为:
在整体渗透率测试完毕后,对被致裂的试件进行单面渗透率测试;其中,所述试件上与前表面相邻的上表面、下表面、左表面和右表面中的任意一个表面的渗透率表征为:
所述试件上与所述前表面相对的后表面的渗透率表征为:
其中,上述三组公式中:K为渗透率,ΔP为试件中心到所测渗透率端面的压力差,ρ为气体密度,ε为试件孔隙特征参数,μ为气体粘度,Q为流体流量,H为立方体试件宽度,h1为井筒段长度,h2为射孔长度或裸眼井段长度,re为试件外接圆半径,rw井筒外径。
6)裂缝扩展实验结果观测:卸载三轴应力,从实验加载体中取出试件,并按照预定要求描述进行裂缝扩展实验的试件裂缝发展情况;
7)实验结束:上述实验内容完成,按照预定程序把实验设备调至实验前状态。
本发明是有益效果为:
能够实现原位地应力条件下压裂裂缝扩展实验前后渗透率测试与定量化表征,解决了大尺寸试件在原位地应力条件下渗透率测试难,测试气体汇集复杂,不能很好的测试裂缝扩展前后渗透率的问题。同时解决了裂缝扩展实验前常规测试方法无法完成大型致密试件渗透率测试的难题。本发明成果为定量化评价不同条件下的裂缝扩展实验效果提供了有力手段。
附图说明
图1为本发明的加载体的示意图;
图2为本发明的活塞的示意图;
图3为本发明的活塞的示意图;
图4为图3的A-A剖面示意图;
图5为图3的B-B的剖面示意图;
图6为下侧的外垫板的结构示意图;
图7为送入装置、下侧的下垫板和试件配合的示意图;
图8为左侧、右侧、后侧和上侧的外垫板的结构示意图;
图9内垫板的结构示意图;
图10为井筒的结构示意图;
图11为试件的结构示意图;
图12为本发明的加载体的结构示意图;
图13为本发明的加载体的结构示意图;
附图标记说明:1—Z方向活塞,101—螺栓孔,102—活塞推杆,103—活塞腔体,104—活塞内腔,2—加载框体,3—X方向活塞,4—Y方向活塞,5—框体支撑架,6—滑轨, 7—送入装置,8—第一导向槽,9—第二导线槽,10—试件送入槽,11—第一汇气孔,12 —第二汇气孔,13—外垫板;14—试件,15—前台体,16—螺栓,17—第一通气槽,18—第二通气槽,19—通气孔,20—第一井筒段,21—第二井筒段,22—气体进入通道,23—裸眼段或射孔段,24—井筒段;25、内垫板。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例,然而应当理解,可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反,提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明,并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
参照图1至图13,本发明提供了一种真三轴裂缝扩展模拟和渗透率同步实验的加载体,包括:加载框体2,所述加载框体2内放置有整体呈立方体的试件14;所述加载框体2的前端面一侧设置有送入装置7,所述试件14通过所述送入装置7送入至所述加载框体2的内部;用于分别从所述加载框体2的X方向、Y方向和Z方向对所述试件14进行加载的多组活塞,多组活塞分别从各个方向与所述加载框体2之间形成密封、固定与加压;所述试件14朝向所述前端面的前表面上设有钻孔,所述钻孔内安装有用于向所述试件14内通入渗透率测试气体或压裂液的井筒;在所述试件14上除所述前表面之外的剩余五个表面上贴附有垫板,所述垫板上设置有用于将所述试件14进行渗透率实验时流动至所述试件14 外表面的渗透率测试气体进行汇聚的通气结构;所述垫板上安装有用于将由所述通气结构所汇聚的渗透率测试气体进行收集的汇气管线。
如图1所示,多组活塞包括:沿该加载框体2的X方向设置的X方向活塞3,沿加载框体2的Y方向设置的Y方向活塞4,沿加载框体2的Z方向设置的Z方向活塞1。各组活塞的工作压力可达60MPa,X,Y和Z三个方向的轴向应力可达40MPa三组活塞共同实现对试件14在三轴方向上加载不同大小的应力,三组活塞采用液压驱动。各组活塞的活塞杆和后文中的外垫板13远离内垫板25一侧的端面相连,通过外垫板13实现对试件14的刚性加载。
试件14通过真三轴加载***对其加载不同应力,该真三轴加载***具体包括压力室、 X轴液压缸、Y轴液压缸、Z轴液压缸、与X轴液压缸连接的X轴液压控制组件、与Y轴液压缸连接的Y轴液压控制组件和与Z轴液压缸连接的Z轴液压控制组件,X轴液压控制组件、Y轴液压控制组件和Z轴液压控制组件具体为液压泵。X轴液压缸输出端和X方向活塞3的活塞杆连接,Y轴液压缸输出端和Y方向活塞4的活塞杆连接,Z轴液压缸输出端和Z方向活塞1的活塞杆连接。
通过调节X、Y、Z三个方向的液压控制组件,实现对试件14的真三轴围压,具体来说,如图2至4,各个方向的液压控制组件通过对其对应的活塞内腔104内的液压值进行调节,实现对该方向的轴向压力的大小调节。X方向活塞3、Y方向活塞4和Z方向活塞1 通过螺纹与加载框体22连接与密封,加载活塞上均匀布置有螺栓孔101,活塞通过螺栓穿过螺栓孔101和螺母配合实现和加载框体2之间的螺接。活塞内腔104内装满液压油,依靠液压控制组件(液压泵)压缩活塞内腔104内的液压油驱动活塞推杆102前行和后退,提供试件14加载和卸载所需应力,活塞腔体103和活塞推杆102采用圆柱形结构。
如图7,对于送入装置7来说送入装置7上布置多个螺栓16,用于密封和固定。送入装置7朝向加载框体2的前端布置有前台体15,前台体15用于实现固定螺栓16和试件14 以及密封加载框体2。
参照图6至图9,所述垫板包括:多个内垫板25,其为立方体板件,分别贴附在所述试件14上除所述前表面之外的剩余五个表面上,每一所述内垫板25上均设置有用于将从所述试件14内部流动至所述试件14外端面的渗透率测试气体进行传输的多个通气道(具体地,通气道由图9中的通气槽和通气孔19构成);每一所述内垫板25上均贴附有一个外垫板13,所述外垫板13上设置有相连通的导线槽和汇气孔;所述汇气管线的一端连通外部管汇,另一端从所述导线槽伸入至所述汇气孔内,多个所述通气道传输的渗透率测试气体汇聚至所述汇气孔中,再通过所述汇气管线流出至外部管汇;所述通气结构包括所述通气道和所述汇气孔。
具体地,如图9所示,所述内垫板25上设置的多个通气道包括:多条沿第一方向布置的第一通气槽17以及多条沿第二方向布置的第二通气槽18,所述第一方向和所述第二方向垂直;所述第一通气槽17和所述第二通气槽18的交汇处设置有通气孔19;所述第一通气槽17和所述第二通气槽18均未连通至所述内垫板25的侧端面,从图9中可以看出,第一通气槽17、第二通气槽18和通气孔19均匀布置在该内垫板25上,使从试件14端面各个位置处的渗透率测试气体均能够被汇聚到第一汇气孔11处。在进行渗透率测试时,渗透率测试气体从井筒内输入,通过试件14各端面的渗透率测试气体通过内垫板25上的第一通气槽17、第二通气槽18和通气孔19汇聚于第一汇气孔11处。内垫板25为钢合金材质薄垫板,第一通气槽17、第二通气槽18和通气孔19对称分布于内垫板25的两个相对端面,内垫板25的厚度为1-3mm,其能承受60MPa以上的轴向压力和一定大小的剪切应力。
参照图6至图8,外垫板13为立方体板件,其包括两种,一种为图6和图7中所示的外垫板13,该种形状的外垫板13主要设置在试件14的下侧处;一种为图8所示的外垫板 13,该种形状的外垫板13主要设置在试件14的上、左、右和后侧处;不同之处在于,图 6所示的外垫板13相对于图8的外垫板13增加了试件送入槽10,多条平行布置的试件送入槽10设置在试件14的下表面一侧的外垫板13上。试件送入槽10用于***外部工具,协助试件14和内垫板25形成的整体放置在外垫板13上。具体的,如图6至8,所述外垫板13上设置的汇气孔包括:在所述外垫板13朝向所述内垫板25的端面上开设的第一汇气孔11,以及在所述外垫板13远离所述内垫板25的端面上开设的第二汇气孔12;所述第一汇气孔11和所述第二汇气孔12连通;所述第一汇气孔11的内径小于所述第二汇气孔12 的内径,所述第二汇气孔12内设置有和所述汇气管线螺接的内螺纹;所述外垫板13上设置的导线槽包括:在所述外垫板13远离所述内垫板25的端面上设置的第一导向槽8,以及在所述外垫板13的侧端面上设置的第二导向槽,所述第一导向槽的一端连通所述第二导向槽,另一端连通所述第二汇气孔12。渗透率测试气体通过上游的压力腔室(对该腔室中的压力检测获得Pμ,0和Pμ)输入到井筒中,穿过试件14壁的部分渗透率测试气体通过内垫板25上的第一通气槽17、第二通气槽18或通气孔19汇聚到该第一汇气孔11处,在通过汇气管线输出到外部管汇连接的压力腔室内,该压力腔室即为后文公式中的下游腔室,通过对该压力腔室中的压力进行测量获得后文的Pd,0和Pd。
参照图10,井筒为圆柱形状,井筒内设置有气体进入通道22,渗透率测试气体以及压裂液通过该气体进入通道22注入到试件14内,所述井筒包括:相连的第一井筒段20和第二井筒段21;所述第一井筒段20和所述第二井筒段21的外圆周上均开设有多条均匀布置的环形槽;所述第一井筒段20的外径大于所述第二井筒段21的外径;所述第二井筒段21 的外径小于所述试件14内的钻孔的孔眼直径,且所述第二井筒段21的外径和所述试件14 内的钻孔的孔眼直径之间的差值为1mm至3mm之间。第一井筒段20的外径接近于试件 14内的钻孔的孔眼直径。井筒可以在试件14浇筑时提前埋置,也可以在试件14浇筑完成后钻孔来安装井筒。
如图7,所述试件14呈方形;所述井筒和所述试件14的钻孔之间的环空间隙采用环形树脂进行密封;所述试件14的十二条边采用为整体结构的橡胶模具进行密封,所述内垫板25对所述橡胶模具形成支撑,所述外垫板13压覆于所述内垫板25和所述橡胶模具上。
如图1所示,所述加载体还包括:安装在所述加载框体2下侧的框体支撑架5,框体支撑架5为梯形结构,其主要起到对加载框体2的支撑作用,支撑加载框体2高于地面,便于试件14的装载;安装在所述加载框体2的前端面一侧的滑轨6;贴附在所述试件14 下表面的垫板放置在所述送入装置7上,所述送入装置7安装在所述滑轨6上,以将所述试件14送入至所述加载框体2的内部,送入装置7采用加厚钢体制作,通过多个螺栓与加载框体2固定与密封;在所述试件14被送入至所述加载框体2的内部后,所述送入装置7 和所述加载框体2螺接固定,且所述送入装置7与所述加载框体2的第一侧端面形成密封。
本实施例中的上述加载体,通过开关第一导向槽8和第二导线槽9内的汇气管线,能够实现试件14的整体渗透率测试和试件14在上、下、左、右和后五个表面的渗透率测试。具体来说,在裂缝扩展前试件14的渗透率低,采用脉冲衰减法原理进行渗透率测试;裂缝扩展实验后,试件14存在人工缝网,渗透率大幅度提高,采用常规渗透率测试方法原理进行测试。其中,常规渗透率测试方法原理是指按照公开号为“CN108663298A”的专利申请中的方式进行渗透率测试。
具体来说,本申请的上述加载体,在进行试验时,主要包括以下步骤:
1)试件准备:按照实验要求制作实验所需的整体呈立方体的试件14,具体为:选取天然或人造岩石,将岩石加工成30×30×30cm的试件14,然后在试件14的一端面中心位置处加工钻取直径为2cm、深度为20cm的钻孔,在中心孔内埋置井筒,在井筒上预制多条均匀布置的环形槽,配合环形树脂对井筒和钻孔的间隙进行密封,再用为整体结构的橡胶模具封装试件14,采用粘合胶把橡胶模具与试件14的十二条边和八个角粘贴在一起;橡胶模具的棱边宽为25mm,厚度1-3mm,八个角采用圆锥形结构,起到全包裹试件14八个角的作用;
2)三轴应力加载:按照实验所需三轴应力条件,通过液压驱动分别控制X、Y和Z三个方向的活塞达到所需三轴应力大小,具体为:在真三轴加载***的压力室内X、Y和Z 三个方向各布置一个外垫板13,然后将封装好的试件14通过送入装置7送入加载框体2 内部,并保证井筒的管口保持在外面,在试件14的X、Y、Z三个方向各施加0~0.5MPa 的轴压,以固定试件14和保持橡胶模具对试件14各边、角的密封性;然后根据需要加载的试件14三轴应力大小、试件14端面面积与岩心压板面积折算出液压腔油压,调节液压控制组件把X、Y、Z三个方向液压腔油压提升到折算值,使得试件14三个方向达到所需轴向应力;
3)进行裂缝扩展实验前的渗透率测试:将渗透率测试***的气体输入单元通过管路与井筒连通,渗透率测试***的气体输出单元通过管路与外垫板13上的第一汇气孔11连通,压裂管的管口所在的端面无法设置出气阀,因此还能够对试件14剩下的五个表面(上下左右后共5个表面)进行渗透率测试。启动渗透率测试***,若需要测定试件14的单面渗透率,先关闭其它四个端面的出气阀,开启一个端面的渗透率测试面,采用脉冲衰减法原理通过气体输入单元输入气体,记录下测试过程中气体出入口的压力和流量,通过公式计算得到试件14压裂前的单面渗透率;若需要测定试件14的整体渗透率,则采用脉冲渗透率测试方法对试件14进行整体渗透率测试,打开五个端面的出气阀,再记录测试过程中气体出入口的压力和流量,通过公式计算得到试件14压裂前的整体渗透率;
4)进行裂缝扩展实验:按照预先计划的泵注程序,通过井筒向试件14内泵注压裂液,直到试件14完全致裂后停止泵注压裂液,具体为:对试件14进行压裂,断开渗透率测试***的连通管路,再将压裂***的注入泵通过压裂管线与井筒连通,声发射传感器固定于外垫板13中的汇气孔内,对压裂***和声发射检测***进行调试,调试完成后泵注压裂液,压裂试件14;
5)进行裂缝扩展实验后的渗透率测试:采用常规渗透率测试方法对被致裂的试件14进行整体渗透率测试,具体为:断开压裂***与压裂管的连通管路,重复步骤3),此时,输入气体是通过常规的渗透率测试方法原理进行输入的,再通过相关公式计算得到试件14压裂后的单面渗透率和整体渗透率;
其中,在进行裂缝扩展实验前,即在步骤3中,所述试件14的整体渗透率表征为:
所述试件14上与所述前表面相邻的上表面、下表面、左表面和右表面中的任意一个表面的渗透率表征为:
所述试件14上与所述前表面相对的后表面的渗透率表征为:
其中,上述三组公式中:K为渗透率,为气体压缩系数,为拟合值,μ为气体粘度, re为所述试件14的外接圆半径,rw为所述井筒的外径h1为井筒段24长度,h2为射孔段或裸眼段23的长度,t为渗透率测试的时间,Pμ,0为上游腔室内的初始压力,Pd,0为下游腔室内的初始压力,Pμ为上游腔室内的实验结束压力,Pd为下游腔室内的实验结束压力。
另外,在进行裂缝扩展实验后,即在步骤5中,所述试件14的整体渗透率表征为:
所述试件14上与所述前表面相邻的上表面、下表面、左表面和右表面中的任意一个表面的渗透率表征为:
所述试件14上与所述前表面相对的后表面的渗透率表征为:
其中,上述三组公式中:K为渗透率,ΔP为试件中心到所测渗透率端面的压力差,ρ为气体密度,ε为试件孔隙特征参数,μ为气体粘度,Q为流体流量,H为立方体试件宽度,h1为井筒段长度,h2为射孔长度或裸眼井段长度,re为试件(14)外接圆半径,rw井筒外径。
6)裂缝扩展实验结果观测:卸载三轴应力,将压裂后的试件14取出,拍照记录试件14的裂缝扩展情况,然后剖开试件14,拍照记录试件14内部裂缝扩展情况,试验结束。
7)实验结束:上述实验内容完成,按照预定程序把实验设备调至实验前状态。
本发明上述加载体,能够实现原位地应力条件下压裂裂缝扩展实验前后渗透率测试与定量化表征,解决了大尺寸试件在原位地应力条件下渗透率测试难,测试气体汇集复杂,不能很好的测试裂缝扩展前后渗透率的问题。同时解决了裂缝扩展实验前常规测试方法无法完成大型致密试件渗透率测试的难题。本发明成果为定量化评价不同条件下的裂缝扩展实验效果提供了有力手段。
上述实施例只对其中一些本发明的一个或多个实施例进行了描述,但是本领域普通技术人员应当了解,本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此,所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的,在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下,本发明可能涵盖各种的修改与替换。
Claims (6)
1.一种用于真三轴裂缝扩展模拟和渗透率同步实验的加载体,其特征在于,包括:
加载框体(2),所述加载框体(2)内放置有整体呈立方体的试件(14);
所述加载框体(2)的前端面一侧设置有送入装置(7),所述试件(14)通过所述送入装置(7)送入至所述加载框体(2)的内部;
用于分别从所述加载框体(2)的X方向、Y方向和Z方向对所述试件(14)进行加载的多组活塞,多组活塞分别从各个方向与所述加载框体(2)之间形成密封、固定与加压;
所述试件(14)的前表面上设有钻孔,所述钻孔内安装有用于向所述试件(14)内通入渗透率测试气体或压裂液的井筒;
所述试件(14)上除前表面之外的剩余五个表面上贴附有垫板,所述垫板上设置有用于将所述试件(14)进行渗透率实验时流动至所述试件(14)外表面的渗透率测试气体进行汇聚的通气结构;所述垫板上安装有用于将所述通气结构所汇聚的渗透率测试气体进行收集的汇气管线;所述垫板包括:
多个内垫板(25),分别贴附在所述试件(14)上除所述前表面之外的剩余五个表面上,每一所述内垫板(25)上均设置有用于将从所述试件(14)内部流动至所述试件(14)外端面的渗透率测试气体进行传输的多个通气道;
每一所述内垫板(25)上均贴附有一个外垫板(13),所述外垫板(13)上设置有相连通的导线槽和汇气孔;
所述汇气管线的一端连通外部管汇,另一端从所述导线槽伸入至所述汇气孔内,多个所述通气道传输的渗透率测试气体汇聚至所述汇气孔中,再通过所述汇气管线流出至外部管汇;
所述通气结构包括所述通气道和所述汇气孔;所述内垫板(25)上设置的多个通气道包括:
多条沿第一方向布置的第一通气槽(17)以及多条沿第二方向布置的第二通气槽(18),所述第一方向和所述第二方向垂直;
所述第一通气槽(17)和所述第二通气槽(18)的交汇处设置有通气孔(19);
所述第一通气槽(17)和所述第二通气槽(18)均未连通至所述内垫板(25)的侧端面;
所述外垫板(13)上设置的汇气孔包括:
在所述外垫板(13)朝向所述内垫板(25)的端面上开设的第一汇气孔(11),以及在所述外垫板(13)远离所述内垫板(25)的端面上开设的第二汇气孔(12);所述第一汇气孔(11)和所述第二汇气孔(12)连通;
所述第一汇气孔(11)的内径小于所述第二汇气孔(12)的内径,所述第二汇气孔(12)内设置有和所述汇气管线螺接的内螺纹;
所述外垫板(13)上设置的导线槽包括:
在所述外垫板(13)远离所述内垫板(25)的端面上设置的第一导向槽(9),以及在所述外垫板(13)的侧端面上设置的第二导向槽(8),所述第一导向槽(9)的一端连通所述第二导向槽(8),另一端连通所述第二汇气孔(12)。
2.根据权利要求1所述的加载体,其特征在于,在所述试件(14)的下表面一侧设置的外垫板(13)上开设有多条平行布置的试件送入槽(10)。
3.根据权利要求1所述的加载体,其特征在于,所述井筒包括:相连的第一井筒段(20)和第二井筒段(21);
所述第一井筒段(20)和所述第二井筒段(21)的外圆周上均开设有多条均匀布置的环形槽;
所述第一井筒段(20)的外径大于所述第二井筒段(21)的外径;
所述第二井筒段的外径小于所述试件(14)内的钻孔的孔眼直径,且所述第二井筒段(21)的外径和所述试件(14)内的钻孔的孔眼直径之间的差值为1mm至3mm之间。
4.根据权利要求1所述的加载体,其特征在于,
所述试件(14)呈方形;
所述井筒和所述试件(14)的钻孔之间的环空间隙采用环形树脂进行密封;
所述试件(14)的十二条边采用为整体结构的橡胶模具进行密封,所述内垫板(25)对所述橡胶模具形成支撑,所述外垫板(13)压覆于所述内垫板(25)和所述橡胶模具上。
5.根据权利要求1所述的加载体,其特征在于,所述加载体还包括:
安装在所述加载框体(2)下侧的框体支撑架(5);
安装在所述加载框体(2)的前端面一侧的滑轨(6);
贴附在所述试件(14)下表面的垫板放置在所述送入装置(7)上,所述送入装置(7)安装在所述滑轨(6)上,以将所述试件(14)送入至所述加载框体(2)的内部;
在所述试件(14)被送入至所述加载框体(2)的内部后,所述送入装置(7)和所述加载框体(2)螺接固定,且所述送入装置(7)与所述加载框体(2)的第一侧端面形成密封。
6.一种如权利要求1至5任一项所述的加载体的渗透率测试表征方法,其特征在于,包括:
1)试件准备:按照实验要求制作实验所需的整体呈立方体的试件(14);
2)三轴应力加载:按照实验所需三轴应力条件,通过液压驱动分别控制X、Y和Z三个方向的活塞达到所需三轴应力大小;
3)裂缝扩展实验前的渗透率测试:采用脉冲渗透率测试方法对试件(14)进行整体渗透率测试,所述试件(14)的整体渗透率表征为:
在整体渗透率测试完毕后,对所述试件(14)进行单面渗透率测试;其中,所述试件(14)上与前表面相邻的上表面、下表面、左表面和右表面中的任意一个表面的渗透率表征为:
所述试件(14)上与所述前表面相对的后表面的渗透率表征为:
其中,上述三组公式中:K为渗透率,β为气体压缩系数,α为拟合值,μ为气体粘度,re为试件(14)外接圆半径,rw井筒外径,h2为射孔长度或裸眼井段长度,t为测试时间,Pu,0为上游腔室内的初始压力,Pd,0下游腔室内的初始压力,Pu为上游腔室内的实验结束压力,Pd下游腔室内的实验结束压力;
4)进行裂缝扩展实验:按照预先计划的泵注程序,通过井筒向试件(14)内泵注压裂液,直到试件(14)完全致裂后停止泵注压裂液;
5)裂缝扩展实验后渗透率测试:采用常规渗透率测试方法对被致裂的试件(14)进行整体渗透率测试,所述试件(14)的整体渗透率表征为:
在整体渗透率测试完毕后,对被致裂的试件(14)进行单面渗透率测试;其中,所述试件(14)上与前表面相邻的上表面、下表面、左表面和右表面中的任意一个表面的渗透率表征为:
所述试件(14)上与所述前表面相对的后表面的渗透率表征为:
其中,上述三组公式中:K为渗透率,ΔP为试件中心到所测渗透率端面的压力差,ρ为气体密度,ε为试件孔隙特征参数,μ为气体粘度,Q为流体流量,H为立方体试件宽度,h1为井筒段长度,h2为射孔长度或裸眼井段长度,re为试件(14)外接圆半径,rw井筒外径;
6)裂缝扩展实验结果观测:卸载三轴应力,从实验加载体中取出试件(14),并按照预定要求描述进行裂缝扩展实验的试件(14)裂缝发展情况;
7)实验结束:上述实验内容完成,按照预定程序把实验设备调至实验前状态。
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