CN111366472A - 用于可变岩心尺寸的真三轴水力压裂物理模拟设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供应用于用于可变岩心尺寸的真三轴水力压裂物理模拟设备，包括液压稳压源、真三轴模拟试验架和压裂液综合注入控制装置，真三轴模拟试验架与液压稳压源连接为压裂实验提供液压，真三轴模拟试验架与压裂液综合注入控制装置连接，控制实验过程中压裂液的注入，真三轴模拟实验架在X、Y、Z方向上分别设有分层施压且高度可调的围压施加装置，以适用于紧密贴合作用样品表面模拟不同应力施压的情况。本发明的有益效果是：可用于针对现场取心的井下岩心开展真三轴水力压裂实验，研究真实井下地层的裂缝的起裂和扩展规律。

Description

用于可变岩心尺寸的真三轴水力压裂物理模拟设备及方法
技术领域
本发明涉及油气钻探岩石物理工程技术领域，更具体地说涉及一种用于可变岩心尺寸的真三轴水力压裂物理模拟设备及方法。
背景技术
近些年来，随着油气勘探开发的不断深入，页岩气、致密油、致密气、煤层气等非常规油气资源在现有的经济技术条件下具有巨大的开发潜力。水力压裂技术则是非常规油气资源开发的核心技术之一，广泛用于储层的改造，可以大幅提高非常规油气井的产能。
水力压裂技术经过50多年的发展，从理论研究到现场实践都取得了惊人的发展。其中真三轴水力压裂物理模拟实验是最直观的用于研究水力压裂裂缝起裂和裂缝扩展的方法。但是目前现有真三轴水力压裂装置普遍存在一系列问题：(1)多数真三轴水力压裂装置的样品为固定尺寸的立方体岩石样品，如100mm×100mm×100mm，300mm×300mm×300mm，400mm×400mm×400mm等。因此，常规的真三轴水力压裂设备无法满足针对不同尺寸岩心样品的实验需求；(2)真三轴仪器所使用的样品一般为人工制样样品(如水泥混砂)或者天然露头的岩样。这两种样品与井下的真实地层岩石在物理性质和力学性质上都存在诸多差异，得到的实验结果无法准确反映真实情况；(3)目前的真三轴设备普遍不具备水平应力分层加载功能，导致其无法模拟实际的地应力分布情况；或是设计的加载部件过多、过于复杂，带来多个加载件的相互干扰问题。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种用于可变岩心尺寸的真三轴水力压裂物理模拟设备及方法，可用于针对现场取心的井下岩心开展真三轴水力压裂实验，研究真实井下地层的裂缝的起裂和扩展规律。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
应用于用于可变岩心尺寸的真三轴水力压裂物理模拟设备，包括液压稳压源、真三轴模拟试验架和压裂液综合注入控制装置，所述真三轴模拟试验架与所述液压稳压源连接为压裂实验提供液压，所述真三轴模拟试验架与所述压裂液综合注入控制装置连接，控制实验过程中压裂液的注入，其特征在于：所述真三轴模拟实验架在X、Y、Z方向上分别设有分层施压且高度可调的围压施加装置，以适用于紧密贴合作用样品表面模拟不同应力施压的情况。
进一步，所述围压施加装置包括分层压力板、压力板连接块、油压千斤顶、可升降螺旋支座和螺旋支座套筒，所述分层压力板的一侧有样品贴合，所述分层压力板的另一侧与所述压力板连接块相连接，所述油压千斤顶为所述压力板连接块和所述分层压力板提供压力，所述可升降螺旋支座的下部设有所述螺旋支座套筒，所述螺旋支座套筒通过滑道可滑动的设置在所述真三轴模拟试验架上。
进一步，所述分层压力板由不同材料等厚的金属板排列组成。
进一步，每块所述金属板的材质可以为铸铁、碳钢、铸钢和铝中的两种任意组合。
进一步，所述分层压力板上安装声发射探头，所述声发射探头贴合在样品表面。
进一步，所述分层压力板上设有电加热棒实现对所述样品的加热。
进一步，所述压裂液综合注入控制装置包括压裂液罐、携砂液罐和返排液罐，所述压裂液罐、所述携砂液罐和所述返排液罐分别通过阀门与注液管线相连，所述注液管线的注液孔与样品中的井筒连接。
进一步，所述真三轴模拟试验架的框架包括从上至下依次连接的顶架、立架、平台和支座，以及设置在所述顶架、所述立架和所述平台之间的密封箱，所述密封箱内注入硅油。
进一步，所述密封箱内液体压力与施加的所述样品的孔压相同，防止注入所述样品的流体由于压差作用漏出。
一种利用如权利要求1所述的水力压裂物理模拟实验设备模拟水力压裂物理实验的方法，包括如下步骤：
步骤一：将样品放置在真三轴试验架上，通过可升降螺旋支座调节围压施加装置相对于所述样品的垂直位置，通过滑动螺旋支座套筒调整围压施加装置相对于所述样品的水平位置，使压力板与样品的侧面贴合，将声发射探头与所述样品的表面接触；
步骤二：向密封箱内注入硅油，使硅油充满密封箱；
步骤三：打开液压稳压源，按照实验方案分别设置X、Y、Z三个方向的围压大小，待三向围压达到指定数值后，将所述样品放置15分钟，使得所述样品内部达到应力平衡状态；
步骤六：打开压裂液综合注入控制装置，对所述样品进行注液，开始压裂过程，过程如下：
第一步，利用所述压裂液综合注入控制装置进行注液，将压裂液泵入所述样品，使所述样品中产生裂缝；
第二步，利用所述压裂液综合注入控制装置将混好砂的携砂液，进行注液；
第三步，打开阀门使所述样品中的流体在负压作用进入返排液罐中，模拟返排情况；
步骤七：所述压裂液综合注入控制装置，关闭所述液压稳压源，使三向围压卸载为零，然后将所述样品取出。
本发明的有益效果为：
真三轴设备的分层压力板尺寸可调节，使得真三轴实验装置可以针对不同尺寸的样品进行实验，具体可以实现井下从100mm至200mm直径的岩心的实验。
通过改变组成压力板的材料，可方便实现水平应力的分层加压。该设备可以实现井下真实岩心的小型水力压裂实验，且压后的岩样能满足大多数CT设备对尺寸的要求；从而在不破坏岩样的前提下，研究实际储层岩石的裂缝起裂和扩展性状。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为真三轴模拟试验架的结构示意图；
图3为用于加装声发射装置的样品围压施加装置结构示意图；
图4-1为分层压力板主视图；
图4-2为分层压力板侧视图；
图4-3为分层压力板俯视图；
图5为适用于样品的安置方式的结构示意图；
图中：
1、顶架；2、上盖板；3、立架；4、平台；5、支座；6、O型密封圈；7、注液盖板；
8、样品；9、油压千斤顶；10、压力板连接块；11、分层压力板；12、可升降螺旋支座；13、螺旋支座套筒；15、井筒；16、注液管线；17、油压千斤顶注液管线；18、橡胶垫； 19、真三轴模拟试验架；20、液压稳压源；21、压裂液综合注入控制装置；
22、声发射探头固定板；23；注液入口端压力计；24、与压力电子记录仪；
26、压裂液罐；27、携砂液罐；28、返排液罐；29、压力表；30、密封箱；
31-1、31-2、31-3、31-4、31-5、阀门；32、乳胶膜；33、热缩管；
34、声发射探头固定孔；35、上压力板；36、下压力板；37、中压力板；
38、圆柱形穿孔。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1、2所示一种用于可变岩心尺寸的真三轴水力压裂物理模拟设备，主要包括液压稳压源20、真三轴模拟试验架19、压裂液综合注入控制装置21，真三轴模拟试验架 19与液压稳压源20连接，真三轴模拟试验架19与压裂液综合注入控制装置21连接，控制实验过程中压裂液的注入过程。
上述液压稳压源20上有显示压力值的压力表29，表示为油压千斤顶9中油压的压力值，从而可以反映三向应力的围压值大小。并且，围压的大小可以通过电脑伺服控制，实现围压的精确加载。
上述压裂液综合注入控制装置21上有注液入口端压力计23与压力电子记录仪24，可以实时记录并显示注液端压力随时间的变化。压力电子记录仪24得到的压裂曲线可以用于判断压裂过程中裂缝的起裂及延伸过程。
上述真三轴模拟试验架19包括：顶架1、上盖板2、立架3、平台4、支座5、O型密封圈6、注液盖板7、中间开孔橡胶垫8、油压千斤顶9、压力板连接块10、分层压力板11、可升降螺旋支座12、螺旋支座套筒13、滑道14、井筒15、注液管线16、油压千斤顶注液管线17以及样品18构成；
整个真三轴模拟试验架19的框架由顶架1、立架3、平台4、支座5构成，其他装置及零件均安装在框架上，框架上设有密封箱30，密封箱30内注入硅油，密封箱30内液体压力与施加的样品8的孔压相同，防止注入样品8的流体由于压差作用漏出；其中分层压力板11和压力板连接块10通过内六角螺丝连接，共同构成了围压施加装置。其中压力板连接块10放置在可升降螺旋支座12上，可升降螺旋支座12；下方为螺旋支座套筒13，通过旋转可升降螺旋支座12来调整压力板连接块10的高度，进而调节压力板10 的上表面与样品18的上表面高度一致。此外，螺旋支座套筒13可以在滑道14上滑动，通过调整压力板与样品的前后距离，实现对不同尺寸样品的适应性。围压的施加方式通过油压千斤顶9提供压力，油压千斤顶9通过油压千斤顶注液管线17与液压稳压源21 连接。通过液压稳压源20提供液压带动油压千斤顶9运动，推动由分层压力板11和压力板连接块10组成的围压施加装置，向样品提供围压。样品18上部为中间开孔橡胶垫9，目的是保证注液的密封性。中间开孔橡胶垫9的上部为注液盖板7，盖板中间有一个突出的注液孔，注液孔与样品中的井筒15连接，并且连接外部的注液管线16，注液孔周围有一O型密封圈，用以保证注液过程中的密封性。上盖板2放置在注液盖板7的上方，并与顶架1通过螺丝连接。
所示为了实现对不同尺寸的井下岩心样品开展真三轴实验，本发明提供了一种围压施加装置，主要由压力板连接块和压力板构成，通过更换压力板的尺寸实现对不同尺寸的样品进行真三轴压裂实验，其中压力板连接块与压力板通过内六角螺丝连接，可以实现井下从100mm至200mm直径的岩心的实验；
如图3所示本发明还提供一种可以用于加装声发射装置的样品围压施加装置，包括：压力板连接块10、用于安装声发射探头的压力板、声发射探头固定板22、声发射探头固定孔34。其中压力板连接块10通过内六角螺丝与用于安装声发射探头的压力板相连接，声发射探头固定板22通过内六角螺丝与用于安装声发射探头的压力板连接，声发射探头通过声发射探头固定孔34穿过压力板，并贴合在试样表面；其中压力板为不同材料等厚金属板组成的压力板，压力板与压力板连接块10两者之间通过内六角螺丝连接固定，压力板上设有两个圆柱形穿孔，并放入电加热棒；以上涉及的压力板可以为分层压力板11 也可以为非分层压力板；
如图4-1、4-2、4-3分层压力板11可以实现分层施压的原理为：压力施加过程压力板仅发生弹性变形，当组合分层压力板11右端通过压力板连接块10施加相同的作用力时，由于不同材料的杨氏模量与泊松比不同，从而导致不同材料与样品接触端面的作用力不同，即应力大小不同。因此通过调整组合分层压力板11的材料构成，从而可以实现对水平方向上的不同应力的计算与施加；在分层压力板11上加工两个圆柱形穿孔38，并放入电加热棒，由于分层压力板11直接与样品8接触，进而实现对样品8的加热。
优选地，分层压力板11分成三层，其中上、下两块压力板35、36采用铸铁材质制成，其弹性模量为100GPa，中间的压力板37由钢制成，其弹性模量为200GPa。待样品8 和装置安装完成后，假设利用油压千斤顶施加了dl＝0.002mm的位移，则对应三块压力板的应变为dl/l＝0.00005。根据线弹性力学可以计算出施加在不同材质表面的应力大小为：σ铸铁＝50MPa；σ钢＝100MPa。施加在钢表面的应力是铸铁材质的2倍，即在位移相同的条件下，σ铸铁/σ钢＝E铸铁/E钢。
在给定相同位移0.002mm的情况下，不同的材质的分层压力板11对样品8施加的应力见表1：
表1不同材质压力板对样品施加的应力
Figure BDA0002433206110000061
综上，分层压力板11分成三层，其中，上、下两块压力板35、36的材质不同，且与中间的压力板37的材质也不同；
或者上、下两块压力板35、36的材质相同，但与压力板37的材质不同；
其中上、下两块压力板35、36的材料为铸铁、碳钢、铸钢、铝的任一种或任两种，中间的压力板37为铸铁、碳钢、铸钢、铝的任一种。
本发明还提供一种用于软岩的样品真三轴实验的样品准备方法。由于软岩的渗透率高，样品强度低，运输过程和加载过程可能导致样品的损坏。因此对于软岩，在样品周围添加了一层防渗膜，同时防渗膜具有一定的强度，可以防止在运输和防止样品过程中对样品的损坏。
一种用于井下不同尺寸岩心的真三轴水力压裂物理模拟设备模拟水力压裂物理实验的方法，包括如下步骤：
步骤一：将样品8放置在真三轴试验架19上，如图5所示样品8在实验前利用乳胶膜32和热缩管33进行包裹，保证样品8的密封性，通过可升降螺旋支座13调节围压施加装置相对于样品8的垂直位置，通过滑动螺旋支座套筒13调整围压施加装置相对于样品8的水平位置，使分层压力板11与样品8的侧面贴合，将声发射探头与样品8的表面接触；
步骤二：向密封箱30内注入硅油，使硅油充满密封箱30；
步骤三：打开液压稳压源20，按照实验方案分别设置X、Y、Z三个方向的围压大小，待三向围压达到指定数值后，将样品8放置15分钟，使得样品8内部达到应力平衡状态；
步骤六：打开压裂液综合注入控制装置21，对样品8进行注液，开始压裂过程，过程如下：
第一步，利用压裂液综合注入控制装置21进行注液，将压裂液泵入所述样品，使样品8中产生裂缝；
第二步，利用压裂液综合注入控制装置21将混好砂的携砂液，进行注液；
第三步，打开阀门31-5，关闭阀门31-1、31-2、31-3、31-4使样品8中的流体在负压作用进入返排液罐28中，模拟返排情况；
步骤七：压裂液综合注入控制装置21，关闭液压稳压源20，使三向围压卸载为零，然后将样品8取出。
实施例1
如图1所示，按照本发明的一种应用于井下不同尺寸岩心的真三轴水力压裂物理模拟实验设备，对100mm×100mm×100mm的立方体岩心样品8进行真三轴水力压裂实验，其按照先后顺序包括以下步骤：
步骤一：选择100mm×100mm的安装声发射探头的压力板11，将声发射探头固定板22按照图3所示安装在压力板上。然后将压力板连接在压力板连接块(10)上，得到用于100mm×100mm×100mm的立方体岩心样品实验所用的围压加载装置；
步骤二：将样品8放置在真三轴试验架19上，在样品四周的可升降螺旋支座12上方按照图示放置围压加载装置。通过滑动螺旋支座套筒13调整支座相对于样品的水平位置，旋转可升降螺旋支座12调整其相对于样品的垂直位置，使分层压力板11与样品8 的侧面贴合。随后将声发射探头穿过压力板上的声发射探头固定孔，并使探头与样品8 的表面接触，最后将探头进行固定，完成声发射装置的安装；
步骤三：在样品上表面放置100mm×100mm的方形中间开孔橡胶垫，然后将100mm×100mm的方形注液盖板7放置在胶垫18上方，最后将上盖板2通过螺丝固定在顶架1上。完成真三轴试验架19的安装；
步骤四：将真三轴试验架19、压裂液综合注入控制装置21和液压稳压源20按图1的方式连接；
步骤五：打开液压稳压源20，按照实验方案分别设置X、Y、Z三个方向的围压大小。待三向围压达到指定数值后，将样品放置15分钟，使得样品内部达到应力平衡状态，准备进行下一步实验；
步骤六：打开压裂液综合注入控制装置21，对样品8进行注液，注液同时，可以通过注液入口端压力计23与压力电子记录仪24观察注液端压力，压裂过程如下：
第一步，利用压裂液综合注入控制装置21进行注液，将压裂液泵入所述样品，使样品8中产生裂缝；
第二步，利用压裂液综合注入控制装置21将混好砂的携砂液，进行注液；
第三步，打开阀门31-5，关闭阀门31-1、31-2、31-3、31-4使样品8中的流体在负压作用进入返排液罐28中，模拟返排情况；
步骤七：待实验结束之后，关闭压裂液综合注入控制装置21，关闭液压稳压源20，使三向围压卸载为零，然后将样品取出。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.用于可变岩心尺寸的真三轴水力压裂物理模拟设备，包括液压稳压源(20)、真三轴模拟试验架(19)和压裂液综合注入控制装置(21)，所述真三轴模拟试验架(19)与所述液压稳压源(20)连接为压裂实验提供液压，所述真三轴模拟试验架(19)与所述压裂液综合注入控制装置(21)连接，控制实验过程中压裂液的注入，其特征在于：所述真三轴模拟实验架(19)在X、Y、Z方向上分别设有分层施压且高度可调的围压施加装置，以适用于紧密贴合作用样品表面模拟不同应力施压的情况。
2.根据权利要求1所述的用于可变岩心尺寸的真三轴水力压裂物理模拟设备，其特征在于：所述围压施加装置包括分层压力板(11)、压力板连接块(10)、油压千斤顶(9)、可升降螺旋支座(12)和螺旋支座套筒(13)，所述分层压力板(11)的一侧有样品贴合，所述分层压力板的另一侧与所述压力板连接块(10)相连接，所述油压千斤顶(9)为所述压力板连接块(10)和所述分层压力板(11)提供压力，所述可升降螺旋支座(12)的下部设有所述螺旋支座套筒(13)，所述螺旋支座套筒(13)通过滑道可滑动的设置在所述真三轴模拟试验架(19)上。
3.根据权利要求2所述的用于可变岩心尺寸的真三轴水力压裂物理模拟设备，其特征在于：所述分层压力板(11)由不同材料等厚的金属板排列组成。
4.根据权利要求2所述的用于可变岩心尺寸的真三轴水力压裂物理模拟设备，其特征在于：每块所述金属板的材质可以为铸铁、碳钢、铸钢和铝中的两种任意组合。
5.根据权利要求4所述的应用于井下不同尺寸岩心的真三轴水力压裂物理模拟实验设备，其特征在于：所述分层压力板(11)上安装声发射探头，所述声发射探头贴合在样品表面。
6.根据权利要求5所述的用于可变岩心尺寸的真三轴水力压裂物理模拟设备，其特征在于：所述分层压力板(11)上设有电加热棒实现对所述样品(8)的加热。
7.根据权利要求1所述的用于可变岩心尺寸的真三轴水力压裂物理模拟设备，其特征在于：所述压裂液综合注入控制装置包括压裂液罐(26)、携砂液罐(27)和返排液罐(28)，所述压裂液罐(26)、所述携砂液罐(27)和所述返排液罐(28)分别通过阀门与注液管线(16)相连，所述注液管线(16)的注液孔与样品(8)中的井筒(15)连接。
8.根据权利要求1-7任一所述的用于可变岩心尺寸的真三轴水力压裂物理模拟设备，其特征在于：所述真三轴模拟试验架(19)的框架包括从上至下依次连接的顶架(1)、立架(3)、平台(4)和支座(5)，以及设置在所述顶架(1)、所述立架(3)和所述平台(4)之间的密封箱，所述密封箱(30)内注入硅油。
9.根据权利要求8所述的用于可变岩心尺寸的真三轴水力压裂物理模拟设备，其特征在于：所述密封箱(30)内液体压力与施加的所述样品(8)的孔压相同，防止注入所述样品(8)的流体由于压差作用漏出。
10.一种利用如权利要求9所述的水力压裂物理模拟实验设备模拟水力压裂物理实验的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：将样品(8)放置在真三轴试验架(19)上，通过可升降螺旋支座(12)调节围压施加装置相对于所述样品(8)的垂直位置，通过滑动螺旋支座套筒(13)调整围压施加装置相对于所述样品(8)的水平位置，使压力板(11)与样品(18)的侧面贴合，将声发射探头与所述样品(8)的表面接触；
步骤二：向密封箱(30)内注入硅油，使硅油充满密封箱(30)；
步骤三：打开液压稳压源(20)，按照实验方案分别设置X、Y、Z三个方向的围压大小，待三向围压达到指定数值后，将所述样品(8)放置15分钟，使得所述样品(8)内部达到应力平衡状态；
步骤六：打开压裂液综合注入控制装置(21)，对所述样品(8)进行注液，开始压裂过程，过程如下：
第一步，利用所述压裂液综合注入控制装置(21)进行注液，将压裂液泵入所述样品(8)，使所述样品(8)中产生裂缝；
第二步，利用所述压裂液综合注入控制装置(21)将混好砂的携砂液，进行注液；
第三步，打开阀门使所述样品(8)中的流体在负压作用进入返排液罐(28)中，模拟返排情况；
步骤七：所述压裂液综合注入控制装置(21)，关闭所述液压稳压源(20)，使三向围压卸载为零，然后将所述样品(8)取出。
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