CN112033793A - 用于观察岩石水力压裂裂缝起裂演化的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于观察岩石水力压裂裂缝起裂演化的试验装置，包括水力压裂试验机、注液组件、内窥镜组件和双层透明管，水力压裂试验机对柱体岩样固定，施加轴向载荷和围压载荷，双层透明管***柱体岩样内部，外层与柱体岩样内部连通，注液组件与双层透明管外层接通，向双层透明管外层高压注液，内窥镜组件的高精度摄像头***双层透明管的内层，实现对水力压裂裂缝起裂演化过程的成像观察和描述。本发明采用双层透明管代替传统的单层导流管，通过设置在内层的高精度摄像头实现了对水力压裂裂缝起裂的动态监测和成像描述，其透明视窗可承受预制孔内的高压环境，确保高精度摄像机的观测。

Description

用于观察岩石水力压裂裂缝起裂演化的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及岩石力学试验技术领域，特别涉及一种用于观察岩石水力压裂裂缝起裂演化的试验装置及方法。

背景技术

随着页岩气的大规模开采，水力压裂技术作为一种重要的提高低渗储层渗透率的有效手段越来越受到重视。水力裂缝的形成主要分为三个阶段：起裂、扩展和闭合，每个阶段都对裂缝的最终形成形态具有重要的影响，因此观察裂缝的发展演化过程至关重要。但由于水力裂缝的形成过程具有隐蔽性和随机性，在加载条件下如何对水力裂缝起裂中的形态进行监测和描述，仍然是水力压裂室内模拟实验和现场施工中需要解决的问题。目前对水力裂缝起裂和扩展过程的监测和描述主要是通过声发射，X-射线和CT断面扫描等手段来实现的，声发射可以实现裂缝扩展过程的动态监测，但精度较低，不能准确描述裂缝的形态；X-射线和CT断面扫描定位精确，但是成像能力较差，且成本高昂，受到岩样尺寸、岩质均匀性的限制，且对水力压裂过程中导流孔周边的裂缝起裂演化，水力裂缝的分布形态，以及后期裂缝的闭合过程的监测能力有限。此外，由于水力裂缝起裂时间较短，监测精度要求高。目前有关水力裂缝起裂过程监测的研究较少，而更多关注裂缝的扩展程度，不能满足对裂缝起裂演化过程的监测需求。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种可观察岩石水力压裂裂缝起裂演化的试验方案，以解决水力压裂试验中不能对裂缝起裂直观观察和描述的难题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种用于观察岩石水力压裂裂缝起裂演化的试验装置，包括水力压裂试验机、注液组件、内窥镜组件和双层透明管，所述水力压裂试验机对柱体岩样固定，施加轴向载荷和围压载荷，所述双层透明管***所述柱体岩样内部，所述双层透明管的外层与柱体岩样内部连通，所述注液组件与所述双层透明管的外层接通，向所述双层透明管的外层高压注液，所述内窥镜组件的高精度摄像头***所述双层透明管的内层，实现对水力压裂裂缝起裂演化过程的成像观察和描述。

进一步地，所述水力压裂试验机包括底座、设置在所述底座上的支撑立柱、以及设置在所述支撑立柱顶端的顶板，所述底座与所述顶板之间设置有一不锈钢腔室，所述柱体岩样固定于所述不锈钢腔室内，顶端设置有预制孔，所述底座上设置有一加载油缸和一围压增压泵，所述加载油缸的轴向加载活塞对所述柱体岩样的底端施加轴向载荷，所述围压增压泵向所述柱体岩样的侧壁施加围压载荷。

进一步地，所述注液组件包括注液泵，所述注液泵通过一注液管与所述双层透明管的外层连通，连接处设置有一转接头。

进一步地，所述双层透明管***所述预制孔内，内层和外层相互隔离，所述双层透明管外层的顶端设置有一注液口，所述注液口与所述注液管通过所述转接头连接，所述双层透明管外层的底端设置有多个出液口。

进一步地，所述双层透明管内层的顶端设置有一内窥镜入口，底端凸出于所述外层设置有一透明视窗。

进一步地，所述透明视窗采用特种蓝宝石玻璃材质，所述蓝宝石玻璃的直径为15mm，包括4.1mm的环边，用于压边至所述双层透明管的底面，所述透明视窗的厚度为8mm，曲率半径为40，可承载60MPa的压力。

进一步地，所述内窥镜组件还包括一手柄和一连接软线，所述手柄与所述高精度摄像头通过所述连接软线连接，所述手柄能控制所述高精度摄像头的镜头自由旋转以及拍照录像。

本发明还提供了一种用于观察岩石水力压裂裂缝起裂演化的试验方法，具体包括如下步骤：

步骤一，采样制作柱体岩样，通过钻头制作预制孔；

步骤二，将透明双层管固定在预制孔中，并用环氧树脂进行密封，将注液管与透明双层管的注液口通过转接头接通；

步骤三，将柱体岩样置于不锈钢腔室中，通过围压增压泵对柱体岩样施加围压，加载油缸的轴向加载活塞对柱体岩样施加轴向荷载；

步骤四，将高精度摄像头从内窥镜入口***透明双层管中，操作手柄调节好镜头的位置和灯光强度等，使镜头能拍摄到更广的范围和更好的效果；

步骤五，开启注液泵和高精度摄像头，控制注液压力进行水力压裂试验，通过高精度摄像头对整个孔壁裂缝的起裂演化过程进行监测和记录，得到裂缝起裂到闭合的演化过程图并保存；

步骤六，关闭注液泵，关闭围压增压泵卸载围压，驱动加载油缸的轴向加载活塞卸载轴向荷载，关闭高精度摄像头并从双层透明管中取出，取下柱体岩样，关闭仪器并检查电路安全，完成实验。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明采用双层透明管代替传统的单层导流管，在双层透明管内层放入自动可调的高精度摄像头，外层环空用于高压注液以致裂岩样，在水力压裂过程中通过高精度摄像头记录岩样预制孔的孔底和孔壁上裂缝起裂的全过程以及压裂结束后裂缝的闭合过程，实现了对水力压裂裂缝起裂的动态监测和成像描述，利于学者认识和研究岩石水力压裂在孔内的起裂演化过程以及裂缝的形态特征；其中，双层透明管的透明视窗采用特种蓝宝石玻璃材质，其形状和尺寸经过优化，可承受预制孔内部高压环境，确保高精度摄像机的观测。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的双层透明管结构示意图；

图3为本发明的透明视窗尺寸图。

【附图标记说明】

1-双层透明管；2-柱体岩样；3-预制孔；4-高精度摄像头；5-底座；6-支撑立柱；7-顶板；8-不锈钢腔室；9-加载油缸；10-围压增压泵；11-轴向加载活塞；12-注液泵；13-注液管；14-注液口；15-转接头；16-出液口；17-内窥镜入口；18-透明视窗；19-手柄；20-连接软线。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1：

如图1所示，本发明的实施例1提供了一种用于观察岩石水力压裂裂缝起裂演化的试验装置，包括水力压裂试验机、注液组件、内窥镜组件和双层透明管1。其中，水力压裂试验机固定柱体岩样2，并施加轴向载荷和围压载荷，双层透明管1***柱体岩样2内部，其外层与外界环境、即柱体岩样2内部连通，同时双层透明管1的外层与注液组件接通，由注液组件向双层透明管1的外层高压注液。柱体岩样2在上述各载荷作用下，其预制孔3内壁的裂缝起裂，从而模拟水力压裂的整个过程。内窥镜组件的高精度摄像头4***双层透明管1的内层，实现对水力压裂裂缝起裂演化过程的成像观察和描述。

具体地，水力压裂试验机包括底座5、设置在底座5上的支撑立柱6、以及设置在支撑立柱6顶端的顶板7。底座5与顶板7之间设置有一不锈钢腔室8，通过底座5和顶板7分别对不锈钢腔室8的顶端和底端形成稳定支撑。柱体岩样2固定于不锈钢腔室8内，预制孔3从柱体岩样2顶端向内开设。底座5上设置有一加载油缸9和一围压增压泵10，加载油缸9的轴向加载活塞11对柱体岩样2的底端施加轴向载荷，通过顶板7的反作用力形成两端轴向加载，围压增压泵10向柱体岩样2的侧壁施加围压载荷，以模拟水力压裂过程的围压环境。

注液组件包括注液泵12，注液泵12通过一注液管13与双层透明管1的外层连通。双层透明管结构如图2所示，试验时双层透明管1***预制孔3内，内层和外层相互隔离而分别形成独立通道。外层靠近顶端的位置设置有一注液口14，注液口14与注液管13通过转接头15连接，同时双层透明管1外层的底端设置有多个出液口16，从而在注液泵12作用下高压水流沿注液管13进入双层透明管1的外层，再从双层透明管1外层底端的出液口16射出，对柱体岩样2的预制孔3内部形成水力作用。当然，出液口16也不局限于双层透明管1底端设置，在外层侧壁上同样可以设置出液口16。

作为进一步改进，本实施例中双层透明管1内层的顶端设置有一内窥镜入口17，底端凸出于外层设置有一透明视窗18，试验过程中高精度摄像头4从内窥镜入口17***柱体岩样2的预制孔3内，高精度摄像头4底端的镜头位于透明视窗18位置，以全方位地观测裂缝起裂演化过程。由于试验时岩石内部为高压环境，因此透明视窗18采用特种蓝宝石玻璃材质，具有较高的强度，而双层透明管1本体采用强度高的金属材质。如图3所示，经过测试，蓝宝石玻璃的直径选用15mm，包括4.1mm的环边，用于压边至双层透明管1的底面固定，以及直径为6.8mm的凸圆形透明视窗18。透明视窗18的厚度选用8mm，曲率半径为40，可承载60MPa的压力，从而在高压岩石内部环境下维持完整性，便于高精度摄像机4的观测。

在本实施例中，内窥镜组件17还包括一手柄19和一连接软线20，手柄19与高精度摄像头4通过连接软线20连接，手柄19能控制高精度摄像头4的镜头自由旋转以及拍照录像开闭切换，因此在试验过程中高精度摄像头4可以由手柄19实时控制，从各个角度更清晰地观测岩石内部裂缝起裂演化过程。

实施例2：

本发明的实施例2提供了一种观察岩石水力压裂裂缝起裂演化的试验方法，具体包括如下步骤：

步骤一，采样制作柱体岩样2，通过钻头制作预制孔3，使预制孔3达到预设深度，与透明双层管1的长度相对应；

步骤二，将透明双层管1固定在预制孔3中，并用环氧树脂将预制孔3孔口密封，以形成预制孔3内部的封闭高压环境，将注液管13与透明双层管1的注液口14通过转接头15接通；

步骤三，将柱体岩样2置于不锈钢腔室8中，通过围压增压泵10对柱体岩样2施加围压，加载油缸9的轴向加载活塞11对柱体岩样2施加轴向荷载，模拟地层岩体载荷状况；

步骤四，将高精度摄像头4从内窥镜入口17***透明双层管1中，操作手柄19调节好镜头的位置和灯光强度等，预摄岩样图像测试、调节镜头，使其能拍摄到更广的范围和更好的效果；

步骤五，开启注液泵12和高精度摄像头4，向预制孔3内高压注液，调节控制注液压力进行水力压裂试验，由高精度摄像头4对整个孔壁裂缝的起裂演化过程进行监测和记录，得到裂缝起裂到闭合的演化过程图像、视频等并保存；

步骤六，依次关闭注液泵12，关闭围压增压泵10卸载围压，驱动加载油缸9的轴向加载活塞11卸载轴向荷载，关闭高精度摄像头4并从双层透明管1中取出，最后取下柱体岩样2，关闭仪器并检查电路安全，完成试验。

该方法通过高精度摄像头4记录了预制孔3孔底和孔壁上裂缝起裂的全过程以及压裂结束后裂缝的闭合过程，实现了对水力压裂裂缝起裂的动态监测和成像描述。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于观察岩石水力压裂裂缝起裂演化的试验装置，其特征在于，包括水力压裂试验机、注液组件、内窥镜组件和双层透明管，所述水力压裂试验机对柱体岩样固定，施加轴向载荷和围压载荷，所述双层透明管***所述柱体岩样内部，所述双层透明管的外层与柱体岩样内部连通，所述注液组件与所述双层透明管的外层接通，向所述双层透明管的外层高压注液，所述内窥镜组件的高精度摄像头***所述双层透明管的内层，实现对水力压裂裂缝起裂演化过程的成像观察和描述。

2.根据权利要求1所述的用于观察岩石水力压裂裂缝起裂演化的试验装置，其特征在于，所述水力压裂试验机包括底座、设置在所述底座上的支撑立柱、以及设置在所述支撑立柱顶端的顶板，所述底座与所述顶板之间设置有一不锈钢腔室，所述柱体岩样固定于所述不锈钢腔室内，顶端设置有预制孔，所述底座上设置有一加载油缸和一围压增压泵，所述加载油缸的轴向加载活塞对所述柱体岩样的底端施加轴向载荷，所述围压增压泵向所述柱体岩样的侧壁施加围压载荷。

3.根据权利要求2所述的用于观察岩石水力压裂裂缝起裂演化的试验装置，其特征在于，所述注液组件包括注液泵，所述注液泵通过一注液管与所述双层透明管的外层连通，连接处设置有一转接头。

4.根据权利要求3所述的用于观察岩石水力压裂裂缝起裂演化的试验装置，其特征在于，所述双层透明管***所述预制孔内，内层和外层相互隔离，所述双层透明管外层的顶端设置有一注液口，所述注液口与所述注液管通过所述转接头连接，所述双层透明管外层的底端设置有多个出液口。

5.根据权利要求4所述的用于观察岩石水力压裂裂缝起裂演化的试验装置，其特征在于，所述双层透明管内层的顶端设置有一内窥镜入口，底端凸出于所述外层设置有一透明视窗。

6.根据权利要求5所述的用于观察岩石水力压裂裂缝起裂演化的试验装置，其特征在于，所述透明视窗采用特种蓝宝石玻璃材质，所述蓝宝石玻璃的直径为15mm，包括4.1mm的环边，用于压边至所述双层透明管的底面，所述透明视窗的厚度为8mm，曲率半径为40，可承载60MPa的压力。

7.根据权利要求1所述的用于观察岩石水力压裂裂缝起裂演化的试验装置，其特征在于，所述内窥镜组件还包括一手柄和一连接软线，所述手柄与所述高精度摄像头通过所述连接软线连接，所述手柄能控制所述高精度摄像头的镜头自由旋转以及拍照录像。

8.一种观察岩石水力压裂裂缝起裂演化的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，采样制作柱体岩样，通过钻头制作预制孔；

步骤二，将透明双层管固定在预制孔中，并用环氧树脂进行密封，将注液管与透明双层管的注液口通过转接头接通；

步骤三，将柱体岩样置于不锈钢腔室中，通过围压增压泵对柱体岩样施加围压，加载油缸的轴向加载活塞对柱体岩样施加轴向荷载；

步骤四，将高精度摄像头从内窥镜入口***透明双层管中，操作手柄调节好镜头的位置和灯光强度等，使镜头能拍摄到更广的范围和更好的效果；

步骤五，开启注液泵和高精度摄像头，控制注液压力进行水力压裂试验，通过高精度摄像头对整个孔壁裂缝的起裂演化过程进行监测和记录，得到裂缝起裂到闭合的演化过程图并保存；

步骤六，关闭注液泵，关闭围压增压泵卸载围压，驱动加载油缸的轴向加载活塞卸载轴向荷载，关闭高精度摄像头并从双层透明管中取出，取下柱体岩样，关闭仪器并检查电路安全，完成实验。

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