CN112485120A - 一种可视化蓄能压裂物理模拟试验装置及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了可视化蓄能压裂物理模拟试验装置及其试验方法，包括透明密封箱，透明密封箱的内腔置有物模试件，物模试件内嵌有模拟井筒，模拟井筒的外壁贴附有第一分布式监测光纤，且在物模试件内封装有若干层围绕模拟井筒敷设的第二分布式监测光纤，第一分布式监测光纤和第二分布式监测光纤均用于监测温度和声波；透明密封箱的外部设有气体相态转换***、压裂液注入***和地层模拟***，三个***均通过管线伸入透明密封箱内。本发明采用光纤技术采集温度、压力、声波、振动信号，实现蓄能压裂物模的可视化监测和实时控制，对裂缝延伸过程进行全程监测，确定蓄能压裂过程中气体的相态，为研究气体蓄能压裂提供了现实手段。
Description
技术领域
本发明属于水力压裂模拟试验领域，具体涉及一种可视化蓄能压裂物理模拟试验装置及其试验方法。
背景技术
水力压裂已经成为常规单井增产增注技术，在油气井增产措施领域发挥着至关重要的作用，然而，水力压裂过程会消耗大量的水资源，由于气体蓄能压裂技术兼具气体的流动性和液体的高密度特性，能够代替清水实施压裂，并且可以排除地层与水接触的机会，降低压裂过程中水锁和水敏对地层的伤害，补充地层能量，无水相无残渣易返排，能够减少环境污染、节约水资源，可有效地提高油气藏的增产效果，已经日益成为最具增产潜力的压裂增产技术。
目前的气体蓄能压裂监测技术，不能直接观察到气体蓄能压裂所产生的实际裂缝形态，以及气体在地层中的相态变化，因此对气体蓄能压裂裂缝扩展规律的影响因素和扩展机制认识严重不足，并最终影响了压裂作业效果。因此，通过室内模拟地层条件进行气体蓄能压裂物模试验（物理模拟试验）是认识裂缝扩展机制的重要手段，可以直接检测模拟气体蓄能压裂的物理过程、观察裂缝形态，对压裂设计和优化、改进工艺，具有重要意义，例如以下三项相关专利申请：
（1）申请文件CN102749275A提供了一种可视化人造岩心微观可视化模型的制备方法，包括按照设计要求称量石英砂和胶结物，加压、烘干、切割成长方形，之后放置在透明玻璃片上制成观察模型。
（2）申请文件CN201810605641.8提供了一种人造岩心微观可视化模型的制备方法，包括将高强高透光的树脂胶、氢氧化镁和石英砂混合、固化，按照设计尺寸切割获得人造岩心片，之后通过双面胶粘贴于有机玻璃基体，获得人造岩心微观可视化模型。
（3）CN107219127A提供了一种实验室用可视化水力压裂物理模拟装置及方法, 包括壳体、供液部以及设置于壳体内的一级缝压裂部、二级缝压裂部和三级缝压裂部。该专利介绍的可视化方法，是研究水力压裂过程中裂缝之间缝间干扰、主裂缝与分支缝之间影响关系的可视化方法，而不是研究裂缝延伸规律的物模可视化方法。
然而，以上申请文件以及其他室内模拟地层条件的气体蓄能压裂物模试验都是对压裂后劈开物模试件进行观察，或者对压后的试件进行CT扫描，其缺点是不能对裂缝延伸过程进行实时可视化监测，只能对最终的压裂结果进行观察，不能够确定蓄能压裂过程中气体的相态，不能观察到裂缝延伸的具体过程，不能观察到裂缝延伸的具体过程，因此亟需开展可视化的物模实验，深入研究气体蓄能压裂的裂缝扩展规律和气体相态变化规律。
发明内容
本发明实施方式的目的在于提供可视化蓄能压裂物理模拟试验装置及其试验方法，以克服上述技术缺陷。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种可视化蓄能压裂物理模拟试验装置，包括透明密封箱，透明密封箱的内腔置有物模试件，物模试件内嵌有模拟井筒，模拟井筒的外壁贴附有第一分布式监测光纤，且在物模试件内封装有若干个围绕模拟井筒敷设的第二分布式监测光纤，其中第一分布式监测光纤的结构和第二分布式监测光纤的结构相同，均用于监测温度和声波；
透明密封箱的外部设有气体相态转换***、压裂液注入***和地层模拟***，三个***均通过管线伸入透明密封箱内。
进一步地，气体相态转换***包括冷却装置，冷却装置的入口接通有并联的气源和注入泵，冷却装置的出口通过保温管线接入透明密封箱。
进一步地，压裂液注入***至少具有两路输液管线，分别是输送低粘压裂液的低粘管线和输送高粘压裂液的高粘管线；
其中低粘管线包括低粘压裂液储罐，低粘压裂液储罐的入口连接有第一自动增压泵，低粘压裂液储罐的出口通过管线伸入透明密封箱；
高粘管线包括高粘压裂液储罐，高粘压裂液储罐的入口连接有第二自动增压泵，高粘压裂液储罐的出口通过管线伸入透明密封箱。
进一步地，地层模拟***包括用于储存模拟地层水的饱和液站、用于模拟地层温度的电磁感应加热装置、用于对物模试件抽真空的真空泵和用于模拟地层压力的手摇泵，其中：
饱和液站通过管线输送配方流体至透明密封箱；
电磁感应加热装置包括高频交流电源，高频交流电源连接电磁加热圈，电磁加热圈均匀间隔分布缠绕贴附于透明密封箱的内壁；
真空泵通过管线伸入透明密封箱；
手摇泵通过管线伸入透明密封箱。
可视化蓄能压裂物理模拟试验装置，还包括上位机，第一分布式监测光纤和第二分布式监测光纤分别电连接于上位机；
透明密封箱的外部设有用于监测模拟井筒的筒内压力以及用于监测物模试件压力的压力计，手摇泵和物模试件之间的管线上串接有压力表，压力表和压力计分别电连接于上位机。
优选地，物模试件呈长方体形，手摇泵至少有三个，三个手摇泵分别通过三路管线对长方体形的物模试件的互相垂直的三个面加压。
进一步地，在物模试件内封装有若干个围绕模拟井筒敷设的第二分布式监测光纤，具体是指：
沿模拟井筒的中心轴线，自下至上设有若干层第二分布式监测光纤，自下至上设有若干层第二分布式监测光纤，每层的第二分布式监测光纤均呈同心圈状敷设于物模试件的内部。
本发明还提供了一种可视化蓄能压裂物理模拟试验方法，至少包括可视化蓄能压裂物理模拟试验装置，具体步骤如下：
S001.在透明密封箱内放入标准试件，试运行可视化蓄能压裂物理模拟试验装置，若运行正常，进行下一步；
S002.取出标准试件，将物模试件放入透明密封箱内；
S003.启动地层模拟***，模拟地层温度，并对透明密封箱抽真空；
S004.保持模拟地层温度，由饱和液站向透明密封箱内注入饱和液；
S005.第一分布式监测光纤采集模拟井筒的温度数据和声波数据，同时第二分布式监测光纤采集物模试件内部的温度数据和声波数据，调整地层模拟***，直至两组分布式监测光纤采集的温度数据达到均一温度；
S006.启动气体相态转换***和压裂液注入***，对物模试件进行压裂，记录压裂过程中的压力数据、温度场和声波信号，实现对压裂过程的监测。
进一步地，S002的物模试件分为两类，分别是露头岩样和人工试样，其中选择露头岩样作为物模试件的具体应用如下：
S201a.加工预设尺寸的露头岩样；
S202a.在露头岩样的顶部中心开设孔一，将筒壁贴附有第一分布式监测光纤的模拟井筒***孔一内，利用注射器推送高强度凝胶至筒壁与孔一之间的间隙，封闭间隙；
S203a.沿模拟井筒的中心轴线，自下至上在露头岩样的侧壁开设若干层环形孔道，环形孔道的中心轴线重叠于模拟井筒的中心轴线，每层的环形孔道内敷设有第二分布式监测光纤，利用注射器推送高强度凝胶至环形孔道内，封闭环形孔道内的间隙；
S204a.养护24小时，完成物模试件的制作；
或者，选择人工试样作为物模试件，其具体应用如下：
S201b.获取目标模拟地层的三向地应力、岩石力学参数和物性参数；
S202b.称取硅酸盐水泥、石英砂、配方流体、粘结剂，并按照不同比例均匀混合制成若干个模拟圆柱体，并进行标号；
S203b.测试每个模拟圆柱体的岩石力学参数和物性参数，与目标模拟地层的岩石力学参数和物性参数进行比对，若符合率高于90%，则利用该标号的模拟圆柱体的各组份比例制备人工试样；
S204b.组装用于制备人工试样的模具，模具与人工试样的尺寸相同，将模拟井筒放置在模具中心，模拟井筒的外筒壁固定有第一分布式监测光纤；
S205b.利用S203b确定的模拟圆柱体的各组份比例配比石英砂、配方流体、粘结剂，混合均匀后匀速缓慢注入模具内，至高度到达预置第一层第二分布式监测光纤的高度时停止注入，充分振捣，敷设第二层第二分布式监测光纤，之后继续浇筑，反复多次直至布设完所有的第二分布式监测光纤，继续浇筑并抹平模具表面；
S206b.养护两天，拆除模具，取出人工试样，完成物模试件的制作。
优选地，S202a和S203a的高强度凝胶由以下重量百分比的组份组成：
氢化丁腈橡胶35%，酚醛树脂30%，环氧树脂25%，增塑剂5%，增强剂4.5%，防老剂0.5%；
高强度凝胶的制备方法如下：
按配比，将氢化丁腈橡胶投入炼胶机，加工成粒状，然后将炼胶机加热到160℃，再投入酚醛树脂、增塑剂、增强剂和防老剂，再将炼胶机的温度降至140℃，加入环氧树脂，得到高强度凝胶，倒入保温水浴锅备用，水浴温度保持在90℃～100℃。
优选地，饱和液站的配方流体和S202b的配方流体的成分相同，其制备方法如下：
取目标模拟地层的地层水作为标准地层水，检测标准地层水的矿物盐成分，并开展离子浓度测试；
取去离子水、氯化钠，以及与标准地层水的矿物盐成分相同的矿物盐，混合均匀得到初始配方流体；
对初始配方流体开展离子浓度测试，与标准地层水的离子浓度进行相似度比对，若各类离子浓度的相似度均达到95%以上，则密封留存作为最终的配方流体待用，否则对初始配方流体进行二次调配，直至相似度均达到95%。
进一步地，S003的启动地层模拟***，具体包括：
S301.开启电磁感应加热装置，利用电磁加热圈加热物模试件至目标模拟地层温度；
S302.开启真空泵，利用真空泵对物模试件抽真空72小时；
S303.保持目标模拟地层温度，饱和液站输送配方流体至透明密封箱；
S304.使用手摇泵对物模试件加压至目标模拟地层压力，使物模试件饱和120小时。
进一步地，S006的气体相态转换***，具体包括：
打开气源，气源输送气体至冷却装置；
关闭气源和经冷却装置之间的阀门，冷却装置冷却压缩气体成液体；
开启注入泵，注入泵推动冷却装置内的液体经保温管线输送至透明密封箱内。
进一步地，S006的压裂液注入***，具体包括：
开启第一自动增压泵，泵送低粘压裂液储罐内的低粘压裂液至透明密封箱，利用低粘压裂液压裂物模试件；
或者，开启第二自动增压泵，泵送高粘压裂液储罐内的高粘压裂液至透明密封箱，利用高粘压裂液压裂物模试件。
本发明的有益效果如下：
采用光纤技术采集温度、压力、声波、振动信号，实现蓄能压裂物模的可视化监测和实时控制，对裂缝延伸过程进行全程监测，确定蓄能压裂过程中气体的相态，为研究气体蓄能压裂提供了现实手段。
为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举优选实施例，并结合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1是可视化蓄能压裂物理模拟试验装置的结构示意图。
图2是分布式监测光纤的安装位置示意图。
图3是电磁感应加热装置的安装位置示意图。
图4是透明密封箱的剖视图。
附图标记说明：
1.气源；2.注入泵；3.冷却装置；4.阀门；5.保温管线；601.第一自动增压泵；602.第二自动增压泵；7.低粘压裂液储罐；8.高粘压裂液储罐；9.透明密封箱；10.模拟井筒；11.饱和液站；12.电磁感应加热装置；13.真空泵；14.压力表；15.手摇泵；16.上位机；17.第一分布式监测光纤；18.第二分布式监测光纤；19.压力计；20.物模试件。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
需说明的是，在本发明中，图中的上、下、左、右即视为本说明书中所述的可视化蓄能压裂物理模拟试验装置的上、下、左、右。
现参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语（包括科技术语）对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
第一实施方式：
参见图1，本发明的第一实施方式涉及一种可视化蓄能压裂物理模拟试验装置，包括透明密封箱9，透明密封箱9的内腔置有物模试件20，物模试件20内嵌有模拟井筒10，模拟井筒10的外壁贴附有第一分布式监测光纤17，且在物模试件20内封装有若干个围绕模拟井筒10敷设的第二分布式监测光纤18（如图2和图4所示），其中第一分布式监测光纤17的结构和第二分布式监测光纤18的结构相同，均用于监测温度和声波；
透明密封箱9的外部设有气体相态转换***、压裂液注入***和地层模拟***，三个***均通过管线伸入透明密封箱9内。
可视化蓄能压裂物理模拟试验装置的应用方法如下：
在透明密封箱9内放入标准试件，试运行可视化蓄能压裂物理模拟试验装置，若运行正常，进行下一步；
取出标准试件，将物模试件20放入透明密封箱9内；
启动地层模拟***，模拟地层温度，并对透明密封箱9抽真空；
保持模拟地层温度，由地层模拟***向透明密封箱9内注入饱和液；
第一分布式监测光纤17采集模拟井筒10的温度数据和声波数据，同时第二分布式监测光纤18采集物模试件20内部的温度数据和声波数据，调整地层模拟***，直至两组分布式监测光纤采集的温度数据达到均一温度；
启动气体相态转换***和压裂液注入***，对物模试件20进行压裂，记录压裂过程中的压力数据、温度场和声波信号，实现对压裂过程的监测。
在以上工作过程中，气体相态转换***的作用是为试验装置提供气源，并实现气体的气态和液态之间的转换，模拟的是地层内气体相态；压裂液注入***用于对试验装置实施压裂作业，例如提供低粘压裂液或提供高粘压裂液；地层模拟***可以模拟地层条件下的流体、温度和压力环境。
第一分布式监测光纤17的结构和第二分布式监测光纤18的结构相同，均用于监测温度和声波，具体地说，两组监测光纤都是由DTS分布式光纤温度监测***和DAS分布式光纤声波监测***组成，其中DTS分布式光纤温度监测***可以监测物模试件20内部不同空间位置的温度；DAS分布式光纤声波监测***可以监测物模试件20在压裂过程中的声音信号、振动信号的强弱和位置。
以上两种分布式监测光纤发射的光脉冲间隔为0.01～1.0纳秒，光纤分辨率为0.001米～0.1米，均可以市购获得。
本实施方式采用光纤技术采集试验装置的温度、声波和振动信号，根据这些数据可以生成三维动态图像，实现实时成像和监测。
第二实施方式：
本实施方式涉及一种可视化蓄能压裂物理模拟试验装置，包括透明密封箱9，透明密封箱9的内腔置有物模试件20，物模试件20内嵌有模拟井筒10，模拟井筒10的外壁贴附有第一分布式监测光纤17，且在物模试件20内封装有若干个围绕模拟井筒10敷设的第二分布式监测光纤18（如图2和图4所示），其中第一分布式监测光纤17的结构和第二分布式监测光纤18的结构相同，均用于监测温度和声波；
透明密封箱9的外部设有气体相态转换***、压裂液注入***和地层模拟***，三个***均通过管线伸入透明密封箱9内。
如图1所示，气体相态转换***包括冷却装置3，冷却装置3的入口接通有并联的气源1和注入泵2，冷却装置3的出口通过保温管线5接入透明密封箱9。
通常选择液氮或二氧化碳作为气源1，以下将以二氧化碳为例说明气体相态转换***的工作过程：打开气源1，气源1输送二氧化碳至冷却装置3；
关闭气源1和经冷却装置3之间的阀门4，二氧化碳被冷却压缩成液态；
开启注入泵2，将液态二氧化碳经保温管线5以10ml/min的速度注入物模试件20。
压裂液注入***至少具有两路输液管线，分别是输送低粘压裂液的低粘管线和输送高粘压裂液的高粘管线，参见图1；
其中低粘管线包括低粘压裂液储罐7，低粘压裂液储罐7的入口连接有第一自动增压泵601，低粘压裂液储罐7的出口通过管线伸入透明密封箱9；
高粘管线包括高粘压裂液储罐8，高粘压裂液储罐8的入口连接有第二自动增压泵602，高粘压裂液储罐8的出口通过管线伸入透明密封箱9。
压裂液注入***的工作过程如下：
开启第一自动增压泵601，泵送低粘压裂液储罐7内的低粘压裂液至透明密封箱9，利用低粘压裂液压裂物模试件20；
或者，开启第二自动增压泵602，泵送高粘压裂液储罐8内的高粘压裂液至透明密封箱9，利用高粘压裂液压裂物模试件20。
选择低粘压裂液换或高粘压裂液实时压裂作业，可以根据模拟地层的地质条件自行调整选择。
参见图1，地层模拟***包括用于储存模拟地层水的饱和液站11、用于模拟地层温度的电磁感应加热装置12、用于对物模试件20抽真空的真空泵13和用于模拟地层压力的手摇泵15，其中：
饱和液站11通过管线输送配方流体至透明密封箱9，其主要作用是提供模拟模拟地层的地层流体，方便加压；
电磁感应加热装置12包括高频交流电源，高频交流电源连接电磁加热圈，电磁加热圈均匀间隔分布缠绕贴附于透明密封箱9的内壁，其作用是模拟地层温度；
真空泵13通过管线伸入透明密封箱9；
手摇泵15通过管线伸入透明密封箱9。
地层模拟***的工作过程如下：
开启电磁感应加热装置12，利用电磁加热圈加热物模试件20至目标模拟地层温度；
开启真空泵13，利用真空泵13对物模试件20抽真空72小时；
保持目标模拟地层温度，饱和液站11输送配方流体至透明密封箱9；
使用手摇泵15对物模试件20加压至目标模拟地层压力，使物模试件20饱和120小时。
第三实施方式：
如图1所示，本实施方式提供的可视化蓄能压裂物理模拟试验装置，还包括上位机16，第一分布式监测光纤17和第二分布式监测光纤18分别电连接于上位机16，具体地说，DTS分布式光纤温度监测***和DAS分布式光纤声波监测***和的主机均连接于上位机16，而各自的光纤敷设于物模试件20内；
需要说明的是，DTS分布式光纤温度监测***和DAS分布式光纤声波监测***均可以市购获得。
透明密封箱9的外部设有用于监测模拟井筒10的筒内压力以及用于监测物模试件20压力的压力计19，手摇泵15和物模试件20之间的管线上串接有压力表14，压力表14和压力计19分别电连接于上位机16。
第一分布式监测光纤17和第二分布式监测光纤18分别将采集的温度数据和声波数据传输至上位机16，同时压力计19和压力表14分别将采集的压力数据传输至上位机16，上位机16根据接收的数据利用相关软件成三维动态图像，并在电脑显示器上进行动态展示。
为了实现对物模试件20的三向加压，优选物模试件20呈长方体形，手摇泵15至少有三个，三个手摇泵15分别通过三路管线对长方体形的物模试件20的互相垂直的三个面加压。
第一实施方式记载的“在物模试件20内封装有若干个围绕模拟井筒10敷设的第二分布式监测光纤18”，具体是指：
如图2所示，沿模拟井筒10的中心轴线，自下至上设有若干层第二分布式监测光纤18，每层的第二分布式监测光纤18均呈同心圈状敷设于物模试件20的内部，如图4。
图2中自下至上布设了3层，每层有3个同心圈状的第二分布式监测光纤18围绕模拟井筒10敷设，可参照图4，模拟井筒10位于圈状第二分布式监测光纤18的中心。
之所以按照此方法布置第二分布式监测光纤18，是为了获得物模试件20内部的不同空间位置的温度和声波，提高队裂缝扩展的精准描述。
第四实施方式：
本实施方式提供了一种可视化蓄能压裂物理模拟试验方法，至少包括可视化蓄能压裂物理模拟试验装置，具体步骤如下：
S001.在透明密封箱9内放入标准试件，试运行可视化蓄能压裂物理模拟试验装置，若运行正常，进行下一步；
S002.取出标准试件，将物模试件20放入透明密封箱9内；
S003.启动地层模拟***，模拟地层温度，并对透明密封箱9抽真空；
S004.保持模拟地层温度，由饱和液站11向透明密封箱9内注入饱和液；
S005.第一分布式监测光纤17采集模拟井筒10的温度数据和声波数据，同时第二分布式监测光纤18采集物模试件20内部的温度数据和声波数据，调整地层模拟***，直至两组分布式监测光纤采集的温度数据达到均一温度；
S006.启动气体相态转换***和压裂液注入***，对物模试件20进行压裂，记录压裂过程中的压力数据、温度场和声波信号，实现对压裂过程的监测。
上述的可视化蓄能压裂物理模拟试验装置，至少包括透明密封箱9，透明密封箱9的内腔置有物模试件20，物模试件20内嵌有模拟井筒10，模拟井筒10的外壁贴附有第一分布式监测光纤17，且在物模试件20内封装有若干个围绕模拟井筒10敷设的第二分布式监测光纤18，其中第一分布式监测光纤17的结构和第二分布式监测光纤18的结构相同，均用于监测温度和声波；
透明密封箱9的外部设有气体相态转换***、压裂液注入***和地层模拟***，三个***均通过管线伸入透明密封箱9内。
在上述基础上，具体地：
气体相态转换***包括冷却装置3，冷却装置3的入口接通有并联的气源1和注入泵2，冷却装置3的出口通过保温管线5接入透明密封箱9。
压裂液注入***至少具有两路输液管线，分别是输送低粘压裂液的低粘管线和输送高粘压裂液的高粘管线；
其中低粘管线包括低粘压裂液储罐7，低粘压裂液储罐7的入口连接有第一自动增压泵601，低粘压裂液储罐7的出口通过管线伸入透明密封箱9；
高粘管线包括高粘压裂液储罐8，高粘压裂液储罐8的入口连接有第二自动增压泵602，高粘压裂液储罐8的出口通过管线伸入透明密封箱9。
地层模拟***包括用于储存模拟地层水的饱和液站11、用于模拟地层温度的电磁感应加热装置12、用于对物模试件20抽真空的真空泵13和用于模拟地层压力的手摇泵15，其中：
饱和液站11通过管线输送配方流体至透明密封箱9；
电磁感应加热装置12包括高频交流电源，高频交流电源连接电磁加热圈，电磁加热圈均匀间隔分布缠绕贴附于透明密封箱9的内壁；
真空泵13通过管线伸入透明密封箱9；
手摇泵15通过管线伸入透明密封箱9。
可视化蓄能压裂物理模拟试验装置，还包括上位机16，第一分布式监测光纤17和第二分布式监测光纤18分别电连接于上位机16；
透明密封箱9的外部设有用于监测模拟井筒10的筒内压力以及用于监测物模试件20压力的压力计19，手摇泵15和物模试件20之间的管线上串接有压力表14，压力表14和压力计19分别电连接于上位机16。
物模试件20呈长方体形，手摇泵15至少有三个，三个手摇泵15分别通过三路管线对长方体形的物模试件20的互相垂直的三个面加压。
在物模试件20内封装有若干个围绕模拟井筒10敷设的第二分布式监测光纤18，具体是指：
沿模拟井筒10的中心轴线，自下至上设有若干层第二分布式监测光纤18，自下至上设有若干层第二分布式监测光纤18，每层的第二分布式监测光纤18均呈同心圈状敷设于物模试件20的内部。
第五实施方式：
在第四实施方式的基础上，S002的物模试件20分为两类，分别是露头岩样和人工试样，其中选择露头岩样作为物模试件20的具体应用如下：
S201a.加工预设尺寸的露头岩样；
S202a.在露头岩样的顶部中心开设孔一，将筒壁贴附有第一分布式监测光纤17的模拟井筒10***孔一内，利用注射器推送高强度凝胶至筒壁与孔一之间的间隙，封闭间隙；
S203a.沿模拟井筒10的中心轴线，自下至上在露头岩样的侧壁开设若干层环形孔道，环形孔道的中心轴线重叠于模拟井筒10的中心轴线，每层的环形孔道围绕模拟井筒10呈辐射状均匀间隔并处于同一水平面，且每层的所有环形孔道内敷设有第二分布式监测光纤18，利用注射器推送高强度凝胶至环形孔道内，封闭环形孔道内的间隙，如图4所示；
S204a.养护24小时，完成物模试件20的制作；
关于选择露头岩样作为物模试件20，以下将举例说明：
将获取的天然露头按照物模实验要求加工成实验方案大小，本实施例采用30cm×30cm×30cm的尺寸物模，一组光纤（第一分布式监测光纤17）贴合模拟井筒10放置，水平放置光纤（第二分布式监测光纤18）2层，每层2组，分别位于物模10cm、20cm高度位置，放置的位置可以参考图4，具体为：
在物模试件20的顶部中心位置开孔，深度15cm、直径0.9cm，将模拟井筒10（20cm高、直径0.8cm）和第一分布式监测光纤17涂抹上高强度凝胶，***钻孔，之后用注射剂对模拟井筒10和钻孔之间的空隙用高强度凝胶彻底封闭；
在物模试件20的侧面位置开孔，深度28cm、直径0.3cm，分别在物模高度10cm、20cm处，每个高度钻环形孔道2个，对称模拟井眼布置，环形孔道距离模拟井眼8cm，将第二分布式监测光纤18涂抹上高强度凝胶，***环形孔道，之后用注射剂对第二分布式监测光纤18和环形孔道之间的空隙用高强度凝胶彻底封闭；
养护24小时后，对物模进行标号，完成试件的制作。
或者，选择人工试样作为物模试件20，其具体应用如下：
S201b.获取目标模拟地层的三向地应力、岩石力学参数和物性参数；
S202b.称取硅酸盐水泥、石英砂、配方流体、粘结剂，并按照不同比例均匀混合制成若干个模拟圆柱体，并进行标号；
S203b.测试每个模拟圆柱体的岩石力学参数和物性参数，与目标模拟地层的岩石力学参数和物性参数进行比对，若符合率高于90%，则利用该标号的模拟圆柱体的各组份比例制备人工试样；
S204b.组装用于制备人工试样的模具，模具与人工试样的尺寸相同，将模拟井筒10放置在模具中心，模拟井筒10的外筒壁固定有第一分布式监测光纤17；
S205b.利用S203b确定的模拟圆柱体的各组份比例配比石英砂、配方流体、粘结剂，混合均匀后匀速缓慢注入模具内，至高度到达预置第二分布式监测光纤18的高度时停止注入，充分振捣，敷设第二分布式监测光纤18，之后继续浇筑，反复多次直至布设完所有的第二分布式监测光纤18，继续浇筑并抹平模具表面；
S206b.养护两天，拆除模具，取出人工试样，完成物模试件20的制作。
关于选择人工试样作为物模试件20，以下将举例说明：
步骤一，获取所模拟地层的三向地应力大小、岩石力学参数和物性参数；
步骤二，选用通用硅酸盐水泥（标号P.S.A32.5）、70～140目石英砂、200目精制石英砂、配方流体、高强度粘结剂按比例制备直径25mm、高50mm的模拟圆柱体；
步骤三，测试模拟圆柱体的岩石力学参数和物性参数，如果与真实地质参数符合率高于90%，则确定该配方，否则继续优化配方，直至模拟圆柱体岩石力学参数和物性参数与真实地层相似度均高于90%；
步骤四，根据物模压裂的实验目的，确定物模尺寸、光纤布置层数和数量，本实施例采用30cm（高）×30cm×60cm尺寸物模，一组光纤（第一分布式监测光纤17）贴合模拟井筒放置，水平放置光纤（第二分布式监测光纤18）3层，每层3组，分别位于物模5cm、15cm、25cm高度位置，具体操作如下：
步骤五，组装30cm（高）×30cm×60cm尺寸模具，将模拟井筒10提前放置在模具中间位置，模拟井筒10的顶部高出模具平面5cm，第一分布式监测光纤17贴合在模拟井筒10的外部，采用夹持器固定；
步骤六，根据步骤三确定的材料配比将水泥砂浆缓慢注入模具中，至厚度达到预置光纤高度时(5cm、15cm、25cm)停止注入，进行充分振捣以排出砂浆中气体，之后每层将3组光纤布置成椭圆形形状（长短轴分别半径分别为25cm×12cm、18cm×8cm、10cm×5cm），之后继续浇筑，直至物模完成，并将材料表面抹平；
步骤七，养护2天后，拆除模具，取出试件并对其进行标号，完成试件的制作。
上述S202a和S203a的高强度凝胶由以下重量百分比的组份组成：
氢化丁腈橡胶35%，酚醛树脂30%，环氧树脂25%，增塑剂5%，增强剂4.5%，防老剂0.5%；
高强度凝胶的制备方法如下：
按配比，将氢化丁腈橡胶投入炼胶机，加工成粒状（粒径3mm），然后将炼胶机加热到160℃，再投入酚醛树脂、增塑剂、增强剂和防老剂，再将炼胶机的温度降至140℃，加入环氧树脂，得到高强度凝胶，倒入保温水浴锅备用，水浴温度保持在90℃～100℃。
其中，增塑剂为邻苯二甲酸酯、己二酸酯、壬二酸酯、癸二酸酯、硬脂酸酯、磷酸酯、甘油中的一种或几种组成的混合物；增强剂为炭黑或白炭黑；环氧树脂为用高黏度长链分子环氧树脂；防老剂为4010NA或RD。
需要说明的是，饱和液站11的配方流体和S202b的配方流体的成分相同，其制备方法如下：
取目标模拟地层的地层水作为标准地层水，检测标准地层水的矿物盐成分，并开展离子浓度测试；
取去离子水、氯化钠，以及与标准地层水的矿物盐成分相同的矿物盐，混合均匀得到初始配方流体；
对初始配方流体开展离子浓度测试，与标准地层水的离子浓度进行相似度比对，若各类离子浓度的相似度均达到95%以上，则密封留存作为最终的配方流体待用，否则对初始配方流体进行二次调配，直至相似度均达到95%。
可以看出，本实施方式并不是直接制备配方流体，而是先获取目标模拟地层的地层水，即获取真实的地层水，然后检测真实地层水内的矿物盐并对其开展离子浓度测试，根据检测出的真实地层水内的矿物盐，称取相同矿物盐作为组份与去离子水、氯化钠混合制备待用的配方流体，在称取原料时，可以多做几组不同比例的混合物，并对每组混合物进行离子浓度测试，选出与真实地层水最接近的配方，以该比例的配方制备的配方流体作为饱和液站11的配方流体和S202b的配方流体。
第六实施方式：
在第四实施方式的基础上，S003的启动地层模拟***，具体包括：
S301.开启电磁感应加热装置12，利用电磁加热圈加热物模试件20至目标模拟地层温度；
S302.开启真空泵13，利用真空泵13对物模试件20抽真空72小时；
S303.保持目标模拟地层温度，饱和液站11输送配方流体至透明密封箱9；
S304.使用手摇泵15对物模试件20加压至目标模拟地层压力，使物模试件20饱和120小时。
S006的气体相态转换***，具体包括：
打开气源1，气源1输送气体至冷却装置3；
关闭气源1和经冷却装置3之间的阀门4，冷却装置3冷却压缩气体成液体；
开启注入泵2，注入泵2推动冷却装置3内的液体经保温管线5输送至透明密封箱9内。
S006的压裂液注入***，具体包括：
开启第一自动增压泵601，泵送低粘压裂液储罐7内的低粘压裂液至透明密封箱9，利用低粘压裂液压裂物模试件20；
或者，开启第二自动增压泵602，泵送高粘压裂液储罐8内的高粘压裂液至透明密封箱9，利用高粘压裂液压裂物模试件20。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (14)
1.一种可视化蓄能压裂物理模拟试验装置，包括透明密封箱（9），所述透明密封箱（9）的内腔置有物模试件（20），物模试件（20）内嵌有模拟井筒（10），其特征在于：所述模拟井筒（10）的外壁贴附有第一分布式监测光纤（17），且在所述物模试件（20）内封装有若干个围绕模拟井筒（10）敷设的第二分布式监测光纤（18），其中第一分布式监测光纤（17）的结构和第二分布式监测光纤（18）的结构相同，均用于监测温度和声波；
所述透明密封箱（9）的外部设有气体相态转换***、压裂液注入***和地层模拟***，三个***均通过管线伸入透明密封箱（9）内。
2.权利要求1所述的可视化蓄能压裂物理模拟试验装置，其特征在于：所述气体相态转换***包括冷却装置（3），冷却装置（3）的入口接通有并联的气源（1）和注入泵（2），冷却装置（3）的出口通过保温管线（5）接入透明密封箱（9）。
3.如权利要求1所述的可视化蓄能压裂物理模拟试验装置，其特征在于：所述压裂液注入***至少具有两路输液管线，分别是输送低粘压裂液的低粘管线和输送高粘压裂液的高粘管线；
其中低粘管线包括低粘压裂液储罐（7），低粘压裂液储罐（7）的入口连接有第一自动增压泵（601），低粘压裂液储罐（7）的出口通过管线伸入透明密封箱（9）；
高粘管线包括高粘压裂液储罐（8），高粘压裂液储罐（8）的入口连接有第二自动增压泵（602），高粘压裂液储罐（8）的出口通过管线伸入透明密封箱（9）。
4.如权利要求1所述的可视化蓄能压裂物理模拟试验装置，其特征在于：所述地层模拟***包括用于储存模拟地层水的饱和液站（11）、用于模拟地层温度的电磁感应加热装置（12）、用于对物模试件（20）抽真空的真空泵（13）和用于模拟地层压力的手摇泵（15），其中：
饱和液站（11）通过管线输送配方流体至透明密封箱（9）；
电磁感应加热装置（12）包括高频交流电源，高频交流电源连接电磁加热圈，所述电磁加热圈均匀间隔分布缠绕贴附于透明密封箱（9）的内壁；
真空泵（13）通过管线伸入透明密封箱（9）；
手摇泵（15）通过管线伸入透明密封箱（9）。
5.如权利要求4所述的可视化蓄能压裂物理模拟试验装置，其特征在于：还包括上位机（16），第一分布式监测光纤（17）和第二分布式监测光纤（18）分别电连接于上位机（16）；
所述透明密封箱（9）的外部设有用于监测模拟井筒（10）的筒内压力以及用于监测物模试件（20）压力的压力计（19），所述手摇泵（15）和物模试件（20）之间的管线上串接有压力表（14），压力表（14）和压力计（19）分别电连接于上位机（16）。
6.如权利要求4所述的可视化蓄能压裂物理模拟试验装置，其特征在于：所述物模试件（20）呈长方体形，手摇泵（15）至少有三个，三个手摇泵（15）分别通过三路管线对长方体形的物模试件（20）的互相垂直的三个面加压。
7.如权利要求1所述的可视化蓄能压裂物理模拟试验装置，其特征在于：所述在物模试件（20）内封装有若干个围绕模拟井筒（10）敷设的第二分布式监测光纤（18），具体是指：
沿模拟井筒（10）的中心轴线，自下至上设有若干层第二分布式监测光纤（18），每层的第二分布式监测光纤（18）均呈同心圈状敷设于物模试件（20）的内部。
8.一种可视化蓄能压裂物理模拟试验方法，其特征在于，至少包括如权利要求1～7中任一权利要求所述的可视化蓄能压裂物理模拟试验装置，具体步骤如下：
S001.在透明密封箱（9）内放入标准试件，试运行可视化蓄能压裂物理模拟试验装置，若运行正常，进行下一步；
S002.取出标准试件，将物模试件（20）放入透明密封箱（9）内；
S003.启动地层模拟***，模拟地层温度，并对透明密封箱（9）抽真空；
S004.保持模拟地层温度，由饱和液站（11）向透明密封箱（9）内注入饱和液；
S005.第一分布式监测光纤（17）采集模拟井筒（10）的温度数据和声波数据，同时第二分布式监测光纤（18）采集物模试件（20）内部的温度数据和声波数据，调整地层模拟***，直至两组分布式监测光纤采集的温度数据达到均一温度；
S006.启动气体相态转换***和压裂液注入***，对物模试件（20）进行压裂，记录压裂过程中的压力数据、温度场和声波信号，实现对压裂过程的监测。
9.如权利要求8所述的可视化蓄能压裂物理模拟试验方法，其特征在于，S002所述的物模试件（20）分为两类，分别是露头岩样和人工试样，其中选择露头岩样作为物模试件（20）的具体应用如下：
S201a.加工预设尺寸的露头岩样；
S202a.在露头岩样的顶部中心开设孔一，将筒壁贴附有第一分布式监测光纤（17）的模拟井筒（10）***孔一内，利用注射器推送高强度凝胶至筒壁与孔一之间的间隙，封闭间隙；
S203a.沿模拟井筒（10）的中心轴线，自下至上在露头岩样的侧壁开设若干层环形孔道，环形孔道的中心轴线重叠于模拟井筒（10）的中心轴线，每层的环形孔道内敷设有第二分布式监测光纤（18），利用注射器推送高强度凝胶至环形孔道内，封闭环形孔道内的间隙；
S204a.养护24小时，完成物模试件（20）的制作；
或者，选择人工试样作为物模试件（20），其具体应用如下：
S201b.获取目标模拟地层的三向地应力、岩石力学参数和物性参数；
S202b.称取硅酸盐水泥、石英砂、配方流体、粘结剂，并按照不同比例均匀混合制成若干个模拟圆柱体，并进行标号；
S203b.测试每个模拟圆柱体的岩石力学参数和物性参数，与目标模拟地层的岩石力学参数和物性参数进行比对，若符合率高于90%，则利用该标号的模拟圆柱体的各组份比例制备人工试样；
S204b.组装用于制备人工试样的模具，模具与人工试样的尺寸相同，将模拟井筒（10）放置在模具中心，模拟井筒（10）的外筒壁固定有第一分布式监测光纤（17）；
S205b.利用S203b确定的模拟圆柱体的各组份比例配比石英砂、配方流体、粘结剂，混合均匀后匀速缓慢注入模具内，至高度到达预置第一层第二分布式监测光纤（18）的高度时停止注入，充分振捣，敷设第二层第二分布式监测光纤（18），之后继续浇筑，反复多次直至布设完所有的第二分布式监测光纤（18），继续浇筑并抹平模具表面；
S206b.养护两天，拆除模具，取出人工试样，完成物模试件（20）的制作。
10.如权利要求9所述的可视化蓄能压裂物理模拟试验方法，其特征在于，S202a和S203a所述的高强度凝胶由以下重量百分比的组份组成：
氢化丁腈橡胶35%，酚醛树脂30%，环氧树脂25%，增塑剂5%，增强剂4.5%，防老剂0.5%；
高强度凝胶的制备方法如下：
按配比，将氢化丁腈橡胶投入炼胶机，加工成粒状，然后将炼胶机加热到160℃，再投入酚醛树脂、增塑剂、增强剂和防老剂，再将炼胶机的温度降至140℃，加入环氧树脂，得到高强度凝胶，倒入保温水浴锅备用，水浴温度保持在90℃～100℃。
11.如权利要求9所述的可视化蓄能压裂物理模拟试验方法，其特征在于，饱和液站（11）所述的配方流体和S202b所述的配方流体的成分相同，其制备方法如下：
取目标模拟地层的地层水作为标准地层水，检测标准地层水的矿物盐成分，并开展离子浓度测试；
取去离子水、氯化钠，以及与标准地层水的矿物盐成分相同的矿物盐，混合均匀得到初始配方流体；
对初始配方流体开展离子浓度测试，与标准地层水的离子浓度进行相似度比对，若各类离子浓度的相似度均达到95%以上，则密封留存作为最终的配方流体待用，否则对初始配方流体进行二次调配，直至相似度均达到95%。
12.如权利要求8所述的可视化蓄能压裂物理模拟试验方法，其特征在于，S003所述的启动地层模拟***，具体包括：
S301.开启电磁感应加热装置（12），利用电磁加热圈加热物模试件（20）至目标模拟地层温度；
S302.开启真空泵（13），利用真空泵（13）对物模试件（20）抽真空72小时；
S303.保持目标模拟地层温度，饱和液站（11）输送配方流体至透明密封箱（9）；
S304.使用手摇泵（15）对物模试件（20）加压至目标模拟地层压力，使物模试件（20）饱和120小时。
13.如权利要求8所述的可视化蓄能压裂物理模拟试验方法，其特征在于，S006所述的气体相态转换***，具体包括：
打开气源（1），气源（1）输送气体至冷却装置（3）；
关闭气源（1）和经冷却装置（3）之间的阀门（4），冷却装置（3）冷却压缩气体成液体；
开启注入泵（2），注入泵（2）推动冷却装置（3）内的液体经保温管线（5）输送至透明密封箱（9）内。
14.如权利要求8所述的可视化蓄能压裂物理模拟试验方法，其特征在于，S006所述的压裂液注入***，具体包括：
开启第一自动增压泵（601），泵送低粘压裂液储罐（7）内的低粘压裂液至透明密封箱（9），利用低粘压裂液压裂物模试件（20）；
或者，开启第二自动增压泵（602），泵送高粘压裂液储罐（8）内的高粘压裂液至透明密封箱（9），利用高粘压裂液压裂物模试件（20）。
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