加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统及方法，该实验系统包括：用于加载实验样品的加载框架，加载框架内部形成有呈方形的加载腔；用于向所述实验样品加载压力的真三轴地应力加载单元，其包括：呈中空结构的可膨胀式加载板，与所述可膨胀式加载板相连通并用于向其提供压力的压力泵，可膨胀式加载板包括：位于所述加载腔与实验样品之间的第一加载板和位于所述实验样品一端的第二加载板，所述第一加载板沿着所述加载腔的深度方向至少设置有两组；与所述压力泵相连接的压力传感器；与所述压力泵和压力传感器电性连接的控制器。本发明专利技术能够对实验样品垂向上多层水平应力场的独立加载，为控缝高压裂工艺的优化设计提供有利的技术支撑。

Experimental system and method for measuring fracture height expansion by loading stress test

The present invention discloses an experimental system and method for loading stress to test the height expansion of cracks. The experimental system includes: a loading frame for loading experimental samples, a square loading chamber formed inside the loading frame, and a true triaxial in-situ stress loading unit for loading pressure on the experimental samples. An expandable loading plate with an empty structure is connected with the expandable loading plate and used to provide pressure to the pressure pump. The expandable loading plate includes a first loading plate between the loading chamber and the experimental sample and a second loading plate at one end of the experimental sample, along which the first loading plate is added. There are at least two groups of pressure sensors connected with the pressure pump and a controller electrically connected with the pressure pump and the pressure sensor. The invention can independently load the vertical multi-layer horizontal stress field of the experimental sample, and provides favorable technical support for the optimization design of the fracture control and high pressure cracking process.

【技术实现步骤摘要】
加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统及方法
本专利技术涉及油气田开发中的水力压裂物理模拟实验
，特别涉及一种加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统及方法。
技术介绍
水力压裂作为油气增产的主要措施之一已被广泛应用于现代石油工业中。随着低渗透、复杂油气藏(如天然裂缝储层)的大量开发，水力压裂技术面临新的挑战。储层改造面临的对象越来越复杂，其中，包括构造应力异常、天然裂缝、水平层理发育、深层大尺度水平井型等因素制约了对水力裂缝起裂与延伸机理的认识。为了正确认识复杂储层的水力压裂起缝与延伸机理，近年来室内水力压裂物理模拟实验技术得到了深入的研究与广泛应用。通过对水力压裂的物理模拟认识裂缝扩展的规律，以提升对致密油等天然裂缝性油藏、大斜度井和水平井水力压裂等复杂情况下的研究水平，从而对提高目前水力压裂水平、改善增产效果和提高油气产量的决定性作用。其中，中国专利号CN106640016A提供了一种多尺度真三轴水平井水力压裂承压缸及使用方法和中国专利号CN105332682A提供了一种碳酸盐岩储层中高压力缝洞体对水力裂缝扩展影响的实验方法，两者都可以在室内条件下实现对裂缝起裂和延伸的物理模拟，同时在实验过程中采用液压刚性加载方式实现对样品三向主应力的独立加载。但现有技术中普遍存在的问题是：目前加载应力时，通常是利用千斤顶进行刚性加载，受到上述实验加载方式的制约，只能进行垂向和单层两向水平主应力共3个地应力值的加载，无法针对垂向上水平应力的差异性进行模拟，也就无法开展层间应力差值条件下的缝高延伸实验。因此，非常有必要提供一种新的技术，能够克服现有技术中的缺陷，实现对实验样品的垂向上多层水平应力场的独立加载。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统及方法，能够克服现有技术中的缺陷，能对实验样品垂向上多层水平应力场的独立加载，从而为控缝高压裂工艺的优化设计提供有利的技术支撑。本专利技术的上述目的可采用下列技术方案来实现：一种加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统，其包括：用于加载实验样品的加载框架，所述加载框架内部形成有呈方形的加载腔；用于向所述实验样品加载压力的真三轴地应力加载单元，其包括：呈中空结构的可膨胀式加载板，与所述可膨胀式加载板相连通并用于向所述可膨胀式加载板提供压力的压力泵，其中，所述可膨胀式加载板包括：位于所述加载腔与实验样品之间的第一加载板和位于所述实验样品一端的第二加载板，所述第一加载板沿着所述加载腔的深度方向至少设置有两组；与所述压力泵相连接的压力传感器；与所述压力泵和压力传感器电性连接的控制器。在一个优选的实施方式中，每组所述第一加载板包括沿着第一方向相对设置的最大水平应力加载板对和沿着垂直于所述第一方向的第二方向相对设置的最小水平应力加载板对，其中，向所述最大水平应力加载板对中的加载板施加的压力为最大水平应力，向所述最小水平应力加载板对中的加载板施加的压力为最小水平应力。在一个优选的实施方式中，所述控制器设置有存储单元，所述存储单元中存储有每个加载板对应的加载应力数据，所述控制器能够存储所述压力传感器采集的压力数据，并调节所述压力泵的输出压力。在一个优选的实施方式中，所述可膨胀式加载板的中空部分用于容纳工作介质，所述可膨胀式加载板的最高加载压力至少为69兆帕。在一个优选的实施方式中，所述可膨胀式加载板的材料为钛镍合金。在一个优选的实施方式中，所述工作介质为水。在一个优选的实施方式中，所述实验样品呈长方体，其成宽高分别为：762mm×762mm×914mm，所述实验样品的中部钻有井眼，底部设置有裸眼段，顶部用于固井。在一个优选的实施方式中，所述加载框架包括相对的底板和顶盖以及设置在所述底板和顶盖之间的固定机构，其中，所述顶盖上设置有用于模拟井眼的通孔。在一个优选的实施方式中，所述第一加载板为三组，三组所述第一加载板与所述压力泵相配合形成沿着垂向上下分布的三层最大水平应力、三层最小水平应力6个水平压力通道；所述第二加载板与所述压力泵配合形成一个垂向压力通道。一种基于上述的加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统的实验方法，其包括：将可膨胀式加载板与压力泵相连接，同时将压力传感器依次安装于每组可膨胀式加载板与压力泵之间；打开所述可膨胀式加载板的排空管线，向所述可膨胀式加载板中注入工作介质，在充满所述可膨胀式加载板后至排出工作介质时完成排空操作；启动压力泵，调节压力通道内的压力，使得所述可膨胀式加载板中的压力升高至预定围压；向所述加载框架的通孔中注入预定压力的压裂试样；在裂缝扩展到加载样品端部后，停止注入；卸载所述压裂试样的压力至0，卸载所述可膨胀加载板中的工作介质的压力至0。本专利技术的特点和优点是：本申请所提供的加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统及方法，通过在位于所述加载腔与实验样品之间设置第一加载板和位于所述实验样品端部设置第二加载板，其中，所述第一加载板沿着所述加载腔的深度方向至少设置有两组，能够和压力泵相配合，实现对实验样品沿着垂向上加载不同的水平应力，从而在室内条件下实现了真实模拟岩石样品在储层中的三向地应力加载环境，特别是实现了垂向上多层水平应力场的独立加载，可更清楚地展示裂缝垂向扩展形态，有助于科研人员深化对储隔层应力遮挡缝高延伸机理的认识。进一步的，该可膨胀式加载板采用高强度钛镍合金薄板作为围压加载板，具有体积小、重量轻、承载压力高、结构简单，且加工制造及维护简单的优点，有效克服了传统液压千斤顶式刚性加载不均匀，加载能力小及不能分层加载的弊端。参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。附图说明图1是本申请实施方式中一种加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统中应力加载示意图；图2是本申请实施方式中一种加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统组成示意图；图3是本申请实施方式中一种加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统中加载框架的结构示意图；图4是本申请实施方式中一种加载应力测试裂缝高度扩展的实验的步骤流程图。附图标记说明：10-实验样品；1-加载框架；11-可膨胀式加载板；12-压力泵；2-真三轴地应力加载单元；3-控制器；x-第一方向；y-第二方向；z-垂向；41-顶盖；410-通孔；42-底板；43-环形钢圈；44-螺栓；45-螺帽；46-半月形钢块。具体实施方式下面将结合附图和具体实施方式，对本专利技术的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统，其特征在于，其包括：用于加载实验样品的加载框架，所述加载框架内部形成有呈方形的加载腔；用于向所述实验样品加载压力的真三轴地应力加载单元，其包括：呈中空结构的可膨胀式加载板，与所述可膨胀式加载板相连通并用于向所述可膨胀式加载板提供压力的压力泵，其中，所述可膨胀式加载板包括：位于所述加载腔与实验样品之间的第一加载板和位于所述实验样品一端的第二加载板，所述第一加载板沿着所述加载腔的深度方向至少设置有两组；与所述压力泵相连接的压力传感器；与所述压力泵和压力传感器电性连接的控制器。

【技术特征摘要】
1.一种加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统，其特征在于，其包括：用于加载实验样品的加载框架，所述加载框架内部形成有呈方形的加载腔；用于向所述实验样品加载压力的真三轴地应力加载单元，其包括：呈中空结构的可膨胀式加载板，与所述可膨胀式加载板相连通并用于向所述可膨胀式加载板提供压力的压力泵，其中，所述可膨胀式加载板包括：位于所述加载腔与实验样品之间的第一加载板和位于所述实验样品一端的第二加载板，所述第一加载板沿着所述加载腔的深度方向至少设置有两组；与所述压力泵相连接的压力传感器；与所述压力泵和压力传感器电性连接的控制器。2.如权利要求1所述的加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统，其特征在于，每组所述第一加载板包括沿着第一方向相对设置的最大水平应力加载板对和沿着垂直于所述第一方向的第二方向相对设置的最小水平应力加载板对，其中，向所述最大水平应力加载板对中的加载板施加的压力为最大水平应力，向所述最小水平应力加载板对中的加载板施加的压力为最小水平应力。3.如权利要求2所述的加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统，其特征在于，所述控制器设置有存储单元，所述存储单元中存储有每个加载板对应的加载应力数据，所述控制器能够存储所述压力传感器采集的压力数据，并调节所述压力泵的输出压力。4.如权利要求3所述的加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统，其特征在于，所述可膨胀式加载板的中空部分用于容纳工作介质，所述可膨胀式加载板的最高加载压力至少为69兆帕。5.如权利要求4所述的加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：胥云，付海峰，严玉忠，修乃岭，管保山，梁天成，王臻，毕国强，翁定为，郑伟，
申请(专利权)人：中国石油天然气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11