一种可视的岩石水力压裂平面问题的物理实验系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种可视的岩石水力压裂平面问题的物理实验系统及方法，包括地应力加载及控制系统；水力伺服泵压系统；裂缝表面观测系统；内部变形与应力监测系统；地应力加载及控制系统用于向试样施加围压以模拟储层地应力；水力伺服泵压系统用于向试样中泵入压裂液；裂缝表面观测系统用于监测和记录压裂过程中的裂缝动态演化过程并对裂缝的演化过程进行分析处理；内部变形与应力监测系统用于监测水力裂缝扩展过程中试样内部的诱导应力演化规律和试样变形特性。此系统及方法可以解决上述岩石水力压裂物理实验存在的问题，对于发现多簇压裂新现象，揭示缝间岩石力学响应和竞争机制具有理论分析和数值模拟不可替代的重要作用。

A visible physical experimental system and method for the plane problem of Rock Hydraulic Fracturing

【技术实现步骤摘要】
一种可视的岩石水力压裂平面问题的物理实验系统及方法
本专利技术涉及一种可视的岩石水力压裂多裂缝同步扩展平面问题的物理模拟实验系统及其实验方法。
技术介绍
水平井分段多簇同步压裂技术目前已成为增强型地热系统开发和低渗透油气增产的关键技术。通过在同一压裂段内进行多簇射孔，一次性压开多个裂缝，进而增大储层改造体积，降低压裂时间和施工成本。多簇压裂的设计目的是同时形成一系列密集且沿最大主应力方向延伸的多条水力裂缝网络来增加流体交换效率。因此水力裂缝扩展的几何形态是评价储层改造效果的关键。由于现阶段对现场储层水力压裂多裂缝同步扩展过程中的裂缝具体几何形态及其扩展规律的了解极为有限，专利技术人发现目前此项技术在应用中还存在以下几个方面的问题：1、现场作业表明，水平井多簇水力压裂的效果往往不是十分明显。实测数据显示，有30％甚至更多的裂缝未到达设计生产效果。一般认为，多裂缝同步扩展过程中，邻近裂缝之间的相互干扰导致部分裂缝失去扩展稳定性。2、除一些特殊情况外，现场水力裂缝的实际形态是无法直接观察到的。现场生产采用的微地震等裂缝监测手段存在精度低和多解性问题，尚难以全面真实捕捉裂缝的扩展路径和几何形态。3、在实际扩展过程中，水力裂缝的起裂、延伸、转向和贯通受到岩性、地层条件、地应力水平和压裂参数等多因素影响。特别地，对于多裂缝同步扩展问题，一个显著的现象即为应力阴影效应。对于考虑相互影响的多裂缝同步扩展时诱导应力场的演化规律及其同多裂缝延伸和贯通之间的互动响应机制目前仍缺乏准确认识。4、目前开展的室内水力压裂实验对于裂缝的扩展规律通常采用声发射、表面观察、试样剖切观察、CT断面扫描等技术来分析水力裂缝的几何形态。但上述方法仅能获取最终静止状态的水力裂缝几何形态，基于最终的裂缝形态推测其扩展过程和机理，存在很大的不确定性。尤其是应力阴影效应影响到裂缝的闭合，导致裂缝宽度是动态变化的，压裂结束后的破坏试件难以反映裂缝宽度变化。5、目前开展的室内水力压裂实验主要研究的是单裂缝的扩展演化形态和地应力差、围压、压裂液黏度等影响因素的作用规律，几乎没有开展过多裂缝同步扩展演化形态和相互影响过程方面的实验研究。6、基于原岩开展的水力压裂实验难以监测压裂过程中岩石内部的力学响应，限制了对于裂缝扩展机理的分析与研究。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术的不足，提供了一种可视的岩石水力压裂多裂缝同步扩展平面问题的物理模拟实验系统及其实验方法。开展基于类岩石材料的可视化物理实验，利用内置传感器监测水力裂缝扩展诱导的缝间岩石应力扰动和变形规律。借鉴地质力学模型实验技术，设计水力压裂可视化物理实验系统，通过数字图像分析和预置传感器从全局把握岩石的整体变形特征和破坏规律。此系统及方法可以解决上述岩石水力压裂物理实验存在的问题，对于发现多簇压裂新现象，揭示缝间岩石力学响应和竞争机制具有理论分析和数值模拟不可替代的重要作用。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：第一方面，本专利技术提出了一种可视的岩石水力压裂多裂缝同步扩展平面问题的物理模拟实验系统，该实验系统主要包括4个子系统：地应力加载及控制系统；水力伺服泵压系统；裂缝表面观测系统；内部变形与应力监测系统；所述地应力加载及控制系统用于向试样施加围压以模拟储层地应力；所述水力伺服泵压系统用于向试样中泵入压裂液；所述裂缝表面观测系统用于监测和记录压裂过程中的裂缝动态演化过程并对裂缝的演化形态进行分析处理；所述内部变形与应力监测系统用于监测水力裂缝扩展过程中试样内部的诱导应力演化规律和变形特性。作为进一步的技术方案，所述的地应力加载及控制系统由应力加载实验平台、反力传递系统、对试样施压的液压加载器、电液伺服压力机、加载伺服系统控制箱和计算机组成；所述的应力加载实验平台包括反力架所围成的正方形实验区，在所述反力架内安装有两个压板，两个压板与反力架形成试样放置室，且形成试样放置室的反力架侧壁上安装模拟井筒；实验时，将试样紧靠在反力架预留井筒口两侧，试样另外两侧放置方形压板；所述的加载伺服系统控制箱一端与计算机相连，另一端与电液伺服压力机连接，液压加载器通过控制线路与电液伺服压力机相连接，由液压加载器通过反力传递系统对应力加载实验平台施加模拟的竖向地应力和最大水平地应力。更近一步地，在所述方形压板上开设有测量元件预留孔，用于放置微型压力盒、应变花、光栅多点位移传感器等测量元件。作为进一步的技术方案，所述的水力伺服泵压系统由液压源伺服阀、注液阀门、水泵、泵压控制系统和计算机组成；其中泵压控制系统一端通过控制线缆与计算机连接，由计算机记录泵压—时间曲线，泵压控制系统的另一端连接液压源伺服阀，液压源伺服阀通过控制导线与水泵连接，水泵通过泵注管线与试样上的模拟井筒相连接，泵注管线上安装有注液阀门，以此来控制压裂液流动。作为进一步的技术方案，所述的裂缝表面观测系统由高速摄像机、计算机、和移动装置组成。其中把高速摄像机固定在摄像机移动装置上，通过摄像机移动装置将高速摄像机移动到试件上方合适位置后，将高速摄像机通过控制线路与计算机相连接，计算机用于监测和记录压裂过程中的裂缝动态变化过程并对裂缝的演化过程进行分析处理。作为进一步的技术方案，所述的内部变形与应力监测系统由试样表面及内部的微型压力盒、应变花、光栅多点位移传感器等测量元件，计算机组成。其中微型压力盒、应变花、光栅多点位移传感器等测量元件与计算机相连接并用于监测储层岩石内部的诱导应力演化规律和岩体变形特性，最后通过计算机实现对数据的实时记录、存储和分析。第二方面，本专利技术还提出了一种可视的岩石水力压裂多裂缝同步扩展平面问题的物理模拟实验系统进行水力压裂实验的实验方法，包括以下步骤：步骤1：可视化及多裂缝同步扩展的岩石水力压裂平面问题的物理模拟实验前的准备；按照实验设计加工模拟井筒并在模拟井筒等间距预置多个射孔，将模拟井筒以及部分内置的传感器在模具中固定好，浇筑配比好的类岩石材料，然后进行试样的养护；试样养护完成后，在试样四周设置密封圈并将试样置于试样放置室中紧靠反力架预留井筒口两侧，使出露试样的模拟井筒进入反力架预留模拟井筒孔中；试样另外两侧放置方形压板并在方形压板的预留孔中安装好测量元件；在方形压板两侧连接反力传递系统，在反力传递系统的另一端与液压加载器相连；在试样上表面覆盖高强度钢化玻璃，试样的上、下表面与有机玻璃和基座之间需通过玻璃胶进行密封，防止压裂过程中压裂液的漏失；通过地应力加载及控制系统对试样施加围压以模拟储层地应力。步骤2：可视化及多裂缝同步扩展的岩石水力压裂平面问题的物理模拟实验的实施首先将泵注管线与水力伺服泵压系统相连接；然后启用裂缝表面观测系统和内部变形与应力监测系统，利用摄像机移动装置将摄像机移动到可以清晰捕捉试样完整表面处并开启内部变形与应力监测系统。将配置好的压裂液装入水力伺服泵压系统中的水泵中，然后在计算机上输入相应编号，最后通过泵压控制系统和液压源伺服泵按设定排量向试样中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可视的岩石水力压裂平面问题的物理实验系统，其特征在于，包括地应力加载及控制系统；水力伺服泵压系统；裂缝表面观测系统；内部变形与应力监测系统；/n所述地应力加载及控制系统用于向试样施加围压以模拟储层地应力；/n所述水力伺服泵压系统用于向试样中泵入压裂液；/n所述裂缝表面观测系统用于监测和记录压裂过程中的裂缝动态演化过程并对裂缝的演化过程进行分析处理；/n所述内部变形与应力监测系统用于监测水力裂缝扩展过程中试样内部的诱导应力演化规律和试样变形特性。/n

【技术特征摘要】
1.一种可视的岩石水力压裂平面问题的物理实验系统，其特征在于，包括地应力加载及控制系统；水力伺服泵压系统；裂缝表面观测系统；内部变形与应力监测系统；
所述地应力加载及控制系统用于向试样施加围压以模拟储层地应力；
所述水力伺服泵压系统用于向试样中泵入压裂液；
所述裂缝表面观测系统用于监测和记录压裂过程中的裂缝动态演化过程并对裂缝的演化过程进行分析处理；
所述内部变形与应力监测系统用于监测水力裂缝扩展过程中试样内部的诱导应力演化规律和试样变形特性。


2.如权利要求1所述的一种可视的岩石水力压裂平面问题的物理实验系统，其特征在于，所述的地应力加载及控制系统由应力加载实验平台、反力传递系统、对试样施压的液压加载器、电液伺服压力机、加载伺服系统控制箱和计算机组成；所述的应力加载实验平台包括反力架所围成的正方形实验区，在所述反力架内安装有两个压板，两个压板与反力架形成试样放置室，且形成试样放置室的反力架侧壁上安装水平钻井；实验时，将试样紧靠在反力架预留井筒口两侧，试样另外两侧放置方形压板；所述的加载伺服系统控制箱一端与计算机相连，另一端与电液伺服压力机连接，液压加载器通过控制线路与电液伺服压力机相连接，由液压加载器通过反力传递系统对应力加载实验平台施加模拟的竖向地应力和最大水平地应力。


3.如权利要求2所述的可视化的岩石水力压裂平面问题的物理模拟实验系统，其特征在于，在所述方形压板上开设有测量元件预留孔，用于放置试件测量元件。


4.如权利要求1所述的可视化的岩石水力压裂平面问题的物理模拟实验系统，其特征在于，所述的水力伺服泵压系统由液压源伺服阀、注液阀门、水泵、泵压控制系统和计算机组成；其中泵压控制系统与计算机连接，由计算机记录泵压—时间曲线；泵压控制系统控制液压源伺服阀，液压源伺服阀与水泵连接，水泵通过泵注管线与试样上的模拟井筒相连接，泵注管线上安装有注液阀门，以此来控制压裂液流动。


5.如权利要求1所述的可视化的岩石水力压裂平面问题的物理模拟实验系统，其特征在于，所述的裂缝表面观测系统由高速摄像机、计算机和移动装置组成，所述的高速摄像机固定在移动装置上，通过移动装置将高速摄像机移动到试件上方合适位置后，高速摄像机通过控制线路与计算机相连接，计算机用于监测和记录压裂过程中的裂缝动态变化过程并对裂缝的演化过程进行分析处理。


6.如权利要求1所述的可视化的岩石水力压裂平面问题的物理模拟实验系统，其特征在于，所述的内部变形与应力监测系统由试样表面及内部的微型压力盒、应变花、光栅多点位移传感器和计算机组成；其中微型压力盒、应变花、光栅多点位移传感器与计算机相连接并用于监测储层岩石内部的诱导应力演化规律和岩体变形特性，最后通过计算机实现对数据的实时记录、存储和分析。


7.如权利要求1所述的可视化的岩石水力压裂平面问题的物理模拟实验系统，其特征在于，所述的试样为一个矩形薄板结构，在其一侧设...

【专利技术属性】
技术研发人员：段抗，王路超，张强勇，李雪剑，周新宇，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37