CN102289980B - 在水力压裂模拟试件中制备预置裂缝的方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种在水力压裂模拟试件中制备预置裂缝的方法，该模拟试件是由多个内部组块拼接构成的；首先根据所要模拟地层的裂缝形态特征，确定组成模拟试件的各个内部组块的尺寸、形状和相互位置；依据各内部组块的尺寸和形状制作内部组块模具；选择浇铸材料浇铸内部组块；然后将各个内部组块按相互位置拼装组合，各内部组块之间的接触面形成所述的预置裂缝；在拼装后的组合体外围浇铸包裹层；由此，构成一个内部含有多个预置裂缝的模拟试件。该方法可以在模拟试件中设置任意数量和任意形状的预置裂缝，使模拟试件与实际地层的情况更为相似，以提高模拟实验的准确性。

Description

在水力压裂模拟试件中制备预置裂缝的方法

技术领域

本发明是关于大尺寸真三轴水力压裂实验室物理模拟实验中使用的水力压裂模拟试件，尤其涉及一种在水力压裂模拟试件中制备预置裂缝的方法。

背景技术

水力压裂作为油气增产的主要措施已被广泛应用于现代石油工程中，对低渗油气藏的生产起了重要的作用；同时在地热资源、核废料的储存等其他领域也得到了重要应用。

水力压裂是一种在深部地层条件下的流固耦合的复杂工程现象。随着世界石油行业的不断发展，对水力压裂的技术性能也提出新的要求。为了提高水力压裂的成功性、提高压裂作业的性价比、优化作业、解决在理论上尚不完善的压裂液与岩体耦合机理、水力裂缝造缝及延伸规律研究等等，常利用数值模拟和现场试验的方法来研究确定总体压裂方案，并进行系统性能分析。

借助于建立在种种假设和简化条件基础上的数值模型进行间接分析水力压裂的数值模拟研究，其受限于所涉及的各相关学科的具体发展水平，尤其是受到流固耦合机理研究水平的限制；另外，数值模型的正确性、计算方法的精度、稳定性、收敛性和参数选择的制约，也使得结果带有一定的近似性。现场试验是在实物对象上的实验技术，其优点是可以严格控制实验对象的主要参数完全符合外界条件和自然条件的限制，做到结果准确；在复杂的实验过程中突出主要矛盾，便于把握、发现现象的内在联系；但是深部地层的水力压裂是一个十分复杂的物理过程，除一些特殊情况之外，水力压裂所产生的裂缝实际形态难于直接观察，而且尚无有效的测试方法，且这种实验往往费用高，时间周期长；同时，由于地层条件、施工条件复杂多变，导致针对一口井得出的现场压裂实验的结论往往不能直接应用于其他井，即其研究结果的通用性差；综合大量现场应用情况来看，不宜进行原场水力压裂实验。

而模拟实验可以把在实验中获得的数据，定量地转换到原型上去，从而使我们获得有关原型的特性和需要的数据；同时模拟实验可以定性地观察或拍摄模型中所进行的压裂过程，以作为改进原型工作特性的依据；使用适当缩小的模型进行室内压裂物理模拟实验，制造容易、装拆调试方便，可降低成本、缩短试验周期；模拟实验可对不能或难以获取的对象进行实验，并可以避开在数学上难以表达清楚的物理关系。通过实验直接得到所需要的结果，所得结果直观、可信，又比较准确。应当注意的是这样就必须考虑到模型和原型之间的相似性；在缩小的模型上进行实验研究，是否可信、是否能够充分反映原型的特性是非常重要的。

在模拟实验设计中，实验所采用的试件选取是一个十分重要的问题。由于水力压裂的施工对象为位于地下几千米深处的地层岩石，因此，实际岩芯获取困难且费用十分昂贵，并且很多时候限于钻井技术，取出的岩芯在尺寸上偏小，很难满足大尺寸(30cm×30cm×30cm)压裂实验的尺寸要求，因此，人工试件就成为一个比较理想的选择。

在以往的模拟实验中，常将模拟试件制作为均质连续的整个块体，没有考虑实际岩石中的弱面、天然裂缝等不连续面，即使有所考虑，也只是简单的在试件中添加一两条人工裂缝。而众所周知，对于某些地层，岩石的裂缝发育程度较高，纵横交错，十分复杂，要模拟这样的地层，就要对试件的制备方法进行改进，以制作出与实际地层相似的模拟试件。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种在水力压裂模拟试件中制备预置裂缝的方法，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在水力压裂模拟试件中制备预置裂缝的方法，该方法可以在模拟试件中设置任意数量和任意形状的预置裂缝，使模拟试件与实际地层的情况更为相似，以提高模拟实验的准确性。

本发明的另一目的在于提供一种在水力压裂模拟试件中制备预置裂缝的方法，该方法可对模拟试件中预置裂缝系统的特征参数进行人为控制，以提高模拟试件的相似度、可控度。

本发明的目的是这样实现的，一种在水力压裂模拟试件中制备预置裂缝的方法，该模拟试件是由多个内部组块拼接构成的；该方法包括下列步骤：

A)根据所要模拟地层的裂缝形态特征，确定组成模拟试件中各个内部组块的尺寸、形状和相互位置；依据各内部组块的尺寸和形状制作内部组块模具；选择浇铸材料浇铸内部组块；

B)将各个内部组块按相互位置拼装组合，各内部组块之间的接触面形成所述的预置裂缝；在拼装后的组合体外围浇铸包裹层；由此，构成一个内部含有多个预置裂缝的模拟试件。

在本发明的一较佳实施方式中，在步骤A)中，首先对所要模拟地层的裂缝形态进行分析，对走向相似的裂缝进行分组，选定裂缝特征间距、相交裂缝间的夹角，根据裂缝间距及裂缝间相交夹角确定各个内部组块的形状和尺寸；然后制作各内部组块模具，各内部组块模具制成后，将各内部组块模具按所述相互位置拼装并标号；浇铸时，对各内部组块模具单独浇铸，或将各内部组块模具拼装一起后整体浇铸。

在本发明的一较佳实施方式中，在步骤A)中，所述内部组块模具由金属板、木板、有机玻璃板或硬纸板制作。

在本发明的一较佳实施方式中，在步骤A)中，所述浇铸材料由水泥、石英砂和水按比例配置成的水泥砂浆构成。

在本发明的一较佳实施方式中，在步骤A)中，所述浇铸材料由水泥、石英砂、石膏、粘土和水按比例配置构成。

在本发明的一较佳实施方式中，在步骤B)中，将各个内部组块按相互位置拼装组合后，如果实际地层中的天然裂缝成张开状态，则各个内部组块之间不使用粘接材料进行粘结；如果实际地层中的天然裂缝间存在矿物胶结或含有软弱夹层，则应采用粘接材料加入到各个内部组块之间的接触面中。

在本发明的一较佳实施方式中，所述粘接材料为水泥浆或粘土。

在本发明的一较佳实施方式中，所述包裹层材料由水泥、石英砂和水按比例配置成的水泥砂浆构成。

在本发明的一较佳实施方式中，所述包裹层材料由水泥、石英砂、石膏、粘土和水按比例配置构成。

在本发明的一较佳实施方式中，在步骤B)中，通过调整多个内部组块拼接后的组合体在包裹层中的位置，来控制模拟试件中的模拟井筒与预置裂缝间的位置关系。

由上所述，本发明可以在水力压裂模拟试件中设置任意数量和任意形状的预置裂缝，使模拟试件与实际地层情况更为相似，提高了模拟实验结果的准确性；该方法还可对模拟试件中预置裂缝的间距、夹角等特征参数进行人为控制，以提高模拟试件的相似度和可控度，从而为水力压裂实验提供充分考虑地层天然裂缝的模拟试件。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为复杂天然裂缝网络简化结果横截面示意图。

图2a～图2f：为几种实验室常用裂缝网络横截面示意图。

图3a、图3b：为天然裂缝垂向倾角示意图。

图4a、图4b：为含水平裂缝的模拟试件垂向剖面示意图。

图5a～图5c：为几种常用的模拟井筒位置示意图。

图6：为模拟试件整体形态剖视结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

本发明提出一种在水力压裂模拟试件中制备预置裂缝的方法，该模拟试件是由多个内部组块拼接组合构成的；该方法包括下列步骤：

A)根据所要模拟地层的裂缝形态特征，确定组成模拟试件中各个内部组块的尺寸、形状和相互位置；依据各内部组块的尺寸和形状制作内部组块模具；选择浇铸材料浇铸内部组块；

B)将各个内部组块按相互位置拼装组合，各内部组块之间的接触面形成所述的预置裂缝；在拼装后的组合体外围浇铸包裹层；由此，构成一个内部含有多个预置裂缝的模拟试件。

由上所述，本发明可以在水力压裂模拟试件中设置任意数量和任意形状的预置裂缝，使模拟试件与实际地层的情况更为相似，提高了模拟实验结果的准确性；该方法还可对模拟试件中预置裂缝的间距、夹角等特征参数进行人为控制，以提高模拟试件的相似度和可控度，从而为水力压裂实验提供充分考虑地层天然裂缝的模拟试件。

在本实施方式中，在选定裂缝特征间距、相交裂缝间的夹角等特征参数之前，需要对所要模拟地层的裂缝形态进行分析。实际地层中的裂缝曲折蜿蜒，裂缝网络错综复杂。在实验室条件下，往往会对裂缝形态进行简化。如图1所示，将曲折裂缝简化为平直裂缝，且仅考虑相互连通的裂缝。对于这类简化结果，使用本发明的方法可以制作出含有与简化结果完全相同的裂缝的模拟试件。

在实际实验中，为了便于对比分析，常将裂缝进一步简化为理想的几组裂缝，每组裂缝由若干条相互平行的裂缝组成，各组裂缝之间以某一确定角度相交。如图2a～图2f所示，列出了一些实验室常用的裂缝网络形态图。

天然裂缝在垂直方向往往以一定的倾角延伸发育；在理想化条件下，通常将裂缝假定为倾角相同且相互平行的裂缝组；在内部组块制作时，可通过调整内部组块模具形状来实现。如图3a、图3b所示，列出了一些实验室常用的裂缝倾角形态，其中倾角可根据具体情况而改变。

如果考虑地层中的水平层理及裂缝，还可沿垂直方向将内部组块分为几层，如图4a、图4b所示，水平裂缝的间距可通过内部组块的高度来控制，制成间距相等或不等的水平层。

进一步，在步骤A)中，通过上述对所要模拟地层的裂缝形态进行的分析，找出其主要的特征规律，对走向相似的裂缝进行分组，并选定裂缝特征间距、相交裂缝间的夹角，相互连通的天然裂缝将地层岩石分割成若干小块(即：所述内部组块)，根据裂缝间距及裂缝间相交夹角来确定各个被分割部分(即：各个内部组块)的形状和尺寸，所述各个内部组块的尺寸可各不相同、形状各异；也可根据实际情况将各个内部组块简化设计为尺寸和形状均相同的结构；在本实施方式中，假定裂缝水平分布为如图2a所示的等间距正交网格，垂向为如图3a所示的垂直裂缝，且不考虑水平层理，相互正交的两组裂缝的间距均为4.0cm，裂缝高度为20.0cm，裂缝倾角为90°，由此，将各个内部组块的具体尺寸定为：4.0cm×4.0cm×20.0cm的长方体。

内部组块的尺寸和形状确定后，将根据内部组块的尺寸和形状制作各内部组块模具，各内部组块模具制成后，将各内部组块模具按所述相互位置拼装并标号；浇铸时，可根据各内部组块形状的复杂程度，选择对各内部组块模具单独浇铸，或将各内部组块模具拼装一起后整体浇铸。如果内部组块为比较规整的形状，如长方形等，可以选择将各内部组块模具拼装一起后整体浇铸。如果内部组块为比较复杂的形状和结构，则可将各内部组块模具拼装、标号后进行拆分，然后对各内部组块模具单独浇铸，浇铸后的各个内部组块组装时，可按照之前的标号确定相互位置。

在本实施方式中，根据天然裂缝面的粗糙程度，内部组块模具可选取不同的材料制作。可选取的材料有金属板、木板、有机玻璃板或硬纸板等，按照所要制作的内部组块具体尺寸和形状，对板材进行剪裁，拼装组成内部组块模具。在本实施方式中，根据裂缝形态参数的假设，将模具尺寸定为4.0cm×4.0cm×20.0cm的长方体，材料选取厚度为1mm的硬纸板。

在浇铸内部组块时，如果实验设计中考虑了地层中不同位置的岩石物性差异，则可使用不同的材料及不同的配比配置浇铸材料来浇铸构成同一模拟试样的各个内部组块；如果不考虑地层物性差异，则可用同一配比混合材料进行浇铸。所述浇铸材料可由水泥、石英砂和水按比例配置成的水泥砂浆构成；所述浇铸材料也可由水泥、石英砂、石膏、粘土和水按比例配置构成。在本实施方式中，浇铸所述4.0cm×4.0cm×20.0cm的长方体内部组块，浇铸材料采用水泥、石英砂和水按比例配置成的水泥砂浆。将内部组块模具拼装一起排列好，然后将配好的浇铸材料注入各个内部组块模具中，并进行充分振捣以排出浇铸材料中的气体，然后将内部组块模具顶面抹平即可。在室温条件下养护3天，然后剥除硬纸板取出小水泥块；考虑到硬纸板本身具有一定的柔度，且遇到水后会发生变形，因而在浇铸时相邻的小水泥块侧面并非完全平整，为保证在之后的拼装使用中相邻小水泥块间完全吻合，在拆除模具时应首先对小水泥块进行编号。

进一步，在步骤B)中，将各个内部组块按相互位置拼装组合后，如果实际地层中的天然裂缝成张开状态，则各个内部组块之间不使用粘接材料进行粘结；如果实际地层中的天然裂缝间存在矿物胶结或含有软弱夹层，则应采用粘接材料加入到各个内部组块之间的接触面中；粘接材料或充填材料的性质决定了预置裂缝的性质；所述粘接材料为水泥浆或粘土。

在本实施方式中，假定天然裂缝间有一定的胶结强度，因此，选用不含砂的水泥浆胶结各个内部组块。

进一步，为了使所有内部组块形成一个整体，同时为了使内部组块的组合体在整体尺寸上满足大尺寸(30cm×30cm×30cm)压裂实验的尺寸要求，需要在组合体外围浇铸一层包裹层；包裹层的材料性质应根据实验具体要求而定，所述包裹层材料可由水泥、石英砂和水按比例配置成的水泥砂浆构成；包裹层材料也可由水泥、石英砂、石膏、粘土和水按比例配置构成。

由于模拟试件中的模拟井筒通常是设置在试件的正中心位置，根据实验需要，井筒可穿过裂缝位置、穿过裂缝相交点位置或不穿过裂缝位置；在本实施方式中，在步骤B)中，如图5a～图5c所示，可通过调整多个内部组块拼接后的组合体在包裹层中的位置，来控制模拟试件中的模拟井筒与预置裂缝间的位置关系。

在本实施方式中，采用如图5a所示的井筒不穿过预置裂缝位置的方式，整体模拟试件由25个长方体内部组块组成，根据大尺寸真三轴模拟压裂试验架的尺寸要求，需要模拟试件整体尺寸达到30cm×30cm×30cm，因此，需要在组合体外围浇铸5cm厚的包裹层。根据实验假定，包裹层的材料选取与内部组块相同的材料。

浇铸包裹层时，首先在安装好的模拟试件模具中注入5cm厚的水泥砂浆层，并将其表面抹平，待水泥砂浆具有一定的强度后，将多个长方体内部组块按标号排列好，放在试件模具中心，然后在其四周注入水泥砂浆至与内部组块等高；将搅拌均匀的纯水泥浆由顶部注入到内部组块之间的缝隙中，以将相邻的内部组块粘结起来；最后继续注入水泥砂浆直至将试件模具注满，并将顶部抹平。

养护2天后，拆除试件模具，取出模拟试件并对其进行标号，即完成模拟试件的浇铸工作。取出的试件在适当的条件下继续进行养护，以达到实验所需的试件强度要求。由此，如图6所示，所述内部组块的组合体及外面的包裹层共同组成了内部含有复杂裂缝系统的水力压裂模拟试件。

利用本发明的方法可以在水力压裂模拟试件中设置任意数量、任意形状的预置裂缝，形成复杂裂缝网络，并可对预置裂缝系统特征参数进行人为的控制；可为水力压裂实验提供充分考虑地层天然裂缝的模拟试件，使实验与实际情况更为相似，提高了模拟实验结果的准确性。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种在水力压裂模拟试件中制备预置裂缝的方法，该模拟试件是由多个内部组块拼接构成的；该方法包括下列步骤：

A)根据所要模拟地层的裂缝形态特征，确定组成模拟试件的各个内部组块的尺寸、形状和相互位置；依据各内部组块的尺寸和形状制作内部组块模具；选择浇铸材料浇铸内部组块；

B)将各个内部组块按相互位置拼装组合，各内部组块之间的接触面形成所述的预置裂缝；在拼装后的组合体外围浇铸包裹层；由此，构成一个内部含有多个预置裂缝的模拟试件。

2.如权利要求1所述的在水力压裂模拟试件中制备预置裂缝的方法，其特征在于：在步骤A)中，首先对所要模拟地层的裂缝形态进行分析，对走向相似的裂缝进行分组，选定裂缝特征间距、相交裂缝间的夹角，根据裂缝间距及裂缝间相交夹角确定各个内部组块的形状和尺寸；然后制作各内部组块模具，各内部组块模具制成后，将各内部组块模具按所述相互位置拼装并标号；浇铸时，对各内部组块模具单独浇铸，或将各内部组块模具拼装一起后整体浇铸。

3.如权利要求1所述的在水力压裂模拟试件中制备预置裂缝的方法，其特征在于：在步骤A)中，所述内部组块模具由金属板、木板、有机玻璃板或硬纸板制作。

4.如权利要求1所述的在水力压裂模拟试件中制备预置裂缝的方法，其特征在于：在步骤A)中，所述浇铸材料由水泥、石英砂和水按比例配置成的水泥砂浆构成。

5.如权利要求1所述的在水力压裂模拟试件中制备预置裂缝的方法，其特征在于：在步骤A)中，所述浇铸材料由水泥、石英砂、石膏、粘土和水按比例配置构成。

6.如权利要求1所述的在水力压裂模拟试件中制备预置裂缝的方法，其特征在于：在步骤B)中，将各个内部组块按相互位置拼装组合后，如果实际地层中的天然裂缝成张开状态，则各个内部组块之间不使用粘接材料进行粘结；如果实际地层中的天然裂缝间存在矿物胶结或含有软弱夹层，则应采用粘接材料加入到各个内部组块之间的接触面中。

7.如权利要求6所述的在水力压裂模拟试件中制备预置裂缝的方法，其特征在于：所述粘接材料为水泥浆或粘土。

8.如权利要求1所述的在水力压裂模拟试件中制备预置裂缝的方法，其特征在于：在步骤B)中，所述包裹层材料由水泥、石英砂和水按比例配置成的水泥砂浆构成。

9.如权利要求1所述的在水力压裂模拟试件中制备预置裂缝的方法，其特征在于：在步骤B)中，所述包裹层材料由水泥、石英砂、石膏、粘土和水按比例配置构成。

10.如权利要求1所述的在水力压裂模拟试件中制备预置裂缝的方法，其特征在于：在步骤B)中，通过调整多个内部组块拼接后的组合体在包裹层中的位置，来控制模拟试件中的模拟井筒与预置裂缝间的位置关系。

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