CN103485759B

CN103485759B - 油气井水力压裂裂缝扩展可视化实验方法及其装置

Info

Publication number: CN103485759B
Application number: CN201310407768.6A
Authority: CN
Inventors: 盛茂; 李根生; 邵尚奇; 田守嶒; 陈立强; 耿黎东
Original assignee: China University of Petroleum Beijing
Current assignee: China University of Petroleum Beijing
Priority date: 2013-09-10
Filing date: 2013-09-10
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2033-09-10
Also published as: CN103485759A

Abstract

本发明涉及一种水力压裂裂缝扩展可视化模拟实验方法及其装置，装置由岩样室、地应力加载单元、模拟压裂管柱、高速摄像机、高压泵注单元、数据测量与采集单元等组成，其中岩样室顶盖开有四个透明观察口。方法是首先制备平板型岩样，高压水切割预制天然裂缝，充填环氧树脂形成充填型裂缝；然后待岩样饱和水3～5天，饱和水完毕后用环氧树脂包裹岩样；接下来，对岩样加载三轴应力，并在岩样受三轴应力条件下钻取井眼，安装模拟压裂管柱；最后，连接高压管线与平流泵，泵注压裂液，同时高速摄像机记录裂缝扩展路径，压力变送器测量泵注压力变化。本发明能在平面上可视水力裂缝扩展路径，为研究水力裂缝扩展机理提供了新的实验方法。

Description

油气井水力压裂裂缝扩展可视化实验方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种油气井水力压裂裂缝扩展可视化实验方法，同时提供一种适合于所述方法的实验装置，属于石油开采领域。

背景技术

水力压裂是一种在石油开采中被广泛使用的油气井增产技术，尤其在低渗透油气藏和页岩气、煤层气等非常规气藏中取得了良好的增产效果。它的基本原理是通过地面高压泵组，向井筒内大排量泵注压裂流体(液体或气体)，造成地层岩石在流体压力作用下形成拉张型裂缝或剪切型裂缝，最终形成具有一定导流能力的人造裂缝网络。

水力压裂裂缝扩展机理研究一直以来是水力压裂研究的热点和难点，特别是水力压裂裂缝在天然裂缝发育的地层中扩展规律的研究。水力压裂裂缝扩展受到内在与外在因素的共同影响，内在因素包括岩石力学特性(如弹性模量、泊松比和断裂韧性等)、渗透率、孔隙压力和非均质性等；外在因素有岩石受到的原地应力场、液体排量和压裂工艺等，因此水力压裂研究需综合考虑这些因素。研究目的是为预测一定外在条件下人造裂缝的几何形状提供理论依据。研究方法以理论建模和物理模拟为主，其中物理模拟面临两大难点：(1)裂缝扩展路径监测；(2)原始地应力场的模拟。

目前普遍使用的实验方法是采用真三轴应力加载系统对岩样加载，来模拟深部地层原始地应力场；声发射技术实时监测水力压裂裂缝扩展路径，实验结束后劈开岩样观察裂缝扩展最终几何形态。该方法的局限性在于：

1)声发射技术属于间接监测手段，难以区别水力压裂裂缝与诱导裂缝。其原因是水力压裂过程中会存在剪切诱导裂缝(弱面破坏)，但是这些诱导裂缝与水力裂缝不连通，不属于水力裂缝的一部分。然而，基于声发射原理的测试方法不能区分哪些是来自水力裂缝前缘破裂的信号，哪些是来自诱导裂缝破裂的信号。

2)水力裂缝在天然裂缝发育的地层中扩展行为存在一种特殊情况，即水力裂缝在与天然充填裂缝相交前，天然裂缝就在局部地应力作用下发生了剪切滑移破坏，并且新生裂缝会在天然裂缝尖端重新起裂和扩展。然而这种情况无法被声发射技术识别。

3)在岩样制备方面，材料以混凝土为主，形状多为立方体，尺寸300×300×300mm，也有少数实验选用尺寸为1000×1000×1000mm正方体岩块。然而，混凝土材料几乎无渗透性，因此无法模拟地层孔隙压力对裂缝扩展的影响。

4)在模拟天然裂缝时，现有方法是在岩样模具中预先放置纸片或玻璃片，然后浇筑岩样过程中自然形成裂缝。这种方法形成的裂缝内部无充填物，无胶结强度，属于张开型裂缝。然而，实际地层中天然裂缝多被石英、方解石等矿物充填，有一定胶接强度，原始条件下呈非张开状态。因此现有方法不足以全面描述天然裂缝真实状态。

5)目前模拟井眼是在无地应力条件下通过钻孔得到的，即先钻孔后加载三轴地应力。这与先加载三轴地应力后钻孔形成的应力分布是不同的。实际情况是地层在未钻孔前就有原始地应力场，钻孔过程对原始地应力场是一个扰动过程。因此现有钻孔方法形成的应力场与真实应力场存在差异。

总体而言，已公开的实验方法在裂缝监测方面存在无法直观监测扩展路径，难以捕捉水力裂缝与天然裂缝沟通过程等问题；在岩样制作方面存在难以模拟孔隙压力、预制的天然裂缝不被充填且无胶结强度、钻孔所形成的应力场与真实应力场存在差异等问题。

鉴于以上不足，本发明提出了一种水力压裂裂缝扩展可视化实验方法及其装置。

发明内容

为了克服现有实验方法无法直接观察裂缝扩展路径、难以模拟孔隙压力、无法实现天然裂缝被充填和无法反映钻孔对地应力场扰动的影响等不足，本发明提供一种油气井水力压裂裂缝扩展可视化实验方法，同时提供一种适用于上述方法的实验装置。本发明的原理是油气井水力压裂目标层段埋藏深(＞1000m)，上覆岩层应力足够大，使得岩层在垂直方向应变可忽略，即可将地层岩石所受应力状态简化为平面应变状态。这种简化使得实验岩样可用平板型岩样(岩样厚度远小于长宽)替代原有的立方岩样，并且裂缝在岩样厚度方向上贯穿，从而达到平面上可视裂缝扩展路径的效果。

为了实现上述目的，提供一种水力压裂裂缝扩展可视化实验方法。首先制备用于实验的岩样，要求岩样厚度远小于长宽值，根据研究需要可在岩样中设置天然裂缝；然后待岩样饱和水3～5天后，用环氧树脂包裹岩样；其次，将岩样放入实验装置的岩样室中，加载三轴应力；再次，在岩样受三轴应力条件下钻取井眼，然后安装模拟压裂管柱；最后，连接高压管线与平流泵，泵注压裂液，实施水力压裂，同时高速摄像机记录裂缝扩展路径，压力变送器测量泵注压力变化。

所述岩样制备采用石英砂、硅藻土、粉煤灰、水泥和石膏等为原材料，按照一定配比，通过压制成型的方法形成预制岩样；为了模拟天然裂缝对水力裂缝扩展的影响，可利用高压水射流数控切割技术在特定位置对预制岩样实施水力切割，在岩样厚度方向上形成贯通裂缝，然后向裂缝中充填环氧树脂，用于模拟充填型天然裂缝；此外，所述岩样也可以采用天然岩样，需对岩样各个面进行抛光处理，保证平行度。

所述岩样饱和水需将岩样置于模拟地层水的KCl溶液中浸泡3～5天，依靠渗吸作用饱和水，然后在岩样外表面涂抹环氧树脂，来封存孔隙水。

所述岩样施加三轴应力，用于模拟原始地应力，采取顺序加载方式，依次加载垂向主应力、水平最大主应力和水平最小主应力。

所述钻取孔眼过程是模拟钻井过程，体现地应力变迁史，要求孔眼铅垂，孔壁光滑，以保证模拟井筒与井壁环空的密封性。

所述模拟压裂管柱与井眼的环空间隙采用密封圈和密封胶双重措施来保证流体密封性。

所述压裂液为水基瓜胶液，具有一定粘度和抗剪切特性，为了便于观察，加入染色剂，将压裂液染成红色。

所述高速摄像机要求拍摄频率不低于60000幅/秒。

同时提供一种适用于上述实验方法的装置，主要由岩样室、地应力加载单元、模拟压裂管柱、高速摄像机、高压泵注单元、数据测量与采集单元等六个部分组成。其特征在于：

所述岩样室为一箱体，通过螺栓连接有箱体顶盖，所述箱体顶盖上阵列有四个镶嵌有透明石英玻璃的观察口，顶盖中心开有用于插入模拟压裂管柱的圆孔，所述岩样室除顶盖外，是由整块钢材经过线切割技术切割形成一体化的箱体。

所述地应力加载单元由分别设在所述岩样室内前侧面、右侧面和底面的三个液压包及其附属的液压油泵、压力变送器等组成。液压包后侧面开有注油孔，液压油泵通过注油孔向液压包泵注液压油，液压包发生膨胀，从而对岩样施加均布面力。

所述模拟压裂管柱为一耐高压金属管，其通过所述岩样室顶盖上的开孔插入岩样的井眼中，其中一端封闭，另一端伸出所述岩样室外并与高压管线连接，用于注入压裂液；所述金属管插入井眼的一端管壁上开有若干小孔；所述金属管距顶部和底部1cm处分别有一个凹槽，所述凹槽用于安装密封圈，来实现流体密封作用。

所述高速摄像机置于顶盖上方，透过岩样室顶盖观察口对裂缝扩展过程进行高速拍照，达到直观监测裂缝扩展路径的效果。

所述高压泵注单元，包括恒速平流泵和高压管线，恒速平流泵以定排量方式泵注压裂流体；所述高压管线上分别安装有压力变送器和安全阀，分别用于测量水力压裂过程井口压力变化和保证实验安全。

所述数据测量与采集单元，包括压力变送器、图像信号处理、数据采集卡和计算机等。

本发明提供的技术方案具有以下特点：

通过合理简化深部岩石应力状态，形成了平面上可视水力裂缝扩展路径的实验思路与方法；通过开设透明观察口和使用高速摄像技术，达到了水力裂缝扩展路径可视化的目的；提出了充填型天然裂缝的制备方案，达到真实模拟天然裂缝有胶结强度的效果；对岩样先加载原始地应力，后钻取孔眼的方式形成井眼，真实模拟了地应力场的变迁史，获得了水力压裂前真实地应力场；本发明为研究单条水力裂缝扩展机理和天然裂缝对水力裂缝扩展的影响机理提供了新的实验研究手段。

附图说明

以下附图对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明方法与装置的范围。

图1为本发明的水力压裂裂缝扩展可视化实验原理示意图；

图2为本发明的实验装置中岩样室、液压包、模拟压裂管柱和高速摄像机等关键部件的装配关系图；

图3为本发明的岩样室的三维示意图；

图4为本发明的模拟压裂管柱的剖面示意图；

图5A为本发明的带有2条充填裂缝的岩样的三维示意图；

图5B为图5A的俯视图；

图6为井眼与压裂管柱形成环空的密封示意图。

图中1.岩样室，2.液压包，3.模拟压裂管柱，4.岩样，5.高速摄像机，6.数据采集装置，7.高压管线，8.旋塞阀，9.安全阀，10.压力表，11.压力变送器，12.恒速平流泵，13.储液池。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明：

第一部分：对本文所涉及的一些技术术语说明如下：

可视化：通过对事物的实时观察，能够观察到不可见的对象，对事物的实时动态最直接的观察。

水力压裂：通过地面高压泵组，向模拟井筒中持续大排量泵注压裂流体，岩石在高压流体作用下发生拉张破坏或剪切破坏形成裂缝并扩展的过程。

由于实验模型与现场原型在尺寸和施工参数方面差别较大，所以需要建立相似准则来获得有意义的实验结果。压裂模拟实验相似系数需要满足以下关系：

\frac{c_{L}^{3}}{c_{Q} c_{T}} = 1; c_{K_{L}} \sqrt{\frac{c_{L}}{c_{Q}}} = 1; \frac{c_{η} c_{Q}}{c_{L}^{3} c_{p}} = 1;

\frac{c_{σ}}{c_{E_{e}}} = \frac{c_{p}}{c_{E_{e}}} = \frac{c_{p_{f}}}{c_{E_{e}}} = 1;

\frac{c_{L} c_{E_{e}}}{c_{K_{lc}}^{2}} = 1; \frac{c_{L} c_{γ}}{c_{E_{e}}} = 1

其中，相似比系数c_V＝V_model/V_field，即为实验模型参数与现场原型参数的比值，式中V表示以下参数，其物理意义如下：

L-裂缝长度；E_e-等效弹性模量；Q-施工排量；K_lc-岩石断裂韧性；p-井底压力；K_L-滤失系数；p_f-岩石破裂压力；T-压裂时间；σ-地应力；η-压裂液黏性系数；γ-压裂液重度。

第二部分：说明本发明装置的具体结构：

参见图1，水力压裂裂缝扩展可视化实验装置包括岩样室1、地应力加载单元(液压包2)、模拟压裂管柱3、高速摄像机5、高压泵注单元(旋塞阀8，安全阀9，恒速平流泵12和储液池13等)、数据测量与采集单元(计算机6，压力表10，压力变送器11等)等部分。

参见图2，各部分的配置关系为：所述岩样室1内部三个侧面，分别为前侧面、右侧面和底面，分别配置有矩形液压包和方形液压包；模拟压裂管柱3一端通过所述岩样室1插入所述岩样4的井眼中，另一端外露于岩样室1，与高压泵注管线7连接；所述高压管线7连接恒速平流泵12；高速摄像机5置于所述岩样室顶盖1A上方。

参见图3，所述岩样室1外形为长方体，水平截面为正方形，高度远小于长度和宽度，其比值为1∶10；所述岩样室1由顶盖1A和基座1B组成，顶盖1A开设有四个透明观察口；顶盖1A通过螺栓紧固方式与基座1B相连接；所述顶盖1A中心开有孔眼，用于插入模拟压裂管柱3；所述岩样室1的材料均为高刚度大壁厚合金钢，以保证所述岩样室1各侧面在三轴地应力作用下变形可以忽略，所述岩样室基座1B是由整块钢材经过线切割技术切割形成一体化的箱体。

所述液压包2后侧面有注油口，它们需外露于岩样室1。通过液压泵站向液压包2泵注液压油，液压包发生膨胀变形对岩样产生均匀挤压力。

参见图4，所述模拟压裂管柱3由快速连接头3A，螺纹连接部件3B、压裂管柱3C、密封圈3D和密封胶3E等组成。其中，压裂管柱3C为耐高压金属管，其一端封闭(即为盲管)，侧面开孔，用于通过压裂液；所述金属管顶端和底端各开有一个凹槽，用于安装密封圈3D；螺纹连接部件3B是通过螺纹连接方式与岩样室顶盖1A连接，起到紧固压裂管柱的作用，类似于油井井口装置；快速连接头3A用于与高压管线连接。

参见图5A，岩样4需要在中心钻取井眼，用于插入模拟压裂管柱3。参见图5B，根据研究需要可制备天然裂缝4A，设计天然裂缝4A与水力裂缝扩展方向夹角为θ。岩样原材料的选择依据是使得实验岩样力学性能与所研究的天然岩样相接近。

参见图6，为了使井眼与模拟压裂管柱形成的环形空间密封，本发明在压裂管柱3C顶端和底端分别设置密封圈3D和密封胶3E。

第三部分：说明本发明方法的具体流程为：

(1)岩样制备：本实施例岩样原材料选用石膏、硅藻土、煤粉灰、水泥、石英砂和水，相应配比为1.0∶0.5∶0.4∶0.1∶2.0∶1.2。原材料按照配比配制完成后，采用大型岩样压制机，压制形成尺寸为1000×1000×100mm平板型岩样。天然裂缝制备方法是首先采用高压水射流数控切割技术切割厚度方向上贯通裂缝，然后向贯通裂缝中充填环氧树脂。接下来，将岩样置于KCl溶液中浸泡3～5天，依靠渗吸作用饱和水，然后将岩样外表面涂抹环氧树脂，封存孔隙水。

(2)配制水基瓜胶压裂液，确保压裂液粘度为设计值，原料为清水、瓜胶和染色剂，瓜胶体积浓度按照压裂液粘度要求适量添加。

(3)将液压包装入岩样室指定位置，连接液压泵和压力变送器，准备就绪。

(4)将岩样置于岩样室内，安装岩样室顶盖；然后按顺序向三个液压包中泵注液压油，分别加载垂向主应力、水平最大主应力和水平最小主应力至设计值。

(5)模拟钻井过程：将岩样室吊装到台式钻孔机操作台上，在岩样中心钻取垂直井眼，井眼直径10mm，井眼深度保证井眼底部距离岩样底部为10～20mm，即不钻穿岩样；然后在井眼底部注入厚度为5mm的密封胶，接着插入带有密封圈的模拟压裂管柱，最后在井眼上部同样注入厚度为5mm的密封胶。

(6)在岩样室顶盖上方安装高速摄像头，调焦并设置拍摄频率；连接高压管线和恒速平流泵；调试压力数据采集系统和图像采集系统，准备水力压裂。

(7)开泵以恒定排量泵注压裂液，同时记录拍摄图像和泵注压力数据。

(8)实验结束，分析数据。

第四部分：具体实施例

根据某口油井水力压裂现场施工参数(如表1)，给出实验模型的几何参数和实验参数计算算例：设计岩样长宽均为1m，预计水力压裂裂缝长度为0.5m，实验时间为5min，则c_L＝0.5/100＝0.005，c_T＝1/12，其他实验参数计算过程如下：

(1)因此，试验排量为Q_test＝9cm³/min

(2)则试验滤失系数K_L＝0.77×10^-4m.min^1/2

(3)设计实验井底压力为10MPa，则c_p＝1/3，c_pf＝1/3

(4)

c_{η} = \frac{c_{L}^{3} c_{p}}{c_{Q}} = \frac{0.25 \times 10^{- 6} \times 1 / 3}{3 \times 10^{- 6}} = 0.0278,

则实验压裂液粘度为5.56mPa.s

(5)要满足式则需要c_σ＝1/3，则实验水平最大地应力为12MPa，水平最小地应力为4MPa

(6)则试验岩样断裂韧性为4.17×10^-3MPa.m^1/2

(7)则试验压裂液重度为133.33×100×9.8N/m³

表1实验模型参数计算算例结果

参数名称	现场原型取值	实验模型取值
			裂缝长度	100m	0.5m
等效弹性模量	10GPa	3.33GPa
			施工排量	3m³/min	9cm³/min
岩石断裂韧性	5MPa.m^1/2	4.17×10^-3MPa.m^1/2
			井底压力	30MPa	10MPa
滤失系数	0.0001m.min^1/2	0.77×10^-4m.min^1/2
			岩石破裂压力	30MPa	10MPa
压裂时间	60min	5min
			地应力	H：12MPa，h：6MPa，V：18MPa	H：4MPa，h：2MPa，V：6MPa
压裂液黏性系数	200mPa.s	5.56mPa.s
			压裂液重度	1000*9.8N/m³	133.331009.8N/m³

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的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的个组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合使用，因此本发明当然地涵盖了与本案发明点有关的其他组合及具体应用。

Claims

1.一种水力压裂裂缝扩展可视化实验方法，包括：首先制备用于实验的岩样，要求岩样厚度远小于长宽值，根据研究需要在岩样中设置天然裂缝，在制备含天然裂缝的岩心时，利用高压水射流数控切割技术在特定位置对预制岩样实施水力切割，在岩样厚度方向上形成贯通裂缝；最后向裂缝中充填环氧树脂，用于模拟充填型天然裂缝；然后待岩样饱和水3～5天，饱和水完毕后用环氧树脂包裹岩样；其次，将岩样放入实验装置的岩样室中，加载三轴应力；再次，在岩样受三轴应力条件下钻取孔眼，安装模拟压裂管柱；最后，连接高压管线与平流泵，泵注压裂液，实施水力压裂，与此同时高速摄像机记录裂缝扩展路径，压力变送器测量泵注压力变化。

2.如权利要求1所述的水力压裂裂缝扩展可视化实验方法，其特征在于，在钻取孔眼时，要求孔眼铅垂，孔壁光滑，以保证模拟井筒与井壁环空的密封性。

3.如权利要求1所述的水力压裂裂缝扩展可视化实验方法，其特征在于，高速摄像机要求拍摄频率不低于60000幅/秒。

4.一种水力压裂裂缝扩展可视化实验装置，其特征在于，所述实验装置包括：用于放置测试岩样的岩样室；岩样室内置三个液压包，组成地应力加载单元；高速摄像机置于岩样室上方，用于拍摄裂缝扩展路径；模拟压裂管柱从岩样室顶盖插入岩样的井眼中；高压泵注单元由高压管线和平流泵组成，用于泵注压裂液；数据测量与采集单元负责采集传感器信号。

5.如权利要求4所述的水力压裂裂缝扩展可视化实验装置，其特征在于，岩样室为一箱体，通过螺栓连接有箱体顶盖，所述箱体顶盖上阵列有四个镶嵌有透明石英玻璃的观察口，顶盖中心开有用于插入模拟压裂管柱的圆孔。

6.如权利要求4所述的水力压裂裂缝扩展可视化实验装置，其特征在于，模拟压裂管柱为一耐高压金属管，其通过岩样室顶盖上的开孔插入岩样井眼中，其中一端封闭，另一端伸出箱体外并与高压管线连接，用于注入压裂液，所述耐高压金属管管壁上开设有若干小孔，用于通过压裂液。

7.如权利要求4所述的水力压裂裂缝扩展可视化实验装置，其特征在于，所述地应力加载单元由分别设在岩样室内前侧面、右侧面和底面的三个液压包及其附属的液压油泵、压力变送器组成；液压包后侧面开有注油孔，液压油泵通过注油孔向液压包泵注液压油，液压包发生膨胀，从而对岩样施加均布面力。

8.如权利要求4所述的水力压裂裂缝扩展可视化实验装置，其特征在于，所述高压管线上分别安装有压力变送器和安全阀，分别用于测量水力压裂过程井口压力变化和保证实验安全。