CN104122147A - 一种裂缝动态缝宽模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种裂缝动态缝宽模拟系统及方法，包括压力机、弹簧盘及岩心夹持器，在压力机的上压板与下压板之间同轴放置岩心夹持器，在岩心夹持器内嵌装岩心，在岩心夹持器的前部通过管路依次连接中间容器及驱替泵，在岩心夹持器的后部通过管路依次连接回压阀及液体计量器，在岩心夹持器与压力机上压板之间同轴安装一弹簧盘，在弹簧盘的底部岩心夹持器的两侧各对称安装一位移传感器，当岩心中的流体压力增大时，弹簧盘与岩心被压缩产生一定形变使裂缝张开，可通过位移传感器进行检测。本发明可以动态的监测到两岩心之间的裂缝宽度变化值，结构设计科学合理，测量的数据准确度高。

Description

一种裂缝动态缝宽模拟系统及方法

技术领域

本发明属于石油与天然气工程领域，涉及油气田开采技术的室内实验评价，尤其是一种裂缝动态缝宽模拟系统及方法。

背景技术

在油气储层钻井和压裂技术中，地面高压泵向地层中注入工作液，具有一定流动压力的工作液迫使地层岩石中的天然裂缝张开，并且发生滤失。工作液滤失的关键是在地层应力条件下，具有一定流动压力的工作液迫使岩石裂缝张开，从而进入裂缝内部。

地层岩石中的裂缝模拟常规实验方法是将岩块加工成相互对应的两块岩心，放入岩心夹持器中，将夹持器置于压力机的上下两块夹板之间，利用压力机加压使对应两块岩心之间的缝隙在一定的闭合应力条件下发生闭合，在岩心夹持器前端设置驱替以一定的流量驱替液体，记录岩心夹持器前后两端的压力，获得模拟岩心裂缝的导流能力。该法主要用于模拟裂缝发生闭合时产生的导流能力，无法模拟随着液体压力增加，地层裂缝的张开特征。

通过检索，发现如下三篇公开的专利文献：

1、一种清水压裂自支撑裂缝导流能力测试方法(CN102174883A)，把制备好的岩芯试件放入岩芯夹持系统，模拟地层应力和温度环境，设置并发出控制指令，各系统动作并反馈信号，最终收集测试结果，计算并得到清水压裂自支撑裂缝导流能力。该发明能够反映清水压裂过程裂缝拉伸破坏和剪切滑移过程，并还原到地下赋存的压力环境和温度环境测试其导流能力，与本发明所解决的技术问题不同。

2、一种水力压裂效果研究模拟器(CN102606125A)，包括一模拟室，支撑剂填充层位于模拟室中央，支撑剂填充层上下由岩芯板夹持，岩芯板周围套有橡皮套，上下岩芯板另一表面分别与上活塞和下活塞及套在上下活塞上的方型密封圈接触，上活塞中开有3组上滤液出口/油气进口，下活塞中也开有3组下滤液出口/油气进口，模拟室左右两面开有测试进出口孔，模拟室前面开有压差输出口，压差输出口正对支撑剂填充层的前面中央，模拟室上还开有加热的长孔和温度测量孔，该发明能同时模拟水力压裂中压裂裂缝、地层岩石、压裂液滤失、压裂液对支撑裂缝和地层污染、石油或天然气及其携带物流经污染地带和支撑裂缝，用于分析研究水力压裂效果。

3、一种水力压裂破裂过程模拟的室内装置(CN201724868U)，是室内模拟地层条件下岩石在液体压力下破裂过程的测试装置。这种水力压裂破裂过程模拟的室内装置包括方形的承压体，承压体内部是承压腔，三个正交的加载机构的压力板均伸入到承压腔中，承压体的一侧连接外承压体，外承压体内部是外承压室，承压腔与外承压室相通，承压腔与外承压室之间安装导轨，试样小车在导轨上，试样小车上安装有压力板和固定承压柱，压力板和固定承压柱上有连通的注液通道，注液通道与承压腔相通。该装置能够在室内模拟深部地层压力、温度环境，及进行水力压裂岩石过程，直观地再现水力压裂岩石的断裂形态，分析不同围压下岩石裂缝几何形态。

上述专利与本发明申请在结构及方法上有本质的区别。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种裂缝动态缝宽的模拟系统及方法，可用于评价钻井液或压裂液向地层裂缝滤失过程中，裂缝宽度的动态变化特征，以测定在不同液体类型及注入压力条件下岩石裂缝的动态缝宽以及导流能力。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种裂缝动态缝宽模拟系统，包括压力机、压力机下压板、压力机上压板及岩心夹持器，在压力机的上部同轴安装压力机下压板，在压力机下压板的上方对应下压板同轴安装压力机上压板，在压力机上压板与压力机下压板之间的下压板的顶部同轴安装岩心夹持器，在岩心夹持器内嵌装岩心，在岩心夹持器的前部通过管路依次连接中间容器及驱替泵，在岩心夹持器的后部通过管路依次连接回压阀及液体计量器，在岩心夹持器与压力机上压板之间同轴安装一弹簧盘，在弹簧盘的底部岩心夹持器的两侧各对称安装一位移传感器。

而且，所述的弹簧盘由若干个材质、弹簧丝直径和自由长度相同的弹簧组成，按弹簧中径由大到小的顺序依次嵌套组成。

一种裂缝动态缝宽的模拟方法，步骤如下：

⑴将地层岩石加工成相互对应的两块岩心，放入岩心夹持器中；

⑵启动压力机固定岩心夹持器及弹簧盘，并且压缩弹簧盘产生模拟地层情况的应力特征，设置此时位移传感器数值为零点；

⑶在中间容器中注入清水，开启驱替泵，直至计量器中监测到清水流出，停止驱替，调节回压阀至设定压力；

⑷在中间容器中注入工作液，开启驱替泵，监测压裂液的流量、岩心夹持器的前端压力及位移传感器的位移值，根据位移值变化可判断夹持器中两块岩心之间的缝宽变化情况。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明通过在岩心夹持器与压力机上压板之间同轴安装弹簧盘，并且在弹簧盘的底部岩心夹持器的两侧对称安装位移传感器，根据弹簧常数中应力与应变的关系，模拟地层应力变化导致的岩石形变，可以动态的监测到两岩心之间的裂缝宽度变化值，结构设计科学合理，测量的数据准确度高。

2、本发明利用不同组合方式下的弹簧应变特征模拟地层应力条件下岩石受流体作用时的应变特征，可测试在注入流体压力变化的过程中，天然裂缝缝宽的动态变化情况。

3、本发明是为了检测地层裂缝宽度变化而专门设计的系统及方法，填补了国内相关检测领域的空白，具有较高的创造性。

附图说明

图1为本系统的连接关系框图；

图2为不同回压压力下缝宽值；

图3为不同回压压力下导流能力值；

图4为导流能力变化值与缝宽变化值关系图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种裂缝动态缝宽模拟系统，包括压力机5、压力机下压板4、压力机上压板3及岩心夹持器9，在压力机的上部同轴安装压力机下压板，在压力机下压板的上方对应下压板同轴安装压力机上压板，在压力机上压板与压力机下压板之间的下压板的顶部同轴安装岩心夹持器，在岩心夹持器内嵌装岩心8，在岩心夹持器的前部通过管路依次连接中间容器2及驱替泵1，在岩心夹持器的后部通过管路依次连接回压阀10及液体计量器11。

本发明的创新点在于：

(1)在岩心夹持器与压力机上压板之间同轴安装一弹簧盘6，在弹簧盘的底部岩心夹持器的两侧各对称安装一位移传感器7。所述的弹簧盘由若干个材质、弹簧丝直径和自由长度相同的弹簧组成，按弹簧中径由大到小的顺序依次嵌套组成。利用不同数量及大小弹簧丝组成的弹簧盘模拟地层应力条件下的岩石应力应变特征；

(2)在驱替系统中加入回压阀，可控制岩石裂缝中的流体压力，进而可监测不同流体压力下岩石裂缝的张开情况。

本发明的工作原理是：

不同数量与不同弹簧中径的弹簧并联相组合可形成不同弹簧常数的弹簧盘，根据弹簧常数中应力与应变的关系，模拟地层应力变化导致的岩石形变。当工作液通过岩心时，随着液体压力的增加，两个岩心之间的裂缝宽度逐渐增加，通过位移传感器可以检测两个岩心之间的动态缝宽变化。

本发明采用的工装均为本领域的常规装置，因此没有具体描述其结构。

一种裂缝动态缝宽的模拟方法，步骤如下：

⑴将地层岩石加工成相互对应的两块岩心，放入岩心夹持器中；

⑵启动压力机固定岩心夹持器及弹簧盘，并且压缩弹簧盘产生模拟地层情况的应力特征，设置此时位移传感器数值为零点；

⑶在中间容器中注入清水，开启驱替泵，直至计量器中监测到清水流出，停止驱替，调节回压阀至设定压力；

⑷在中间容器中注入工作液，开启驱替泵，监测压裂液的流量、岩心夹持器的前端压力及位移传感器的位移值，根据位移值变化可判断夹持器中两块岩心之间的缝宽变化情况。

测定不同回压压力(流体压力)条件下的缝宽值，结果如图2所示。

同时可获得不同回压压力条件下的导流能力值，结果如图3所示。

根据裂缝导流能力定义可知裂缝导流能力等于裂缝渗透率与裂缝缝宽的乘积，设裂缝渗透率在一定缝宽下不发生大变化，那么裂缝导流能力变化值应与裂缝宽度变化值呈线性关系。实例结果如图4所示，可以看出该法获得的缝宽变化值与裂缝导流能力变化值有较好的线性关系，说明该法获得缝宽值较准确。

Claims (3)

1.一种裂缝动态缝宽模拟系统，包括压力机、压力机下压板、压力机上压板及岩心夹持器，在压力机的上部同轴安装压力机下压板，在压力机下压板的上方对应下压板同轴安装压力机上压板，其特征在于：在压力机上压板与压力机下压板之间的下压板的顶部同轴安装岩心夹持器，在岩心夹持器内嵌装岩心，在岩心夹持器的前部通过管路依次连接中间容器及驱替泵，在岩心夹持器的后部通过管路依次连接回压阀及液体计量器，在岩心夹持器与压力机上压板之间同轴安装一弹簧盘，在弹簧盘的底部岩心夹持器的两侧各对称安装一位移传感器。

2.根据权利要求1所述的裂缝动态缝宽模拟系统，其特征在于：所述的弹簧盘由若干个材质、弹簧丝直径和自由长度相同的弹簧组成，按弹簧中径由大到小的顺序依次嵌套组成。

3.一种采用权利要求1所述的裂缝动态缝宽模拟系统进行裂缝动态缝宽的模拟方法，其特征在于：步骤如下：

⑴将地层岩石加工成相互对应的两块岩心，放入岩心夹持器中；

⑵启动压力机固定岩心夹持器及弹簧盘，并且压缩弹簧盘产生模拟地层情况的应力特征，设置此时位移传感器数值为零点；

⑶在中间容器中注入清水，开启驱替泵，直至计量器中监测到清水流出，停止驱替，调节回压阀至设定压力；

⑷在中间容器中注入工作液，开启驱替泵，监测压裂液的流量、岩心夹持器的前端压力及位移传感器的位移值，根据位移值变化可判断夹持器中两块岩心之间的缝宽变化情况。