CN104359817A - 一种页岩岩芯的裂缝扩展分析装置及分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种页岩岩芯的裂缝扩展分析装置及分析方法；所述装置包括万能材料试验机(1)、弧形压头(3)、页岩岩芯(4)、数据采集处理系统以及CT扫描仪；所述方法包括以下步骤：对页岩岩芯进行CT扫描，观察天然裂缝情况；利用软铝材质的弧形压头横向夹好页岩岩芯，对其进行压裂；使用声波检测仪和万能材料试验机的检测系统对压裂过程中的页岩岩芯的裂缝扩展程度进行检测，观察声波累计信号和压力-位移曲线，初步判断裂缝的扩展程度；取下页岩岩芯进行CT扫描，计算裂缝的扩展程度。该发明操作简单，对于页岩气的勘探开发有着重要的意义。

Description

一种页岩岩芯的裂缝扩展分析装置及分析方法

本发明属于页岩气勘探开发技术领域，具体涉及的是页岩岩芯的裂缝扩展分析装置及分析方法，研究岩芯压裂效果，使裂缝很好的扩展。

背景技术

随着世界能源消费的不断攀升，包括页岩气在内的非常规能源发展正改变着世界的能源格局并成为全球开发的焦点。页岩气是从页岩层中开采出来的天然气，储集空间以裂缝为主，属于非常规天然气资源。并且页岩气以吸附和游离状态同时赋存于具有生烃能力的泥岩、页岩等地层中的天然气，具有自生自储、吸附成藏、隐蔽聚集等特点。页岩气藏的孔渗结构与常规气藏有着显著不同，页岩气藏的储层一般呈低孔、低渗透率的物性特征，气流的阻力比常规天然气大，所有的井都需要实施储层压裂改造才能开采出来。其气体产出是微观孔喉，微裂缝，宏观裂缝以及水力裂缝等渗流通道的一系列过程的耦合。

页岩气能否有效产出,很大程度上取决于压裂裂缝和压裂过程中诱导天然裂缝开启而形成的相互交错的裂缝面积大小。因此,页岩气压裂设计的根本出发点在于如何形成有效的微裂缝，为下一步页岩气高效开发提供相关指导。我国非常规页岩气藏储量巨大，因此研究并掌握非常规页岩裂缝压裂对页岩气的开采至关重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种页岩岩芯的裂缝扩展分析装置及分析方法。更够更直观和准确地分析页岩岩芯在压裂条件下的裂隙扩展与分布特征，为研究微裂缝压裂提供理论和试验依据。

本发明提供一种页岩岩芯的裂缝扩展程度分析装置，所述装置包括万能材料试验机、弧形压头、页岩岩芯、数据采集处理系统以及CT扫描仪，所述弧形压头的材料为软质铝合金材料，弧形压头包括上弧形压头和下弧形压头；岩芯的形状为圆柱状，在万能材料试验机底座上部设置有下弧形压头，下弧形压头的外表面为平面并与底座的上表面接触，圆柱状页岩岩芯设置在下弧形压头的弧形内表面中，页岩岩芯的圆柱外周面与下弧形压头的弧形内表面接触，页岩岩芯的上部设置有上弧形压头，上弧形压头的弧形内表面与下弧形压头的弧形内表面相对，并且与页岩岩芯的圆柱外周面接触，圆柱状的页岩岩芯设置在上弧形压头和下弧形压头形成的空间内，在上弧形压头的上部设置有万能材料试验机的上压头，上弧形压头的外表面为平面，万能材料试验机的上压头对上弧形压头的外表面施加压力以使页岩岩芯压裂；上压头内设置有压力测量仪；数据采集处理系统包括计算机和声波检测仪，声波检测仪包括声波探头，声波探头设置在圆柱状页岩岩芯的两个圆形底面上，每个底面上贴有4个声波探头，4个声波探头在底面的圆周方向上以90度为间隔均匀设置，并且在圆形底面的径向方向上设置在从中心起算的2/3半径距离处，所述声波探头连接声波检测仪，声波检测仪连接计算机，通过声波检测仪和万能材料试验机的压力测量仪同时对压裂过程中页岩岩芯的裂缝扩展进行实时监测，CT扫描仪用于对压裂前的岩芯和压裂后的页岩岩芯分别进行扫描，以将扫描结果传送到所述计算机；对压裂前的页岩岩芯进行扫描，得到压裂前的页岩岩芯孔隙度；对压裂后的页岩岩芯进行CT扫描，得到页岩岩芯压裂后的孔隙度；计算机通过对比压裂前、后的孔隙度来确定最终的页岩岩芯开裂程度，页岩岩芯开裂程度＝(开裂后孔隙度-开裂前孔隙度)/开裂前孔隙度。

其中，通过声波检测仪和万能材料试验机的监测系统同时对压裂过程中的页岩岩芯进行实时监测，确定页岩岩芯裂缝的扩展情况。压裂系统中的弧形压头3为软质铝合金材料。由于页岩属于脆性材料，如果应力不均匀，会导致页岩岩芯局部压碎而无法得到理想中的全面的均匀裂缝，因而导致实验失败。软质铝合金材料刚度相对较小，在材料试验机作用下可以通过自身微小变形使压头和页岩岩芯紧密接触，从而使应力较均匀分布。

其中，万能材料试验机对页岩岩芯施加压力，设定加载速度为不大于0.05mm/min，优选为0.05mm/min。

本发明还提供一种上述的装置对页岩岩芯的裂缝扩展进行分析的方法，其包括如下步骤：

步骤一：用CT扫描机对压裂前的圆柱状页岩岩芯整体CT扫描，得到压裂前的页岩岩芯孔隙度，并将扫描结果传送到所述计算机；

步骤二：将页岩岩芯设置在上弧形压头和下弧形压头形成的空间内；将声波探头分别粘贴在页岩岩芯的所述两个圆形底面上，然后打开声波检测仪对完成粘贴声波探头的页岩岩芯将进行断铅测试，可以用易断铅笔在页岩岩芯上折断，这样折断时产生的声波会沿着页岩岩芯内部传播，根据断铅测试所测得的声音信号强度来判断声波探头是否与页岩岩芯表面紧密接触，能否正常传导声波能量，如果某一个探头声音信号强度过低，要拆除这个探头，并重新粘贴；

步骤三：设定材料试验机的加载速度，设定加载速度为不大于0.05mm/min，优选为0.05mm/min；万能材料试验机开始对页岩岩芯施加压力；万能材料试验机绘制压裂过程中的压力-位移曲线，其中横坐标为位移，纵坐标为压力；通过压力-位移曲线判断页岩岩芯内部是否有大的裂缝出现；声波检测仪的显示器上生成的是累计曲线，表示单位时间步长内能检测到的声波数量，在不断施加压力的同时也要监测累积曲线的变化；当声波检测仪刚出现声波信号时，表示页岩岩芯内部开始开裂，万能材料试验机停机，得到页岩岩芯样本1，之后卸掉岩芯，换上相同地质条件的新的页岩岩芯；

步骤四：对新的页岩岩芯重复步骤二和三，当声波检测仪的显示器上出现声波信号持续10-20分钟时，表示页岩岩芯出现一部分开裂裂缝，万能材料试验机停机，得到页岩岩芯样本2；当观察到压力-位移曲线突然下降时，表示页岩岩芯即将产生贯穿裂缝以致完全压碎，万能材料试验机停机，得到页岩岩芯样本3；

步骤五：对已经压裂的页岩岩芯样本1-3用CT扫描机进行CT扫描，得到页岩岩芯压裂后的孔隙度；计算机通过对比压裂前、后的孔隙度来确定最终的页岩岩芯开裂程度，页岩岩芯开裂程度＝(开裂后孔隙度-开裂前孔隙度)/开裂前孔隙度。

该发明方法操作简单，对于页岩气的勘探开发有着重要的意义。

附图说明

图1是本发明分析装置的结构示意图；

图2是弧形夹具及岩芯的侧视结构示意图；

图中，1万能材料试验机；2上压头(内含压力测量仪)；3弧形压头；4页岩岩芯；5声波探头；6声波检测仪

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

如图1和2所示，一种页岩岩芯的裂缝扩展程度分析装置，所述装置包括万能材料试验机1、弧形压头3、页岩岩芯4、数据采集处理系统以及CT扫描仪(未图示)，所述弧形压头3的材料为软质铝合金材料，弧形压头3包括上弧形压头和下弧形压头；页岩岩芯4的形状为圆柱状，在万能材料试验机底座上部设置有下弧形压头，下弧形压头的外表面为平面并与底座的上表面接触，圆柱状页岩岩芯设置在下弧形压头的弧形内表面中，页岩岩芯的圆柱外周面与下弧形压头的弧形内表面接触，岩芯的上部设置有上弧形压头，上弧形压头的弧形内表面与下弧形压头的弧形内表面相对，并且与岩芯的圆柱外周面接触，圆柱状的页岩岩芯设置在上弧形压头和下弧形压头形成的空间内，在上弧形压头的上部设置有万能材料试验机的上压头2，上弧形压头的外表面为平面，万能材料试验机的上压头2对上弧形压头的外表面施加压力以使页岩岩芯压裂；上压头2内设置有压力测量仪；数据采集处理系统包括计算机和声波检测仪，声波检测仪包括声波探头，声波探头设置在圆柱状页岩岩芯的两个圆形底面上，每个底面上贴有4个声波探头，4个声波探头在底面的圆周方向上以90度为间隔均匀设置，并且在圆形底面的径向方向上设置在从中心起算的2/3半径距离处，所述声波探头连接声波检测仪，声波检测仪连接计算机，通过声波检测仪和万能材料试验机的压力测量仪同时对压裂过程中页岩岩芯的裂缝扩展进行实时监测，CT扫描仪用于对压裂前的页岩岩芯和压裂后的页岩岩芯分别进行扫描，以将扫描结果传送到所述计算机；对压裂前的页岩岩芯进行扫描，得到压裂前的页岩岩芯孔隙度；对压裂后的页岩岩芯进行CT扫描，得到岩芯压裂后的孔隙度；计算机通过对比压裂前、后的孔隙度来确定最终的页岩岩芯开裂程度，页岩岩芯开裂程度＝(开裂后孔隙度-开裂前孔隙度)/开裂前孔隙度。

其中，通过声波检测仪和万能材料试验机的监测系统同时对压裂过程中的页岩岩芯进行实时监测，确定页岩岩芯裂缝的扩展情况。压裂系统中的弧形压头3为软质铝合金材料。由于页岩属于脆性材料，如果应力不均匀，会导致页岩岩芯局部压碎而无法得到理想中的全面的均匀裂缝，因而导致实验失败。软质铝合金材料刚度相对较小，在材料试验机作用下可以通过自身微小变形使压头和页岩岩芯紧密接触，从而使应力较均匀分布。

其中，万能材料试验机1对页岩岩芯施加压力，设定加载速度为不大于0.05mm/min，优选为0.05mm/min。

实际进行操作时：

第一步：用游标卡尺测量岩芯的物理外形数据。用CT扫描机三维重构成像分析将已经加工成型的页岩岩芯4(一般尺寸为Φ2.5cm×4cm)整体扫描，得到页岩岩芯内部切片断面扫描，综合分析得到页岩岩芯4天然裂缝的存在情况。由于页岩裂缝达到纳米级，所以要尽量提高扫描精度，降低扫描进尺，才能观察到页岩岩芯内部天然裂缝的分布情况，得到压裂前的岩芯孔隙度，并将扫描结果传送到所述计算机；

第二步：使用改进的对径受压的类巴西压劈实验将页岩岩芯压裂。对径受压的巴西压劈实验是指用平面与圆柱形待测材料在对径方向上施加线荷载来破坏岩芯，但线荷载压出来的裂缝比较集中，不容易达到人工裂缝均匀分布的要求，所以在对径受压的巴西压劈实验基础上对压头进行改进，将原有的平面压头改装为弧形压头3，使压力均匀分布，线荷载变成了面荷载施加在页岩岩芯上下。将已经做过CT扫描的岩芯4按照图1所示安装在万能材料试验机中，向下移动万能材料试验机上压头2，将页岩岩芯4固定在上下两个软铝材质的弧形压头3正中间，在移动过程中不断调整页岩岩芯4和软铝材质弧形压头3，使页岩岩芯和压头之间尽量多的紧密而稳定的接触，同时注意万能材料试验机上压力数值，保证压力数值尽量小。固定好页岩岩芯后，将声波检测仪6中的声波探头5(共8个)分别粘贴在页岩岩芯两侧，一侧粘贴四个，在页岩岩芯侧柱面上标注声波探头5位置。标志位置的方法如下：先在页岩岩芯两个侧平面上划出对应的十字，十字中心就是页岩岩芯截面的中心，在每条从十字中心辐射出的射线的大约2/3处(靠外侧)做标记(径向方向上设置在从中心起算的2/3半径距离处)。在标记处粘贴声波探头，完成粘贴声波探头的页岩岩芯将进行断铅测试，可以用易断铅笔在岩芯上折断，这样折断时产生的微弱声波会沿着页岩岩芯内部传播，然后根据相邻两个声波探头所测得信号的时间差来得到声音在页岩岩芯内部的传播速度，根据传播速度和页岩的表观密度可以大体得到页岩岩芯的杨氏模量E＝C²×ρ，能够快速确定杨氏模量，为后面的进一步分析提供数据。同时也可以根据这个断铅测试所测得的声音信号强度来判断声波探头是否与页岩岩芯表面紧密接触，能否正常传导声波能量，如果某一个探头声音信号强度过低，要拆除这个探头，并重新粘贴。

第三步：安装完毕后开始设定万能材料试验机1的加载速度，由于页岩岩芯是脆性材料，在抗压过程中从出现裂缝到压碎时间非常短，所以加载速度一般设置很小，一般可以选择恒速0.05mm/min；如果当前加载速度还是不能延长裂缝开裂时间，可以考虑选择更小的加载速度。然后清零试验机1，开机开始实验，万能材料试验机上压头开始以恒定速度0.05mm/min的速度向下移动，和下弧形压头相互作用，挤压中间的页岩岩芯。万能材料试验机可以绘制压裂过程中的压力-位移曲线，通过曲线可以大体判断页岩岩芯内部何时会有大的裂缝出现，如果页岩岩芯内有大的开裂，这条曲线会发生显著变化，施加在页岩岩芯上下的压力会突然降低，曲线曲折波动位置说明岩芯中已经有大的裂缝产生。在不断施加载荷的同时也要注意监测声波检测仪6上的变化，每一个裂缝开裂时都会因为振动产生声音，声音是有能量的，声波检测仪将从声波探头(5)监听到的这些声波能量信号统计下来，然后把每一个时间步长内发生的声波能量累计表达，形成累积曲线(即实时统计表格)，当某一段时间内声波能量累计量突然增大，说明比较大的裂缝正在生成，很有可能岩芯已经裂开。此时如果试验机中实时监测的压力-位移曲线也出现突然下降，必须马上停机并撤去载荷，避免岩芯产生贯穿裂缝完全压坏，造成材料的浪费。使用8个声波探头还可以在计算机三维空间中模拟出裂缝大概的生成位置，因为声波传递是有速度的，根据三个或更多的探头监测到同一个声波能量的时间和时间差，可以定位声源位置，便能确定裂缝生成的大概位置。当声波检测仪刚出现声波信号时，表示页岩岩芯内部开始开裂，万能材料试验机停机，得到页岩岩芯样本1，之后卸掉页岩岩芯，换上相同地质条件的新的页岩岩芯；

第四步：对新的页岩岩芯重复步骤二和三，当声波检测仪的显示器上出现声波信号持续10-20分钟时，表示页岩岩芯出现一部分开裂裂缝，万能材料试验机停机，得到页岩岩芯样本2；当观察到压力-位移曲线突然下降时，表示页岩岩芯即将产生贯穿裂缝以致完全压碎，万能材料试验机停机，得到页岩岩芯样本3；

第五步：对已经压裂的页岩岩芯样本1-3用CT扫描机进行CT扫描，利用三维重构成像分析，得到经过人工压裂过的页岩岩芯内部开裂图像，根据图像中页岩岩芯压裂后的孔隙度和压裂前的孔隙度相比较来确定最终的页岩岩芯开裂程度(页岩岩芯开裂程度＝(开裂后孔隙度-开裂前孔隙度)/开裂前孔隙度)。然后对比未施加人工压裂前天然裂缝，分析从天然裂缝到人工裂缝的成因以及生成状况，了解到页岩页岩的确存在平面各向异性的特点，可以根据页岩页岩各向异性的特点，制定出一个通过改变压裂方向来使裂缝开裂更容易生成的压裂方案。

Claims (3)

1.一种页岩岩芯的裂缝扩展程度分析装置，其特征在于，所述装置包括万能材料试验机(1)、弧形压头(3)、页岩岩芯(4)、数据采集处理系统以及CT扫描仪，所述弧形压头(3)的材料为软质铝合金材料，弧形压头(3)包括上弧形压头和下弧形压头；页岩岩芯(4)的形状为圆柱状，在万能材料试验机底座上部设置有下弧形压头，下弧形压头的外表面为平面并与底座的上表面接触，圆柱状页岩岩芯设置在下弧形压头的弧形内表面中，页岩岩芯的圆柱外周面与下弧形压头的弧形内表面接触，岩芯的上部设置有上弧形压头，上弧形压头的弧形内表面与下弧形压头的弧形内表面相对，并且与页岩岩芯的圆柱外周面接触，圆柱状的页岩岩芯设置在上弧形压头和下弧形压头形成的空间内，在上弧形压头的上部设置有万能材料试验机的上压头(2)，上弧形压头的外表面为平面，万能材料试验机的上压头(2)对上弧形压头的外表面施加压力以使页岩岩芯压裂；上压头(2)内设置有压力测量仪；数据采集处理系统包括计算机和声波检测仪，声波检测仪包括声波探头，声波探头设置在圆柱状岩芯的两个圆形底面上，每个底面上贴有4个声波探头，4个声波探头在底面的圆周方向上以90度为间隔均匀设置，并且在圆形底面的径向方向上设置在从中心起算的2/3半径距离处，所述声波探头连接声波检测仪(6)，声波检测仪(6)连接计算机，通过声波检测仪(6)和万能材料试验机的压力测量仪同时对压裂过程中页岩岩芯的裂缝扩展进行实时监测，CT扫描仪用于对压裂前的页岩岩芯和压裂后的页岩岩芯分别进行扫描，以将扫描结果传送到所述计算机；对压裂前的页岩岩芯进行扫描，得到压裂前的岩芯孔隙度；对压裂后的页岩岩芯进行CT扫描，得到页岩岩芯压裂后的孔隙度；计算机通过对比压裂前、后的孔隙度来确定最终的页岩岩芯开裂程度，页岩岩芯开裂程度＝(开裂后孔隙度-开裂前孔隙度)/开裂前孔隙度。

2.根据权利要求1所述的页岩岩芯的裂缝扩展程度分析装置，其特征在于：万能材料试验机(1)对页岩岩芯施加压力，设定加载速度不大于0.05mm/min。

3.一种采用权利要求1-2所述的页岩岩芯的裂缝扩展程度分析装置对页岩岩芯的裂缝扩展进行分析的方法，其包括如下步骤：

步骤一：用CT扫描机对压裂前的圆柱状页岩岩芯(4)整体CT扫描，得到压裂前的页岩岩芯孔隙度，并将扫描结果传送到所述计算机；

步骤二：将页岩岩芯设置在上弧形压头和下弧形压头形成的空间内；将声波探头(5)分别粘贴在页岩岩芯的所述两个圆形底面上，然后打开声波检测仪(6)对完成粘贴声波探头(5)的页岩岩芯将进行断铅测试，可以用易断铅笔在岩芯上折断，这样折断时产生的声波会沿着页岩岩芯内部传播，根据断铅测试所测得的声音信号强度来判断声波探头是否与页岩岩芯表面紧密接触，能否正常传导声波能量，如果某一个探头声音信号强度过低，要拆除这个探头，并重新粘贴；

步骤三：设定材料试验机的加载速度，设定加载速度为不大于0.05mm/min，万能材料试验机开始对页岩岩芯(4)施加压力；万能材料试验机绘制压裂过程中的压力-位移曲线，其中横坐标为位移，纵坐标为压力；通过压力-位移曲线判断岩芯内部是否有大的裂缝出现；声波检测仪的显示器上生成的是累计曲线，表示单位时间步长内能检测到的声波数量，在不断施加压力的同时也要监测累积曲线的变化；当声波检测仪刚出现声波信号时，表示页岩岩芯内部开始开裂，万能材料试验机停机，得到页岩岩芯样本1，之后卸掉页岩岩芯，换上相同地质条件的新的页岩岩芯；

步骤四：对新的页岩岩芯重复步骤二和三，当声波检测仪的显示器上出现声波信号持续10-20分钟时，表示页岩岩芯出现一部分开裂裂缝，万能材料试验机停机，得到页岩岩芯样本2；当观察到压力-位移曲线突然下降时，表示页岩岩芯即将产生贯穿裂缝以致完全压碎，万能材料试验机停机，得到页岩岩芯样本3；

步骤五：对已经压裂的页岩岩芯样本1-3用CT扫描机进行CT扫描，得到页岩岩芯压裂后的孔隙度；计算机通过对比压裂前、后的孔隙度来确定最终的页岩岩芯开裂程度，页岩岩芯开裂程度＝(开裂后孔隙度-开裂前孔隙度)/开裂前孔隙度。