CN105842067B - 应力变化与裂缝扩展方向测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种应力变化与裂缝扩展方向测试装置及方法。该装置包括：围压室、围压加载单元、压裂单元、应力测量单元和裂缝测量单元，其中，围压室用于容纳待测岩心；围压加载单元与所述围压室相连通，用于向待测岩心施加围压；压裂单元与短接头位于待测岩心外部的一端相连接，用于压裂待测岩心；应力测量单元与待测岩心内部的应变花相连接，用于测量待测岩心压裂过程中应力的变化；裂缝测量单元与所述围压室相连通，用于测量待测岩心压裂过程中裂缝的扩展方向。本申请实施例的应力变化与裂缝扩展方向测试装置及方法可以测试岩心压裂过程中的应力变化与裂缝的扩展方向。

Description

应力变化与裂缝扩展方向测试装置及方法

技术领域

本申请涉及石油开采技术领域，特别涉及一种应力变化与裂缝扩展方向测试装置及方法。

背景技术

低渗透油藏进入中、高含水期的开发阶段期后，重复压裂是该类油藏综合治理、控水稳油的重要组成部分。因此，准确的描述压裂井筒周围岩心的应力场变化与裂缝延伸方向对重复压裂研究有着重要意义。

现有技术中没有合适的测试压裂井筒周围岩心的应力场变化与裂缝延伸方向的装置和方法，从而制约了重复压裂技术的推广使用。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种应力变化与裂缝扩展方向测试装置及方法，以测试岩心在压裂过程中的应力变化与裂缝的扩展方向。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供的一种应力变化与裂缝扩展方向测试装置及方法是这样实现的：

一种应力变化与裂缝扩展方向测试装置，包括：围压室、围压加载单元、压裂单元、应力测量单元和裂缝测量单元，其中，

所述围压室用于容纳待测岩心；

所述围压加载单元与所述围压室相连通，用于向待测岩心施加围压；

所述压裂单元与短接头位于待测岩心外部的一端相连接，用于压裂待测岩心；

所述应力测量单元与待测岩心内部的应变花相连接，用于测量待测岩心压裂过程中应力的变化；

所述裂缝测量单元与所述围压室相连通，用于测量待测岩心压裂过程中裂缝的扩展方向。

一种应力变化与裂缝扩展方向测试方法，包括：

制备待测岩心，并将制备好的待测岩心置于围压室内，所述待测岩心为长方体形状；

将应变花与所述信号转换器相连接，将短接头位于所述待测岩心外部的一端与所述压力测定仪相连接，所述应变花位于所述待测岩心内部，所述短接头的另一端位于所述待测岩心的中心附近；

使用围压加载单元向所述待测岩心施加围压，该围压的数值等于所述待测岩心初始地应力状态下的围压值；

使用压裂单元对所述待测岩心进行压裂；

在对所述待测岩心进行压裂的过程中，通过应变花接收所述待测岩心的应力变化并将其转化为模拟形变信号，使用应力测量单元将所述模拟形变信号转化为所述待测岩心的应力变化；

在对所述待测岩心进行压裂的过程中，使用裂缝测量单元测量所述待测岩心的裂缝扩展方向。

由以上本申请实施例提供的技术方案可见，本申请实施例通过压裂单元对所述待测岩心进行压裂，使所述待测岩心产生裂缝。在对所述待测岩心进行压裂的过程中，通过围压加载单元向所述待测岩心施加3个不同方向的围压，模拟地层应力。通过应力测量单元测量所述待测岩心压裂过程中的应力变化，通过裂缝测量单元测量所述待测岩心压裂过程中的裂缝扩展方向。本申请实施例提供的装置和方法能够用于实验室条件下岩心多次压裂过程中应力变化与裂缝扩展规律的测试。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例一种应力变化与裂缝扩展方向测试装置主视图的剖面图；

图2为本申请实施例一种声波传感器在待测岩心表面位置的主视图的剖面图；

图3为本申请实施例一种应变花在待测岩心内部位置的主视图的剖面图；

图4为本申请实施例图1中位于待测岩心内部的短接头部分的局部放大图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

如图1所示，该图为本申请实施例一种应力变化与裂缝扩展方向测试装置主视图的剖面图。该装置包括围压室、围压加载单元、压裂单元、应力测量单元和裂缝测量单元。

围压室1为透明密封装置，用于容纳待测岩心2。一般地，待测岩心2为长方体形状。

围压加载单元与围压室1相连通。围压加载单元包括增压器、压力表和活塞。其中，活塞的数量为3个，均位于围压室内部，并且均与待测岩心2的表面相接触。活塞5为竖直方向上的活塞，用于向待测岩心2施加竖直方向上的围压。活塞8为横向水平方向上的活塞，用于向待测岩心2施加横向水平方向上的围压。另一活塞(未在图1中示出，以下称为第三活塞)为纵向水平方向上的活塞，用于向待测岩心2施加纵向水平方向上的围压。所述围压一般指岩心在地壳中的静地压力。

围压加载单元还包括3个增压器和3个压力表，分别与3个活塞相连接。其中，增压器3与压力表4相连接，压力表4与活塞5相连接。增压器6与压力表7相连接，压力表7与活塞8相连接。另外一个增压器(未在图中示出)与另外一个压力表(未在图中示出)相连接，第三压力表与第三活塞相连接。所述增压器用于推动活塞从而向待测岩心施加压力，所述压力表用于测量增压器所施加压力的大小。

压裂单元包括依次相连的压力泵15、中间容器14、杂质过滤器13和压力测定仪12。其中，压力泵15与中间容器14相连接，用于向待测岩心2中注入水等液体。中间容器14与杂质过滤器13相连接，用于压力缓冲，防止压力突然增大破坏待测岩心2。杂质过滤器13与压力测定仪12相连接，用于过滤加压水的杂质，防止污染待测岩心2。压力测定仪12与短接头位于待测岩心外部的一端相连接，用于测量注入待测岩心2中水的压力。

应力测量单元包括信号监测仪11和信号转换器10。其中，信号监测仪11与信号转换器10相连接，用于描述待测岩心2的应力变化，其输出的是应力与时间的关系曲线，通过岩石力学参数反演，可以进一步计算出裂缝周围的应力分布。信号转换器10与应变花9中的12个应变片相连接，用于将待测岩心2的模拟形变信号转换为数字形变信号。

裂缝测量单元包括声发射信号检测仪18、放大器17以及声波传感器。其中，声发射信号检测仪18与放大器17相连接。裂缝测量单元共有6个声波传感器，分别位于待测岩心2表面的不同方向。放大器17与6个声波传感器相连接。

6个声波传感器在待测岩心表面的具体摆放方式如图2所示。图2为6个传感器在待测岩心表面位置的主视图的剖面图。在图2中，横向的虚线表示待测岩心的横向水平中心线，纵向的虚线表示待测岩心竖直方向的中心线，6个同心圆分别代表6个不同方向上的声波传感器。图2上部的2个声波传感器在图1中分别为声波传感器16和19，其中，声波传感器16和声波传感器19关于待测岩心竖直方向的中心线对称。图2中部的2个声波传感器(未在图1中示出)位于待测岩心左右两端的端面，并且关于待测岩心竖直方向的中心线对称。图2下部的2个声波传感器(未在图1中示出)位于待测岩心的下表面，该2个声波传感器关于待测岩心竖直方向的中心线对称，同时分别与图2上部的2个声波传感器关于待测岩心的横向水平中心线对称。

裂缝测量单元的工作原理是：在对待测岩心进行压裂的过程中，待测岩心内部产生裂缝并产生声波。该声波被位于待测岩心表面6个不同方向的声波传感器接收。每个声波传感器将其接收的声波转换为电信号，并传送至放大器17。放大器17对每个声波传感器产生的电信号进行放大处理，并将放大处理后的电信号传送至声发射信号检测仪18。声发射信号检测仪18判断6个声波传感器之间接收到声波的时差，并将各个时差(例如15个时差)处理转换为地下波速场的描述。最后根据地下波速场的描述求出水驱前缘，利用水驱前缘描述压裂裂缝的扩展方向。其中，所述6个不同方向上的声波传感器用于接收6个不同方向的声波，进而描述出压裂裂缝的扩展方向。

应用本发明实施例的测试装置进行应力变化与裂缝扩展方向测试的方法如下：

1)制备待测岩心，并将待测岩心置于围压室1内。

如图1主视图的剖面图所示，9为应变花。图3为应变花9在待测岩心内部位置主视图的剖面图。在图3中，应变花9由12个应变片组成。应变花9通常位于待测的中心附近，用于接收待测岩心在压裂过程中的应力变化。12个应变片分为4组，每组3个应变片，每组内相邻应变片之间的间距为5cm，4组应变片分别测量4个不同方向的形变信号。图3中，横向虚线表示待测岩心的横向水平中心线，纵向虚线表示待测岩心竖直方向的中心线，横向水平方向上的2组应变片关于待测岩心竖直方向的中心线对称，竖直方向上的2组应变片关于待测岩心的横向水平中心线对称。横向水平方向上的2组应变片的中点与竖直方向上的2组应变片的中点相重合。所述应变片可以为电阻应变片，用于监测应力状态随时间的变化。

如图1所示，20为位于待测岩心内部的短接头部分。图4为20的局部放大图。其中21为短接头位于待测岩心内部的部分，22为该部分附近的螺旋状孔道。螺旋状孔道22便于裂缝的产生。一般地，短接头位于待测岩心内部的一端位于应变花9的中心附近。

一般地，所述待测岩心为长方体形状。

在某些实施方式中，待测岩心是在获取的天然岩心的基础上制作而成的。具体过程如下：

首先按照如图3所示的应变花的摆放位置，在获取的天然岩体上用切割机等工具切开12个槽，然后将12个应变片贴在12个槽中。在12个槽的中心附近切开一个射孔槽，并在该射孔槽附近切开一排螺旋状孔道，将短接头的一端置于射孔槽中，短接头的另一端与压力测定仪相连接。最后将12组应变片连接应力测量单元中的信号转换器10后用硅胶浇注。将制作好的天然岩心置于围压室1内。所述天然岩心一般为60cm×60cm×40cm的长方体。

在另外一些实施方式中，待测岩心是利用水泥浆制作而成的。具体过程如下：

首先在水泥浆的中心位置附近按图3所示的应变花的摆放位置插入应变花9。将短接头的一端插入水泥浆，并且该端位于应变花9的中心附近。将短接头位于水泥浆内部部分的附近设置一排螺旋状孔道。将应变花9的每个应变片与信号转换器10相连，将短接头的另一端与压力测定仪12相连接。最后将水泥浆制成60cm×60cm×40cm的长方体，置于围压室1内。

2)对待测岩心进行初次压裂应力变化与裂缝扩展方向测试。

利用如图1所示的装置。利用围压加载单元中的3个增压器，通过3个不同方向的活塞，给待测岩心施加三个不同方向的围压，同时利用压力表监测三个方向的围压大小，直至使待测岩心处于初始地应力的状态下为止。其中，所述初始地应力的状态下待测岩心围压的大小可以根据油藏现场提供的数据得到，或对待测岩心进行地应力测试实验得到。

由压裂单元中的压力泵15通过高压管线向待测岩心中间部位注入水等液体，通过水的压力压裂待测岩心，并使裂隙扩展。根据待测岩心的不同，压力泵15施加的压力也不相同。一般地，压力泵15从零开始不断加大压力，待信号监测仪11出现形变信号即可停止加压，在该压力的状态下持续向待测岩心内部注入水等液体。

由于围压及压裂单元对岩心产生的压力，导致岩心不断发生形变，形变信号由4组不同方向的应变片接收，并通过信号转换器10将形变模拟信号转化为数字信号，最终由信号监测仪11接收并描述，从而得到初始压裂裂缝周围应力的分布情况。其中，信号监测仪11输出的是应力随时间的变化关系曲线，通过岩石力学参数反演，可以计算出裂缝周围的应力分布情况。

在压力泵通过注入水等液体对待测岩心进行压裂的同时，裂缝开启并产生声波。该声波被位于待测岩心表面6个不同方向的声波传感器接收。每个声波传感器将其接收的声波转换为电信号，并传送至放大器17。放大器17对每个声波传感器产生的电信号进行放大处理，并将放大处理后的电信号传送至声发射信号检测仪18。声发射信号检测仪18判断各个声波传感器之间接收到声波的时差，并将各个时差转换为地下波速场的描述，进而求出水驱前缘。该水驱前缘的方向可以用来描述初次压裂裂缝的扩展方向。

3)待测岩心多次压裂应力变化与裂缝扩展方向的测试。

所述多次压裂一般是指对待测岩心进行2次或2次以上的压裂。具体压裂的次数可以根据实际测试的需要灵活设定。通过多次压裂测试结果的对比，可以较准确的得到待测岩心压裂时应力变化和裂缝扩展方向。

下面以对待测岩心进行2次压裂为例，说明待测岩心多次压裂应力变化与裂缝扩展方向的测试方法。

得到初次压裂应力变化与裂缝扩展方向后，停止注水5分钟以上，使原来已有的微裂缝闭合。再次由压力泵向待测岩心注水并施加压力进行压裂，施加的压力值一般与初次压裂时施加的压力值相同。此时，原来闭合的微裂缝会再次张开，并进而诱发产生新的裂缝。

对岩心进行再次压裂时，同样会引起裂缝周围的应力发生变化，并使岩心产生形变信号。形变信号由4组不同方向的应变片接收，并通过信号转换器10将形变模拟信号转化为数字信号，最终由信号监测仪11接收并描述，从而得到再次压裂裂缝周围应力的分布情况。

在注水压裂的同时，裂缝再次开启并伴有声波的产生。该声波被位于待测岩心表面6个不同方向的声波传感器接收。每个声波传感器将其接收的声波转换为电信号，并传送至放大器17。放大器17对每个声波传感器产生的电信号进行放大处理，并将放大处理后的电信号传送至声发射信号检测仪18。声发射信号检测仪18判断每个声波传感器之间接收到声波的时差，并将各个时差转换为地下波速场的描述，进而求出水驱前缘。该水驱前缘的方向可以用来描述再次压裂时裂缝的扩展规律。

本发明实施例的测试装置及方法能够对岩心裂缝附近应力变化和裂缝扩展形态进行动态监测，从而能够揭示岩心裂缝系统形成的规律，可以应用到油田压裂改造等技术领域。

本发明实施例的测试装置及方法能够在原始地应力情况下较真实反映多次压裂应力变化与裂缝扩展规律，测定的多次压裂应力变化与裂缝扩展规律更贴近实际工况。通过对多种工况的试验研究，进而能够获得各种重复压裂设计和施工参数对应力场和裂缝扩展规律的影响规律，为重复压裂优化设计奠定基础。

虽然通过实施例描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。

Claims (16)

1.一种应力变化与裂缝扩展方向测试装置，其特征在于，包括：围压室、围压加载单元、压裂单元、应力测量单元和裂缝测量单元，其中，

所述围压室用于容纳待测岩心；

所述围压加载单元与所述围压室相连通，用于向待测岩心施加围压；

所述压裂单元与短接头位于待测岩心外部的一端相连接，用于压裂待测岩心；

所述应力测量单元与待测岩心内部的应变花相连接，用于测量待测岩心压裂过程中应力的变化；

所述裂缝测量单元与所述围压室相连通，用于测量待测岩心压裂过程中裂缝的扩展方向。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述围压加载单元包括第一活塞、第二活塞和第三活塞，其中，

第一活塞位于所述围压室内部，用于向待测岩心施加横向水平方向的围压；

第二活塞位于所述围压室内部，用于向待测岩心施加竖直方向的围压；

第三活塞位于所述围压室内部，用于向待测岩心施加纵向水平方向的围压。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述围压加载单元还包括第一增压器、第一压力表、第二增压器、第二压力表、第三增压器和第三压力表，其中，

第一增压器经第一压力表与所述第一活塞相连接，用于推动所述第一活塞；

第二增压器经第二压力表与所述第二活塞相连接，用于推动所述第二活塞；

第三增压器经第三压力表与所述第三活塞相连接，用于推动所述第三活塞。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压裂单元包括依次相连接的压力泵、中间容器、杂质过滤器和压力测定仪，其中，所述压力测定仪与所述短接头位于待测岩心外部的一端相连接。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述应力测量单元包括依次相连接的信号监测仪和信号转换器，其中，所述信号转换器与待测岩心内部的应变花相连接。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述裂缝测量单元包括依次相连接的声发射信号检测仪、放大器和声波传感器，其中，所述声波传感器位于待测岩心的表面。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述声波传感器的数量为6个，所述放大器与6个声波传感器相连接。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述6个声波传感器包括第一声波传感器、第二声波传感器、第三声波传感器、第四声波传感器、第五声波传感器和第六声波传感器，所述待测岩心为长方体形状，其中，

所述第一声波传感器和所述第二声波传感器位于所述待测岩心的上表面；

所述第三声波传感器和所述第四声波传感器分别位于所述待测岩心的左右两端端面；

所述第五声波传感器和所述第六声波传感器位于所述待测岩心的下表面。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，

所述第一声波传感器和所述第二声波传感器关于待测岩心的竖直方向的中心线对称；

所述第三声波传感器和所述第四声波传感器关于待测岩心的竖直方向的中心线对称；

所述第五声波传感器和所述第六声波传感器关于待测岩心的竖直方向的中心线对称；

所述第五声波传感器和所述第一声波传感器关于待测岩心的横向水平中心线对称；

所述第六声波传感器和所述第二声波传感器关于待测岩心的横向水平中心线对称。

10.一种利用如权利要求1-3、6-9中任一所述的装置测试应力变化与裂缝扩展方向的方法，所述装置的压裂单元包括依次相连接的压力泵、中间容器、杂质过滤器和压力测定仪，所述压力测定仪与所述短接头位于待测岩心外部的一端相连接；所述装置的应力测量单元包括依次相连接的信号监测仪和信号转换器，所述信号转换器与待测岩心内部的应变花相连接；其特征在于，所述方法包括：

制备待测岩心，并将制备好的待测岩心置于围压室内，所述待测岩心为长方体形状；

将应变花与信号转换器相连接，将短接头位于所述待测岩心外部的一端与压力测定仪相连接，所述应变花位于所述待测岩心内部，所述短接头的另一端位于所述待测岩心的中心附近；

使用围压加载单元向所述待测岩心施加围压，该围压的数值等于所述待测岩心初始地应力状态下的围压值；

使用压裂单元对所述待测岩心进行压裂；

在对所述待测岩心进行压裂的过程中，通过应变花接收所述待测岩心的应力变化并将其转化为模拟形变信号，使用应力测量单元将所述模拟形变信号转化为所述待测岩心的应力变化；

在对所述待测岩心进行压裂的过程中，使用裂缝测量单元测量所述待测岩心的裂缝扩展方向。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述应变花包括4组应变片，每组应变片的数量为3个，每组应变片内部相邻应变片之间的间距相等，所述4组应变片中的2组应变片沿X方向排列，另外2组应变片沿Z方向排列，所述X方向为所述待测岩心的横向水平方向，所述Z方向为所述待测岩心的竖直方向。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，沿X方向排列的2组应变片的中点与沿Z方向排列的2组应变片的中点重合。

13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述使用围压加载单元向所述待测岩心施加围压具体包括：使用3个活塞分别向所述待测岩心施加横向水平方向、纵向水平方向和竖直方向的围压。

14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述使用压裂单元对所述待测岩心进行压裂具体包括：使用压力泵通过短接头将水注入所述待测岩心内部，通过水的压力使所述待测岩心产生裂缝。

15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述使用应力测量单元将所述模拟形变信号转化为所述待测岩心应力的变化具体包括：

使用信号转换器接收所述模拟形变信号并将其转化为数字形变信号；

使用信号监测仪接收所述数字形变信号并描述所述待测岩心应力的变化。

16.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述使用裂缝测量单元测量所述待测岩心的裂缝扩展方向具体包括：

分别使用不同方向的声波传感器将声波信号转换为电信号，所述声波信号由待测岩心压裂过程中的裂缝产生；

使用放大器分别对各个声波传感器所产生的电信号进行放大；

使用声发射信号检测仪接收放大后的各个电信号，并判断各个声波传感器之间接收到声波的时差，根据所述时差确定水驱前缘位置，根据水驱前缘位置确定所述待测岩心的裂缝扩展方向。