CN105866006B - 一种致密砂岩裂缝检测装置与方法 - Google Patents

一种致密砂岩裂缝检测装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种致密砂岩裂缝检测装置与方法，该装置包括CT扫描仪和原位加压装置；原位加压装置用于对受试样品施加压力，并记录实时的压力数据以及不同压力下对应的轴向压缩量；CT扫描仪用于在原位加压装置对受试样品加压过程中，对受试样品进行扫描，获取三维数据图像；根据实时的压力数据、不同压力下对应的轴向压缩量以及对应的三维数据图像，对受试样品的裂缝发育形态进行检测。通过原位加压实验模拟水力压裂，研究致密砂岩微米级～厘米级人工裂缝生长过程，评价加载压力、矿物基质和已有孔隙对裂缝生长的影响，重构三维裂缝生长网络模型，实现对致密砂岩压裂性的精细评价，为致密油气储层可压裂性评价提供技术支持。

Description

一种致密砂岩裂缝检测装置与方法
技术领域
本发明涉及油气资源检测领域，尤其涉及一种致密砂岩裂缝检测装置与方法。
背景技术
目前，石油工业已进入常规-非常规油气并重阶段，致密油气是非常规油气资源中最现实的领域，已实现商业开发。水平井分段压裂技术已成为致密油气有效开发的关键，压裂效果的优劣在很大程度上决定了单井产量的高低。因此，作为压裂效果的关键，致密砂岩人工裂缝空间展布及发育控制要素成为石油行业研究的热点。
针对致密砂岩的人工裂缝的空间展布及控制因素，当前石油工业多采用水力压裂技术进行致密油气开发，裂缝形态及空间展布的研究方法主要集中在岩石力学实验、数值模拟与微地震监测方面。
但是，发明人发现，现有的研究方法主要集中在宏观大尺度(米级～千米级)，关注点多为现场试验效果，缺乏对小尺度裂缝形成机理的深入研究，导致目前对致密砂岩人工裂缝空间展布特征认识仍不清晰。并且，现有的研究方法可实现对水平段千米级别裂缝生长动态进行刻画，但分辨率有限，并且多受到噪声影响，降低了解释结果的准确度。
发明内容
本发明实施例的主要目的在于，提供一种致密砂岩裂缝检测装置与方法，实现对致密砂岩压裂性能的精细检测。
本发明提供了一种致密砂岩裂缝检测装置，包括CT扫描仪和原位加压装置；所述原位加压装置用于对受试样品施加压力，并记录实时的压力数据以及不同压力下对应的轴向压缩量；所述CT扫描仪用于在所述原位加压装置对所述受试样品加压过程中，对所述受试样品进行扫描，获取三维数据图像；根据所述实时的压力数据、不同压力下对应的轴向压缩量以及对应的三维数据图像，对所述受试样品的裂缝发育形态进行检测；
所述的原位加压装置包括上固定台、下固定台；
所述受试样品位于上固定台与下固定台之间；
所述上固定台包括有加压单元，所述加压单元包括多个压机，每一压机包括：加压螺丝、弹簧和传压螺丝；
所述弹簧连接所述加压螺丝与传压螺丝，通过调整加压螺丝与传压螺丝之间的间距压缩所述弹簧，实现将所述弹簧形变后的弹力通过传压螺丝传递给所述受试样品。
进一步地，在一实施例中，还包括压电传感器，用于将所述受试样品受到的实时的压力转化为电信号，并进行实时的采集与记录。
进一步地，在一实施例中，还包括位移测定仪，用于将所述受试样品的轴向压缩量转化为电信号，并进行实时的采集与记录。
进一步地，在一实施例中，还包括承压组构，所述承压组构连接于所述原位加压装置，将所述承压组构的底部与所述CT扫描仪的样品台底座稳固对接。
进一步地，在一实施例中，所述上固定台与下固定台的外围由台壁组合成统一整体，所述的台壁的材质包括玻璃碳。
进一步地，在一实施例中，所述CT扫描仪对所述受试样品进行扫描时，所述受试样品位于所述CT扫描仪的射线光路的中心位置。
进一步地，在一实施例中，所述CT扫描仪的扫描电压为60KV，单张图片曝光时间不低于3s，扫描角度为360度。
进一步地，在一实施例中，所述CT扫描仪的像素点分辨率不低于2μm。
进一步地，在一实施例中，所述受试样品的直径为2mm，高度为2mm～3mm。
本发明还提供了一种应用上述任一项实施例所述的致密砂岩裂缝检测装置进行致密砂岩裂缝检测方法，包括：对受试样品施加压力，并记录实时的压力数据以及不同压力下对应的轴向压缩量；对所述受试样品加压过程中，对所述受试样品进行扫描，获取三维数据图像；根据所述实时的压力数据、不同压力下对应的轴向压缩量以及对应的三维数据图像，对所述受试样品的裂缝发育形态进行检测。
本发明实施例的致密砂岩裂缝检测装置与方法，创新原位加压装置，与CT成像技术相结合，利用X射线实现对不同压力条件下的裂缝发育特征的刻画，通过原位加压实验模拟水力压裂，研究致密砂岩微米级～厘米级人工裂缝生长过程，评价加载压力、矿物基质和已有孔隙对裂缝生长的影响，重构三维裂缝生长网络模型，为致密油气储层可压裂性评价提供技术支持，实现了对致密砂岩压裂性的精细评价，为现场压裂施工提供技术支持。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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为本发明实施例的致密砂岩裂缝检测装置的结构示意图。
图2为本发明实施例的致密砂岩裂缝检测装置中的原位加压装置的结构示意图。
图3为图2所示的致密砂岩裂缝检测装置中的原位加压装置的剖面示意图。
图4为使用本发明实施例的致密砂岩裂缝检测装置进行裂缝检测的试验流程图。
图5为本发明实施例的致密砂岩裂缝检测方法流程图。
图6为利用本发明实施例的致密砂岩裂缝检测装置进行裂缝发育特征检测的一具体实施例中的致密砂岩样品的裂缝发育形态特征图。
附图标号：
CT扫描仪100
原位加压装置200
上固定台210
下固定台220
加压单元230
加压螺丝231
弹簧232
传压螺丝233
台壁240
压电传感器250
位移测定仪260
承压组构270
样品台底座280
受试样品300
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例的致密砂岩裂缝检测装置的结构示意图。如图1所示，本发明实施例的致密砂岩裂缝检测装置，包括CT扫描仪100和原位加压装置200；所述原位加压装置200用于对受试样品300施加压力，并记录实时的压力数据以及不同压力下对应的轴向压缩量；所述CT扫描仪100用于在所述原位加压装置200对所述受试样品300加压过程中，对所述受试样品300进行扫描，获取三维数据图像；根据所述实时的压力数据、不同压力下对应的轴向压缩量以及对应的三维数据图像，对所述受试样品300的裂缝发育形态进行检测。
图2为本发明实施例的致密砂岩裂缝检测装置中的原位加压装置的结构示意图。如图2所示，在本实施例中，所述的原位加压装置200包括上固定台210、下固定台220；所述受试样品300位于上固定台210与下固定台220之间；所述上固定台210包括有加压单元230，所述加压单元包括多个压机，每一压机包括：加压螺丝231、弹簧232和传压螺丝233；所述弹簧232连接所述加压螺丝231与传压螺丝233，通过调整加压螺丝231与传压螺丝233之间的间距压缩所述弹簧232，实现将所述弹簧232形变后的弹力通过传压螺丝传递给所述受试样品300。
在本实施例中，所述的原位加压装置200的上、下固定台220单元由不锈钢材料制备，在此的不锈钢材料可以承受试验过程中的最大压力，保证试验的安全与稳定。在本实施例中，所述上固定台210与下固定台220的外围由台壁240组合成统一整体，所述的台壁240的材质为玻璃碳。选择玻璃碳的主要原因有两点：玻璃碳强度高，具备承受较高压力的能力；CT扫描仪100发出的X射线对玻璃碳穿透能力强，可以有效降低材料对X射线的吸收，提高成像质量。
图3为图2所示的致密砂岩裂缝检测装置中的原位加压装置的剖面示意图。结合图2与图3所示，在本实施例中，所述的加压单元由5个压机组成，包括周边4个压机和中心1个压机，周边4个压机间隔90度。在本发明其他实施例中，压机还可以选用电动压机、液压压机等，在此本发明不作限制，本领域相关技术人员可以根据试验需要调整压机的种类、型号与数量。
在本实施例中，如图3所示，本发明致密砂岩裂缝检测装置的原位加压装置200还包括压电传感器250，用于将所述受试样品300受到的实时的压力转化为电信号，并进行实时的采集与记录。所述的压电传感器250可安置于加压单元与受试样品300之间，通过加压单元推动受试样品300的过程中挤压压电传感器250，被挤压的压电传感器250受到自身外部压力变化，会实时将受试样品300受到压力转变为电信号数据并输出并记录。另一方面，将压电传感器250安置于加压单元与受试样品300之间，可以减少受试样品300自身重量对采集到的压力数据带来的影响。
在本实施例中，如图3所示，本发明致密砂岩裂缝检测装置的原位加压装置200还包括位移测定仪260，用于将所述受试样品300的轴向压缩量转化为电信号，并进行实时的采集与记录。所述的位移测定仪260可以记录压机向下移动的距离，间接测量出受试样品300的轴向压缩量，将测量到的轴向压缩量实时转化为电信号输出并记录。在此，该位移测定仪260与压电传感器250共同将所测得的数据对应整合，主要目的是便于后期针对同一位置开展不同压力裂缝形态的对比和研究工作。
在本实施例中，如图3所示，本发明致密砂岩裂缝检测装置还包括承压组构270，所述承压组构270连接于所述原位加压装置200，将所述承压组构270的底部与所述CT扫描仪100的测试台底座稳固对接。例如该连接方式可以为螺纹连接，该连接方式具备较大的压力承受能力，满足实验条件。在本实施例中，还包括样品台底座280，在下固定台220中心位置设有样品台底座280，用于对试验样品安装与对准。
在本实施例中，如图3所示，本发明致密砂岩裂缝检测装置的CT扫描仪100对所述受试样品300进行扫描时，所述受试样品300位于所述CT扫描仪100的射线光路的中心位置。也就是说，调整CT扫描仪100发出的X射线的光路与样品台位置，使受试样品300处于扫描视域的中心位置，以保证样品扫描有效性。
在本实施例中，CT扫描仪100可实现高精度微米无损扫描，其扫描参数可设置为：扫描电压为60KV，单张图片曝光时间不低于3s，扫描角度为360度，像素点分辨率不低于2μm。也就是说，本发明可保证研究精度达到微米级，实现对致密砂岩压裂性的精细评价。
图4为使用本发明实施例的致密砂岩裂缝检测装置进行裂缝检测的试验流程图。如图4所示，利用本发明实施例的致密砂岩裂缝检测装置进行原位加压扫描试验过程包括如下步骤：S410，钻取直径为2mm，高度为2mm～3mm的受试样品300固定到原位加压装置200，用速干胶均匀涂抹受试样品300外表面；S420，安装原位加压装置200，调整受试样品300处于视域中心，将受试样品300调整至准备受压状态；原位加压试验：S430，设置不同压力，依次完成相同分辨率的CT扫描，直至产生明显的裂缝，期间实时记录不同压力下对应的轴向压缩量；S440，样品取出后，再次用速干胶均匀涂抹表面，拍照并测量长度。
在S410步骤中，在本实施例中的受试样品300的制备中，根据研究需求，选择感兴趣区域，利用金刚石机械钻头钻取直径为2mm的柱塞样品，高度为2mm～3mm，使用800目的砂纸将顶面磨平，用速干胶将其固定到原位加压装置200的样品台底座280上，将速干胶均匀涂抹在样品外表面，主要目的是防止实验过程中样品崩裂，柱塞样品制备规格要求主要目的是保证研究精度达到微米级。
在S420步骤中，本实施例的原位加压装置200安装中，将原位加压装置200稳定安置到CT扫描仪100的测试台底座上，调整测试台底座位置或者调整CT扫描仪100的扫描范围，使受试样品300处于视域的中心位置，将原位加压装置200的加压部分与样品表面接触进入准备受压状态。
在S430步骤中，本实施例的原位加压扫描实验中，缓慢增大加压旋钮，使用5台压机同时启动，压电传感器250缓慢接触到样品顶面，记录此时的压电信号与位移测定仪260读数，设置CT扫描参数，准备保证获取高精度的扫描图像，在本实施例中，具体扫描参数为电压60KV，像素点分辨率不低于2μm，单张图片曝光时间不低于3s，扫描张数1801张，扫描角度360度；启动CT扫描，完成无压力作用下样品原始状态下孔隙结构与矿物分布特征，记录此时起始扫描位置与角度，后续的扫描均按照相同的位置与角度执行；开启CT扫描仪100并完成原始条件下岩石样品的三维孔隙结构扫描；完成原始状态样品的扫描后，启动压机，依次设置压力值为50N，100N，150N和175N，按照原始状态的扫描参数标准依次扫描，获取以上压力值下的三维数据图像，确保实验过程中压力系统的稳定性与准确性，期间记录不同压力对应的轴向压缩量与实验过程中压力的实时数据，明确样品轴向的压缩量；在此本发明不作限制，本领域相关技术人员可以根据实验样品的性质与试验需要调整实际操作过程中的具体压力数值，保证可记录到裂缝起裂与扩展的全过程；
在S440步骤中，本实施例的待样品发生充分的裂缝作用后，结束CT扫描，取出原位加压装置200，将压裂后的样品再次用速干胶粘结，主要目的是最大限度保存压裂后样品，为后续实验分析奠定基础。后续实验分析根据研究目的确定，以裂缝形态研究为例，需进行薄片、扫描电镜等分析，明确裂缝微观发育特征，如切穿的矿物类型、与已有孔隙的关系等。
图5为本发明实施例的致密砂岩裂缝检测方法流程图。如图5所示，该方法试验流程包括如下步骤：S510，对受试样品施加压力，并记录实时的压力数据以及不同压力下对应的轴向压缩量；S520，对所述受试样品加压过程中，对所述受试样品进行扫描，获取三维数据图像；S530，根据所述实时的压力数据、不同压力下对应的轴向压缩量以及对应的三维数据图像，对所述受试样品的裂缝发育形态进行检测。
图6为利用本发明实施例的致密砂岩裂缝检测装置进行裂缝发育特征检测的一具体实施例中的致密砂岩样品的裂缝发育形态特征图。在本实施例中，受试样品300选取于某一盆地长7段致密砂岩，其岩性为岩屑长石砂岩，孔隙度为7.4％，气测渗透率为0.183mD，实验过程中，根据样品裂缝发育特征，分别对7N、50N、100N、150N和175N条件下样品进行三维CT无损扫描。如图5所示，扫描后的三维图像可以直接反映裂缝的形态与空间分布，并且可以看出，经过原位加压试验后的受试样品300，在7N、50N的压力下没有产生微米级裂缝，裂缝起裂点对应的是100N，随着压力的增大，裂缝已从单一裂缝逐渐扩展为复杂的裂缝网络系统。通过本发明的致密砂岩裂缝检测装置的原位加压扫描试验后，可以清楚的观察到在不同压力值下的三维数据图像的裂缝微观发育特征，而且可以就不同角度观察裂缝的生长过程，结合不同压力下的轴向压缩量，所以本领域相关技术人员可以很方便的对微米级裂缝产生生长机理展开研究。
本发明基于实验室CT成像技术，旨在研发一种致密砂岩裂缝研究装置及方法，通过原位加压实验模拟水力压裂，研究致密砂岩微米级～厘米级人工裂缝生长过程，评价加载压力、矿物基质和已有孔隙对裂缝生长的影响，重构三维裂缝生长网络模型，为致密油气储层可压裂性评价提供技术支持。实现对致密砂岩压裂性的精细评价，为现场压裂施工提供技术支持。并且，本发明致密砂岩裂缝检测装置实现了对不同压力条件下裂缝发育特征的数据与图像采集，进一步明确了裂缝发育主控因素与模式，这一发明有效弥补了已有裂缝研究技术分辨率较低、无法满足基础研究的需要，可进一步完善致密油气水力压裂的理论模型，进一步推动实验室基础研究与相关学科发展。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种致密砂岩裂缝检测装置，其特征在于，包括CT扫描仪和原位加压装置；
所述原位加压装置用于对受试样品施加压力，并记录实时的压力数据以及不同压力下对应的轴向压缩量；
所述CT扫描仪用于在所述原位加压装置对所述受试样品加压过程中，对所述受试样品进行扫描，获取三维数据图像；
根据所述实时的压力数据、不同压力下对应的轴向压缩量以及对应的三维数据图像，对所述受试样品的裂缝发育形态进行检测；
所述的原位加压装置包括上固定台、下固定台；
所述受试样品位于上固定台与下固定台之间；
所述上固定台包括有加压单元，所述加压单元包括多个压机，每一压机包括：加压螺丝、弹簧和传压螺丝；
所述弹簧连接所述加压螺丝与传压螺丝，通过调整加压螺丝与传压螺丝之间的间距压缩所述弹簧，实现将所述弹簧形变后的弹力通过传压螺丝传递给所述受试样品。
2.如权利要求1所述的致密砂岩裂缝检测装置，其特征在于，还包括压电传感器，用于将所述受试样品受到的实时的压力转化为电信号，并进行实时的采集与记录。
3.如权利要求1所述的致密砂岩裂缝检测装置，其特征在于，还包括位移测定仪，用于将所述受试样品的轴向压缩量转化为电信号，并进行实时的采集与记录。
4.如权利要求1所述的致密砂岩裂缝检测装置，其特征在于，还包括承压组构，所述承压组构连接于所述原位加压装置，将所述承压组构的底部与所述CT扫描仪的样品台底座稳固对接。
5.如权利要求1所述的致密砂岩裂缝检测装置，其特征在于，所述上固定台与下固定台的外围由台壁组合成统一整体，所述的台壁的材质包括玻璃碳。
6.如权利要求1所述的致密砂岩裂缝检测装置，其特征在于，所述CT扫描仪对所述受试样品进行扫描时，所述受试样品位于所述CT扫描仪的射线光路的中心位置。
7.如权利要求1所述的致密砂岩裂缝检测装置，其特征在于，所述CT扫描仪的扫描电压为60KV，单张图片曝光时间不低于3s，扫描角度为360度。
8.如权利要求1至7任一项所述的致密砂岩裂缝检测装置，其特征在于，所述CT扫描仪的像素点分辨率不低于2μm。
9.如权利要求1至7任一项所述的致密砂岩裂缝检测装置，其特征在于，所述受试样品的直径为2mm，高度为2mm～3mm。
10.一种应用权利要求1-9任一项所述的致密砂岩裂缝检测装置进行致密砂岩裂缝检测方法，其特征在于，包括：
对受试样品施加压力，并记录实时的压力数据以及不同压力下对应的轴向压缩量；
对所述受试样品加压过程中，对所述受试样品进行扫描，获取三维数据图像；
根据所述实时的压力数据、不同压力下对应的轴向压缩量以及对应的三维数据图像，对所述受试样品的裂缝发育形态进行检测。
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