CN106353527B - 测量岩石中人工压裂裂缝沿预设方向延伸速度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种测量岩石中人工压裂裂缝沿预设方向延伸速度的方法。在对岩石块进行水力压裂时，通过测量压裂液的到达预设方向依次排列的且垂直于预设方向的多个探测孔的时间，以及探测孔之间的距离来计算出裂缝在预设方向上的延伸速度。这种测量方法简便，测量结果可靠，环保安全，为不同岩石类型、不同注入排量、不同液体性能的压裂过程的延伸速度测定提供了科学方法。

Description

测量岩石中人工压裂裂缝沿预设方向延伸速度的方法

技术领域

本发明涉及油气工程技术，特别涉及一种测量岩石中人工压裂裂缝沿预设方向延伸速度的方法。

背景技术

水力压裂技术就是通过高压泵向穿透油层岩石的井筒内注入压裂液，当注入压力超过井底附近油层岩石的破裂压力时，油层岩石将被压开并产生裂缝。当油层岩石出现裂缝后，继续向井筒内注入压裂液，裂缝会继续向背离井筒的方向延伸。关于水力压裂的物理过程研究，水力压裂形成的裂缝延伸过程影响因素众多，包括岩石的物性、岩石力学性质、注入液体的流体力学性质和注入排量等，而裂缝延伸的行为过程复杂，需要考虑岩石断裂力学、岩石裂缝中的流体流动规律和渗流规律。国内外学者从理论模型、室内试验和数值模拟等方面对水力裂缝起裂和延伸的力学行为进行了大量研究和探讨。理论研究主要集中在水力裂缝延伸的计算模型方面，主要解决地层纵向上的应力分布对裂缝高度的控制程度，利用裂缝尖端塑性效应和地应力空间分布对裂缝延伸形态进行判断，以及对施工排量、施工规模等参数的优化设计方面，水力压裂模拟实验研究主要模拟地层条件下的压裂试验，对裂缝形成的物理过程进行模拟，对形成的裂缝进行直接观察，从而研究微裂缝的存在对裂缝延伸的影响，裂缝转向的可行性判断等。

在专利文献《大尺寸火山岩水力裂缝起裂与扩展CT扫描裂缝监测方法》(申请号：201210277374.9)中，叙述了一种在水力压裂物理模拟压裂实验前和实验后分别对火山岩的岩石样本进行CT扫描的方法，该方法通过对比实验前和实验后所述岩石样本的变化实现对大尺寸火山岩水力裂缝的监测以及直观分析水力裂缝的起裂与扩展规律。在专利文献《裂缝观测仪》(申请号：200920236196.9)中，描述了一种实用新型检测仪器，通过数字成像装置和CCD传感器及后续处理电路，能够对水泥混凝土的裂缝进行数字成像，应用于混凝土等结构物表面裂缝宽度的放大观测仪器。还有一些研究是针对现场水力压裂施工或酸化压裂施工过程中的用于控制裂缝延伸高度的压裂液和压裂方法，其侧重点是施工所应用的压裂液体系和工艺参数。

目前的研究方法中大多基于对影响压开裂缝的形态的各种因素进行实验和理论研究，没有提出对岩石压开裂缝的延伸速度的测试方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种测量岩石中人工压裂裂缝沿预设方向延伸速度的方法包括以下步骤：

步骤一：在岩石块上设置注入孔以及相互平行的、从注入孔的底端沿预设方向依次排列的且垂直于预设方向的多个探测孔；

步骤二：向注入孔注入具有导电性的压裂液，测量压裂液开始电导通注入孔与各探测孔的时刻；

步骤三：根据任意两个探测孔之间的距离以及与这两个探测孔分别对应的两个时刻计算出延伸速度。

在一个具体的实施例中，在步骤二之前，向各探测孔内插入柱状的探头，

在步骤二中，向注入孔内压裂液与各探头之间施加相互独立的多个电压，测量注入孔内压裂液与各探头之间的电流，

当注入孔内压裂液与探头之间有电流通过则表示所述压裂液电导通注入孔与探头所对应的探测孔。

在一个具体的实施例中，在步骤二之前，向各探测孔内插入柱状的探头，

在步骤二中，测量注入孔内压裂液与各探头之间的电阻，

当注入孔内压裂液与探头之间的电阻开始减小则表示压裂液电导通注入孔与探头所对应的探测孔。

在一个具体的实施例中，探头为圆柱形的金属棒，探头的两端分别延伸到其所在的探测孔的两端。

在一个具体的实施例中，在步骤二中，还对岩石块施加三轴围压，使得岩石块内的最小主应力方向垂直于预设方向。

在一个具体的实施例中，探测孔的延伸方向平行于最小主应力方向。

在一个具体的实施例中，岩石块为正方体，三轴围压为分别垂直施加在岩石块的六个面上的六个压力。

在一个具体的实施例中，根据岩石块的岩性种类来设定分别位于岩石块三个垂直方向上的三个压力中第二大压力和最小压力的差值，以使得裂缝垂直于最小压力。

在一个具体的实施例中，多个探测孔均与注入孔垂直。

两个时刻作差后减小了系统误差，使得该延伸速度被准确计算出来。采用本方法采用不同的岩石类型、设置不同的压裂液流体性能，可以获得不同的岩石类型、不同的压裂液流体性能条件下的在预设方向上的裂缝延伸速度。这样就为创新水力压裂物理模拟实验方法、完善水力压裂的基础理论、指导水力压裂的优化设计、提高水力压裂的效果铺垫了研究基础。当然，还可以通过试验后测量到的预设方向与岩石块的破裂面的空间夹角以及裂缝在预设方向上的延伸速度计算出该裂缝沿破裂面延伸的速度。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了本发明的一种实施方式的岩石块的立体示意图；

图2显示了本发明的一种实施方式的岩石块与测量系统的连接示意图；

图3显示了本发明的一种实施方式的岩石块被加载围压的示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。本发明的一种实施方式的测量压裂裂缝在预设方向上的延伸速度的方法如下所示。

如图1所示，在岩石块1上设置注入孔3和多个探测孔2。注入孔3的底端可以延伸到岩石块1的中心。多个探测孔2相互平行。多个探测孔2均垂直于预设方向，并且从注入孔3的底端沿预设方向依次排列。

优选地，岩石块1被切割成立方体，然后在在岩石块1上垂直于岩石块1的表面钻取注入孔3和多个探测孔2。这样的注入孔3和探测孔2更容易被钻出来。更优选地，从岩石块1的一个表面的中心向垂直于该表面的方向钻取注入孔3，注入孔3的底端延伸到该岩石块1的中心。

将注入管的一端插入到注入孔3中，注入管延伸到注入孔3的底端。在注入管插入到注入孔3中的部分的外壁和注入孔3的内壁之间涂布胶水。这样就将注入管与注入孔3之间的缝隙胶封起来了。将注入管的另一端连接到高压泵的出口上。高压泵的入口接通压裂液供给装置。压裂液供给装置可以是压裂液罐或者压裂液池。压裂液优选为包含羟丙基瓜尔胶、氯化钾和氢氧化钠的水溶液。更优选地，羟丙基瓜尔胶、氯化钾、氢氧化钠的质量浓度依次分别为0.20％、0.5％、0.1％。

如图2所示，设置测量系统5。测量系统5包括探测器7、显示装置(未示出)、计时装置6。探测器7连接于计时装置6。计时装置6连接于显示装置。探测器7用于探测到压裂液时向计时装置6发送检测信号。探测器7包括多个探头。每个探测孔2内设置一个探头4。探头4用于检测压裂液是否到达相应的探测孔2。探测器7的每个探头4开始检测到压裂液时，探测器7向计时装置6发送检测信号。计时装置6接收到一个检测信号的同时，记录下接收到该检测信号的时刻。计时装置6还将这些时刻信息发送到显示装置。显示装置可以将这些时刻信息显示出来。计时装置6优选为毫秒级的计时器。

开启测量系统5和高压泵，高压泵将压裂液供给装置中的压裂液泵入注入孔3内。持续注入的压裂液使得注入孔3的底端开始出现裂缝，裂缝沿其破裂面向外延伸。当裂缝延伸到探测孔2时，压裂液进入到探测孔2内并与探头4接触。这样测量系统5就可以记录到各个探头4开始探测到压裂液的时刻，并将这些时刻显示在显示装置上。根据任意两个探测孔2之间的距离，以及这两个探测孔2内的探头4分别开始探测到压裂液的时刻，来计算裂缝在预设方向上的延伸速度。该延伸速度等于这个距离除以这两个时刻之差的绝对值。

这样就测得了裂缝在预设方向上的延伸速度。两个时刻作差后减小了系统误差，使得该延伸速度准确。采用本方法采用不同的岩石类型、设置不同的压裂液流体性能，可以获得不同的岩石类型、不同的压裂液流体性能条件下的在预设方向上的裂缝延伸速度。这样就为创新水力压裂物理模拟实验方法、完善水力压裂的基础理论、指导水力压裂的优化设计、提高水力压裂的效果铺垫了研究基础。当然，还可以通过试验后测量到的预设方向与岩石块1的破裂面的空间夹角以及裂缝在预设方向上的延伸速度计算出该裂缝沿破裂面延伸的速度。

在一个优选地实施例中，压裂液为导体。压裂液优选为电解质的水溶液。压裂液更优选为弱电解质的水溶液。探测器7包括多个电流检测器、多个电池组和多个探头4。探头4为圆柱形的金属柱体。多个电池组的正极均电连接到注入孔3内的压裂液。例如，用于注入压裂液的注入管为金属管，多个电池组的正极均连接到注入管上。电池组与探头4一一对应，每个电池组的负极电与连接到一个探头4。这样，在压裂液注入到注入孔3中时，在压裂液与探头4之间具备一个电压差。电流检测器可以是电流表。每个电流检测器串接在一个电池组与该电池组相对应的探头之间的线路上。这样，电池组与电流检测器一一对应，电流检测器用于检测通过其所对应的电池组的电流。

向注入孔注入压裂液后，岩石块被压裂。裂缝延伸到第一个探测孔2时，压裂液开始浸湿第一个探测孔2内的探头4。这时，压裂液导通第一个电池组的两端，其所对应的电流检测器测量到通过第一个电池组的电流，同时该电流检测器将检测信号发送到计时装置6。裂缝继续扩张，当裂缝延伸到第二个探测孔2时，压裂液开始浸湿第二个探测孔2内的探头4。这时，这时，压裂液导通第二个电池组的两端，其所对应的电流检测器测量到通过第二个电池组的电流，同时该电流检测器将检测信号发送到计时装置6。类似的，后面的一个或多个探头4被压裂液开始浸湿时，各探头4所对应的电流检测器就相应地向计时装置6发送检测信号。这样，计时装置6记录接收到这些检测信号的时刻即为裂缝延伸到各该探测孔的时刻。

更优选地，探头4的圆柱形的导体，探头4的两端分别延伸到其所在的探测孔2的两端。这样，当裂缝延伸到探测孔2时，探头4可以立即接触到压裂液。这样，计时装置6记录的时刻更精确，从而获得的延伸速度更准确。

在一个优选的实施例中，压裂液为导体。探测器7包括多个电阻检测器。电阻检测器与探测孔2设置一一对应。多个电阻检测器的负极探针作为探头4插入到各个探测孔2内。多个电阻检测器的正极检测端均电连接于注入孔3内的压裂液。这样，当裂缝延伸到某个探测孔2并浸湿其内的探头4，与该探测孔2向对应的电阻检测器检测到的电阻开始变小，该电阻检测器向计时装置6发出检测信号。这样，各探头4与注入孔内的压裂液之间的电阻开始减小的时刻表示裂缝延伸到各该探测孔的时刻。

在一个优选的实施例中，在向注入孔3内注入压裂液的同时，还向岩石块1施加围压，使得岩石块1内的最小主应力方向垂直于预设方向。根据最小主应力原理，裂缝在岩石块1内会沿着垂直于最小主应力方向的破裂面延伸。这样，预设方向就平行于该破裂面，这样计算出来的延伸速度为裂缝延伸的最大速度。

更优选地，探测孔2的延伸方向平行于最小主应力方向。这样探测孔2垂直于裂缝的破裂面，裂缝延伸到至少两个探测孔2的几率显著提升，测量裂缝的延伸速度的成功几率大大增加。

更优选地，多个探测孔2沿与预设方向平行的且穿过注入孔3的底端的直线依次排布在注入孔3的相对的两侧，注入孔3的相对两侧均分别至少分布两个探测孔2。这样，注入孔3相对的两侧都分布有探测孔2，裂缝不管沿破裂面向哪一侧延伸都会延伸过多个探测孔2，这样，每次测试时裂缝都会延伸过至少两个探测孔2。

更优选地，如图3所示，将岩石块1设置成正方体，向岩石块1的六个面上施加分别垂直于六个面的压力形成三轴围压。相对的两个面上的施加的压力相等。这样形成的三轴围压对最小主应力方向最容易控制。优选地，最小主应力方向垂直于岩石块1的其中一个面。例如，分别在岩石块1的三个垂直方向施加三组压力σ₁、σ₂、σ₃，其中两个压力σ₁分别施加在岩石块1的上、下面上，两个压力σ₂分别施加在岩石块1的左、右面上，两个压力σ₃分别施加在岩石块1的前、后面上。σ₃＜σ₁，且σ₃＜σ₂，岩石块1的最小主应力方向与压力σ₃平行。由此，岩石块1的破裂面垂直于压力σ₃。

更优选地，根据岩石块的岩性种类，来设定分别位于岩石块1三个垂直方向上的三个压力中第二大压力和最小压力的差值，以使得裂缝垂直于最小压力。岩石块1的破裂面主要受控于应力，但不同岩性的岩石受应力控制的程度不同。增大三个方向的压力中的最小压力和第二大压力的差值，直至最小主应力方向与外部最小压力方向平行。本领域的技术人员容易获得该差值，这个差值可以是由实验获得。在一个实施例中，岩石块1为砂岩，其裂缝破裂方向受应力差的控制程度较高。σ₁＝10Mpa，σ₂＝5Mpa，σ₃＝2Mpa，就能保证岩石块1的破裂面垂直于压力σ₃。在另一个实施例中，岩石块1为页岩，岩石块1内中层理的发育，裂缝容易沿着层理方向破裂。当σ₁＝10Mpa，σ₂＝7Mpa，σ₃＝2Mpa，σ₂与σ₃之差达到5MPa时，则能保证就能保证岩石块1的破裂面垂直于压力σ₃。

更优选地，岩石块1为正方体，岩石块1的边长为300mm。探测孔2的数量为8个，探测孔2沿水平方向依次分布，探测孔2的延伸方向垂直于岩石块1其中的一个侧面，相邻两个探测孔2之间的距离为50mm，探测孔2的直径为6mm，探测孔2竖直设置在岩石块1上。注入孔3的直径为8mm。注入孔3相对两侧分别分布4个探测孔2。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (8)

1.一种测量岩石中人工压裂裂缝沿预设方向延伸速度的方法，包括以下步骤：

步骤一：在岩石块上设置注入孔以及相互平行的、从所述注入孔的底端沿所述预设方向依次排列的且垂直于所述预设方向的多个探测孔；

步骤二：向所述注入孔注入具有导电性的压裂液，测量所述压裂液开始电导通所述注入孔与各所述探测孔的时刻；

步骤三：根据任意两个探测孔之间的距离以及与这两个探测孔分别对应的两个所述时刻计算出所述延伸速度；

在步骤二中，还对所述岩石块施加三轴围压，使得所述岩石块内的最小主应力方向垂直于所述预设方向。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤二之前，向各所述探测孔内插入柱状的探头，

在步骤二中，向所述注入孔内压裂液与各所述探头之间施加相互独立的多个电压，测量所述注入孔内压裂液与各所述探头之间的电流，

当所述注入孔内压裂液与所述探头之间有电流通过则表示所述压裂液电导通所述注入孔与所述探头所对应的探测孔。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤二之前，向各所述探测孔内插入柱状的探头，

在步骤二中，测量所述注入孔内压裂液与各所述探头之间的电阻，

当所述注入孔内压裂液与所述探头之间的电阻减小则表示所述压裂液电导通所述注入孔与所述探头所对应的探测孔。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述探头为圆柱形的金属棒，所述探头的两端分别延伸到其所在的探测孔的两端。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述探测孔的延伸方向平行于所述最小主应力方向。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述岩石块为正方体，所述三轴围压为分别垂直施加在所述岩石块的六个面上的六个压力。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述岩石块的岩性种类来设定分别位于所述岩石块三个垂直方向上的三个压力中第二大压力和最小压力的差值，以使得所述裂缝垂直于所述最小压力。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，多个所述探测孔均与所述注入孔垂直。