CN106404548A - 一种水力压裂作用下裂纹扩展可视化分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种水力压裂作用下裂纹扩展可视化分析方法，包括如下步骤：S1、沿圆柱型煤岩样的中心开一个预定直径的贯通裂缝；S2、在贯通裂缝内壁设置第一密封机构和第二密封机构，并构成适于水力压裂作用的空间；S3、将设有第一第二密封机构的圆柱型煤岩样作为待测煤样或岩样试件，放入水力压裂作用下裂纹扩展可视化分析装置内，连接好收集参数的数据线接头并密封固定；S4、设定装置中相应的分析参数；S5、从装置的注水管入口注入水，打开单向阀让输水管内的水进入水力压裂作用空间内，对试件进行水力压裂作用，在达到设定水力压裂效果后，对记录的数据和图像进行处理。本发明可得到试件在水力压裂作用下的内部裂纹分布特征和扩展图像。

Description

一种水力压裂作用下裂纹扩展可视化分析方法
技术领域
本发明涉及水力压裂技术领域，具体涉及一种水力压裂作用下裂纹扩展可视化分析方法。
背景技术
水力压裂是一项有广泛应用前景的油气增产措施，水力压裂技术是目前天然气、煤层气等气体的主要开采形式。在煤矿生产中，水力压裂技术可用于坚硬难垮顶板控制、冲击地压防治以及煤层气抽采增透等。该方法的实质是在钻孔中切槽并注高压水在煤岩中形成定向裂缝，破坏岩石的完整性，提高煤岩渗透性。但是，本发明的发明人经过研究发现，由于水力压裂产生的裂纹很多时候显现出可控性较差，容易形成局部应力集中的现象，如有些裂纹在应力作用下可能会产生闭合，有些微裂纹也可能会四处扩展，未形成较大的贯通裂纹。若想要水力压裂技术更成熟的运用于实际产生中，必须了解水力压裂的裂纹扩展规律，解决其可控性较差的问题。
发明内容
针对现有技术存在的水力压裂产生的裂纹很多时候显现出可控性较差，容易形成局部应力集中的现象，想要水力压裂技术更成熟的运用于实际产生中，必须了解水力压裂的裂纹扩展规律，解决其可控性较差的技术问题，本发明提供一种水力压裂作用下裂纹扩展可视化分析方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种水力压裂作用下裂纹扩展可视化分析方法，在该方法中采用了一种水力压裂作用下裂纹扩展可视化分析装置，所述水力压裂作用下裂纹扩展可视化分析装置包括核磁成像系统和中空的核磁夹持器本体；
所述核磁夹持器本体的空腔内部设有上顶头和下顶头，所述上顶头、下顶头和核磁夹持器本体的空腔内壁共同围成可放置待测煤样或岩样试件的空间，所述上顶头的中心开设有一个上贯通孔，所述下顶头的中心开设有一个下贯通孔，所述上贯通孔和下贯通孔内贯通设有输水管，所述输水管上连接有单向阀；
位于所述上贯通孔内的输水管的一端连接有注水管，所述注水管连接有适于控制注水管入口水压力的注水压控制器，位于所述下贯通孔内的输水管的另一端连接有泄压管，所述泄压管连接有适于控制泄压管出口水压力的泄水压控制器，所述核磁夹持器本体上还设有核磁系统数据线接头和温度传感器，所述核磁成像系统与数据线接头和温度传感器连接；
该方法包括如下步骤：
S1、沿圆柱型煤样或岩样的中心开一个预定直径的贯通裂缝；
S2、在圆柱型煤样或岩样开设的贯通裂缝内壁设置第一密封机构和第二密封机构，所述第一密封机构和第二密封机构相对配置并构成适于水力压裂作用的空间，所述第一密封机构和第二密封机构都包括相对配置的第一固定套和第二固定套，所述第一固定套和第二固定套之间夹持有胶囊封孔器；
S3、将设置有第一密封机构和第二密封机构的圆柱型煤样或岩样作为待测煤样或岩样试件，放入所述上顶头、下顶头和核磁夹持器本体共同围成的空间内，让所述第一固定套、第二固定套和胶囊封孔器套设在输水管上，并让所述输水管上连接的单向阀处于所述第一密封机构和第二密封机构相对配置构成的水力压裂作用的空间内，连接好收集相应参数的数据线接头和温度传感器，并密封和固定好所述水力压裂作用下裂纹扩展可视化分析装置；
S4、设定所述核磁夹持器本体内待测煤样或岩样试件周围的空腔围压为0～25MPa，温度为0～100℃，所述待测煤样或岩样试件的轴压为0～60KN；
S5、关闭所述泄压管，从所述注水管的入口注入水，同时打开所述输水管上连接的单向阀，让所述输水管内的水进入第一密封机构和第二密封机构相对配置构成的水力压裂作用空间内，对所述待测煤样或岩样试件进行水力压裂，并通过计算机记录相应的数据和图像；在达到设定水力压裂效果后，对记录的数据和图像进行处理，得到所述待测煤样或岩样试件在水力压裂作用下的内部裂纹分布特征。
与现有技术相比，本发明提供的水力压裂作用下裂纹扩展可视化分析方法，首先制作好待测煤样或岩样试件，其次将待测煤样或岩样试件放入水力压裂作用下裂纹扩展可视化分析装置，并进行密封和固定，接着设定好核磁夹持器本体内待测煤样或岩样试件周围的空腔围压和温度，以及待测煤样或岩样试件的轴压，然后从注水管的入口注水，同时打开输水管上连接的单向阀，让输水管内的水进入设定的水力压裂作用空间内，对待测煤样或岩样试件进行水力压裂作用，并记录相应的数据和图像，在达到设定水力压裂时间和效果后，对记录的数据和图像进行处理，得到待测煤样或岩样试件在水力压裂作用下的内部裂纹分布特征。本发明利用低场核磁共振成像技术获得高压作用下的水力压裂裂纹扩展图像，可以实现水平长距离压裂和垂直分段压裂，结合相应数据得到裂纹扩展规律，使水力压裂技术在矿井安全生产中得到高效利用。
进一步，所述步骤S1中，所述沿圆柱型煤样或岩样的中心开一个直径为2-2.5厘米的贯通裂缝。
进一步，所述步骤S4中，所述核磁夹持器本体内待测煤样或岩样试件周围的空腔围压为20MPa，温度为80℃，所述待测煤样或岩样试件的轴压为50KN。
进一步，所述步骤S5中，所述注水管入口处的水压力为0～20MPa，所述泄压管出口处的水压力为0～20MPa。
进一步，所述步骤S5中，所述通过计算机记录相应的数据和图像，其包括利用核磁共振原理，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，绘制成物体内部的结构图像得到高分辨NMR谱和高质量MRI图像，裂隙扩展的同时水也会进入裂隙，裂隙内的信号的增加可以通过NMR谱表征，MRI图像可以观察裂隙扩展的动态变化。
附图说明
图1是本发明提供的水力压裂作用下裂纹扩展可视化分析装置结构示意图。
图中，1、核磁成像系统；2、核磁夹持器本体；3、上顶头；4、下顶头；5、输水管；6、单向阀；7、注水管；8、注水压控制器；9、泄压管；10、泄水压控制器；11、数据接线头；12、温度传感器；50、待测煤样或岩样试件；501、贯通裂缝；502、水力压裂作用的空间；503、第一固定套；504、第二固定套；505、胶囊封孔器。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“径向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参考图1所示，本发明提供一种水力压裂作用下裂纹扩展可视化分析方法，在该方法中采用了一种水力压裂作用下裂纹扩展可视化分析装置，所述水力压裂作用下裂纹扩展可视化分析装置包括核磁成像系统1和中空的核磁夹持器本体2；
所述核磁夹持器本体2的空腔内部设有上顶头3和下顶头4，所述上顶头3、下顶头4和核磁夹持器本体2的空腔内壁共同围成可放置待测煤样或岩样试件50的空间，所述上顶头3的中心开设有一个上贯通孔，所述下顶头4的中心开设有一个下贯通孔，所述上贯通孔和下贯通孔内贯通设有输水管5，所述输水管5上连接有单向阀6；
位于所述上贯通孔内的输水管5的一端连接有注水管7，所述注水管7连接有适于控制注水管入口水压力的注水压控制器8，位于所述下贯通孔内的输水管5的另一端连接有泄压管9，所述泄压管9连接有适于控制泄压管出口水压力的泄水压控制器10，所述核磁夹持器本体2上还设有核磁系统数据线接头11和温度传感器12，所述核磁成像系统1与数据线接头11和温度传感器12连接；
该方法包括如下步骤：
S1、沿圆柱型煤样或岩样的中心开一个预定直径的贯通裂缝501；
S2、在圆柱型煤样或岩样开设的贯通裂缝501内壁设置第一密封机构和第二密封机构，所述第一密封机构和第二密封机构相对配置并构成适于水力压裂作用的空间502，所述第一密封机构和第二密封机构都包括相对配置的第一固定套503和第二固定套504，所述第一固定套503和第二固定套504之间夹持有胶囊封孔器505，通过所述第一密封机构和第二密封机构中相对的两个固定套构成适于水力压裂作用的空间502；
S3、将设置有第一密封机构和第二密封机构的圆柱型煤样或岩样作为待测煤样或岩样试件50，放入所述上顶头3、下顶头4和核磁夹持器本体2共同围成的空间内，让所述第一固定套503、第二固定套504和胶囊封孔器505套设在输水管5上，并让所述输水管5上连接的单向阀6处于所述第一密封机构和第二密封机构相对配置构成的水力压裂作用的空间502内，连接好收集相应参数的数据线接头11和温度传感器12，并密封和固定好所述水力压裂作用下裂纹扩展可视化分析装置；
S4、设定所述核磁夹持器本体2内待测煤样或岩样试件50周围的空腔围压为0～25MPa，温度为0～100℃，所述待测煤样或岩样试件50的轴压为0～60KN
S5、关闭所述泄压管9，从所述注水管7的入口注入水，同时打开所述输水管5上连接的单向阀6，让所述输水管5内的水进入第一密封机构和第二密封机构相对配置构成的水力压裂作用空间502内，对所述待测煤样或岩样试件50进行水力压裂，并通过计算机记录相应的数据和图像；在达到设定水力压裂效果后，对记录的数据和图像进行处理，得到所述待测煤样或岩样试件50在水力压裂作用下的内部裂纹分布特征。
与现有技术相比，本发明提供的水力压裂作用下裂纹扩展可视化分析方法，首先制作好待测煤样或岩样试件，其次将待测煤样或岩样试件放入水力压裂作用下裂纹扩展可视化分析装置，并进行密封和固定，接着设定好核磁夹持器本体内待测煤样或岩样试件周围的空腔围压和温度，以及待测煤样或岩样试件的轴压，然后从注水管的入口注水，同时打开输水管上连接的单向阀，让输水管内的水进入设定的水力压裂作用空间内，对待测煤样或岩样试件进行水力压裂作用，并记录相应的数据和图像，在达到设定水力压裂时间和效果后，对记录的数据和图像进行处理，得到待测煤样或岩样试件在水力压裂作用下的内部裂纹分布特征。本发明利用低场核磁共振成像技术获得高压作用下的水力压裂裂纹扩展图像，可以实现水平长距离压裂和垂直分段压裂，结合相应数据得到裂纹扩展规律，使水力压裂技术在矿井安全生产中得到高效利用。
作为具体实施例，所述步骤S1中，所述沿圆柱型煤样或岩样的中心开一个直径为2-2.5厘米的贯通裂缝501。
作为具体实施例，所述步骤S4中，所述核磁夹持器本体2内待测煤样或岩样试件50周围的空腔围压为20MPa，温度为80℃，所述待测煤样或岩样试件50的轴压为50KN。
作为具体实施例，所述步骤S5中，所述注水管7入口处的水压力为0～20MPa，所述泄压管9出口处的水压力为0～20MPa。其中，所述注水管7入口处的水压力通过注水压控制器8进行控制，所述泄压管9出口处的水压力通过泄水压控制器10进行控制，而所述注水压控制器8和泄水压控制器10具体可以采用现有的，或者本领域技术人员熟知的水压控制器，在此不再赘述。
作为具体实施例，所述步骤S5中，所述水力压裂效果以压坏所述待测煤样或岩样试件(50)，观察到裂纹扩展情况为准。
作为具体实施例，所述步骤S5中，由于1H原子核带电的缘故，具有自旋角动量，在磁性状态下发生核磁共振，核磁共振仪的研究对象主要是其内部的流体，本申请中指压力水；因此，所述通过计算机记录相应的数据和图像，其包括利用核磁共振原理，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，绘制成物体内部的结构图像得到高分辨NMR(NuclearMagnetic Resonance Spectroscopy，核磁共振谱)和高质量MRI(Magnetic ResonanceImaging，核磁共振成像)图像，裂隙扩展的同时水也会进入裂隙，裂隙内的信号的增加可以通过NMR谱表征，MRI图像可以观察裂隙扩展的动态变化。另外，所述对记录的数据和图像进行处理，具体可以采用现有的核磁共振成像图像数据处理方法进行，其具体的分析处理方法已为本领域技术人员熟知，在此不再赘述。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种水力压裂作用下裂纹扩展可视化分析方法，其特征在于，在该方法中采用了一种水力压裂作用下裂纹扩展可视化分析装置，所述水力压裂作用下裂纹扩展可视化分析装置包括核磁成像系统(1)和中空的核磁夹持器本体(2)；
所述核磁夹持器本体(2)的空腔内部设有上顶头(3)和下顶头(4)，所述上顶头(3)、下顶头(4)和核磁夹持器本体(2)的空腔内壁共同围成可放置待测煤样或岩样试件(50)的空间，所述上顶头(3)的中心开设有一个上贯通孔，所述下顶头(4)的中心开设有一个下贯通孔，所述上贯通孔和下贯通孔内贯通设有输水管(5)，所述输水管(5)上连接有单向阀(6)；
位于所述上贯通孔内的输水管(5)的一端连接有注水管(7)，所述注水管(7)连接有适于控制注水管入口水压力的注水压控制器(8)，位于所述下贯通孔内的输水管(5)的另一端连接有泄压管(9)，所述泄压管(9)连接有适于控制泄压管出口水压力的泄水压控制器(10)，所述核磁夹持器本体(2)上还设有核磁系统数据线接头(11)和温度传感器(12)，所述核磁成像系统(1)与数据线接头(11)和温度传感器(12)连接；
该方法包括如下步骤：
S1、沿圆柱型煤样或岩样的中心开一个预定直径的贯通裂缝(501)；
S2、在圆柱型煤样或岩样开设的贯通裂缝(501)内壁设置第一密封机构和第二密封机构，所述第一密封机构和第二密封机构相对配置并构成适于水力压裂作用的空间(502)，所述第一密封机构和第二密封机构都包括相对配置的第一固定套(503)和第二固定套(504)，所述第一固定套(503)和第二固定套(504)之间夹持有胶囊封孔器(505)；
S3、将设置有第一密封机构和第二密封机构的圆柱型煤样或岩样作为待测煤样或岩样试件(50)，放入所述上顶头(3)、下顶头(4)和核磁夹持器本体(2)共同围成的空间内，让所述第一固定套(503)、第二固定套(504)和胶囊封孔器(505)套设在输水管(5)上，并让所述输水管(5)上连接的单向阀(6)处于所述第一密封机构和第二密封机构相对配置构成的水力压裂作用的空间(502)内，连接好收集相应参数的数据线接头(11)和温度传感器(12)，并密封和固定好所述水力压裂作用下裂纹扩展可视化分析装置；
S4、设定所述核磁夹持器本体(2)内待测煤样或岩样试件(50)周围的空腔围压为0～25MPa，温度为0～100℃，所述待测煤样或岩样试件(50)的轴压为0～60KN；
S5、关闭所述泄压管(9)，从所述注水管(7)的入口注入水，同时打开所述输水管(5)上连接的单向阀(6)，让所述输水管(5)内的水进入第一密封机构和第二密封机构相对配置构成的水力压裂作用空间内，对所述待测煤样或岩样试件(50)进行水力压裂，并通过计算机记录相应的数据和图像；在达到设定水力压裂效果后，对记录的数据和图像进行处理，得到所述待测煤样或岩样试件(50)在水力压裂作用下的内部裂纹分布特征。
2.根据权利要求1所述的水力压裂作用下裂纹扩展可视化分析方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述沿圆柱型煤样或岩样的中心开一个直径为2-2.5厘米的贯通裂缝。
3.根据权利要求1所述的水力压裂作用下裂纹扩展可视化分析方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述核磁夹持器本体(2)内待测煤样或岩样试件(50)周围的空腔围压为20MPa，温度为80℃，所述待测煤样或岩样试件(50)的轴压为50KN。
4.根据权利要求1所述的水力压裂作用下裂纹扩展可视化分析方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述注水管(7)入口处的水压力为0～20MPa，所述泄压管(9)出口处的水压力为0～20MPa。
5.根据权利要求1所述的水力压裂作用下裂纹扩展可视化分析方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述通过计算机记录相应的数据和图像，其包括利用核磁共振原理，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，绘制成物体内部的结构图像得到高分辨NMR谱和高质量MRI图像，裂隙扩展的同时水也会进入裂隙，裂隙内的信号的增加可以通过NMR谱表征，MRI图像可以观察裂隙扩展的动态变化。
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