CN107288605A - 一种泥页岩致裂模拟装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种泥页岩致裂模拟装置及检测方法，用以解决现有技术未能描述泥页岩在高压水射流下的致裂机理的问题，包括水箱和泥页岩固定组件，水箱底部通过水管连接增压泵的进水口，增压泵的出水口通过高压钢管连接致裂套管，增压泵连接有空压机，泥页岩固定组件内设置有泥页岩，泥页岩内设置有井筒，所述致裂套管插入井筒内，泥页岩固定组件包括两个规格一致的固定装置，固定装置包括两块规格一致的矩形钢板，两块钢板通过设置在四个顶点处的连接杆固定；本发明在水压致裂过程中，产生的致裂压力使试样向外张裂，挤压矩形钢板，进而使弹簧发生形变，反映到测力计上，通过观察记录测力计的读数变化计算出使得泥页岩变形破裂的压力曲线。

Description

一种泥页岩致裂模拟装置及检测方法

技术领域

本发明涉及页岩气开采领域，特别是指一种泥页岩致裂模拟装置及检测方法。

背景技术

能源是人类社会赖以生存和发展的重要基础性资源之一，一个国家能源的拥有量决定着它的经济发展，在当前资源日益短缺的时代背景下，发展低碳经济，改变能源利用方式，大力发展和开发低碳、高效的清洁能源已经成为服务当代、造福后代的重要举措，页岩气作为一种低碳、高效的非常规能源，为我国绿色能源的开发开辟了新的领域，随着国家对页岩气资源开发的不断深入，常规的压裂技术已经远远不能满足实际工程的需求，水平井分段水力压裂技术成为目前页岩气开发中最关键的技术，虽然我国页岩气的开采已经取得了一定的进展，但仍然面临着许多技术性的难题，水压致裂技术中的泥页岩的破裂机制就是其中之一，至今水力压裂下泥页岩的内在破裂机理和真实的物理过程一直未能被准确揭示,从而导致水压致裂技术的理论研究滞后于工程实际应用，制约了页岩气开发的进程；

学者（Hubert M K，1957）对水压致裂产生的张破裂与周围应力的关系进行了研究，初步揭示了水压致裂的理论技术，国内有学者（颜玉定等，1988）用自行研制的HF-1型岩石水压致裂三轴仪，对页岩试件进行室内水压致裂实验，开展了页岩水压致裂机制的初步探讨，利用声发射研究水压裂缝的扩展（李宏，2003），水压致裂的CT扫描试验（简浩，2001；李术才，2004），建立了岩石破裂过程渗流-应力耦合数值模拟（李连崇，2003），但至今对高压水射流下泥页岩的致裂机理缺少系统的试验和理论研究；

目前，对于页岩的裂纹扩展研究有了一定的进展，研究了不同围压下水力裂缝的延伸扩展规律（陈庚，2013；李明波，2014），用工业CT扫描仪和声发射定位系统对页岩的裂纹进行表征，监测水力压裂缝的产生与扩展（郭印同，杨春和，2014），但现有研究成果不足以描述泥页岩裂纹扩展变化规律与裂纹受张力的关系，随着页岩气开采规模的加大和页岩气开采地水资源的紧缺，研究高压水射流下泥页岩的致裂机理，具有一定的现实意义。

发明内容

本发明提出一种泥页岩致裂模拟装置及检测方法，解决了现有技术未能描述泥页岩在高压水射流下的致裂机理的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种泥页岩致裂模拟装置，包括水箱和泥页岩固定组件，水箱底部通过水管连接增压泵的进水口，增压泵的出水口通过高压钢管连接致裂套管，增压泵连接有空压机，泥页岩固定组件内设置有泥页岩，泥页岩内设置有井筒，所述致裂套管插入井筒内，泥页岩固定组件包括两个规格一致的固定装置，固定装置包括两块规格一致的矩形钢板，两块矩形钢板通过设置在四个顶点处的连接杆固定，连接杆的左端设置有堵板，连接杆的右端设置有螺纹II，螺纹II上设置有螺母，螺母的左侧设置有测力计，测力计的左侧设置有弹簧，弹簧的左端连接矩形钢板，所述致裂套管的右端设置有螺纹I，致裂套管的左侧设置有致裂孔I，所述井筒上设置有两处致裂孔II。

所述水管上设置有进水阀门。

所述测力计为锚杆测力计。

所述致裂套管和高压钢管的连接方式为螺栓连接。

一种泥页岩致裂模拟装置的检测方法，包括以下步骤：

（1）配置泥页岩试样，按照水泥：石膏粉：河砂：水=3：7：90：15 的质量比例搅拌均匀，倒入模具中4cm厚，用振捣棒振捣密实，作为泥页岩试样本体，按照水泥：土=6：94的质量比例搅拌均匀，倒入模具中2cm厚，用振捣棒振捣密实，作为泥页岩试样层理，依次叠加浇筑泥页岩试样本体和泥页岩试样层理，制作成30×30×30cm的泥页岩试样，先室温养生2天后脱模处理，再室温养生7天后在平行层理方向的试样中心钻孔，将井筒插入孔中，试样制作完成；

（2）进行第一次压裂试验，将泥页岩试样放入泥页岩固定组件中，将致裂套管插入井筒，确保致裂孔I对准井筒左侧的致裂孔II，在水箱的清水中加入蓝色示踪剂，打开进水阀门，给增压泵中注水后关闭进水阀门，启动空压机，启动增压泵，设定空压机压力为0.7Mpa，当增压泵中的水压达到1Mpa时，发射出高压水流，高压水流经致裂孔I和致裂孔II流出，压裂试样；

（3）进行第二次压裂试验，移动致裂套管确保致裂孔I对准井筒右侧的致裂孔II，在水箱的清水中加入红色示踪剂，打开进水阀门，给增压泵中注水后关闭进水阀门，启动空压机，启动增压泵，设定空压机压力为0.7Mpa，当增压泵中的水压达到1Mpa时，发射出高压水流，高压水流经致裂孔I和致裂孔II流出，压裂试样。

本发明在实施过程中采用的蓝色示踪剂和红色示踪剂均为普通墨水，本发明在压裂试样后产生如图10所示的裂缝，蓝色示踪剂的痕迹为第一次致裂后的裂纹轨迹，红色示踪剂的痕迹为第二次致裂后的裂纹轨迹，井筒的两段致裂孔的水力裂缝先后起裂，起裂位置易形成致裂面，由于泥页岩的非均质性，裂缝总偏向于向岩石力学性质弱的方向发展，即裂纹在扩展过程中偏向于沿着脆弱的层理面，主裂缝面在发展的过程中相互交错，致裂面贯穿为一体，进一步增强了裂缝的网络密度，当水平应力差大时，裂缝易弯折，产生如最上面的横切缝；依据测力计的读数变化，分析水力裂缝的延伸规律与致裂压力的关系，每一次致裂后同一面上读数最大的两个测力计方向的连线即为最大主裂缝的延伸方向；并运用分形维数来分析其空间形态，依据分维公式，裂纹的表面分形维数越大，裂纹的弯折程度也越大。

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为本发明一种泥页岩致裂模拟装置的结构示意图；

图2为本发明中固定装置的结构示意图；

图3为本发明中连接杆的结构示意图；

图4为本发明中致裂套管的主视图；

图5为图4的A—A剖视图；

图6为本发明中井筒的主视图；

图7为图6的B—B剖视图；

图8为本发明中致裂孔I对准井筒左侧的致裂孔II时的结构示意图；

图9为本发明中致裂孔I对准井筒右侧的致裂孔II时的结构示意图；

图10为本发明实施后泥页岩试样的破裂示意图；

图11为本发明实施后泥页岩试样第一次压裂示意图；

图12为本发明实施后泥页岩试样第二次压裂示意图。

图中：1、水箱 2、进水阀门 3、水管 4、增压泵 5、高压钢管 6、致裂套管 7、泥页岩 8、泥页岩固定组件 9、空压机 61、螺纹I 62、致裂孔I 63、井筒 64、致裂孔II 81、固定装置 82、矩形钢板 83、连接杆 84、弹簧 85、螺母 86、测力计 87、堵板88、螺纹II。

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付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。

实施例

如图1—9所示，本发明实施例提供了一种泥页岩致裂模拟装置，包括水箱1和泥页岩固定组件8，水箱1底部通过水管3连接增压泵4的进水口，增压泵4的出水口通过高压钢管5连接致裂套管6，增压泵4连接有空压机9，泥页岩固定组件8内设置有泥页岩7，泥页岩7内设置有井筒63，所述致裂套管6插入井筒63内，泥页岩固定组件8包括两个规格一致的固定装置81，固定装置81包括两块规格一致的矩形钢板82，两块矩形钢板82通过设置在四个顶点处的连接杆83固定，连接杆83的左端设置有堵板87，连接杆83的右端设置有螺纹II88，螺纹II88上设置有螺母85，螺母85的左侧设置有测力计86，测力计86的左侧设置有弹簧84，弹簧84的左端连接矩形钢板82，所述致裂套管6的右端设置有螺纹I61，致裂套管6的左侧设置有致裂孔I62，所述井筒63上设置有两处致裂孔II64。

所述水管3上设置有进水阀门2。

所述测力计86为锚杆测力计。

所述致裂套管6和高压钢管5的连接方式为螺栓连接。

一种泥页岩致裂模拟装置的检测方法，包括以下步骤：

（1）配置泥页岩试样，按照水泥：石膏粉：河砂：水=3：7：90：15的质量比例搅拌均匀，倒入模具中4cm厚，用振捣棒振捣密实，作为泥页岩试样本体，按照水泥：土=6：94的质量比例搅拌均匀，倒入模具中2cm厚，用振捣棒振捣密实，作为泥页岩试样层理，依次叠加浇筑泥页岩试样本体和泥页岩试样层理，制作成30×30×30cm的泥页岩试样，先室温养生2天后脱模处理，再室温养生7天后在平行层理方向的试样中心钻孔，将井筒63插入孔中，试样制作完成；

（2）进行第一次压裂试验，将泥页岩试样放入泥页岩固定组件中，将致裂套管6插入井筒63，确保致裂孔I62对准井筒63左侧的致裂孔II64，在水箱1的清水中加入蓝色示踪剂，打开进水阀门2，给增压泵4中注水后关闭进水阀门2，启动空压机9，启动增压泵4，设定空压机9压力为0.7Mpa，当增压泵4中的水压达到1Mpa时，发射出高压水流，高压水流经致裂孔I62和致裂孔II64流出，压裂试样；

（3）进行第二次压裂试验，移动致裂套管6确保致裂孔I62对准井筒63右侧的致裂孔II64，在水箱1的清水中加入红色示踪剂，打开进水阀门2，给增压泵4中注水后关闭进水阀门2，启动空压机9，启动增压泵4，设定空压机9压力为0.7Mpa，当增压泵4中的水压达到1Mpa时，发射出高压水流，高压水流经致裂孔I62和致裂孔II64流出，压裂试样。

本发明在水压致裂过程中，产生的致裂压力使试样向外张裂，挤压矩形钢板82，进而使弹簧84发生形变，反映到测力计86上，通过观察记录测力计86的读数变化计算出使得泥页岩变形破裂的压力曲线。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种泥页岩致裂模拟装置，其特征在于：包括水箱和泥页岩固定组件，水箱底部通过水管连接增压泵的进水口，增压泵的出水口通过高压钢管连接致裂套管，增压泵连接有空压机，泥页岩固定组件内设置有泥页岩，泥页岩内设置有井筒，所述致裂套管插入井筒内，泥页岩固定组件包括两个规格一致的固定装置，固定装置包括两块规格一致的矩形钢板，两块矩形钢板通过设置在四个顶点处的连接杆固定，连接杆的左端设置有堵板，连接杆的右端设置有螺纹II，螺纹II上设置有螺母，螺母的左侧设置有测力计，测力计的左侧设置有弹簧，弹簧的左端连接矩形钢板，所述致裂套管的右端设置有螺纹I，致裂套管的左侧设置有致裂孔I，所述井筒上设置有两处致裂孔II。

2.根据权利要求1所述的一种泥页岩致裂模拟装置，其特征在于：所述水管上设置有进水阀门。

3.根据权利要求1所述的一种泥页岩致裂模拟装置，其特征在于：所述测力计为锚杆测力计。

4.根据权利要求1所述的一种泥页岩致裂模拟装置，其特征在于：所述致裂套管和高压钢管的连接方式为螺栓连接。

5.根据权利要求1所述的一种泥页岩致裂模拟装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）配置泥页岩试样，按照水泥：石膏粉：河砂：水=3：7：90：15 的质量比例搅拌均匀，倒入模具中4cm厚，用振捣棒振捣密实，作为泥页岩试样本体，按照水泥：土=6：94的质量比例搅拌均匀，倒入模具中2cm厚，用振捣棒振捣密实，作为泥页岩试样层理，依次叠加浇筑泥页岩试样本体和泥页岩试样层理，制作成30×30×30cm的泥页岩试样，先室温养生2天后脱模处理，再室温养生7天后在平行层理方向的试样中心钻孔，将井筒插入孔中，试样制作完成；

（2）进行第一次压裂试验，将泥页岩试样放入泥页岩固定组件中，将致裂套管插入井筒，确保致裂孔I对准井筒左侧的致裂孔II，在水箱的清水中加入蓝色示踪剂，打开进水阀门，给增压泵中注水后关闭进水阀门，启动空压机，启动增压泵，设定空压机压力为0.7Mpa，当增压泵中的水压达到1Mpa时，发射出高压水流，高压水流经致裂孔I和致裂孔II流出，压裂试样；

（3）进行第二次压裂试验，移动致裂套管确保致裂孔I对准井筒右侧的致裂孔II，在水箱的清水中加入红色示踪剂，打开进水阀门，给增压泵中注水后关闭进水阀门，启动空压机，启动增压泵，设定空压机压力为0.7Mpa，当增压泵中的水压达到1Mpa时，发射出高压水流，高压水流经致裂孔I和致裂孔II流出，压裂试样。