CN107515183A - 测试粗糙裂缝导流能力实验装置及测试评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是测试粗糙裂缝导流能力实验装置及测试评价方法，其中的测试粗糙裂缝导流能力实验装置的导流腔室内放置测试岩样，测试岩样被切割出具有分形特征的、表面粗糙度一定的人工裂缝，导流腔室上部安装加载顶板，导流腔室下部安装缝宽测量装置和位移传感器，底座安装有带滚轴组的平台，导流腔室固定底座上，加载顶板加压，底座支撑，共同完成对测试岩样上覆压力的加载；导流室的两侧设置进液加载块和出液加载块；闭合压力加载块和闭合压力调节装置安装在导流腔室前后两端，导流腔室设置有变向加载块，闭合压力加载块、闭合压力调节装置、变向加载块配合完成裂缝闭合压力的加载。本发明实现了裂缝壁面粗糙度对导流能力影响的定量评价和分析。

Description

测试粗糙裂缝导流能力实验装置及测试评价方法

技术领域

本发明涉及油气储藏增产开发过程中，由于水力压裂改造所形成的壁面粗糙裂缝的导流能力室内测试装置和评价方法，具体涉及测试粗糙裂缝导流能力实验装置及测试评价方法。

背景技术

目前常规导流能力的测试方法是在室内实验条件下模拟一定闭合压力、温度、铺砂浓度等条件下，压裂液在单一平板裂缝中的导流性能，利用达西公式计算出在一定闭合压力下，裂缝宽度、支撑剂参数以及压裂液类型对导流能力的影响，完成裂缝的导流能力评价。

然而，油气储层经过水力压裂改造后，所形成的真实裂缝并不是直线延伸的平板裂缝。储层中的真实裂缝往往壁面具有一定的粗糙度，而裂缝壁面粗糙度对裂缝导流能力有着非常显著的影响。目前常规导流能力测试装置所进行的导流能力测试忽略了裂缝粗糙度对实验结果的影响，试验精度大大降低的同时也限制了数据的应用分析范围。为从室内试验角度揭示裂缝壁面粗糙与裂缝导流能力的关系以及提高导流实验结果的数据的应用性，有必要设计能够定量分析裂缝壁面粗糙度对裂缝导流能力影响的测试评价装置。

发明内容

本发明的一个目的是提供测试粗糙裂缝导流能力实验装置，这种测试粗糙裂缝导流能力实验装置用于解决目前常规导流能力测试系统无法测试壁面粗糙裂缝导流能力的局限；本发明的另一个目的是提供这种测试粗糙裂缝导流能力实验装置的测试评价方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种测试粗糙裂缝导流能力实验装置包括导流腔室、底座、进液加载块、出液加载块、闭合压力加载块、闭合压力调节装置，导流腔室内放置测试岩样，测试岩样被切割出具有分形特征的、表面粗糙度一定的人工裂缝，导流腔室上部安装加载顶板，导流腔室下部进液端一侧和出液端一侧各设置有一组滑槽，每组有3个滑槽，其中每组中间的滑槽安装缝宽测量装置和位移传感器，两侧的滑槽安装流压测量装置，测试岩样设置于缝宽测量装置和流压测量装置之上，底座安装有带滚轴组的平台，导流腔室固定底座上，加载顶板加压，底座支撑，共同完成对测试岩样上覆压力的加载；导流室的两侧设置进液加载块和出液加载块，进液加载块和出液加载块均设置导流槽，进液加载块的导流槽一端连接进液阀，另一端连接测试岩样的人工裂缝入口；出液加载块的导流槽一端连接测试岩样的人工裂缝出口，另一端连接出液阀；闭合压力加载块和闭合压力调节装置安装在导流腔室前后两端，导流腔室内部设置有变向加载块，闭合压力加载块、闭合压力调节装置、变向加载块三者配合下完成裂缝闭合压力的加载。

上述方案中变向加载块安装在导流室的双向孔槽内，变向加载块穿过加载顶板与闭合压力调节装置连接。

上述方案中缝宽测量装置一端有缝宽探针，缝宽探针安装在测试岩样的探针孔内；流压测量装置一端固定插头，固定插头插入测试岩样的固定孔内，流压测量装置的入口安装有过滤塞，过滤塞与人工裂缝路径相对应，人工裂缝内的压裂液通过过滤塞进入流压测量装置以及外部连接的流量计，能够解决裂缝宽度、缝内流体压力的测量和记录受裂缝形态的制约的问题。

上述方案中进液加载块的导流槽通过弧形槽与测试岩样的人工裂缝入口相连接，弧形槽与导流槽相通，弧形槽扣置测试岩样的人工裂缝入口，弧形槽内安装弧形过滤塞，弧形槽口处安装有密封垫片，保证流动通道的密封；出液加载块的导流槽通过另一个弧形槽与测试岩样的人工裂缝出口相连接，出液加载块的导流槽与该弧形槽相通，该弧形槽扣置测试岩样的人工裂缝出处口，该弧形槽内也安装弧形过滤塞，该弧形槽口处安装有密封垫片。进液加载块和出液加载块提供了压裂液进出通道的同时，在外部压力机的作用下对测试岩样施加裂缝延伸方向的压力，弧形过滤塞可防止支撑剂进入人工裂缝流动通道。

上述方案中带滚轴组的平台包括一组滚轴和滑动承压板，该组滚轴位于滑动承压板之下，滑动承压板上表面与导流腔室连接并固定，实验时需要首先施加垂向压力，此时继续施加水平的裂缝闭合压力时，连接导流腔室的滑动承压板能够在滚轴上滑动。

上述方案中测试岩样为六边体岩样或长方体岩样，当测试岩样采用六边体岩样时，变向加载块与闭合压力加载装置的滑动孔槽连接，水平压力机通过水平加载块对闭合压力加载块施加压力，闭合压力加载块通过与六边体岩样形状相契合的辅助块，配合带滑动孔槽的闭合压力调节装置，完成对六边体测试岩样中粗糙裂缝闭合压力的加载；当测试岩样采用长方体岩样时，变向加载块与闭合压力加载装置的固定孔槽连接，水平压力机通过水平加载块对闭合压力加载块施加压力，配合带固定孔槽的闭合压力调节装置，完成对长方体测试岩样中平直裂缝闭合压力的加载。

上述方案中六边体岩样上切割出具有分形特征的、表面粗糙度一定的人工裂缝，整条裂缝由一定数量的子裂缝组成且每条子裂缝都与六边体的一个周面保持平行。

上述测试粗糙裂缝导流能力实验装置的测试评价方法：

a、对测试岩样首先施加预定的上覆地层压力，通过压力机对加载顶板施加载荷完成，然后对测试岩样施加裂缝闭合压力，由水平加载块施加载荷完成，最后加载裂缝延伸方向的压力，通过水平方向压力机对进液加载块6和出液加载块施加载荷完成；

b、启动压裂液供给泵、流压测量装置、缝宽测量装置，以一定流量进行导流能力测试并记录实验过程中的裂缝宽度、四个流压测量装置测试点处的流体压力及流量；

c、通过测试数据，计算不同时刻整条裂缝两端、两个距离最远的流压测量装置之间的压差和流量差、两个中间的流压测量装置之间的压差和流量差，计算相应的裂缝导流能力，分析各段裂缝粗糙度对其导流能力的影响；

d、改变注入速率以及三向压力，再次进行测试，分析其他因素对粗糙裂缝导流能力的影响。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明基于分形理论能够对裂缝粗糙度进行定量描述，将测试岩样被切割出具有分形特征的粗糙裂缝，配合该发明装置能够对具有分形特征的粗糙裂缝进行导流能力测试，实现了裂缝壁面粗糙度对导流能力影响的定量评价和分析。

2、本发明中导流腔室内安装有变向加载块，与闭合压力加载块和闭合压力调节装置能够对六边体岩样施加裂缝闭合压力，通过替换不同的闭合压力调节装置同样可以对长方体测试岩样施加裂缝闭合压力。

3、本发明中六边体岩样上的粗糙裂缝由一定数量的子裂缝组成，每条子裂缝都与六边体的一个周面平行，本发明能够对每个周面施加法向压力，保证了任意方向的子裂缝都能被均匀的施加闭合压力，提高了试验精度。

4、本发明中进液加载块与出液加载块内部有进液和出液通道，保证了压裂液供给和排出的同时，能够对测试岩样施加裂缝延伸方向的压力。

5、本发明中上加载盖板与滚轴平台配合能够对测试岩样施加垂向应力，滚轴平台中包括一组滚轴，能够防止垂向压力加载后，装置被卡死，无法再施加水平压力，避免了垂向压力加载对水平应力加载的影响。

6、常规导流能力测试中，测试岩样制备成两端为弧形的长条岩样，目的是为了让压裂液更加均匀的在裂缝出入口处流动，制备十分困难。本发明中测试岩样可被制备成含有平板裂缝的长方体岩样，配合进液加载块和出液加载块中的弧形过滤槽，同样能够进行常规导流能力测试，并解决了试样制备困难的问题。

附图说明

图1是本发明的整体结构图；

图2是本发明测试岩样采用六边体岩样的整体结构俯视图；

图3是本发明的侧视结构图；

图4是本发明的正视结构图；

图5是本发明中缝宽测量装置及流压测量装置安装示意图；

图6是本发明中缝宽测量装置及流压测量装置安装示意图；

图7是本发明测试岩样采用长方体岩样的整体结构俯视图。

图1中：1.测试岩样 2.导流腔室 3.底座 4.闭合压力加载块 5.闭合压力调节装置 6.进液加载块 7.出液加载块 8.变向加载块 9.缝宽测量装置 10.流压测量装置 11.加载顶板 12.带滚轴组的平台 13.位移传感器 14.辅助块 15.水平加载块16.滑动孔槽 17.固定孔槽 18.双向孔槽 19.弹簧固定螺栓 20.滚轴 21.滑动承压板 22.进液口 23.出液口 24.导流槽 25.弧形槽 26.弧形过滤塞 27.缝宽探针28.密封垫片 29.过滤塞 30.固定插头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

如图1所示，这种测试具有分形特征的粗糙裂缝导流能力实验装置包括导流腔室2、底座3、闭合压力加载块4、闭合压力调节装置5、进液加载块6、出液加载块7；导流腔室2设置有变向加载块8，与闭合压力加载块4和闭合压力调节装置5配合，对测试岩样1施加闭合压力；导流腔室2下部有6个方形槽，各交替安装2个缝宽测量装置9和4个流压测量装置10，对实验过程中的裂缝宽度和缝内流体压力进行测量；安装好测试岩样1的导流腔室2安装在底座3上的带滚轴组的平台12上，在带滚轴组的平台12与加载顶板11配合对测试岩样1施加垂向压力；进液加载块6和出液加载块7分别与压裂液供给泵和出液流量计连接，并与水平压力机配合对测试岩样1施加裂缝延伸方向的压力。

测试岩样1包括两种规格—六边体岩样和长方体岩样：六边体岩样可根据实验方案切割出具有分形特征的、表面粗糙度一定的人工裂缝，整条裂缝由一定数量的子裂缝组成且每条子裂缝都与六边体的一个周面保持平行，本发明装置能够为每条子裂缝施加垂直于壁面的闭合压力，实现了裂缝粗糙度对其导流能力影响的定量测试；长方体岩样可进行常规平板裂缝导流能力测试。

如图2所述，测试岩样1可以制备成含有分形粗糙裂缝的六边体体的岩样，进行粗糙裂缝的导流能力测试，此时采用辅助块14和闭合压力调节装置5，辅助块14与六边体岩样形状相契合，闭合压力调节装置5上有滑动孔槽16，闭合压力加载过程中，在双向孔槽18和滑动孔槽16的配合下，变向加载块8垂直于六边体周面进行加载。变向加载块8与闭合压力加载装置的滑动孔槽16连接，水平压力机通过水平加载15块对闭合压力加载块4施加压力，闭合压力加载块4通过与六边体岩样形状相契合的辅助块，配合带滑动孔槽的闭合压力调节装置，完成对六边体测试岩样中粗糙裂缝闭合压力的加载。

如图7所示，测试岩样1也可以制备成含有平直裂缝的长方体岩样，进行常规导流能力测试，此时采用辅助块14和闭合压力调节装置5，辅助块14为长方体，闭合压力调节装置5上有圆形的固定孔槽17，加载过程中，固定孔槽17与双向孔槽18配合，完成对长方体岩样闭合压力的加载。变向加载块8与闭合压力加载装置的固定孔槽17连接，水平压力机通过水平加载块15对闭合压力加载块4施加压力，配合带固定孔槽的闭合压力调节装置5，完成对长方体测试岩样中平直裂缝闭合压力的加载。

如图3所示，底座3为“L”形，底座3上安装有带滚轴组的平台12，带滚轴组的平台12包括滚轴20和滑动承压板21，滑动承压板21与导流腔室2的下端连接；加载顶板11安装在导流腔室2的上端，由弹簧固定螺栓19固定，在垂向压力下，加载顶板11与带滚轴组的平台12配合完成垂向应力加载；闭合压力加载时，导流腔室2会产生一定的水平位移，导流腔室2带动滑动承压板21在滚轴20上滑动，避免了卡死现象的发生。实验时需要首先施加垂向压力，此时继续施加水平的裂缝闭合压力时，连接导流腔室2的滑动承压板21能够在滚轴20上滑动。

如图4所示，进液加载块6和出液加载块7中都有导流槽24和弧形槽25，导流槽24与进液口22、出液口23连通，进液口22连接压裂液供给泵，出液口23连接外部流量计；实验时弧形槽25内安装弧形过滤塞26，防止支撑剂进入流动通道，压裂液流经进液口22—导流槽24—弧形槽25（弧形过滤塞26）—测试岩样1—弧形槽25（弧形过滤塞26）—导流槽24—出液口23，并且通过流压测量装置10测量测试岩样1中的各测试点处的流体压力；弧形槽25口处安装有密封垫片28，保证流动通道的密封。进液加载块6和出液加载块7提供了压裂液进出通道的同时，在外部压力机的作用下对测试岩样1施加裂缝延伸方向的压力。

如图5所示，缝宽测量装置9内部安装有缝宽探针27，一侧安装有固定插头30，实验前分别在裂缝两侧钻孔，并将缝宽探针27与固定插头30固定其中，缝宽探针27的位移变化由位移传感器13测量并记录；如图6所示，流压测量装置10的入口安装有过滤塞29和固定插头30，实验前，将固定插头30插入测试岩样1的预定位置，保证过滤塞29与裂缝路径相对应，缝内的压裂液通过过滤塞29进入流压测量装置10以及外部连接的流量计。能够解决裂缝宽度、缝内流体压力的测量和记录受裂缝形态的制约的问题。

本发明测试具有分形特征的粗糙裂缝导流能力具体步骤如下：

一、制备测试岩样

a、将天然岩块切割成装置所需的六边体测试岩样1，根据设计好的实验方案，确定人工粗糙裂缝路径，利用金刚石线锯机在测试岩样1上切割出具有分形特征的粗糙裂缝，切割时确保组成整条粗糙裂缝的每条子裂缝与测试岩样1六个周面中的一个保持平行。

b、清洁测试岩样1表面多余岩屑，在人工裂缝中填铺一定浓度的支撑剂，并用特制的密封橡胶套将整块测试岩样1包裹，用热风机加热密封橡胶套，使其均匀的收缩裹紧测试岩样1。

c、在测试岩样1的预定位置钻出探针孔和固定插头30所需的固定插孔，钻孔时要保证流压测量装置10上的过滤塞29与人工裂缝完全对应。

d、分别计算出整条粗糙裂缝、ad段裂缝和bc段裂缝的壁面粗糙度，a、b、c、d分别代表四个流压测量装置10的位置（图4中所示）。

二、装置安装

a、将导流腔室2固定在带滚轴组的平台12上，安装测试粗糙裂缝导流能力所需的闭合压力调节装置5和辅助块14。

b、将流压测量装置10和缝宽测量装置9安装到导流腔室2底部的滑槽中，将测试岩样1放置到导流腔室2内，保证所有缝宽探针27和固定插头30都插入测试岩样1的预定插孔内。

c、调节变向加载板8的角度，安装闭合压力加载块4，对其施加0.5MPa压力；安装加载顶板11以及相应的弹簧固定螺栓19，对其施加0.5MPa压力；在进液加载块6和出液加载块7的弧形槽25内安装弧形过滤塞26，并安装密封垫片28，将进液加载块6和出液加载块7安装到导流室上，对其施加0.5MPa压力。

d、将进液口22和出液口23分别与外部的压裂液供给泵和流量计连接，随后安装并调试缝宽测量装置9线路和流压测量装置10的管路。

三、实验测试

a、根据设计好的实验方案，对测试岩样1首先施加预定的上覆地层压力（压力机对加载顶板11施加载荷），然后对测试岩样1施加裂缝闭合压力（水平加载块15施加载荷），最后加载裂缝延伸方向的压力（通过水平方向压力机对进液加载块6和出液加载块7施加载荷）。

b、启动压裂液供给泵、流压测量装置10、缝宽测量装置9，以一定流量进行导流能力测试并记录实验过程中的裂缝宽度、a~d四个测试点处的流体压力及流量。

c、通过测试数据，计算不同时刻整条裂缝两端、ad段、bc段压差和流量差，计算相应的裂缝导流能力，分析各段裂缝粗糙度对其导流能力的影响。

d、改变注入速率以及三向压力，再次进行测试，分析其他因素对粗糙裂缝导流能力的影响。

Claims (8)

1.一种测试粗糙裂缝导流能力实验装置，其特征在于：这种测试粗糙裂缝导流能力实验装置包括导流腔室（2）、底座（3）、进液加载块（6）、出液加载块（7）、闭合压力加载块（4）、闭合压力调节装置（5），导流腔室（2）内放置测试岩样（1），测试岩样（1）被切割出具有分形特征的、表面粗糙度一定的人工裂缝，导流腔室（2）上部安装加载顶板（11），导流腔室（2）下部进液端一侧和出液端一侧各设置有一组滑槽，每组有3个滑槽，其中每组中间的滑槽安装缝宽测量装置（9）和位移传感器（13），两侧的滑槽安装流压测量装置（10），测试岩样（1）设置于缝宽测量装置（9）和流压测量装置（10）之上，底座（3）安装有带滚轴组的平台（12），导流腔室（2）固定底座（3）上，加载顶板（11）加压，底座（3）支撑，共同完成对测试岩样（1）上覆压力的加载；导流室的两侧设置进液加载块（6）和出液加载块（7），进液加载块（6）和出液加载块（7）均设置导流槽（24），进液加载块（6）的导流槽（24）一端连接进液阀，另一端连接测试岩样（1）的人工裂缝入口；出液加载块（7）的导流槽（24）一端连接测试岩样（1）的人工裂缝出口，另一端连接出液阀；闭合压力加载块（4）和闭合压力调节装置（5）安装在导流腔室（2）前后两端，导流腔室（2）内部设置有变向加载块（8），闭合压力加载块（4）、闭合压力调节装置（5）、变向加载块（8）三者配合下完成裂缝闭合压力的加载。

2.根据权利要求1所述的测试粗糙裂缝导流能力实验装置，其特征在于：所述的变向加载块（8）安装在导流室的双向孔槽（18）内，变向加载块（8）穿过加载顶板（11）与闭合压力调节装置（5）连接。

3.根据权利要求2所述的测试粗糙裂缝导流能力实验装置，其特征在于：所述的缝宽测量装置（9）一端有缝宽探针（27），缝宽探针（27）安装在测试岩样（1）的探针孔内；流压测量装置（10）一端固定插头（30），固定插头（30）插入测试岩样（1）的固定孔内，流压测量装置（10）的入口安装有过滤塞（29），过滤塞（29）与人工裂缝路径相对应，人工裂缝内的压裂液通过过滤塞（29）进入流压测量装置（10）以及外部连接的流量计。

4.根据权利要求3所述的测试粗糙裂缝导流能力实验装置，其特征在于：所述的进液加载块（6）的导流槽（24）通过弧形槽（25）与测试岩样（1）的人工裂缝入口相连接，弧形槽（25）与导流槽（24）相通，弧形槽（25）扣置测试岩样（1）的人工裂缝入口，弧形槽（25）内安装弧形过滤塞（26），弧形槽（25）口处安装有密封垫片（28）；出液加载块（7）的导流槽（24）通过另一个弧形槽（25）与测试岩样（1）的人工裂缝出口相连接，出液加载块（7）的导流槽（24）与该弧形槽（25）相通，该弧形槽（25）扣置测试岩样（1）的人工裂缝出处口，该弧形槽（25）内也安装弧形过滤塞（26），该弧形槽（25）口处安装有密封垫片（28）。

5.根据权利要求4所述的测试粗糙裂缝导流能力实验装置，其特征在于：所述的带滚轴组的平台（12）包括一组滚轴（20）和滑动承压板（21），该组滚轴（20）位于滑动承压板（21）之下，滑动承压板（21）上表面与导流腔室（2）连接并固定。

6.根据权利要求5所述的测试粗糙裂缝导流能力实验装置，其特征在于：所述的测试岩样（1）为六边体岩样或长方体岩样，当测试岩样（1）采用六边体岩样时，变向加载块（8）与闭合压力加载装置的滑动孔槽（16）连接，水平压力机通过水平加载块（15）对闭合压力加载块（4）施加压力，闭合压力加载块（4）通过与六边体岩样形状相契合的辅助块（14），配合带滑动孔槽（16）的闭合压力调节装置（5），完成对六边体测试岩样（1）中粗糙裂缝闭合压力的加载；当测试岩样（1）采用长方体岩样时，变向加载块（8）与闭合压力加载装置的固定孔槽（17）连接，水平压力机通过水平加载块（15）对闭合压力加载块（4）施加压力，配合带固定孔槽（17）的闭合压力调节装置（5），完成对长方体测试岩样（1）中平直裂缝闭合压力的加载。

7.根据权利要求6所述的测试粗糙裂缝导流能力实验装置，其特征在于：所述的六边体岩样上切割出具有分形特征的、表面粗糙度一定的人工裂缝，整条裂缝由一定数量的子裂缝组成且每条子裂缝都与六边体的一个周面保持平行。

8.一种权利要求7所述的测试粗糙裂缝导流能力实验装置的测试评价方法，其特征在于：

a、对测试岩样（1）首先施加预定的上覆地层压力，通过压力机对加载顶板（11）施加载荷完成，然后对测试岩样（1）施加裂缝闭合压力，由水平加载块（15）施加载荷完成，最后加载裂缝延伸方向的压力，通过水平方向压力机对进液加载块（6）和出液加载块（7）施加载荷完成；

b、启动压裂液供给泵、流压测量装置（10）、缝宽测量装置（9），以一定流量进行导流能力测试并记录实验过程中的裂缝宽度、四个流压测量装置（10）测试点处的流体压力及流量；

c、通过测试数据，计算不同时刻整条裂缝两端、两个距离最远的流压测量装置（10）之间的压差和流量差、两个中间的流压测量装置（10）之间的压差和流量差，计算相应的裂缝导流能力，分析各段裂缝粗糙度对其导流能力的影响；

d、改变注入速率以及三向压力，再次进行测试，分析其他因素对粗糙裂缝导流能力的影响。