CN108801799B - 岩石压裂物理模拟系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种岩石压裂物理模拟系统及试验方法，属于岩石物理模拟试验技术领域。岩石压裂物理模拟系统包括主体框架、用于容置待测岩样的岩样室、轴向加压装置、径向加压装置、用于与所述径向加压装置连接并对待测岩样施加周向压力的环状围压装置、以及用于向岩样室内注入压裂液的流体输送装置。本发明还提供一种岩石压裂物理模拟系统试验方法，包括以下步骤：装载待测岩样、施加轴向压力和环状围压、注入压裂液使岩样破碎、破碎岩样重新固结、扫描固结岩样。本发明提供的岩石压裂物理模拟系统及试验方法与现有技术相比，真实还原地应力的分布和大小，全面模拟了岩石压裂时的受力状况，为岩石力学性质和压裂效果分析提供可靠数据。

Description

岩石压裂物理模拟系统及试验方法

技术领域

本发明属于岩石物理模拟试验技术领域，更具体地说，是涉及一种岩石压裂物理模拟系统及试验方法。

背景技术

近年来非常规油气开发进程加快，与常规油气储层相比，非常规油气储层通常更加致密、孔隙结构更加复杂，低孔低渗特性导致油气产出更加困难，最终制约油气采收率和开采效率。目前业界主要通过压裂改造的技术实现储层的造缝增渗，进而获得非常规油气井的高效开发。压裂技术已在煤层气、致密气、页岩气等领域得到广泛应用，而储层岩石的可压裂性被公认为是评价非常规油气藏开发价值的一个重要指标。因此，如何全方位、真实准确地模拟岩石储层的压裂过程，获得有效裂缝参数，综合评价压裂效果是当前非常规油气储层地质和开发技术评价的关键。

研究储层可压裂性的方法多样，主要有理论评价法、数值模拟法、现场测试法以及室内试验模拟法。理论评价法主要是在室内化验测试得到不同岩矿参数信息的基础上，通过数学计算获取脆性指数，进而评价岩石的可压裂性，这种方法工作量大、脱离实际压裂条件、不同计算模型误差较大，适合储层压裂前后，而无法满足压裂过程的动态评价；数值模拟方法是采用基于有限元、离散元、边界元等方法的软件进行裂缝形态模拟以及压裂设计和评价，该方法方便快捷、成本低、系统全面，但常具有结果多解性、人为性，过于理想化而脱离实际的缺点；现场测试法是根据压裂施工前测录井所获取的地层岩矿、力学参数等信息进行压裂预测，该方法具有测录井本身的技术误差，同样只适用于储层压裂前评价，而微地震监测技术虽可实时监测裂缝扩展，预测裂缝方位，但技术及应用成本高、裂缝宽度计算困难、结果具有不确定性，设备规模偏大并不适合室内的模拟试验。以上认识裂缝的手段都属于间接手段，得到的裂缝参数与实际差别很大，而室内物理模拟能够尽量贴近实际压裂条件，获取更真实的压裂参数，可有效指导现场施工。

岩石压裂物理模拟是在室内通过人工增大岩石样品内部压力，从而对岩石的可压裂性、裂缝产生延展机制进行研究的一种方法，岩石压力物理模拟包括地应力加载-压裂液注入-岩石压裂-岩石裂缝分析四个步骤，现有的室内岩石压裂物理模拟装置通常基于假三轴或真三轴应力装置进行压力加载，无法真实还原三向地应力的分布和大小，不能全面模拟储层岩石受力状况，故岩石压裂物理模拟试验结果及压裂效果的分析数据的可信度均有待提高。

发明内容

本发明提供了一种岩石压裂物理模拟系统及采用了该模拟系统的试验方法，旨在解决现有技术中岩石压裂物理模拟系统无法不能全面模拟储层岩石受力状况、压裂效果分析数据的可信度有待提高的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种岩石压裂物理模拟系统，包括

主体框架；

岩样室，设置在所述主体框架上，所述岩样室具有用于容置待测岩样的密封腔；

轴向加压装置，位于所述岩样室下方用于对待测岩样施加轴向压力，所述轴向加压装置设有第一压力传感器；

径向加压装置，设置在所述主体框架上用于对待测岩样施加径向压力，所述径向加压装置上设有第二压力传感器；

环状围压装置，用于与所述径向加压装置连接并对待测岩样施加周向压力；

流体输送装置，用于向岩样室内注入试验流体。

进一步地，所述环状围压装置包括设于所述密封腔环周的立式环状承压板和嵌设在所述立式环状承压板与所述密封腔侧壁之间的承压钢珠。

进一步地，所述立式环状承压板包括至少一组间隔环状分布的第一立式环状承压板和第二立式环状承压板，所述第一立式环状承压板与所述第二立式环状承压板通过链环连接，所述第一立式环状承压板与所述第二立式环状承压板的连接处设有间隙。

进一步地，还包括设于所述密封腔外部的用于给待测岩样加热的加热管以及罩设在所述加热管外部的用于保护所述加热管的挡板，所述挡板设于所述密封腔侧壁与所述立式环状承压板之间且嵌入所述承压钢珠中间，所述立式环状承压板外围设有密封的保温防护壳体。

进一步地，所述密封腔上方设有用于使压裂液注入的开孔，所属密封腔上方法兰连接有压裂观察窗，所述密封腔下方依次设有用于放置待测岩样的岩样软垫、用于驱动并压裂待测岩样的压裂活塞，所述轴向加压装置与所述压裂活塞固定连接。

进一步地，所述径向加压装置包括多个用于向待测岩样施加径向压力的径向液压千斤顶，每个所述径向液压千斤顶通过斜楔机构与所述立式环状承压板连接，所述轴向加压装置包括轴向液压千斤顶，所述第一压力传感器位于所述轴向液压千斤顶与所述压裂活塞之间。

进一步地，所述流体输送装置包括用于向岩样室泵送流体的泵压装置、用于储存流体的储存罐以及流体管路，所述流体管路上设有用于控制注入所述岩样室的流体压力的增压器和用于监测注入所述岩样室的流体流量的流量计，所述泵压装置与所述岩样室之间设有用于防止流体倒流的单向阀。

进一步地，所述储存罐用于存储压裂液以及用于将破碎的岩石重新固结的环氧树脂，所述储存罐外设有用于使所述环氧树脂保持液体状态的保温装置，所述储存罐内还设有搅拌装置。

本发明提供的岩石压裂物理模拟系统有益效果在于，与现有技术相比，通过设置环状围压装置，将径向加压装置产生的单个方向的水平压力施加到待测岩样上产生围压，同时可通过轴向加压装置对待测岩样产生轴向的压力，相比于仅能模拟两个径向方向压力的真三轴压裂模拟装置，本发明中径向压力以环周围压的方式施加到待测岩样上，可以真实的还原岩石压裂中地应力的分布和大小；同时，通过流体输送装置，向密闭的岩样室内注入压裂液，进行待测岩样的压裂，全面模拟了岩石的地应力加载-压裂液注入-岩石压裂的过程。本发明提供的岩石压裂物理模拟系统，模拟了储层岩石承受水平环状围压及注液压裂的受力状况，真实还原地应力的分布和大小，全面模拟了岩石压裂的受力状况，提高了实验室模拟试验结果的可信度。

本发明还提供了一种岩石压裂物理模拟系统的试验方法，包括如下步骤：

将待测岩样置于密闭的岩样室内部；

对待测岩样施加轴向压力，至目标压力后，施加环周围压至目标压力值，实时监测待测岩样的轴向压力和环周围压；

压力稳定不变后向密闭的岩样室注入压裂液直至岩石压裂，实时监测并记录压裂液压力和流量，获取岩石的压裂施工曲线和压裂阶段；

排出压裂液，注入液态环氧树脂，等待至破碎岩石固结；

扫描固结的岩石的压裂裂缝，获取岩石的压裂裂缝规律。

进一步地，将待测岩样置于密闭的岩样室内部后，加热待测岩样，至目标温度。

对待测岩样进行裂缝预处理，所述裂缝预处理包括在待测岩样上制作用于压裂液灌入的盲孔，并在所述盲孔侧壁上制作射孔，然后再将待测岩样置于密闭的岩样室内部。

在注入液态环氧树脂之前打开用于盛放环氧树脂的储存罐中的保温装置和搅拌装置，保障所述环氧树脂处于液体状态。

本发明提供的岩石压裂物理模拟系统试验方法的有益效果在于，能够全面模拟岩石受力状况，通过配置和调整轴向压力和环周围压的设定压力，可研究不同的环周压力、轴向压力和其配置对岩石压裂性和压裂效果的影响；通过实时监测和记录岩石压裂过程中的压裂液压力和和流量，可获取储层岩石压裂液的滤失参数，分析获取岩石的压裂施工曲线；通过对破碎重新固结的岩石进行扫描分析，可对压裂裂缝进行深入的观察和研究，分析研究储层岩石压裂的裂缝规律。本试验方法可全面模拟储层岩石的受力状况，为岩石力学性质和压裂效果分析提供可靠数据，给实际工作带有有价值的参考。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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为本发明实施例提供的岩石压裂物理模拟系统的组成示意图；

图2为本发明实施例提供的岩石压裂物理模拟系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的岩石压裂物理模拟系统的剖视图；

图4为本发明实施例提供的环围加压装置结构示意图；

图5为本发明实施例提供的岩石压裂物理模拟系统试验方法的操作步骤图。

其中，图中各附图标记：

1-主体框架；2—待测岩样；3—盲孔；4-密封腔；5-斜楔机构；6-轴向加压装置；7-径向加压装置；9-环状围压装置；10-流体输送装置；11-加热保温装置；12-链环；13—承压钢珠；14—挡板；15—加热管；16—第一立式环状承压板；17—第二立式环状承压板；18—岩样室；19—上密封板；20—密闭法兰螺丝；21—保温防护壳体；22—固定挡板；23—调节螺栓；24—第一传力联动板；25—下密封板；26—第一压力传感器；27—径向液压千斤顶；28—轴向液压千斤顶；29—主机底座；30—压裂观察窗；31—温度传感器；32—岩样软垫；33—计时器；34—温控箱；35—液压控制器；36—液体流量计；37—单向阀；38—增压器；39—流量计；40—搅拌装置；41—储存罐；42—泵压装置；43—综合控制箱；44—计算机控制系统；45—压裂活塞；46—立柱拉杆；47-第二压力传感器；48-凸轮。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请一并参阅图1至图3，现对本发明提供的岩石压裂物理模拟系统进行说明。本发明采用的技术方案是提供一种岩石压裂物理模拟系统，包括主体框架1、设置在主体框架1上的岩样室18、位于岩样室18下方用于对待测岩样2施加轴向压力的轴向加压装置6，设置在主体框架1上用于对待测岩样2施加径向压力的径向加压装置7、用于与径向加压装置7连接并对待测岩样2施加周向压力的环状围压装置9、用于向岩样室内18注入压裂液的流体输送装置10，岩样室18具有用于容置待测岩样密封腔4，轴向加压装置6设有第一压力传感器26，径向加压装置7上设有第二压力传感器47。

岩样室18包括用于放置待测岩样2的下密封板25、以及与下密封板25一起向待测岩样2施加轴向压力的上密封板19，以及用于形成密封腔的侧壁，侧壁与上密封板19固定在一起。优选地，下密封板25和上密封板19均采用高强度钢制材料。

主体框架1包括主机底座29和设置在主机底座29上的立柱拉杆46，立柱拉杆46向下贯穿主机底座29并固定在主机底座29上，向上贯穿下密封板25与上密封板19通过密闭法兰螺丝20固定连接；优选地，立柱拉杆46有四根,四根立柱拉杆46对称设置在轴向电动液压千斤顶28的四周，立柱拉杆46采用高强度钢制材料。

轴向加压装置6包括轴向电动液压千斤顶8和设于轴向电动液压千斤顶28上的第一压力传感器9，轴向电动液压千斤顶28设置于主机底座29上，轴向液压千斤顶与下密封板25固定连接并可驱动下密封板25沿立柱拉杆46轴线方向移动，向上运动时与上密封板25和侧壁形成密封腔4，对放置在密封腔4内的待测岩样2施加轴向压力，向下运动，下密封板25与侧壁分离，可以将待测岩样2放置在下密封板25上；径向加压装置7包括多个用于向待测岩样2施加水平压力的径向电动液压千斤顶27和第二压力传感器13。

流体输送装置10向岩样室18的密封腔内注入压裂液体，用于将待测岩样2压裂。

待测岩样2可以为钻井现场获取的真实岩心，也可以为人工试样，为与实际应用工控相匹配，待测岩样2上设有盲孔，盲孔侧壁上有模拟岩石裂缝的射孔，优选地，待测岩样2为圆柱型。

本发明提供的岩石压裂物理模拟系统有益效果在于，与现有技术相比，通过设置环状围压装置，将径向加压装置产生的单个方向的水平压力施加到待测岩样上产生围压，同时可通过轴向加压装置对待测岩样产生轴向的压力，相比于仅能模拟两个径向方向压力的真三轴压裂模拟装置，本发明中径向压力以环周围压的方式施加到待测岩样上，可以真实的还原岩石压裂中地应力的分布和大小；同时，通过流体输送装置，向密闭的岩样室内注入压裂液，进行待测岩样的压裂，全面模拟了岩石的地应力加载-压裂液注入-岩石压裂的过程。本发明提供的岩石压裂物理模拟系统，模拟了储层岩石承受水平环状围压及注液压裂的受力状况，真实还原地应力的分布和大小，全面模拟了岩石压裂的受力状况，提高了实验室模拟试验结果的可信度。

进一步地，请参阅图4，作为本发明提供的岩石压裂物理模拟系统的一种具体实施方式，环状围压装置9包括设于密封腔4环周的立式环状承压板和嵌设在立式环状承压板与密封腔4侧壁之间的承压钢珠13。

具体地，立式环状承压板环周设于密封腔4周围，与密封腔4的侧壁形成环形空间，立式环状承压板根据待测岩样2的尺寸定制，为厚约0.5cm的高强度钢材料，承压钢珠13放置在上述环形空间中，优选地，承压钢珠13材质为滚珠轴承钢，直径优选为5mm，磨圆度高、表面光洁、承压荷载不小于20MPa，使用时嵌入待测岩样2和立式环状承压板之间，并根据待测岩样2尺寸选择铺展承压钢珠13的层数。

进一步地，请参阅图4，作为本发明提供的岩石压裂物理模拟系统的一种具体实施方式，立式环状承压板包括至少一组间隔环状分布的第一立式环状承压板16和第二立式环状承压板17，第一立式环状承压板16与第二立式环状承压板17通过链环12连接，第一立式环状承压板16与第二立式环状承压板17的连接处设有间隙。

每组立式环状承压板包括一个第一立式环状承压板16和一个第二立式环状承压板17，具体地，本实施例中，立式环状承压板包括两组间隔环状分布的第一立式环状承压板16和第二立式环状承压板17，两组中的第一立式环状承压板16对称分布，两组中的第二立式环状承压板17对称分布，每一个第一立式环状承压板16和第二立式环状承压板17均单独与径向电动液压千斤顶27固定连接，可单独承受径向电动液压千斤顶27施加的径向压力，对称设置的立式环状承压板16之间受到的径向压力相同。第一立式环状承压板16和第二立式环状承压板17通过链环12连接，连接处设有间隙，间隙尺寸小于承压钢珠13的外径，则两组第一立式环状承压板16与第二立式承压板17通过链环12连接为一个环形整体，且每一个立式环状承压板可以在径向加压装置的压力输出方向移动，通过链环连接的结构设置，第一立式环状承压板16和第二立式环状承压板17可以承受大小不同的水平压力，更符合岩石压裂中的真实应力情况。如图4所示，σ1为第二立式环状承压板承受的水平拉力，σ2第一立式环状承压板承受到的压力，压力大小可根据实际工况进行调节和设置。

进一步地，请参阅图3和图4，作为本发明提供的岩石压裂物理模拟系统的一种具体实施方式，还包括设于密封腔4外部用于给待测岩样2加热的加热管15，罩设在加热管15外部的用于保护加热管15的挡板14，挡板14设于密封腔4侧壁与立式环状承压板之间，嵌入承压钢珠13中间，立式环状承压板外围设有密封的保温防护壳体21。

具体地，保温防护壳体21由四面密封连接的高强度钢板组成，保温防护壳体21与上密封板19和下密封板25构成密封的保温空间，主要起到岩心加热保温作用以及高温高压防护作用，待测岩样2和环状围压装置9均位于该密封保温空间中。挡板14采用不锈钢材质构成，置于待测岩样2和立式环状承压板16之间，嵌入承压钢珠13之中，挡板14的高度比待测岩样2的高度略小，挡板14位于加热管15的环周，加热管15的高度比挡板14的高度略小，可以避免加热管15承受承压钢珠13的围压和轴向加压装置的轴向压力而损害，热管15上下两侧为镂空，加热管15的高温导线可以此处镂空穿出，加热管15优选为不锈钢防爆电加热管，挡板14、加热管15均为两组，对称设于待测岩样2的两侧，优选地，加热管15设于承受压力较小的立式环状承压板的两侧。在地表岩层中，岩石的温度与环境高温度相同，但随着地层深度的增加，岩层温度上升，岩石真实压裂中，同时承受高压和高温，故应考虑温度对岩石压裂特性的影响，现有技术中的岩石加热多采用岩石提前加热或者将整个岩样室统一加热的方式，第一种方式中，岩石加热和加压不可以同时进行，不符合实际的压裂工况，第二种方法中，受空间的影响仅适用于较小尺寸的岩石样品，本装置可在对待测岩样加压的过程中同时对其进行加热和保温，更真实的模拟了温度和地应力条件，能够综合考虑温度和压力对岩石压裂的影响。

进一步地，作为本发明提供的岩石压裂物理模拟系统的一种具体实施方式，挡板14内部设有温度传感器31，挡板14与待测岩样2接触面设有开槽。温度传感器31有两组，分别位于两个挡板14内部，挡板14与待测岩样2接触面设有开槽，便于进行岩样加热和温度测量。优选地，还包括温控箱34和计时器33用于控制岩样2加热，保证加热电流稳定，温度平稳上升。开槽的设计有助于快速对待测岩样进行加热。

进一步地，请参阅图2和图3，作为本发明提供的岩石压裂物理模拟系统的一种具体实施方式，密封腔4上方设有用于使压裂液注入的开孔，密封腔4上方法兰连接有压裂观察窗30，密封腔4下方依次设有用于放置待测岩样2的岩样软垫32、用于驱动并压裂待测岩样的压裂活塞45，轴向加压装置6与压裂活塞45固定连接。

具体地，开孔设于上密封板19上，压裂观察窗30与开孔位置对应，压裂观察窗30采用高强度玻璃，岩石压裂后的纹路可从压裂观察窗30观测获取。下密封板25上方设有用于支撑待测岩样2的岩样软垫32和用于对待测岩样2施加轴向压力的压裂活塞45，轴向电动液压千斤顶28贯穿下密封板25和压裂活塞45连接，压裂活塞45在轴向电动液压千斤顶28驱动下沿密封腔4的侧壁上下滑动，压裂活塞45位于底端时，下密封板25和压裂活塞与密封腔分离，可以将待测岩样2放进岩样软垫，压裂活塞45向上运行，与密封腔4侧壁和上密封板19形成密封腔4，继续向上运行，待测岩样2与上密封板19接触，轴向压力施加到待测岩石2上进行轴向加压，岩样软垫32采用硬质海绵，避免待测岩样加压过程中表面划伤或损坏。本装置可以实现待测岩样的装载并形成密封腔，通过压力观察窗可以实时观测试验过程中岩石的压裂纹路。

进一步地，请参阅图1至图3，作为本发明提供的岩石压裂物理模拟系统的一种具体实施方式，径向加压装置7包括多个用于向待测岩样2施加径向压力的径向液压千斤顶27，每个径向液压千斤顶通过斜楔机构5与立式环状承压板连接，轴向加压装置6包括轴向液压千斤顶28，第一压力传感器26位于轴向液压千斤顶28与压裂活塞45之间。轴向液压千斤顶28、待测岩样1与岩样室18的轴线共线，还设有液压控制器35用以保障液压传输稳定平缓。

轴向液压千斤顶28和径向液压千斤顶27均为具备自锁功能的电动液压千斤顶，其均固定在主机底座29上，径向电动液压千斤顶个数与立式环状承压板的个数对应，有四个，四个径向液压千斤顶27以轴向液压千斤顶28的轴线为中心对称分布。

轴向液压千斤顶28的活塞与下密封板25固定连接，第一压力传感器26位于轴向液压千斤顶28与下密封板25连接处，轴向液压千斤顶28顶升后可作为承载保持固定，轴向液压千斤顶28向上顶升，驱动下密封板25和位于下密封板25上的压裂活塞45和待测岩样2向上托举，与上密封板19和主体框架1一起对待测岩样2施加轴向载荷。

径向液压千斤顶27通过斜楔机构5实现径向电动液压千斤顶输出压力方向由竖直向水平方向转换。具体地，斜楔机构5包括与径向液压千斤顶27的活塞上固定连接的第一传压联动板、设于立式环状承压板环周的第二传压联动板，第二传压联动板和第一传压联动板通过一斜面滑动配合，且第二传压联动板位于第一传压联动板上方，第一传压联动板上设有用于第一传压联动板嵌入的导向槽，第一传压联动板上与第二传压联动板通过回型钩连接在一起，则第二传压联动板可以在第一传压联动板的驱动下实现水平移动，第一传压联动板向上运动时，第二传压联动板水平运动靠近立式环状承压板，对立式环状承压板施加径向压力，第一传压联动板向下运动时，通过回型钩带动第二传动联动板水平运动远离立式环状承压板，释放径向压力。与径向电动液压千斤顶水平布置在环状围压装置四周的方案相比，本方案中进项电动液压千斤顶固定安装在主机底座，竖直布置，大大减少了轴向加压装置的水平环状尺寸，实际使用中，仅需将主机底座固定在地面上，节约空间，且便于安装和固定。

进一步地，请参阅图3，作为本发明提供的岩石压裂物理模拟系统的一种具体实施方式，还包括与斜楔机构5抵接的滑动块以及用于将第二压力传感器47抵接在滑动块上的调节螺栓23，滑动块位于斜楔机构5远离环状围压装置9的一侧，调节螺栓23、第二压力传感器47和滑动块沿水平方向依次固定安装在固定挡板22上，固定挡板22固定在保温防护壳体21上且位于斜楔机构5的两侧。

具体地，固定挡板22采用不锈钢材质，斜楔机构5的第一侧面上设有与滑动块滑动配合的滑动槽，环状围压装置9与滑动块位于斜楔机构5的两侧，斜楔机构5挤压环状围压装置9的同时，挤压位于第一侧面上的滑动块，滑动块与环状围压装置9承受相同的水平压力，滑动块挤压第二压力传感器47，通过调节调节螺栓23可以保障第二压力传感器47与滑动块抵接。优选地，滑动块与滑动槽之间设有凸轮48。通过该结构的设置，可以直接得到施加到环状围压装置各立式环状承压板上的压力。

进一步地，请参阅图1，作为本发明提供的岩石压裂物理模拟系统的一种具体实施方式，流体输送装置10包括用于向岩样室泵送流体的泵压装置42、用于储存流体的储存罐41以及流体管路，流体管路上设有用于控制注入岩样室18的流体压力的增压器38和用于监测注入岩样室18的流体流量的流量计39。泵压装置42与岩样室18之间的管路上设有用于防止流体倒流的单向阀37。

具体地，流体输送装置10通过计算机控制系统44实现向岩样室18流体注入的自动控制,泵压装置42将位于储存罐41中的压裂液泵送至岩样室18，通过增压器38实现压力的控制，泵压装置42入口处和岩样室18入口处分别设有液体流量计36和流量计39，用于监测管路中的和注入岩样室18的液体流量。实际应用中，打开单项阀37，避免液压倒流，打开泵压装置42并通过计算机控制系统44和综合控制箱43实现液压流量和压力的精确控制，综合控制箱43包含了电源开关、显示器、智能仪表等，同时计算机控制系统44实时监测压裂液压力和流量的参数变化，采集分析各类压力、温度、速度、流量、时间等数据以及实现在线绘制图表、报告输出等功能。

进一步地，请参阅图1，作为本发明提供的岩石压裂物理模拟系统的一种具体实施方式，储存罐41用于存储压裂液以及用于将破碎的岩石重新固结的环氧树脂，储存罐外41设有用于使所述环氧树脂保持液体状态的保温装置，储存罐41内还设有搅拌装置40。

传统的岩心切片法只能在压裂结束后通过肉眼/拍照观察或图像处理，进而定性或半定量分析岩心中压裂液的滤失和裂缝规律，并且切片易造成岩心内部结构二次破坏，因此并不科学严谨；而全过程实时CT扫描技术设备昂贵，不利于大规模实验；X射线技术安全隐患大，使用成本较高，并且存在对裂纹类缺陷方向性的限制；超声波技术结果显示不直观，难于对缺陷作精确定性和定量，对试件形状和复杂性也有一定限制；声发射测试系统成本较低，并且可以较好地监测裂缝变化，但是探头安装复杂，信噪比难以控制。本方案中在待测岩石压裂后向岩样室18内注入环氧树脂至岩石重新固结，便可结合显微镜、CT扫描等技术对压裂裂缝进行深入观察研究；获取岩石的压裂裂缝规律。环氧树脂环氧树脂又称作人工树脂、人造树脂、树脂胶，是一类重要的热固性塑料，常温下处于固体状态，通过设置保温装置和搅拌装置40使得环氧树脂处于液体状态可以方便进行输送。

请参阅图5，本发明还提供一种岩石压裂物理模拟系统的试验方法，包括如下步骤：

S102，将待测岩样置于密闭的岩样室内部；具体地，结合上述岩石压裂物理模拟系统，轴向液压千斤顶28缓慢平稳下降，同时压裂活塞45、下密封板25跟随轴向液压千斤顶28下降，到达指定位置后，先放岩样软垫32后装入待测岩石2，然后相反方式控制轴向液压千斤顶28上升至指定高度，保证下部密封；

S104，对待测岩样2施加轴向压力，至目标压力后，施加环周围压至目标压力值，实时监测待测岩样的轴向压力和环周围压；具体地，根据实际需要或者实际致密储层压力和地应力大小分布，经由计算机控制系统44和液压控制器35操控，调节轴向电动液压千斤顶28，根据第一压力传感器26的压力反馈，加载轴压至目标压力；然后同样操控四个径向液压千斤顶27，加压至目标压力值，径向压力通过环状围压装置9转换为环周围压施加到待测岩样2上。

S105，压力稳定不变后向密闭的岩样室18注入压裂液直至岩石压裂，实时监测并记录压裂液压力和流量，获取岩石的压裂施工曲线和压裂阶段；具体地，压力加载完成后，通过计算机控制系统44观察压力变化，待压力稳定后，首先打开高压单向阀37，通过计算机控制系统44调整泵压装置42的压力，贮存罐41中的流体经由增压器38逐渐进入到岩样室18，控制增压器38使压力不断增大直至待测岩样破裂，通过压裂观察窗30和计算机控制系统44实时监测的压裂施工曲线可确定、分析压裂阶段，评价压裂效果；

S106，排出压裂液，注入液态环氧树脂，等待至破碎岩石固结；具体地，做完一次压裂试验后，降低压裂液注入压力至常压，排掉岩样室18残余压裂液，注入液态环氧树脂直至岩样室18内压裂液全部排出；至破碎的岩石重新固结；

S107，扫描固结的岩石的压裂裂缝，获取岩石的压裂裂缝规律。具体地，可结合显微镜、CT扫描等技术对压裂裂缝进行深入观察研究，获取岩石的压裂裂缝规律。

本发明提供的岩石压裂物理模拟系统试验方法的有益效果在于，能够全面模拟岩石受力状况，通过配置和调整轴向压力和环周围压的设定压力，研究不同的环周压力、轴向压力和其配置对岩石压裂性和压裂效果的影响；通过实时监测和记录岩石压裂过程中的压裂液压力和和流量，可获取储层岩石压裂液的滤失参数，分析获取岩石的压裂施工曲线；通过对破碎重新固结的岩石进行扫描分析，可对压裂裂缝进行深入的观察和研究，分析研究储层岩石压裂的裂缝规律。本试验方法可全面模拟储层岩石的受力状况，为岩石力学性质和压裂效果分析提供可靠数据，给实际工作带有有价值的参考。

进一步地，请参阅图5，作为本发明提供的岩石压裂物理模拟系统的试验方法的一种具体实施方式，还包括如下步骤：

S103，将待测岩样置于密闭的岩样室18内部后，加热待测岩样2，至目标温度；具体地，将待测岩样置于密闭的岩样室18内部后，先进行待测岩样2加热，模拟储层温度环境，通过温控箱34设置和计算机控制系统44控制加压管15对待测岩石加热升温，根据温度传感器31的反馈，直至温度到达目标温度；

S101，对待测岩样2进行裂缝预处理，裂缝预处理包括在待测岩样上制作用于压裂液灌入的盲孔，并在盲孔侧壁上制作射孔，然后再将待测岩样2置于密闭的岩样室18内部。具体地，选取大小合适，两端面切割齐平以及洁净的圆柱状待测岩样2，圆柱状岩样的直径包括但不限于如下尺寸，Ф120mm、Ф105mm、Ф101mm、Ф95mm、Ф89mm、Ф70mm、Ф66mm，采用微型水力掏凿钻机在圆柱型待测岩样2的端面进行钻进，形成盲孔，盲孔的直径一般为待测岩样2直径的五分之一，并通过水力割缝器完成盲孔侧壁上的射孔的加工，测量并记录切割后的待测岩石高度和射孔参数；

在注入液态环氧树脂之前打开用于盛放环氧树脂的储存罐中的保温装置和搅拌装置，保障所述环氧树脂处于液体状态。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种岩石压裂物理模拟系统，其特征在于：包括

主体框架；

岩样室，设置在所述主体框架上，所述岩样室具有用于容置待测岩样的密封腔；

轴向加压装置，位于所述岩样室下方用于对待测岩样施加轴向压力，所述轴向加压装置设有第一压力传感器；

径向加压装置，设置在所述主体框架上用于对待测岩样施加径向压力，所述径向加压装置上设有第二压力传感器；

环状围压装置，用于与所述径向加压装置连接并对待测岩样施加周向压力；

流体输送装置，用于向岩样室内注入试验流体；

所述环状围压装置包括设于所述密封腔环周的立式环状承压板和嵌设在所述立式环状承压板与所述密封腔侧壁之间的承压钢珠；

所述立式环状承压板包括至少一组间隔环状分布的第一立式环状承压板和第二立式环状承压板，所述第一立式环状承压板与所述第二立式环状承压板通过链环连接，所述第一立式环状承压板与所述第二立式环状承压板的连接处设有间隙。

2.如权利要求1所述的岩石压裂物理模拟系统，其特征在于：还包括设于所述密封腔外部的用于给待测岩样加热的加热管以及罩设在所述加热管外部的用于保护所述加热管的挡板，所述挡板设于所述密封腔侧壁与所述立式环状承压板之间且嵌入所述承压钢珠中间，所述立式环状承压板外围设有密封的保温防护壳体。

3.如权利要求2所述的岩石压裂物理模拟系统，其特征在于：所述密封腔上方设有用于使压裂液注入的开孔，所述密封腔上方法兰连接有压裂观察窗，所述密封腔下方依次设有用于放置待测岩样的岩样软垫、用于驱动并压裂待测岩样的压裂活塞，所述轴向加压装置与所述压裂活塞固定连接。

4.如权利要求3所述的岩石压裂物理模拟系统，其特征在于：所述径向加压装置包括多个用于向待测岩样施加径向压力的径向液压千斤顶，每个所述径向液压千斤顶通过斜楔机构与所述立式环状承压板连接，所述轴向加压装置包括轴向液压千斤顶，所述第一压力传感器位于所述轴向液压千斤顶与所述压裂活塞之间。

5.如权利要求3或4所述的岩石压裂物理模拟系统，其特征在于：所述流体输送装置包括用于向岩样室泵送流体的泵压装置、用于储存流体的储存罐以及流体管路，所述流体管路上设有用于控制注入所述岩样室的流体压力的增压器和用于监测注入所述岩样室的流体流量的流量计，所述泵压装置与所述岩样室之间设有用于防止流体倒流的单向阀。

6.如权利要求5所述的岩石压裂物理模拟系统，其特征在于：所述储存罐用于存储压裂液以及用于将破碎的岩石重新固结的环氧树脂，所述储存罐外设有用于使所述环氧树脂保持液体状态的保温装置，所述储存罐内还设有搅拌装置。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的岩石压裂物理模拟系统的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

将待测岩样置于密闭的岩样室内部；

对待测岩样施加轴向压力，至目标压力后，施加环周围压至目标压力值，实时监测待测岩样的轴向压力和环周围压；

压力稳定不变后向密闭的岩样室注入压裂液直至岩石压裂，实时监测并记录压裂液压力和流量，获取岩石的压裂施工曲线和压裂阶段；

排出压裂液，注入液态环氧树脂，等待至破碎岩石固结；

扫描固结的岩石的压裂裂缝，获取岩石的压裂裂缝规律。

8.如权利要求7所述的试验方法，其特征在于，还包括：将待测岩样置于密闭的岩样室内部后，加热待测岩样，至目标温度；

对待测岩样进行裂缝预处理，所述裂缝预处理包括在待测岩样上制作用于压裂液灌入的盲孔，并在所述盲孔侧壁上制作射孔，然后再将待测岩样置于密闭的岩样室内部；

在注入液态环氧树脂之前打开用于盛放环氧树脂的储存罐中的保温装置和搅拌装置，保障所述环氧树脂处于液体状态。

Images