CN109709214B - 页岩原位转化过程中动态裂缝测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种页岩原位转化过程中动态裂缝测量装置，包括：加热保温装置，具有内腔；反应装置，设置在内腔中，反应装置包括样品加持组件和压力组件，样品加持组件呈上下均开口的筒状结构，压力组件包括支撑柱塞和液压杆，支撑柱塞设置在样品加持组件的下端开口处，液压杆设置在样品加持组件的上端开口处，支撑柱塞与液压杆之间形成用于容纳岩心样品的容纳腔体，液压杆上设置有控压接口；声发射监测装置，一端能够置于容纳腔体内，另一端置于样品加持组件外；流体采集单元，与控压接口连接。本发明能够全程模拟地下原位转化过程，通过声发射监测装置动态监测泥页岩裂缝生长全过程，明确裂缝大小、产状，重构三维裂缝分布模型。
Description
技术领域
本发明涉及一种页岩原位转化过程中动态裂缝测量装置。
背景技术
目前，中国石油工业已进入常规-非常规油气并重阶段，页岩油气是非常规油气重要的资源类型，美国、加拿大、中国、阿根廷已实现页岩气的商业开发(贾承造等，2012；邹才能等，2012)。我国页岩油气资源丰富，分布范围广，但地质条件相对于北美地区更为复杂，勘探开发难度大(杨华等，2013；邹才能等，2014)。水平井分段压裂技术是目前页岩气有效开发的关键，压裂效果的优劣在很大程度上决定了单井产量的高低。然而，我国陆相页岩油成熟度不高，主体处于生油窗范围内，无法通过水平井分段压裂获得工业产能。因此，以页岩原位加热为核心的原位转化技术成为页岩油工业开发的选择。在页岩加热过程中，伴随着生排烃过程，页岩会产生大量的裂缝，一方面传导热量，扩大热量波及面积，另一方面沟通孔隙，形成烃类产出的通道，因此页岩在加热过程中裂缝空间展布与发育的控制因素是原位转化过程研究的关键。
针对页岩人工裂缝的空间展布及控制因素，前人已进行了大量的研究工作。大部分工作是基于水力压裂技术开发页岩油气，人工裂缝的起裂与延展依据为线弹性断裂力学理论(Hubbert和Willis，1957；黄荣樽，1981；刘洋等，2009；钟建华等，2015；李小刚等，2015)，认为裂缝延伸主要取决于地应力，最终延伸方向趋于垂直最小主应力。影响裂缝起裂的因素主要集中在地应力、地层压力、井内流体压力、压裂液向地层的渗滤流动及被压裂地层的岩石力学性质(黄荣樽，1981；雷群等，2009；连志龙等，2009；翁定为等，2011；曲冠政等，2016)。裂缝形态及空间展布的研究方法主要集中在岩石力学实验、数值模拟与微地震监测三个方面。在岩石力学实验方面，主要通过对三个角度(0°、45°和90°)的柱塞样品开展三轴应力实验，观察裂缝产生及延展特征，获取泊松比与杨氏模量，评价储层的可压裂性(翁定为等，2011；李连崇等，2013；钟建华等，2015；李小刚等，2015)。在数值模拟方面，已有研究主要集中于数学算法优化与软件升级，如刘洋等(2009)考虑分形效应研究水力压裂裂缝三维延伸特征；程远方(2012)等通过对可视化平台软件进行二次开发，实现定向井裂缝模型的仿真显示，突破了常规裂缝形态以图表形式展示的不足；侯冰等(2015)针对砂泥岩互层定向井压裂，开展真三轴实验研究裂缝穿层扩展规律。在微地震监测方面，通过改变监测方式、提高检波器数量等方式，实现对压裂过程中产生裂缝的位置、方位、长度、高度等参数的实时监测(如，Will等，2009；唐杰等，2015；杨炳祥和邹一峰，2015；容娇君等，2015)，有效评价压裂作业效果。
然而，上述研究工作主要集中在宏观大尺度(米级～千米级)，通过外加应力研究裂缝的生长，关注点多为现场试验效果，缺乏对页岩加热过程中裂缝形成机理的深入研究，导致对页岩加热过程中裂缝的生长与空间展布特征认识仍不清晰。经调研，目前尚未研发出高温高压条件下页岩裂缝原位检测设备。本发明旨在研发一种用于页岩原位转化过程中动态裂缝测量装置，通过高温高压物理模拟原位转化过程，研究泥页岩人工裂缝生长过程，重构三维裂缝分布模型，实现对页岩原位转化过程中裂缝的精细评价，为现场施工提供技术支持。
现有技术一：微地震监测法，该方法主要用于压裂现场监测。在储层改造过程中，通过对水力压裂导致岩石破裂产生的破裂振动信号进行监测，实现对裂缝长、宽、高等几何信息的刻画。目前微地震监测主要包括井下微地震监测与地面微地震监测，主要操作流程如下：(1)根据现场条件及施工要求选择合适的微地震监测方式，以井下微地震监测为例，在邻近监测井中布置高灵敏度、高频率检波器，检波器数量及组合方式视具体情况而定；(2)压裂施工进行过程中，利用检波器接收微地震波信号，设置合理的采样间距，一般为0.5ms，也可根据具体情况调整；(3)根据接收到的纵波和横波时差，建立一系列的方程组，反解后可计算出微地震震源位置，进而确定裂缝的方位、长度、高度、产状等几何形态参数。
现有技术一的缺点：(1)监测精度低，无法直接反映裂缝空间分布：此技术关注于施工现场压裂效果的实时评价，仅能对米级甚至几十米级以上的裂缝进行观察，无法对微观微裂缝展布特征与控制因素进行详细分析；获取的图像仅为地震波响应信号，不能直接反映裂缝的形态与空间分布；(2)信号干扰大，降低解释准确度：此技术实施过程中，除压裂产生的储层破裂信号外，机器轰鸣、地面振动、天然地震等均会产生噪声，对监测效果产生影响，特别是地面微地震监测，噪声往往大于真实信号响应，造成解释结果偏差，影响现场施工。
现有技术二：岩石力学分析法，主要通过三轴应力实验研究岩石的破裂性质与力学性质参数，主要操作流程如下：(1)样品制备：钻取不同方向(0°、45°与90°)的柱塞样品，测量直径与高度，计算横截面积；(2)样品安置：将安装好的岩样与测量装置放到三轴试验底座上，压力舱充油，通过计算机进行自动控制和数据采集，直至围压达到实验设定的目标值；(3)样品加压：以设定的速度加轴压至设定值，选择合适的声波发射和接收仪的能量、衰减以及滤波频率，继续加载直到样品破坏，观察裂缝发育部位；(4)试验记录：根据计算机自动连续记录的载荷、轴向和径向应变或变形读数，绘制轴向和径向应力应变曲线，根据理论模型，计算泊松比与杨氏模量。
现有技术二的缺点：(1)缺乏对裂缝形成过程的直接刻画：此技术是根据轴向和径向应力应变曲线研究裂缝形成过程，获取参数多为曲线和参数，无法对实验过程中裂缝形态的演变进行研究；(2)研究精度低，手段单一：此技术分辨率基本为厘米级别，主要依赖肉眼对最终裂缝形态进行观察，无法对裂缝切穿的矿物、裂缝与已有孔隙之间的关系进行研究。
发明内容
本发明提供了一种页岩原位转化过程中动态裂缝测量装置，以达到对页岩原位转化过程中裂缝进行评价，为现场施工提供技术支持的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种页岩原位转化过程中动态裂缝测量装置，包括：加热保温装置，具有内腔；反应装置，设置在内腔中，反应装置包括样品加持组件和压力组件，样品加持组件呈上下均开口的筒状结构，压力组件包括支撑柱塞和液压杆，支撑柱塞设置在样品加持组件的下端开口处，液压杆设置在样品加持组件的上端开口处，支撑柱塞与液压杆之间形成用于容纳岩心样品的容纳腔体，液压杆上设置有控压接口；声发射监测装置，一端能够置于容纳腔体内，另一端置于样品加持组件外；流体采集单元，与控压接口连接。
进一步地，反应装置还包括密封组件，密封组件沿样品加持组件的内壁设置。
进一步地，声发射监测装置包括波导杆、声发射探头和信号采集系统，波导杆的一端能够置于容纳腔体内，波导杆的另一端置于样品加持组件外侧并设置有声发射探头，声发射探头与信号采集系统连接。
进一步地，样品加持组件设置有多个径向延伸的通孔，每个通孔内均设置有一个波导杆。
进一步地，多个通孔沿样品加持组件的轴向方向间隔均布。
进一步地，加热保温装置包括固定加热单元和活动加热单元，活动加热单元铰接在固定加热单元上，且活动加热单元与固定加热单元能够闭合并形成圆柱形加热腔体。
进一步地，固定加热单元和活动加热单元内均设置有间隔设置的电阻加热组件，电阻加热组件外周填充有石棉填充层。
进一步地，流体采集单元包括流体产出管路、流量计和流体容器，流体产出管路的一端与控压接口连接，流量计设置在流体产出管路上，流体产出管路的另一端与流体容器连接。
进一步地，流体采集单元还包括回压单元，设置在流体产出管路。
进一步地，样品加持组件包括保护支撑筒。
本发明的有益效果是，本发明实施例能够设定合理的温度与压力，全程模拟地下原位转化过程，通过声发射监测装置动态监测泥页岩裂缝生长全过程，明确裂缝大小、产状，重构三维裂缝分布模型。
本发明实施例有效弥补了目前无页岩原位转化裂缝检测装置的空白，对进一步完善页岩油原位转化流体与热场传导理论模型，推动实验室基础研究与相关学科发展具有重要意义。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例中反应装置的结构示意图；
图3为本发明实施例中加热保温装置的结构示意图。
图中附图标记：10、加热保温装置；11、固定加热单元；12、活动加热单元；13、电阻加热组件；14、石棉填充层；20、反应装置；21、支撑柱塞；22、液压杆；23、保护支撑筒；24、密封组件；221、控压接口；231、通孔；30、声发射监测装置；31、波导杆；40、流体采集单元；41、流体产出管路。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1至图3所示，本发明实施例提供了一种页岩原位转化过程中动态裂缝测量装置，该页岩原位转化过程中动态裂缝测量装置包括加热保温装置10、反应装置20、声发射监测装置30和流体采集单元40。加热保温装置10，具有内腔。反应装置20设置在内腔中，反应装置20包括样品加持组件和压力组件，样品加持组件呈上下均开口的筒状结构，压力组件包括支撑柱塞21和液压杆22，支撑柱塞21设置在样品加持组件的下端开口处，液压杆22设置在样品加持组件的上端开口处，支撑柱塞21与液压杆22之间形成用于容纳岩心样品的容纳腔体，液压杆22上设置有控压接口221。声发射监测装置30，一端能够置于容纳腔体内，另一端置于样品加持组件外。流体采集单元40，与控压接口221连接。
本发明实施例能够设定合理的温度与压力，全程模拟地下原位转化过程，通过声发射监测装置30动态监测泥页岩裂缝生长全过程，明确裂缝大小、产状，重构三维裂缝分布模型。
本发明实施例有效弥补了目前无页岩原位转化裂缝检测装置的空白，对进一步完善页岩油原位转化流体与热场传导理论模型，推动实验室基础研究与相关学科发展具有重要意义。
样品加持组件包括保护支撑筒23。该保护支撑筒23由紫铜套与保护钢套组成，其中紫铜套具有高温密封性，保证在1000℃之内不变形，保护钢套主要防止岩心样品受外力影响破坏。
反应装置20还包括密封组件24，密封组件24沿样品加持组件的内壁设置。密封组件24包括密封单元与密封轴套，密封组件24主要防止产生的流体经岩心样品表面与样品加持组件的缝隙逸散。
声发射监测装置30包括波导杆31、声发射探头和信号采集系统，波导杆31的一端能够置于容纳腔体内，波导杆31的另一端置于样品加持组件外侧并设置有声发射探头，声发射探头与信号采集系统连接。
波导杆31由耐高温的不锈钢组成，要求为实心圆柱，波导杆31的直径与声发射探头的直径一致。波导杆31一端需紧密贴近岩心样品的表面，保证岩心样品内部产生的声发射信号尽可能多的经过波导杆31传导到声发射探头处。同时，在保证正常工作的前提下，波导杆31应尽可能短一些，以减少波导杆31造成的信号损失。声发射探头要求具有较高的灵敏度，且耐受温度不应低于90℃。信号采集系统需满足对声发射信号进行滤波和处理，通过确定不同传感器的位置，实现对裂缝三维空间分布的表征。
如图2所示，样品加持组件设置有多个径向延伸的通孔231，每个通孔231内均设置有一个波导杆31。多个通孔231沿样品加持组件的轴向方向间隔均布。本发明实施例中上述通孔231可以为8个、16个或32个。
优选地，该通孔231的直径尽量稍大于波导杆31的直径，防止实验过程中由于仪器本身振动对实验结果造成影响。
需要说明的是，上述反应装置20选用的材料要求在600℃条件下无声发射信号或者响应信号，频率固定且处于低频段，防止对真实的样品信号造成干扰。
如图3所示，加热保温装置10包括固定加热单元11和活动加热单元12，活动加热单元12铰接在固定加热单元11上，且活动加热单元12与固定加热单元11能够闭合并形成圆柱形加热腔体。
固定加热单元11和活动加热单元12内均设置有间隔设置的电阻加热组件13，电阻加热组件外周填充有石棉填充层14。
加热保温装置10设计为圆柱形保温装置，以全直径岩心研究为例，要求加热保温装置10的外径为20cm，内径10cm，采用电阻加热组件13与石棉填充层14，石棉具有良好的保温性且不易燃，可以满足600℃以上的实验要求，保证实验过程中热量不散失，样品经受相同的温度，最大限度保证实验结果的准确性。加热保温装置10内部同样预留波导杆31的引入孔，保证后续声发射信号的顺利检测。
流体采集单元40包括流体产出管路41、回压单元、流量计和流体容器，流体产出管路41的一端与控压接口221连接，流量计设置在流体产出管路41上，流体产出管路41的另一端与流体容器连接。回压单元设置在流体产出管路41。
流体采集之前，需要对整个采集单元的死体积进行计算，回压单元主要用于设定流体产出压力的门限值，一般情况下回压单元设置的压力与地层压力相同，其他情况请根据实际研究需要自主确定；流量计要求具有较高的计量精度，分为气体与液体计量两个部分。
需要说明的是，本发明实施例要求所有组件最低耐受温度不低于600℃，最低耐受压力不小于20MPa，允许岩心样品直径10cm，长度不低于15cm。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：本发明实施例能够设定合理的温度与压力，全程模拟地下原位转化过程，通过声发射监测装置30动态监测泥页岩裂缝生长全过程，明确裂缝大小、产状，重构三维裂缝分布模型。
本发明实施例有效弥补了目前无页岩原位转化裂缝检测装置的空白，对进一步完善页岩油原位转化流体与热场传导理论模型，推动实验室基础研究与相关学科发展具有重要意义。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。
Claims (5)
1.一种页岩原位转化过程中动态裂缝测量装置，其特征在于，页岩原位转化过程是以页岩原位加热为核心的原位转化过程，包括：
加热保温装置(10)，具有内腔；
反应装置(20)，设置在所述内腔中，反应装置(20)包括样品加持组件和压力组件，所述样品加持组件呈上下均开口的筒状结构，所述样品加持组件包括保护支撑筒(23)，保护支撑筒(23)由紫铜套与保护钢套组成，所述压力组件包括支撑柱塞(21)和液压杆(22)，支撑柱塞(21)设置在所述样品加持组件的下端开口处，液压杆(22)设置在所述样品加持组件的上端开口处，支撑柱塞(21)与液压杆(22)之间形成用于容纳岩心样品的容纳腔体，液压杆(22)上设置有控压接口(221)；反应装置(20)还包括密封组件(24)，密封组件(24)沿所述样品加持组件的内壁设置，密封组件(24)紧贴所述岩心样品的侧面设置；
声发射监测装置(30)，一端能够置于所述容纳腔体内，另一端置于所述样品加持组件外，声发射监测装置(30)包括波导杆(31)、声发射探头和信号采集系统，所述波导杆(31)的直径与所述声发射探头的直径一致，波导杆(31)的一端能够置于所述容纳腔体内并紧密贴紧所述岩心样品的表面，波导杆(31)的另一端置于所述样品加持组件外侧并设置有声发射探头，所述声发射探头与信号采集系统连接，所述样品加持组件设置有多个径向延伸的通孔(231)，每个通孔(231)内均设置有一个波导杆(31)，且通孔(231)的直径稍大于波导杆(31)的直径；通过声发射监测装置(30)动态监测页岩裂缝生长全过程，明确裂缝大小、产状，重构三维裂缝分布模型；
流体采集单元(40)，与控压接口(221)连接；流体采集单元(40)包括流体产出管路(41)和回压单元，回压单元设置在流体产出管路(41) ，回压单元用于设定流体产出压力的门限值，回压单元设置的压力与地层压力相同。
2.根据权利要求1所述的页岩原位转化过程中动态裂缝测量装置，其特征在于，多个通孔(231)沿所述样品加持组件的轴向方向间隔均布。
3.根据权利要求1所述的页岩原位转化过程中动态裂缝测量装置，其特征在于，加热保温装置(10)包括固定加热单元(11)和活动加热单元(12)，活动加热单元(12)铰接在固定加热单元(11)上，且活动加热单元(12)与固定加热单元(11)能够闭合并形成圆柱形加热腔体。
4.根据权利要求3所述的页岩原位转化过程中动态裂缝测量装置，其特征 在于，固定加热单元(11)和活动加热单元(12)内均设置有间隔设置的电阻加热组件(13)，所述电阻加热组件外周填充有石棉填充层(14)。
5.根据权利要求1所述的页岩原位转化过程中动态裂缝测量装置，其特征在于，流体采集单元(40)还包括流量计和流体容器，流体产出管路(41)的一端与控压接口(221)连接，所述流量计设置在流体产出管路(41)上，流体产出管路(41)的另一端与所述流体容器连接。
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