CN110056335B - 一种三轴多裂纹水力压裂实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种三轴多裂纹水力压裂实验装置，包括压力仓、液压加载装置、注水系统，压力仓包括三轴腔腔体，三轴腔腔体内的三个侧面固定加载装置，加载装置固定加载板，对试样施加三向载荷，模拟三轴不同地应力场的多裂纹水力压裂，采用气动增压双泵提供恒流模式的压裂液注入实现水力压裂作业。三轴腔腔体前侧固定观察窗，采用高强度透明亚克力板材料，通过多通道信息记录仪和视频成像仪实现水力压裂实验的实时监控，同时采用声发射信号监测系统监测裂纹。通过对压裂液的压力、液压加载装置的压力记录信息、声发射监测信息以及压裂过程录像的汇总分析可以得出水力压裂过程中应力与注水压力变化规律以及裂纹扩展规律。

Description

一种三轴多裂纹水力压裂实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及室内多裂纹水力压裂实验技术领域，具体涉及一种在三维地应力场下，可以模拟不同发育构造储层的多裂纹水力压裂的实验装置及实验方法。

背景技术

水力压裂技术是一项重要的油气藏储层改造增产技术，在我国发展已有五十余年，随着近年来非常规油气资源如致密气、煤层气及页岩气等的开发，水力压裂增产技术已成为非常规油气资源开采的主要技术手段，其中水平井多级压裂是目前压裂效率最高的压裂方式。多级压裂不同于常规的单缝压裂，裂缝内部注水压力对周围产生的诱导应力相互叠加，使缝间的应力场发生显著改变，导致裂缝的扩展偏离单缝压裂方向。研究不同裂纹条数、不同间距等压裂设计参数下裂纹扩展规律对多裂纹压裂方案优化起着至关重要的作用。由于压裂现场测试检测成本过高，室内实验作为现场施工的前期研究工作，选取真实储层原岩或者制作真实储层的相似材料模型，开展多裂纹水力压裂实验是研究多裂纹压裂下裂纹扩展规律的重要手段。因此，有必要设计一种三轴多裂纹水力压裂实验系统，用来进行复杂地质储层的多裂纹水力压裂实验研究。

发明内容

为了克服上述已有技术的不足，本发明提供一种三轴多裂纹水力压裂实验装置及方法，为三维复杂储层水力压裂室内实验研究提供平台，可实现1200mm×500mm×500mm的原岩样本或相似材料试件的真三轴多裂纹水力压裂实验及裂纹扩展状态的多手段监测。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种三轴多裂纹水力压裂实验装置，包括压力仓1、注水系统2、压力传感器组5、信息采集系统，信息采集系统包括多通道信息记录仪4、八通道声发射信号监测设备6、信号探头；

所述的压力仓1包括三轴腔腔体101、观察窗102、后加载板104、上加载板105、左加载板106、液压加载装置一、液压加载装置二、液压加载装置三，所述的三轴腔腔体101为中空、仅前侧面开放的方形腔体；

所述的三轴腔腔体101的前侧面固定观察窗102，三轴腔腔体101的内侧顶部、后侧、右侧分别固定液压加载装置一、液压加载装置二、液压加载装置三，所述的液压加载装置一、液压加载装置二、液压加载装置三的压力输出部分分别固定上加载板105、后加载板104、左加载板106，上加载板105、后加载板104、左加载板106对试样的上侧、后侧、左侧进行施压来固定试样和提供压力，试样位于上加载板105、后加载板104、左加载板106与三轴腔腔体101形成的空间内；

所述的观察窗102上设置有一个或一个以上的前后方向贯穿的井孔103；

所述的注水系统2包括动力源201、水箱202、气动增压双泵203、储液腔208、模拟注液筒213、电磁控制阀门214，动力源201通过管路与气动增压双泵203连接，水箱202通过管路与气动增压双泵203的吸入口连接，所述的储液腔208底部设置有注液孔209，顶部固定腔盖205，腔盖205上设置有出液孔204，气动增压双泵203的输出口通过管路与储液腔208底部设置的注液孔209连接，储液腔208内有添加了示踪剂的液压油作为压裂液206和蒸馏水207，液压油密度小于蒸馏水207，压裂液206位于蒸馏水207的上方且互不相溶，出液孔204通过管路与模拟注液筒213连接，所述的注液筒213利用穿过井孔103的管路与井筒连接，且注液筒213与井筒连接的管路上均设置有电磁控制阀门214，电磁控制阀门214通过线路连接有控制开关，井筒固定在试样的孔内；

压力传感器组5包括压裂液压力传感器212、液压加载装置一、液压加载装置二、液压加载装置的液压传感器，所述的多通道信息记录仪4通过线路与压力传感器组5中的压裂液压力传感器212、液压传感器相连；

信号探头粘贴到试样表面，试样表面的探头均通过线路与八通道声发射信号监测设备6连接。

所述的三轴腔腔体101的内侧顶部、后侧、右侧分别固定液压加载装置一、液压加载装置二、液压加载装置三的结构为：三轴腔腔体101的顶部内侧固定有两个沿着左右方向排列的上侧凹槽109，用来固定顶部的液压加载装置一，三轴腔腔体101内部的后侧固定设置有两个后侧凹槽108，用来固定液压加载装置二，右侧内侧固定设置有一个右侧凹槽107，用来固定液压加载装置三，所述的液压加载装置一、液压加载装置二、液压加载装置三均为液压千斤顶，且上述的每个凹槽内均固定一个液压千斤顶。

所述的液压加载装置一、液压加载装置二、液压加载装置三的压力输出部分分别固定上加载板105、后加载板104、左加载板106的结构为：液压加载装置一、液压加载装置二、液压加载装置的液压千斤顶的活塞杆分别固定上加载板105、后加载板104、左加载板106。

三轴多裂纹水力压裂实验装置还包括加载装置控制系统3，液压加载装置一、液压加载装置二、液压加载装置三的液压千斤顶连接有液压泵，每个液压千斤顶的进油口设置有液压传感器，压力传感器组5中的液压传感器、液压泵通过线路与加载装置控制系统3连接。

三轴多裂纹水力压裂实验装置还包括视频成像仪7，所述的观察窗102为亚克力板，视频成像仪7设置于观察窗102的正前方，用于对试样的压裂情况进行图像采集。

所述的信号探头至少为4个，并且4个探头不能处于试样的同一平面，用以实现裂纹的定位。

所述的井孔103的数量为3个，井筒的数量为3个。

所述的三轴腔腔体101或观察窗102上设置有信号探头与八通道声发射信号监测设备6连接线路的穿过孔。

所述的三轴腔腔体101的外尺寸为1300mm×550mm×550mm，所述的试件的尺寸为1200mm×500mm×500mm，试样上孔的直径10mm，深260mm，且数量与井筒的数量相同。

三轴多裂纹水力压裂实验装置的实验方法包括如下步骤：

1）取样或制样：将取出的岩样加工成1000mm×500mm×500mm的长方体块，结合多裂纹实验方案，根据裂纹条数、间距，在试样对应位置钻取直径10mm，深260mm的孔，孔下部20mm为预留的裸眼段，然后用环氧树脂胶将井筒与岩样粘牢，粘严，防止压裂液从井壁泄漏；

2）加载：试样放置压力仓内且固定井筒后，放入加载板，根据实验要求同时将液压加载装置一、液压加载装置二、液压加载装置三的载荷缓慢施加至设定值，直至载荷稳定。

3）水力压裂注液：打开多通道信息记录仪4、八通道声发射信号监测设备6和视频成像仪7，将气动增压双泵203设置为所需流量的恒流模式，按照多裂纹实验方案，同时或依次打开指定的井筒连接管理上的电磁控制阀门214，通过井筒往试件内注入压裂液，当裂纹扩展至试件表面处时或压裂液压力传感器212压力降至0.5MPa以下时，停止注液。

4）通过多通道信息记录仪采集的信息以及压裂过程中八通道声发射信号监测设备采集的信息，视频成像仪7采集的信息以及刨切压裂后试件的裂纹形态、示踪剂的分布进行分析，得到压裂过程中的应力变化以及裂纹扩展规律。

本发明的有益效果是：

1）本发明一种三轴多裂纹水力压裂实验系统与方法，结构简单，易于加工，成本低。

2）本发明进行三轴多裂纹水力压裂实验，可有效模拟真实储层复杂地质构造水力压裂起裂及裂纹扩展，三向载荷独立加载，多手段监测裂纹，可研究不同地应力场条件、不同裂纹条数、不同裂纹间距下水力压裂裂纹起裂及扩展规律。

3）本发明实验系统各组成部分功能独立，可用于多种实验，功能广泛。

附图说明

图1为本发明一种三轴多裂纹水力压裂实验系统结构示意图。

图2为本发明压力仓结构示意图。

图3 为本发明注水系统结构示意图。

附图标记：1-压力仓，2-注水系统，3-加载装置控制系统，4-多通道信息记录仪，5-压力传感器，6-八通道声发射信号监测设备，7-视频成像仪，101-三轴腔腔体，102-观察窗，103-井孔，104-后加载板，105-上加载板，106-左加载板，107-右侧凹槽，108-后侧凹槽，109-上侧凹槽，201-动力源，202-水箱，203-气动增压双泵，204-出液孔，205-腔盖，206-压裂液，207-蒸馏水，208-储液腔，209-注液孔，210-腔体支架，211-三通接头，212-压裂液压力传感器，213-模拟注液筒，214-电磁控制阀门。

具体实施方式

下面结合附图1-3，对本发明进行进一步叙述。

以图1所示定义方向，朝向观察窗102的方向定义为前侧，反之为后侧，以图1的左侧定义为左侧，右侧定义为右侧，朝向三轴腔腔体101的顶部定义的上方，反之为下方。

如图1所示，一种三轴多裂纹水力压裂实验系统包括压力仓1、加载装置控制系统3、注水系统2、信息采集系统、信息采集系统包括多通道信息记录仪、压力传感器组5、八通道声发射信号监测设备6、信号探头、视频成像仪7。

图2中，所述的压力仓1包括三轴腔腔体101、观察窗102、后加载板104、上加载板105、左加载板106，所述的三轴腔腔体101、后加载板104、上加载板105、左加载板106材料为铸钢，不包含右侧凹槽107、后侧凹槽108、上侧凹槽109的三轴腔腔体101的外尺寸为1300mm×550mm×550mm，所述的三轴腔腔体101为中空的方形腔体。

图2所述的三轴腔腔体101的顶部内侧固定有两个沿着左右方向排列的上侧凹槽109，用来固定顶部的液压加载装置一，三轴腔腔体101内部的后侧固定设置有两个后侧凹槽108，用来固定前后方向的液压加载装置二，右侧内侧固定设置有一个右侧凹槽107，用来固定左右方向的液压加载装置三，所述的液压加载装置一、液压加载装置二、液压加载装置三均为液压千斤顶，且上述的每个凹槽内均固定一个液压千斤顶。

图2所述的三轴腔腔体101的前侧固定800mm×300mm×300mm mm的观察窗102，视频成像仪7设置与观察窗102的正前方，观察窗102上设置有n（n=1,2,3,4,5）个直径20mm的井孔103，观察窗102为亚克力板或铸钢板,观察窗102为非透明材质时，将不能使用视频成像仪7成像，仅能采用八通道声发射信号监测设备检测试样的裂纹扩展情况，井孔103的数目及间距根据实验方案定制。

图2所述的三轴腔腔体101底面为封闭，三轴腔腔体101放置1200mm×500mm×500mm的长方体试件和后加载板104、上加载板105、左加载板106，液压加载装置一、液压加载装置二、液压加载装置的液压千斤顶的活塞杆分别固定上加载板105、后加载板104、左加载板106，上加载板105、后加载板104、左加载板106对试样的上侧、后侧、左侧进行施压来固定试样，当观察窗102为亚克力板时，后加载板104的加载压力要小于使观察窗102碎裂的压力。

图3中，所述的所述的注水系统2包括动力源201、水箱202、气动增压双泵203、腔盖205、储液腔208，腔体支架210、三通接头211、压裂液压力传感器212、模拟注液筒213、电磁控制阀门214，动力源201通过管路与气动增压双泵203连接，为气动增压双泵203提供动力，水箱202通过管路与气动增压双泵203的吸入口连接，所述的气动增压双泵203可实现高压下双泵交替的恒流恒压不间断输出模式。

图3中所述的储液腔208底部设置有注液孔209，顶部固定腔盖205，腔盖205上设置有出液孔204，气动增压双泵203的输出口通过管路与储液腔208底部设置的注液孔209连接，储液腔208内有添加了示踪剂的液压油作为压裂液206和蒸馏水207，液压油密度小于蒸馏水207，压裂液206位于蒸馏水207的上方且互不相溶。

图3中所述的蒸馏水206通过气动增压双泵203可减少对泵的伤害，蒸馏水207的密度大于液压油206密度，并且互不相溶。基于该特点，利用蒸馏水207推动压裂液206进行压裂实验。

图3中所述的腔体支架210固定在储液腔208下方，用来稳定安置支撑储液腔208。出液孔204通过管路与模拟注液筒213连接，且之间的连接管路上设置有三通接头，用于安装压裂液压力传感器212。

图3中所述的注液筒213与通过管路与井孔103数量相同的井筒连接，且注液筒213与井筒连接的管路上均设置有电磁控制阀门214，电磁控制阀门214可实现远距离实时控制。

图1中所述的压力传感器组5包括压裂液压力传感器212、测量液压加载装置一、液压加载装置二、液压加载装置三的每个液压缸的液压油压力的液压传感器，用来采集实验过程中压裂液压力传感器212压裂实验时压裂液的压力，液压加载装置一、液压加载装置二、液压加载装置三的载荷。

图1中所述的多通道信息记录仪4通过线路与压力传感器组5中的压裂液压力传感器212、液压传感器相连，最多可同时采集64通道的数据。

液压加载装置一、液压加载装置二、液压加载装置三均为液压千斤顶连接有液压泵，压力传感器组5中的液压传感器、液压泵通过线路与加载装置控制系统3连接。

图1中所述的八通道声发射信号监测设备6，至少用4个探头粘贴到试样表面，并且4个探头不能处于同一平面，用以实现裂纹的定位。

图1中所述的7为视频成像仪，可实现对试件表面实时高频的成像与记录。

一种三轴多裂纹水力压裂实验方法，包括以下步骤：

1）取样或制样：将取出的岩样加工成1000mm×500mm×500mm的长方体块，结合多裂纹实验方案（裂纹条数，间距等），在试样对应位置钻取直径10mm，深260mm的孔，孔下部20mm为预留的裸眼段，然后用高强度环氧树脂胶将井筒与岩样粘牢，粘严，防止压裂液从井壁泄漏。同时还可以根据岩石力学性质与复杂地质构造资料，基于相似原理，利用水泥、石英砂、石膏、缓凝剂制作岩石相似材料试件，制样时采用在井筒位置处预埋井筒，用纯水泥填充井壁周围，防止压裂液的泄漏。

2）加载：试样放置压力仓内且固定井筒后，放入加载板，根据实验要求同时将液压加载装置一、液压加载装置二、液压加载装置三的载荷缓慢施加至设定值，直至载荷稳定，由于三轴腔腔体101为中空、仅前侧面开放的方形腔体，且前侧开放处固定观察窗102，所以液压加载装置一、液压加载装置二、液压加载装置三加载时，加载装置对面的三轴腔腔体101的腔内壁或者观察窗支撑试样；

3）水力压裂注液：打开多通道信息记录仪4、八通道声发射信号监测设备6和视频成像仪7，将气动增压双泵203设置为所需流量的恒流模式，按照多裂纹实验方案，同时或依次打开指定的井筒连接管理上的电磁控制阀门214，通过井筒往试件内注入压裂液，当裂纹扩展至试件表面处时或压裂液压力传感器212压力降至0.5MPa以下时，停止注液。

4）通过多通道信息记录仪采集的信息以及压裂过程八通道声发射信号监测设备采集的信息，视频成像仪7采集的信息以及刨切压裂后试件的裂纹形态、示踪剂的分布进行分析汇总，可以得到压裂过程中的应力变化以及裂纹扩展规律。

根据以上所述方法，进行下述水力压裂实验：

将所取岩样切割为1000mm×500mm×500mm的立方体块；利用刻度尺测量并标记压裂方案中井孔位置，利用钻孔机以标记点为中心钻取直径10mm，深260mm的孔；将加工好的试件有钻孔侧与压力仓注水孔侧对应放置。在模拟井壁一端240mm处进行标记，在其范围内均匀涂抹高强度环氧树脂胶涂，之后固定在上述钻孔中。放置加载板，同时缓慢施加三向载荷至实验设计值直至载荷稳定。以所需恒定流量设定气动增压双泵为恒流模式输出，打开注液系统线路上各个阀门开关，运行气动增压双泵，按照实验方案同时或依次打开各注液孔阀门，同时打开声发射信号监测设备、录像设备开始采集。结合声发射信号结果、录像观测及压裂液压力变化曲线，当裂纹扩展至试件表面处时或压力曲线中压力低于0.5MPa后，停止注液。保存并关闭信息采集仪、声发射信号监测设备及录像设备，分析汇总得出多裂纹水力压裂过程中注液压力变化及裂纹扩展规律。

Claims (10)

1.一种三轴多裂纹水力压裂实验装置，包括压力仓（1）、注水系统（2）、压力传感器组（5）、信息采集系统，信息采集系统包括多通道信息记录仪（4）、八通道声发射信号监测设备（6）、信号探头，其特征在于：

所述的压力仓（1）包括三轴腔腔体（101）、观察窗（102）、后加载板（104）、上加载板（105）、左加载板（106）、液压加载装置一、液压加载装置二、液压加载装置三，所述的三轴腔腔体（101）为中空、仅前侧面开放的方形腔体；

所述的三轴腔腔体（101）的前侧面固定观察窗（102），三轴腔腔体（101）的内侧顶部、后侧、右侧分别固定液压加载装置一、液压加载装置二、液压加载装置三，所述的液压加载装置一、液压加载装置二、液压加载装置三的压力输出部分分别固定上加载板（105）、后加载板（104）、左加载板（106），上加载板（105）、后加载板（104）、左加载板（106）对试样的上侧、后侧、左侧进行施压来固定试样和提供压力，试样位于上加载板（105）、后加载板（104）、左加载板（106）与三轴腔腔体（101）形成的空间内；

所述的观察窗（102）上设置有一个或一个以上的前后方向贯穿的井孔（103）；

所述的注水系统（2）包括动力源（201）、水箱（202）、气动增压双泵（203）、储液腔（208）、模拟注液筒（213）、电磁控制阀门（214），动力源（201）通过管路与气动增压双泵（203）连接，水箱（202）通过管路与气动增压双泵（203）的吸入口连接，所述的储液腔（208）底部设置有注液孔（209），顶部固定腔盖（205），腔盖（205）上设置有出液孔（204），气动增压双泵（203）的输出口通过管路与储液腔（208）底部设置的注液孔（209）连接，储液腔（208）内有添加了示踪剂的液压油作为压裂液（206）和蒸馏水（207），液压油密度小于蒸馏水（207），压裂液（206）位于蒸馏水（207）的上方且互不相溶，出液孔（204）通过管路与模拟注液筒（213）连接，所述的注液筒（213）利用穿过井孔（103）的管路与井筒连接，且注液筒（213）与井筒连接的管路上均设置有电磁控制阀门（214），电磁控制阀门（214）通过线路连接有控制开关，井筒固定在试样的孔内；

压力传感器组（5）包括压裂液压力传感器（212）、液压加载装置一、液压加载装置二、液压加载装置的液压传感器，所述的多通道信息记录仪（4）通过线路与压力传感器组（5）中的压裂液压力传感器（212）、液压传感器相连；

信号探头粘贴到试样表面，试样表面的探头均通过线路与八通道声发射信号监测设备（6）连接。

2.根据权利要求1所述的三轴多裂纹水力压裂实验装置，其特征在于：所述的三轴腔腔体（101）的内侧顶部、后侧、右侧分别固定液压加载装置一、液压加载装置二、液压加载装置三的结构为：三轴腔腔体（101）的顶部内侧固定有两个沿着左右方向排列的上侧凹槽（109），用来固定顶部的液压加载装置一，三轴腔腔体（101）内部的后侧固定设置有两个后侧凹槽（108），用来固定液压加载装置二，右侧内侧固定设置有一个右侧凹槽（107），用来固定液压加载装置三，所述的液压加载装置一、液压加载装置二、液压加载装置三均为液压千斤顶，且上述的每个凹槽内均固定一个液压千斤顶。

3.根据权利要求2所述的三轴多裂纹水力压裂实验装置，其特征在于：所述的液压加载装置一、液压加载装置二、液压加载装置三的压力输出部分分别固定上加载板（105）、后加载板（104）、左加载板（106）的结构为：液压加载装置一、液压加载装置二、液压加载装置的液压千斤顶的活塞杆分别固定上加载板（105）、后加载板（104）、左加载板（106）。

4.根据权利要求3所述的三轴多裂纹水力压裂实验装置，其特征在于：还包括加载装置控制系统（3），液压加载装置一、液压加载装置二、液压加载装置三的液压千斤顶连接有液压泵，每个液压千斤顶的进油口设置有液压传感器，压力传感器组（5）中的液压传感器、液压泵通过线路与加载装置控制系统（3）连接。

5.根据权利要求4所述的三轴多裂纹水力压裂实验装置，其特征在于：还包括视频成像仪（7），所述的观察窗（102）为亚克力板，视频成像仪（7）设置于观察窗（102）的正前方，用于对试样的压裂情况进行图像采集。

6.根据权利要求4所述的三轴多裂纹水力压裂实验装置，其特征在于：所述的信号探头至少为4个，并且4个探头不能处于试样的同一平面，用以实现裂纹的定位。

7.根据权利要求1-5任一项所述的三轴多裂纹水力压裂实验装置，其特征在于：所述的井孔（103）的数量为3个，井筒的数量为3个。

8.根据权利要求1-5任一项所述的三轴多裂纹水力压裂实验装置，其特征在于：所述的三轴腔腔体（101）或观察窗（102）上设置有信号探头与八通道声发射信号监测设备（6）连接线路的穿过孔。

9.根据权利要求5所述的三轴多裂纹水力压裂实验装置，其特征在于：所述的三轴腔腔体（101）的外尺寸为1300mm×550mm×550mm，所述的试样的尺寸为1200mm×500mm×500mm，试样上孔的直径10mm，深260mm，且数量与井筒的数量相同。

10.根据权利要求9所述的三轴多裂纹水力压裂实验装置的实验方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）取样或制样：将取出的岩样加工成1000mm×500mm×500mm的长方体块，结合多裂纹实验方案，根据裂纹条数、间距，在试样对应位置钻取直径10mm，深260mm的孔，孔下部20mm为预留的裸眼段，然后用环氧树脂胶将井筒与岩样粘牢，粘严，防止压裂液从井壁泄漏；

2）加载：试样放置压力仓内且固定井筒后，放入加载板，根据实验要求同时将液压加载装置一、液压加载装置二、液压加载装置三的载荷缓慢施加至设定值，直至载荷稳定；

3）水力压裂注液：打开多通道信息记录仪（4）、八通道声发射信号监测设备（6）和视频成像仪（7），将气动增压双泵（203）设置为所需流量的恒流模式，按照多裂纹实验方案，同时或依次打开指定的井筒连接管理上的电磁控制阀门（214），通过井筒往试件内注入压裂液，当裂纹扩展至试件表面处时或压裂液压力传感器（212）压力降至0.5MPa以下时，停止注液；

4）通过多通道信息记录仪采集的信息以及压裂过程中八通道声发射信号监测设备采集的信息，视频成像仪（7）采集的信息以及刨切压裂后试件的裂纹形态、示踪剂的分布进行分析，得到压裂过程中的应力变化以及裂纹扩展规律。