CN111707555A - 颗粒试件水力压裂裂隙扩展可视化的实验方法及实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种颗粒试件水力压裂裂隙扩展可视化的实验方法及实验装置，该实验方法包括步骤1、制备透明颗粒试件；步骤2、真三轴水力压裂可视化实验；步骤3、保存水力压裂试验数据。实施该实验方法步骤1的实验装置为颗粒试件成型箱，它包括壳体、上金属板、下金属板、活动块和压裂孔预制柱。实施该实验方法步骤2和步骤3的实验装置为真三轴水力压裂装置，它包括可视化加载装置、压裂泵、液压加载装置、声发射监测系统和控制接收器；可视化加载装置的内腔中装有小型高清摄像头、光源和声发射探头。本发明的技术效果是：能记录实验装置内的水力压裂试件变化过程的实际数据，使压裂变化可视化，并获得水力压裂裂隙扩展的物理模型。
Description
技术领域
本发明属于水力压裂实验技术领域，具体涉及一种颗粒试件水力压裂裂隙扩展可视化实验方法和实验装置。
背景技术
水力压裂技术可有效增加低渗储层的渗透性，而裂缝动态扩展过程对于压裂参数的优化设计及压裂效果的影响至关重要。一般在实验室中通过水力压裂实验装置来模拟地层高压注水的压裂情况，对水压裂缝形态参数进行直接观察或检测，对煤岩水压裂缝扩展的实际物理过程进行科学描述，为水力压裂技术的现场应用提供理论支撑。但现有的大多数水力压裂实验装置只能观测到试件表面的变形和裂隙，或借助声发射、CT重构等方法间接表征裂隙的演化过程，而其真实的扩展过程不可视，水力压裂过程中裂隙发生的过程信息不可得，难以进行深入的分析研究。因此，必须要解决煤岩水力压裂的过程可视化问题。
此外，人们通常认为煤岩力学行为与颗粒胶结体类似，而且颗粒体物理模型的水力压裂裂隙网状结构借助离散元理论可从微细观的角度予以综合分析，换句话说：本发明所使用的颗粒试件为离散元数值验证分析提供可视化的实验物理模型。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种颗粒试件水力压裂裂隙扩展可视化的实验方法，它能记录实验装置内的水力压裂试件变化过程的实际数据，使压裂变化可视化，并获得水力压裂裂隙扩展的物理模型。本发明还提供一种实施该方法的测试装置。
为了解决上述技术问题，本发明还提供的一种颗粒试件水力压裂裂隙扩展可视化的实验方法，包括以下步骤：
步骤1、制备透明颗粒试件，具体按以下步骤：
步骤11）、将粒径为0.1~3mm的透明颗粒倒入颗粒试件成型箱，上金属板压实透明颗粒后，固定上金属板；
步骤12）、取掉上金属板上的所有塑料螺钉，把定量的透明粘结液倒入壳体方形筒内，并插入活动块；
步骤13）、轻轻按压活动块，使其缓慢向下运动，推动透明粘结液，直至活动块降到指定位置且下金属板透气孔中渗出透明粘结液；
步骤14）、待试件固定成型后，将试件压出颗粒试件成型箱；
步骤2、真三轴水力压裂可视化实验，按以下步骤：
步骤21）、将试件装入真三轴压裂装置中，在试件的压裂孔处预埋压裂液管线，并用环氧树脂进行封固，
步骤22）、控制接收器控制小型高清摄像头和光源的状态，调整至摄像图像清晰，声发射连接正常；
步骤23）、对试件进行三轴应力加载，依次从最小水平主应力、最大水平主应力和垂直应力逐级加载，间隔稳定适当时间，保证试件加载均匀；
步骤24）、压裂泵中压裂液添加颜色染色剂，通过压裂管道向试件内注入；
步骤25）、观看拍摄压裂过程中颜色液体的轨迹和裂隙扩展的过程，当裂隙贯穿试件时，关闭压裂泵；
步骤26）、关闭声发射监测系统，卸载三轴应力，随后关闭控制接收器所控制的小型高清摄像头和光源并取出试件，获得水力压裂裂隙扩展的物理模型；
步骤3、保存水力压裂试验数据，试验数据包括拍摄的视频、声发射监测结果和泵压—时间曲线。
本发明还提供的一种实施上述实验方法步骤1的实验装置，该实验装置为颗粒试件成型箱，包括壳体、上金属板、下金属板、活动块和压裂孔预制柱；壳体为方形筒体，壳体底部为金属螺钉固定的下金属板，下金属板面开有透气孔，透气孔的孔径小于颗粒半径，孔间距小于颗粒半径；下金属板中心位置竖直固定有压裂孔预制柱；壳体的四个侧面按规格尺寸在距离下金属板对应的高度位置开有壳体螺纹孔，上金属板通过金属螺钉固定在壳体布设的壳体螺纹孔位置，上金属板面设有漏液孔，漏液孔的孔径大于颗粒直径，孔间距小于颗粒半径，塑料螺钉填堵漏液孔中；活动块的尺寸小于壳体的内口，活动块插进或抽出壳体方形筒。
本发明又提供的一种实施上述实验方法步骤2和步骤3的实验装置，该实验装置为真三轴水力压裂装置，包括可视化加载装置、压裂泵、液压加载装置和声发射监测系统；所述可视化加载装置包括有三轴向的固定压头和活动压头，每一轴向上的固定压头正对活动压头；
所述固定压头和活动压头内部留有空腔，空腔壁开有小孔，小型高清摄像头和光源正对地分装在固定压头和活动压头的空腔内，空腔口紧密嵌入耐高压的透明玻璃承压板，透明承压板的内腔壁上固定有声发射探头，小型高清摄像头和光源引线穿过小孔与控制接收器相连接，声发射监测系统中的声发射探头连线穿过小孔，上部活动压头的透明承压板上留有压裂用的管道；压裂泵中的压裂液填有颜色染色剂，经过上部活动压头的管道与压裂管道相连；所述活动压头由液压加载装置驱动。
本发明的技术效果是：
本发明通过小型高清摄像头记录水力压裂过程中透明颗粒试件中颜色染色液的轨迹及裂隙扩展情况，实现了真三轴水力压裂过程中裂隙扩展演化过程的可视化；结合颗粒试件成型箱，将颗粒间相互接触的胶结试件应用于水力压裂的模拟实验中，该透明颗粒试件制备方便简单，可视化加载装置可操作性强，可视化结果可与声发射信号相互印证，相互优化，提高了测试结果的准确性，且为水力压裂的科学研究提供了各种参数下的物理模型。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1是本发明使用的颗粒成型箱竖向结构示意图；
图2是本发明使用的真三轴水力压裂装置竖向结构示意图；
图3是本发明使用的可视化加载装置竖向结构示意图。
图中：1、壳体；2、上金属板；3、下金属板；4、活动块；5、压裂孔预制柱；6、壳体螺纹孔；7、塑料螺钉；8、金属螺钉；9、可视化加载装置；10、压裂泵； 11、液压加载装置；12、小型高清摄像头；13、光源；14、声发射监测系统；15、控制接收器；16、空腔，17、小孔；18、声发射探头；19、透明承压板；20、压裂管道；21、放大器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
本发明包括以下步骤：
步骤1、制备透明颗粒试件，按以下步骤：
步骤11）、将粒径为0.1~3mm的玻璃钢颗粒或陶瓷透明颗粒倒入颗粒试件成型箱；
颗粒试件成型箱如图1所示，包括壳体1、上金属板2、下金属板3、活动块4和压裂孔预制柱5；壳体1为方形筒体，壳体底部为用金属螺钉固定的下金属板3，下金属板面开有透气孔，透气孔的孔径小于颗粒半径，孔间距小于颗粒半径；下金属板3中心位置竖直固定有压裂孔预制柱5；壳体1的四个侧面按规格尺寸在距离下金属板3对应的高度位置开有壳体螺纹孔6，上金属板2通过金属螺钉8固定在壳体布设的壳体螺纹孔6位置，上金属板面设有漏液孔，漏液孔的孔径大于颗粒直径，孔间距小于颗粒半径，塑料螺钉7填堵漏液孔中，活动块4的尺寸小于壳体的内口，活动块4插进或抽出壳体方形筒。
上金属板2压实透明颗粒后，固定上金属板2；
步骤12）、取掉上金属板2上的所有塑料螺钉7，把定量的30℃~45℃的透明环氧树脂液倒入恒温壳体方形筒内，并插入活动块4；
步骤13）、轻轻按压活动块4，使其缓慢向下运动，推动透明粘结液，直至活动块4降到指定位置且下金属板3透气孔中渗出透明环氧树脂液；
步骤14）、待试件固定成型后，将试件压出颗粒试件成型箱；
步骤2、真三轴水力压裂可视化实验，按以下步骤：
步骤21）、将试件装入真三轴压裂装置中，在试件的压裂孔处预埋压裂液管线，并用环氧树脂进行封固；
真三轴压裂装置如图2所示，包括可视化加载装置9、压裂泵10、液压加载装置11、声发射监测系统14和控制接收器15；
可视化加载装置如图3所示，所述可视化加载装置9包括有三轴向的固定压头a1、b1、c1和活动压头a2、b2、c2，每一轴向上的固定压头正对活动压头，所述固定压头和活动压头内部留有空腔16，空腔壁开有小孔17，小型高清摄像头12和光源13正对地分装在固定压头和活动压头的空腔内，空腔口紧密嵌入耐高压的透明玻璃承压板19，透明承压板19的内腔壁上固定有声发射探头18，所述透明承压板采用3号料耐高压玻璃，可满足10~20MPa的高压环境且透光率好；小型高清摄像头12和光源13的引线穿过小孔17与控制接收器15相连接，声发射监测系统中的声发射探头18连线穿过小孔17，上部活动压头b2的透明承压板上留有压裂用的管道；压裂泵10中的压裂液填有颜色染色剂，经过上部活动压头b2的管道与压裂管道20相连；声发射监测系统14包括有计算机、放大器21和声发射探头18；控制接收器15控制小型高清摄像头和光源的状态，并能采集、接收和保存小型高清摄像头12的图片；所述活动压头由液压加载装置11驱动。
所述可视化加载装置在三轴向上相应安装3组小型高清摄像头和光源，声发射探头装有至少6个，实验的可视化效果好而且监测稳定。
所述固定压头和活动压头为棱台，剖面呈梯形，内部开有空腔。
步骤22）、控制接收器15控制小型高清摄像头12和光源13的状态，调整至摄像图像清晰，声发射连接正常；
步骤23）、对试件进行三轴应力加载，依次从最小水平主应力、最大水平主应力和垂直应力逐级加载，间隔稳定10min，保证试件加载均匀；
步骤24）、压裂泵10中压裂液添加颜色染色剂，通过压裂管道20向试件内注入；所述颜色染色剂优选红色染色剂；
步骤25）、观看小型高清摄像头12拍摄压裂过程中颜色液体的轨迹和裂隙扩展的过程，当裂隙贯穿试件时，关闭压裂泵10；
步骤26）、关闭声发射监测系统14，卸载三轴应力，随后关闭控制接收器15所控制的小型高清摄像头12和光源13并取出试件，获得水力压裂裂隙扩展的物理模型；
步骤3、保存水力压裂试验数据，试验数据包括有利用拍摄的视频、声发射监测结果和泵压—时间曲线。
利用拍摄的视频，并根据声发射监测结果及泵压-时间曲线结果，全面掌握水力压裂裂隙扩展的动态过程和压裂效果，分析水力裂隙起裂和扩展机理以及不同加载参数对于水力裂隙形态及扩展的影响。
Claims (6)
1.颗粒试件水力压裂裂隙扩展可视化的实验方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1、制备透明颗粒试件，具体按以下步骤：
步骤11）、将粒径为0.1~3mm的透明颗粒倒入颗粒试件成型箱，上金属板压实透明颗粒后，固定上金属板；
步骤12）、取掉上金属板上的所有塑料螺钉，把定量的透明粘结液倒入壳体方形筒内，并插入活动块；
步骤13）、轻轻按压活动块，使其缓慢向下运动，推动透明粘结液，直至活动块降到指定位置且下金属板透气孔中渗出透明粘结液；
步骤14）、待试件固定成型后，将试件压出颗粒试件成型箱；
步骤2、真三轴水力压裂可视化实验，按以下步骤：
步骤21）、将试件装入真三轴压裂装置中，在试件的压裂孔处预埋压裂液管线，并用环氧树脂进行封固；
步骤22）、控制接收器控制小型高清摄像头和光源的状态，调整至摄像图像清晰，声发射连接正常；
步骤23）、对试件进行三轴应力加载，依次从最小水平主应力、最大水平主应力和垂直应力逐级加载，间隔稳定适当时间，保证试件加载均匀；
步骤24）、压裂泵中压裂液添加颜色染色剂，通过压裂管道向试件内注入；
步骤25）、观看拍摄压裂过程中颜色液体的轨迹和裂隙扩展的过程，当裂隙贯穿试件时，关闭压裂泵；
步骤26）、关闭声发射监测系统，卸载三轴应力，随后关闭控制接收器所控制的小型高清摄像头和光源并取出试件，获得水力压裂裂隙扩展的物理模型；
步骤3、保存水力压裂试验数据，试验数据包括利用拍摄的视频、声发射监测结果和泵压—时间曲线。
2.根据权利要求1所述的颗粒试件水力压裂裂隙扩展可视化的实验方法，其特征是：所述透明颗粒为玻璃钢颗粒或陶瓷透明颗粒；所述透明粘结液为透明环氧树脂液。
3.一种实施权利要求1或2所述实验方法步骤1的实验装置，该实验装置为颗粒试件成型箱，其特征是：包括壳体（1）、上金属板（2）、下金属板（3）、活动块（4）和压裂孔预制柱（5）；壳体1为方形筒体，壳体底部为金属螺钉固定的下金属板（3），下金属板面开有透气孔，透气孔的孔径小于颗粒半径，孔间距小于颗粒半径；下金属板（3）中心位置竖直固定有压裂孔预制柱（5）；壳体（1）的四个侧面按规格尺寸在距离下金属板（3）对应的高度位置开有壳体螺纹孔（6），上金属板（2）通过金属螺钉（8）固定在壳体布设的壳体螺纹孔（6）位置，上金属板面设有漏液孔，漏液孔的孔径大于颗粒直径，孔间距小于颗粒半径，塑料螺钉（7）填堵漏液孔中，活动块（4）的尺寸小于壳体的内口，活动块（4）插进或抽出壳体方形筒。
4.一种实施权利要求1或2所述实验方法步骤2和步骤3的实验装置，该实验装置为真三轴水力压裂装置，包括可视化加载装置（9）、压裂泵（10）、液压加载装置（11）和声发射监测装置（14）；所述可视化加载装置（9）包括有三轴向的固定压头（a1、b1、c1）和活动压头（a2、b2、c2），每一轴向上的固定压头正对活动压头，其特征是：
所述固定压头和活动压头内部留有空腔（16），空腔壁开有小孔（17），小型高清摄像头（12）和光源（13）正对地分装在固定压头和活动压头的空腔（16）内，空腔口紧密嵌入耐高压的透明玻璃承压板（19），透明承压板（19）的内腔壁上固定有声发射探头（18），小型高清摄像头（12）和光源（13）的引线穿过小孔（17）与控制接收器（15）相连接，声发射监测系统中的声发射探头（18）连线穿过小孔（17），上部活动压头（b2）的透明承压板上留有压裂用的管道；压裂泵（10）中的压裂液填有颜色染色剂，经过上部活动压头（b2）的管道与压裂管道（20）相连；所述活动压头由液压加载装置（11）驱动。
5.根据权利要求4所述的实验装置，其特征是：所述可视化加载装置在三轴向上相应地安装3组小型高清摄像头和光源，声发射探头装有至少6个。
6.根据权利要求4或5所述的实验装置，其特征是：所述固定压头和活动压头为棱台，剖面呈梯形，内部开有空腔。
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