CN112213226B - 用于研究高温储层压裂改造微观破裂机制的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于研究高温储层压裂改造微观破裂机制的实验装置及方法，所述实验装置包括显微镜、操作台、压紧装置、冷却液喷射装置以及高温干燥箱；操作台安装在所述显微镜的载物台上，所述操作台的上表面设有用于容置岩心的容纳槽；压紧装置具有位于所述容纳槽内且用于与所述容纳槽的内壁配合压紧所述岩心的压紧部；冷却液喷射装置安装在所述操作台上，所述冷却液喷射装置具有用于与冷却液源连接的进液口、以及用于向所述岩心上浇注冷却液的出液口；以及，高温干燥箱用于容置所述岩心并对所述岩心恒温加热。

Description

用于研究高温储层压裂改造微观破裂机制的实验装置及方法

本申请是分案申请，原申请的申请号为201710805086.9，申请日为2017年9月7日，发明名称“用于研究低温诱导热应力致裂的实验装置及利用该实验装置研究低温诱导热应力致裂的实验方法”。

技术领域

本发明涉及高温热储层技术领域，特别涉及一种用于研究高温储层压裂改造微观破裂机制的实验装置及利用该实验装置研究低温诱导热应力致裂的实验方法。

背景技术

地热能根据成因和产出条件分为水热型和干热岩型地热资源，地热能利用的关键是如何有效开发储量大(按1％回收率计算，可供全球使用2800年)、开发难(埋深大、低孔低渗)的干热岩热储，因此通过人工压裂等储层改造方式形成增强型地热系统(EGS)作为干热岩，如何最有效开发方式将是地热开发研究的重点。增强型地热系统(EGS)是利用压裂技术在地下高温热储中制造人工裂缝或改善原有裂缝使其具有足够渗透率，通过注入冷水在高温岩层中循环实现地热提取，从而有效提高产出液流速及累积采热量满足地热发电或直接应用。

就高温热储层改造而言，低温压裂液注入高温储层时热储层发生不完全自由收缩导致热应力致裂，在现场施工中，利用微地震监测技术证明了低温流体注入对制造高渗透区域的作用。研究表明由于热应力的作用沿水力裂缝产生了大量垂直于主裂缝面的微裂缝，这些微裂缝的存在使得压裂液可进入裂缝面上的高温岩体中导致微裂缝的进一步生成，因此由低温压裂液注入引起的热应力作用是热储层水力压裂改造过程中不可忽视的因素，然而针对热储层在考虑热应力致裂条件下的水力压裂研究目前正处于起步阶段，仅存少量数值模拟研究，缺少物模实验的验证。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种用于研究高温储层压裂改造微观破裂机制的实验装置及方法，旨在解决现有技术中缺少针对热储层在考虑热应力致裂条件下的水力压裂的实验装置的问题。

为实现上述目的，本发明提出的一种用于研究高温储层压裂改造微观破裂机制的实验装置，包括：

显微镜；

操作台，安装在所述显微镜的载物台上，所述操作台的上表面设有用于容置岩心的容纳槽；

压紧装置，具有位于所述容纳槽内且用于与所述容纳槽的内壁配合压紧所述岩心的压紧部；

冷却液喷射装置，安装在所述操作台上，所述冷却液喷射装置具有用于与冷却液源连接的进液口、以及用于向所述岩心上浇注冷却液的出液口；以及，

高温干燥箱，用于容置所述岩心并对所述岩心恒温加热。

优选的，所述冷却液喷射装置包括进液管段、自所述进液管段斜向上延伸的缓冲管段、以及安装在所述缓冲管段上且与所述缓冲管段连通的出液管套，所述出液管套朝上倾斜设置，用以将冷却液经由所述出液管喷淋至所述岩心上。

优选的，所述缓冲管段与水平方向的夹角为45度。

优选的，所述出液管套的端口呈扁平开口设置。

优选的，所述容纳槽的侧壁开设有与外界环境连通的导液口。

优选的，所述容纳槽的内壁面包括相对设置的第一内壁面和第二内壁面，其中所述第一内壁面呈弧面设置，所述第二内壁面上开设有让位孔；

所述压紧装置包括螺杆，所述螺杆穿过所述让位孔，用于将所述岩心压接在所述第一内壁面上。

优选的，所述压紧装置包括用于与所述岩心接触的夹持面，所述夹持面上设有保温层。

优选的，所述操作台的上表面与所述容纳槽相对位置刻有水平方向的刻度，所述刻度范围在-25mm至25mm。

优选的，所述容纳槽的内表面设有保温层。

基于同样的发明构思，本申请还提供一种利用上述用于研究高温储层压裂改造微观破裂机制的实验装置研究低温诱导热应力致裂的实验方法，包括：

步骤一，取劈裂岩心放置于所述容纳槽中，并用所述压紧装置夹紧所述劈裂岩心，采用所述显微镜第一次记录微裂纹情况；

步骤二，取出经过步骤一处理后的所述劈裂岩心，并将所述劈裂岩心置于所述高温干燥箱在预设的第一温度下恒温加热4-5h，直至所述劈裂岩心达到所述第一温度；

步骤三，取出经过步骤二处理后的所述劈裂岩心置于所述容纳槽中，并用所述压紧装置夹紧所述劈裂岩心，采用所述显微镜第二次记录微裂纹情况；

步骤四，取出经过步骤三处理后的所述劈裂岩心，并将所述劈裂岩心置于所述高温干燥箱在所述第一温度恒温加热4-5h，直至所述劈裂岩心达到所述第一温度；

步骤五，取出经过步骤四处理后的所述劈裂岩心，在8s-10s内将其放置在所述容纳槽中，通过冷却液喷射装置对所述劈裂岩心表面均匀冷却，采用所述显微镜第三次记录微裂纹情况。

本发明提供的技术方案中，通过高温恒温干燥箱对实验岩心进行加热，可控制岩心加热温度，从而实现不同温度差异下低温诱导热应力致裂效果的模拟观测与记录，通过设有显微镜，将操作台固定在显微镜的载物台上，通过设置与所述容纳槽的内壁配合压紧所述岩心的压紧部，以使该压紧装置可以适用与不同长度的岩心，使该实验装置适用范围更大；通过设置冷却液喷射装置使冷却液均匀地浇在所述岩心上。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明提供一实施例用于研究高温储层压裂改造微观破裂机制的实验装置的主视图；

图2为图1中用于研究高温储层压裂改造微观破裂机制的实验装置的一剖视图

图3为图1中用于研究高温储层压裂改造微观破裂机制的实验装置的俯视图；

图4为本发明提供的另一实施例利用实验装置研究低温诱导热应力致裂的实验方法的流程图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1和图2所示，本发明提供一种用于研究高温储层压裂改造微观破裂机制的实验装置100，包括显微镜、操作台1、压紧装置2、冷却液喷射装置3及高温干燥箱；操作台1安装在所述显微镜的载物台41上，操作台1的上表面设有用于容置岩心的容纳槽11；压紧装置2具有位于容纳槽11内且用于与所述容纳槽11的内壁配合压紧所述岩心的压紧部21；冷却液喷射装置3安装在操作台1上，冷却液喷射装置3具有用于与冷却液源连接的进液口、以及用于向岩心上浇注冷却液的出液口；高温干燥箱用于容置岩心并对岩心恒温加热。高温干燥箱可以置放于载物台41附近。

其中岩心可以是天然岩心，也可以是人造岩心，在此不做限制。一般，岩心直径为25.4mm，长度为20mm-50mm。当然也可以通过劈裂实验获得实验所需岩心，以模拟并观察记录不同岩性、不同矿物组成、不同物理力学参数岩心并可以在低温诱导热应力致裂作用下的裂缝璧面开裂行为。通过高温恒温干燥箱对实验岩心进行加热，可控制岩心加热温度在50℃至500℃间，从而实现不同温度差异下低温诱导热应力致裂效果的模拟观测与记录。该实验装置100设有显微镜，将操作台1固定在显微镜的载物台41上，通过设置与所述容纳槽11的内壁配合压紧所述岩心的压紧部21，以使该压紧装置2可以适用与不同长度的岩心，使该实验装置100适用范围更大。在本实施例中，容置槽的长度为60mm，宽度为35mm，高度为20mm。

为了使冷却液均匀地浇在所述岩心上，所述冷却液喷射装置3包括进液管段31、自所述进液管段31斜向上延伸的缓冲管段32、以及安装在所述缓冲管段32上且与所述缓冲管段32连通的出液管套33，所述出液管套33朝上倾斜设置，用以将冷却液经由所述出液管喷淋至所述岩心上。通过所述出液管朝上倾斜设置，增大冷却液的缓冲力，提高冷却液冷却的均匀性。设置缓冲管段32，使冷却液进一步缓冲，也避免冷却液的压力过大而浇不到岩心上。优选的，所述缓冲管段32与水平方向的夹角为45度。设置出液管套33，通过更换或调节出液管套33以适应岩心，以保证冷却液能浇盖在岩心上。所述出液管套33的端口呈扁平开口设置。且出液管套33朝上倾斜设置以保证冷却液在岩心表面均匀接触。优选的，出液管套33的开口高度小于0.5mm，出液管套33的开口宽度5mm-25.4mm。其中进液管可以是具有一段公知的管子，也可以是注射冷却液的管子，在此不做限制。在本实施例中，进液管为注射器。

为了避免冷却液积在容纳槽11内，所述容纳槽11的侧壁开设有与外界环境连通的导液口114，同时设置导液口114已与高温岩心发生作用的冷却液通过重力作用排出，以避免污染显微镜的载物台41。导液口114通常为孔设置，孔的直径一般选择2mm，孔的尺寸也可以根据实际需要选择，在此不做限制。所述容纳槽11通过导液管115连接导液口114至外界环境，具体的，所述导液管115一端穿过所述导液口114且设置在所述容纳槽11的底部，另一端连通外界环境。

压紧装置2的设置方式可以多种，其他公知的夹持方式也可以应用于本实验装置100，在本实施例中，所述容纳槽11的内壁面包括相对设置的第一内壁面112和第二内壁面113，其中所述第一内壁面112呈弧面设置，所述第二内壁面113上开设有让位孔；

所述压紧装置2包括螺杆，所述螺杆穿过所述让位孔，用于将所述岩心压接在所述第一内壁面112上。

为了减少与岩心接触用于压紧岩心的压紧装置2吸收岩心的热量，所述压紧装置2包括用于与所述岩心接触的夹持面，所述夹持面上设有保温层。

为了便于对岩心定位观察，如图3所示，所述操作台1的上表面与所述容纳槽11相对位置刻刻有水平方向的刻度111，所述刻度111范围在-25mm至25mm。优选的，所述显微镜上配有视频记录仪，采用视频记录仪可以通过容纳槽11的内表面的刻度111来进行定位拍摄，记录岩心各处裂缝壁面的开裂行为。

为了有效避免加热后的岩心置于所述容纳槽11内的温度损失，所述容纳槽11的内表面设有保温层。保温层可以是涂覆在所述容纳槽11的内表面上。

本申请提供的用于研究高温储层压裂改造微观破裂机制的实验装置100可模拟并观测记录不同岩性、不同矿物组成、不同物理力学参数高温(通过恒温干燥箱加热)岩心与低温水接触产生低温诱导热应力作用下的裂缝璧面开裂行为，同时该装置可模拟多次低温诱导热应力致裂所导致的裂缝壁面开裂行为。

由于干热岩储层高温致密的特点使得在流体注入时低温流体仅和裂缝面接触，并且裂缝面周围岩石均处于高温环境。该实验装置100的设计保证了岩心裂缝面与低温流体接触，借助装置上标注的刻度可真实模拟并观测低温流体在接触高温岩心时接触壁面上的裂缝形成与演化过程。

基于同样的发明构思，如图4所示，本发明还提供一种利用上述的用于研究高温储层压裂改造微观破裂机制的实验装置100研究低温诱导热应力致裂的实验方法，包括：

步骤S210，取劈裂岩心放置于所述容纳槽11中，并用所述压紧装置2夹紧所述劈裂岩心，采用所述显微镜第一次记录微裂纹情况；

一般，准备阶段若岩心为人造岩心，则需要同样配方岩心3-4块；若采用天然岩心，则需要相同层位岩心3-4块，将其中一块岩心柱采用人工劈裂实验将其劈裂，其余岩心用于进行岩石矿物分析、岩石力学性质测试。劈裂岩心为岩心劈裂得到的岩心柱，岩心柱的直径通常为25.4mm，岩心柱的高度为20mm-50mm。

第一次记录微裂纹情况可以是借助容纳槽11上标注的刻度111定位岩心劈裂面各处，通过显微镜观察记录劈裂面各处的微裂纹情况。

步骤S220，取出步骤S210中处理后的所述劈裂岩心，并将所述劈裂岩心置于所述高温干燥箱在预设的第一温度下恒温加热4-5h，直至所述劈裂岩心达到所述第一温度；

其中，高温干燥箱的温度一般设置为150℃-500℃，即预设的第一温度的取值一般在150℃-500℃。而所述劈裂岩心是否达到所述第一温度可以但不限于为通过激光探温枪探测岩心温度是否达到预设的第一温度(若未达到设定温度再继续加热)

步骤S230，取出经过步骤S220处理后的所述劈裂岩心置于所述容纳槽11中，并用所述压紧装置2夹紧所述劈裂岩心，采用所述显微镜第二次记录微裂纹情况；

第二次记录微裂纹情况可以是借助容纳槽11上标注的刻度111定位岩心劈裂面各处，通过显微镜观察记录劈裂面各处的微裂纹情况。

步骤S240，取出经过步骤S230处理后的所述劈裂岩心，并将所述劈裂岩心置于所述高温干燥箱在所述第一温度恒温加热4-5h，直至所述劈裂岩心达到所述第一温度；

同样，而所述劈裂岩心是否达到所述第一温度可以但不限于为通过激光探温枪探测岩心温度是否达到预设的第一温度(若未达到设定温度再继续加热)

步骤S250，取出经过步骤S240处理后的所述劈裂岩心，在8s-10s内将其放置在所述容纳槽11中，通过冷却液喷射装置3对所述劈裂岩心表面均匀冷却，采用所述显微镜第三次记录微裂纹情况。

其中，通过冷却液喷射装置3对所述劈裂岩心表面均匀冷却，可以通过调节出液管套33或选择合适的出液管套33，对冷却液与劈裂岩心表面均匀接触，使冷却更均匀。

其中，采用所述显微镜第三次记录微裂纹情况，可以为通过显微镜借助容置槽表面标注的刻度111观察记录低温诱导热应力致裂后岩心劈裂裂缝面的微裂缝变化情况。

最后通过对比第一、二、三次记录微裂纹情况来研究低温诱导热应力致裂。

实施例一

S1，取劈裂岩心放置于所述容纳槽11中，并用所述压紧装置2夹紧所述劈裂岩心，采用所述显微镜第一次记录微裂纹情况；

S2，取出S1中处理后的所述劈裂岩心，并将所述劈裂岩心置于所述高温干燥箱在预设的200℃下恒温加热4-5h，直至所述劈裂岩心达到200℃；

S3，取出经过S2处理后的所述劈裂岩心置于所述容纳槽11中，并用所述压紧装置2夹紧所述劈裂岩心，采用所述显微镜第二次记录微裂纹情况；

S4，取出经过S3处理后的所述劈裂岩心，并将所述劈裂岩心置于所述高温干燥箱在200℃恒温加热4-5h，直至所述劈裂岩心达到200℃；

S5，取出经过S4处理后的所述劈裂岩心，在8s-10s内将其放置在所述容纳槽11中，通过冷却液喷射装置3对所述劈裂岩心表面均匀冷却，采用所述显微镜第三次记录微裂纹情况。

由于干热岩储层高温致密的特点使得在流体注入时低温流体仅和裂缝面接触，并且裂缝面周围岩石均处于高温环境。该实验方法利用上述实验装置100的设计保证了岩心裂缝面与低温流体接触，借助装置上标注的刻度可真实模拟并观测低温流体在接触高温岩心时接触壁面上的裂缝形成与演化过程。将岩心多次加热至同一温度是为避免由于温度差异所致热开裂的影响从而确定形成裂缝是由于低温诱导热应力致裂所致。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.一种利用用于研究高温储层压裂改造微观破裂机制的实验装置研究低温诱导热应力致裂的实验方法，其特征在于，所述用于研究高温储层压裂改造微观破裂机制的实验装置包括显微镜、操作台、压紧装置、冷却液喷射装置、以及高温干燥箱，操作台安装在所述显微镜的载物台上，所述操作台的上表面设有用于容置岩心的容纳槽；压紧装置具有位于所述容纳槽内且用于与所述容纳槽的内壁配合压紧所述岩心的压紧部；冷却液喷射装置安装在所述操作台上，所述冷却液喷射装置具有用于与冷却液源连接的进液口、以及用于向所述岩心上浇注冷却液的出液口，高温干燥箱，用于容置所述岩心并对所述岩心恒温加热；其中，通过高温恒温干燥箱对实验岩心进行加热，可控制岩心加热温度在50℃至500℃间，从而实现不同温度差异下低温诱导热应力致裂效果的模拟观测与记录；

所述实验方法包括：

步骤一，取劈裂岩心放置于所述容纳槽中，并用所述压紧装置夹紧所述劈裂岩心，采用所述显微镜第一次记录微裂纹情况；

步骤二，取出经过步骤一处理后的所述劈裂岩心，并将所述劈裂岩心置于所述高温干燥箱在预设的第一温度下恒温加热4-5h，直至所述劈裂岩心达到所述第一温度；

步骤三，取出经过步骤二处理后的所述劈裂岩心置于所述容纳槽中，并用所述压紧装置夹紧所述劈裂岩心，采用所述显微镜第二次记录微裂纹情况；

步骤四，取出经过步骤三处理后的所述劈裂岩心，并将所述劈裂岩心置于所述高温干燥箱在所述第一温度恒温加热4-5h，直至所述劈裂岩心达到所述第一温度；

步骤五，取出经过步骤四处理后的所述劈裂岩心，在8s-10s内将其放置在所述容纳槽中，通过冷却液喷射装置对所述劈裂岩心表面均匀冷却，采用所述显微镜第三次记录微裂纹情况；

其中，所述冷却液喷射装置包括进液管段、自所述进液管段斜向上延伸的缓冲管段、以及安装在所述缓冲管段上且与所述缓冲管段连通的出液管套，所述出液管套朝上倾斜设置，用以将冷却液经由所述出液管喷淋至所述岩心上；所述缓冲管段与水平方向的夹角为45度；所述出液管套的端口呈扁平开口设置；所述容纳槽的侧壁开设有与外界环境连通的导液口；所述容纳槽的内壁面包括相对设置的第一内壁面和第二内壁面，其中所述第一内壁面呈弧面设置，所述第二内壁面上开设有让位孔；所述压紧装置包括螺杆，所述螺杆穿过所述让位孔，用于将所述岩心压接在所述第一内壁面上；所述压紧装置包括用于与所述岩心接触的夹持面，所述夹持面上设有保温层；所述操作台的上表面与所述容纳槽相对位置刻有水平方向的刻度，所述刻度范围在-25mm至25mm；所述容纳槽的内表面设有保温层。

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