CN112461668A - 研究水力压裂诱发断层活化的试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种研究水力压裂诱发断层活化的试验方法，为研究水力压裂诱发断层活化从而引发地震的过程及机制提供了一种全新手段。本发明方法通过在岩石试样中制作一条裂隙，并在裂隙处充填石膏、水泥或树脂等材料，在真三轴围压条件下进行水力压裂试验。探讨不同的充填材料及不同的压裂参数，如注入压力，流量压裂液黏度系数，注入频率、时间等对注水诱发地震的影响与机制。本方法对于水力压裂诱发断层活化机理的研究奠定了理论基础，提供了技术支撑，具有极高的应用价值。

Description

研究水力压裂诱发断层活化的试验方法
技术领域
本发明涉及工程施工技术领域，具体涉及一种研究水力压裂诱发断层活化的试验方法。
背景技术
我国大量油气藏位于地震多发区，地层中断层错综复杂，水力压裂可诱发断层活化，断层活化引起小规模地震，地震进一步促进断层活化，这一系列链式影响危害不可忽视。水力压裂法是油气资源增产增注的重要技术，也是当前非常规油气资源商业开采的主要方法。由于地质构造作用，许多油气藏内含有发育的断层，未经扰动时，断层在原地应力作用下保持稳定。油气资源开采过程中对地应力产生极大的干扰，多次加压注液使稳定，临界，近临界裂缝重新活化，断层活化使地壳产生错动、底层失稳、地表发生沉陷等，严重时可诱发地震。因此，在试验方法中研究水力压裂诱发不同类型断层活化机理，对于认识、探讨压裂参数对断层活化的机理，掌握水力压裂诱发地震的条件具有重要意义。
发明内容
针对该问题，本发明提供了一种研究水力压裂诱发断层活化的试验方法，采用6-8个尺寸为75×75×150mm的矩形块，每个试样含有单一的拉伸或锯切断裂，进行注水诱发地震的三轴试验。本发明方法包含一条张拉或锯切裂隙的矩形岩样上进行注水诱发地震的三轴试验。
为实现上述目的，本发明提供的研究水力压裂诱发断层活化的试验方法，包括以下步骤：
1)加工岩样，准备充填材料包括石膏、水泥和树脂材料；
人为制造不同受力条件产生裂隙的岩样即断裂试样；裂缝平整度是影响变形性能和流体流场裂缝的重要因素；因此根据国际岩石力学标准，圆柱试样的端面均采用200粒度砂轮的岩石表面磨床进行精细抛光；岩样加工好以后，在裂隙位置，分别灌注石膏浆、水泥浆液、树脂材料，预制裂隙节理的充填物，置于温室内环境，自然干燥；
2)逐步注水，捕捉与断裂滑移相关的应力变化，并且评估流体在稳态流动状态下的流动；
3)在试验过程中，随着注水压力的逐步增大，引起了裂缝滑移；
4)测量不同表面粗糙度裂缝的力学性能和流体流动参数，以研究压裂参数对诱发断层活化的影响；所述力学性能包括应力和位移；所述流体流动参数包括流量和压力；
6)利用声发射检测内部裂缝破裂信息；
6)为了减小由裂缝、多孔金属圆盘、压板之间的初始位置引起的塑性变形，在试件上进行了多次压加载-卸载循环差动应力循环；注入压力以引起试样断裂滑移；注水压力逐步增加，导致裂缝滑移，导致明显的位移变化，应力下降，流速增加；
7)改变压裂参数对断层活化的影响；所述压裂参数包括注水压力、流量、压裂液黏度系数、注入频率及时间；
8)声发射信号通过多个参数以及波形特征反演岩样的内部结构变化特征；通过理论研究与相关的数学分析方法能够将声发射参数与波形等丰富的信息进行描述，检测内部裂缝破裂信息；所述多个参数包括声发射计数、信号能量和声发射振幅。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明方法提出在包含有一条张拉或锯切裂隙，并在裂隙处充填上石膏、水泥及树脂材料的矩形岩样上进行注水诱发地震的三轴试验，探讨不同的充填材料及不同的压裂参数，如注入压力，流量压裂液黏度系数，注入频率、时间等对注水诱发地震的条件，利用声发射定位技术监测内部裂缝破裂信息。本方法对于水力压裂诱发断层活化机理的研究奠定了理论基础，提供了技术支撑，具有极高的应用价值。
附图说明
图1为含单条锯切裂隙的岩样示意图；
图2为含充填裂隙的岩样示意图；
图3为试验装置示意图；
图4为裂隙受力与试样位移示意图；
图5为声发射探头布置示意图。
图中：第一注水泵1；第二注水泵5；第一注水孔2；第二注水孔4；裂隙3；加载板6；加载板7；第一侧向多空金属板8；第二侧向多空金属板9；第一径向位移传感器10；第二径向位移传感器11；第一轴向位移传感器12；第二轴向位移传感器13。
具体实施方法
以下结合具体实施例及附图对本发明的技术方案作进一步地详细阐述。
本发明研究水力压裂诱发断层活化的试验方法，具体方法步骤如下：
1)人为制作带有裂隙的岩样，每个试样含有单一的拉伸或锯切断裂。
2)将试验装置做成如图3所示。从试样的两端表面钻取两个直径3mm的垂直钻孔距离，井壁4mm到达裂缝，以达到裂缝形成流动路径，流动路径如图3所示。试验中，通过底部钻孔将去离子水注入裂缝中并由顶部钻孔排出。如图4所示，裂缝平面局部n-s坐标上的有效正应力和剪应力为：
σ′n＝(σ3-Pp)+(σ1-σ3)sin2θ (2)
τ＝(σ1-σ3)sinθcosθ (3)
σ’n和τ是有效正应力和剪应力，θ是岩样的垂直轴的裂缝倾角，σ1是轴向应力，σ3是围压，PP是孔隙压力。
Pp＝0.5×(Pj+P0) (4)
3)试验中，如图3所示，岩石试样的平均轴向位移由安装在试样上的两个位置传感器测量。另一个附加在径向环上的传感器用于记录岩样的横向位移。
4)对于一个给定的应力状态：一个恒定围压(σ3)和一个初始轴向应力(σ1)，使用恒定活塞位移控制实验进程，通过增加注水压力来诱发裂缝滑移。
5)使加载活塞在注水和破裂滑移过程中不发生移动。一旦断裂滑移开始，作用在试样上的压差应力随着试样的逐渐滑移而减小。
6)为了减小由裂缝、多孔金属圆盘、压板之间的初始位置引起的塑性变形，在试件上进行了多次压加载-卸载循环差动应力循环。注入压力以引起试样断裂滑移。注水压力逐步增加，导致裂缝滑移，导致明显的位移变化，应力下降，流速增加。
7)改变压裂参数，如注水压力、流量、压裂液黏度系数、注入频率及时间对断层活化的影响。
8)声发射信号通过声发射计数、信号能量、声发射振幅等多个参数以及波形特征反演岩样的内部结构变化特征。通过理论研究与相关的数学分析方法能够将声发射参数与波形等丰富的信息进行描述，检测内部裂缝破裂信息。

Claims (5)

1.一种研究水力压裂诱发断层活化的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)加工岩样，准备充填材料包括石膏、水泥和树脂材料；
人为制造不同受力条件产生裂隙的岩样即断裂试样；裂缝平整度是影响变形性能和流体流场裂缝的重要因素；因此根据国际岩石力学标准，圆柱试样的端面均采用200粒度砂轮的岩石表面磨床进行精细抛光；岩样加工好以后，在裂隙位置，分别灌注石膏浆、水泥浆液、树脂材料，预制裂隙节理的充填物，置于温室内环境，自然干燥；
2)逐步注水，捕捉与断裂滑移相关的应力变化，并且评估流体在稳态流动状态下的流动；
3)在试验过程中，随着注水压力的逐步增大，引起了裂缝滑移；
4)测量不同表面粗糙度裂缝的力学性能和流体流动参数，以研究压裂参数对诱发断层活化的影响；所述力学性能包括应力和位移；所述流体流动参数包括流量和压力；
5)利用声发射检测内部裂缝破裂信息；
6)为了减小由裂缝、多孔金属圆盘、压板之间的初始位置引起的塑性变形，在试件上进行了多次压加载-卸载循环差动应力循环；注入压力以引起试样断裂滑移；注水压力逐步增加，导致裂缝滑移，导致明显的位移变化，应力下降，流速增加；
7)改变压裂参数对断层活化的影响；所述压裂参数包括注水压力、流量、压裂液黏度系数、注入频率及时间；
8)声发射信号通过多个参数以及波形特征反演岩样的内部结构变化特征；通过理论研究与相关的数学分析方法能够将声发射参数与波形等丰富的信息进行描述，检测内部裂缝破裂信息；所述多个参数包括声发射计数、信号能量和声发射振幅。
2.根据权利要求1所述的研究水力压裂诱发断层活化的试验方法，其特征在于：
所述步骤1)中人为制造不同受力条件产生裂隙的岩样即断裂试样如下：
第一个：制作尺寸为75×75×150mm的矩形岩样，使用金刚石沿着与轴线成β角的线锯切，形成一个锯切裂缝；第二个：制作尺寸为75×75×150mm的矩形岩样，沿着与轴线成β角的方向切一个宽、厚各4-6mm的β角的斜槽，再用钢楔使用位移加载速率控制沿着斜槽劈裂岩样；
所述灌注石膏浆为水与石膏质量比为1：1.5；预制裂隙节理的充填物厚度为2.5-3.0mm；自然干燥7d。
3.根据权利要求1或2所述的研究水力压裂诱发断层活化的试验方法，其特征在于：所述步骤1)中将所有断裂试样置于去离子水中的超声波浴中，去除可能影响断口流体流动的细小颗粒；在试样进行超声波浴水后，将断裂试样放置在60°真空烘箱，烘烤至少24小时，烘烤完毕后再进行石膏充填，裂隙粗糙度是影响岩石裂隙变形特性和流体流动的重要因素。
4.根据权利要求1或2所述的研究水力压裂诱发断层活化的试验方法，其特征在于：在步骤2)与3)中进行注水诱发地震的三轴试验。
5.根据权利要求1或2所述的研究水力压裂诱发断层活化的试验方法，其特征在于：
所述步骤1)中每个断裂试样均含有单一的拉伸或锯切断裂；
所述步骤2)中的试验装置包括：上下两个加载板、侧向的加载板、轴向传感器、径向传感器和两个注水泵；从试样的两端表面钻取两个直径3mm的垂直钻孔距离，井壁4mm到达裂缝，以达到裂缝形成流动路径；所述流动路径，首先由第一注水孔流入，然后通过射孔流入至裂隙，随后压裂液沿着裂隙方向流动，之后压裂液流入射孔，最后由第二注水孔流出；试验中，通过底部钻孔将去离子水注入裂缝中并由顶部钻孔排出；所述裂缝平面局部n-s坐标上的有效正应力和剪应力为：
σ′n＝(σ3-Pp)+(σ1-σ3)sin2θ (2)；
τ＝(σ1-σ3)sinθcosθ (3)；
σ′n和τ是有效正应力和剪应力，θ是岩样的垂直轴的裂缝倾角，σ1是轴向应力，σ3是围压，PP是孔隙压力；
Pp＝0.5×(Pj+P0) (4)；
所述步骤3)中，岩石试样的平均轴向位移由安装在试样上的两个位置传感器测量；另一个附加在径向环上的传感器用于记录岩样的横向位移；
所述步骤4)中，对于一个给定的应力状态：一个恒定围压(σ3)和一个初始轴向应力(σ1)，使用恒定活塞位移控制实验进程，通过增加注水压力来诱发裂缝滑移；
所述步骤5)中使加载活塞在注水和破裂滑移过程中不发生移动；一旦断裂滑移开始，作用在试样上的压差应力随着试样的逐渐滑移而减小。
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