CN112665992A - 一种脉冲静压组合水压致裂方法、试验系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲静压组合水压致裂方法、试验系统及其使用方法，其技术方案为：进行组合加载时，对压裂地层进行分阶段加载；先对压裂地层进行设定时间的脉冲压力预加载，再进行静压加载至压裂地层产生宏观裂隙。本发明可以显著缩短加载时间，能够通过调节预加载脉冲压力、频率及加载时间改变最终压裂效果。

Description

一种脉冲静压组合水压致裂方法、试验系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及岩石力学领域，尤其涉及一种脉冲静压组合水压致裂方法、试验系统及其使用方法。

背景技术

水力压裂技术可以促进煤层裂缝的扩展，促进石油、页岩气的抽采，已在国内许多矿山得到应用。在工程应用中发现，常规水力压裂技术多在高水压和大流量情况下工作，容易出现局部应力集中导致泄压，且易在裂隙中囤积压裂液，对石油、页岩气的运移产生抑制作用；脉冲水力压裂技术可通过脉冲循环加载提高岩层的渗透性，而其加载时间长，生产成本高。情况下，利用脉冲水力压裂技术增透需要很长的加载时间，增加了生产成本。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种脉冲静压组合水压致裂方法、试验系统及其使用方法，可以显著缩短加载时间，能够通过调节预加载脉冲压力、频率及加载时间改变最终压裂效果。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种脉冲静压组合水压致裂方法，进行组合加载时，对压裂地层进行分阶段加载；先对压裂地层进行设定时间的脉冲压力预加载，再进行静压加载至压裂地层产生宏观裂隙。

作为进一步的实现方式，预加载阶段通过流体对压裂地层施加的脉冲压力小于压裂地层的起裂压力，脉冲压力大小在压裂地层起裂压力的50％-90％之间。

作为进一步的实现方式，调节预加载阶段的脉冲压力、脉冲频率及加载时间，以产生不同程度的压裂效果。

第二方面，本发明的实施例还提供了一种脉冲静压组合水压致裂试验系统，包括用于对试块施加围压的三轴伺服加载台，三轴伺服加载台通过导水管路连接静水压供给装置、脉冲水压供给装置，且所述导水管路安装水压监测传感器；所述三轴伺服加载台安装有用于实时监测试块内部裂纹发育情况的声发射监测仪。

作为进一步的实现方式，所述导水管路安装管路切换开关，管路切换开关分别连接静水压供给装置、脉冲水压供给装置；通过管路切换开关能够调整加载方式。

作为进一步的实现方式，还包括三维数据重建系统,所述三维数据重建系统包括三维激光扫描仪和数据处理系统,三维激光扫描仪通过数据线与数据处理系统相连；三维激光扫描仪能够将获取的空间点坐标数据和色彩数据传输至数据处理系统,数据处理系统用于对数据进行三维重建。

作为进一步的实现方式，所述导水管路一端连接导水垫板。

作为进一步的实现方式，所述三轴伺服加载台通过导油管路连接油压供给系统，油压供给系统连接油压控制台。

第三方面，本发明的实施例还提供了一种脉冲静压组合水压致裂试验系统的使用方法，包括：

将试块放置于三轴伺服加载台上，并将连接导水管路的导水垫板置于试块表面；

启动三轴伺服加载台对试块进行不同模式的加载过程，同时启动声发射监测仪，记录加载过程中试块内部的损伤发育情况；

利用注射器将染色剂注入经加载后失效的试块，设定时间后破开试块；

利用三维激光扫描仪扫描试块断裂面，并将数据传输至数据处理系统进行三维重建。

作为进一步的实现方式，通过管路切换开关切换加载模式，加载模式包括静压加载、脉冲加载、脉冲静压组合加载。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

(1)本发明的一个或多个实施方式对压裂地层进行分阶段加载，先对压裂地层进行一定时间的脉冲压力预加载，再进行静压加载至压裂地层产生宏观裂隙；预加载阶段，利用脉冲压力预加载在压裂地层内部累计损伤以改善最终压裂效果；静压加载阶段，利用高压激发压裂地层内部裂隙扩展为宏观裂隙，相对于脉冲水力压裂加载可以显著缩短加载时间；且可通过调节预加载脉冲压力、频率及加载时间改变最终压裂效果；

(2)本发明的一个或多个实施方式包括脉冲水压供给装置、静水压供给装置、三轴伺服加载台、声发射监测系统、三维数据重建系统，能够实现静压、脉冲、组合水压致裂实验，声发射监测系统可实时反映加载过程中试块内部裂纹发育情况；三维数据重建系统能够处理断裂面点云空间坐标、颜色数据，重建试块断裂面。

附图说明

构成本发明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。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的组合加载工艺流程图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的系统结构示意图；

图3是本发明根据一个或多个实施方式的三维数据重建系统结构示意图；

图4是本发明根据一个或多个实施方式的导水垫板结构示意图；

图5是本发明根据一个或多个实施方式的试块结构示意图；

图6是本发明根据一个或多个实施方式的操作流程图；

图7(a)是本发明根据一个或多个实施方式编号A的静水压致裂加载裂隙图；

图7(b)是本发明根据一个或多个实施方式编号C-4-1-1的静水压致裂加载裂隙图；

图7(c)是本发明根据一个或多个实施方式编号C-4-1-2的静水压致裂加载裂隙图；

图7(d)是本发明根据一个或多个实施方式编号C-4-1-3的静水压致裂加载裂隙图；

图7(e)是本发明根据一个或多个实施方式编号B-4-1的静水压致裂加载裂隙图；

图7(f)是本发明根据一个或多个实施方式编号C-5-1-1的静水压致裂加载裂隙图；

图7(g)是本发明根据一个或多个实施方式编号C-5-1-2的静水压致裂加载裂隙图；

图7(h)是本发明根据一个或多个实施方式编号C-5-1-3的静水压致裂加载裂隙图；

图7(i)是本发明根据一个或多个实施方式编号B-5-1的静水压致裂加载裂隙图；

图7(j)是本发明根据一个或多个实施方式编号C-6-1-1的静水压致裂加载裂隙图；

图7(k)是本发明根据一个或多个实施方式编号C-6-1-2的静水压致裂加载裂隙图；

图7(l)是本发明根据一个或多个实施方式编号C-6-1-3的静水压致裂加载裂隙图；

图7(m)是本发明根据一个或多个实施方式编号B-6-1的静水压致裂加载裂隙图；

其中，1、导水管路，2、静水压供给装置，3、脉冲水压供给装置，4、脉冲水压控制台，5、第一数据处理系统，6、管路切换开关，7、三轴伺服加载台，8、油压供给系统，9、油压控制台，10、第二数据处理系统，11、水压监测传感器，12、水压数据线，13、声发射监测仪，14、声发射数据线，15、导油管路，16、试块，17、导水垫板，18、垫板，19、三维激光扫描仪，20、第三数据处理系统,21、进水口，22，出水口。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

实施例一：

本实施例提供了一种脉冲静压组合水压致裂方法，如图1所示，进行组合加载时，对压裂地层进行分阶段加载,先对压裂地层进行一定时间的脉冲压力预加载，再进行静压加载至压裂地层产生宏观裂隙。预加载阶段，利用脉冲压力预加载在压裂地层内部累计损伤以改善最终压裂效果；静压加载阶段，利用高压激发压裂地层内部裂隙扩展为宏观裂隙，相对于脉冲水力压裂加载可以显著缩短加载时间；且可通过调节预加载脉冲压力、频率及加载时间改变最终压裂效果。

具体的，通过导水管路分阶段向压裂地层内部注入流体，第一阶段通过流体对压裂地层施加脉冲压力，实现压裂地层内部的损伤积累，第二阶段通过流体对压裂地层施加静压力，使压裂地层产生宏观裂隙。

预加载阶段通过流体对压裂地层施加的脉冲压力应小于压裂地层的起裂压力，脉冲压力大小应在压裂地层起裂压力的50％-90％之间。预加载阶段对岩层施加脉冲压力的时间应小于相应脉冲加载条件下压裂地层的疲劳寿命。

本实施例通过调节预加载阶段的脉冲压力、脉冲频率及加载时间，可产生不同程度的压裂效果。预加载阶段对压裂地层施加的脉冲压力一定、脉冲频率较小时，预加载时间可变化范围更大，产生压裂效果更加多样。预加载阶段对压裂地层施加的脉冲压力较小、脉冲频率较小时，预加载时间可变化范围更大，产生压裂效果更加多样。

实施例二：

为了实现实施例一所述的脉冲静压组合水压致裂方法，本实施例提供了一种脉冲静压组合水压致裂试验系统，如图2和图3所示，包括三轴伺服加载台7、静水压供给装置2、脉冲水压供给装置3、管路水压监测系统、声发射监测系统、三维数据重建系统，三轴伺服加载台7能够从三个方向提供围压，以模拟真实地应力状态；所述三轴伺服加载台7通过导油管路15连接油压供给系统8，油压供给系统8连接油压控制台9。

试验时试块16放置于三轴伺服加载台7上，三轴伺服加载台7的加载端连接导水垫板17，导水垫板17能够设置于试块16表面。如图4所示，导水垫板17具有进水口21和出水口22，进水口21设于导水垫板17一侧，出水口22设置于导水垫板17下方。

导水管路1一端连接至导水垫板17的进水口21，另一端安装管路切换开关6；导水管路1通过管路切换开关6分别连接静水压供给装置2和脉冲水压供给装置3，所述脉冲水压供给装置3连接脉冲水压控制台4，通过管路切换开关6改变水压类型。

声发射数据监测系统包括声发射监测仪13、第二数据处理系统10，声发射监测仪13设于与试块16接触的垫板18一侧，用于实时监测加载过程中试块内部裂纹发育情况；声发射监测仪13通过声发射数据线14连接第二数据处理系统10，声发射监测仪13将采集到的裂纹信息经声发射数据线传输至第二数据处理系统10进行处理。

进一步的，管路水压监测系统包括水压监测传感器11、水压数据线12和第一数据处理系统5，水压监测传感器11安装于导水管路1介于管路切换开关6与导水垫板之间的管段；水压监测传感器11通过水压数据线12连接第一数据处理系统5，水压监测传感器11采集的水压信息经水压数据线12传输至第一数据处理系统5进行处理。

三维数据重建系统包括三维激光扫描仪19、第三数据处理系统20，三维激光扫描仪19能够获取试块16断裂面的空间三维坐标，且具备色彩识别功能，可获取试块16断裂面颜色；三维激光扫描仪19将空间点坐标及色彩数据传输至第三数据处理系统20，第三数据处理系统19处理断裂面点云空间坐标、颜色数据，重建试块16断裂面。

试块16加载完成后，利用三维激光扫描仪19扫描试块16断裂面，得到断裂面三维空间坐标及颜色数据，并导入第三数据处理系统20进行三维重建，可以得到裂纹扩展面积等数据以分析水压致裂加载效果。

本实施例中的第一数据处理系统5、第二数据处理系统10、第三数据处理系统20为计算机。

实施例三：

本实施例提供了一种脉冲静压组合水压致裂试验系统的使用方法，如图6所示，采用实施例二所述的试验系统，包括以下步骤：

步骤一：将试块16放置于三轴伺服加载台7上，将连有导水管路1的导水垫板17置于试块16表面并将导水垫板17的出水口22与试块表面垫圈对齐，通过油压控制台9调节三轴伺服加载台7的液压驱动装置，从三个方向对试块16施加压力，以模拟真实地应力环境。

步骤二：将声发射设备探头放置于三轴伺服加载台垫板使用胶带固定，启动声发射监测仪13，记录加载过程中试块16内部的损伤发育情况。

若需对试块16进行静压加载，则通过管路切换开关6切换为静水压供给对试块16进行加载至试块16失效；若需对试块16进行脉冲加载，则通过管路切换开关6切换为脉冲水压供给，利用脉冲水压供给装置3对试块16进行加载，通过脉冲水压控制台4设定脉冲频率及压力后进行加载至试块16失效。

若需对试块16进行脉冲静压组合加载，先通过管路切换开关6切换为脉冲水压供给，通过脉冲水压控制台4设定脉冲频率、压力及脉冲加载时间，脉冲加载时间应小于相应加载条件下试块的疲劳寿命；后通过管路切换开关6切换为静水压供给，对试块16进行加载至试块失效。

若需对试块进行脉冲组合加载，先通过管路切换开关6切换为脉冲水压供给，通过脉冲水压控制台4设定脉冲频率、压力及脉冲加载时间，脉冲加载时间应小于相应加载条件下试块的疲劳寿命，后通过脉冲水压控制台4改变脉冲频率、压力至试块16失效；以此类推，可对试块进行更为复杂的组合加载。

步骤三：设定注射器压力，利用注射器将染色剂注入失效的试块16，等待三到五分钟染色剂着色完毕后，破开试块16。

步骤四：利用三维激光扫描仪19扫描试块断裂面，得到断裂面三维空间坐标及颜色数据，导入第三数据处理系统20进行三维重建，可以得到裂纹扩展面积等数据以对比分析不同加载条件下水压致裂实验的压裂效果。

实施例三：

本实施例使用类岩体试块来模拟真实的岩体，试块由水泥、沙子及水制成，比例为水泥：沙子：水＝1：6.3：1.2。

本实施例采用如图6所示的立方体试块按照上述配比制作，每种工况制作三块试块以消除结果的离散性，试块尺寸为150mm*150mm*150mm。试块养护28天后，用直径为10mm的钻头在试块顶部中心钻75mm深的钻孔，用粘合剂将长65mm、外径10mm、内径8mm的导水管固定在钻孔中，导水管上端与试块顶面齐平，在钻孔底部留10mm长的裸孔段。以试块顶面中心为圆心分别固定内径为10mm,外径为12mm和内径为17mm，外径为19mm的橡胶线圈。

本实施例设置一组如图7(a)所示静水压致裂加载作为对照组。

本实施例设置脉冲加载工况如表1所示，其中脉冲频率为1Hz，脉冲幅值压力分别为4MPa、5MPa、6MPa。

表1脉冲加载工况

根据不同脉冲水压加载条件下试块的失效时间，设置组合加载工况如下：

表2组合加载工况

试块加载完成后，裂纹如图7(b)-图7(m)所示；

对比A与C-4-1-1、C-4-1-2、C-4-1-3、C-5-1-1、C-5-1-2、C-5-1-3、C-6-1-1、C-6-1-2、C-6-1-3，即静水压致裂与组合加载模式下的裂纹示意图可以看出,静水压致裂加载下试块破裂形态简单，而组合加载模式下，裂纹形态复杂，可见组合加载产生了更好的破裂效果。

对比C-4-1-1、C-4-1-2与C-4-1-3，C-5-1-1、C-5-1-2与C-5-1-3，C-6-1-1、C-6-1-2与C-6-1-3，随着预加载时间的增加，组合加载模式下的试块破裂形态变得更加复杂，裂纹数目开始增加。对C-4-1-3与B-4-1、C-5-1-3与B-5-1、C-6-1-3与B-6-1，可以看出预加载时间较长时，组合加载破裂效果与相应加载条件下的脉冲水压致裂加载相似，而对比表1、表2中加载时间可知，此时组合加载所用加载时间明显少于相应加载条件的脉冲加载模式。

综上两点可得，通过组合加载模式可在明显改善水压致裂压裂效果的基础上，缩短脉冲水压致裂所需的加载时间。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种脉冲静压组合水压致裂方法，其特征在于，进行组合加载时，对试块进行分阶段加载；先对压裂地层进行设定时间的脉冲压力预加载，再进行静压加载至试块产生宏观裂隙。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲静压组合水压致裂方法，其特征在于，预加载阶段通过流体对压裂地层施加的脉冲压力小于岩层的起裂压力，脉冲压力大小在岩层起裂压力的50％-90％之间。

3.根据权利要求1所述的一种脉冲静压组合水压致裂方法，其特征在于，调节预加载阶段的脉冲压力、脉冲频率及加载时间，以产生不同程度的压裂效果。

4.一种脉冲静压组合水压致裂试验系统，其特征在于，包括用于对试块施加围压的三轴伺服加载台，三轴伺服加载台通过导水管路连接静水压供给装置、脉冲水压供给装置，且所述导水管路安装水压监测传感器；所述三轴伺服加载台安装有用于实时监测试块内部裂纹发育情况的声发射监测仪。

5.根据权利要求4所述的一种脉冲静压组合水压致裂试验系统，其特征在于，所述导水管路安装管路切换开关，管路切换开关分别连接静水压供给装置、脉冲水压供给装置；通过管路切换开关能够调整加载方式。

6.根据权利要求4所述的一种脉冲静压组合水压致裂试验系统，其特征在于，还包括三维数据重建系统,所述三维数据重建系统包括三维激光扫描仪和数据处理系统,三维激光扫描仪通过数据线与数据处理系统相连；三维激光扫描仪能够将获取的空间点坐标数据和色彩数据传输至数据处理系统,数据处理系统用于对数据进行三维重建。

7.根据权利要求4所述的一种脉冲静压组合水压致裂试验系统，其特征在于，所述导水管路一端连接导水垫板。

8.根据权利要求4所述的一种脉冲静压组合水压致裂试验系统，其特征在于，所述三轴伺服加载台通过导油管路连接油压供给系统，油压供给系统连接油压控制台。

9.根据权利要求4-8任一所述的一种脉冲静压组合水压致裂试验系统的使用方法，其特征在于，包括：

将试块放置于三轴伺服加载台上，并将连接导水管路的导水垫板置于试块表面；

启动三轴伺服加载台对试块进行不同模式的加载过程，同时启动声发射监测仪，记录加载过程中试块内部的损伤发育情况；

利用注射器将染色剂注入经加载后失效的试块，设定时间后破开试块；

利用三维激光扫描仪扫描试块断裂面，并将数据传输至数据处理系统进行三维重建。

10.根据权利要求9所述的一种脉冲静压组合水压致裂试验系统的使用方法，其特征在于，通过管路切换开关切换加载模式，加载模式包括静压加载、脉冲加载、脉冲静压组合加载。

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