CN113670793B - 一种水力裂缝渗透率实时监测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测装置和方法，装置包括主体结构、蠕变围压加载结构、膨胀致裂结构和水力裂缝渗透率监测结构；实验岩样内含应力干扰岩样和测试岩样，实验岩样外侧设有蠕变围压加载结构，碳纤维布以表带结构紧密包裹实验岩样侧壁，碳纤维卷轴转动拉紧碳纤维布为实验岩样施加蠕变围压；应力干扰岩样内部设计有缝状水袋，与水管、水箱、水泵串联构成膨胀致裂结构，实现缝间应力干扰模拟；测试岩样连接有进气管、出气管、气泵、气罐、红外气体浓度监测器，构成渗透率监测结构，记录水力裂缝实时渗透率。本发明模拟非常规油气开发中的地层蠕变作用和缝间应力干扰现象，准确监测水力裂缝实时渗透率。
Description
技术领域
本发明属于非常规油气开采领域，涉及一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测装置和方法。
背景技术
在非常规油气开发中，水力压裂后裂缝渗透率随时间的变化关系极为关键，直接决定着非常规油气产能预测的准确性。考虑到产能预测的重要性，通过室内实验获取水力压裂后裂缝渗透率随时间的变化关系迫在眉睫。目前，非常规油气多采用多簇分段压裂技术，因此水力裂缝渗透率除受到长期地层蠕变作用外，还受到多簇裂缝间应力干扰作用。长期地层蠕变作用将降低水力裂缝宽度，同样地多簇裂缝间的应力干扰作用也将降低裂缝宽度。根据立方定律，裂缝宽度的降低将引起裂缝渗透率的降低，进而影响非常规油气产能。目前，通过室内实验可以获取孔隙渗透率随时间的变化关系，但尚不能获取水力裂缝渗透率在地层蠕变和缝间应力干扰条件下随时间的变化关系，主要是因为缺少相应的实验装置。特别地，孔隙渗透率和裂缝渗透率属于不同的概念。鉴于此，迫切需要研发一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测装置和方法，获取水力裂缝渗透率随时间的变化关系，用于非常规油气产能预测。
目前，已有少数实验装置可以测量储层渗透率，如一种水力压裂后地层渗透性及裂缝连通性评价方法及系统(CN201810696485.0)、基于裂缝孔隙度反演定量预测储层渗透性的方法及装置(CN104391342B)及一种真三轴应力全耦合下岩石渗透率测量装置和方法(CN201811336731.8)等。然而，上述装置均缺少地层蠕变加载模块和缝间应力干扰模块，难以讨论地层蠕变和缝间应力干扰对水力裂缝渗透率的影响。特别地，基于数字图像的三轴渗流应力温度蠕变耦合实验装置(CN104849194A)、高温高压煤岩超临界二氧化碳压裂-蠕变-渗流试验装置(CN110057739A)设计了蠕变加载模块，但该模块采用流体介质直接作用在岩样上进行蠕变加载，极易引起流体介质在高压作用下渗入岩样孔隙，进而影响渗透率测试精度。同时，上述所有装置所采用的岩样均不包含裂缝，因此所获取的储层渗透率为孔隙渗透率而非裂缝渗透率，这与水力压裂后储层渗透率应为裂缝渗透率而非孔隙渗透率的本质存在差别。为克服以上问题，本发明提出了一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测装置和方法。
发明内容
本发明提供了一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测装置和方法，利用该装置可以获取储层压裂后水力裂缝渗透率在地层蠕变和缝间应力干扰条件下随时间变化的实时数据。
为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测装置，所述装置包括主体结构、蠕变围压加载结构、膨胀致裂结构和水力裂缝渗透率监测结构；
所述主体结构由顶盖、底板、旋转机械装置、实验岩样、固定支柱和上、下圆柱板构成，顶盖的两个角上固定连接旋转机械装置，另外两个角上固定连接固定支柱；所述实验岩样垂直设在顶盖和底板的中心位置，实验岩样上端紧贴上圆柱板，下端紧贴下圆柱板，下圆柱板与底板焊接在一起；上圆柱板中有两个圆孔，两个圆孔的直径分别等于出气管直径和水管直径，下圆柱板有一个圆孔，圆孔直径等于进气管直径；
实验岩样外侧设有蠕变围压加载结构，由碳纤维布、碳纤维卷轴、压力传感器和液压器构成；在两个旋转机械装置下面各垂直设置一个碳纤维卷轴，碳纤维卷轴的上端通过旋转机械装置与顶盖固定，下端直接与底板固定；碳纤维卷轴上的碳纤维布以表带结构紧密包裹实验岩样侧壁，旋转机械装置依靠变速马达通过齿轮传动促使碳纤维卷轴转动拉紧碳纤维布，为实验岩样施加蠕变围压；压力传感器设置于碳纤维布与实验岩样侧壁之间，与数据处理器相连，用于监测蠕变围压；上圆柱板和顶盖之间固定连接有液压器，通过上圆柱板给实验岩样传递轴向压力；
根据本发明，所述表带结构由碳纤维布和碳纤维卷轴构成，碳纤维布两端宽度不同，沿着碳纤维布的长度方向，碳纤维布的宽度逐渐减小，且碳纤维布宽的一端的宽度等于实验岩样的高度；在靠近碳纤维布的宽端设置有扣眼，窄的一端穿过扣眼形成紧密包裹实验岩样侧壁的捆绑结构，碳纤维布的两端分别连接碳纤维卷轴，依靠碳纤维卷轴的转动使碳纤维布不受实验岩样的形变影响，始终保持拉紧状态，构成表带结构；
根据本发明，碳纤维布全面覆盖实验岩样的侧表面，变速马达保持恒定的拉力，连接碳纤维布的两个碳纤维卷轴同时转动，使得碳纤维布始终保持拉紧状态并紧贴实验岩样，防止因实验岩样与碳纤维布之间的摩擦而致使碳纤维布不能紧贴实验岩样；碳纤维布施加的蠕变围压即会保持恒定，实现实验岩样在恒定应力水平下的蠕变围压加载，防止因岩样形变而导致围压施加不稳定；其中，压力传感器与数据处理器相连，负责监测蠕变围压；
所述实验岩样内含应力干扰岩样和测试岩样，应力干扰岩样内部设置有缝状水袋，与水管、水箱、水泵构成膨胀致裂结构，其中水管串联缝状水袋、水箱和水泵，水泵将水箱中的水泵入缝状水袋使其膨胀然后致裂应力干扰岩样产生新裂缝，进而实现对测试岩样的应力干扰；测试岩样与出气管、气体收集箱、红外气体浓度监测器、气罐、气泵、进气管构成水力裂缝渗透率监测结构，其中测试岩样顶底两端分别设置有内部镂空的钢盖，底端的钢盖通过进气管连接气罐和气泵，负责烃类气体的注入；顶端的钢盖通过出气管连接气体收集箱，负责烃类气体的收集；顶端钢盖内侧设置红外气体浓度监测器，由红外激光发射器和红外激光接收器组成，利用红外激光强度变化监测测试岩样上端气体浓度的瞬时变化，结合达西定律实现对测试岩样内水力裂缝渗透率的连续监测。压力传感器、红外气体浓度监测器与数据处理器相连，实现数据的实时传递。
本发明第二方面还提供了一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测方法，采用上述装置，具体操作步骤是：
步骤1：制备测试岩样、应力干扰岩样和实验岩样
利用倒模技术制备测试岩样，考虑水力裂缝的分布及形态利用3Dmax建立水力裂缝三维模型，选取可溶性材料(可溶树脂)为打印材料，通过3D打印机将水力裂缝三维模型打印成型；将打印成型的水力裂缝与石膏混合制成半成品岩心，然后利用二氯化钾溶解石膏中的可溶树脂形成裂缝，在半成品岩心的裂缝中倒入50目大小、闭合压力为24MPa的小陶瓷颗粒和可溶树脂的混合物(小陶瓷颗粒与可溶树脂的质量比例为2:8)，放置至冷凝成型；打碎石膏取出含小陶瓷颗粒的可溶树脂水力裂缝模型，将其与类岩石质材料(二氧化硅或重晶石粉)混合制备成型，再次利用二氯化钾溶解可溶树脂，得到测试岩样；
制备应力干扰岩样，将缝状水袋和类岩石质材料(二氧化硅或重晶石粉)混合，凝固成型制备成应力干扰岩样，制备时缝状水袋始终连接水管；
制备实验岩样，首先将测试岩样两端连接钢盖，其次连接进气管和出气管；将测试岩样和应力干扰岩样与类岩石质材料混合，制备成实验岩样；
步骤2：固定实验岩样；卸下底板和下圆柱板，将实验岩样由底端放入碳纤维布内，放回底板和下圆柱板；
步骤3：施加蠕变围压和轴向压力；通过旋转机械装置带动碳纤维卷轴旋转拉紧碳纤维布，实现实验岩样的蠕变围压加载；同时，通过液压器推动上圆柱板向下挤压，施加轴向压力；将蠕变围压和轴向压力维持在某一应力水平上，即可实现实验岩样的蠕变变形；
步骤4：模拟缝间应力干扰；将水箱中的水通过水管泵入缝状水袋，利用缝状水袋膨胀然后致裂应力干扰岩样产生新裂缝，产生的新裂缝将干扰测试岩样中的预设水力裂缝，实现应力干扰岩样和测试岩样的缝间应力干扰现象；根据水箱的起止水量计算通过水管泵入缝状水袋的水量；
步骤5：记录实时渗透率；设定蠕变时间、蠕变围压和轴向压力，打开气泵和红外气体浓度监测器，通过气泵将气罐内的气体注入钢盖的镂空处，记录测试岩样渗透率随时间的实验数据；等到蠕变时间达到设定值后，实验结束；利用所记录的实验数据，建立水力裂缝渗透率在地层蠕变和缝间应力干扰条件下随时间变化的函数关系，用于非常规油气产能预测；
步骤6：开展定量分析实验；保持蠕变围压不变，改变泵入缝状水袋中的水量，重复实验步骤1-5，研究应力干扰岩样与测试岩样间的缝间应力干扰对测试岩样渗透率的影响规律；改变蠕变围压，重复实验步骤1-3和5并略去步骤4，研究蠕变围压对测试岩样渗透率的影响规律。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明设计了一种基于应力控制方式的地层蠕变围压加载结构，通过简单可靠的柔性表带设计即应力控制方式实现了蠕变围压高精度加载，解决了目前实验装置普遍采用位移控制方式加载蠕变围压精度难以保证的问题；
2、本发明提出了一种缝间应力干扰的模拟方法，通过类岩石材料将应力干扰岩样和测试岩样包裹制成实验岩样，利用缝状水袋注水膨胀致裂应力干扰岩样产生新裂缝，新产生的裂缝将对测试岩样内的预设水力裂缝实现应力干扰；
3、本发明提出了一种实时监测水力裂缝渗透率的方法，利用红外激光以100毫秒为间隔在测试岩样气体渗出端监测气体浓度变化，并结合达西定律计算水力裂缝渗透率结果，解决了难以获取水力裂缝渗透率随时间变化的问题；
4、本发明提出了一种在测试岩样内水力裂缝中填充支撑剂的加工方法，首先利用3D打印技术将可溶树脂加工水力裂缝模型，其次结合倒模技术在水力裂缝内填充支撑剂，解决了岩样尺度下难以在水力裂缝内填充支撑剂的问题。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为图1的截面图；
图3为表带式蠕变围压加载结构示意图；
图4为旋转机械装置结构示意图；
图5为应力干扰岩样膨胀致裂结构示意图；
图6为水力裂缝渗透率监测结构示意图；
图7为测试岩样的截面图；
图8为本发明实施例1的渗透率曲线图；
图9为本发明实施例2的渗透率曲线图；
图10为本发明实施例3的渗透率散点图；
图中：1、数据处理器；2、底板；3、水箱；4、水泵；5、水管；6、旋转机械装置；61、齿轮；62、变速马达；7、顶盖；8、液压器；9、碳纤维布；10、上圆柱板；11、碳纤维卷轴；12、出气管；13、气体收集箱；14、红外气体浓度监测器；141、红外激光发射器；142、红外激光接收器；143、钢盖；15、气罐；16、气泵；17、进气管；18、应力干扰岩样；19、测试岩样；20、压力传感器；21、下圆柱板；22、缝状水袋；23、实验岩样；24、固定支柱。
具体实施方式
结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
本实施方式给出一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测装置，如图一所示，主要包括数据处理器1、底板2、水箱3、水泵4、水管5、旋转机械装置6、顶盖7、液压器8、碳纤维布9、上圆柱板10、碳纤维卷轴11、出气管12、气体收集箱13、红外气体浓度监测器14、气罐15、气泵16、进气管17、应力干扰岩样18、测试岩样19、压力传感器20、下圆柱板21、缝状水袋22、实验岩样23、固定支柱24。
所述装置主体结构由顶盖7、底板2、旋转机械装置6、实验岩样23、固定支柱24和上、下圆柱板10、21构成，顶盖7的两个角上固定连接旋转机械装置6，另外两个角上固定连接固定支柱24；
根据本发明，所述顶盖7和底板2为任意形状，通常设置为矩形；旋转机械装置6优选的固定连接在顶盖7同侧的两个角上，方便后续的旋转操作。
所述实验岩样23垂直设在顶盖7和底板2的中心位置，实验岩样23上端紧贴上圆柱板10，下端紧贴下圆柱板21，上圆柱板10和顶盖7之间固定连接有液压器8，下圆柱板21与底板2焊接在一起；
根据本发明，实验岩样23为圆柱体；液压器8推动上圆柱板10向下移动，即可为实验岩样23施加轴向压力；所述底板2可拆卸，方便安装和更换实验岩样23。优选的，上圆柱板10和下圆柱板21的底面半径与实验岩样23的底面半径相等。
所述实验岩样23外侧设有蠕变围压加载结构，由碳纤维布9、碳纤维卷轴11、压力传感器20和液压器8构成；在两个旋转机械装置6下面各垂直设置一个碳纤维卷轴11，碳纤维卷轴11的上端通过旋转机械装置6与顶盖7固定，下端直接与底板2固定；碳纤维卷轴11上的碳纤维布9以表带结构紧密包裹实验岩样23侧壁，旋转机械装置6依靠变速马达62通过齿轮61传动促使碳纤维卷轴11转动拉紧碳纤维布9，为实验岩样23施加蠕变围压；压力传感器20设置于碳纤维布9与实验岩样23侧壁之间，用于监测蠕变围压；液压器8通过上圆柱板10给实验岩样23传递轴向压力；
根据本发明，所述表带结构由碳纤维布9和碳纤维卷轴11构成，碳纤维布9两端宽度不同，沿着碳纤维布的长度方向，碳纤维布的宽度逐渐减小，且碳纤维布9宽的一端的宽度等于实验岩样23的高度；在靠近碳纤维布9的宽端设置有扣眼，窄的一端穿过扣眼形成紧密包裹实验岩样23侧壁的捆绑结构，碳纤维布9的两端分别连接碳纤维卷轴11，依靠碳纤维卷轴11的转动使碳纤维布9不受实验岩样的形变影响，始终保持拉紧状态，构成表带结构；
根据本发明，碳纤维布9全面覆盖实验岩样23的侧表面，变速马达62保持恒定的拉力，连接碳纤维布9的两个碳纤维卷轴11同时转动，使得碳纤维布9始终保持拉紧状态并紧贴实验岩样23，防止因实验岩样23与碳纤维布9之间的摩擦而致使碳纤维布9不能紧贴实验岩样23；碳纤维布9施加的蠕变围压即会保持恒定，实现实验岩样23在恒定应力水平下的蠕变围压加载，防止因岩样形变而导致围压施加不稳定；其中，压力传感器20与数据处理器1相连，负责监测蠕变围压。利用本发明所述的表带结构实现一种只提供拉力就可以为岩样施加不因岩样形变而发生变化的围压，克服了常规蠕变加载方式会受形变的影响而导致所受围压出现变化波动，需要实时调控围压大小，不能连续模拟蠕变加载的难题。
实验岩样23内含应力干扰岩样18和测试岩样19，应力干扰岩样18和测试岩样19位于实验岩样23的中心位置，沿着实验岩样23的中心轴左右对称；
根据本发明，所述应力干扰岩样18和测试岩样19为相同的矩形或圆柱体，二者形状相同，体积是实验岩样23的1/6。
所述应力干扰岩样18内部设置有缝状水袋22，与水管5、水箱3、水泵4构成膨胀致裂结构，其中水管5串联缝状水袋22、水箱3和水泵4，水泵4将水箱3中的水泵入缝状水袋22使其膨胀然后致裂应力干扰岩样18产生新裂缝，进而实现对测试岩样19的应力干扰。
所述测试岩样19与出气管12、气体收集箱13、红外气体浓度监测器14、气罐15、气泵16、进气管17构成水力裂缝渗透率监测结构，其中测试岩样19顶底两端分别设置有内部镂空的钢盖143，底端的钢盖143通过进气管17连接气罐15和气泵16，负责烃类气体的注入；顶端的钢盖143通过出气管12连接气体收集箱13，负责烃类气体的收集；顶端钢盖143内侧设置红外气体浓度监测器14，由红外激光发射器141和红外激光接收器142组成，利用红外激光强度变化监测测试岩样19上端渗出的气体浓度的瞬时变化，结合达西定律实现对测试岩样19内水力裂缝渗透率的连续监测；红外气体浓度监测器14与数据处理器1相连，实现数据的实时传递。
红外气体浓度监测器14基于分子吸收光原理设计，利用红外激光穿透烃类气体，以100毫秒为时间间隔实时监测气体浓度。
根据达西定律推导水力裂缝渗透率计算公式，见公式(1)：
式中：K为气体渗透率，μm2；A为测试岩样横截面面积，cm2；H为测试岩样的高度，cm；P1，P2为测试岩样入口及出口的压力，MPa；P为大气压力，MPa；μ为气体粘度，MPa·s；Q为出口处的气体流量，cm3/s。
测试岩样19出口处气体流量计算公式见公式(2)：
式中：Q为测试岩样19出口处的气体流量，cm3/s；V为测试岩样19顶端钢盖的镂空体积，cm3；η1，η2为T1，T2时刻的渗出气体浓度(体积浓度)；TQ为时间段，s；VQ为TQ时间段内通过测试岩样出口处的气体体积，cm3。
本发明中，顶盖7、上圆柱板10和实验岩样23均开有与水管5直径尺寸相同的圆孔，使水管5可以穿过顶盖7、上圆柱板10与应力干扰岩样18内的缝状水袋22连接；上圆柱板10和下圆柱板21上分别开有与出气管12和进气管17直径大小相同的圆孔；进气管17通过下圆柱板21、实验岩样23与测试岩样19底端的钢盖143相连；出气管12穿过顶盖7、上圆柱板10与测试岩样19顶端的钢盖143相连。
本实施方式给出一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测方法，其操作步骤是：
步骤1：制备测试岩样、应力干扰岩样和实验岩样
①利用倒模技术制备测试岩样19，考虑水力裂缝的分布及形态利用3Dmax建立水力裂缝三维模型，选取可溶性材料(可溶树脂)为打印材料，通过3D打印机将水力裂缝三维模型打印成型；将打印成型的水力裂缝与石膏混合制成半成品岩心，然后利用二氯化钾溶解石膏中的可溶树脂形成裂缝，在半成品岩心的裂缝中倒入50目大小、闭合压力为24MPa的小陶瓷颗粒和可溶树脂的混合物(小陶瓷颗粒与可溶树脂的质量比例为2:8)，放置至冷凝成型；打碎石膏取出含小陶瓷颗粒的可溶树脂水力裂缝模型，将其与类岩石质材料(二氧化硅或重晶石粉)混合制备成型，再次利用二氯化钾溶解可溶树脂，得到测试岩样19；
②制备应力干扰岩样18，将缝状水袋22和类岩石质材料(二氧化硅或重晶石粉)混合，凝固成型制备成应力干扰岩样18，制备时缝状水袋22始终连接水管5；
③制备实验岩样23，首先将测试岩样19两端连接钢盖143，其次连接进气管17和出气管12；将测试岩样19和应力干扰岩样18与类岩石质材料混合，制备成实验岩样23；
步骤2：固定实验岩样23；卸下底板2和下圆柱板21，将实验岩样23由底端放入碳纤维布9内，放回底板2和下圆柱板21；
步骤3：施加蠕变围压和轴向压力；通过旋转机械装置6带动碳纤维卷轴11旋转拉紧碳纤维布9，实现实验岩样23的蠕变围压加载；同时，通过液压器8推动上圆柱板10向下挤压，施加轴向压力；将蠕变围压和轴向压力维持在某一应力水平上，即可实现实验岩样23的蠕变变形；
步骤4：模拟缝间应力干扰；打开水泵4，将水箱3中的水通过水管5泵入缝状水袋22，利用缝状水袋22膨胀然后致裂应力干扰岩样18产生新裂缝，产生的新裂缝将干扰测试岩样19中的预设水力裂缝，实现应力干扰岩样18和测试岩样19的缝间应力干扰现象；根据水箱3的起止水量计算通过水管5泵入缝状水袋22的水量；
步骤5：记录实时渗透率；设定蠕变时间、蠕变围压和轴向压力，打开气泵16和红外气体浓度监测器14，通过气泵16将气罐15内的气体注入钢盖143的镂空处，记录测试岩样19渗透率随时间的实验数据；等到蠕变时间达到设定值后，实验结束；利用所记录的实验数据，建立水力裂缝渗透率在地层蠕变和缝间应力干扰条件下随时间变化的函数关系，用于非常规油气产能预测；
步骤6：开展定量分析实验；保持蠕变围压不变，改变泵入缝状水袋22中的水量，重复实验步骤1-5，研究应力干扰岩样18与测试岩样19间的缝间应力干扰对测试岩样19渗透率的影响规律；改变蠕变围压，重复实验步骤1-3和5并略去步骤4，研究蠕变围压对测试岩样19渗透率的影响规律。
实施例1：
根据步骤1-2制备测试岩样19、应力干扰岩样18、实验岩样23，然后固定实验岩样23；根据步骤3操作设定蠕变时间7天、蠕变围压10MPa和轴向压力10MPa，其中需要利用实验岩样23侧面积与所设定蠕变围压相乘计算碳纤维卷轴11拉力大小；根据步骤4在第3天进行缝间应力干扰操作；根据步骤5记录测试岩样19渗透率随时间变化的实验数据，如图8。
实施例2：
根据步骤1-2制备测试岩样19、应力干扰岩样18、实验岩样23，然后固定实验岩样23；根据步骤3操作设定蠕变时间7天、蠕变围压10MPa和轴向压力10MPa，其中需要利用实验岩样23侧面积与所设定蠕变围压相乘计算碳纤维卷轴11拉力大小；取消步骤4的缝间应力干扰；根据步骤5记录测试岩样19渗透率随时间变化的实验数据，如图9。
实施例3：
根据步骤1制备测试岩样19，然后在中机试验RDJ10高温蠕变试验机上固定测试岩样19；根据步骤3操作设定蠕变时间7天、蠕变围压10MPa和轴向压力10MPa；在每天固定时刻拆下测试岩样19，并采用等效渗流阻力方法测试岩样19的渗透率，并记录数据，如图10。
从图8-10可以看出，(1)采用本发明装置能够研究缝间应力干扰对蠕变过程中水力裂缝渗透率变化的影响，充分模拟非常规油气开采中的缝间应力干扰现象，更加接近实际情况，所得数据更加准确，解决了常规实验装置难以讨论缝间应力干扰对水力裂缝渗透率影响的问题；(2)根据实施例1和2所得渗透率曲线图可以发现，缝间应力干扰在第3天被执行后，水力裂缝渗透率迅速降低，这说明本装置能够充分模拟缝间应力干扰对水力裂缝渗透率变化的影响；(3)采用本发明装置可以获得地层蠕变和缝间应力干扰条件下的水力裂缝渗透率实时变化曲线图，而现有装置尚未实现地层蠕变加载、缝间应力干扰模拟和渗透率测试三个功能的一体化，使得渗透率测试工序繁杂且仅能获得特定时间点上的渗透率散点图，由此可见本发明所述装置相对于现有装置具有明显优势。
在地层蠕变过程中，水力裂缝的初始渗透率和终止渗透率最为关键，为此对比分析了实施例1-3的水力裂缝渗透率数据，如表1所示：
表1水力裂缝渗透率数据对比表
分析表1发现：本发明装置在有应力干扰和无应力干扰条件下的水力裂缝终止渗透率有明显区别(0.81<1.02)，证明了本发明装置设计的缝间应力干扰结构充分可行，进而可以依托本发明装置讨论缝间应力干扰对水力裂缝渗透率的影响。另外，对比本发明装置(无应力干扰)和常规装置所测的渗透率结果可知，现有装置在蠕变条件下的渗透率结果偏高，可能是由于现有装置尚未将地层蠕变加载、缝间应力干扰模拟和渗透率测试三个功能合为一体而引起的误差。
Claims (10)
1.一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测装置，其特征在于，所述装置包括主体结构、蠕变围压加载结构、膨胀致裂结构和水力裂缝渗透率监测结构；
所述主体结构由顶盖、底板、旋转机械装置、实验岩样、固定支柱和上、下圆柱板构成，顶盖的两个角上固定连接旋转机械装置，另外两个角上固定连接固定支柱；所述实验岩样垂直设在顶盖和底板的中心位置，实验岩样上端紧贴上圆柱板，下端紧贴下圆柱板，下圆柱板与底板焊接在一起；
实验岩样外侧设有蠕变围压加载结构，由碳纤维布、碳纤维卷轴、压力传感器和液压器构成；在两个旋转机械装置下面各垂直设置一个碳纤维卷轴，碳纤维卷轴的上端通过旋转机械装置与顶盖固定，下端直接与底板固定；碳纤维卷轴上的碳纤维布以表带结构紧密包裹实验岩样侧壁，旋转机械装置依靠变速马达通过齿轮传动促使碳纤维卷轴转动拉紧碳纤维布，为实验岩样施加蠕变围压；压力传感器设置于碳纤维布与实验岩样侧壁之间，与数据处理器相连，用于监测蠕变围压；上圆柱板和顶盖之间固定连接有液压器，通过上圆柱板给实验岩样传递轴向压力；
实验岩样内含应力干扰岩样和测试岩样，应力干扰岩样内部设置有缝状水袋，与水管、水箱、水泵构成膨胀致裂结构；测试岩样与出气管、气体收集箱、红外气体浓度监测器、气罐、气泵、进气管构成水力裂缝渗透率监测结构；通过类岩石材料将应力干扰岩样和测试岩样包裹制成实验岩样，利用缝状水袋注水膨胀致裂应力干扰岩样产生新裂缝，新产生的裂缝将对测试岩样内的预设水力裂缝实现应力干扰。
2.根据权利要求1所述的一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测装置，其特征在于，所述表带结构由碳纤维布和碳纤维卷轴构成，碳纤维布两端宽度不同，沿着碳纤维布的长度方向，碳纤维布的宽度逐渐减小，且碳纤维布宽的一端的宽度等于实验岩样的高度；在靠近碳纤维布的宽端设置有扣眼，窄的一端穿过扣眼形成紧密包裹实验岩样侧壁的捆绑结构，碳纤维布的两端分别连接碳纤维卷轴，依靠碳纤维卷轴的转动使碳纤维布不受实验岩样的形变影响，始终保持拉紧状态，构成表带结构。
3.根据权利要求2所述的一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测装置，其特征在于，碳纤维布全面覆盖实验岩样的侧表面，变速马达保持恒定的拉力，连接碳纤维布的两个碳纤维卷轴同时转动，使得碳纤维布始终保持拉紧状态并紧贴实验岩样。
4.根据权利要求1所述的一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测装置，其特征在于，膨胀致裂结构中，水管串联缝状水袋、水箱和水泵，水泵将水箱中的水泵入缝状水袋使其膨胀然后致裂应力干扰岩样产生新裂缝，进而实现对测试岩样的应力干扰；
水力裂缝渗透率监测结构中，测试岩样顶底两端分别设置有内部镂空的钢盖，底端的钢盖通过进气管连接气罐和气泵，负责烃类气体的注入；顶端的钢盖通过出气管连接气体收集箱，负责烃类气体的收集；顶端钢盖内侧设置红外气体浓度监测器。
5.根据权利要求4所述的一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测装置，其特征在于，红外气体浓度监测器由红外激光发射器和红外激光接收器组成，利用红外激光强度变化监测测试岩样上端渗出的气体浓度的瞬时变化，结合达西定律实现对测试岩样内水力裂缝渗透率的连续监测；红外气体浓度监测器与数据处理器相连，实现数据的实时传递；
根据达西定律推导水力裂缝渗透率计算公式，见公式(1)：
式中：K为气体渗透率，μm2；A为测试岩样横截面面积，cm2；H为测试岩样的高度，cm；P1，P2为测试岩样入口及出口的压力，MPa；P为大气压力，MPa；μ为气体粘度，MPa·s；Q为出口处的气体流量，cm3/s；
测试岩样出口处气体流量计算公式，见公式(2)：
式中：Q为测试岩样出口处的气体流量，cm3/s；V为测试岩样顶端钢盖的镂空体积，cm3；η1，η2为T1，T2时刻的渗出气体体积浓度；TQ为时间段，s；VQ为TQ时间段内通过测试岩样出口处的气体体积，cm3。
6.根据权利要求1所述的一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测装置，其特征在于，顶盖和底板为矩形；旋转机械装置固定连接在顶盖同侧的两个角上；
实验岩样为圆柱体；上圆柱板和下圆柱板的底面半径与实验岩样的底面半径相等；
应力干扰岩样和测试岩样为相同的矩形或圆柱体，二者形状相同，体积是实验岩样的1/6；位于实验岩样的中心位置，沿着实验岩样的中心轴左右对称。
7.根据权利要求1所述的一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测装置，其特征在于，顶盖、上圆柱板和实验岩样均开有与水管直径尺寸相同的圆孔，使水管可以穿过顶盖、上圆柱板与应力干扰岩样内的缝状水袋连接；上圆柱板和下圆柱板上分别开有与出气管和进气管直径大小相同的圆孔；进气管通过下圆柱板、实验岩样与测试岩样底端的钢盖相连；出气管穿过顶盖、上圆柱板与测试岩样顶端的钢盖相连。
8.一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一所述的装置，包括以下步骤：
步骤1：制备测试岩样、应力干扰岩样和实验岩样；
步骤2：固定实验岩样；卸下底板和下圆柱板，将实验岩样由底端放入碳纤维布内，放回底板和下圆柱板；
步骤3：施加蠕变围压和轴向压力；通过旋转机械装置带动碳纤维卷轴旋转拉紧碳纤维布，实现实验岩样的蠕变围压加载；同时，通过液压器推动上圆柱板向下挤压，施加轴向压力；将蠕变围压和轴向压力维持在某一应力水平上，即可实现实验岩样的蠕变变形；
步骤4：模拟缝间应力干扰；打开水泵，将水箱中的水通过水管泵入缝状水袋，利用缝状水袋膨胀然后致裂应力干扰岩样产生新裂缝，产生的新裂缝将干扰测试岩样中的预设水力裂缝，实现应力干扰岩样和测试岩样的缝间应力干扰现象；根据水箱的起止水量计算通过水管泵入缝状水袋的水量；
步骤5：记录实时渗透率；设定蠕变时间、蠕变围压和轴向压力，打开气泵和红外气体浓度监测器，通过气泵将气罐内的气体注入钢盖的镂空处，记录测试岩样渗透率随时间的实验数据；等到蠕变时间达到设定值后，实验结束；利用所记录的实验数据，建立水力裂缝渗透率在地层蠕变和缝间应力干扰条件下随时间变化的函数关系，用于非常规油气产能预测；
步骤6：开展定量分析实验；保持蠕变围压不变，改变泵入缝状水袋中的水量，重复实验步骤1-5，研究应力干扰岩样与测试岩样间的缝间应力干扰对测试岩样渗透率的影响规律；改变蠕变围压，重复实验步骤1-3和5并略去步骤4，研究蠕变围压对测试岩样渗透率的影响规律。
9.根据权利要求8所述的一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测方法，其特征在于，
利用倒模技术制备测试岩样；考虑水力裂缝的分布及形态利用3Dmax建立水力裂缝三维模型，选取可溶性材料为打印材料，通过3D打印机将水力裂缝三维模型打印成型；将打印成型的水力裂缝与石膏混合制成半成品岩心，然后利用二氯化钾溶解石膏中的可溶树脂形成裂缝，在半成品岩心的裂缝中倒入50目大小、闭合压力为24MPa的小陶瓷颗粒和可溶树脂的混合物，放置至冷凝成型；打碎石膏取出含小陶瓷颗粒的可溶树脂水力裂缝模型，将其与类岩石质材料混合制备成型，再次利用二氯化钾溶解可溶树脂，得到测试岩样；
制备应力干扰岩样，将缝状水袋和类岩石质材料混合，凝固成型制备成应力干扰岩样，制备时缝状水袋始终连接水管；
制备实验岩样，首先将测试岩样两端连接钢盖，其次连接进气管和出气管；将测试岩样和应力干扰岩样与类岩石质材料混合，制备成实验岩样。
10.根据权利要求9所述的一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测方法，其特征在于，小陶瓷颗粒与可溶树脂的质量比例为2:8，类岩石质材料为二氧化硅或重晶石粉。
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