CN113914841A - 一种页岩可视化压裂实验装置及方法 - Google Patents

一种页岩可视化压裂实验装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种页岩可视化压裂实验装置及方法，所述装置包括：岩样固定组件，用于固定岩样；应力加载组件，用于向所述岩样加载应力；所述应力加载组件与所述岩样固定组件相邻设置；水力施加组件，用于向所述岩样施加水力；所述水力施加组件与所述岩样固定组件相邻设置；DIC测量组件，用于测量所述岩样上标记点的位置信息；所述DIC测量组件与所述岩样固定组件相邻设置；数据处理组件，用于处理所述DIC测量组件的测量数据；所述数据处理组件与所述DIC测量组件连接。本申请对分析复杂裂缝的扩展规律及复杂裂缝成缝成网机理起到重要作用，对提高缝网复杂度，提高有效改造体积从而提高石油采收率提供依据。

Description

一种页岩可视化压裂实验装置及方法
技术领域
本发明属于石油勘探技术领域，具体涉及一种页岩可视化压裂实验装置及方法。
背景技术
随着石油勘探开采技术的进步，非常规油气的开采成为当今石油产业的热点，页岩油气由于其储量丰富也随之受到广大科研工作者的重视，我国已经开始对相关页岩油区块进行开发。对页岩中裂缝的扩展规律研究对页岩油气开采具有重要意义。然而，页岩具有低孔低渗的特点，页岩生烃模式为自生自储，而且深层页岩地应力差大，温度较高，导致深层页岩在复杂的环境中难以达到较好的起裂效果，这就导致页岩中裂缝的扩展规律较常规油气开采过程中裂缝扩展规律复杂的特点，而且页岩中复杂裂缝的成缝机理不明确，因此，常规的水力压裂试验方法研究页岩裂缝扩展规律不能更好地对页岩中复杂的裂缝进行分析。
数字图像相关技术(Digital Image Correlation,DIC)中内置数字图像处理装置和数值计算装置能够将试验过程中标记点的位置信息输送至装置中自动运行程序进行处理，从而实现岩样中裂缝扩展可视化的目的。页岩中各层岩性复杂，层理与层理之间的力学性质多变，导致裂缝形态复杂多样。工程上使用一系列技术措施以提高缝网复杂程度，改善页岩压裂改造体积，达到提高采收率的目的，但取得的效果不佳，而且由于深层页岩埋藏较深，现有提高缝网复杂程度改善页岩压裂改造体积的施工工艺主要建立在经验性基础上，无法深入分析研究复杂缝相互作用机制及水力裂缝成缝机制，进而不能改善现有施工工艺。
由于深层页岩的特殊性，目前尚无有效的技术手段能够实现现场水力压裂裂缝实时监测，而且目前研究天然裂缝和人工裂缝之间的相互作用规律的方法主要是通过室内模型试验和数值模拟试验分析应力-应变关系来进行预测，在准确性方面缺乏说服力，数字图像相关法(Digital image correlation，DIC)是一种无损、实时、高效、全应变场表面变形监测手段，能够实现实时标记处裂缝精确的位置变化信息，所以将DIC技术运用到页岩水力裂缝扩展规律的研究中具有深刻的研究意义。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种页岩可视化压裂实验装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种页岩可视化压裂实验装置，包括：
岩样固定组件，用于固定岩样；
应力加载组件，用于向所述岩样加载应力；所述应力加载组件与所述岩样固定组件相邻设置；
水力施加组件，用于向所述岩样施加水力；所述水力施加组件与所述岩样固定组件相邻设置；
DIC测量组件，用于测量所述岩样上标记点的位置信息；所述DIC测量组件与所述岩样固定组件相邻设置；
数据处理组件，用于处理所述DIC测量组件的测量数据；所述数据处理组件与所述DIC测量组件连接。
优选地，所述岩样固定组件包括：压紧板和紧固件，其中，两个所述压紧板通过所述紧固件相对设置并共同夹紧所述岩样，所述压紧板上开设有可看到所述岩样的视窗。
优选地，所述岩样固定组件还包括：压板，两个所述压板通过所述紧固件相对设置并共同夹紧对应所述压紧板外侧，所述压板上开设有可看到所述岩样的所述视窗。
优选地，所述应力加载组件包括：上液压器和下支撑件，其中，所述下支撑件支撑所述岩样底部设置，所述上液压器设置于所述岩样的正上方。
优选地，所述应力加载组件还包括：左液压器和右支撑件，其中，所述右支撑件支撑所述岩样右侧设置，所述左液压器设置于所述岩样的左方。
优选地，所述水力施加组件包括：出液管、输送管和水力泵，其中，所述出液管设置于所述水力泵上，且与所述输送管的第一端连接，所述输送管的第二端朝向所述岩样设置，所述水力泵连接外界水路。
优选地，所述水力施加组件还包括：密封套，所述密封套密封连接所述出液管和所述输送管。
优选地，所述DIC测量组件包括：位移信号接收器和实时图像显示器，其中，所述位移信号接收器相对于所述岩样设置，所述位移信号接收器分别与所述实时图像显示器和所述数据处理组件连接。
优选地，所述数据处理组件包括：处理器、应变分析器和裂缝识别分析器，其中，所述应变分析器分别与所述位移信号接收器和所述裂缝识别分析器连接，所述裂缝识别分析器与所述处理器连接。
本发明还提供了一种页岩可视化压裂实验方法，基于如上述中任一所述页岩可视化压裂实验装置实现，所述方法包括步骤：
将岩样固定于岩样固定组件上；
使用应力加载组件向所述岩样加载应力；
使用水力施加组件向所述岩样施加水力；
使用DIC测量组件测量所述岩样上标记点的位置信息；
使用数据处理组件处理所述DIC测量组件的测量数据。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本申请提供的一种页岩可视化压裂实验装置及方法，通过岩石水力压裂技术与数字图像相关技术(Digital Image Correlation,DIC)相结合，可以清晰地将水力压裂过程中天然裂缝、水力裂缝及充填裂缝进行区分，能清晰地观察到水力裂缝、天然裂缝还有充填裂缝的扩展过程，可以观察到在压裂段内水力裂缝与天然裂缝的相互作用方式及相互作用规律，对分析复杂裂缝的扩展规律及复杂裂缝成缝成网机理起到重要作用，对提高缝网复杂度，提高有效改造体积从而提高石油采收率提供依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的一种页岩可视化压裂实验装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种页岩可视化压裂实验装置的部分结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种页岩可视化压裂实验装置中岩样的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种页岩可视化压裂实验装置得到的最大主拉应变云图示意图。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
如图1，在本申请实施例中，本发明提供了一种页岩可视化压裂实验装置，包括：
岩样固定组件，用于固定岩样6；
应力加载组件，用于向所述岩样6加载应力；所述应力加载组件与所述岩样固定组件相邻设置；
水力施加组件，用于向所述岩样6施加水力；所述水力施加组件与所述岩样固定组件相邻设置；
DIC测量组件，用于测量所述岩样6上标记点的位置信息；所述DIC测量组件与所述岩样固定组件相邻设置；
数据处理组件，用于处理所述DIC测量组件的测量数据；所述数据处理组件与所述DIC测量组件连接。
当使用此装置对岩样6进行页岩可视化压裂实验时，首先将岩样6固定于岩样固定组件上，然后使用应力加载组件向所述岩样6加载应力，同时使用水力施加组件向所述岩样6施加水力，接着使用DIC测量组件测量所述岩样6上标记点的位置信息，最后使用数据处理组件处理所述DIC测量组件的测量数据。
如图1，在本申请实施例中，所述岩样固定组件包括：压紧板102和紧固件104，其中，两个所述压紧板102通过所述紧固件104相对设置并共同夹紧所述岩样6，所述压紧板102上开设有可看到所述岩样6的视窗103。
在本申请实施例中，压紧板102可以为有机玻璃板，压紧板102被配置为保护岩样6不受外界干扰，紧固件104可以为螺钉，紧固件104被配置为固定两个压紧板102，视窗103被配置为便于观察水力压裂过程中岩样6的宏观表现。
如图1，在本申请实施例中，所述岩样固定组件还包括：压板101，两个所述压板101通过所述紧固件104相对设置并共同夹紧对应所述压紧板102外侧，所述压板101上开设有可看到所述岩样6的所述视窗103。
在本申请实施例中，压板101可以为不锈钢压板，压板101被配置为保护及固定岩样6，紧固件104被配置为固定两个压板101。
如图1，在本申请实施例中，所述应力加载组件包括：上液压器201和下支撑件203，其中，所述下支撑件203支撑所述岩样6底部设置，所述上液压器201设置于所述岩样6的正上方。
在本申请实施例中，下支撑件203用于支撑岩样6，上液压器201用于向岩样6施加竖直方向的压力。
如图1，在本申请实施例中，所述应力加载组件还包括：左液压器202和右支撑件204，其中，所述右支撑件204支撑所述岩样6右侧设置，所述左液压器202设置于所述岩样6的左方。
在本申请实施例中，右支撑件204用于抵紧岩样6，左液压器202用于向岩样6施加水平方向的压力。
如图1，在本申请实施例中，所述水力施加组件包括：出液管301、输送管304和水力泵303，其中，所述出液管301设置于所述水力泵303上，且与所述输送管304的第一端连接，所述输送管304的第二端朝向所述岩样6设置，所述水力泵303连接外界水路。
在本申请实施例中，水力泵303被配置为向岩样6施加注水动力，并且控制注水速率，外界水路中的水经由水力泵303后通过出液管301和输送管304施加给岩样6。
如图1，在本申请实施例中，所述水力施加组件还包括：密封套302，所述密封套302密封连接所述出液管301和所述输送管304。
在本申请实施例中，密封套302被配置为防止水分从出液管301和输送管304连接处散失。
如图2，在本申请实施例中，所述DIC测量组件包括：位移信号接收器401和实时图像显示器402，其中，所述位移信号接收器401相对于所述岩样6设置，所述位移信号接收器401分别与所述实时图像显示器402和所述数据处理组件连接。
在本申请实施例中，位移信号接收器401被配置为接收水力压裂过程中岩样6上的标记点位置信息，实时图像显示器402被配置为将接收到的标记点位置信息显示在屏幕中，实现可视化的目的。
如图2，在本申请实施例中，所述数据处理组件包括：处理器501、应变分析器502和裂缝识别分析器503，其中，所述应变分析器502分别与所述位移信号接收器401和所述裂缝识别分析器503连接，所述裂缝识别分析器503与所述处理器501连接。
在本申请实施例中，处理器501被配置为控制各零件相互协调配合工作，应变分析器502被配置为将标记点位移信息转换为应变信息，裂缝识别分析器503被配置为根据应变信息描绘出裂缝的变化情况并进行分析。
如图3，在本申请实施例中，岩样6的尺寸为150mm×150mm×30mm，利用高精度钻机在岩样6正中心位置钻直径为3mm的预留孔603，利用线切割制备半缝长为10mm、宽为0.5mm的水力裂缝，利用线切割在小孔25mm处对称地切割两条长20mm宽1.5mm的贯穿裂纹，并向其中充填石膏以模拟天然充填裂纹604。钻取如图3所示预留孔以插入紧固螺栓，孔壁插入塑料套，尽量减小对周围压力施加的影响。将制备好的岩样6放入高温烘箱中以120℃高温烘干24小时，直至试样充分干燥。岩样6的最大应力通过601、602表示，水力孔通过605表示。
如图4所示为通过该装置得到的拉应变云图，从图中可以看出，中心裂缝首先起裂，起裂后水力裂缝向充填裂缝延伸，在水力裂缝与充填裂缝交汇之前，水力裂缝延伸方向发生偏转，水力裂缝与充填裂缝以近乎垂直的形态相交。水力裂缝与充填裂缝相交之后，水力裂缝继续延伸，但水力裂缝继续发生偏转，偏转方向跟与充填裂缝相交之前相反。
本申请提供的一种页岩可视化压裂实验装置及方法，通过岩石水力压裂技术与数字图像相关技术(Digital Image Correlation,DIC)相结合，可以清晰地将水力压裂过程中天然裂缝、水力裂缝及充填裂缝进行区分，能清晰地观察到水力裂缝、天然裂缝还有充填裂缝的扩展过程，可以观察到在压裂段内水力裂缝与天然裂缝的相互作用方式及相互作用规律，对分析复杂裂缝的扩展规律及复杂裂缝成缝成网机理起到重要作用，对提高缝网复杂度，提高有效改造体积从而提高石油采收率提供依据。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
总之，以上所述仅为本发明技术方案的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种页岩可视化压裂实验装置，其特征在于，包括：
岩样固定组件，用于固定岩样；
应力加载组件，用于向所述岩样加载应力；所述应力加载组件与所述岩样固定组件相邻设置；
水力施加组件，用于向所述岩样施加水力；所述水力施加组件与所述岩样固定组件相邻设置；
DIC测量组件，用于测量所述岩样上标记点的位置信息；所述DIC测量组件与所述岩样固定组件相邻设置；
数据处理组件，用于处理所述DIC测量组件的测量数据；所述数据处理组件与所述DIC测量组件连接。
2.根据权利要求1所述的页岩可视化压裂实验装置，其特征在于，所述岩样固定组件包括：压紧板和紧固件，其中，两个所述压紧板通过所述紧固件相对设置并共同夹紧所述岩样，所述压紧板上开设有可看到所述岩样的视窗。
3.根据权利要求2所述的页岩可视化压裂实验装置，其特征在于，所述岩样固定组件还包括：压板，两个所述压板通过所述紧固件相对设置并共同夹紧对应所述压紧板外侧，所述压板上开设有可看到所述岩样的所述视窗。
4.根据权利要求1所述的页岩可视化压裂实验装置，其特征在于，所述应力加载组件包括：上液压器和下支撑件，其中，所述下支撑件支撑所述岩样底部设置，所述上液压器设置于所述岩样的正上方。
5.根据权利要求4所述的页岩可视化压裂实验装置，其特征在于，所述应力加载组件还包括：左液压器和右支撑件，其中，所述右支撑件支撑所述岩样右侧设置，所述左液压器设置于所述岩样的左方。
6.根据权利要求1所述的页岩可视化压裂实验装置，其特征在于，所述水力施加组件包括：出液管、输送管和水力泵，其中，所述出液管设置于所述水力泵上，且与所述输送管的第一端连接，所述输送管的第二端朝向所述岩样设置，所述水力泵连接外界水路。
7.根据权利要求6所述的页岩可视化压裂实验装置，其特征在于，所述水力施加组件还包括：密封套，所述密封套密封连接所述出液管和所述输送管。
8.根据权利要求1所述的页岩可视化压裂实验装置，其特征在于，所述DIC测量组件包括：位移信号接收器和实时图像显示器，其中，所述位移信号接收器相对于所述岩样设置，所述位移信号接收器分别与所述实时图像显示器和所述数据处理组件连接。
9.根据权利要求8所述的页岩可视化压裂实验装置，其特征在于，所述数据处理组件包括：处理器、应变分析器和裂缝识别分析器，其中，所述应变分析器分别与所述位移信号接收器和所述裂缝识别分析器连接，所述裂缝识别分析器与所述处理器连接。
10.一种页岩可视化压裂实验方法，其特征在于，基于如权利要求1-9中任一所述页岩可视化压裂实验装置实现，所述方法包括步骤：
将岩样固定于岩样固定组件上；
使用应力加载组件向所述岩样加载应力；
使用水力施加组件向所述岩样施加水力；
使用DIC测量组件测量所述岩样上标记点的位置信息；
使用数据处理组件处理所述DIC测量组件的测量数据。
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