CN114264557A - 重力加压下岩石酸压耦合缝网实时监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种重力加压下岩石酸压耦合缝网实时监测系统及方法，包括试验工作台，试验工作台上设有立柱，立柱上设有重力加压装置，试验工作台上设有腐蚀模拟装置，腐蚀模拟装置包括试验箱和加压容器，试验箱安装在试验工作台上，试验箱内设有岩样，加压容器内设有化学溶液，岩样上部与加压容器相连通，加压容器上部通过压力传输机构与重力加压装置相连接；所述岩样上设有电极，电极与电化学工作站相连接，电化学工作站与计算机相连接。本发明能够实现泥页岩在重压和酸压条件下微观结构变化的实时监测，用于室内研究岩石在应力和酸腐蚀共同作用下微观结构变化的室内试验及其监测，具有设备结构简单、组合操作方便、步骤明晰、易于操作的优点。

Description

重力加压下岩石酸压耦合缝网实时监测系统及方法

技术领域

本发明涉及页岩气开采的技术领域，尤其涉及一种重力加压下岩石酸压耦合缝网实时监测系统及方法，实验室模拟页岩气开采过程中岩石在水力压裂和化学溶液腐蚀共同作用下，其内部缝网形成演化的过程，并且进行实时监测。

背景技术

页岩气是从页岩层中开采出来的天然气，主要是指储藏在暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附或游离状态储藏的气体，是一种重要的非常规天然气资源。其成分中甲烷最多，其次是乙烷和丙烷。页岩气的开发利用不仅有效增加了全球能源供给总量，而且正在改变全球能源供给结构。

一方面，随着页岩气开发热潮的兴起，开采技术也正在大力发展，“水力压裂”这个原本专业性很强的术语也变得耳熟能详。水力压裂技术是油气增产中最常用、最传统的处理技术。在很多非常规能源储层的开发中，该技术已经成为商业化规模生产的关键。目前常用的水力压裂技术有清水压裂、多级压裂、混合压裂、同步压裂、水力啧射压裂和重复压裂。虽然，水力压裂技术已广泛应用于常规油气开采，但如何将该技术应用于吸附气比重极大的页岩气、提高单井产量，仍是挡在页岩气“美好前景”面前的一道门槛。

另一方面，首先，在深部地下环境中，深部岩石长期处于含有SO₄ ^2-、Cl^-、HCO^-，CO₃ ^2-等酸性离子的地下化学溶液环境中﹐而常见岩石中主要为大理岩﹑砂岩、花岗岩、页岩等，其成分含有Ca²⁺、Al²⁺、Si²⁺等离子，深部岩石长期与地下化学溶液浸泡后，会与岩体部分活性矿物发生溶解，从而影响岩石的物理力学性能。其次﹐酸雨作为全球工业化的产物已经对包括岩土工程在内的各类工程造成了严重的破坏，有统计显示在长江流域近十年酸雨的pH值平均达到4.5，部分污染严重地区的pH值平均达到3。再次，生活废水、工业污水的乱排乱放等重金属污染物沿着土壤渗流至地下深部，直接与岩体表面接触，造就了深部地下岩体周围复杂的化学环境。页岩也会遭受到如此复杂的地下水化学环境，导致其破坏，是对页岩气的一种浪费和对地下水环境的一种污染。所以，当了解一些化学溶液可以使页岩产生裂纹，甚至破坏时，需要分析页岩化学成分，对其精准致裂以保证页岩气的开采。在一般情况下，页岩的成分含有Ca²⁺、Si²⁺、Al²⁺等离子，不同页岩的化学成分指标是不一样的，自然界存在的页岩，化学成分含量变化也是比较大的。

不但如此，水压致裂往往需要酸压配合使用。基于此，以当今世界页岩气大发展为背景，在以往的水力压裂基础上，结合页岩所处的环境以及酸压致裂技术，为了解决其中存在的难题，进行深一步的研究和分析，本发明提出了一种重力加压条件下岩石酸压耦合缝网实时监测试验系统及方法。

发明内容

针对现有页岩化学成分变化大，传统的水压致裂和酸压缝网扩展规律难以预测的技术问题，本发明提出一种重力加压下岩石酸压耦合缝网实时监测系统及方法，实现了泥页岩在劈裂荷载和酸腐蚀下裂缝网络发展特征及演化规律的实时监测，为页岩气开采服务提供技术支撑。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种重力加压下岩石酸压耦合缝网实时监测系统，包括试验工作台，试验工作台上设有立柱，所述立柱上设有重力加压装置，试验工作台上设有腐蚀模拟装置，腐蚀模拟装置包括试验箱和加压容器，试验箱安装在试验工作台上，试验箱内设有岩样，加压容器内设有化学溶液，岩样上部与加压容器相连通，加压容器上部通过压力传输机构与重力加压装置相连接；所述岩样上设有电极，电极与电化学工作站相连接，电化学工作站与计算机相连接。

优选地，所述试验箱和加压容器之间设有隔板，加压容器通过隔板与试验箱扣接。

优选地，所述岩样上部设有岩洞，隔板中部设有与岩洞相对应的空洞；所述隔板的下部涂抹有凡士林；所述隔板的中部为软板，软板的外圆周固定有硬板，硬板设置在试验箱和加压容器之间。

优选地，所述重力加压装置包括直杆和延长杆，直杆的一端和延长杆固定连接，直杆上设有压力传输机构，直杆的另一端与立柱活动连接，直杆的一端限位在立柱的上部；所述延长杆上设有承载砝码的托盘。

优选地，所述直杆内设有水平气泡，直杆的另一端设有水平调节机构。

优选地，所述水平调节机构包括水平调节杆，水平调节杆固定在直杆的另一端，水平调节杆上设有平衡锤；所述立柱上设有凹槽，凹槽的上部和下部均设有限位器，直杆的一端设置在两个限位器之间；所述直杆的另一端设置在立柱的凹槽内，凹槽内设有固定支座，固定支座上设有轴承座，轴承座与直杆的另一端转动连接。

优选地，所述压力传输机构包括可调节压杆和活塞，所述可调节压杆的上部与重力加压装置的直杆相连接，可调节压杆的下部固定有活塞，活塞与压力容器的上部相匹配。

优选地，所述岩样的下部设有定位孔，定位孔通过螺栓与可调节承台相连接，可调节承台设置在试验箱的底部；所述试验箱两侧设有通线孔，通线孔内设有导线，导线分别与电极和电化学工作站相连接。

所述电化学工作站与计算机均设置在检测工作台上；所述电极为导电胶粘结电极；所述托盘的位置的数量至少有两个，两个托盘分别位于杠杆比1：10或1：15的位置。

一种重力加压下岩石酸压耦合缝网实时试验方法的步骤为：

步骤一、系统安装：制作岩样并在其上部的中心钻取岩洞，将带有岩洞的岩样放在化学溶液中进行腐蚀；将岩样设置在试验箱的底部，并利用可调节承台调节试验箱到合适的高度；将加压容器和隔板与试样箱相扣接，在加压容器内注入化学溶液；将重力加压装置的直杆安装在立柱上；

步骤二、调试：通过水平调节机构的平衡锤调节直杆为水平，调节压力传输机构的可调节压杆并将可调节压杆固定在直杆上，在托盘上挂载砝码进行重力加载；导线将采集的电极的信号传送至电化学工作站；

步骤三、试验：根据岩样的抗压强度，选择不同的托盘的位置，逐步增加砝码，施加荷载；通过电化学工作站读取记录荷载施加过程中的电化学数据，根据电化学数据分析裂缝网络发展特征及演化规律。

与现有技术相比，本发明的有益效果：能够实现泥页岩在重压和酸压条件下微观结构变化的实时监测，用于室内研究岩石在应力和酸腐蚀共同作用下微观结构变化的室内试验及其监测，具有设备结构简单、组合操作方便、步骤明晰、易于操作的优点。本发明根据页岩气开采工程实际，室内模拟工程现场实际环境，利用室内实验操作，并且结合电化学的理论，实现了对泥页岩水压酸压致裂的微观结构变化的实时检测。本发明通过室内应力腐蚀环境模拟页岩气开采实际，可以解决页岩气开采微观结构特征和演化不明的问题。

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获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的试验系统的剖视图。

图中，1为试验工作台，2为立柱，3为固定座，4为水平调节杆，5为直杆，6为螺栓，7为可调节压杆，8为水平气泡，9为延长杆，10为托盘，11为限位器，12为活塞，13为加压容器，14为试验箱，15为可调节承台，16为岩样，17为隔板，18为岩洞，19为化学溶液，20为电极，21为通线孔，22为定位孔，23为导线，24为电化学工作站，25为计算机，26位检测工作台，27为重力加压装置。

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付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。

实施例1

如图1所示，一种重力加压下岩石酸压耦合缝网实时监测系统，包括试验工作台1，试验工作台1为试验系统，试验工作台1上设有立柱2，立柱2固定在试验工作台1的两边，立柱2用于承载重力加压装置27且立柱设置在试验箱14的两侧，立柱2上设有重力加压装置27，重力加压装置27对试验箱14内的岩样进行重力加压，试验工作台1上设有腐蚀模拟装置，腐蚀模拟装置包括试验箱14和加压容器13，试验箱14安装在试验工作台1上，用于承载和固定岩样。岩样16的下部设有定位孔22，定位孔22通过螺栓与可调节承台15的定位点固定连接，实现岩样16的定位，以保证重力加压装置产生的荷载可以准确作用在隔板17的中心，荷载产生的溶液应力可以顺利传递到岩样的岩洞18中，并造成中心劈裂效应。可调节承台15设置在试验箱14的底部，可以调节试样箱14的高度，从而调节岩样16与重力加压装置27之间的距离，将岩样16调节到合适的高度。

如图2所示，试验箱14内设有岩样16，加压容器13内设有化学溶液19，岩样16上部与加压容器13相连通，加压容器13上部通过压力传输机构与重力加压装置27相连接。加压容器中的化学溶液在压力传送机构的作用下向岩样16流动，实现加压和酸腐蚀的耦合作用。岩样16上设有电极20，电极20与电化学工作站24相连接，电化学工作站24与计算机25相连接。电化学工作站24与计算机25均设置在检测工作台26上，检测工作台26组成损伤检测装置，用于数据的检测和处理。电极21为导电胶粘结电极，方便粘贴在岩样16上且不影响岩样16。试验箱14两侧设有两个通线孔21，通线孔21内设有导线23，导线23分别与电极20和电化学工作站24相连接。通线孔21确保导线可以进入，实现采集信号的传送。

本发明通过化学溶液19在岩样16内部作用于岩石，通过重力加压装置27所产生的荷载作用在同心圆隔板17上，荷载通过化学溶液把应力传递到岩石的岩洞18，对岩石进行应力压裂和酸腐蚀模拟，并通过电化学工作站24对应力压裂和酸腐蚀进行实时检测，利用岩样电化学信号的变化，通过电化学的特征参数分析岩样微观结构变化。

进一步地，试验箱14和加压容器13之间设有隔板17，加压容器13通过隔板17与试验箱14扣接，扣接可以使得加压容器13与试验箱14紧密接触，防止在施加荷载的同时加压容器13与试验箱14错位，并且防止化学溶液渗漏。隔板17是与试验箱14同心的圆板，隔板17固定在加压容器13的底部。所述岩样16上部设有岩洞18，隔板17中部设有与岩洞18相对应的空洞，岩洞18设置在岩样16的中心，空洞设置在隔板的中心，利于化学溶液19应力传递到岩洞18中，达到劈裂的作用。所述隔板17的下部与岩样16接触的部分涂抹有凡士林，以防止化学溶液渗漏进入试验箱；所述隔板17的中部为软板，软板的外圆周固定有硬板，硬板设置在试验箱14和加压容器13之间，硬板利于支撑试验箱14和加压容器13。软板利用上部液体传递的压力，加上事先涂抹的凡士林可以紧贴岩样，起到阻隔渗漏作用。

压力传输机构包括可调节压杆7和活塞12，可调节压杆7的上部与重力加压装置27的直杆5相连接，利用螺栓6将可调节压杆7调至合适位置，合适位置是指可调节压杆7下部固定的活塞12与加压容器13中的化学溶液刚刚接触，可调节压杆7的下部固定有活塞12，活塞12与压力容器13的上部相匹配，可以在加压容器13的上部上下移动，通过活塞12的作用将加压的化学溶液让下传送至岩洞18。加压容器13中注入化学溶液19，直杆5传送的压力通过可调节压杆7传送至活塞，活塞12中的应力通过加压容器13可以传递到岩洞18。

重力加压装置27包括直杆5和延长杆9，直杆5的一端和延长杆9固定连接，即直杆和延长杆是一体的，直杆5上设有压力传输机构，直杆5的另一端与立柱2活动连接，直杆5的一端限位在立柱2的上部；所述延长杆9上设有承载砝码的托盘10。在托盘10上加载砝码，直杆5的另一端即图2中的直杆左端是设置在轴承座上的，延长杆和直杆组成的杠杆，可以将托盘10上较小的力转化为加载在压力传输机构上较大的力。

如图2所示，直杆5内设有水平气泡8，水平气泡8用于查看直杆5是否水平，直杆5的另一端设有水平调节机构。所述水平调节机构包括水平调节杆4，水平调节杆4固定在直杆5的另一端，水平调节杆4上设有平衡锤；水平调节杆4是向上倾斜的杆即与直杆5有一定的夹角，调节平衡锤在水平调节杆4上的位置，将水平气泡8调节居中，以保证直杆5达到水平状态。水平调节杆、直杆和延长杆组成杠杆，使用前通过调节平衡锤调节整个杠杆的水平状态。

两边的立柱2上均设有凹槽，右侧立柱2的凹槽的上部和下部均设有限位器11，直杆5的一端设置在两个限位器11之间，直杆5的一端即靠近延长杆9的一端与立柱2是悬空的，防止在施加荷载时，直杆脱离立柱2。直杆5的另一端设置在左侧的立柱2的凹槽内，凹槽内固定设有固定支座3，固定支座3上设有轴承座，轴承座与直杆5的另一端转动连接，可以调节直杆转动，从而可以把直杆调水平。

托盘10的位置的数量至少有两个，两个托盘分别位于杠杆比1：10或1：15的位置，即根据杠杆原理，在托盘10上增加1N的砝码，在可调节压杆7上施加10N或15N的压力。在托盘10上放入试验计划的砝码，可以通过1:10或者1：15的位置来调节荷载。使得砝码的荷载通过直杆5传输到可调节压杆7中，并通过活塞12作用在化学溶液19中形成向下的压强，进而作用在岩洞18中。

本发明整个实验装置的每个部分都可自由拆卸。可根据自身的试验方案的要求进行改装，方便实验的进行，损伤检测装置可以进行实时监测，实验数据的采集与成图可以一次实施完成。

实施例2

一种重力加压下岩石酸压耦合缝网实时试验方法的步骤为：

步骤一、系统安装：制作岩样16并在其上部的中心钻取岩洞18，通过岩石切割机对岩样高度进行截取，岩样16为直径为50mm、长度为150mm的圆柱体，上下磨平。岩洞18的大小为直径为20mm、高度为50mm的孔洞。将带有岩洞18的岩样16放在化学溶液中按计划进行前期腐蚀，一般腐蚀到岩样表面触感粗糙，可见明显微小孔洞，腐蚀的作用是可以在后面加压腐蚀试验中，使得岩样16裂缝网络特征更加明显。将岩样16设置在试验箱14的底部即定位点的上方，通过定位孔22将岩样固定在试验箱14的中部，并利用可调节承台15调节试验箱14到合适的高度；将加压容器13和隔板17与试样箱14相扣接，在加压容器13内注入化学溶液，溶液可以自主流入岩洞中；将立柱2用螺栓固定在试验工作台1上，将重力加压装置27的直杆5安装在立柱2上。水平调节杆4与直杆固定连接，直杆5与固定座3转动连接，且直杆5与水平调节杆是直接连接的，从而通过调节平衡锤可以调节直杆。

步骤二、试验前的调试：通过水平调节机构的平衡锤调节直杆5为水平，直到水平气泡居中。调节压力传输机构的可调节压杆7，用螺栓6将可调节压杆7调至合适位置将可调节压杆7固定在直杆5上；在右侧的立柱2的直杆5延长的延长杆9上挂上托盘，在托盘10上挂载一定重量的砝码进行重力加载；使得砝码的荷载通过直杆5传输到可调节压杆7中，并通过活塞作用在化学溶液中形成向下的压强，进而作用在岩洞18中，在岩洞中形成劈裂效应。电化学工作站24和计算机25放在检测工作台26上。电极20贴在岩样16两边，导线将电化学工作站和导电胶粘结的电极相连接，将采集的电极20的信号传送至电化学工作站24，然后将检测的数据传输到计算机25上。

步骤三、试验：根据岩样的抗压强度，选择不同的托盘10的位置，按照事先确定的试验方案，逐步增加砝码，施加荷载；同时，通过电化学工作站24读取记录荷载施加过程中的电化学数据，最后，根据电化学数据分析裂缝网络发展特征及演化规律。

导电胶粘结的电极放在岩样两端，也就相当于电池卡在正负极上。电化学工作站启动工作，采集与分析数据。检测原理为：由于化学溶液腐蚀后，岩石内部孔隙会变大，岩石处于饱水状态，导电能力会比腐蚀前变强，因此，腐蚀前后接受的电信号会有差异。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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)

1.一种重力加压下岩石酸压耦合缝网实时监测系统，包括试验工作台（1），试验工作台（1）上设有立柱（2），其特征在于，所述立柱（2）上设有重力加压装置（27），试验工作台（1）上设有腐蚀模拟装置，腐蚀模拟装置包括试验箱（14）和加压容器（13），试验箱（14）安装在试验工作台（1）上，试验箱（14）内设有岩样（16），加压容器（13）内设有化学溶液（19），岩样（16）上部与加压容器（13）相连通，加压容器（13）上部通过压力传输机构与重力加压装置（27）相连接；所述岩样（16）上设有电极（20），电极（20）与电化学工作站（24）相连接，电化学工作站（24）与计算机（25）相连接。

2.根据权利要求1所述的重力加压下岩石酸压耦合缝网实时监测系统，其特征在于，所述试验箱（14）和加压容器（13）之间设有隔板（17），加压容器（13）通过隔板（17）与试验箱（14）扣接。

3.根据权利要求2所述的重力加压下岩石酸压耦合缝网实时监测系统，其特征在于，所述岩样（16）上部设有岩洞（18），隔板（17）中部设有与岩洞（18）相对应的空洞；所述隔板（17）的下部涂抹有凡士林；所述隔板（17）的中部为软板，软板的外圆周固定有硬板，硬板设置在试验箱（14）和加压容器（13）之间。

4.根据权利要求1或3所述的重力加压下岩石酸压耦合缝网实时监测系统，其特征在于，所述重力加压装置（27）包括直杆（5）和延长杆（9），直杆（5）的一端和延长杆（9）固定连接，直杆（5）上设有压力传输机构，直杆（5）的另一端与立柱（2）活动连接，直杆（5）的一端限位在立柱（2）的上部；所述延长杆（9）上设有承载砝码的托盘（10）。

5.根据权利要求4所述的重力加压下岩石酸压耦合缝网实时监测系统，其特征在于，所述直杆（5）内设有水平气泡（8），直杆（5）的另一端设有水平调节机构。

6.根据权利要求4所述的重力加压下岩石酸压耦合缝网实时监测系统，其特征在于，所述水平调节机构包括水平调节杆（4），水平调节杆（4）固定在直杆（5）的另一端，水平调节杆（4）上设有平衡锤；所述立柱（2）上设有凹槽，凹槽的上部和下部均设有限位器（11），直杆（5）的一端设置在两个限位器（11）之间；所述直杆（5）的另一端设置在立柱（2）的凹槽内，凹槽内设有固定支座（3），固定支座（3）上设有轴承座，轴承座与直杆（5）的另一端转动连接。

7.根据权利要求1、5或6所述的重力加压下岩石酸压耦合缝网实时监测系统，其特征在于，所述压力传输机构包括可调节压杆（7）和活塞（12），所述可调节压杆（7）的上部与重力加压装置（27）的直杆（5）相连接，可调节压杆（7）的下部固定有活塞（12），活塞（12）与压力容器（13）的上部相匹配。

8.根据权利要求7所述的重力加压下岩石酸压耦合缝网实时监测系统，其特征在于，所述岩样（16）的下部设有定位孔（22），定位孔（22）通过螺栓与可调节承台（15）相连接，可调节承台（15）设置在试验箱（14）的底部；所述试验箱（14）两侧设有通线孔（21），通线孔（21）内设有导线（23），导线（23）分别与电极（20）和电化学工作站（24）相连接。

9.根据权利要求8所述的重力加压下岩石酸压耦合缝网实时监测系统，其特征在于，所述电化学工作站（24）与计算机（25）均设置在检测工作台（26）上；所述电极（21）为导电胶粘结电极；所述托盘（10）的位置的数量至少有两个，两个托盘分别位于杠杆比1：10或1：15的位置。

10.根据权利要求1-9中任意一项所述的重力加压下岩石酸压耦合缝网实时监测系统，其特征在于，其试验方法的步骤为：

步骤一、系统安装：制作岩样（16）并在其上部的中心钻取岩洞（18），将带有岩洞（18）的岩样（16）放在化学溶液中进行腐蚀；将岩样（16）设置在试验箱（14）的底部，并利用可调节承台（15）调节试验箱（14）到合适的高度；将加压容器（13）和隔板（17）与试样箱（14）相扣接，在加压容器（13）内注入化学溶液；将重力加压装置（27）的直杆（5）安装在立柱（2）上；

步骤二、调试：通过水平调节机构的平衡锤调节直杆（5）为水平，调节压力传输机构的可调节压杆（7）并将可调节压杆（7）固定在直杆（5）上，在托盘（10）上挂载砝码进行重力加载；导线将采集的电极（20）的信号传送至电化学工作站（24）；

步骤三、试验：根据岩样的抗压强度，选择不同的托盘（10）的位置，逐步增加砝码，施加荷载；通过电化学工作站（24）读取记录荷载施加过程中的电化学数据，根据电化学数据分析裂缝网络发展特征及演化规律。

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