CN114414326A

CN114414326A - 天然裂缝网络对水力裂缝干扰的岩样制作以及实验方法

Info

Publication number: CN114414326A
Application number: CN202111561306.0A
Authority: CN
Inventors: 程远方; 刘振海; 闫传梁; 韩忠英; 薛明宇
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2022-04-29

Abstract

本发明涉及一种天然裂缝网络对水力裂缝干扰的岩样制作以及实验方法，其技术方案是：首先方形模具制作子岩块，然后将子岩块按照一定的排列方式放入到大岩心的模具中，子岩块之间通过环氧树脂等胶进行粘合，大岩心与模具之间浇筑混凝土，大模具中心位置放置压裂管，压裂管周围同样浇筑混凝土，形成真三轴水力压裂实验试件。其有益效果是：利用水泥基复合材料制作的子岩块通过粘合成类似魔方的实验岩样来模拟地下天然裂缝网络，利用压裂管模拟井筒的效果，利用真三轴实验装置来进行水力压裂来模拟地下三维应力，以用来研究水力压裂过程中天然裂缝网络对水力裂缝的干扰作用。本发明解决了真三轴水力压裂试件无法模拟存在天然裂缝网络的问题。

Description

天然裂缝网络对水力裂缝干扰的岩样制作以及实验方法

技术领域

本发明涉及一种水力压裂测试技术，特别涉及一种天然裂缝网络对水力裂缝干扰的岩样制作以及实验方法。

背景技术

在油气开发中，页岩储层是一典型的“自生自储”式储层，具有孔隙度低，基质渗透率低等特点，储层内部存在较多的天然裂缝，会影响水力压裂裂缝的扩展路径，继而对裂缝内压裂液和支撑剂的流动产生影响。

研究表明天然裂缝会对水力压裂裂缝延伸有重要的影响，裂缝发育至天然裂缝会产生转向、穿过和停止等现象，但天然裂缝的参数较难测定，难以说明人工裂缝延伸和天然裂缝干扰之间的规律。因此，需要对天然裂缝网络对水力裂缝干扰问题开展进一步的研究，为页岩气开发策略、现场施工参数的制定和施工效果评价提供合理准确的依据。

目前国内外很少有研究天然裂缝网络对水力裂缝干扰的室内实验方法，无法客观的解释地下岩层在水力压裂情况下真实的裂缝扩展情况，例如中国专利申请日为CN201810191697.3，专利名称为《一种包裹式不同层理角度人造岩心及其制作方法》，采用分层浇筑的方式，只模拟出了人工岩样不同的层理结构，没有模拟出水力压裂时天然裂缝网络。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种天然裂缝网络对水力裂缝干扰的岩样制作以及实验方法。

本发明提到的一种天然裂缝网络对水力裂缝干扰的岩样制作方法，其技术方案是包括以下过程：

步骤一、子岩块制备：

首先，将子岩块模具放置在底板上，子岩块模具内表面涂抹润滑油，方便脱模，将水泥和石英砂按照比例进行混合，充分搅拌后，倒入子岩块模具中，用抹刀抹平，然后撤去，等子岩块干燥，收集备用；

步骤二、子岩块胶结：

利用可以进行水泥胶结的胶将小岩样进行胶结，两个相邻排列的子岩块利用胶进行胶结；

步骤三、放置模拟套管形成压裂管：

在子岩块排列过程中，大岩块中心部分进行留空，放置压裂管，压裂管直径尺寸为6mm,保证和真三轴中注入管匹配，压裂管四周浇筑混凝土保证每个岩样中井筒到天然裂缝距离相等，静置待岩块完全干燥；

步骤四、实验试件完全浇筑：

将大岩块与模具之间浇筑混凝土，制作成104mm×104mm×93mm的真三轴实验用页岩试件。

优选的，步骤一提到的子岩块模具尺寸选15mm×15mm×15mm，30mm×30mm×60mm，30mm×30mm×30mm小岩样模具。

优选的，步骤二中，将子岩块进行胶结的胶选用环氧树脂AB胶，丙烯酸结构AB胶或地板胶。

优选的，子岩块的制备材料由水泥和石英砂组成，水泥选为425水泥，石英砂选200目石英砂，水泥：石英砂:水的配比为2:4:1，按质量配比。

优选的，模具采用四套，分别为大模具1套，小模具3套，分别由一个底板和四个侧板组成，侧板利用螺杆连接在一起，连接后形成正方形内腔。

本发明提到的天然裂缝网络对水力裂缝干扰的岩样的实验方法，包括以下步骤：

一、将页岩试件（1）传送至真三轴实验装置的主承压腔体（9）内的垫块（10）上方，外侧设有刚性垫片（12），刚性垫片（12）的外侧设有液压囊（11），根据实验要求设计围压值，对页岩试件（1）同步施加三向应力，模拟井眼液体泵入装置是伺服控制注入泵（5）；压裂模拟过程中，通过围压系统（8）向液压囊（11）实施地应力加载，其中，水平方向对称的两对液压囊（11）分别施加最大水平地应力及最小水平地应力，底部放置的液压囊（11）用于提供垂向地应力；

二、启动围压系统（8）注入液压油实现三个方向的应力加载，各个液压囊（11）通过气动油泵注入液压油来实现应力加载，气动油泵由空气压缩机控制，实验中控制压缩机的出气量完成应力加载，实验结果最终汇集到压力数据采集系统（6）；试样应力加载过程中应保持三个方向同时缓慢加载，避免损坏页岩试件（1）和设备；页岩试件（1）上表面利用橡胶垫（14）密封，利用上压盖（13）的反作用力实现应力加载；

三、数据采集系统（6）收集并处理数据，实验过程中的压力数据采集主要通过各种传感器实现，由计算机对数据进行保存，并在计算机中得到注入压力与时间的关系曲线；通过分析曲线的信息，判断出页岩试件的受力以及当前的破坏状态。

优选的，步骤一中，在各个液压囊（11）的外侧安装有高强度的刚性垫片（12），刚性垫片（12）与页岩试件（1）的表面直接接触，使施加在试样表面的应力均匀，同时能够有效地保护液压囊（11）。

与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：

本发明不同于以往真三轴水力压裂岩样试件，本发明利用不同大小的子岩块，通过胶结的方式，使测试岩样拥有大小不一的网络，以便于模拟真实地层中天然裂缝网络，通过真三轴实验装置进行水力压裂，可以测试出水力压裂过程中，天然裂缝对水力裂缝干扰的实验规律；在测试过程中，改变子岩块的大小，实现测试岩样密度的改变，从而模拟真实地层中，不同的天然裂缝网络密度。

附图说明

图1为本发明水力压裂实验试件；

图2为本发明中真三轴实验装置；

图3为本发明中真三轴俯视图；

图4为本发明中模拟低密度天然裂缝示意图；

图5为本发明中模拟中等密度天然裂缝示意图；

图6为本发明中模拟高密度天然裂缝示意图；

图7为本发明中大模具示意图；

上图中：页岩试件1、钻孔2、胶结裂缝3、模拟压裂液隔离器4、伺服控制注入泵5、数据采集系统6、压力表7、围压系统8、主承压腔体9、垫块10、液压囊11、刚性垫片12、上压盖13、橡胶垫14。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，如图1所示，这种“魔方式”人造岩心是由小水泥块通过强力胶胶结形成的真三轴水力压裂实验用的页岩试件，为了控制模拟井筒到周围天然裂缝距离相等，岩心中间部分为30mm*30mm*30mm的正方体小岩样，该正方体岩样中心位置竖直放置压裂管。其他子岩块围绕中心小岩样通过强力胶相互胶结在一起，最后在魔方式人造岩心外侧浇筑混凝土。

这种“魔方式”人造岩心制作方法：

一、准备材料

人造岩心的材料由水泥和石英砂组成，水泥选为425水泥，石英砂选200目石英砂，水泥：石英砂:水的配比为2:4:1，按质量配比。

二、准备模具

本发明需要四套模具，分别为大模具1套，小模具3套，大模具由一个底板和四个侧板组成，侧板利用螺杆连接在一起，连接后形成正方形内腔；小模具尺寸为30mm×30mm×60mm，30mm×30mm×60mm，15mm×15mm×15mm。

三、制作“魔方式”水力压裂人造岩心：

（1）准备小模具，尺寸为30mm×30mm×60mm，30mm×30mm×30mm，15mm×15mm×15mm，小模具为定制不锈钢模具，将小模具内腔涂抹润滑油；

（2）将水泥、石英砂、水按2:4;1的比例均匀搅拌；所选水泥为425水泥，所选石英砂为200目，将混合均匀的混凝土浇筑到涂抹润滑油的小模具中，并用抹刀刮平，静置等待风干；

（3）将子岩块相邻两个面涂抹强力胶，然后胶结在一起，胶选用环氧树脂AB胶、丙烯酸结构AB胶、地板胶，形成90mm×90mm×90mm的大岩样，大岩样中心留出30mm×30mm×90mm的空隙，在该处竖直放置压裂管，压裂管四周的空隙用混凝土进行浇灌；

（4）将大模具的侧板进行拼接，并放在底板上，用螺栓进行连接，连接好后形成100mm×100mm×100mm的内腔，在大模具内腔内涂抹润滑油；

（5）将90mm×90mm×90mm的大岩样放置在大模具中，保证压裂管位于大模具正中心，将混凝土灌满整个大模具中的所有孔隙，并用抹刀抹平表面；

（6）将大模具制作的大岩样进行自然风干，形成了10mm×10mm×10mm的真三轴水力压裂的页岩试件。

一、将页岩试件1传送至真三轴实验装置的主承压腔体9内的垫块10上方，外侧设有刚性垫片12，刚性垫片12的外侧设有液压囊11，根据实验要求设计围压值，对页岩试件1同步施加三向应力，模拟井眼液体泵入装置是伺服控制注入泵5；压裂模拟过程中，通过围压系统8向液压囊11实施地应力加载，其中，水平方向对称的两对液压囊11分别施加最大水平地应力及最小水平地应力，底部放置的液压囊11用于提供垂向地应力；

二、启动围压系统8注入液压油实现三个方向的应力加载，各个液压囊11通过气动油泵注入液压油来实现应力加载，气动油泵由空气压缩机控制，实验中控制压缩机的出气量完成应力加载，实验结果最终汇集到压力数据采集系统6；试样应力加载过程中应保持三个方向同时缓慢加载，避免损坏页岩试件1和设备；页岩试件1上表面利用橡胶垫14密封，利用上压盖13的反作用力实现应力加载；

三、数据采集系统6收集并处理数据，实验过程中的压力数据采集主要通过各种传感器实现，由计算机对数据进行保存，并在计算机中得到注入压力与时间的关系曲线；通过分析曲线的信息，判断出页岩试件的受力以及当前的破坏状态。

优选的，步骤一中，在各个液压囊11的外侧安装有高强度的刚性垫片12，刚性垫片12与页岩试件1的表面直接接触，使施加在试样表面的应力均匀，同时能够有效地保护液压囊11。

如图4所示，选用30mm×30mm×60mm的小岩样模具，制作出12块30mm×30mm×60mm的子岩块，然后利用环氧树脂胶将12块子岩块按照一定的排列方式排列成如图4类似于魔方的实验岩样，排列后中间部分放置压裂管，压裂管与子岩块之间浇筑水泥浆，层理面与水平面夹角为0度；模拟井筒长度为60mm，压裂管长度为30mm，压裂管外径8mm，管壁厚1mm。

子岩块由水泥、石英砂、水制备而成，所选水泥为425水泥，石英砂粒度为200目，三种物质配比为2:4:1，将浇筑好的试样在室温下静置24小时后进行脱模，采用自然晒干的方式，持续晾干20天。

在真三轴水力压裂试验中，水平方向对称的两对液压囊分别施加最大水平地应力10MPa，最小水平地应力8Mpa，利用上压盖的反作用力来加载上覆应力6MPa，在测试过程中试样应力加载过程保持三个方向同时缓慢加载。通过压力数据采集系统，在计算机中，得到注入压力与时间的关系曲线。通过分析曲线的信息，判断出岩样的受力以及当前的破坏状态。

实施例2：与实施例1不同之处是：

如图5所示，选用30mm×30mm×30mm的小岩样模具，制作出24块30mm×30mm×30mm的子岩块，然后利用环氧树脂胶将24块子岩块按照一定的排列方式排列成如图5类似于魔方的实验岩样，排列后中间部分放置压裂管，压裂管与子岩块之间浇筑水泥浆，层理面与水平面夹角为0度；模拟井筒长度为60mm，压裂管长度为30mm，压裂管外径8mm，管壁厚1mm。

实施例3：与实施例1不同之处是：

如图6所示，选用15mm×15mm×15mm的小岩样模具，制作出192块15mm×15mm×15mm的子岩块，然后利用环氧树脂胶将192块子岩块按照一定的排列方式排列成如图6类似于魔方的实验岩样，排列后中间部分放置压裂管，压裂管与子岩块之间浇筑水泥浆，层理面与水平面夹角为0度；模拟井筒长度为60mm，压裂管长度为30mm，压裂管外径8mm，管壁厚1mm。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的相应简单修改或等同变换，尽属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种天然裂缝网络对水力裂缝干扰的岩样制作方法，其特征是包括以下过程：

步骤一、子岩块制备：

步骤二、子岩块胶结：

步骤三、放置模拟套管形成压裂管：

步骤四、实验试件完全浇筑：

2.根据权利要求1所述的天然裂缝网络对水力裂缝干扰的岩样制作方法，其特征是：步骤一提到的子岩块模具尺寸选15mm×15mm×15mm，30mm×30mm×60mm，30mm×30mm×30mm小岩样模具。

3.根据权利要求1所述的天然裂缝网络对水力裂缝干扰的岩样制作方法，其特征是：步骤二中，将子岩块进行胶结的胶选用环氧树脂AB胶，丙烯酸结构AB胶或地板胶。

4.根据权利要求1所述的天然裂缝网络对水力裂缝干扰的岩样制作方法，其特征是：

子岩块的制备材料由水泥和石英砂组成，水泥选为425水泥，石英砂选200目石英砂，水泥：石英砂:水的配比为2:4:1，按质量配比。

5.根据权利要求1所述的天然裂缝网络对水力裂缝干扰的岩样制作方法，其特征是：

模具采用四套，分别为大模具1套，小模具3套，分别由一个底板和四个侧板组成，侧板利用螺杆连接在一起，连接后形成正方形内腔。

6.一种如权利要求1-5中任一项所述的天然裂缝网络对水力裂缝干扰的岩样的实验方法，其特征是：包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的天然裂缝网络对水力裂缝干扰的岩样的实验方法，其特征是：

步骤一中，在各个液压囊（11）的外侧安装有高强度的刚性垫片（12），刚性垫片（12）与页岩试件（1）的表面直接接触，使施加在试样表面的应力均匀，同时能够有效地保护液压囊（11）。