CN115773954A - 一种控温循环加载制造复杂裂缝的实验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种控温循环加载制造复杂裂缝的实验系统及方法，属于地热压裂实验技术领域。该控温循环加载制造复杂裂缝的实验系统，所述系统包括：真三轴岩心夹持器、注入系统、温控系统、伺服控制系统；所述注入系统、温控系统分别与真三轴岩心夹持器连接；同时，所述注入系统、温控系统分别与所述伺服控制系统连接。本发明通过控制泵入压裂液所产生的温差对岩石形成疲劳破坏，激发岩石内本身存在的天然微裂缝，使人工制造的水力裂缝与天然裂缝沟通，制造出复杂的压裂缝网，水力裂缝与天然裂缝的沟通情况相比于直接压裂的岩样复杂程度要高，提高了岩石渗流效率，可应用于改进地热资源改造开发的工艺技术中。
Description
技术领域
本发明属于地热压裂实验技术领域，具体涉及一种控温循环加载制造复杂裂缝的实验系统及方法。
背景技术
深层地热能大多存在于干热岩中，干热岩是一种没有水和气体的热岩体，代表的岩体为花岗岩。工程水力压裂技术的主要应用是非常规油气的开发以及油气井增产的措施。由于我国储层区地质条件复杂，渗透性差，地应力差较大，使得我国商业化开采进展缓慢，通过在高压下将压裂液注入储层，提升岩体的渗透性，从而有效解决开采问题。
水力裂缝是一种由于注入的粘性流体的内部压力造成的拉伸断裂，在流体的压力作用下在固体介质中传播的，在高压下将压裂液注入致密储层，提高岩石的渗透性。
在裂缝系统发育中，天然裂缝与人工裂缝交错形成的复杂缝对提高油气采收率尤为重要。在水力压裂过程中，提供较大的裂缝累积面积(较大的面积使油气形成扩散)，以及通过增加天然裂缝网络的连通性(更多的渗透性储层)，使新的裂缝增加了渗流面积，在渗流区，岩石基质中的油气扩散到裂缝中，并沿着裂缝流向井筒，以此提高油气的采收率。
还有学者运用建模以及成像工具，发现采用水平井分段多簇压裂技术，采用大规模大排量低粘度压裂液进行压裂，在水平井附近产生较为复杂的监测云图像，这说明，该压裂措施可对致密储层进行三维改造，形成复杂的缝网，使致密油藏的产能可以比传统压裂增产产生更好的效果，从而提高致密油藏储层改造效率。C.L.Cipolla等人认为获得复杂裂缝网络是压裂作业的主要目的，而复杂的压裂缝网，可增加超低渗透油层的生产效率，如今这种技术手依然被各大油田所借鉴，并使之更加完善。
中国专利公开文献CN112784337A公开了一种基于挠度校验系数退化的钢筋混凝土梁寿命剩余率预测方法，其根据桥梁结构建成初期和评定期静载试验结果，针对每一号梁板挠度校验系数退化率；确定该桥梁的钢混凝土梁板刚度退化规律；进而确定梁板的挠度差-加载次数的曲线；通过分析疲劳加载过程中的等效刚度退化规律，进而确定梁体挠度退化规律，建立挠度退化率和剩余寿命的关系，预测钢筋混凝土梁残余寿命，但是其只是给出了理论的评估方法，不涉及具体破坏试验过程。中国专利公开文献CN110031345A公开了一种沥青混合料抗疲劳性能试验评价方法，其通过对沥青混合料进行加速度疲劳试验，对沥青混合料抗疲劳性能进行评价，包括基本参数的确定，计算混合料劲度模量、耗散能密度，通过耗散能密度曲线确定疲劳应变状态点，根据疲劳应变状态点所对应的加载次数，确定沥青混合料的抗疲劳性能，但是其着眼点主要在于加速疲劳试验。
另外，前人多数集中在研究软件模拟以及成像工具监测等计算机方法，或是研究岩石的自身的力学性质，尚未有通过控制温度与循环加载相结合进行压裂物理模拟试验的公开资料。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种控温循环加载制造复杂裂缝的实验系统及方法，更深入的研究裂缝扩展规律，更好的改造开发地热资源，通过控制温度泵入压裂液所产生的温差对岩石形成疲劳破坏，激发岩石内本身存在的天然微裂缝，使人工制造的水力裂缝与天然裂缝沟通，制造出复杂的压裂缝网，提高渗流效率。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明的第一个方面，提供了一种控温循环加载制造复杂裂缝的实验系统，所述系统包括：真三轴岩心夹持器、注入系统、温控系统、伺服控制系统；
所述注入系统、温控系统分别与真三轴岩心夹持器连接；
同时，所述注入系统、温控系统分别与所述伺服控制系统连接。
本发明的进一步改进在于，所述注入系统包括多个注入泵，分别为围压注入泵和压裂液注入泵；
所述围压注入泵的一端与真三轴岩心夹持器中的围压板连接，另一端与伺服控制系统连接；
所述压裂液注入泵的一端与真三轴岩心夹持器中的岩心井筒连接，另一端与伺服控制系统连接。
优选的，在真三轴岩心夹持器上设置有多个加热板，每个加热板分别与温控系统连接。
优选的，在温控系统与伺服控制系统之间还连接有计算机。
本发明的第二个方面，提供了一种控温循环加载制造复杂裂缝的实验方法，所述方法包括：
S1：检测岩样内存在的天然裂缝；
S2:将岩样装载到上述系统中的真三轴岩心夹持器中，对岩样进行加热；
S3：采用循环加载方式对岩样进行加载。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S2中的对岩样进行加热的操作包括：
从常温开始加热，采用分段加热方式将岩样从常温加热到目标温度。
本发明的进一步改进在于，所述采用分段加热方式将岩样从常温加热到目标温度的操作包括：
假设加热目标温度为T℃；
S21：将岩样由常温加热至H1℃后进行保温处理，保温时间设置为t1；
S22：将岩样由H1℃加热至H2℃后进行保温处理，保温时间设置为t2；
S23：将岩样由H2℃加热至H3℃后进行保温处理，保温时间设置为t3；
S24：将岩样由H3℃加热至H4℃后进行保温处理，保温时间设置为t4；
S25：将岩样由H4℃加热至T℃后进行保温处理，保温时间设置为t5。
本发明的进一步改进在于，
H1＝0.1T；
H2＝H1+0.1T；
H3＝H2+0.2T；
H4＝H3+0.5T。
本发明的进一步改进在于，
t1为4小时；
t2为8小时；
t3为10小时；
t4为12小时；
t5为4小时。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S3的操作包括：
S31，利用围压注入泵对岩样施加设定围压；
S32，利用压裂液注入泵注入压裂液，将岩样加载至A Mpa，然后卸载；
S33：重复N次步骤S32后，直接加压至岩样破裂。
本发明的进一步改进在于，
A＝0.6pb
pb＝3σh-σH+σf-po
其中，σh为最小水平主应力，σH为最大水平主应力，σf为岩石的单向拉伸应力强度，po为上覆岩层压力。
本发明的进一步改进在于，
其中，实验总时长是设定值；
单次加载时长是将岩样加载至A MPa所需的时间。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过控制泵入压裂液所产生的温差对岩石形成疲劳破坏，激发岩石内本身存在的天然微裂缝，使人工制造的水力裂缝与天然裂缝沟通，制造出复杂的压裂缝网，水力裂缝与天然裂缝的沟通情况相比于直接压裂的岩样复杂程度要高，提高了岩石渗流效率，可应用于改进地热资源改造开发的工艺技术中。
附图说明
图1本发明系统的组成结构示意图；
图2本发明应用实施例中的岩样1的压力曲线图；
图3本发明应用实施例中的岩样2的压力曲线图；
图4本发明应用实施例中的岩样1的压裂结果；
图5本发明应用实施例中的岩样2的压裂结果；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
本发明提供了一种控制温度循环加载制造复杂裂缝的实验系统，如图1所示，所述系统的实施例如下：
【实施例一】
所述系统包括：
真三轴岩心夹持器1、注入系统、温控系统2、伺服控制系统4，所述注入系统包括多个注入泵5。图1中的真三轴岩心夹持器1、温控系统2、伺服控制系统4、注入泵5均为现有成熟产品，在此不再赘述。
所述温控系统2与真三轴岩心夹持器1的加热板连接；具体的，在真三轴岩心夹持器1上设置有多个加热板，每个加热板分别与温控系统2连接。
所述注入系统包括多个注入泵5，多个注入泵5并联连接，采用多个注入泵并联的方式可以提高注液效率，并且使注液过程中泵入速率及压力更加稳定。图1为设备简化图，注入系统共有四个注入泵5，其中三个注入泵分别为x、y、z方向的围压注入泵，第四个注入泵为压裂液注入泵，围压注入泵一端与夹持器中的围压板连接，另一端与伺服控制系统4相连，压裂液注入泵的一端与真三轴岩心夹持器1内的岩心井筒相连，另一端与伺服控制系统4相连。图1中真三轴岩心夹持器1中的剖面线是固定围压板的固定装置，因为岩心是方形，夹持器的截面为圆形，需有一装置填补空缺并保证围压板施压时的稳定性。
伺服控制系统4用于控制注入泵以及温控系统2，在温控系统2与伺服系统4之间还连接有计算机3，该计算机用来控制温控系统2以及控制注入泵的注液和停止。
【实施例二】
将实验岩心装载在真三轴岩心夹持器1上，将三个围压注入泵与真三轴岩心夹持器1上的围压板连接，将注压裂液泵与真三轴岩心夹持器1内的岩心井筒连接后，通过计算机3控制加温、加载围压(通过向围压板中注入围压油，从而向岩样加载围压，现有成熟技术，在此不再赘述。)以及注入压裂液，完成压裂实验。
本发明提供的控制温度循环加载制造复杂裂缝的实验方法的实施例如下：
【实施例三】
所述实验方法包括：
S1：在进行实验前，利用声发射仪器检测岩样内存在的天然裂缝，这样在实验结束后可以判断出哪些裂缝是通过压裂扩展的，哪些裂缝是岩样自有的；
S2:将岩样装载进上述系统中的真三轴岩心夹持器中，从常温开始加热，采用分段加热方式将岩样从常温加热到目标温度，假设加热目标温度为T℃，具体包括：
S21：将所述干热岩试样由常温加热至H1℃后进行保温处理，保温时间设置为t1,H1＝0.1T；
S22：将所述干热岩试样由H1℃加热至H2℃后进行保温处理，保温时间设置为t2，H2＝H1+0.1T；
S23：将所述干热岩试样由H2℃加热至H3℃后进行保温处理，保温时间设置为t3，H3＝H2+0.2T；
S24：将所述干热岩试样由H3℃加热至H4℃后进行保温处理，保温时间设置为t4,H4＝H3+0.5T。
S25：将所述干热岩试样由H4℃加热至T℃后进行保温处理，保温时间设置为t5。
本实施例中，设置4段加热可以使岩芯受热更加均匀，避免出现岩芯内外温度不一致而导致实验结果不准确的情况。4段是整合大部分岩石性质所归纳出的经验段数，可以根据具体的实验情况做出调整，设置多于或少于4段加热。
可选的，保温时间可以设置为：
保温时间t1设置为4小时；
保温时间t2设置为8小时；
保温时间t3设置为10小时；
保温时间t4设置为12小时；
保温时间t5设置为4小时。
上述保温时间是通过多次实验，整合出来的适合大部分岩石的时长设置，也可自行设置，保温时间可通过具体的岩石性质来确定。
S3：加热至目标温度并进行保温稳定处理后(通过温控系统对岩样进行保温)，采用循环加载方式对岩样进行加载，具体包括：
S31：先利用围压注入泵对岩样施加既定围压；
S32，通过压裂液注入泵注入压裂液将岩样加载至A Mpa(加载至AMPa是指注入时的入口压力)，达到该值后卸载。
注入压裂液温度为Tw，此时压裂液与岩样内产生温差ΔT＝T-Tw；其中，A＝0.6pb，破裂压力计算公式为：pb＝3σh-σH+σf-po。
σh为最小水平主应力，MPa；σH为最大水平主应力,MPa；σf为岩石的单向拉伸应力强度，即破裂压力，MPa。po是上覆岩层压力，MPa。通过实际地层环境的具体数值来确定实验的主应力大小，岩石单向拉伸应力强度可通过现有设备和方法测试得到，在此不再赘述。
S33，重复N次步骤S32后，直接加压至岩石破裂，破裂压力为BMPa,B<A,压裂实验结束；
每一次重复步骤S32时，均是在卸载后再次加载至A MPa，然后卸载，此时在岩样内，压裂液的注入会再次产生温差ΔT＝T-Tw；
实验总时长是人为设定的，单次加载时长是加载至A MPa所需的时间。
验证本发明方法的实施例如下：
【实施例四】
在进行实验前，先利用声发射仪器检检测岩样内本身存在的天然裂缝，挑选出两块裂缝发育程度相似的岩样，在实验过程中，一块岩样采用高温直接压裂的方法进行实验(也可以采用图1所示系统，通过注入泵注入压裂液进行压裂，而不采用循环加载方式，即不再多次加载和卸载，而是直接加载至岩心破裂，此时压裂曲线骤降)，另一块采用上述高温循环加载的方式进行实验，在实验后再次进行利用声发射仪器对两块岩样进行检测，并对比两块岩样的声发射数据结果及压裂后示踪剂的分布情况，可以判断出，通过本发明循环加载方式压裂的岩样内，被激活的天然裂缝与水力裂缝相互沟通形成了复杂的压裂缝网，水力裂缝与天然裂缝的沟通情况相比于直接压裂的岩样复杂程度要高。
在实际地热压裂中，在注入压裂液达到设定值后停止注液，等待压力降低后继续注液，进而实现循环加载的操作。实际压裂工艺采用循环加载即可，不需要分段加温，因为地下岩石本就是高温的，上述实验中的分段加温是为了实现岩样的均匀受热，以便更真实地模拟岩石的温度，进而保证实验结果的准确性。
本发明的一个应用实施例如下：
【实施例五】
本次实验采用300mm×300mm×300mm的干热岩岩样，选取两块裂缝发育程度较低的岩样，通过不同加载方式压裂进行对比。实验条件为200℃，最小水平主应力、最大水平主应力、上覆岩层压力分别为7MPa、13MPa、15MPa，压裂液粘度为1mPa·s，排量为30ml/min,岩样1采用直接加载的泵入方法，岩样2采用本发明循环加载的泵入方法。
在进行实验前对两块岩样利用声发射仪器监测岩石内本身存在的天然裂缝，岩样1用直接加载的方式先加热后进行压裂，压力曲线如图2所示，压裂结果如图4所示。
将岩样2装载进本系统中的真三轴岩心夹持器，并从常温开始加热，加热目标温度为200℃；
将所述干热岩试样由常温加热至20℃后进行保温处理，保温时间为4小时；
由20℃加热至40℃后进行保温处理，保温时间为8小时；
由40℃加热至80℃后进行保温处理，保温时间为10小时；
由80℃加热180℃后进行保温处理，保温时间为12小时；
由180℃加热200℃后进行保温处理，保温时间为4小时。
受热均匀后，开始进行加载。
岩样注入压裂液温度为25℃，此时压裂液与岩样内产生温差ΔT＝200-25℃＝175℃，将加载至10MPa，达到该值后卸载，卸载后再次加载至10MPa后卸载，反复10次后，再直接加压至岩石破裂，压裂实验结束,岩样2的压裂的实际压裂曲线图如图3所示，压裂曲线图说明了在压裂过程中压力的变化，体现了循环加载的压力变化，压力逐级达到某值后卸压再重新加压的过程，岩样2的压裂结果如图5所示。
从图4、图5的实验结果可以明显看出，采用传统方法直接加载压裂的岩样1仅有一条形态单一的水力裂缝，如图4所示，而采用本发明循环加载压裂的岩样2则沟通了两条天然裂缝，形成了复杂缝网，如图5所示，因此，循环加载压裂的方法能够制造出更复杂的裂缝，即验证了本方法的可行性。
本发明通过控制温度泵入压裂液所产生的温差对岩石形成疲劳破坏，激发岩石内本身存在的天然微裂缝，使人工制造的水力裂缝与天然裂缝沟通，制造出复杂的压裂缝网。依据试验结果可针对性的改进地热资源改造开发的工艺技术，为干热岩资源开发奠定基础。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。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中的具体含义。
在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
最后应说明的是，上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
Claims (12)
1.一种控温循环加载制造复杂裂缝的实验系统，其特征在于：所述系统包括：真三轴岩心夹持器、注入系统、温控系统、伺服控制系统；
所述注入系统、温控系统分别与真三轴岩心夹持器连接；
同时，所述注入系统、温控系统分别与所述伺服控制系统连接。
2.根据权利要求1所述的控温循环加载制造复杂裂缝的实验系统，其特征在于：所述注入系统包括多个注入泵，分别为围压注入泵和压裂液注入泵；
所述围压注入泵的一端与真三轴岩心夹持器中的围压板连接，另一端与伺服控制系统连接；
所述压裂液注入泵的一端与真三轴岩心夹持器中的岩心井筒连接，另一端与伺服控制系统连接。
3.根据权利要求1所述的控温循环加载制造复杂裂缝的实验系统，其特征在于：在真三轴岩心夹持器上设置有多个加热板，每个加热板分别与温控系统连接。
4.根据权利要求1所述的控温循环加载制造复杂裂缝的实验系统，其特征在于：在温控系统与伺服控制系统之间还连接有计算机。
5.一种控温循环加载制造复杂裂缝的实验方法，其特征在于：所述方法包括：
S1：检测岩样内存在的天然裂缝；
S2:将岩样装载到如权利要求1-4任一项所述系统中的真三轴岩心夹持器中，对岩样进行加热；
S3：采用循环加载方式对岩样进行加载。
6.根据权利要求5所述的控温循环加载制造复杂裂缝的实验方法，其特征在于：所述步骤S2中的对岩样进行加热的操作包括：
从常温开始加热，采用分段加热方式将岩样从常温加热到目标温度。
7.根据权利要求6所述的控温循环加载制造复杂裂缝的实验方法，其特征在于：所述采用分段加热方式将岩样从常温加热到目标温度的操作包括：
假设加热目标温度为T℃；
S21：将岩样由常温加热至H1℃后进行保温处理，保温时间设置为t1；
S22：将岩样由H1℃加热至H2℃后进行保温处理，保温时间设置为t2；
S23：将岩样由H2℃加热至H3℃后进行保温处理，保温时间设置为t3；
S24：将岩样由H3℃加热至H4℃后进行保温处理，保温时间设置为t4；
S25：将岩样由H4℃加热至T℃后进行保温处理，保温时间设置为t5。
8.根据权利要求7所述的控温循环加载制造复杂裂缝的实验方法，其特征在于：
H1＝0.1T；
H2＝H1+0.1T；
H3＝H2+0.2T；
H4＝H3+0.5T。
9.根据权利要求7所述的控温循环加载制造复杂裂缝的实验方法，其特征在于：
t1为4小时；
t2为8小时；
t3为10小时；
t4为12小时；
t5为4小时。
10.根据权利要求5所述的控温循环加载制造复杂裂缝的实验方法，其特征在于：所述步骤S3的操作包括：
S31，利用围压注入泵对岩样施加设定围压；
S32，利用压裂液注入泵注入压裂液，将岩样加载至A Mpa，然后卸载；
S33：重复N次步骤S32后，直接加压至岩样破裂。
11.根据权利要求10所述的控温循环加载制造复杂裂缝的实验方法，其特征在于：
A＝0.6pb
pb＝3σh-σH+σf-po
其中，σh为最小水平主应力，σH为最大水平主应力，σf为岩石的单向拉伸应力强度，po为上覆岩层压力。
12.根据权利要求10所述的控温循环加载制造复杂裂缝的实验方法，其特征在于：
其中，实验总时长是设定值；
单次加载时长是将岩样加载至A MPa所需的时间。
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| CN202111046983.9A CN115773954A (zh) | 2021-09-07 | 2021-09-07 | 一种控温循环加载制造复杂裂缝的实验系统及方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116519488A (zh) * | 2023-06-29 | 2023-08-01 | 中国科学院地质与地球物理研究所 | 一种多功能岩石三轴可视化试验系统 |
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2021
- 2021-09-07 CN CN202111046983.9A patent/CN115773954A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116519488A (zh) * | 2023-06-29 | 2023-08-01 | 中国科学院地质与地球物理研究所 | 一种多功能岩石三轴可视化试验系统 |
| CN116519488B (zh) * | 2023-06-29 | 2023-09-12 | 中国科学院地质与地球物理研究所 | 一种多功能岩石三轴可视化试验系统 |
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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