CN115876541A - 一种用于水力压裂实验的人工湖相页岩试件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于水力压裂实验的人工湖相页岩试样及其制作方法，属于油气田开发领域。所述人工湖相页岩试样由混凝土浆分层浇筑而成，从下至上依次包括多层混凝土层；不同层的混凝土浆的配比相同或者不同；在相邻两层混凝土层之间不设置模拟层或者设置模拟层。利用本发明实现了对湖相页岩天然岩样结构与性质的有效模拟，可以满足水力压裂实验对岩样外形的各种要求，进而提高了压裂实验的准确率；而且本发明原理简洁、明确、可操作性强，易于批量化制作。

Description

一种用于水力压裂实验的人工湖相页岩试件及其制作方法

技术领域

本发明属于油气田开发领域，具体涉及一种用于水力压裂实验的人工湖相页岩试样及其制作方法。

背景技术

随着我国页岩气开发技术的不断进步，目前已基本掌握了3500米以内浅海相页岩气规模有效开发的理论和关键技术，但对于湖相沉积的陆相页岩气的开发工作却鲜有突破。与海相页岩相比，湖相页岩黏土含量高，基质脆性差，压裂改造复杂裂缝网络难度大，储层纵向非均质性强，层间岩性与应力差异大，泥灰岩、粉砂岩等夹互层发育，水力裂缝穿层扩展困难，难以获得较大的储层改造体积，导致湖相页岩体积压裂改造效果不佳。开展湖相页岩中水力裂缝穿层扩展规律研究，对实现湖相页岩油气的高效开发具有重要指导意义。

目前，大尺寸真三轴水力压裂实验是研究水力裂缝穿层扩展规律最常用的方法之一。开展这类实验一般需要先制作较大尺寸的岩样试件，最常用的岩样试件尺寸为30cm×30cm×30cm。针对海相页岩，一般采用切割好的露头岩样或混凝土浇筑的等效岩样试件开展实验。然而，对于湖相页岩，由于其层间岩性发育差异大，部分岩层界面胶结程度较弱，导致大多数出露在地表的湖相页岩露头岩样风化严重，完整性较差，难以切割出满足水力压裂实验尺寸要求的岩样试件。

中国专利公开文献CN108801739B公开了一种人工物理岩心制作方法，其利用石英、水泥、减水剂混合物来模拟天然砂岩岩心的脆性矿物成份；利用黏土材料来模拟天然砂岩岩心的黏土矿物成份，通过调整石英、水泥、减水剂和黏土材料的配比，使得人工物理岩心在力学性质(包括抗压强度、弹性模量和泊松比)、全岩矿物成份和黏土矿物成分上和天然砂岩一致。该专利提供了一种通过材料配比制作人工砂岩岩样的技术措施，但是其并没有考虑湖相页岩储层纵向岩性非均质性和层间界面发育特征，从而对人工湖相页岩岩样制作进行针对性设计。

中国公开文献“一种分散泥质胶结疏松砂岩的人工岩样制作新方法”(地球物理学进展、2013年12月)研究开发了一种分散泥质胶结疏松砂岩的人工岩样制作新方法,并考察了石英粒度、粘土含量、胶结剂用量、压制压力等因素对物性的影响。结果表明,制作的人工岩样在结构上与分散泥质胶结疏松砂岩有很好的相似性,孔喉分选性好,可通过控制石英粒度、泥质(粘土)含量和制作压力获得期望孔隙度、孔隙结构、渗透率的人工岩样。该方法制作的人工岩样具有惰性好(物理化学性质稳定)、制作成功率高、价格低廉等优点,可为开展相关储层物理性质及其机理的研究提供满意的实验样品。该文献主要从工艺上提出了提高岩心制作的成功率，但是并没有考虑湖相页岩储层纵向岩性非均质性和层间界面发育特征，从而对人工湖相页岩岩样制作进行针对性设计。

中国公开文献“渤海地区疏松砂岩岩样制备方法”(科学技术与工程、2015年4月)针对渤海地区32-6和36-1油田储层岩样的胶结类型多样性、渗透率差异较大等现有特征，提出了露头岩石制取、人工压制、液压机压制三种方法制取疏松砂岩岩样，并对三种方法获取的疏松岩样进行了渗透率、矿物成分、岩石力学、胶结程度等四方面的测试，与天然储层岩样进行比较，探究了三种方法制取疏松砂岩岩样代替目标区块岩样进行相关实验方法的可行性。该文献主要针对渤海地区疏松砂岩地层从工艺上提出了提高岩样制备合格率的设计思路，但是其并没有涉及其他地区岩层的差异性，特别是湖相页岩储层纵向岩性非均质性和层间界面发育特征，从而对人工湖相页岩岩样制作进行针对性设计。

从上面的分析可知，现有的用于海相页岩水力压裂实验的混凝土岩样试件制作方法不适用于湖相页岩，因为现有的海相页岩水力压裂实验的混凝土岩样试件制作方法为一体化浇筑，岩样试件整体岩性和力学性质一致，且内部不存在层间界面，所以其无法准确表征湖相页岩储层纵向岩性非均质性和层间界面发育特征。

综上所述，亟需发明一种用于水力压裂实验的人工湖相页岩试样及其制作方法，以满足湖相页岩水力压裂实验研究的需求，为揭示湖相页岩中水力裂缝的穿层扩展规律提供有力保障。

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，提供一种用于水力压裂实验的人工湖相页岩试样及其制作方法，可实现对湖相页岩天然岩样结构与性质的有效模拟，可以满足水力压裂实验对岩样外形的各种要求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的第一个方面，提供了一种用于水力压裂实验的人工湖相页岩试样，所述人工湖相页岩试样由混凝土浆分层浇筑而成，从下至上依次包括多层混凝土层；

不同层的混凝土浆的配比相同或者不同；

在相邻两层混凝土层之间不设置模拟层或者设置模拟层。

本发明的进一步改进在于：

所述模拟层为弱胶结模拟层或者中胶结模拟层。

本发明的进一步改进在于：

如果两层相邻的混凝土层之间的层间界面胶结强度为弱胶结，则在该两层混凝土层之间铺置弱胶结模拟层；

如果两层相邻的混凝土层之间的层间界面胶结强度为中等胶结，则在该两层混凝土层之间铺置中等胶结模拟层；

如果两层相邻的混凝土层之间的层间界面胶结强度为强胶结，则在该两层混凝土层之间不铺置任何层。

优选的，所述弱胶结模拟层包括一层或多层A4纸；

所述中等胶结模拟层包括一层或多层宣纸。

优选的，所述模拟层铺置在混凝土层的层间界面的中部。

本发明的第二个方面，提供了一种用于水力压裂实验的人工湖相页岩试件的制作方法，所述方法采用不同配比的混凝土浆从下至上进行分层浇筑，制作出不同杨氏模量和断裂韧性的混凝土层；在分层浇筑的过程中，根据真实储层的层间界面强度在相邻混凝土层之间铺置模拟层或者不铺置模拟层。

本发明的进一步改进在于：

所述方法包括：

(1)获取人工湖相页岩试件的岩层数量、厚度、各个岩层的力学参数和实验参数；同时，确定相邻岩层之间的层间界面胶结强度；

(2)选择制备模具并完成制备模具的组装：

(3)分别配置用于浇筑各个混凝土层的混凝土浆；

(4)分层浇筑，并在需要铺置模拟层的层间界面上铺置模拟层；

(5)浇筑完成后，待混凝土浆完全凝固后，拆除制备模具，获得岩样；

(6)在岩样上钻孔，并埋置模拟井筒。

本发明的进一步改进在于：

所述步骤(1)中的确定相邻岩层之间的层间界面胶结强度的操作包括：

通过观察露头岩层与井下岩芯确定相邻岩层之间的层间界面胶结强度。

本发明的进一步改进在于：

所述步骤(4)的操作包括：

按照每个岩层的设计厚度，利用每个岩层对应的混凝土浆进行分层浇筑，并在需要铺置模拟层的层间界面上铺置模拟层。

本发明的进一步改进在于：

所述在需要铺置模拟层的层间界面上铺置模拟层的操作包括：

如果两层相邻的混凝土层之间的层间界面胶结强度为弱胶结，则等混凝土层凝固后，在该层混凝土层上铺置弱胶结模拟层，然后再浇筑上一层混凝土层；

如果两层相邻的混凝土层之间的层间界面胶结强度为中等胶结，则等混凝土层凝固后，在该层混凝土层上铺置中等胶结模拟层，然后再浇筑上一层混凝土层；

如果两层相邻的混凝土层之间的层间界面胶结强度为强胶结，则等混凝土层凝固后，直接在该层混凝土层上浇筑上一次混凝土层。

本发明的进一步改进在于：

所述步骤(6)中的在岩样上钻孔的操作包括：

在岩样上位于中部的混凝土层的中心位置沿与层间界面平行的方向钻孔，获得模拟钻井孔眼。

本发明的进一步改进在于：

所述模拟井筒为圆筒状结构，其一端为开口端，另一端为封闭端；

在所述模拟井筒的壁上开有多个在圆周上均布的模拟射孔孔眼，所述模拟射孔孔眼位于封闭端上方20mm处；

在所述模拟井筒的外壁上设置有环状隔离带，所述环状隔离带位于模拟射孔孔眼的上方。

本发明的进一步改进在于：

所述步骤(6)中的埋置模拟井筒的操作包括：

将模拟井筒悬空置于模拟钻井孔眼内；

向模拟井筒与模拟钻井孔眼之间的环空中注入植筋胶，实现模拟井筒的固封；

待植筋胶完全凝固后，将模拟井筒的开口端封堵住。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

利用本发明实现了对湖相页岩天然岩样结构与性质的有效模拟，可以满足水力压裂实验对岩样外形的各种要求，进而提高了压裂实验的准确率；而且本发明原理简洁、明确、可操作性强，易于批量化制作。

附图说明

图1为用于水力压裂实验的人工湖相页岩试件示意图；

图2(a)为湖相页岩露头岩样水力压裂实验后的真实裂缝扩展形态图；

图2(b)为湖相页岩露头岩样水力压裂实验后的剖开范围更大的真实裂缝扩展形态图；

图3为湖相页岩露头岩样水力裂缝扩展形态重构图；

图4(a)为本发明人工湖相页岩试件水力压裂实验后真实裂缝扩展形态图；

图4(b)为本发明人工湖相页岩试件水力压裂实验后的剖开范围更大的真实裂缝扩展形态图；

图5为本发明人工湖相页岩试件水力裂缝扩展形态重构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

针对湖相页岩水力压裂室内物模实验中大尺寸湖相页岩露头试样获取难度大的技术难题，本发明提供了一种用于水力压裂实验的人工湖相页岩试件及其制作方法，该人工岩样试件能真实反映湖相页岩储层纵向岩性非均质性和层间界面发育特征。

为达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：

本发明提供了一种用于水力压裂实验的人工湖相页岩试样，所述人工湖相页岩试样由混凝土浆分层浇筑而成，从下至上依次包括多层混凝土层；不同层的混凝土浆的配比相同或者不同，在相邻两层混凝土层之间不设置模拟层或者设置模拟层。所述模拟层为弱胶结模拟层或者中胶结模拟层。

所述混凝土浆是由水泥和石英砂混合而成的。

本发明用于水力压裂实验的人工湖相页岩试样的实施例如下：

【实施例一】

为了真实反映湖相页岩储层纵向岩性非均质性特征，采用不同配比的水泥和石英砂混合形成的混凝土浆分层浇筑，制作出不同杨氏模量和断裂韧性的混凝土层，用于表征不同岩性的真实岩层，混凝土层之间的层间界面强度相同或者不相同。

此外，在分层浇筑过程中，结合真实储层的层间界面发育特征，采用以下三种方式来等效模拟层间界面的弱胶结、中等胶结和强胶结状态：①在人工岩样的岩层间铺置A4纸；②在人工岩样的岩层间铺置宣纸；③不在人工岩样的岩层间铺置任何材料。

具体的，如果两层相邻的混凝土层之间的层间界面胶结强度为弱胶结，则在该两层混凝土层之间铺置弱胶结模拟层；

如果两层相邻的混凝土层之间的层间界面胶结强度为中等胶结，则在该两层混凝土层之间铺置中等胶结模拟层；

如果两层相邻的混凝土层之间的层间界面胶结强度为强胶结，则在该两层混凝土层之间不铺置任何层。

优选的，所述弱胶结模拟层可以采用A4纸等材料；

所述中等胶结模拟层可以采用宣纸等材料。

【实施例二】

不同的纸张厚度可以表征不同的层间界面强度，使用的纸张越厚，层间界面强度越弱，可以使用多张宣纸或多张A4纸来进一步降低层间界面强度。

进一步的，所述弱胶结模拟层、中等胶结模拟层均铺置在混凝土层的层间界面的中部，即居中铺置。所述弱胶结模拟层、弱胶结模拟层的面积根据实际需要进行设置，优选的，所述弱胶结模拟层、弱胶结模拟层的面积为层间界面面积的1/4。

本发明还提供了用于水力压裂实验的人工湖相页岩试件的制作方法，所述方法采用不同配比的混凝土浆从下至上进行分层浇筑，制作出不同杨氏模量和断裂韧性的混凝土层，用于表征不同岩性的真实岩层，混凝土层之间的层间界面强度相同或者不相同，同时，在分层浇筑的过程中，根据真实储层的层间界面强度在相邻混凝土层之间铺置模拟层或者不铺置模拟层。

该方法的实施例如下：

【实施例三】

(1)获取人工湖相页岩试件的岩层数量、厚度、各个岩层的力学参数和实验参数；同时，确定相邻岩层之间的层间界面胶结强度。

根据指定研究区域真实湖相页岩储层的岩性发育特征和现场的水力压裂施工参数，采用经典的水力压裂实验相似准则(可参考：De Pater C J,Cleary M P,Quinn T S,etal.Experimental verification of dimensional analysis for hydraulic fracturing[J].SPE Production&Facilities,1994,9(04):230-238.付海峰,王臻,胥云,刘云志,修乃岭,严玉忠,管保山.全三维水力裂缝垂向延伸模拟研究[C].全国天然气学术年会论文集(04工程技术),2018:1-9.)计算出人工湖相页岩试件需要浇筑的岩层数量、厚度、各岩层的力学参数(包括：杨氏模量、泊松比和断裂韧性值)以及实验参数(包括：注入排量、液体粘度、井筒直径、施工时间和围压等)。

同时，通过观察露头岩层与井下岩芯确定层间界面的胶结强弱程度，即确定各层之间的层间界面胶结强度是弱胶结、中等胶结还是强胶结。

(2)选择制备模具并完成制备模具的组装：

根据人工湖相页岩试件的设计尺寸大小，选择合适的制备模具，并完成组装；制备模具可以采用现有的多种用于制备岩样的制备模具，在此不再赘述。

(3)分别配置用于浇筑各个混凝土层的混凝土浆；

根据浇筑试件各岩层的力学参数和混凝土配比方案参考表，制作不同配比的水泥和石英砂混合的混凝土浆。

根据相似准则和实际地层参数换算出浇筑试件各岩层的力学参数，再按照混凝土配比方案参考表，制作不同配比的水泥和石英砂混合的混凝土浆，混凝土配比方案参考表是根据实验测试和经验获得的，例如下面实施例四中给出的表2，这些均采用现有方法实现，在此不再赘述。

(4)分层浇筑并在需要铺置模拟层的层间界面上铺置模拟层：

按照每个岩层的设计厚度，利用每个岩层对应的混凝土浆进行分层浇筑，并在需要铺置模拟层的层间界面上铺置模拟层，模拟不同胶结强度的层间界面；

具体的，如果两层相邻的混凝土层之间的层间界面胶结强度为弱胶结，则等混凝土层凝固后，在该层混凝土层的界面中部铺置弱胶结模拟层，然后再浇筑上一层混凝土层；

如果两层相邻的混凝土层之间的层间界面胶结强度为中等胶结，则等混凝土层凝固后，在该层混凝土层的界面中部铺置中等胶结模拟层，然后再浇筑上一层混凝土层；

如果两层相邻的混凝土层之间的层间界面胶结强度为强胶结，则在该两层混凝土层之间不铺置任何层，即等混凝土层凝固后，直接在该层混凝土层上浇筑上一次混凝土层。

(5)浇筑完成后，静置几天，待混凝土浆完全凝固后，拆除制备模具，获得岩样；

(6)在岩样上钻孔并埋置模拟井筒，封胶固井，后期养护，制样完成。

根据实际需要，在岩样上钻孔，获得模拟钻井孔眼。一般是在岩样上位于中部的混凝土层的中心位置沿与层间界面平行的方向钻孔，获得模拟钻井孔眼，然后将模拟井筒放置到模拟钻井孔眼中，再用胶将模拟井筒固封住，然后进行后期养护，完成制样。

本发明方法的一个应用实施例如下：

【实施例四】

以四川盆地某口湖相页岩气井压裂改造的目标储层为例，该储层主要发育有5套岩层，自下而上各个岩层的岩性分别为：泥页岩、灰岩、泥页岩、粉砂岩和泥页岩，各个岩层的厚度分别为：4m、4m、8m、4m和4m。为了清楚描述各类型岩性岩层间的位置关系，从下到上依次使用“第一层”、“第二层”、“第三层”、“第四层”、“第五层”这些称谓。通过观察露头和井下岩芯可知，第二、三层之间的层间界面和第四、五层之间的层间界面胶结较弱，剩余的层间界面均呈现强胶结状态。

制作与上述湖相页岩储层特征类似的用于水力压裂实验的人工湖相页岩试件的具体方法如下：

(1)确定人工湖相页岩试件岩层数量、厚度以及岩石力学参数

根据选用的真三轴水力压裂物理模拟实验设备的要求，本实施例需制备尺寸为30cm×30cm×30cm的正方形人工湖相页岩试件。根据上述真实储层岩性发育特征，所制备的人工岩样分为5层，基于等比例缩小原则，第一层至第五层的厚度分别设置为：5cm、5cm、10cm、5cm和5cm。

根据水力压裂实验相似准则(可参考：De Pater C J,Cleary M P,Quinn T S,etal.Experimental verification of dimensional analysis for hydraulic fracturing[J].SPE Production&Facilities,1994,9(04):230-238.付海峰,王臻,胥云,刘云志,修乃岭,严玉忠,管保山.全三维水力裂缝垂向延伸模拟研究[C].全国天然气学术年会论文集(04工程技术),2018:1-9.)，实验参数对应的公式(1)～(3)中的三项无因次指数与现场施工参数对应的公式(1)～(3)中的三项无因次指数应基本一致，且两种参数条件下公式(4)中的水力裂缝扩展状态无因次指数κ应处于同一范围段，即同处于以下任何一个范围段：κ≤1、1<κ<4或κ≥4。

基于上述准则和现场施工参数，设计出人工岩样各套岩层的岩石力学参数以及其它实验参数(利用现场施工参数根据上述相似准则获得实验参数)，具体见表1，表1中的裂缝扩展状态指数即下面公式(4)中的水力裂缝扩展状态无因次指数κ。

表1

式中：

为断裂韧性无因次指数，无因次；

N_E为弹性模量无因次指数，无因次；

为地应力无因次指数，无因次；

κ为水力裂缝扩展状态无因次指数，无因次；

v为泊松比，无因次；

K_IC为断裂韧性，MPa·m^0.5；

E为杨氏模量，GPa；

r_w为井筒半径，m；

μ为压裂液粘度，mPa·s；

Q为压裂液注入排量，m³/min；

σ_c为围压，一般取水平最小地应力，MPa；

t为施工时间，min。

上述公式均为现有公式，在此不再赘述。

(2)选择合适制样模具并完成组装

利用壁厚为2cm的钢板组装成一个内部尺寸为30cm×30cm×30cm的正方体模具，该模具为现有模具，其包括底板和四个与底板垂直的盖板，没有顶盖，用于向模具中浇注混凝土浆。在向模具中注入混凝土浆之前，先在模具内表面均匀地涂上一层黄油，保证岩样浇筑成形后，在拆解模具时能顺利与底座和盖板的壁面脱离。

(3)制作混凝土浆，完成岩样分层浇筑

准备充足的石英砂和水泥，按照表2中的混凝土浆制作配比比例要求配置好各层用的混凝土浆，开展分层浇筑工作。

配置混凝土浆的方法采用现有方法即可，在此不再赘述。

表2

分层浇筑的具体步骤如下：

S1、第一层浇筑

将配置好的III型混凝土浆缓慢注入模具中至模具5cm高度位置处，将整个模具放在振动台上，开启振动台使混凝土浆中的气体充分排出。取下模具，静置一段时间，得到第一层1。

S2、第二层浇筑

待第一层混凝土浆基本凝固，继续向模具中缓慢注入配置好的I型混凝土浆至模具10cm高度位置处，将模具放在振动台上振动，使混凝土浆中的气体充分排出，取下模具静置一段时间，得到第二层2，第一层1和第二层2之间的界面为第一岩样层间界面6。

S3、第三层浇筑

待第二层混凝土浆基本凝固，在其界面上(即第二层和第三层之间的层间界面)铺置A4纸11，用于模拟弱胶结层间界面(若为中等胶结强度则铺置宣纸)，然后继续向模具中缓慢注入配置好的III型混凝土浆至模具20cm高度位置处，然后将模具放在振动台上充分振动，取下模具静置一段时间，得到第三层3，第三层3与第二层2之间的界面为第二岩样层间界面7。

本发明的试件是用于模拟实际地层中的具有天然裂缝的岩样，而天然裂缝大多并没有贯穿整个地层，因此模拟层不用铺满整个层间界面，而且如果纸张铺满整个层间界面，浇筑好的岩样强度会较差，难以保证岩样的完整性，进而导致实验无法开展。

S4、第四层浇筑

待第三层混凝土浆基本凝固，继续向模具中缓慢注入配置好的II型混凝土浆至模具25cm高度位置处，将模具放在振动台上充分振动，取下模具静置一段时间，得到第四层4。第四层4与第三层3之间的界面为第三岩样层间界面8。

S5、第五层浇筑

待第四层混凝土浆基本凝固，在其界面上铺置A4纸11模拟弱胶结层间界面(若为中等胶结强度则铺置宣纸)，然后向模具中缓慢注入配置好的III型混凝土浆至模具30cm高度位置处，将模具放在振动台上充分振动，取下模具静置一段时间，得到第五层5，第五层5与第四层4之间的界面为第四岩样层间界面9。

(4)静置模具，待岩样完全凝固后，拆除制样模具：

把浇筑好的模具放入养护箱中，使混凝土浆完全凝固，待达到一定的强度后拆除模具，得到人工岩样。

(5)在岩样上钻孔并埋置井筒，封胶固井，后期养护，完成制样。

如图1所示，采用直径为28mm的钻头在第三层人工浇筑岩层的中心位置沿与层间界面平行的方向钻孔，获得模拟钻井孔眼。再采用植筋胶12将模拟井筒与钻出的模拟钻井孔眼固封。植筋胶为液体，固封时，首先将模拟井筒悬空置于模拟钻井孔眼内(模拟钻井孔眼的长度比模拟井筒的长度略大，且直径比模拟井筒的直径略大，固封时手持或者采用工具夹持住模拟井筒的开口端，将其封闭端伸入到模拟钻井孔眼内，保持模拟井筒悬空即可。)，然后向模拟井筒与模拟钻井孔眼之间的环空中注入植筋胶，实现模拟井筒的固封。所述植筋胶12可以采用YD-800型环氧树脂植筋胶。

本实施例中所述模拟井筒的规格为：外径20mm，内径10mm，长度200mm，模拟井筒的底端封闭，即一端为开口端，另一端为封闭端，在距其封闭端20mm处钻有四个在圆周上均布的且直径为2mm的小圆孔用于模拟射孔孔眼，模拟井筒位于试件表面上的开口端平整光滑，可与压裂液泵注管线密封连接。

进一步的，在封胶固井过程中，为防止植筋胶流入下部造成模拟射孔孔眼堵塞，在射孔孔眼的上方的模拟井筒的外壁上设置有环状隔离带13，本实施例中，所述环状隔离带采用多层电胶布，多层电胶布将此处的环空占满，这样植筋胶无法通过环状隔离带流入到环状隔离带的下方，即通过环状隔离带避免了植筋胶流入到模拟射孔孔眼内。

待植筋胶12完全凝固后，将模拟井筒的开口端封堵住，例如可以采用废旧报纸塞住模拟井筒的井口，这样能够防止异物掉入堵塞模拟井筒，然后进行日常的浇水养护，防止岩样开裂。

至此，人工湖相页岩试件的制样过程全部结束。最后，将养护好的岩样用保鲜膜完全包裹，待实验时使用。

图2(a)到图3与图4(a)到图5中分别展示了在相同实验条件下湖相页岩露头岩样与采用本发明方法制作的人工湖相页岩试件开展水力压裂实验后的结果。图2(a)和图2(b)中的岩样被剖开的程度不同，展现的是不同的裂缝面,同样，图4(a)和图4(b)中的岩样被剖开的程度不同，展现的是不同的裂缝面。

通过对比可知，在相同的实验条件下湖相页岩露头岩样和人工湖相岩样试件中的水力裂缝穿层扩展形态基本一致，具体如下：

对比图3与图5可知，在相同的实验条件下，湖相页岩露头岩样(如图3所示)和人工湖相岩样试件(如图5所示)中水力裂缝先纵向扩展一段距离，形成图5中的主水力裂缝面14，在遭遇弱胶结层间界面后停止纵向扩展，沿弱胶结层间界面转向延伸，形成被激活的层间弱面15。

综上可知，采用本发明方法制作的人工湖相页岩试件可等效替代湖相页岩露头岩样开展水力裂缝穿层扩展物理模拟研究，为后续开展湖相页岩压裂物理模拟实验研究提供了有益参考。

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 (13)

1.一种用于水力压裂实验的人工湖相页岩试件，其特征在于：所述人工湖相页岩试样由混凝土浆分层浇筑而成，从下至上依次包括多层混凝土层；

不同层的混凝土浆的配比相同或者不同；

在相邻两层混凝土层之间不设置模拟层或者设置模拟层。

2.根据权利要求1所述的用于水力压裂实验的人工湖相页岩试件，其特征在于：所述模拟层为弱胶结模拟层或者中胶结模拟层。

3.根据权利要求2所述的用于水力压裂实验的人工湖相页岩试件，其特征在于：如果两层相邻的混凝土层之间的层间界面胶结强度为弱胶结，则在该两层混凝土层之间铺置弱胶结模拟层；

如果两层相邻的混凝土层之间的层间界面胶结强度为中等胶结，则在该两层混凝土层之间铺置中等胶结模拟层；

如果两层相邻的混凝土层之间的层间界面胶结强度为强胶结，则在该两层混凝土层之间不铺置任何层。

4.根据权利要求3所述的用于水力压裂实验的人工湖相页岩试件，其特征在于：所述弱胶结模拟层包括一层或多层A4纸；

所述中等胶结模拟层包括一层或多层宣纸。

5.根据权利要求1所述的用于水力压裂实验的人工湖相页岩试件，其特征在于：所述模拟层铺置在混凝土层的层间界面的中部。

6.一种用于水力压裂实验的人工湖相页岩试件的制作方法，其特征在于：所述方法采用不同配比的混凝土浆从下至上进行分层浇筑，制作出不同杨氏模量和断裂韧性的混凝土层；在分层浇筑的过程中，根据真实储层的层间界面强度在相邻混凝土层之间铺置模拟层或者不铺置模拟层。

7.根据权利要求6所述的用于水力压裂实验的人工湖相页岩试件的制作方法，其特征在于：所述方法包括：

(1)获取人工湖相页岩试件的岩层数量、厚度、各个岩层的力学参数和实验参数；同时，确定相邻岩层之间的层间界面胶结强度；

(2)选择制备模具并完成制备模具的组装：

(3)分别配置用于浇筑各个混凝土层的混凝土浆；

(4)分层浇筑，并在需要铺置模拟层的层间界面上铺置模拟层；

(5)浇筑完成后，待混凝土浆完全凝固后，拆除制备模具，获得岩样；

(6)在岩样上钻孔，并埋置模拟井筒。

8.根据权利要求7所述的用于水力压裂实验的人工湖相页岩试件的制作方法，其特征在于：所述步骤(1)中的确定相邻岩层之间的层间界面胶结强度的操作包括：

通过观察露头岩层与井下岩芯确定相邻岩层之间的层间界面胶结强度。

9.根据权利要求7所述的用于水力压裂实验的人工湖相页岩试件的制作方法，其特征在于：所述步骤(4)的操作包括：

按照每个岩层的设计厚度，利用每个岩层对应的混凝土浆进行分层浇筑，并在需要铺置模拟层的层间界面上铺置模拟层。

10.根据权利要求9所述的用于水力压裂实验的人工湖相页岩试件的制作方法，其特征在于：所述在需要铺置模拟层的层间界面上铺置模拟层的操作包括：

如果两层相邻的混凝土层之间的层间界面胶结强度为弱胶结，则等混凝土层凝固后，在该层混凝土层上铺置弱胶结模拟层，然后再浇筑上一层混凝土层；

如果两层相邻的混凝土层之间的层间界面胶结强度为中等胶结，则等混凝土层凝固后，在该层混凝土层上铺置中等胶结模拟层，然后再浇筑上一层混凝土层；

如果两层相邻的混凝土层之间的层间界面胶结强度为强胶结，则等混凝土层凝固后，直接在该层混凝土层上浇筑上一次混凝土层。

11.根据权利要求7所述的用于水力压裂实验的人工湖相页岩试件的制作方法，其特征在于：所述步骤(6)中的在岩样上钻孔的操作包括：

在岩样上位于中部的混凝土层的中心位置沿与层间界面平行的方向钻孔，获得模拟钻井孔眼。

12.根据权利要求11所述的用于水力压裂实验的人工湖相页岩试件的制作方法，其特征在于：所述模拟井筒为圆筒状结构，其一端为开口端，另一端为封闭端；

在所述模拟井筒的壁上开有多个在圆周上均布的模拟射孔孔眼，所述模拟射孔孔眼位于封闭端上方20mm处；

在所述模拟井筒的外壁上设置有环状隔离带，所述环状隔离带位于模拟射孔孔眼的上方。

13.根据权利要求12所述的用于水力压裂实验的人工湖相页岩试件的制作方法，其特征在于：所述步骤(6)中的埋置模拟井筒的操作包括：

将模拟井筒悬空置于模拟钻井孔眼内；

向模拟井筒与模拟钻井孔眼之间的环空中注入植筋胶，实现模拟井筒的固封；

待植筋胶完全凝固后，将模拟井筒的开口端封堵住。

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