CN115961927A - 储隔层t型裂缝扩展模拟及动态监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法，包括：步骤1，调配水泥砂浆成分及比例，测试其岩石力学参数；步骤2，制定岩样配制方案，制备储隔层岩石力学性质及储隔层界面性质不同的大尺寸岩样；步骤3，进行应变片布置及装置测试；步骤4，进行声发射装置布置及测试；步骤5，制定实验方案，开展储隔层T型裂缝扩展大型物理模拟实验；步骤6，借助破裂压力曲线、应变曲线及声发射数据，实时分析T型裂缝动态扩展过程；步骤7，实验后借助CT扫描和示踪剂，分析T型裂缝形态及扩展规律。该储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法能够较为真实的模拟地层压裂环境，深入分析压裂特性，为薄油层压裂施工提供指导。

Description

储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法

技术领域

本发明涉及储层水力压裂技术领域，特别是涉及到一种储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法。

背景技术

随着我国油气资源勘探开发的进行，疏松砂岩等优质油气资源越来越少，薄油层、差油层成了目前增储挖潜的重要来源，其储层具有渗透率低、孔隙度低、地质构造复杂等特点，需要借助压裂形成经济性油气流通道。但是在压裂过程中，水力裂缝在穿越储层向隔层扩展过程中，会出现裂缝穿层、转向及平面内扩展一系列复杂情况，对压裂施工效果评估产生很大困扰。储层和隔层自身岩石力学性质、储隔层界面性质、地应力及其差值、压裂施工参数等众多因素，都会对储隔层裂缝扩展规律产生影响。薄油层分布较广，但水力压裂过程中储隔层T型裂缝扩展影响因素众多，目前对于储隔层T型裂缝形态及扩展规律，缺少有效的认识，同时缺乏有效的认识手段。

在申请号：CN201810087559.0的中国专利申请中，涉及到一种天然裂缝与人工裂缝延伸规律物模试验方法，包括如下步骤：获取真实地质岩心在地层条件下的三向地应力和岩石力学参数；模拟建立真实储隔层的物理模型以及在物理模型中预制天然裂缝；根据三向地应力参数对物理模型加载围压，对物理模型进行水力压裂试验并采集数据，直至模型破裂后停止采集数据；对破裂后的模型剖切扫描；量化分析模型裂缝形态，研究天然裂缝对人工裂缝延伸规律的影响。

在申请号：CN201810017164.3的中国专利申请中，涉及到一种致密砂岩水力压裂逢高预测方法，具体涉及水力压裂技术领域。其解决了现有的致密砂岩水力压裂裂缝纵向扩展的研究并未形成能够指导现场压裂实践量化标准的不足。该致密砂岩水力压裂缝高预测方法，具体包括：建立由隔层-储层-隔层组成的三维水力压裂裂缝扩展有限元模型；基于水力压裂扩展有限元模型分析致密砂岩气藏水力压裂裂缝纵向扩展的影响因素，分析得出裂缝内净压力与储隔层地应力差比值和临界隔储层厚度比的对应数据关系为：裂缝内净压力与储隔层地应力差比值越小，裂缝在纵向上的扩展能力越弱，穿透隔层的高度越小；当裂缝内净压力与储隔层地应力差之比小于0.56时，裂缝的扩展被完全限制在储层内，在纵向上不能进入隔层。

在申请号：CN201710413336.4的中国专利申请中，涉及到一种水平井压裂裂缝穿层层数诊断方法。主要解决了现有常规方法不能现场简便、实时诊断低渗透油藏薄互储层水平井穿层压裂时裂缝高度与穿层层数的问题。其特征在于：包括以下步骤：(1)选取水平井同区块的储层发育特征相同的相邻直井，做地应力解释曲线，确定纵向油层与隔层地应力波动次数；(2)对水平井进行现场测试压裂；(3)通过绘制G函数，解释压裂裂缝在闭合过程中产生的滤失波动次数；(4)对应压裂裂缝滤失波动次数与油层、隔层地应力波动次数，确定压裂裂缝纵向上沟通油层的层数与裂缝高度。

以上现有技术均与本发明有较大区别，未能解决我们想要解决的技术问题，为此我们发明了一种新的储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种为储隔层水力压裂优化设计提供技术支持的储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法。

本发明的目的可通过如下技术措施来实现：储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法，该储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法包括：

步骤1，调配水泥砂浆成分及比例，测试其岩石力学参数；

步骤2，制定岩样配制方案，制备储隔层岩石力学性质及储隔层界面性质不同的大尺寸岩样；

步骤3，进行应变片布置及装置测试；

步骤4，进行声发射装置布置及测试；

步骤5，制定实验方案，开展储隔层T型裂缝扩展大型物理模拟实验；

步骤6，借助破裂压力曲线、应变曲线及声发射数据，实时分析T型裂缝动态扩展过程；

步骤7，实验后借助CT扫描和示踪剂，分析T型裂缝形态及扩展规律。

本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

在步骤1中，调节水-石英砂-水泥-粘土-添加剂比例，制备不同性质岩心，测试其弹性模量、泊松比及峰值强度这些岩石力学参数。

在步骤1中，石英砂应根据实际条件选用粉砂、20/40目、40/80目、60/100目细河砂，粘土应根据矿物分析结果，配置蒙脱石、高岭土、伊利石组分及含量，添加剂选用降滤失剂，增加岩心致密程度。

在步骤2中，制定制备方案，制作储层和隔层不同岩石力学性质的大型岩样，通过不同厚度纸张调节储层岩石和隔层岩石界面间隙大小。

该储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法还包括，在步骤2之后，将不同性质的水泥砂岩搅拌均匀后，分层置于钢制磨具中，实现隔层-储层-隔层交替布置，岩样浇筑好后，在恒温20℃环境下养护28天。

在该养护的步骤中，大型人工岩样中储层和隔层交替布置，储层和隔层厚度根据实际情况按比例设定。

在步骤3中，在试样表面布置电阻应变片，特别是临近储隔层界面垂直方向和水平方向加密布置，采集应力应变数据，并由监测器观察应变数据变化曲线。

在步骤3中，根据电阻应变片数据分析岩样变形情况，进而获得裂缝宽度尺寸，若应变片受拉，应变数据为正；若应变片受压，则应变数据为负；并且储层隔层交界处应变片要加密布置；具体操作为：

对岩样表面进行处理，使其水平平行度和垂直平行度符合要求；

根据储隔层岩石力学性质进行初判，判断裂缝可能走向及扩展规律，并用信号笔做好标记；

确定应变片安装位置，主要分布于裂缝扩展标记上，于储隔层界面处加密布置，同时兼顾其他位置；

确定应变片方向，粘贴好应变片。

在步骤3中，预采用以下方法确定应变片位置：

预判：根据应力条件，储隔层岩石力学性质及界面特征、压裂施工参数等，预判裂缝走向，应变片主要沿裂缝走向分布；

疏密有致：储隔层界面处容易出现水力裂缝穿透、转向及平面内扩展，因此，应变片在界面处加密布置，监测裂缝动态特征，兼顾岩样其他地方。

在步骤4中，在岩样外侧钢板布置声发射探头，采集声发射数据。

在步骤4中，大型试样4个侧面均应布置声发射探头，每个侧面沿对角线布置两个，实现声发射信号探测全覆盖。

该储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法还包括，在步骤4之后，实验开始前，对岩样预加载，测试实验设备运行良好无误。

在该测试实验设备的步骤中，将应变片与测试仪器连接，并用胶带及橡胶垫保护好导线，防止试验过程中拖拽磨损导线；预加载应力，测试试验设备。

在步骤5中，开展大型真三轴水力压裂大物模实验，探究储隔层水力裂缝扩展规律，并采集破裂压力数据、声发射数据及应力应变数据。

步骤5还包括，对大型物理模拟实验中测试数据时时观察，确定实验过程中数据测试及采集设备良好运转，数据稳定无误。

在步骤6中，进行数据分析，由获得数据绘制大型真三轴物理模拟实验过程中破裂压力变化曲线、应变变化曲线、声发射计数变化曲线。

步骤6还包括，进行曲线分析，观察破裂压力变化曲线、应变变化曲线及声发射变化曲线，相互映照，当一条曲线发生波动时，对应相同时间内其他曲线，三条曲线相互结合确定岩样破裂时间和破裂位置。

该储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法还包括，重复步骤5和6，得到的不同时间下水力裂缝的位置，获得不同因素作用下储隔层裂缝扩展规律。

在重复步骤5和6时，利用不同方位应变片确定裂缝扩展方向，利用不同位置应变片变形相对大小来确定不同时间不同位置处裂缝宽度大小；利用声发射信号数据和应变数据，确定水力裂缝扩展到储隔层界面位置后裂缝扩展规律。

步骤6还包括，判断不同工况下水力裂缝遇到储隔层后转向或者穿透。

在步骤7中，借助CT扫描和示踪剂，分析T型裂缝最终裂缝形态(缝长、缝宽、缝高)及裂缝扩展规律，并与前面动态裂缝扩展规律做比照分析。

本发明中的储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法，包括调节水-石英砂-水泥-粘土-添加剂含量，制取不同岩石力学性质岩样，测试其岩石力学参数；制定岩样制备方案，设定储隔层岩石力学参数及界面间隙，根据需要称取不同质量的矿物组分及添加剂，将其用搅拌器充分混合均匀后装入大型仿真岩心模具中，隔层和储层分别通过分层击实法制得，隔层和储层岩石力学性质通过矿物组分及添加剂调控，隔层和储层界面间隙通过不同材料、不同厚度纸张调控，最终制得不同性能的大尺寸储隔层仿真岩样；利用制备的仿真岩样开展大型真三轴物理模拟实验，通过测量破裂压力、应变、声发射信号等监测数据获得储隔层裂缝动态扩展过程中裂缝形态、裂缝高度及裂缝宽度，及其与储隔层界面之间关系，并与岩样裂缝面特征、电镜扫描特征同步对比分析，为储隔层水力压裂优化设计提供技术支持。与现有技术相比，本发明的有益效果为:

(1)本发明的方法提供与实际地层相似的储层隔层岩石力学性质及储隔层界面大尺寸岩样制备方法，储隔层应力条件、温度、孔隙流体及动态加载环境等，能够较为真实的模拟地层压裂环境；

(2)本发明的水力裂缝动态监测方法，能够优化应变片布置方位和位置，有效监测水力裂缝在储隔层界面处穿透、转向或裂缝内扩展等的裂缝形态，并分析获得T型裂缝宽度，这是之前的发明没有涉及到的；

(3)本发明运用应变曲线、声发射曲线以及破裂压力曲线相配合方法，判断储隔层T型裂缝扩展规律，获得不同储隔层岩石力学性质、储隔层界面性质、地应力分布、压裂施工参数下，T型裂缝扩展规律，并借助岩样裂缝剖面特征及电镜扫描技术深入分析压裂特性，为薄油层压裂施工提供指导。

附图说明

图1为本发明的储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法的一具体实施例的流程图；

图2为本发明的一具体实施例中储隔层T型裂缝扩展模拟大尺寸岩样示意图；

图3为本发明的一具体实施例中水力压裂储隔层T型裂缝扩展规律示意图；

图4为本发明的一具体实施例中应变片布置示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。

本发明的储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法，包括了以下步骤：

(1)调节水-石英砂-水泥-粘土-添加剂比例，制备不同性质岩心，测试其弹性模量、泊松比及峰值强度等岩石力学参数；

步骤(1)还包括：石英砂应根据实际条件选用粉砂、20/40目、40/80目、60/100目细河砂，粘土应根据矿物分析结果，配置蒙脱石、高岭土、伊利石组分及含量，添加剂选用降滤失剂，增加岩心致密程度。

(2)制定制备方案，制作储层和隔层不同岩石力学性质的大型岩样，通过不同厚度纸张调节储层岩石和隔层岩石界面间隙大小；

(3)大型岩样制备，将不同性质的水泥砂岩搅拌均匀后，分层置于钢制磨具中，实现隔层-储层-隔层交替布置，岩样浇筑好后，在恒温20℃环境下养护28天；

步骤(3)还包括：大型人工岩样中储层和隔层交替布置，储层和隔层厚度根据实际情况按比例设定；

(4)在试样表面布置电阻应变片，特别是临近储隔层界面垂直方向和水平方向加密布置，采集应力应变数据，并由监测器观察应变数据变化曲线；

步骤(4)还包括：根据电阻应变片数据分析岩样变形情况，进而获得裂缝宽度尺寸，若应变片受拉，应变数据为正；若应变片受压，则应变数据为负；并且储层隔层交界处应变片要加密布置；具体操作为：

对岩样表面进行处理，使其水平平行度和垂直平行度符合要求；

根据储隔层岩石力学性质进行初判，判断裂缝可能走向及扩展规律，并用信号笔做好标记；

确定应变片安装位置，主要分布于裂缝扩展标记上，于储隔层界面处加密布置，同时兼顾其他位置；

确定应变片方向，粘贴好应变片；

步骤(4)预采用以下方法确定应变片位置：

预判：根据应力条件，储隔层岩石力学性质及界面特征、压裂施工参数等，预判裂缝走向，应变片主要沿裂缝走向分布；

疏密有致：储隔层界面处容易出现水力裂缝穿透、转向及平面内扩展，因此，应变片在界面处加密布置，监测裂缝动态特征，兼顾岩样其他地方。

(5)在岩样外侧钢板布置声发射探头，采集声发射数据；

步骤(5)还包括：大型试样4个侧面均应布置声发射探头，每个侧面沿对角线布置两个，实现声发射信号探测全覆盖。

(6)实验开始前，对岩样预加载，测试实验设备运行良好无误；

步骤(6)还包括：将应变片与测试仪器连接，并用胶带及橡胶垫保护好导线，防止试验过程中拖拽磨损导线；预加载应力，测试试验设备。

(7)开展大型真三轴水力压裂大物模实验，探究储隔层水力裂缝扩展规律，并采集破裂压力数据、声发射数据及应力应变数据；

(8)对大型物理模拟实验中测试数据时时观察，确定实验过程中数据测试及采集设备良好运转，数据稳定无误；

(9)数据分析，由获得数据绘制大型真三轴物理模拟实验过程中破裂压力变化曲线、应变变化曲线、声发射计数变化曲线；

(10)曲线分析，观察破裂压力变化曲线、应变变化曲线及声发射变化曲线，相互映照，当一条曲线发生波动时，对应相同时间内其他曲线，三条曲线相互结合确定岩样破裂时间和破裂位置；

(11)通过重复步骤(7)-步骤(10)得到的不同时间下水力裂缝的位置，获得不同因素作用下储隔层裂缝扩展规律；

步骤(11)具体为：利用不同方位应变片确定裂缝扩展方向，利用不同位置应变片变形相对大小来确定不同时间不同位置处裂缝宽度大小；利用声发射信号数据和应变数据，确定水力裂缝扩展到储隔层界面位置后裂缝扩展规律。

步骤(11)还包括：判断不同工况下水力裂缝遇到储隔层后转向或者穿透。

(12)根据应变变化曲线，确定不同位置处裂缝宽度；根据声发射曲线，确定裂缝高度。

(13)借助CT扫描和示踪剂，分析T型裂缝最终裂缝形态(缝长、缝宽、缝高)及裂缝扩展规律，并与前面动态裂缝扩展规律做比照分析。

以下为应用本发明的几个具体实施例。

实施例1：

如图1所示，本发明的储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法，包括下列步骤：

(1)水泥砂浆调配。

石英砂应根据实际条件分析后选用，认为隔层选用细粉砂，储层选用20/40目细河砂，粘土根据矿物分析结果，配置蒙脱石、高岭土、伊利石组分，其含量分别为1％、3％、2％，，添加剂选用降滤失剂，增加岩心致密程度。调节水-石英砂-水泥-粘土-添加剂比例，制备不同性质岩心，测试其弹性模量(5-8GPa)、泊松比(0.25左右)及峰值强度(60-120MPa)等岩石力学参数，获得水泥砂浆成分比例与岩石力学参数之间关系。

(2)大尺寸试样制备。

制定大尺寸试样制备方案，具体包括储层隔层层数及厚度，各储层隔层岩石力学参数，储隔层界面间隙等，见图2。

水泥砂浆调配，制备材料选用PC52.5R复合硅酸盐水泥、20/40目石英砂，粘土选用蒙脱石，添加剂选用降滤失剂，其中各储层及隔层原材料成分比例由需要实现的岩石力学性质，按照步骤(1)设定。

大尺寸岩样制备，将水泥砂浆用搅拌器搅拌均匀后，浇筑于100mmX100mmX100mm的钢制模具中，采用隔层-储层-隔层-……分层浇筑的模式，可以调节储隔层界面倾角(10°)。储隔层界面性质可以通过改变浇筑时间间隔实现，储隔层界面间隙通过铺洒重晶石粉等实现。

在大尺寸岩样中心预埋钢管作为井筒，井筒上有小孔模拟射孔，为防止射孔被水泥砂浆堵塞，可用尿素提前井筒及井筒四周。纵向上井筒射孔位置要位于储层。

实验过程中，改变三向地应力值(50MPa-35MPa-25MPa)、储隔层岩石力学性质(弹性模量、抗拉强度)、压裂参数(泵注排量为15ml/min、25ml/min、35ml/min)，探究不同因素作用下储隔层T型裂缝扩展过程。

(2)储隔层T型裂缝扩展动态监测装置安装。

储隔层T型裂缝扩展动态监测主要通过对比破裂压力变化曲线、声发射变化曲线及应变变化曲线实现，其中，破裂压力曲线通过水力压裂装置的柱塞泵采集，声发射变化曲线及应变变化曲线需要安装相应装置采集实现。

声发射信号采集需要在大尺寸试样4个侧面均布置声发射探头，每个侧面沿对角线布置两个，实现声发射信号探测全覆盖。

利用不同方位应变片确定裂缝扩展方向，利用不同位置应变片变形相对大小来确定不同时间不同位置处裂缝宽度大小，其中应变片的布置遵循以下两种原则，见图4。

预判：根据应力条件，储隔层岩石力学性质及界面特征、压裂施工参数等，预判裂缝走向，应变片主要沿裂缝走向分布；

疏密有致：储隔层界面处容易出现水力裂缝穿透、转向及平面内扩展，因此，应变片在界面处加密布置，监测裂缝动态特征，兼顾岩样其他地方。

应变片贴片分为以下几个步骤：

对岩样表面进行处理，使其水平平行度和垂直平行度符合要求，应变测试结果更加准确；对与应变片贴片处，用砂纸打磨干净，无污渍、油渍、水渍，影响测试结果，并用丙酮溶液将岩样表面清洗干净。

应变片的定位遵循预判和疏密有致两种原则，在需要布置应变片的位置，用标记笔做好标记。

应变片在使用前，要先用万用表测试其电阻值，检测是否正常，只有检查无误才可使用。

贴片时应变片上胶水要涂抹均匀，应变片中心要与十字中心对齐，先使其一角与试样接触，缓缓往对角推进，保证应变片下方无气泡，影响测量准确性。

应变片粘贴好后，将应变片引出线与导线相连接，采用焊锡焊接，要确保焊接点稳定牢固可靠，不能出现虚焊；连接导线从放置大尺寸试样的高压腔室牵引而出要采用橡胶垫凹槽保护，防止发生拖拽挤压导线事情。

应变片连接好后，预加载应力，检查应变信号采集情况，符合要求后开展实验。

(3)储隔层T型裂缝扩展大型真三轴物理模拟实验。

大尺寸试样制作完成后，在20℃恒温环境下养护28天，可以开展实验。

根据实际情况和研究目的，结合制备的大尺寸岩样性质，制定实验方案，包括三向地应力、储隔层应力、压裂施工参数(压裂液粘度、排量、注入量)等，压裂液中添加示踪剂，便于观察裂缝扩展形态，见图3。

预加载三向地应力，检查声发射信号通路和应变信号通路，确保设备运行可靠，连接导线无问题。

按照实验方案施加三向地应力，加载完成后静置一段时间，保证三向应力稳定，随后通过水力压裂柱塞泵向井筒内打入压裂液，同时开始采集破裂压力、声发射信号、应变等信息。

实验完成后，停止注入压裂液，停止采集信号，然后缓慢卸掉三向地应力。待上述操作完成后，卸下岩样，对裂缝形态特别是储隔层界面处进行观察拍照分析。

大尺寸岩样外表裂缝形态观察拍照完毕后，拆开岩样，观察裂缝内表面示踪剂走向，特别是储隔层界面处，并对裂缝壁面取样，运用电镜扫描确定其破裂形态。

分析获得数据绘制大型真三轴物理模拟实验过程中破裂压力变化曲线、应变变化曲线、声发射计数变化曲线；

曲线分析，观察破裂压力变化曲线、应变变化曲线及声发射变化曲线，相互映照，当一条曲线发生波动时，对应相同时间内其他曲线，三条曲线相互结合确定岩样破裂时间和破裂位置；

若该电阻应变片受到拉应力且周边电阻应变片无同样变化，则该应变程度为其水力裂缝缝宽；若该电阻应变片受到压应力且周边电阻应变片与其变化相同，则二者应变相加则为其水力裂缝缝宽：若该电阻应变片受到拉应力且周边电阻应变片变化相反，则二者应变相减则为其水力裂缝缝宽。

通过重复上述步骤获得的岩样破裂时间及破裂位置；

利用不同方位应变片确定裂缝扩展方向，利用不同位置应变片变形相对大小来确定不同时间不同位置处裂缝宽度大小；利用声发射信号数据和应变数据，确定水力裂缝扩展到储隔层界面位置后裂缝扩展规律。

实施例2：

在应用本发明的具体实施例2中，包括下列步骤：

(1)水泥砂浆调配。

石英砂应根据实际条件选用，其中隔层选用粉砂，储层选用40/80目细河砂，粘土应根据矿物分析结果，配置蒙脱石、高岭土、伊利石组分，其含量分别为2％、2％、4％，添加剂选用降滤失剂，增加岩心致密程度。调节水-石英砂-水泥-粘土-添加剂比例，制备不同性质岩心，测试其弹性模量(6-12GPa)、泊松比(0.23左右)及峰值强度(80-140MPa)等岩石力学参数，获得水泥砂浆成分比例与岩石力学参数之间关系。

(2)大尺寸试样制备。

制定大尺寸试样制备方案，具体包括储层隔层层数及厚度，各储层隔层岩石力学参数，储隔层界面间隙等，见图2。

水泥砂浆调配，制备材料选用PC52.5R复合硅酸盐水泥、40/80目石英砂，粘土选用蒙脱石，添加剂选用降滤失剂，其中各储层及隔层原材料成分比例由需要实现的岩石力学性质，按照步骤(1)设定。

大尺寸岩样制备，将水泥砂浆用搅拌器搅拌均匀后，浇筑于300mmX300mmX300mm的钢制模具中，采用隔层-储层-隔层-……分层浇筑的模式，可以调节储隔层界面倾角(30°)。储隔层界面性质可以通过改变浇筑时间间隔实现，储隔层界面间隙通过铺洒涂层等实现。

在大尺寸岩样中心预埋钢管作为井筒，井筒上有小孔模拟射孔，为防止射孔被水泥砂浆堵塞，可用尿素提前井筒及井筒四周。纵向上井筒射孔位置要位于储层。

实验过程中，改变三向地应力(50MPa-35MPa-30MPa)、储隔层岩石力学性质、压裂参数(压裂液粘度分别为1mPa.s、5mPa.s、10mPa.s)，探究不同因素作用下储隔层T型裂缝扩展过程。

(2)储隔层T型裂缝扩展动态监测装置安装。

储隔层T型裂缝扩展动态监测主要通过对比破裂压力变化曲线、声发射变化曲线及应变变化曲线实现，其中，破裂压力曲线通过水力压裂装置的柱塞泵采集，声发射变化曲线及应变变化曲线需要安装相应装置采集实现。

声发射信号采集需要在大尺寸试样4个侧面均布置声发射探头，每个侧面沿对角线布置两个，实现声发射信号探测全覆盖。

利用不同方位应变片确定裂缝扩展方向，利用不同位置应变片变形相对大小来确定不同时间不同位置处裂缝宽度大小，其中应变片的布置遵循以下两种原则，见图4。

预判：根据应力条件，储隔层岩石力学性质及界面特征、压裂施工参数等，预判裂缝走向，应变片主要沿裂缝走向分布；

疏密有致：储隔层界面处容易出现水力裂缝穿透、转向及平面内扩展，因此，应变片在界面处加密布置，监测裂缝动态特征，兼顾岩样其他地方。

应变片贴片分为以下几个步骤：

对岩样表面进行处理，使其水平平行度和垂直平行度符合要求，应变测试结果更加准确；对与应变片贴片处，用砂纸打磨干净，无污渍、油渍、水渍，影响测试结果，并用丙酮溶液将岩样表面清洗干净。

应变片的定位遵循预判和疏密有致两种原则，在需要布置应变片的位置，用标记笔做好标记。

应变片在使用前，要先用万用表测试其电阻值，检测是否正常，只有检查无误才可使用。

贴片时应变片上胶水要涂抹均匀，应变片中心要与十字中心对齐，先使其一角与试样接触，缓缓往对角推进，保证应变片下方无气泡，影响测量准确性。

应变片粘贴好后，将应变片引出线与导线相连接，采用焊锡焊接，要确保焊接点稳定牢固可靠，不能出现虚焊；连接导线从放置大尺寸试样的高压腔室牵引而出要采用橡胶垫凹槽保护，防止发生拖拽挤压导线事情。

应变片连接好后，预加载应力，检查应变信号采集情况，符合要求后开展实验。

(3)储隔层T型裂缝扩展大型真三轴物理模拟实验。

大尺寸试样制作完成后，在20℃恒温环境下养护28天，可以开展实验。

根据实际情况和研究目的，结合制备的大尺寸岩样性质，制定实验方案，包括三向地应力、储隔层应力、压裂施工参数(压裂液粘度、排量、注入量)等，压裂液中添加示踪剂，便于观察裂缝扩展形态，见图3。

预加载三向地应力，检查声发射信号通路和应变信号通路，确保设备运行可靠，连接导线无问题。

按照实验方案施加三向地应力，加载完成后静置一段时间，保证三向应力稳定，随后通过水力压裂柱塞泵向井筒内打入压裂液，同时开始采集破裂压力、声发射信号、应变等信息。

实验完成后，停止注入压裂液，停止采集信号，然后缓慢卸掉三向地应力。待上述操作完成后，卸下岩样，对裂缝形态特别是储隔层界面处进行观察拍照分析。

大尺寸岩样外表裂缝形态观察拍照完毕后，拆开岩样，观察裂缝内表面示踪剂走向，特别是储隔层界面处，并对裂缝壁面取样，运用电镜扫描确定其破裂形态。

分析获得数据绘制大型真三轴物理模拟实验过程中破裂压力变化曲线、应变变化曲线、声发射计数变化曲线；

曲线分析，观察破裂压力变化曲线、应变变化曲线及声发射变化曲线，相互映照，当一条曲线发生波动时，对应相同时间内其他曲线，三条曲线相互结合确定岩样破裂时间和破裂位置；

若该电阻应变片受到拉应力且周边电阻应变片无同样变化，则该应变程度为其水力裂缝缝宽；若该电阻应变片受到压应力且周边电阻应变片与其变化相同，则二者应变相加则为其水力裂缝缝宽：若该电阻应变片受到拉应力且周边电阻应变片变化相反，则二者应变相减则为其水力裂缝缝宽。

通过重复上述步骤获得的岩样破裂时间及破裂位置；

利用不同方位应变片确定裂缝扩展方向，利用不同位置应变片变形相对大小来确定不同时间不同位置处裂缝宽度大小；利用声发射信号数据和应变数据，确定水力裂缝扩展到储隔层界面位置后裂缝扩展规律。

实施例3：

在应用本发明的具体实施例3中，包括下列步骤：

(1)水泥砂浆调配。

石英砂应根据实际条件选用，其中隔层选用粉砂，储层选用60/100目细河砂，粘土应根据矿物分析结果，配置蒙脱石、高岭土、伊利石组分，其含量分别为3％、2％、5％，添加剂选用降滤失剂，增加岩心致密程度。调节水-石英砂-水泥-粘土-添加剂比例，制备不同性质岩心，测试其弹性模量(10-18GPa)、泊松比(0.2左右)及峰值强度(100MPa-150MPa)等岩石力学参数，获得水泥砂浆成分比例与岩石力学参数之间关系。

(2)大尺寸试样制备。

制定大尺寸试样制备方案，具体包括储层隔层层数及厚度，各储层隔层岩石力学参数，储隔层界面间隙等，见图2。

水泥砂浆调配，制备材料选用PC52.5R复合硅酸盐水泥、60/100目石英砂，粘土选用蒙脱石，添加剂选用降滤失剂，其中各储层及隔层原材料成分比例由需要实现的岩石力学性质，按照步骤(1)设定。

大尺寸岩样制备，将水泥砂浆用搅拌器搅拌均匀后，浇筑于500mmX500mmX500mm的钢制模具中，采用隔层-储层-隔层-……分层浇筑的模式，可以调节储隔层界面倾角(20°)。储隔层界面性质可以通过改变浇筑时间间隔实现，储隔层界面间隙通过铺洒A4纸等实现。

在大尺寸岩样中心预埋钢管作为井筒，井筒上有小孔模拟射孔，为防止射孔被水泥砂浆堵塞，可用尿素提前井筒及井筒四周。纵向上井筒射孔位置要位于储层。

实验过程中，改变三向地应力(50MPa-35MPa-35MPa)、储隔层岩石力学性质、压裂参数(压裂液温度分布为10℃、30℃、50℃)，探究不同因素作用下储隔层T型裂缝扩展过程。

(2)储隔层T型裂缝扩展动态监测装置安装。

储隔层T型裂缝扩展动态监测主要通过对比破裂压力变化曲线、声发射变化曲线及应变变化曲线实现，其中，破裂压力曲线通过水力压裂装置的柱塞泵采集，声发射变化曲线及应变变化曲线需要安装相应装置采集实现。

声发射信号采集需要在大尺寸试样4个侧面均布置声发射探头，每个侧面沿对角线布置两个，实现声发射信号探测全覆盖。

利用不同方位应变片确定裂缝扩展方向，利用不同位置应变片变形相对大小来确定不同时间不同位置处裂缝宽度大小，其中应变片的布置遵循以下两种原则，见图4。

预判：根据应力条件，储隔层岩石力学性质及界面特征、压裂施工参数等，预判裂缝走向，应变片主要沿裂缝走向分布；

疏密有致：储隔层界面处容易出现水力裂缝穿透、转向及平面内扩展，因此，应变片在界面处加密布置，监测裂缝动态特征，兼顾岩样其他地方。

应变片贴片分为以下几个步骤：

对岩样表面进行处理，使其水平平行度和垂直平行度符合要求，应变测试结果更加准确；对与应变片贴片处，用砂纸打磨干净，无污渍、油渍、水渍，影响测试结果，并用丙酮溶液将岩样表面清洗干净。

应变片的定位遵循预判和疏密有致两种原则，在需要布置应变片的位置，用标记笔做好标记。

应变片在使用前，要先用万用表测试其电阻值，检测是否正常，只有检查无误才可使用。

贴片时应变片上胶水要涂抹均匀，应变片中心要与十字中心对齐，先使其一角与试样接触，缓缓往对角推进，保证应变片下方无气泡，影响测量准确性。

应变片粘贴好后，将应变片引出线与导线相连接，采用焊锡焊接，要确保焊接点稳定牢固可靠，不能出现虚焊；连接导线从放置大尺寸试样的高压腔室牵引而出要采用橡胶垫凹槽保护，防止发生拖拽挤压导线事情。

应变片连接好后，预加载应力，检查应变信号采集情况，符合要求后开展实验。

(3)储隔层T型裂缝扩展大型真三轴物理模拟实验。

大尺寸试样制作完成后，在20℃恒温环境下养护28天，可以开展实验。

根据实际情况和研究目的，结合制备的大尺寸岩样性质，制定实验方案，包括三向地应力、储隔层应力、压裂施工参数(压裂液粘度、排量、注入量)等，压裂液中添加示踪剂，便于观察裂缝扩展形态，见图3。

预加载三向地应力，检查声发射信号通路和应变信号通路，确保设备运行可靠，连接导线无问题。

按照实验方案施加三向地应力，加载完成后静置一段时间，保证三向应力稳定，随后通过水力压裂柱塞泵向井筒内打入压裂液，同时开始采集破裂压力、声发射信号、应变等信息。

实验完成后，停止注入压裂液，停止采集信号，然后缓慢卸掉三向地应力。待上述操作完成后，卸下岩样，对裂缝形态特别是储隔层界面处进行观察拍照分析。

大尺寸岩样外表裂缝形态观察拍照完毕后，拆开岩样，观察裂缝内表面示踪剂走向，特别是储隔层界面处，并对裂缝壁面取样，运用电镜扫描确定其破裂形态。

分析获得数据绘制大型真三轴物理模拟实验过程中破裂压力变化曲线、应变变化曲线、声发射计数变化曲线；

曲线分析，观察破裂压力变化曲线、应变变化曲线及声发射变化曲线，相互映照，当一条曲线发生波动时，对应相同时间内其他曲线，三条曲线相互结合确定岩样破裂时间和破裂位置；

若该电阻应变片受到拉应力且周边电阻应变片无同样变化，则该应变程度为其水力裂缝缝宽；若该电阻应变片受到压应力且周边电阻应变片与其变化相同，则二者应变相加则为其水力裂缝缝宽：若该电阻应变片受到拉应力且周边电阻应变片变化相反，则二者应变相减则为其水力裂缝缝宽。

通过重复上述步骤获得的岩样破裂时间及破裂位置；

利用不同方位应变片确定裂缝扩展方向，利用不同位置应变片变形相对大小来确定不同时间不同位置处裂缝宽度大小；利用声发射信号数据和应变数据，确定水力裂缝扩展到储隔层界面位置后裂缝扩展规律。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域技术人员来说，其依然可以对前述实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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。

除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。

Claims (21)

1.储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法，其特征在于，该储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法包括：

步骤1，调配水泥砂浆成分及比例，测试其岩石力学参数；

步骤2，制定岩样配制方案，制备储隔层岩石力学性质及储隔层界面性质不同的大尺寸岩样；

步骤3，进行应变片布置及装置测试；

步骤4，进行声发射装置布置及测试；

步骤5，制定实验方案，开展储隔层T型裂缝扩展大型物理模拟实验；

步骤6，借助破裂压力曲线、应变曲线及声发射数据，实时分析T型裂缝动态扩展过程；

步骤7，实验后借助CT扫描和示踪剂，分析T型裂缝形态及扩展规律。

2.根据权利要求1所述的储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法，其特征在于，在步骤1中，调节水-石英砂-水泥-粘土-添加剂比例，制备不同性质岩心，测试其弹性模量、泊松比及峰值强度这些岩石力学参数。

3.根据权利要求2所述的储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法，其特征在于，在步骤1中，石英砂应根据实际条件选用粉砂、20/40目、40/80目、60/100目细河砂，粘土应根据矿物分析结果，配置蒙脱石、高岭土、伊利石组分及含量，添加剂选用降滤失剂，增加岩心致密程度。

4.根据权利要求1所述的储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法，其特征在于，在步骤2中，制定制备方案，制作储层和隔层不同岩石力学性质的大型岩样，通过不同厚度纸张调节储层岩石和隔层岩石界面间隙大小。

5.根据权利要求1所述的储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法，其特征在于，该储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法还包括，在步骤2之后，将不同性质的水泥砂岩搅拌均匀后，分层置于钢制磨具中，实现隔层-储层-隔层交替布置，岩样浇筑好后，在恒温20℃环境下养护28天。

6.根据权利要求5所述的储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法，其特征在于，在该养护的步骤中，大型人工岩样中储层和隔层交替布置，储层和隔层厚度根据实际情况按比例设定。

7.根据权利要求1所述的储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法，其特征在于，在步骤3中，在试样表面布置电阻应变片，特别是临近储隔层界面垂直方向和水平方向加密布置，采集应力应变数据，并由监测器观察应变数据变化曲线。

8.根据权利要求7所述的储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法，其特征在于，在步骤3中，根据电阻应变片数据分析岩样变形情况，进而获得裂缝宽度尺寸，若应变片受拉，应变数据为正；若应变片受压，则应变数据为负；并且储层隔层交界处应变片要加密布置；具体操作为：

对岩样表面进行处理，使其水平平行度和垂直平行度符合要求；

根据储隔层岩石力学性质进行初判，判断裂缝可能走向及扩展规律，并用信号笔做好标记；

确定应变片安装位置，主要分布于裂缝扩展标记上，于储隔层界面处加密布置，同时兼顾其他位置；

确定应变片方向，粘贴好应变片。

9.根据权利要求8所述的储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法，其特征在于，在步骤3中，预采用以下方法确定应变片位置：

预判：根据应力条件，储隔层岩石力学性质及界面特征、压裂施工参数等，预判裂缝走向，应变片主要沿裂缝走向分布；

疏密有致：储隔层界面处容易出现水力裂缝穿透、转向及平面内扩展，因此，应变片在界面处加密布置，监测裂缝动态特征，兼顾岩样其他地方。

10.根据权利要求1所述的储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法，其特征在于，在步骤4中，在岩样外侧钢板布置声发射探头，采集声发射数据。

11.根据权利要求10所述的储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法，其特征在于，在步骤4中，大型试样4个侧面均应布置声发射探头，每个侧面沿对角线布置两个，实现声发射信号探测全覆盖。

12.根据权利要求1所述的储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法，其特征在于，该储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法还包括，在步骤4之后，实验开始前，对岩样预加载，测试实验设备运行良好无误。

13.根据权利要求12所述的储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法，其特征在于，在该测试实验设备的步骤中，将应变片与测试仪器连接，并用胶带及橡胶垫保护好导线，防止试验过程中拖拽磨损导线；预加载应力，测试试验设备。

14.根据权利要求1所述的储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法，其特征在于，在步骤5中，开展大型真三轴水力压裂大物模实验，探究储隔层水力裂缝扩展规律，并采集破裂压力数据、声发射数据及应力应变数据。

15.根据权利要求14所述的储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法，其特征在于，步骤5还包括，对大型物理模拟实验中测试数据时时观察，确定实验过程中数据测试及采集设备良好运转，数据稳定无误。

16.根据权利要求1所述的储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法，其特征在于，在步骤6中，进行数据分析，由获得数据绘制大型真三轴物理模拟实验过程中破裂压力变化曲线、应变变化曲线、声发射计数变化曲线。

17.根据权利要求16所述的储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法，其特征在于，步骤6还包括，进行曲线分析，观察破裂压力变化曲线、应变变化曲线及声发射变化曲线，相互映照，当一条曲线发生波动时，对应相同时间内其他曲线，三条曲线相互结合确定岩样破裂时间和破裂位置。

18.根据权利要求17所述的储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法，其特征在于，该储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法还包括，重复步骤5和6，得到的不同时间下水力裂缝的位置，获得不同因素作用下储隔层裂缝扩展规律。

19.根据权利要求18所述的储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法，其特征在于，在重复步骤5和6时，利用不同方位应变片确定裂缝扩展方向，利用不同位置应变片变形相对大小来确定不同时间不同位置处裂缝宽度大小；利用声发射信号数据和应变数据，确定水力裂缝扩展到储隔层界面位置后裂缝扩展规律。

20.根据权利要求19所述的储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法，其特征在于，步骤6还包括，判断不同工况下水力裂缝遇到储隔层后转向或者穿透。

21.根据权利要求1所述的储隔层T型裂缝扩展模拟及动态监测方法，其特征在于，在步骤7中，借助CT扫描和示踪剂，分析T型裂缝最终裂缝形态，包括缝长、缝宽、缝高，及裂缝扩展规律，并与前面动态裂缝扩展规律做比照分析。

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