CN116591653A - 真三轴水力压裂下天然裂缝动态监测方法及相关设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种真三轴水力压裂下天然裂缝动态监测方法及相关设备。方法包括：基于水压试验，利用光纤传感器获取天然裂缝的试样在真三轴水力压裂下的动态参数，其中，试样包括井筒；基于动态参数，确定试样的裂缝滑移和井筒的形变量。可以研究天然裂缝类型、压裂液排量、裂缝相交角度等参数下对井筒的形变量的影响，以实现定量评价，为压裂层位优选以及压裂施工现场参数优化设计提供技术支持，同时对推动水平井筒损坏防治理论与技术及现场施工设计优化都具有一定的工程意义。
Description
技术领域
本发明涉及裂缝监测技术领域，更具体地，涉及一种真三轴水力压裂下天然裂缝动态监测方法、一种真三轴水力压裂下天然裂缝动态监测装置、一种电子设备以及一种存储介质。
背景技术
目前，在对储层进行压裂改造时，储层岩体受到剪切应力破坏，在高压流体作用下形成数条主裂缝，并在不同的诱导因素下沟通天然裂缝，从而使得天然裂缝向远端不断扩张和延伸，同时产生一定量的剪切滑移。而裂缝滑移使得裂缝面不再匹配，导流能力会发生不可逆的增大，对提高储层渗透率具有极其重要的意义；同时，裂缝滑移会对存在于裂缝周围的套管-水泥环处于受力不均匀状态，当裂缝滑移位移量较大时，即产生套管变形，严重时会极大降低单井产气量和服务期限。
然而，在现有的技术方案中，由于天然裂缝被激活滑移而导致套损难以监测与定量表征，因此针对裂缝滑移量对裂缝导流能力的变化和套管的影响开展了大量数值模拟和理论研究。正是由于滑移量以及套损情况难以实时监测这一问题，影响了实际开采效率以及套损防治措施顺利进行，同时还极大地减少了收益或增加了施工费用。
由此，亟需一种新的技术方案以解决上述技术问题。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
第一方面，本发明提出一种真三轴水力压裂下天然裂缝动态监测方法，包括：
基于水压试验，利用光纤传感器获取天然裂缝的试样在真三轴水力压裂下的动态参数，其中，试样包括井筒；
基于动态参数，确定试样的裂缝滑移和井筒的形变量。
可选地，试样包括至少两个相交的预制天然裂缝。
可选地，井筒布置于试样内部，井筒的底端封闭，井筒的近底端位置处具有与至少两个相交的预制天然裂缝中的一个垂直的射孔，井筒的上端套管具有预制螺纹，其中，井筒的近底端与底端之间的距离为预设距离。
可选地，井筒的上端套管与水力压裂泵注压裂液高压软管相连接。
可选地，基于水压试验，获取天然裂缝的试样在真三轴水力压裂下的动态参数，包括：
利用真三轴模型试验机向试样施加三向应力条件，其中，三向应力在试验过程中保持恒定；
利用伺服泵压控制系统向试样泵注压裂液，压裂液的泵压达到破裂压力时，停止泵注压裂液，其中，压裂液的泵注排量在试验过程中保持恒定。
可选地，试样由PC52.5R复合硅酸盐水泥、40-80目石英砂和水制备，其中，水泥、石英砂和水的质量配比为1:1:0.5。
可选地，方法还包括：
对压裂后的试样进行剖切，以获取试验后的井筒；
获取试验后的井筒的实际参数；
获取实际参数与动态参数之间的比对结果，以确定定量评价数据。
第二方面，还提出了一种真三轴水力压裂下天然裂缝动态监测装置，包括：
获取模块，用于基于水压试验，利用光纤传感器获取天然裂缝的试样在真三轴水力压裂下的动态参数，其中，试样包括井筒；
确定模块，用于基于动态参数，确定试样的裂缝滑移和井筒的形变量。
第三方面，还提出了一种电子设备，包括处理器和存储器，其中，存储器中存储有计算机程序指令，计算机程序指令被处理器运行时用于执行如上所述的真三轴水力压裂下天然裂缝动态监测方法。
第四方面，还提出了一种存储介质，在存储介质上存储了程序指令，程序指令在运行时用于执行如上所述的真三轴水力压裂下天然裂缝动态监测方法。
根据上述技术方案，通过改变水压试验中的参数，利用光纤传感器获取动态参数，从而基于动态参数间接计算得到试验过程中的裂缝滑移与井筒形变量等特征，为非常规油气储层改造参数优化设计提供理论指导。进一步地，基于上述方法，可以研究天然裂缝类型、压裂液排量、裂缝相交角度等参数下对井筒的形变量的影响，以实现定量评价，为压裂层位优选以及压裂施工现场参数优化设计提供技术支持，同时对推动水平井筒损坏防治理论与技术及现场施工设计优化都具有一定的工程意义。
本发明的真三轴水力压裂下天然裂缝动态监测方法，本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本说明书的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了根据本发明一个实施例的一种真三轴水力压裂下天然裂缝动态监测方法的示意性流程图；
图2示出了根据本发明一个实施例的天然裂缝的试样的示意图；
图3示出了图2实施例中试样示意图的剖面图；
图4示出了根据本发明另一个实施例的天然裂缝的试样的示意图；
图5示出了根据本发明一个实施例的真三轴水力压裂下天然裂缝动态监测装置的示意性框图；以及
图6示出了根据本发明一个实施例的电子设备的示意性框图。
具体实施方式
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
根据本发明的第一方面，提出了一种真三轴水力压裂下天然裂缝动态监测方法。图1示出了根据本发明一个实施例的一种真三轴水力压裂下天然裂缝动态监测方法100的示意性流程图，如图1所示，方法100可以包括以下步骤。
步骤S110，基于水压试验，利用光纤传感器获取天然裂缝的试样在真三轴水力压裂下的动态参数，其中，试样包括井筒。
示例性地，试样可以为任意能够有效还原真实施工场景的岩体。可以理解，在对岩体进行压裂的过程中天然裂缝会发生变化。因此，可以在试样中设置有光纤传感器，通过光纤传感器监测天然裂缝在真三轴水力压裂下的参数变化。具体地，光纤传感器可以预制在天然裂缝的表面，实时采集压裂过程中的光信号数据变化，并将其传输到电脑存储器中作为分析依据。
步骤S120，基于动态参数，确定试样的裂缝滑移和井筒的形变量。
在通过上述步骤S110获得动态参数之后，可以通过对该动态参数进行调制、解码、转换等步骤，得出光纤传感器在试验中任一时刻的应变量，从而能间接得出天然裂缝的滑移量与井筒的形变量。
可选地，对于上述水压试验，可以通过控制改变不同的参数例如裂缝相交的角度、三向应力、压裂液排量等，可以在试验过程中完成对天然裂缝的滑移量与井筒形变量的动态监测。
可以理解，光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制器的光相互作用后，导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化，获得被调制的信号光，再经过解调器后获得待测参数对光的传输特性施加的影响，即获得待测参数。由于压裂过程中裂缝与井筒会发生变化，从而导致光信号发生变化，以此去间接得到裂缝的滑移特征与井筒的形变量。
根据上述技术方案，通过改变水压试验中的参数，利用光纤传感器获取动态参数，从而基于动态参数间接计算得到试验过程中的裂缝滑移与井筒形变量等特征，为非常规油气储层改造参数优化设计提供理论指导。进一步地，基于上述方法，可以研究天然裂缝类型、压裂液排量、裂缝相交角度等参数下对井筒的形变量的影响，以实现定量评价，为压裂层位优选以及压裂施工现场参数优化设计提供技术支持，同时对推动水平井筒损坏防治理论与技术及现场施工设计优化都具有一定的工程意义。
可选地，试样可以由PC52.5R复合硅酸盐水泥、40-80目石英砂和水制备，其中，水泥、石英砂和水的质量配比为1:1:0.5。
示例性地，上述试样为人工制备试样，其可以由PC52.5R复合硅酸盐水泥、40-80目石英砂和水制备而成，试样整体尺寸适用于大型真三轴物理模型试验机，可以为300mm×300mm×300mm的立方体或500mm×500mm×500mm的立方体。为了便于描述和理解，下面以试样尺寸为300mm×300mm×300mm为例进行具体说明。本领域普通技术人员可以理解其他尺寸的试样的操作步骤。优选地，水泥、石英砂、水的质量配比可以为1:1:0.5。
由此，基于上述材料以及配比所制备出的试样可以在最大程度上还原和模拟非常规油气资源储层岩体，为试验结果的准确性提供了可靠的基础。
可选地，井筒可以布置于试样内部，井筒的底端封闭，井筒的近底端位置处具有与至少两个相交的预制天然裂缝中的一个垂直的射孔，井筒的上端套管具有预制螺纹，其中，井筒的近底端与底端之间的距离为预设距离。
图2示出了根据本发明一个实施例的天然裂缝的试样的示意图。具体地，可以在300mm×300mm×300mm的立方体模具中浇筑第一层300mm×300mm×
150mm的混凝土，在与地面平行方向，于试样的中间位置放置例如长度为170mm、外径20mm、内径15mm的高强度钢管(井筒)。其中，井筒的上端套管具有预制螺纹，底端封闭。图3示出了图2实施例中试样示意图的剖面图，参见图3,在井筒的近底端位置切割一个例如宽度为1.5mm的射孔作为水力通道，射孔方向垂直向上。在沿井筒轴向方向上铺置有光纤传感器，将光纤传感器连接上光导纤维，做好保护措施并引出模具，需注意的是，光导纤维不能大幅度弯曲或对折。
由此，可以最大程度上还原真实储层岩体压裂场景，保证试验结果的准确性。
可选地，试样可以包括至少两个相交的预制天然裂缝。
如图2所示，试样包括两个天然裂缝，通过铺置纸片的方式进行预制，即图2所示的纸片即为天然裂缝。具体地，在垂直于井筒射孔方向摆放尺寸为50mm×50mm的纸片作为裂缝①，并继续浇筑混凝土成一个斜面。图4示出了根据本发明另一个实施例的天然裂缝的试样的示意图。在图4所示实施例中，浇筑成的斜面与井筒的角度成30°其中，纸片延长线与斜面交点的距离为20mm-25mm。待斜面初步凝固后，在预制天然裂缝区域将表面用砂纸打磨平整并清理干净后，固定好光纤传感器并连接上光导纤维，再平行铺置100mm×50mm的纸片作为裂缝②，如上所述，做好相应保护措施并将光导纤维引出模具。可以理解，在混凝土凝固后，铺置纸片的地方会形成裂缝面，以此来模拟裂缝。在上述技术方案中以纸片为例进行描述，并不意味着对铺置材料的限制，实际上，铺置材料可以是纸片、还可以是可溶性塑料薄膜等，在此不对铺置材料进行具体限制。
将上述未完成试样继续浇筑至300mm×300mm×300mm，待试样完全凝固后脱模，养护一定天数例如28天后，可以得到最终用于真三轴条件下真实压裂裂缝滑移致套损变形的人工试样。采用行车把试样装好后，将光源、光导纤维、光纤传感器、调制器、光电器件等完成连接，确保无光泄露，最终完成监测系统的布置。可以理解，上述两条天然裂缝的相交角度可在制样过程中自行调整。将其中与井筒射孔垂直的裂缝作为压裂液注入裂缝，将另一条作为天然裂缝延伸影响裂缝。可以对裂缝①和裂缝②的倾角结合井筒进行适应性调整，使得两条天然裂缝有不同的相交角度。
由此，可以最大程度上还原真实岩体，保证试验结果的准确性。
可选地，井筒的上端套管与水力压裂泵注压裂液高压软管相连接。
具体地，可以通过上端套管设置的螺纹与高压软管进行紧密相连，以保证泵注压裂液时的密封性。
可选地，步骤S110基于水压试验，获取天然裂缝的试样在真三轴水力压裂下的动态参数可以包括以下步骤。
步骤S111，利用真三轴模型试验机向试样施加三向应力条件，其中，三向应力在试验过程中保持恒定。
示例性地，三向应力条件可以为真实岩体压裂时岩体所处地层时承受的三向应力条件，其可以通过大量实验数据模拟得出。可以理解，为了控制试验过程中的变量，在确定施加的三向应力后，在整个试验过程中保持该三向应力不变。
步骤S112，利用伺服泵压控制系统向试样泵注压裂液，以在压裂液的泵压达到破裂压力时，停止泵注压裂液，其中，裂液的泵注排量在试验过程中保持恒定。
在模拟了试样处于真实地层受到三向应力影响的情况下，启动伺服泵压控制系统，按照设定好的恒定的排量参数向试样中泵入压裂液，随着压裂液的增加，泵压快速增加，到泵压曲线出现明显的由上升到快速跌落点时，停止泵注压裂液，此时表示泵压已经达到破裂压力，简言之，在泵压急速下降并趋于稳定时，可以表明泵压已经达到破裂压力，同时试验人员肉眼可见压裂液已从试样中流出。
由此，最大程度上模拟还原真实岩体地层环境，在此基础上进行压裂液注入试验可以更真实地展现岩体压裂情景，使得试验结果的准确性更高。
可选地，方法还可以包括以下步骤。
步骤S130，对压裂后的试样进行剖切，以获取试验后的井筒。
示例性地，在间接得出天然裂缝的滑移量与井筒形变量之后，可以拆卸三周试验机加载板，将试样取出，对压裂后的试样进行剖切，之后取出井筒。
步骤S140，获取试验后的井筒的实际参数。
可选地，可以利用任何合理的测量方法对取出的试验后的井筒进行现场实际参数测量，以获取井筒的真实形变数据。
步骤S150，获取实际参数与动态参数之间的比对结果，以确定定量评价数据。
将上述步骤S140中的井筒的真实形变数据以及通过动态参数间接推算出的井筒的模拟形变数据进行比对，获取二者之间的比对结果，最终对比对结果进行分析评价可以获得定量评价数据。定量评价数据可以为井筒的合理布置、压裂层位的优选以及压裂施工现场参数优化设计提供技术支持。
根据本发明的第二方面，还提出了一种真三轴水力压裂下天然裂缝动态监测装置。图5示出了根据本发明一个实施例的真三轴水力压裂下天然裂缝动态监测装置500的示意性框图。如图5所示，装置500可以包括：获取模块510和确定模块520。
获取模块510，用于基于水压试验，利用光纤传感器获取天然裂缝的试样在真三轴水力压裂下的动态参数，其中，试样包括井筒；
确定模块520，用于基于动态参数，确定试样的裂缝滑移和井筒的形变量。
根据本发明的第三方面，还提供了一种电子设备。图6示出了根据本发明一个实施例的电子设备600的示意性框图。如图6所示，电子设备600包括处理器610和存储器620，其中，存储器620中存储有计算机程序指令，计算机程序指令被处理器610运行时用于执行如上所述的真三轴水力压裂下天然裂缝动态监测方法。
根据本发明的第四方面，还提供了一种存储介质，在存储介质上存储了程序指令，程序指令在运行时用于执行如上所述的真三轴水力压裂下天然裂缝动态监测方法。存储介质例如可以包括平板电脑的存储部件、计算机的硬盘、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、便携式紧致盘只读存储器(CD-ROM)、USB存储器、或者上述存储介质的任意组合。所述计算机可读存储介质可以是一个或多个计算机可读存储介质的任意组合。
本领域普通技术人员通过阅读上述有关真三轴水力压裂下天然裂缝动态监测方法的相关描述可以理解真三轴水力压裂下天然裂缝动态监测装置、电子设备以及存储介质的具体细节以及有益效果，为了简洁在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和/或设备，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种真三轴水力压裂下天然裂缝动态监测方法，其特征在于，包括：
基于水压试验，利用光纤传感器获取所述天然裂缝的试样在所述真三轴水力压裂下的动态参数，其中，所述试样包括井筒；
基于所述动态参数，确定所述试样的裂缝滑移和所述井筒的形变量。
2.如权利要求1所述的真三轴水力压裂下天然裂缝动态监测方法，其特征在于，所述试样包括至少两个相交的预制天然裂缝。
3.如权利要求2所述的真三轴水力压裂下天然裂缝动态监测方法，其特征在于，所述井筒布置于所述试样内部，所述井筒的底端封闭，所述井筒的近底端位置处具有与所述至少两个相交的预制天然裂缝中的一个垂直的射孔，所述井筒的上端套管具有预制螺纹，其中，所述井筒的近底端与所述底端之间的距离为预设距离。
4.如权利要求3所述的真三轴水力压裂下天然裂缝动态监测方法，其特征在于，所述井筒的上端套管与水力压裂泵注压裂液高压软管相连接。
5.如权利要求1至4任一项所述的真三轴水力压裂下天然裂缝动态监测方法，其特征在于，所述基于水压试验，获取所述天然裂缝的试样在所述真三轴水力压裂下的动态参数，包括：
利用真三轴模型试验机向所述试样施加三向应力条件，其中，所述三向应力在试验过程中保持恒定；
利用伺服泵压控制系统向所述试样泵注压裂液，以在所述压裂液的泵压达到破裂压力时，停止泵注压裂液，其中，所述压裂液的泵注排量在所述试验过程中保持恒定。
6.如权利要求1至4任一项所述的真三轴水力压裂下天然裂缝动态监测方法，其特征在于，所述试样由PC52.5R复合硅酸盐水泥、40-80目石英砂和水制备，其中，所述水泥、所述石英砂和所述水的质量配比为1:1:0.5。
7.如权利要求1至4任一项所述的真三轴水力压裂下天然裂缝动态监测方法，其特征在于，所述方法还包括：
对压裂后的试样进行剖切，以获取试验后的井筒；
获取所述试验后的井筒的实际参数；
获取所述实际参数与所述动态参数之间的比对结果，以确定定量评价数据。
8.一种真三轴水力压裂下天然裂缝动态监测装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于基于水压试验，利用光纤传感器获取所述天然裂缝的试样在所述真三轴水力压裂下的动态参数，其中，所述试样包括井筒；
确定模块，用于基于所述动态参数，确定所述试样的裂缝滑移和所述井筒的形变量。
9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，其中，所述存储器中存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被所述处理器运行时用于执行如权利要求1至7任一项所述的真三轴水力压裂下天然裂缝动态监测方法。
10.一种存储介质，在所述存储介质上存储了程序指令，所述程序指令在运行时用于执行如权利要求1至7任一项所述的真三轴水力压裂下天然裂缝动态监测方法。
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