[发明专利]可视化压裂模拟实验系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种压裂模拟实验装置及方法，特别涉及一种可视化压裂模拟实验系统及方法。

背景技术

    目前，各大油田与研究单位对压裂机理的研究从未停止，特别是近几年来，随着对页岩气、煤层气、致密砂岩气等非常规能源的高效开采，更要求从根本上搞清裂缝起裂与扩展机理，为获得高导流能力裂缝提供基本理论支持。现有的压裂模拟实验方法均依托非可视的实验装置，对天然岩心或人造岩心等不透明岩样进行压裂模拟，在压裂结束后观察裂缝形态。传统方法只能获得最终的裂缝形态，不能直接实时获得实验试样内部裂缝起裂及扩展动态，使得研究人员不能清楚认识裂缝的真实起裂规律及扩展状况，严重制约了研究人员对水力裂缝（尤其是复杂裂缝）起裂机理及扩展规律的研究。中国专利文献号为101968348A提供了一种《对压裂裂缝进行可视化监测的方法》，采用室温固化型流体材料作为压裂液，将流体材料注入岩心试样的模拟井筒中，在岩心试样被压裂产生裂缝的同时，该流体材料填充到所述裂缝中并充满所述裂缝，待流体材料固化形成模拟裂缝后，将模拟裂缝取出并观测该模拟裂缝的形态。本发明的对压裂裂缝进行可视化监测的方法，通过选用硅油和液体硅胶作为压裂液，在实验室内对已制备的混凝土岩心试样进行压裂实验，在压裂液填充压裂裂缝并固化之后，取出由硅胶模拟的裂缝，通过观察该模拟裂缝的形态以重现裂缝当时的扩展形态，达到可视化的目的。其存在的问题是：只能获得最终的裂缝几何形态，无法获得裂缝起裂及扩展的实时动态，且无法正确显示微小裂缝的形态，本质上没有克服传统压裂模拟实验方法只能观察裂缝最终形态的弊端。

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，提供一种可视化压裂模拟实验系统及方法，克服传统压裂模拟实验方法不能实时观测裂缝起裂及扩展动态且只能研究最终裂缝形态的弊端，在实验过程中实时获取水力裂缝在透明实验试样中的起裂及扩展动态，从而为研究者研究裂缝起裂机理及扩展规律提供实验基础，深化研究者对裂缝起裂机理及扩展规律的认识。

其技术方案是包括可视化压裂模拟实验装置、压力控制模块和数据采集模块，所述可视化压裂模拟实验装置为四方体形容器，主要由一块带凹槽及螺栓孔眼的上顶盖、一块带凹槽及螺栓孔眼的下底板、两块侧挡板、两块高强度透明材料壁面、四个螺栓、三个胶囊及一个试样室组成；所述上顶盖和下底板加工有螺纹孔眼及凹槽，用于在装配时固定螺栓、高强度透明材料壁面及侧挡板；所述螺栓固定于下底板四角的螺纹孔眼中；所述高强度透明材料壁面及侧挡板固定于下底板凹槽中；所述胶囊和支撑铁块置于侧挡板内侧，胶囊接口与侧挡板孔眼对应；所述试样室由高强度透明材料壁面、胶囊及上顶盖围成，顶部设有模拟井眼；

压力控制模块包括一台伺服控制注入泵、三台围压泵、三个压力调节阀、三个压力表、三个放空阀；其中，伺服控制注入泵与模拟井眼相连，用于往实验试样中泵入模拟压裂液致裂实验试样；三台围压泵分别与三个胶囊接口相连，用于对试样施加最大水平应力、最小水平应力和垂向应力，以模拟真实地层应力状态；压力控制阀用于调整围压大小；压力表用于指示围压大小；放空阀用于卸载围压；

数据采集模块包括一台压力数据记录仪、两台高清高频摄像机；其中，所述压力数据记录仪与伺服控制注入泵相连，用于实时记录孔眼压力大小及变化规律；两台高清高频摄像机分别正对于两块高强度透明材料壁面，用于实时记录水力裂缝在透明实验试样内部的起裂及扩展情况。

一种可视化压裂模拟实验方法，包括以下实验步骤：

①实验准备：根据实验要求，利用化学方法制备不同强度的透明试样；

②实验试样放置：将实验试样置于试样室中，盖好上顶盖，并用螺栓固定好可视化压裂模拟实验装置，所述可视化压裂模拟实验装置为四方体形容器，主要由一块带凹槽及螺栓孔眼的上顶盖、一块带凹槽及螺栓孔眼的下底板、两块侧挡板、两块高强度透明材料壁面、四个螺栓、三个胶囊及一个试样室组成；

③连接可视化压裂模拟实验系统：利用高压管线分别连接三个胶囊与相应的围压泵，同时在管线上安装压力表、压力调节阀及放空阀；利用高压管线连接模拟井眼与伺服控制注入泵，同时连接伺服控制注入泵与压力数据记录仪；将两台高清高频摄像机分别正对于两块高强度透明材料壁面；

④准备数据采集系统：启动压力数据记录仪和高清高频摄像机；

⑤施加围压：关闭放空阀，启动围压泵，调节压力调节阀，分别将最大水平应力、最小水平应力和垂向应力，调节至实验所需值；