[发明专利]模拟水力压裂裂缝和天然裂缝扩展影响的实验装置及方法

说明书

本发明涉及一种模拟水力压裂裂缝和天然裂缝扩展影响的实验装置及方法。采用钢管模拟压裂管柱，浇铸成平面岩石试样并进行养护，然后制备带有随机斑点的岩石试样；然后将试样放置于可调节水力压裂腔内，对式样两侧施加不等的地应力，然后再通过压裂管柱注入压裂液，同时应用高速摄像机拍摄水力压裂过程中的裂缝扩展情况，利用应变仪收集水力压裂过程中的岩体变形情况，并检测泵注压力和应变变化。本发明可以直观的对水力裂缝和天然裂缝之间的相互作用力学关系进行分析，并可精确研究流量在相遇天然裂缝后的分配问题，同时对水力压裂的起裂规律、因水力裂缝扩展导致的岩体变形、不同强度天然裂缝张开、重启或者错断等复杂力学行为进行直观观测。

技术领域

本发明涉及一种水力压裂增产开发领域，特别涉及一种模拟水力压裂裂缝和天然裂缝扩展影响的实验装置及方法。

背景技术

水力压裂是通过地面高压泵组，大排量向井筒内泵注具有一定黏度的压裂流体，当流体压力超过岩石本身抗拉强度时，在储层内就可以形成具有一定导流能力的水力裂缝，水力裂缝形成后将极大的改善油气渗流能力，提高油气产量。目前水力压裂技术已经成为开发低渗透和非常规油气田的核心技术手段，特别是在页岩气、致密油气等储层商业化开发当中取得了巨大成功。为此，掌握水力裂缝在地质体中的扩展延伸规律对水力压裂设计具有重要意义。在水力压裂过程中，天然裂缝发育程度被认为是评价储层优劣的核心参数之一，主要在于天然裂缝既是油气运移的通道和油气富集的场所，同时也是水力压裂过程中潜在的激活对象。所以明确水力裂缝与天然裂缝之间复杂的相关力学作用关系已经成为了目前水力压裂研究中的热点和前沿问题之一。

传统认识和分析水力裂缝在裂缝性储层中的扩展延伸规律主要采取数值模拟方法和室内试验方法。数值模拟法主要包括有限元法、边界元法和离散元法等，并在此基础上衍生出扩展有限元法、无单元法、近场动力学法等，数值模拟的方法主要优势是成本低廉，可以改变条件循环反复计算，但是有时数值模型难以反映储层的真实情况，且计算工作量大，对研究人员理论背景要求高。室内试验方法主要以真三轴水力压裂为主，但是受试样尺寸影响，试验成本高，并且目前多采用带颜色或者添有荧光粉的压裂液来分析水力压裂后的裂缝形态及范围尺寸，或者采用声发射等实验监测方法对裂缝形态进行三维定位解释，但是上述方法都难以直接掌握水力裂缝的实时起裂和扩展规律，同时对小尺度的裂缝形态解释效果有限。

数字散斑技术是一种基于数字图像分析技术的光测力学实验方法，该方法可以有效测定测试区域的变形场参量。数字散斑测试系统具有易于实现和测量的尺度和精度。传统光测方法可以做到全场、非接触、自动化和高精度的测量，数字散斑技术不仅具有以上光测方法的优点，同时该方法对测量环境的要求低，还具有测量系统易于实现，灵敏度和自动化程度高等优势，为此，数字散斑技术已经被广泛的应用于各种材料物体表明位移、变形及振动的测量，应用数字散斑技术能够有效的捕捉水力裂缝扩展的途径和区域的位移场。

鉴于传统实验方法在实时和直接观察分析水力裂缝的扩展上的不足，本发明提供了一种分析天然裂缝对水力压裂裂缝扩展影响的可视化实验装置与方法。

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，提供一种模拟水力压裂裂缝和天然裂缝扩展影响的实验装置及方法。

本发明提到的一种模拟水力压裂裂缝和天然裂缝扩展影响的实验装置，其技术方案是：包括数据处理计算机终端（1）、图像监测模块（2）、数据采集模块（3）、高清高速摄像机（4）、白光光源（5）、水力压裂物理模拟实验腔（6）、伺服控制注入泵（8）、模数转换模块（9）、模拟压裂井筒（11）、围压泵（15），所述高清高速摄像机（4）安装在水力压裂物理模拟实验腔（6）的上方，并通过数据采集模块（3）和图像监测模块（2）连接到数据处理计算机终端（1）；所述水力压裂物理模拟实验腔（6）的两侧分别连接围压泵（15），所述围压泵（15）通过模数转换模块（9）连接到数据处理计算机终端（1）；在所述水力压裂物理模拟实验腔（6）内设有模拟压裂井筒（11），所述模拟压裂井筒（11）的一端通过伺服控制注入泵（8）连接到模数转换模块（9），且在所述水力压裂物理模拟实验腔（6）的一侧安设白光光源（5）。