[發明專利]一種可視的巖石水力壓裂平面問題的物理實驗系統及方法

有效

• 申請號: 202010089625.5
• 申請日: 2020-02-12
• 公開（公告）號: CN111223376B
• 公開（公告）日: 2022-10-14
• 發明（設計）人: 段抗;王路超;張強勇;李雪劍;周新宇
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G09B23/40
• 分類號: G09B23/40
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 趙敏玲

1.一種可視的巖石水力壓裂平面問題的物理實驗方法，其特征在于，該方法采用的系統包括地應力加載及控制系統；水力伺服泵壓系統；裂縫表面觀測系統；內部變形與應力監測系統；地應力加載及控制系統用于向試樣施加圍壓以模擬儲層地應力；所述水力伺服泵壓系統用于向試樣中泵入壓裂液；在壓裂液中添加紅色示蹤劑；所述裂縫表面觀測系統用于監測和記錄壓裂過程中的裂縫動態演化過程并對裂縫的演化過程進行分析處理；所述內部變形與應力監測系統用于監測水力裂縫擴展過程中試樣內部的誘導應力演化規律和試樣變形特性；試樣的長度和寬度皆為高度的數倍，為薄板狀；在試樣上表面覆蓋高強度鋼化玻璃，試樣的上、下表面與有機玻璃和基座之間需通過玻璃膠進行密封；模擬井筒上等間距預置多個射孔，通過模擬井筒注入恒定排量壓裂液，模擬儲層巖石多簇水力裂縫擴展；所述的內部變形與應力監測系統由試樣表面及內部的微型壓力盒、應變花、光柵多點位移傳感器和計算機組成；其中微型壓力盒、應變花、光柵多點位移傳感器與計算機相連接并用于監測儲層巖石內部的誘導應力演化規律和巖體變形特性，基于DIC數字圖像相關技術進一步分析裂縫幾何形態演化規律及不同加載參數對于水力裂縫形態及擴展的影響，最后通過計算機實現對數據的實時記錄、存儲和分析；

水力伺服泵壓系統由液壓源伺服閥、注液閥門、水泵、泵壓控制系統和計算機組成；水泵通過泵注管線與試樣上的模擬井筒相連接，泵注管線上安裝有注液閥門，以此來控制壓裂液流動；所述的裂縫表面觀測系統由高速攝像機、計算機和移動裝置組成，所述的高速攝像機固定在移動裝置上，利用攝像機動態監測試樣內多裂縫同步擴展的演化形態；所述的地應力加載及控制系統由應力加載實驗平臺、反力傳遞系統、對試樣施壓的液壓加載器、電液伺服壓力機、加載伺服系統控制箱和計算機組成；所述的應力加載實驗平臺包括反力架所圍成的正方形實驗區，在所述反力架內安裝有兩個壓板，兩個壓板與反力架形成試樣放置室，且形成試樣放置室的反力架側壁上安裝水平鉆井；

按照實驗設計加工模擬井筒并在模擬井筒等間距預置多個射孔，將模擬井筒以及部分內置的傳感器在模具中固定好，澆筑配比好的類巖石材料，然后進行試樣的養護；試樣養護完成后，在試樣四周設置密封圈并將試樣置于試樣放置室中緊靠反力架預留井筒口兩側，使出露試樣的模擬井筒進入反力架預留模擬井筒孔中；試樣另外兩側放置方形壓板并在方形壓板的預留孔中安裝好測量元件；在方形壓板兩側連接反力傳遞系統，在反力傳遞系統的另一端與液壓加載器相連；在試樣上表面覆蓋高強度鋼化玻璃，試樣的上、下表面與有機玻璃和基座之間需通過玻璃膠進行密封，防止壓裂過程中壓裂液的漏失；通過地應力加載及控制系統對試樣施加圍壓以模擬儲層地應力；

將泵注管線與水力伺服泵壓系統相連接；然后啟用裂縫表面觀測系統和內部變形與應力監測系統，利用攝像機移動裝置將攝像機移動到可以清晰捕捉試樣完整表面處并開啟內部變形與應力監測系統。將配置好的壓裂液裝入水力伺服泵壓系統中的水泵中，然后在計算機上輸入相應編號，最后通過泵壓控制系統和液壓源伺服泵按設定排量向試樣中泵入壓裂液；在水力壓裂實驗開始，計算機將顯示泵壓—時間曲線，當觀察到泵壓—時間曲線達到峰值之后瞬間降低，一段時間后曲線隨時間推移穩定在某個壓力值附近時，水力壓裂物理模擬實驗結束；

水力壓裂物理模擬實驗結束后，觀察實驗后試樣表面水力裂縫形態及走勢并利用相機對試樣進行拍攝記錄；對試樣進行剖切觀察，同時使用相機對剖切后試樣進行拍攝記錄；利用泵壓-時間曲線分析水力裂縫形態，分析水力裂縫的起裂及擴展機理；基于多組對比實驗分析不同加載參數對于水力裂縫形態及擴展的影響；利用高速攝像機捕捉到的裂縫擴展的完整過程，基于DIC數字圖像相關技術進一步分析裂縫幾何形態演化規律及不同加載參數對于水力裂縫形態及擴展的影響；利用試樣內部及底面布設的微型壓力盒、光柵多點位移傳感器、應變花測量元件，分析水力裂縫擴展過程中儲層巖石內部的誘導應力演化規律和巖體變形特性；通過在壓裂液中添加紅色示蹤劑，便于觀察模型體表面的水力裂縫和內部的水力運移通道。

2.如權利要求1所述的一種可視的巖石水力壓裂平面問題的物理實驗方法，其特征在于，所述的加載伺服系統控制箱一端與計算機相連，另一端與電液伺服壓力機連接，液壓加載器通過控制線路與電液伺服壓力機相連接，由液壓加載器通過反力傳遞系統對應力加載實驗平臺施加模擬的豎向地應力和最大水平地應力。