[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

本發明公開了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，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；水力伺服泵壓系統用于向試樣中泵入壓裂液；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；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。此系統及方法可以解決上述巖石水力壓裂物理實驗存在的問題，對于發現多簇壓裂新現象，揭示縫間巖石力學響應和競爭機制具有理論分析和數值模擬不可替代的重要作用。

技術領域

本發明涉及一種可視的巖石水力壓裂多裂縫同步擴展平面問題的物理模擬實驗系統及其實驗方法。

背景技術

水平井分段多簇同步壓裂技術目前已成為增強型地熱系統開發和低滲透油氣增產的關鍵技術。通過在同一壓裂段內進行多簇射孔，一次性壓開多個裂縫，進而增大儲層改造體積，降低壓裂時間和施工成本。多簇壓裂的設計目的是同時形成一系列密集且沿最大主應力方向延伸的多條水力裂縫網絡來增加流體交換效率。因此水力裂縫擴展的幾何形態是評價儲層改造效果的關鍵。

由于現階段對現場儲層水力壓裂多裂縫同步擴展過程中的裂縫具體幾何形態及其擴展規律的了解極為有限，發明人發現目前此項技術在應用中還存在以下幾個方面的問題：

1、現場作業表明，水平井多簇水力壓裂的效果往往不是十分明顯。實測數據顯示，有30％甚至更多的裂縫未到達設計生產效果。一般認為，多裂縫同步擴展過程中，鄰近裂縫之間的相互干擾導致部分裂縫失去擴展穩定性。

2、除一些特殊情況外，現場水力裂縫的實際形態是無法直接觀察到的。現場生產采用的微地震等裂縫監測手段存在精度低和多解性問題，尚難以全面真實捕捉裂縫的擴展路徑和幾何形態。

3、在實際擴展過程中，水力裂縫的起裂、延伸、轉向和貫通受到巖性、地層條件、地應力水平和壓裂參數等多因素影響。特別地，對于多裂縫同步擴展問題，一個顯著的現象即為應力陰影效應。對于考慮相互影響的多裂縫同步擴展時誘導應力場的演化規律及其同多裂縫延伸和貫通之間的互動響應機制目前仍缺乏準確認識。

4、目前開展的室內水力壓裂實驗對于裂縫的擴展規律通常采用聲發射、表面觀察、試樣剖切觀察、CT斷面掃描等技術來分析水力裂縫的幾何形態。但上述方法僅能獲取最終靜止狀態的水力裂縫幾何形態，基于最終的裂縫形態推測其擴展過程和機理，存在很大的不確定性。尤其是應力陰影效應影響到裂縫的閉合，導致裂縫寬度是動態變化的，壓裂結束后的破壞試件難以反映裂縫寬度變化。

5、目前開展的室內水力壓裂實驗主要研究的是單裂縫的擴展演化形態和地應力差、圍壓、壓裂液黏度等影響因素的作用規律，幾乎沒有開展過多裂縫同步擴展演化形態和相互影響過程方面的實驗研究。

6、基于原巖開展的水力壓裂實驗難以監測壓裂過程中巖石內部的力學響應，限制了對于裂縫擴展機理的分析與研究。

發明內容

本發明為克服上述現有技術的不足，提供了一種可視的巖石水力壓裂多裂縫同步擴展平面問題的物理模擬實驗系統及其實驗方法。開展基于類巖石材料的可視化物理實驗，利用內置傳感器監測水力裂縫擴展誘導的縫間巖石應力擾動和變形規律。借鑒地質力學模型實驗技術，設計水力壓裂可視化物理實驗系統，通過數字圖像分析和預置傳感器從全局把握巖石的整體變形特征和破壞規律。此系統及方法可以解決上述巖石水力壓裂物理實驗存在的問題，對于發現多簇壓裂新現象，揭示縫間巖石力學響應和競爭機制具有理論分析和數值模擬不可替代的重要作用。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

第一方面，本發明提出了一種可視的巖石水力壓裂多裂縫同步擴展平面問題的物理模擬實驗系統，該實驗系統主要包括4個子系統：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；