[發明專利]用于觀察巖石水力壓裂裂縫起裂演化的試驗裝置及方法

有效

• 申請號: 202010949464.2
• 申請日: 2020-09-10
• 公開（公告）號: CN112033793B
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 曹函;葉功勤;孫平賀;高強;陳裕;趙鈺;朱浩龍
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G01N3/02
• 分類號: G01N3/02;G01N3/12
• 代理公司: 長沙軒榮專利代理有限公司 43235
• 代理人: 李崇章

本發明提供了一種用于觀察巖石水力壓裂裂縫起裂演化的試驗裝置，包括水力壓裂試驗機、注液組件、內窺鏡組件和雙層透明管，水力壓裂試驗機對柱體巖樣固定，施加軸向載荷和圍壓載荷，雙層透明管插入柱體巖樣內部，外層與柱體巖樣內部連通，注液組件與雙層透明管外層接通，向雙層透明管外層高壓注液，內窺鏡組件的高精度攝像頭插入雙層透明管的內層，實現對水力壓裂裂縫起裂演化過程的成像觀察和描述。本發明采用雙層透明管代替傳統的單層導流管，通過設置在內層的高精度攝像頭實現了對水力壓裂裂縫起裂的動態監測和成像描述，其透明視窗可承受預制孔內的高壓環境，確保高精度攝像機的觀測。

技術領域

本發明涉及巖石力學試驗技術領域，特別涉及一種用于觀察巖石水力壓裂裂縫起裂演化的試驗裝置及方法。

背景技術

隨著頁巖氣的大規模開采，水力壓裂技術作為一種重要的提高低滲儲層滲透率的有效手段越來越受到重視。水力裂縫的形成主要分為三個階段：起裂、擴展和閉合，每個階段都對裂縫的最終形成形態具有重要的影響，因此觀察裂縫的發展演化過程至關重要。但由于水力裂縫的形成過程具有隱蔽性和隨機性，在加載條件下如何對水力裂縫起裂中的形態進行監測和描述，仍然是水力壓裂室內模擬實驗和現場施工中需要解決的問題。目前對水力裂縫起裂和擴展過程的監測和描述主要是通過聲發射，X-射線和CT斷面掃描等手段來實現的，聲發射可以實現裂縫擴展過程的動態監測，但精度較低，不能準確描述裂縫的形態；X-射線和CT斷面掃描定位精確，但是成像能力較差，且成本高昂，受到巖樣尺寸、巖質均勻性的限制，且對水力壓裂過程中導流孔周邊的裂縫起裂演化，水力裂縫的分布形態，以及后期裂縫的閉合過程的監測能力有限。此外，由于水力裂縫起裂時間較短，監測精度要求高。目前有關水力裂縫起裂過程監測的研究較少，而更多關注裂縫的擴展程度，不能滿足對裂縫起裂演化過程的監測需求。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有技術的不足，提供一種可觀察巖石水力壓裂裂縫起裂演化的試驗方案，以解決水力壓裂試驗中不能對裂縫起裂直觀觀察和描述的難題。

為了達到上述目的，本發明提供了一種用于觀察巖石水力壓裂裂縫起裂演化的試驗裝置，包括水力壓裂試驗機、注液組件、內窺鏡組件和雙層透明管，所述水力壓裂試驗機對柱體巖樣固定，施加軸向載荷和圍壓載荷，所述雙層透明管插入所述柱體巖樣內部，所述雙層透明管的外層與柱體巖樣內部連通，所述注液組件與所述雙層透明管的外層接通，向所述雙層透明管的外層高壓注液，所述內窺鏡組件的高精度攝像頭插入所述雙層透明管的內層，實現對水力壓裂裂縫起裂演化過程的成像觀察和描述。

進一步地，所述水力壓裂試驗機包括底座、設置在所述底座上的支撐立柱、以及設置在所述支撐立柱頂端的頂板，所述底座與所述頂板之間設置有一不銹鋼腔室，所述柱體巖樣固定于所述不銹鋼腔室內，頂端設置有預制孔，所述底座上設置有一加載油缸和一圍壓增壓泵，所述加載油缸的軸向加載活塞對所述柱體巖樣的底端施加軸向載荷，所述圍壓增壓泵向所述柱體巖樣的側壁施加圍壓載荷。

進一步地，所述注液組件包括注液泵，所述注液泵通過一注液管與所述雙層透明管的外層連通，連接處設置有一轉接頭。

進一步地，所述雙層透明管插入所述預制孔內，內層和外層相互隔離，所述雙層透明管外層的頂端設置有一注液口，所述注液口與所述注液管通過所述轉接頭連接，所述雙層透明管外層的底端設置有多個出液口。

進一步地，所述雙層透明管內層的頂端設置有一內窺鏡入口，底端凸出于所述外層設置有一透明視窗。

進一步地，所述透明視窗采用特種藍寶石玻璃材質，所述藍寶石玻璃的直徑為15mm，包括4.1mm的環邊，用于壓邊至所述雙層透明管的底面，所述透明視窗的厚度為8mm，曲率半徑為40，可承載60MPa的壓力。

進一步地，所述內窺鏡組件還包括一手柄和一連接軟線，所述手柄與所述高精度攝像頭通過所述連接軟線連接，所述手柄能控制所述高精度攝像頭的鏡頭自由旋轉以及拍照錄像。