一种利用声发射系统监测天然硬岩水力压裂的实验方法与流程

本发明属于水力压裂模拟实验技术领域，尤其涉及一种利用声发射系统监测天然硬岩水力压裂的实验方法。

背景技术：

近年来，国内外对石油和天然气需求量不断增长，致密油气的开发在国内外已经成为热点领域之一，在致密油开采中，低渗、特低渗、超低渗油藏勘探开发越来越受到重视。在未来，油气产量的稳产、增产也将更多地依赖此类油气，而此类油气藏的储层多为渗透率极低的致密硬岩。

水力压裂技术是油气生产过程中一种有效的增产增注工艺措施，能起到提高油气产量的目的，对低渗、特低渗、超低渗储层而言，天然硬岩水力压裂尤为重要。声发射监测技术利用压裂过程中岩石产生的弹性波信息定位震源，可对水力压裂裂缝几何形态、空间展布及裂缝扩展先后顺序进行监测，进而可评价水力压裂效果。

实验室条件下，进行声发射系统监测天然硬岩水力压裂实验，对油田、煤矿等单位实施水力压裂技术具有重要的参考价值，对压裂方式的设计具有一定的指导意义。

技术实现要素：

本发明提供了一种利用声发射系统监测天然硬岩水力压裂的实验方法，作为高温高应力水力压裂模拟平台的配套方法，能够在实验室条件下利用声发射系统实时定位裂缝扩展位置，最终定位出天然硬岩水力压裂形成的裂缝整体形态。

为了实现上述目的，本发明提供一种利用声发射系统监测天然硬岩水力压裂的的实验方法，该方法包括：

1)选取天然硬岩岩块，并将其加工成300mm×300mm×300mm的标准硬岩试件。

2)根据实验要求确定模拟井筒、探头孔、导线槽位置。

3)钻取探置孔，切割出导线槽，利用扁錾对探头孔进行粗处理，利用点錾对探头孔进行精处理，重复此过程，直至探头孔底部平整。

4)利用AB胶固定模拟井筒。

5)连接声发射探头和导线，在声发射探头各表面涂抹声波传感器专用耦合剂，随后将声发射探头放入探头安置孔，利用填充物将探头孔、导线槽剩余空间填至与标准硬岩试件表面齐平，最后在标准硬岩试件表面均匀涂抹凡士林。

6)将标准硬岩试件安放入高温高应力水力压裂模拟平台，将注液管线与高温高应力水力压裂模拟平台注液系统连接好，对标准硬岩试件施加三向恒定围压，进行水力压裂实验，同时开启声发射系统。

7)水力压裂实验完成后，停止声发射系统，对标准硬岩试件进行卸载三向围压，拆卸注液管线，将标准硬岩试件从高温高应力水力压裂模拟平台取出，定位出天然硬岩水力压裂的裂缝整体形态。

进一步的，在步骤1中，所选取的天然硬岩为露天采集的新鲜岩块，所取硬岩的物理性质与所需模拟地层岩石的物理性质相似，典型材料为大理石、花岗岩等。

进一步的，在步骤2中，所述模拟井筒为水力压裂时压裂液进入标准硬岩试件通道，模拟井筒位置位于标准试件端面中心。

进一步的，在步骤3中，所述探头安置孔为利用水钻进行钻孔。

进一步的，在步骤3中，所述导线切槽方式为在淋水条件下用金刚石切割锯进行切割。

进一步的，在步骤3中，所述扁暂用于粗处理探头孔底部起伏岩石面，点錾用于精处理探头孔底部岩石面。

进一步的，在步骤5中，所述填充物为软性油泥，填充时须使探头安置孔、导线路径槽与标准试件齐平。

进一步的，在步骤5中，所述标准硬岩试件表面均匀涂抹凡士林的目的是增强信号接收效果，减缓试件表面与模拟平台间的摩擦。

进一步的，在步骤6中，所述对试件施加设定的三向围压时，试验装置首先对标准试件在三个方向上以相同的增压速率同步施加压力；当标准硬岩试件上的某一方向达到预定压力时，该方向压力维持稳定，其余方向继续增压；当三个方向均达到设定压力时，保持压力稳定到试验结束。

进一步的，在步骤6中，所述声发射系统用于实时定位水力压裂过程中裂缝扩展位置。

本发明的有益效果在于，提供一套针对天然硬岩的声发射探头孔和导线槽的制作方法，可以在实验室条件下利用声发射系统对天然硬岩水力压裂过程进行监测，实时定位裂缝扩展位置，最终定位出水力裂缝整体形态，为利用声发射系统监测水力压裂实验提供参考，该实验方法简单，易于操作。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1为根据本发明的标准硬岩试件的整体效果图；

图2-1为将声发射探头孔内岩石柱折断后纵向剖面图；

图2-2为用声发射探头孔用扁錾粗处理后纵向剖面图；

图2-3为声发射探头孔用点錾精细处理后纵向剖面图；

图3为声发射探头与导线连接示意图。

附图标号说明：

1、标准硬岩试件；2、模拟井筒；3、探头孔；4、导线槽；5、注液管线；6、探头孔内侧边缘；7、探头孔底部；8、声发射探头；9、导线。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

实施例：本实施例选用天然花岗岩作为天然硬岩的代表材料。

一种利用声发射系统监测天然硬岩水力压裂的实验方法，包括以下步骤：

1.标准试件的制备

选取满足实验需求的天然花岗岩岩块，并将其加工成如图1所示尺寸为300mm×300mm×300mm的标准岩硬岩试件。

2.探头安置孔、导线槽的位置确定与处理

(1)计算确定模拟井筒位置2、探头孔位置3、导线槽4，如图1所示，其中探头孔3的中心与导线槽4在同一直线上，用记号笔准确标出模拟井筒位置2、探头孔位置3和导线槽径4。

(2)使用台式水钻钻机进行钻孔，钻头选用直径为20mm的金刚石钻头(以探头大小确定钻头直径)，先在试件表面模拟井筒位置2处钻取深150mm的圆形孔，随后在试件表面探头孔位置3处钻取深30mm的圆形孔，最后用平口螺丝刀或其他扁平状硬质工具将模拟井筒位置2和探头孔位置3处未断裂的圆柱形花岗岩折断，断后孔内剖面如图2-1所示。

(3)用扁錾和铁锤粗处理探头孔底部起伏岩石面，处理后如图2-2所示，随后改用点錾和铁锤精处理底部剩余起伏面。

(4)重复步骤(3)数次，直至探头孔底部平面平整，处理后如图2-3所示。

(5)选用带有金刚石锯片的切磨机，沿标准花岗岩试件表面导线槽4切出深约25mm的导线槽，若确定的导线槽中仅需一根导线通过，则导线槽4宽度为5mm；若导线槽中需有多条导线通过，则导线槽4宽度视导线条数适当加宽。

3.声发射探头的安置

(1)连接声发射探头8和导线9，并在探头8各表面均匀涂抹声发射传感器专用耦合剂。

(2)将声发射探头8放入钻好的探头孔3中，检验探头与探头孔底平面接触情况，若用手指能轻微晃动探头，则探头未安置好，需取下重新放置，若不晃动则已安置好。

(3)重复步骤(1)和(2)，将所有声发射探头安置好。

(4)将所有连接声发射探头的导线9埋入导线槽4中。

(5)在所有声发射探头孔和导线槽位置填满软性油泥(橡皮泥弹性大不宜采用)，填至填充物表面与花岗岩标准试件表面齐平，在探头位置处稍按紧油泥以确保探头底面与探头孔底平面充分接触。

(6)将所有导线在模拟井筒位置2处集结，用自粘胶带粘结。

4.天然硬岩的水力压裂与裂缝定位

(1)将已处理好的花岗岩标准试件安放到高温高应力水力压裂模拟平台上，将标准试件模拟井筒的注液管线5与高温高应力水力压裂模拟平台注液系统相连。

(2)用剪刀将长500mm的热塑管纵向剖开，包裹集结成束的导线和注压裂液管线，确保导线进入压力室时保持完整，完成后将各声发射探头处的油泥稍微按紧以确保探头与安置孔底平面充分接触。

(3)将花岗岩标准试件推入实验装置的压力室内，启动高温高应力水力压裂模拟平台。

(4)对花岗岩标准试件施加恒定的三向围压，加压过程中，采用标准试件在三个方向上以相同的增压速率同步施加压力，当三个方向上均达到预设压力后，保持压力恒定直至实验结束。

(5)启动高温高应力模拟平台的注液系统，将配置好的压裂液以恒定速率注入模拟井筒，同时启动声发射系统，记录注液过程中声发射信号，实时定位裂缝岩石面扩展情况。

(6)待水力压裂实验完成，卸载三向围压，拆卸注液管线，将标准花岗岩试件从高温高应力水力压裂模拟平台上取出，随后拆除布置的导线和声发射探头，利用声发射系统处理声发射信号定位整体裂缝面。以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。