加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统及方法与流程

本发明涉及油气田开发中的水力压裂物理模拟实验技术领域，特别涉及一种加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统及方法。

背景技术

水力压裂作为油气增产的主要措施之一已被广泛应用于现代石油工业中。随着低渗透、复杂油气藏(如天然裂缝储层)的大量开发，水力压裂技术面临新的挑战。储层改造面临的对象越来越复杂，其中，包括构造应力异常、天然裂缝、水平层理发育、深层大尺度水平井型等因素制约了对水力裂缝起裂与延伸机理的认识。

为了正确认识复杂储层的水力压裂起缝与延伸机理，近年来室内水力压裂物理模拟实验技术得到了深入的研究与广泛应用。通过对水力压裂的物理模拟认识裂缝扩展的规律，以提升对致密油等天然裂缝性油藏、大斜度井和水平井水力压裂等复杂情况下的研究水平，从而对提高目前水力压裂水平、改善增产效果和提高油气产量的决定性作用。

其中，中国专利号cn106640016a提供了一种多尺度真三轴水平井水力压裂承压缸及使用方法和中国专利号cn105332682a提供了一种碳酸盐岩储层中高压力缝洞体对水力裂缝扩展影响的实验方法，两者都可以在室内条件下实现对裂缝起裂和延伸的物理模拟，同时在实验过程中采用液压刚性加载方式实现对样品三向主应力的独立加载。

但现有技术中普遍存在的问题是：目前加载应力时，通常是利用千斤顶进行刚性加载，受到上述实验加载方式的制约，只能进行垂向和单层两向水平主应力共3个地应力值的加载，无法针对垂向上水平应力的差异性进行模拟，也就无法开展层间应力差值条件下的缝高延伸实验。

因此，非常有必要提供一种新的技术，能够克服现有技术中的缺陷，实现对实验样品的垂向上多层水平应力场的独立加载。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统及方法，能够克服现有技术中的缺陷，能对实验样品垂向上多层水平应力场的独立加载，从而为控缝高压裂工艺的优化设计提供有利的技术支撑。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

一种加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统，其包括：

用于加载实验样品的加载框架，所述加载框架内部形成有呈方形的加载腔；

用于向所述实验样品加载压力的真三轴地应力加载单元，其包括：呈中空结构的可膨胀式加载板，与所述可膨胀式加载板相连通并用于向所述可膨胀式加载板提供压力的压力泵，其中，所述可膨胀式加载板包括：位于所述加载腔与实验样品之间的第一加载板和位于所述实验样品一端的第二加载板，所述第一加载板沿着所述加载腔的深度方向至少设置有两组；

与所述压力泵相连接的压力传感器；

与所述压力泵和压力传感器电性连接的控制器。

在一个优选的实施方式中，每组所述第一加载板包括沿着第一方向相对设置的最大水平应力加载板对和沿着垂直于所述第一方向的第二方向相对设置的最小水平应力加载板对，其中，向所述最大水平应力加载板对中的加载板施加的压力为最大水平应力，向所述最小水平应力加载板对中的加载板施加的压力为最小水平应力。

在一个优选的实施方式中，所述控制器设置有存储单元，所述存储单元中存储有每个加载板对应的加载应力数据，所述控制器能够存储所述压力传感器采集的压力数据，并调节所述压力泵的输出压力。

在一个优选的实施方式中，所述可膨胀式加载板的中空部分用于容纳工作介质，所述可膨胀式加载板的最高加载压力至少为69兆帕。

在一个优选的实施方式中，所述可膨胀式加载板的材料为钛镍合金。

在一个优选的实施方式中，所述工作介质为水。

在一个优选的实施方式中，所述实验样品呈长方体，其成宽高分别为：762mm×762mm×914mm，所述实验样品的中部钻有井眼，底部设置有裸眼段，顶部用于固井。

在一个优选的实施方式中，所述加载框架包括相对的底板和顶盖以及设置在所述底板和顶盖之间的固定机构，其中，所述顶盖上设置有用于模拟井眼的通孔。

在一个优选的实施方式中，所述第一加载板为三组，三组所述第一加载板与所述压力泵相配合形成沿着垂向上下分布的三层最大水平应力、三层最小水平应力6个水平压力通道；所述第二加载板与所述压力泵配合形成一个垂向压力通道。

一种基于上述的加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统的实验方法，其包括：

将可膨胀式加载板与压力泵相连接，同时将压力传感器依次安装于每组可膨胀式加载板与压力泵之间；

打开所述可膨胀式加载板的排空管线，向所述可膨胀式加载板中注入工作介质，在充满所述可膨胀式加载板后至排出工作介质时完成排空操作；

启动压力泵，调节压力通道内的压力，使得所述可膨胀式加载板中的压力升高至预定围压；

向所述加载框架的通孔中注入预定压力的压裂试样；在裂缝扩展到加载样品端部后，停止注入；卸载所述压裂试样的压力至0，卸载所述可膨胀加载板中的工作介质的压力至0。

本发明的特点和优点是：本申请所提供的加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统及方法，通过在位于所述加载腔与实验样品之间设置第一加载板和位于所述实验样品端部设置第二加载板，其中，所述第一加载板沿着所述加载腔的深度方向至少设置有两组，能够和压力泵相配合，实现对实验样品沿着垂向上加载不同的水平应力，从而在室内条件下实现了真实模拟岩石样品在储层中的三向地应力加载环境，特别是实现了垂向上多层水平应力场的独立加载，可更清楚地展示裂缝垂向扩展形态，有助于科研人员深化对储隔层应力遮挡缝高延伸机理的认识。

进一步的，该可膨胀式加载板采用高强度钛镍合金薄板作为围压加载板，具有体积小、重量轻、承载压力高、结构简单，且加工制造及维护简单的优点，有效克服了传统液压千斤顶式刚性加载不均匀，加载能力小及不能分层加载的弊端。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

图1是本申请实施方式中一种加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统中应力加载示意图；

图2是本申请实施方式中一种加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统组成示意图；

图3是本申请实施方式中一种加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统中加载框架的结构示意图；

图4是本申请实施方式中一种加载应力测试裂缝高度扩展的实验的步骤流程图。

附图标记说明：

10-实验样品；1-加载框架；11-可膨胀式加载板；12-压力泵；2-真三轴地应力加载单元；3-控制器；x-第一方向；y-第二方向；z-垂向；41-顶盖；410-通孔；42-底板；43-环形钢圈；44-螺栓；45-螺帽；46-半月形钢块。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

本发明提供一种加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统及方法，能够克服现有技术中的缺陷，通过对实验样品垂向上多层水平应力场的独立加载，为控缝高压裂工艺的优化设计提供有利的技术支撑。

请参阅图1至图3，本申请实施方式中提供一种加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统，其可以包括：用于加载实验样品10的加载框架1，所述加载框架1内部形成有呈方形的加载腔；用于向实验样品10加载压力的真三轴地应力加载单元2，其包括：呈中空结构的可膨胀式加载板11，与所述可膨胀式加载板11相连通并用于向所述可膨胀式加载板11提供压力的压力泵12，其中，所述可膨胀式加载板11包括：位于所述加载腔与实验样品10之间的第一加载板和位于所述实验样品10一端的第二加载板，所述第一加载板沿着所述加载腔的深度方向至少设置有两组；用于和所述压力泵12相连接的压力传感器，与所述压力泵12和压力传感器电性连接的控制器3。

本发明实施方式提供了一种加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统，其可以包括：加载框架1、真三轴地应力加载单元2和压力数据采集与控制机构。

在本实施方式中，实验样品10的加载框架1可以为圆柱形钢制容器，内部形成的样品加载空间可以为方形的加载腔。相应的，设置在所述加载腔内的实验样品10截面积也为方形。

具体的，本申请所提供的实验样品10其尺寸大于现有的实验样品10，从而有利于沿着加载腔的深度方向设置足够多的第一加载板。在一个具体的实施方式中，所述实验样品10呈长方体，其成宽高分别为：762mm(毫米)×762mm×914mm。所述实验样品10可以采用不同地质储层的天然露头样品或者特定水泥配方浇筑的人工样品等，具体的，本申请在此并不作具体的限定。所述实验样品10的中部钻有井眼，底部设置有裸眼段，顶部用于固井。具体的，所述井眼的深度可以为500mm左右。所述底部的裸眼段可以为100mm左右。所述实验样品10的顶部用于固井。

在本实施方式中，真三轴地应力加载单元2用于向实验样品10加载压力，其至少能向实验样品10加载一种垂向应力和两种大小不同的水平应力。该真三轴地应力加载单元2可以包括：呈中空结构的可膨胀式加载板11，与所述可膨胀式加载板11相连通并用于向所述可膨胀式加载板11提供压力的压力泵12。其中，所述可膨胀式加载板11包括：位于所述加载腔与实验样品10之间的第一加载板和位于所述实验样品10一端的第二加载板。其中，所述第一加载板沿着所述加载腔的深度方向至少设置有两组。当所述第一加载板沿着所述加载腔的深度方向(即模拟的垂向z)至少设置两组时，可以保证在沿着垂向z上加载不同的水平应力，从而模拟真实的地层应力环境。所述第二加载板可以加载在实验样品10的顶端，当然，也可以加载在所述实验样品10的底端。

具体而言，每组所述第一加载板包括沿着第一方向x相对设置的最大水平应力加载板对和沿着垂直于第一方向x的第二方向y相对设置的最小水平应力加载板对，其中，向所述最大水平应力加载板对中的加载板施加的压力为最大水平应力，向所述最小水平应力加载板对中的加载板施加的压力为最小水平应力。

在本实施方式中，第一方向x和第二方向y可以分别对应为地理上的东西方向和南北方向。一般的，在第一方向x上水平应力最大时，相应的，垂直于该方向的第二方向y上水平应力最小。

具体的，本申请所提供的可膨胀式加载板11的中空部分用于容纳工作介质，所述可膨胀式加载板11的最高加载压力至少为69兆帕。其中，所述可膨胀式加载板11的材料为高强度的钛镍合金材料，从而保证该可膨胀时加载板具有较佳的耐压性能。所述工作介质可以为水，一方面可以较佳地实现应力地柔性加载，另一方面可以降低实验成本。当然，所述工作介质也可以去其他流体，具体的本申请在此并不作具体的限定。

本实施方式中，还设置有压力数据采集与控制机构，其可以包括与所述压力泵12相连接的压力传感器和与所述压力泵12和压力传感器电性连接的控制器3。其中，所述压力传感器可以设置在所述每组可膨胀式加载板11与压力泵12之间，用于获取实际加载的应力数据。

所述控制器3可以设置有存储单元，所述存储单元中存储有每个加载板对应的加载应力数据，所述控制器3能够存储所述压力传感器采集的压力数据，并调节所述压力泵12的输出压力。具体的，例如，当所述压力传感器采集到的压力数据没到达到预先存储的压力数据时，可以调节压力泵12的参数，直至其达到为止。具体的，该控制器3的形式可以为计算机的形式。此外，该加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统还可以设置有参数输入单元。通过该参数输入单元可以将需要加载的预定压力输入。后续该输入参数输入单元的压力数据可以存储在所述存储单元中，以便控制器3根据该压力数据调节压力泵12的实际输出。

本实施方式中，在位于所述加载腔与实验样品10之间设置第一加载板和位于所述实验样品10端部设置第二加载板，其中，所述第一加载板沿着所述加载腔的深度方向至少设置有两组，能够和压力泵12相配合，实现对实验样品10沿着垂向z上加载不同的水平应力，从而在室内条件下实现了真实模拟岩石样品在储层中的三向地应力加载环境，特别是实现了垂向z上多层水平应力场的独立加载，可更清楚地展示裂缝垂向扩展形态，有助于科研人员深化对储隔层应力遮挡缝高延伸机理的认识。

进一步的，该可膨胀式加载板11采用高强度钛镍合金薄板作为围压加载板，具有体积小、重量轻、承载压力高、结构简单，且加工制造及维护简单的优点，有效克服了传统液压千斤顶式刚性加载不均匀，加载能力小及不能分层加载的弊端。

在一个具体的实施方式中，所述第一加载板为三组，三组所述第一加载板与所述压力泵12相配合形成沿着垂向z上下分布的三层最大水平应力、三层最小水平应力6个水平压力通道，所述第二加载板与所述压力泵12配合形成一个垂向压力通道。整体上形成7个能独立加载应力的压力通道。

以上述形成7个压力通道为例，相应的，该加载框架1主要包括：底板42、顶盖41、7个环形钢圈43、28块半月形钢块46、12个螺栓44和12个螺帽45。当然，上述各个部件的个数可以可根据实际实验样品10的尺寸以及加载框架1的具体结构的不同而作适应性调节，本申请在此并不作唯一的限定。

其中，所述底板42可以加工有螺纹孔眼，用于装配时与螺栓44相固定。所述螺栓44从下至上依次穿过半月形钢块46和顶盖41，其螺栓44顶部开有螺纹，通过螺帽45将顶盖41固定。半月形钢块46分别内置于环形钢圈43东南西北四个方向的侧壁上。7个环形钢圈43直接层叠于底板42上。顶盖41中间开有通透圆孔，以便形成压裂实验中的模拟井筒。

真三轴地应力加载单元2可以包括：7个可膨胀式加载板11和对应的伺服控制压力泵12。其中，可膨胀式加载板11分别紧贴于半月形钢块46东南西北四个方向的侧壁和顶盖41的底部，另一侧与加载的试样紧贴；对应的7台伺服控制压力泵12分别与可膨胀式加载板11通过管线连接，通过可膨胀式加载板11注入高压流体，对实验样品施加最大水平应力、最小水平应力和垂向应力，以模拟真实地层应力状态。

请参阅图4，针对上述实施方式提供的加载应力测试裂缝高度扩展的实验系统，本申请实施方式中还相应提供一种实验方法，该方法可以包括如下步骤：

步骤s10：将可膨胀式加载板11与压力泵12相连接，同时将压力传感器依次安装于每组可膨胀式加载板11与压力泵12之间；

步骤s12：打开所述可膨胀式加载板11的排空管线，向所述可膨胀式加载板11中注入工作介质，在充满所述可膨胀式加载板11后至排出工作介质时完成排空操作；

步骤s14：启动压力泵12，调节压力通道内的压力，使得所述可膨胀式加载板11中的压力升高至预定围压；

步骤s16：向所述加载框架1的通孔410中注入预定压力的压裂试样；在裂缝扩展到加载样品端部后，停止注入；卸载所述压裂试样的压力至0，卸载所述可膨胀加载板中的工作介质的压力至0。

在一个具体的应用场景中，首先进行实验前准备：根据实验要求，利用线切割和水泥浇筑的方式制备天然或人工实验样品10。

接着进行实验样品10放置：将实验试样吊装入加载框架1的加载腔中，依次放入7组可膨胀式加载板11紧贴试样表面，盖好上顶盖41，并通过螺帽45将顶盖41固定。

然后连接真三轴地应力加载单元2：利用高压管线分别连接可膨胀式加载板11与伺服控制压力泵12；同时将每个压力传感器依次安装于每组可膨胀式加载板11与伺服控制压力泵12之间，并通过网线分别与采集系统和压力泵12连接；

下一步准备数据采集系统：开启压力传感器和参数输入与采集软件；

再下一步施加围压：打开加载板排空管线，注入流体充满加载板后流出，排空完毕，关闭排空阀门；在软件系统中分别输入7个通道围压数值，启动伺服控制压力泵12，分别调节7组可膨胀式加载板11至预定围压；

再下一步向井筒中注入高压流体压裂试样；

在裂缝扩展到试样端部后，停止注入，卸载井筒流体压力至0；在软件系统中分别输入参数，卸载7个可膨胀式加载板11中的流体压力至0；打开排空管线；

后续拆卸顶盖41，并取出实验样品10，并切割观察裂缝形态。

具体实验实施时，岩石样品需要严格按照实验的要求加工成六面体块，长宽高分别是762mm×762mm×914mm。所述岩样中心部位钻有井眼，井眼深度为500mm，底部预留100mm裸眼段，上部固井。

具体实验实施时，所述的加载的试样采用的是不同地质储层的天然露头样品或特定水泥配方浇筑的人工样品。

具体实验实施时，所述的井筒流体压力可以最高加载到82mpa。

具体实验实施时，所述的可膨胀式加载板11为中空结构，采用两块高强度钛镍合金薄板整体对焊而成，具有加载面积大，压力加载均匀，承压高特点，最高加载压力可达69mpa。

具体实验实施时，所述的可膨胀式加载板11内部的工作介质为清水。

具体实验实施时，所述的单个岩样加载面纵向上可最多放置3块可膨胀式加载板11，可以实现最多三层水平最大、水平最小主应力和垂向应力共计7个压力通道的独立加载。

本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。

除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。

本文披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。

以上所述仅为本发明的几个实施方式，虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。