倾斜地层真三轴压裂物理模拟实验的岩样加工方法和装置与流程

本发明涉及岩样加工技术，尤其涉及一种倾斜地层真三轴压裂物理模拟实验的岩样加工方法和装置。

背景技术：

页岩在沉积成岩过程中形成的层理结构是页岩储层最显著的特征之一。层理结构的存在导致页岩在各个方向上具有不同的力学性质。通常，页岩层理的胶结强度较低，导致水力压裂过程中，裂缝很容易沿着层理面扩展。国内外学者利用真实岩样和人造岩样(石膏、水泥、透明环氧树脂胶等)开展了大量水力压裂物理模拟实验，该技术已经成为一种认识水力裂缝起裂和扩展规律的有效手段。研究页岩层理对裂缝起裂和扩展影响的真三轴压裂物理模拟实验需要加工大尺寸的页岩岩样，300mm×300mm×300mm是目前较为常见的一种岩样尺寸。

目前，页岩岩样加工过程如下：将室外开采的不规则页岩露头分别沿平行层理面的方向和垂直层理面的方向加工成规则的立方体；然后沿垂直层理面的方向，在岩样上钻取一定深度的盲孔模拟井筒。图1为按照现有技术的方法得到的岩样的结构示意图。如图1所示，该岩样5具有层理面4。该岩样5为将不规则的页岩露头沿平行层理面的方向1和垂直层理面的方向2进行加工后得到的。之后，沿垂直层理面的方向2钻取预设深度的盲孔3，以模拟井筒。

但是，上述方法在真实页岩岩样加工过程中存在以下问题：第一，由于在加工过程中，对页岩露头的切割方向沿平行层理方向和垂直层理方向，因此，通过该方法加工的岩样只能实现对水平地层(层理倾角为0°)和垂直地层(层理倾角为90°)两种极限情形下的地层进行模拟；第二，盲孔的钻取过程中岩样会与冷却液(一般为水)发生接触，一方面能够对钻头进行冷却，另一方面能够将岩屑冲洗携带出盲孔，但是页岩具有较强的膨胀性，层理面吸水后很容易胀裂，导致岩样加工的成功率低。

技术实现要素：

本发明提供一种倾斜地层真三轴压裂物理模拟实验的岩样加工方法和装置，以实现倾斜地层真三轴压裂物理模拟实验和提高岩样加工的成功率。

本发明提供一种倾斜地层真三轴压裂物理模拟实验的岩样加工方法，包括：

将页岩露头分别沿平行层理面方向和垂直层理面方向加工成立方体岩样；

对所述立方体岩样进行防水处理，形成防水岩样；

在模具内注入预设体积的固定浆，再将所述防水岩样以所述防水岩样的层理面平行于竖直方向的位置放入所述模具内，并旋转预设角度；

继续向所述模具内注入所述固定浆，直至所述固定浆充满所述模具的腔体；

在第一预设时长后，拆除所述模具，获取被固定浆包裹的岩样；

在所述被固定浆包裹的岩样上确定盲孔的钻取方向，并钻取所述盲孔。

进一步地，所述在模具内注入预设体积的固定浆之前，所述方法还包括：

组装底板和侧板，形成所述模具，并在所述模具的底板和侧板的内表面上均涂覆润滑剂。

进一步地，所述对所述立方体岩样进行防水处理，包括：

在所述立方体岩样的各个面上均涂覆防水涂层，并静置第二预设时长，以使所述防水涂层完全凝固。

进一步地，在将页岩露头分别沿平行层理方向和垂直层理方向加工成立方体岩样之前，所述方法还包括：

根据真三轴压裂物理模拟装置的腔体尺寸及待模拟的倾斜地层的倾角确定所述立方体岩样的尺寸。

进一步地，在继续向所述模具内注入所述固定浆，直至所述固定浆将所述模具的腔体充满之后，所述方法还包括：

在所述固定浆表面标注所述防水岩样的层理面的方向，形成层理面方向线；

相应地，所述在所述被固定浆包括的岩样上确定盲孔的钻取方向，包括：

根据所述层理面方向线确定所述盲孔的钻孔方向。

进一步地，所述防水涂层为环氧树脂胶。

进一步地，所述固定浆为油井水泥。

本发明还提供一种倾斜地层真三轴压裂物理模拟实验的岩样加工装置，包括：

加工模块，用于将页岩露头分别沿平行层理方向和垂直层理方向加工成立方体岩样；

防水处理模块，用于对所述立方体岩样进行防水处理，形成防水岩样；

注入模块，用于在模具内注入预设体积的固定浆，再将所述防水岩样以所述防水岩样的层理面平行于竖直方向的位置放入所述模具内，并旋转预设角度，以及，用于继续向所述模具内注入所述固定浆，直至所述固定浆将所述模具的腔体充满；

拆除模块，用于在第一预设时长后，拆除所述模具，获取被固定浆包裹的岩样；

确定模块，用于在所述被固定浆包裹的岩样上确定盲孔的钻取方向，并钻取所述盲孔。

进一步地，所述装置还包括：

组装模块，用于组装底板和侧板，形成所述模具，并在所述模具的底板和侧板的内表面上均涂覆润滑剂。

进一步地，所述防水处理模块具体用于：

在所述立方体岩样的各个面上均涂覆防水涂层，并静置第二预设时长，以使所述防水涂层完全凝固。

本发明提供的倾斜地层真三轴压裂物理模拟实验的岩样加工方法和装置，通过将页岩露头分别沿平行层理面方向和垂直层理面方向加工成立方体岩样，对立方体岩样进行防水处理，形成防水岩样，在模具内注入预设体积的固定浆，再将防水岩样以防水岩样的层理面平行于竖直方向的位置放入模具内，并旋转预设角度，继续向模具内注入固定浆，直至固定浆充满模具的腔体，在第一预设时长后，拆除模具，获取被固定浆包裹的岩样，在被固定浆包裹的岩样上确定盲孔的钻取方向，并钻取盲孔，在加工岩样时，先对立方体岩样进行了防水处理，形成防水岩样，再将防水岩样以层理面平行于竖直方向的位置放入模具内，获得被固定浆包裹的岩样，实现了可以用最终获得的被固定浆包裹的岩样实现倾斜地层真三轴压裂物理模拟实验，并且，由于对立方体岩样进行了防水处理，在钻取盲孔的过程中使用冷却液时，层理面不会吸水，提高了岩样加工的成功率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为按照现有技术的方法得到的岩样的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的倾斜地层真三轴压裂物理模拟实验的岩样加工方法的流程示意图；

图3为图1所示实施中的立方体岩样的结构示意图；

图4为图1所示实施例中的模具的结构示意图；

图5为图1所示实施例中将防水岩样放入模具的俯视图；

图6为图1所示实施例中被固定浆包裹的岩样的俯视图；

图7为本发明实施例提供的倾斜地层真三轴压裂物理模拟实验的岩样加工装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

图2为本发明实施例提供的倾斜地层真三轴压裂物理模拟实验的岩样加工方法的流程示意图。如图2所示，本实施例提供的倾斜地层真三轴压裂物理模拟实验的岩样加工方法包括如下步骤：

S201：将页岩露头分别沿平行层理面方向和垂直层理面方向加工成立方体岩样。

具体地，页岩露头为在室外开采得来。对该页岩露头分别沿平行层理面和垂直层理面方向进行切割可得到立方体岩样。

立方体岩样的尺寸可以根据真三轴压裂物理模拟装置的腔体尺寸及待模拟的倾斜地层的倾角进行确定。或者，该立方体岩样的大小可以根据经验数据进行确定。本实施例对此不做限制。

图3为图1所示实施中的立方体岩样的结构示意图。如图3所示，本实施例中的立方体岩样31同样具有层理面52。

S202：对立方体岩样进行防水处理，形成防水岩样。

具体地，在将页岩露头加工成立方体岩样后，对该立方体岩样进行防水处理。

在一种可能的实现方式中，可以按照如下方式进行防水处理：在该立方体岩样的各个面上均涂覆防水涂层，并静止第二预设时长，以使防水涂层完全凝固。第二预设时长可以根据经验数据进行设定，例如，第二预设时长可以是48小时。在涂覆防水涂层时，可以按照现有技术中涂覆防水涂层的方式进行涂覆。

可选的，防水涂层可以是环氧树脂胶。

S203：在模具内注入预设体积的固定浆，再将防水岩样以防水岩样的层理面平行于竖直方向的位置放入模具内，并旋转预设角度。

具体地，模具是由一块底板和四块侧板组成的上端开口的立方体。图4为图1所示实施例中的模具的结构示意图。如图4所示，模具53包括底板531和四块侧板532。四块侧板532分别设置于底板531上。侧板532之间可以使用四角螺栓533进行固定。模具腔体的尺寸与真三轴压裂物理模拟装置腔体的尺寸匹配。可选的，模具腔体的尺寸与真三轴压裂物理模拟装置腔体的尺寸相等。

固定浆用于将防水岩样包裹，以使该防水岩样可以用于倾斜地层真三轴压裂物理模拟实验。在实际操作中，按照抗压强度，固定浆可以是水泥浆。按照粘结效果，确定水泥浆中的水灰比。

在调配好水泥浆后，在模具内注入预设体积的固定浆。可选的，注入的固定浆的体积可以为模具腔体体积的三分之一。

在将防水岩样放入已注入了固定浆的模具中时，可以使用吊装带将防水岩样以防水岩样的层理面平行于竖直方向的位置放入模具内。之后，将该防水岩样旋转一定的角度，以使防水岩样垂直于底板的两条相邻的棱可以与模具的侧板相接触。

图5为图1所示实施例中将防水岩样放入模具的俯视图。如图5所示，防水岩样51以层理面52平行于竖直方向的位置放入模具53中，并旋转预设角度后，防水岩样51与模具53的侧板532接触。

可选的，固定浆可以是油井水泥。更具体的，固定浆可以是G级油井水泥。

S204：继续向模具内注入固定浆，直至固定浆充满模具的腔体。

具体地，在将防水岩样放入模具内后，继续向模具内注入固定浆，以使固定浆将模具的腔体充满。

S205：在第一预设时长后，拆除模具，获取被固定浆包裹的岩样。

具体地，在注入固定浆使其充满模具的腔体后，将模具静置第一预设时长后，拆除模具，即可以得到被固定浆包裹的岩样。

静置第一预设时长是为了让固定浆完全凝固。第一预设时长可以根据经验数据进行设定。

图6为图1所示实施例中被固定浆包裹的岩样的俯视图。如图6所示，被固定浆包裹的岩样61包括防水岩样51和固定浆62，固定浆62将防水岩样51包裹。

S206：在被固定浆包裹的岩样上确定盲孔的钻取方向，并钻取盲孔。

具体地，可以根据需要模拟的倾斜地层的倾角，确定盲孔的钻取方向。

请继续参照图6，图6中示出的是被固定浆包裹的岩样的俯视图。其层理面52与水平面的夹角即为倾斜地层的倾角。

如果确定要模拟倾斜地层的倾角为θ，则确定盲孔的钻取方向为方向63；如果确定要模拟倾斜地层的倾角为β，则确定盲孔的钻取方向为方向64。如果确定盲孔的钻取方向为方向63，则在实际钻取盲孔时，需要将图6所示的被固定浆包裹的岩样向上翻转90°，再进行钻取盲孔；如果确定盲孔的钻取方向为方向64，则在实际钻取盲孔时，需要将图6所示的被固定浆包裹的岩样向右翻转90°，再进行钻取盲孔。可以理解的是，盲孔的底部大致位于防水岩样51的中心位置处。

根据不同的模具尺寸(也即，真三轴压裂物理模拟装置的腔体尺寸)和不同的防水岩样的尺寸，可以得到不同的θ值，因此，被固定浆包裹的岩样可以实现模拟0°-90°之间的任一地层倾角。

需要说明的是，按照钻取方向63钻取盲孔，最终得到的被固定浆包裹的岩样可以进行倾斜地层中直井压裂的物理模拟实验。按照钻取方向64钻取孔，最终得到的被固定浆包裹的岩样可以进行倾斜地层中水平井压裂的物理模拟实验。

需要说明的是，根据本实施例提供的岩样加工方法得到的岩样，由于盲孔最终开设在防水岩样51上，而防水岩样51是真实的页岩露头加工而成，因此，相较于人造岩样，可以反映地层的非均质性。

本实施例提供的倾斜地层真三轴压裂物理模拟实验的岩样加工方法，通过将页岩露头分别沿平行层理面方向和垂直层理面方向加工成立方体岩样，对立方体岩样进行防水处理，形成防水岩样，在模具内注入预设体积的固定浆，再将防水岩样以防水岩样的层理面平行于竖直方向的位置放入模具内，并旋转预设角度，继续向模具内注入固定浆，直至固定浆充满模具的腔体，在第一预设时长后，拆除模具，获取被固定浆包裹的岩样，在被固定浆包裹的岩样上确定盲孔的钻取方向，并钻取盲孔，在加工岩样时，先对立方体岩样进行了防水处理，形成防水岩样，再将防水岩样以层理面平行于竖直方向的位置放入模具内，获得被固定浆包裹的岩样，实现了可以用最终获得的被固定浆包裹的岩样实现倾斜地层真三轴压裂物理模拟实验，并且，由于对立方体岩样进行了防水处理，在钻取盲孔的过程中使用冷却液时，层理面不会吸水，提高了岩样加工的成功率。

进一步地，在上述实施例中，在S203之前，该方法还包括：组装底板和侧板，形成模具，并在模具的底板和侧板的内表面上均涂覆润滑剂。可选的，在实际操作中，润滑剂可以是黄油。涂覆润滑剂后，可以使得在S205中拆除模具时拆卸方便，提高工作效率。

进一步地，在上述实施例中，在S201之前，该方法还包括：根据真三轴压裂物理模拟装置的腔体尺寸及待模拟的倾斜地层的倾角确定所述立方体岩样的尺寸。在一种可能的实现方式中，可以根据公式：

(1-2cos²θ)x²+2cosθxy-y²＝0确定立方体岩样的尺寸，其中，x表示立方体岩样的棱长，θ表示待模拟的倾斜地层的倾角，y表示真三轴压裂模拟装置的腔体的尺寸。在此种实现方式中，立方体岩样可以是正方体。举例来说，如果θ为64°，y为400mm，则可以确定立方体岩样的尺寸为300mm。

可选的，在上述实施例中，在S204之后，该方法还包括：在固定浆表面标注防水岩样的层理面的方向，形成层理面方向线。请继续参照图6，可以在固定浆表面标注指示防水岩样51的层理面52的方向的层理面方向线65。则相应地，S205可以是：根据层理面方向线65确定盲孔的钻孔方向。在标注出层理面方向线65后，即可直观地观察到层理面52与水平方向的夹角，从而，便于快速确定盲孔的钻孔方向。

图7为本发明实施例提供的倾斜地层真三轴压裂物理模拟实验的岩样加工装置的结构示意图。如图7所示，本发明实施例提供的倾斜地层真三轴压裂物理模拟实验的岩样加工装置，包括：加工模块71、防水处理模块72、注入模块73、拆除模块74以及确定模块75。

加工模块71，用于将页岩露头分别沿平行层理方向和垂直层理方向加工成立方体岩样。

防水处理模块72，用于对立方体岩样进行防水处理，形成防水岩样。

具体地，防水处理模块72具体用于：在立方体岩样的各个面上均涂覆防水涂层，并静置第二预设时长，以使防水涂层完全凝固。

注入模块73，用于在模具内注入预设体积的固定浆，再将防水岩样以防水岩样的层理面平行于竖直方向的位置放入模具内，并旋转预设角度，以及，用于继续向模具内注入固定浆，直至固定浆将模具的腔体充满。

拆除模块74，用于在第一预设时长后，拆除模具，获取被固定浆包裹的岩样。

确定模块75，用于在被固定浆包裹的岩样上确定盲孔的钻取方向，并钻取盲孔。

本发明实施例提供的装置具体用于执行本发明实施例图2所示的方法实施例，其实现过程和技术原理类似，此处不再赘述。

本实施例提供的倾斜地层真三轴压裂物理模拟实验的岩样加工装置，通过设置加工模块，用于将页岩露头分别沿平行层理面方向和垂直层理面方向加工成立方体岩样，防水处理模块，用于对立方体岩样进行防水处理，形成防水岩样，注入模块，用于在模具内注入预设体积的固定浆，再将防水岩样以防水岩样的层理面平行于竖直方向的位置放入模具内，并旋转预设角度，以及，用于继续向模具内注入固定浆，直至固定浆充满模具的腔体，拆除模块，用于在第一预设时长后，拆除模具，获取被固定浆包裹的岩样，确定模块，用于在被固定浆包裹的岩样上确定盲孔的钻取方向，并钻取盲孔，在加工岩样时，先对立方体岩样进行了防水处理，形成防水岩样，再将防水岩样以层理面平行于竖直方向的位置放入模具内，获得被固定浆包裹的岩样，实现了可以用最终获得的被固定浆包裹的岩样实现倾斜地层真三轴压裂物理模拟实验，并且，由于对立方体岩样进行了防水处理，在钻取盲孔的过程中使用冷却液时，层理面不会吸水，提高了岩样加工的成功率。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。