一种水力压裂可视化室内实验装置及试验方法

本发明涉及一种水力压裂可视化室内实验装置及试验方法，属于水力压裂物理模拟技术的。

背景技术：

1、水力压裂技术迫使高压流体泵入地层，所形成的裂缝网络为地下油气资源提供了通道，使页岩、砂岩等非常规致密储层开发成为可能。通过室内物理模拟实验的方法研究水力压裂机理，能进一步明晰压裂流体与储层岩石的相互关系，可为现场施工方案制定提供理论支撑。

2、进行室内水力压裂物理模拟实验时，当注入流体压力引发实验试样发生力学破坏时，将形成一条至多条水力裂缝开启模拟岩样。这一过程中，水力裂缝存在起裂和扩展两个关键力学行为。传统室内水力压裂实验试样通常为现场取芯或由水泥浇筑而成，且制成的试样需放入三轴压力加载平台中施加围压。要想研究水力压裂对储层的改造机理，研究人员需凿开压后试样，通过观察带有颜色压裂液的染色范围来推测水力裂缝的发育机制，这样的方式存在以下弊端：1、凿开实验试样的方式破坏了试样本身的完整性，易出现试样损坏程度过大而无法还原水力裂缝扩展轨迹的问题；2、重构的水力裂缝仅能反演压裂流体的流动轨迹，无法描述随压裂流体不断注入，水力裂缝从萌生到扩展的动态发育过程。因此，有必要研制一种水力压裂可视化室内实验装置及实验方法，从而揭示不同条件下压裂流体对岩体动态断裂的影响规律。

3、现有的可视化压裂室内模拟装置主要分为以下两类：

4、1）实验装置可视：该类实验装置部分组件通常由透明材料制成，如发明专利“一种轻便、可视的水力压裂试验演示装置”（zl 202121047553.4）。该类装置将实验试样置于透明的承托平台之中，实验时可透过承托装置直接观测实验岩样。但此类装置的局限性在于，一方面，由于试样本身不透明，仍无法观测实验试样内部水力裂缝的扩展过程；同时，透明的承托平台大多采用亚克力板或其他低强度材质，随着围压增加，承托平台自身结构的稳定性也存在隐患；

5、2）实验试样可视：该类装置的实验试样通常由透明材料制成，如发明专利“一种多簇同步压裂可视化模拟装置、系统、制造方法 ”（cn 202010836804.0）。实验时，由于实验试样透明可视，仅需安装摄像装置对试样直接拍摄，即可实现对水力裂缝动态扩展的观测。但此类装置的弊端在于，承托试样平台需对模拟岩样施加围压，此时实验试样将被完全包覆，限制了观测装置的放置空间；该类装置围压加载系统的组件通常为钢制结构，包覆后易出现光线不足问题，进一步降低了成像品质；水力裂缝发育时在三维空间皆存在扩展，摄像机拍摄角度无法实现全面覆盖，对拍摄图像的再处理也会增加与真实裂缝扩展轨迹的差距。

6、水力压裂现场实验往往耗费大量人力和物力成本，研制可视化压裂实验装置、采用室内实验的研究方法是探究水力裂缝动态扩展规律的有效手段。当前的实验装置大多着眼于将部分组件或是实验试样用透明材质替换，采用观测或拍摄的方式研究水力裂缝动态扩展。由于组件或试样采用的透明材质通常为低强度塑料，且压裂装置内部腔体空间较小，无法摆放高精尖摄像设备，使得实验时加载围压和裂缝动态扩展刻画均存在诸多限制。要想精确还原水力裂缝动态扩展过程还需新的装置及实验方法。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种水力压裂可视化室内实验装置及试验方法，该实验装置够实现水力裂缝动态扩展时的三维成像，可进一步探究压裂施工时岩体起裂及裂缝发育机理。本发明的另一个目的是提供这种水力压裂可视化室内实验装置的实验方法。

2、为解决以上问题，本发明的具体技术方案如下：一种水力压裂可视化室内实验装置，在检测成像装置的顶部设有围压加载装置；其中围压加载装置包括围压加载装置外壳内设有正方体的实验试样，实验试样中相邻的三个面分别与试样承托外壳内表面接触，试样承托外壳的外表面通过承托柱与对应的围压加载装置外壳的内表面垂直设置；在另外的三个相邻面分别设有加压盘，在围压加载装置外壳的三个面上设有液压泵，液压泵的活塞杆伸入围压加载装置外壳内，并与对应的加压杆和加压盘连接。

3、所述的检测成像装置由控制面板和放射性检测平台组成。

4、所述的围压加载装置的外部设有压裂液储存罐，压裂液储存罐内设有放射性示踪剂；在实验试样的上顶面设有凹槽，凹槽内设有压裂管，高压管线穿过对应位置的加压盘与压裂管顶部连接；在围压加载装置外壳内表面设有放射性检测探头。

5、位于实验试样顶部的加压杆底部为空心管结构，对应位置的加压盘的中心设有通孔，高压管线穿过加压杆的空心管结构和加压盘的中心通孔，并与压裂管顶部连接。

6、所述的试样承托外壳和加压盘为陶瓷材质；承托柱、围压加载装置外壳和加压杆为高强度聚四氟乙烯材质。

7、采用水力压裂可视化室内实验装置的试验方法，包括以下步骤：

8、第一步：制作实验试样，外形尺寸为10 cm × 10 cm × 10 cm，实验试样端面平整光滑，制作过程时需将压裂管胶结于实验试样第凹槽内；

9、第二步：将实验试样放置于试样承托外壳之上，压裂管通过高压管线连接至压裂液储存罐；

10、第三步：启动液压泵，令加压盘贴紧实验试样，确定实验试样已被牢固安置于围压加载装置之中；

11、第四步：再次启动液压泵，将围压加载至实验设计数值；

12、第五步：从压裂液储存罐将带有放射性示踪剂的压裂液泵入至实验试样；

13、第六步：启动检测成像装置，放射性检测探头将对带有放射性示踪剂的压裂液流动情况进行监测，裂缝起裂后，压裂液沿扩展的裂缝流动，放射性示踪剂的三维运动信息将由控制面板直接输出；

14、第七步：待到达实验设计要求后，停止注入压裂液，释放围压，取出实验试样，进一步分析实验结果。

15、本发明采用上述结构，具有以下有益效果：

16、1、本发明通过放射性示踪剂动态监测原理实现水力压裂裂缝扩展可视化，可满足现场岩样及自制水泥岩样等多种实验样品的裂缝扩展规律研究需求，突破了以往可视化压裂装置对实验试样材质的限制；

17、2、本发明负责承托实验试样及加载应力的组件皆由陶瓷和高强度聚四氟乙烯材质构成，解决了以往可视化压裂装置透明组件强度低的问题；承托外壳和应力加载组件无金属化的设计，能够最大限度保证放射性示踪剂检测结果的准确性；

18、3、本发明所得的放射性同位素监测数据具有三维特征，可直接实现水力裂缝在三维空间的动态扩展刻画，省去了传统实验流程中对压后岩样照片再处理的过程。

技术特征：

1.一种水力压裂可视化室内实验装置，其特征在于：在检测成像装置（13）的顶部设有围压加载装置（12）；其中围压加载装置（12）包括围压加载装置外壳（2）内设有正方体的实验试样（14），实验试样（14）中相邻的三个面分别与试样承托外壳（7）内表面接触，试样承托外壳（7）的外表面通过承托柱（6）与对应的围压加载装置外壳（2）的内表面垂直设置；在另外的三个相邻面分别设有加压盘（5），在围压加载装置外壳（2）的三个面上设有液压泵（1），液压泵（1）的活塞杆伸入围压加载装置外壳（2）内，并与对应的加压杆（3）和加压盘（5）连接。

2.如权利要求1所述的水力压裂可视化室内实验装置，其特征在于：所述的检测成像装置（13）由控制面板（10）和放射性检测平台（11）组成。

3.如权利要求1所述的水力压裂可视化室内实验装置，其特征在于：所述的围压加载装置（12）的外部设有压裂液储存罐（9），压裂液储存罐（9）内设有放射性示踪剂；在实验试样（14）的上顶面设有凹槽，凹槽内设有压裂管（15），高压管线（8）穿过对应位置的加压盘（5）与压裂管（15）顶部连接；在围压加载装置外壳（2）内表面设有放射性检测探头（4）。

4.如权利要求3所述的水力压裂可视化室内实验装置，其特征在于：位于实验试样（14）顶部的加压杆（3）底部为空心管结构，对应位置的加压盘（5）的中心设有通孔，高压管线（8）穿过加压杆（3）的空心管结构和加压盘（5）的中心通孔，并与压裂管（15）顶部连接。

5.如权利要求1所述的水力压裂可视化室内实验装置，其特征在于：所述的试样承托外壳（7）和加压盘（5）为陶瓷材质；承托柱（6）、围压加载装置外壳（2）和加压杆（3）为高强度聚四氟乙烯材质。

6.采用权利要求1所述的水力压裂可视化室内实验装置的试验方法，其特征在于包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及一种水力压裂可视化室内实验装置，在检测成像装置的顶部设有围压加载装置；其中围压加载装置包括围压加载装置外壳内设有正方体的实验试样，实验试样中相邻的三个面分别与试样承托外壳内表面接触，试样承托外壳的外表面通过承托柱与对应的围压加载装置外壳的内表面垂直设置；在另外的三个相邻面分别设有加压盘，在围压加载装置外壳的三个面上设有液压泵，液压泵的活塞杆伸入围压加载装置外壳内，并与对应的加压杆和加压盘连接。该实验装置够实现水力裂缝动态扩展时的三维成像，可进一步探究压裂施工时岩体起裂及裂缝发育机理。

技术研发人员：刘佳,丛子渊,呼布钦,彭根博,杜童,杨砚茹
受保护的技术使用者：辽宁大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14