用于水力压裂模拟实验的裂缝表征方法与流程

本发明涉及油田开发水力压裂技术领域，具体涉及一种水力压裂物理模拟实验裂缝形态分析方法，用于研究裂缝起裂和扩展机理，即一种用于水力压裂模拟实验的裂缝表征方法。

背景技术：

目前随着致密油气、煤层气和页岩气等非常规油气藏的大规模开发，水力压裂技术变得尤为重要。水力压裂现场迫切需要基础研究给予支持，需要认识裂缝扩展规律及复杂裂缝形态，指导储层改造实现效益开发。大型全三维水力压裂物理模拟实验(简称大物模)可实现大尺寸岩石样品(简称岩样)(762mmX762mmX914mm)压裂过程模拟，研究不同岩性、应力、压裂液和射孔方式条件下水力裂缝起裂扩展规律，为压裂理论的研究和论证提供一种重要的手段。

实验配备了声发射监测系统，可实时动态监测裂缝的起裂、延伸和扩展。但精度有限，不可能与真实裂缝完全对应。选择荧光剂或染料作为示踪剂，制作压裂液，实验后剖开岩石样品，获得裂缝形态，但只能采用简单拍照的手段记录裂缝，不能直观三维显示裂缝形态。

综上所述，现有技术中存在以下问题：只能采用简单拍照的手段记录裂缝，不能直观三维显示裂缝形态。

技术实现要素：

本发明提供一种用于水力压裂模拟实验的裂缝表征方法，以解决只能采用简单拍照的手段记录裂缝，不能直观三维显示裂缝形态的问题。

为此，本发明提出一种用于水力压裂模拟实验的裂缝表征方法，所述用于水力压裂模拟实验的裂缝表征方法包括以下步骤：

步骤A:加工制作岩石样品；

步骤B:然后对所述岩石样品加载三向围压，然后采用具有示踪剂的压裂液对所述岩石样品进行压裂模拟实验，得到压裂后具有裂缝的岩石样品；

步骤C:压裂模拟实验后，提出所述具有裂缝的岩石样品，采用三维激光扫描仪对水力压裂模拟实验后压裂液波及的裂缝表面进行三维扫描，得到采集的信息，所述信息包括：包含位置信息的点云数据，及彩色照片信息；

步骤D:对扫描的点云用逆向方法进行三角网格化处理，重建具有真实表面纹理和真彩色的三维裂缝。

进一步的，步骤C具体为：将所述具有裂缝的岩石样品切割或剥离成多个区块，然后进行分区块扫描，每个区块单独扫描所得的信息形成一个独立文件；

步骤D中，进一步为步骤D1：将各所述独立文件通过逆向工程软件拼接为一个整体，得到一个整体文件。

进一步的，所述扫描速率高达18000点/秒，精度0.1mm。

进一步的，步骤A具体为：将岩石样品切割成实验用的长方体，然后在所述长方体上进行钻井筒、固井、在所述岩石样品表面切槽、以及布设声发射传感器。

进一步的，步骤B中，通过将所述岩石样品放置于全三维真三轴加载框架内，加载三向围压。

进一步的，所述示踪剂为荧光粉或染料。

进一步的，步骤C1中，采用手持式三维激光扫描仪，利用非接触式光学测量技术直接获得各区块的三维点数据，实现曲面的三维数据采集以及颜色的信息，所述点云数据由多个三维点数据形成。

进一步的，每个区块分别具有各自的局部坐标系，将各局部坐标系通过坐标变换统一到一个整体坐标系中，从而把各区块的三维点数据合成完整的三维物体的三维点数据。

进一步的，步骤C中，所述岩石样品为砂岩时，切割后只显示裂缝线，需要手工勾勒出裂缝的边界，画出裂缝。

进一步的，步骤C中，岩石样品表面贴三维激光扫描仪用的标志点，所述标志点位于所述裂缝之外。

进一步的，所述标志点为反光片。

进一步的，所述标志点的数目为多个，相邻两个所述标志点的距离大于等于5mm，小于等于30mm，每次扫描范围内至少包含四到五个标志点。

进一步的，对于岩石样品为页岩或煤岩，对扫描到的裂缝进行裁剪和删掉噪音点。

进一步的，所述区块为N个，所述独立文件为N个，每个独立文件包含一块岩石样品的数据，N个包含N块岩石样品的数据，所述步骤D包括：

步骤D11：以岩石样品东北角为原点位置，确定原点位置后，沿三条岩石样品边界画三条特征直线，作为对齐的标尺，把三条特征直线与全局坐标对齐，创建对，这样就把第一块岩石样品相对坐标转化为绝对坐标；

步骤D12：然后再导入第二块数据，利用软件手动注册功能，实现第二块数据的坐标与前一块数据的坐标对齐，分别在第一块岩石样品和第一块岩石样品上找到明显对应的特征点，选择要对齐的特征点数量至少为三个，利用这几个特征点实现第一块岩石样品的数据和第一块岩石样品的数据的对齐。

进一步的，按照所述步骤D2导入下一块数据，直至对齐所有N块的数据，形成一个完成的岩石样品。

本发明的有益效果是：实验后对水力压裂裂缝形态进行三维激光高精度扫描，可实现对不同形态和颜色的岩石真彩色裂缝形态的精确表征，更加直观、三维、全方位了解裂缝形态，方便裂缝信息的存储、显示和分析，建立大物模实验数字化博物馆，无需大量保存实验后的实体岩样。建立的数字模型，也可方便进行水力压裂机理、流固耦合模拟和有限元分析，是进行裂缝扩展机理研究的配套工具。

附图说明

图1为本发明的用于水力压裂模拟实验的裂缝表征方法的工作流程示意图；

图2为本发明中压裂后的岩石样品的结构示意图；

图3经过本发明的用于水力压裂模拟实验的裂缝表征方法处理后得到的裂缝表征图像的示意图。

附图标号说明：

1岩石样品(岩样) 2井筒 4裂缝(形态) 5区块 6原点位置 7边界 8井筒信息(井筒图像) 9裂缝信息(裂缝图像) 10棱线 51第一区块 52第二区块 53第三区块 54第四区块 55第五区块 56第六区块

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。

本发明提出一种用于水力压裂模拟实验的裂缝表征方法，如图1所示，所述用于水力压裂模拟实验的裂缝表征方法包括以下步骤：

步骤A(例如为步骤S101):加工制作岩石样品；选取要做模拟实验的岩石样品1(岩石样品可以为砂岩、页岩和煤岩等)，将所述的岩石样品切割成实验用的标准尺寸762mm*762mm*914mm，再进行钻井筒2，固井；岩石样品表面切槽布设声发射传感器等操作；

步骤B(例如为步骤S102):然后对所述岩石样品加载三向围压，例如，把准备好的岩石样品放置于全三维真三轴加载框架内，根据实际地层应力状态加载三向围压，然后采用具有示踪剂的压裂液对所述岩石样品进行压裂模拟实验，得到压裂后具有彩色的裂缝(形态)4的岩石样品；

步骤C(例如为步骤S103):压裂模拟实验后，提出所述具有裂缝的岩石样品，按照压后岩样外表的裂缝形态、声发射监测结果、加载应力情况，有目的的解剖岩样，采用三维激光扫描仪对水力压裂模拟实验后压裂液波及的裂缝表面进行三维扫描，得到采集的信息，所述信息包括：包含位置信息(例如为三维坐标)的点云数据，及彩色照片信息；两者相互耦合，形成一套完整的数据；所述点云数据是各点数据的集合或多个点数据的集合，各点数据是各点的位置信息或者各点的三维坐标，也称为三维点数据；

步骤D(例如为步骤S104):对扫描的点云用逆向方法进行三角网格化处理，例如，通过逆向工程软件进行三角网格化处理，重建具有真实表面纹理和真彩色的三维裂缝。

进一步的，如图2所示，步骤C具体为：将所述具有裂缝的岩石样品切割或剥离成多个区块5，然后进行分区块扫描，每个区块单独扫描所得的信息(包含位置信息的点云数据，及彩色照片信息)形成一个独立文件；这样，可以分别扫描，将复杂裂缝分块化，能够得到复杂裂缝的完整信息；

步骤D中，进一步为步骤D1：将各所述独立文件通过逆向工程软件拼接为一个整体，得到一个整体文件。例如通过Geomagic Studio 3D逆向工程软件中将它们拼接为一个整体，为扫描大物体和复杂物体提供方便。

进一步的，所述扫描速率高达18000点/秒，精度0.1mm，这样，扫描得到的信息比较精确。

进一步的，所述示踪剂为荧光粉或染料，以得到裂缝的色彩。

进一步的，步骤C1中，采用手持式三维激光扫描仪，利用非接触式光学测量技术直接获得各区块的三维点数据，这样，扫描迅速方便，可以快速实现复杂曲面的三维数据采集以及颜色的信息，所述点云数据由多个三维点数据形成。

进一步的，每个区块分别具有各自的局部坐标系，将各局部坐标系通过坐标变换统一到一个整体坐标系中，从而把各区块的三维点数据合成完整的三维物体的三维点数据。

进一步的，步骤C中，所述岩石样品为砂岩时，切割后只显示裂缝线，需要手工勾勒出裂缝的边界，画出裂缝。砂岩的性质较为致密，压裂时，裂缝形态单一，切割后只显示裂缝线，就需要手工勾勒出裂缝的边界，画出裂缝，然后对画出的裂缝进行扫描，这样，得到较好的扫描效果。首先利用曲线创建功能，根据需要创建曲线，可以改变控制点的数目来调整曲线。再转化为自由曲线，进行重新采样，然后创建点，再填充孔，封装，最后形成一个完整的曲面。对于只露出线的岩样，重新采样，可以用曲线通过四个边界线等方法生成曲面，进行封装。

进一步的，对于岩石样品为页岩或煤岩，对扫描到的裂缝进行裁剪和删掉噪音点，以得到有效的数据。

进一步的，步骤C中，岩石样品表面贴三维激光扫描仪用的标志点，所述标志点位于所述裂缝之外，用于扫描岩石样品的轮廓。标志点具有粘性，可以粘贴在岩样表面，便于扫描和安放。

进一步的，所述标志点为反光片，例如为具有高反射特性的黑色轮廓标志点(反光片)，以适合三维激光扫描仪的扫描。

进一步的，所述标志点的数目为多个，相邻两个所述标志点的距离大于等于5mm，小于等于30mm，每次扫描范围内至少包含四到五个标志点。标志点的布设可以根据不同的精度需要选择不同的数量，保证每次扫描范围内至少包含四到五个标志点，标志点应随机粘贴。对于平坦的裂缝表面，标志点的数量可以少些，粘贴距离要小于100mm；曲率越高的地方，标志点的数量应该越多，粘贴距离小于30mm为宜，可根据扫描清晰程度确定。也可以扫描过程中添加和删除目标点。三维激光扫描过程中扫描软件能够自动识别标志点，并将数据自动拼接起来。标志点可实现分区块扫描，每个区块单独扫描成一个独立文件，后期在Geomagic Studio 3D逆向工程软件中将它们拼接为一个整体，为扫描大物体和复杂物体提供方便。

进一步的，所述区块为N个，图2中，N为6个，所述独立文件为N个，每个独立文件包含一块岩石样品的数据，N个独立文件包含N块岩石样品的数据，所述步骤D包括：

步骤D11：以岩石样品东北角为原点位置，以保证与声发射监测坐标系一致，确定原点位置后，沿三条岩石样品边界画三条特征直线，作为对齐的标尺，把三条特征直线与全局坐标对齐，这样就把第一块岩石样品相对坐标转化为绝对坐标；

步骤D12：然后再导入第二块数据，利用软件手动注册功能，实现第二块数据的坐标与前一块数据的坐标对齐，分别在第一块岩石样品和第一块岩石样品上找到明显对应的特征点，选择要对齐的特征点数量至少为三个，利用这几个特征点实现第一块岩石样品的数据和第一块岩石样品的数据的对齐。

进一步的，按照所述步骤D2导入下一块数据，直至对齐所有N块的数据，形成一个完成的岩石样品。进一步的然后，画出整块岩样的边界，即长方体框架的12个棱线。再利用作图功能，画出井筒，这样所有裂缝就在框架内。进一步的，只显示裂缝信息9、整个岩样的框架和井筒信息，截图、录制视频或输出与CAD/CAM/CAE匹配的文件格式的裂缝数据。导出的裂缝数据和声发射监测定位数据叠加在一起，对水力压裂裂缝形态和机理研究具有重要的指导意义。

下面再描述一下具体的工作工程或表征方法：

选取要做模拟实验的岩石样品1，也简称岩样(砂岩、页岩或煤岩等)，将所述的岩样切割成实验用的标准尺寸762mm*762mm*914mm，再进行钻井筒2，固井，如图1所示，。岩样表面切槽布设声发射传感器等操作。

把准备好的岩样放置于全三维真三轴加载框架内，根据实际地层应力状态加载三向围压，采用荧光粉/染料做示踪剂的压裂液进行压裂模拟实验。

实验后提出岩样，按照压后岩样外表的裂缝(形态，即裂缝实体)4、声发射监测结果、加载应力情况，如图2所示，有目的的解剖岩样。致密砂岩采用串珠式切割机进行切割，对于裂缝较复杂的页岩和煤岩需先切割，再进行手工剥离的办法，使裂缝形态得到显示。根据需要把岩样分离成N块，编号1、2、3……N，例如图2中分为6个区块，分别为第一区块51，第二区块52，第三区块53，54第四区块54，第五区块55，第六区块56，每个区块均可以为长方体，但根据裂缝形态的分布，各区块的大小和外围尺寸有可能不同，各区块中，有的区块排布有的是平行并排排布，有的区块是相互垂直排布。观察压裂液波及的裂缝表面，对裂缝形态进行分析。

岩样表面贴三维激光扫描仪专用的标志点，该标志点具有高反射特性的黑色轮廓标志点(反光片)，标志点具有粘性，可以粘贴在岩样表面。

标志点的布设可以根据不同的精度需要选择不同的数量，保证每次扫描范围内至少包含四到五个标志点，标志点应随机粘贴。对于平坦的裂缝表面，标志点的数量可以少些，粘贴距离要小于100mm；曲率越高的地方，标志点的数量应该越多，粘贴距离小于30mm为宜，可根据扫描清晰程度确定。也可以扫描过程中添加和删除目标点。三维激光扫描过程中扫描软件能够自动识别标志点，并将数据自动拼接起来。

标志点可实现分区块扫描，每个区块单独扫描成一个独立文件，后期在Geomagic Studio3D逆向工程软件中将它们拼接为一个整体，为扫描大物体和复杂物体提供方便。

连接仪器和移动工作站，启动软件，进入软件操作界面，设置采集参数。再进行仪器校准，纠正传感器参数。采用高配置(内存64G)的移动工作站便于数据的处理和不同地点的采集。

用三维激光扫描仪进行扫描，采集到的信息分为两部分，包含精确位置信息的点云数据，及彩色照片信息，两者相互耦合，形成一套完整的数据。采样速率可高达18000点/秒，精度0.1mm。

扫描的距离大约30cm，距离的远近会有指示灯指示。首先，保证扫描精确和完整性，扫描表面前，要扫描全部定位目标点，整块岩样的轮廓显示出来。然后进行精细扫描，扫描过程中可实时观测扫描的质量，便于修补和多次扫描，保证扫描数据质量。对于曲率比较大的凹槽、凸起和棱角，要精细扫描，速度要慢些，可从多个角度扫描，避免死角。对于有示踪剂显示的的线性裂缝，要重点扫描，标记不清晰的，可用铅笔描出裂缝，方便扫描。最后完成一整块数据的扫描后，可以将扫描数据导入多边形模型(.stl)。

数据有N块，重复区块扫描的步骤，直至扫描完所有岩块或区块。完成数据的扫描后，使用Geomagic Studio 3D逆向工程软件做后期处理工作。

数据预处理。使用Geomagic Studio 3D逆向工程软件依次完成1、2、3……N块点云的导入、剔除原始点云中的错误点和含有误差的点。

点云注册拼接是点云数据处理的关键技术之一，把各个局部坐标系通过坐标变换统一到一个坐标系中，从而把多个扫描数据合成完整的三维物体。

第1块岩样坐标的转换：为了保证与声发射监测坐标系一致，一般以岩样东北角为原点位置6，确定原点位置，沿三条岩样边界画三条特征直线，作为对齐的标尺，把三条特征直线与全局坐标对齐，创建对，这样就把第1块岩样相对坐标转化为绝对坐标。

区块数据导入：再导入第2块数据，利用软件手动注册功能，实现坐标与前一块对齐，选择固定第1块岩样(的数据)，浮动第2块岩样(的数据)，分别在两块岩样上找到明显对应的特征点，选择要对齐的特征点数量至少为三个，利用这几个特征点实现第1块岩样和第2块岩样数据的对齐。

数据有N块，重复区块数据导入步骤，直至对齐所有N块的数据，形成一个完成的岩样。

岩样进行分块分别化处理：对上述导入的岩样进行分块分别化处理，可以单独显示单块岩样的数据，分别勾画出裂缝形态。

致密砂岩，裂缝形态单一，切割后只显示裂缝线，就需要手工勾勒出裂缝的边界，画出裂缝。首先利用曲线创建功能，根据需要创建曲线，可以改变控制点的数目来调整曲线。再转化为自由曲线，进行重新采样，然后创建点，再填充孔，封装，最后形成一个完整的曲面。对于只露出线的岩样，重新采样，可以用曲线通过四个边界线等方法生成曲面，进行封装。

页岩和煤岩，裂缝形态复杂，扫描到的裂缝即为实际裂缝形态，只需进行裁剪和删掉噪音点即可。

数据有N块，重复岩样进行分块分别化处理的步骤，直至处理完所有N块的裂缝数据，形成整块完整的裂缝形态显示，即裂缝信息(裂缝图像)9。

如图3所示，画出整块岩样的边界7，即长方体框架的12个棱线10。再利用作图功能，画出井筒信息(井筒图像)8，这样所有裂缝就在框架内。

只显示裂缝信息(裂缝图像)9、整个岩样的框架或边界7和井筒信息(井筒图像)8，截图、录制视频或输出与CAD/CAM/CAE匹配的文件格式的裂缝数据。

导出的裂缝数据和声发射监测定位数据叠加在一起，对水力压裂裂缝形态和机理研究具有重要的指导意义。

本发明采用非接触式光学测量技术直接获得高精度三维点数据，能够对不同形态和颜色的岩石进行扫描，更加直观、三维和全方位了解裂缝形态，且不受环境、地点的限制。方便实验后的裂缝信息的存储、显示和分析。建立的数字模型，也可方便进行水力压裂机理、流固耦合模拟和有限元分析。

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。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，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。