一种渗流力大小及其对地层有效应力影响的测量装置及方法与流程

本发明涉及油气田开发技术领域，具体涉及一种渗流力大小及其对地层有效应力影响的测量装置及方法。

背景技术：

水力压裂技术是非常规油气储层油气开采的重要手段。其核心思想是通过向地层裂缝中注入大排量的高压流体，迅速提高缝内压力，使裂缝沿尖端产生破裂和延伸。然而同时，高压流体也会沿裂缝壁面产生滤失，由作用力与反作用力的原理可知，这部分滤失掉的流体，在较高压力梯度下会在裂缝壁面附近产生随裂缝面距离变化而变化的附加力，改变裂缝性地层原有的有效应力，我们将这种力称为渗流力。

渗流力的概念目前仅被应用于土力学，用来研究流体在土体中渗流时，沿流体流动方向对土颗粒的推动、摩擦和拖曳作用，它们综合形成的作用于土骨架的力。现有关于渗流力的量测装置及方法都是基于土体颗粒的，由于土颗粒松散的结构特征，不需要考虑垂直于流体流动方向的有效应力变化，且不适用于测量坚硬裂缝性地层在高压流体作用下产生的渗流力，使得试验量测和计算方式均不能满足对于裂缝性地层的研究。

在目前的水力压裂试验中，试样中孔隙压力为定值，没有对裂缝壁面附近渗流力大小及渗流力引起的裂缝性地层有效应力进行测量的装置及方法。鉴于现有技术的渗流力测量方法没有将坚硬的裂缝性地层纳入考虑范围，而水力压裂试验又没有对渗流力进行研究，不能真实反映水力压裂时裂缝壁面附近有效应力变化。因此提出一种新的测试装置及方法，用来计算在高注入压力下产生的渗流力大小及其对裂缝性地层有效应力的改变。

技术实现要素：

针对现有技术只是对土体颗粒模型下渗流力进行测量实验的技术现状，本发明的目的旨在提供一种渗流力大小及其对地层有效应力影响的测量装置及方法，适用于裂缝性地层受渗流力作用时。

本发明提供的一种渗流力大小及其对地层有效应力影响的测量装置及方法，测量装置包括：下承载台，下承载台上部固定有压力测试装置，水储集室，水储集室安装有渗出水排放管，下承载台上部安装有围压加载室，并且围压加载室外部安装有非接触式三维形变测量系统，下承载台放置样品，样品的外壁等间距分布有10个测点，样品上端面和下端面分别放置有上渗透性承压钢片和下渗透性承压钢片，样品放置在透明橡胶套内部，上渗透性承压钢片的上面设置轴压加载装置，轴压加载装置与轴压伺服电机相连接，上渗透性承压钢片通过钢管线分别与真空泵和孔压加载系统连接，围压加载室通过钢管线与围压加载系统连接，围压加载室的外壁一侧设置有透明观测窗，轴压伺服电机、围压加载系统、孔压加载系统、真空泵、非接触式三维变形测量系统、流压传感器、压力测试装置均与终端控制系统电连接。

进一步的，渗出水排放管安装有阀门。

进一步的，围压加载室由外壁和端盖构成，端盖安装有排气阀。

进一步的，孔压加载系统、围压加载系统、真空泵连接的钢管线上安装有阀门。

一种渗流力大小及其对地层有效应力影响的测量方法，包括以下步骤：

(1)利用钻井工具取地下岩心，选取结构完整的岩心，并加工成直径50cm、高100cm的圆柱形样品，将样品置于围压加载室，在样品的外壁自上而下等间距标记11个点作为测点，分别给样品的顶部和底部放置与样品半径相等的上渗透性承压钢片和下渗透性承压钢片，然后将样品套入透明橡胶套；

(2)打开真空泵，对样品进行两小时抽真空，然后关闭真空泵，通过非接触式三维形变测量系统，记录样品各测点轴向初始数据l00，l01，l02……，l10，横向初始数据d00，d01，d02……，d10；将10个测点分成5段，计算每段轴向初始量λ1(λ1＝l01-l00),依次类推计算λ2、λ3、λ4、λ5，计算每段横向初始量γ1(γ1＝(d01+d00)/2)，依次类推计算γ2、γ3、γ4、γ5；

(3)启动围压加载系统，向围压加载室注入流体，同时打开排气阀，直到流体注满围压加载室后关闭排气阀，将围压加载到预定值，并保持围压不变；

(4)启动轴压伺服电机，对样品施加偏压至预定值，并保持偏压大小不变；

(5)待样品变形稳定后，记录样品各测点轴向位移量l0，l1，l2……，l10，横向位移量d0，d1，d2……，d10，计算方法同步骤(2)，依次类推计算各段轴向变形量l1、l2、l3、l4、l5，横向变形d1、d2、d3、d4、d5，以及此时压力测试装置的数值f1；

由此得到无孔隙压力加载时样品各段轴向应变ε1和横向应变ε3分别为：

ε1＇＝(l1-λ1)/λ1，ε1″＝(l2-λ2)/λ2，同理可得ε1″＇、ε1″″、ε1″″＇，ε3＇＝(d1-γ1)/γ1，ε3″＝(d2-γ2)/γ2，同理可得ε3″＇、ε3″″、ε3″″＇；

根据公式可依次计算出样品五段的有效应力，分别为(σ1＇，σ3＇)，(σ1″，σ3″)，(σ1″＇，σ3″＇)，(σ1″″，σ3″″)，(σ1″″＇，σ3″″＇)，其中e为杨氏模量，μ为泊松比；

(6)启动孔压加载系统，向样品注流体，增大注入压力，并记录样品入口端孔隙压力值p1；

(7)调节孔压加载系统向样品注流体时，由于流体在样品中流动的滞后性，水储集室内压力逐渐升高，待到水压稳定后，通过流压传感器记录水储集室内压力p2、压力测试装置的数值f2；

(8)岩心渗流力测量值j＝f1-f2；

(9)根据渗流力计算公式j＇＝rw·i·v计算渗流力，其中p2＝rw·h2，其中rw为水重度，i为压力梯度，v为样品体积，h1、h2分别为p1和p2对应的水头；

(10)当时，得到样品对应轴压、围压及流压梯度下的渗流力为j，否则重复①～⑨的试验过程；

(11)记录并计算样品各测量点对应各段的轴向变形数据l1＇、l2＇……、l5＇，横向变形数据d1＇、d2＇……、d5＇，方法同步骤(2)；

(12)由此得到孔隙压力加载过程中样品各段轴向应变ε11和横向应变ε33分别为：

ε11＇＝(l1＇-λ1)/λ1，ε11″＝(l2＇-λ2)/λ2，同理可得ε11″＇、ε11″″、ε11″″＇，ε33＇＝(d1＇-γ1)/γ1，ε33″＝(d2＇-γ2)/γ2，同理可得ε33″＇、ε33″″、ε33″″＇；

同理由公式可依次计算出孔隙内有流体时五个测试段的有效应力，分别为(σ11＇，σ33＇)，(σ11″，σ33″)，(σ11″＇，σ33″＇)，(σ11″″，σ33″″)，(σ11″″′，σ33″″′)；

(13)各测点对应的测量段由渗流力产生的有效应力增量分别由公式：

σ轴′＝σ11′-σ1′，σ径′＝σ33′-σ3′；

σ轴″＝σ11″-σ1″，σ径″＝σ33″-σ3″；

σ轴″′＝σ11″′-σ1″′，σ径″′＝σ33″′-σ3″′；

σ轴″″＝σ11″″-σ1″″，σ径″″＝σ33″″-σ3″″；

σ轴″″′＝σ11″″′-σ1″″′，σ径″″′＝σ33″″′-σ3″″′。

依据步骤(13)得到的有效应力进行曲线拟合，从而确定样品在大小为j的渗流力作用下样品不同位置处有效应力变化规律。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、目前渗流力的测量装置只适用于松散土体，渗流力是通过水在水头压差下的自然渗流产生的，不适用于测量坚硬裂缝性地层在高压流体作用下产生的渗流力，本发明适用于测量裂缝性地层在水力压裂时产生的渗流力的大小。

2、在油田水力压裂试验中，都是将孔压和有效应力作为定值来考虑和计算的。本发明在提出地层渗流力的概念后，首次对裂缝性地层中渗流力作用下产生的随距离渐变的有效应力进行了计算。

3、有效应力相减的应力增量求取办法避免了实验操作过程中产生的系统误差，使得测试计算结果更加精确。

附图说明

图1为本发明测量装置结构示意图；

图2为样品的局部放大图。

图中：1下承载台，2渗出水排放管，3样品，4围压加载室，5排气阀，6轴压加载装置，7透明观测窗，8流压传感器，9非接触式三维形变测量系统，10围压加载系统，11真空泵，12孔压加载系统，13轴压伺服电机，14终端控制系统，15压力测试装置，16水储集室，17下渗透性承压钢片，18透明橡胶套，19测点，20上渗透性承压钢片，21端盖，22外壁，23阀门，24钢管线。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

本发明涉及一种渗流力大小及其对地层有效应力影响的测量装置，测量装置包括：

下承载台1，下承载台1上部固定有压力测试装置15，水储集室16，水储集室16安装有渗出水排放管2，下承载台1上部安装有围压加载室4，并且围压加载室4外部安装有非接触式三维形变测量系统9，下承载台1上放置样品3，样品的外壁等间距分布有10个测点19，样品的上端面和下端面分别放置有上渗透性承压钢片20和下渗透性承压钢片17，样品放置在透明橡胶套18内部，上渗透性承压钢片的上面设置轴压加载装置6，轴压加载装置6与轴压伺服电机13相连，上渗透性承压钢片20通过钢管线24分别与真空泵11和孔压加载系统12连接，围压加载室4通过钢管线24与围压加载系统10连接，围压加载室4的外壁一侧设置有透明观测窗7，轴压伺服电机13、围压加载系统10、孔压加载系统12、真空泵11、非接触式三维变形测量系统9、流压传感器8、压力测试装置15均与终端控制系统14电连接。

本实施例中，渗出水排放管2安装有阀门23。

本实施例中，围压加载室4由外壁22和端盖21构成，端盖21安装有排气阀5。

本实施例中，孔压加载系统12、围压加载系统10、真空泵11连接的钢管线上安装有阀门。

本发明还涉及一种渗流力大小及其对地层有效应力影响的测量方法，包括以下步骤：

(1)利用钻井工具取地下岩心，选取结构完整的岩心，并加工成直径50cm、高100cm的圆柱形样品，将样品3置于围压加载室4，在样品3的外壁自上而下等间距标记11个点作为测点19，分别给样品3的顶部和底部放置与样品3半径相等的上渗透性承压钢片20和下渗透性承压钢片17，然后将样品3套入透明橡胶套18。

(2)打开真空泵11，对样品3进行两小时抽真空，然后关闭真空泵11，通过非接触式三维形变测量系统9，记录样品3各测点19轴向初始数据l00，l01，l02……，l10，,横向初始数据d00，d01，d02……，d10；将11个测点分成5段，计算每段轴向初始量λ1(λ1＝l01-l00),依次类推计算λ2、λ3、λ4、λ5，计算每段横向初始量γ1(γ1＝(d01+d00)/2)，依次类推计算γ2、γ3、γ4、γ5；

(3)启动围压加载系统10，向围压加载室4注入流体，同时打开排气阀5，直到流体注满围压加载室4后关闭排气阀5，将围压加载到预定值，并保持围压不变；

(4)启动轴压伺服电机13，对样品3施加偏压至预定值，并保持偏压大小不变；

(5)待样品3变形稳定后，记录样品3各测点9轴向位移量l0，l1，l2……，l10，横向位移量d0，d1，d2……，d10，计算方法同步骤(2)，依次类推计算各段轴向变形量l1、l2、l3、l4、l5，横向变形d1、d2、d3、d4、d5，以及此时压力测试装置的数值f1；

由此得到无孔隙压力加载时样品3各段轴向应变ε1和横向应变ε3分别为：

ε1＇＝(l1-λ1)/λ1，ε1″＝(l2-λ2)/λ2，同理可得ε1″＇、ε1″″、ε1″″＇，ε3＇＝(d1-γ1)/γ1，ε3″＝(d2-γ2)/γ2，同理可得ε3″＇、ε3″″、ε3″″＇；

根据公式可依次计算出样品3五段的有效应力，分别为(σ1＇，σ3＇)，(σ1″，σ3″)，(σ1″＇，σ3″＇)，(σ1″″，σ3″″)，(σ1″″＇，σ3″″＇)，其中e为杨氏模量，μ为泊松比；

(6)启动孔压加载系统12，向样品3注流体，增大注入压力，并记录样品3入口端孔隙压力值p1；

(7)调节孔压加载系统12向样品3注流体时，由于流体在样品3中流动的滞后性，水储集室16内压力逐渐升高，待到水压稳定后，通过流压传感器8记录水储集室内压力p2、压力测试装置15的数值f2；

(8)岩心渗流力测量值j＝f1-f2；

(9)根据渗流力计算公式j＇＝rw·i·v计算渗流力，其中p1＝rw·h1，p2＝rw·h2，其中rw为水重度，i为压力梯度，v为样品体积，h1、h2分别为p1和p2对应的水头；

(10)当时，得到样品3对应轴压、围压及流压梯度下的渗流力为j，否则重复步骤(1)～(9)的试验过程；

(11)记录并计算样品3各测量点对应各段的轴向变形数据l1＇、l2＇……、l5＇，横向变形数据d1＇、d2＇……、d5＇，方法同步骤(2)；

(12)由此得到孔隙压力加载过程中样品各段轴向应变ε11和横向应变ε33分别为：

ε11＇＝(l1＇-λ1)/λ1，ε11″＝(l2＇-λ2)/λ2，同理可得ε11″＇、ε11″″、ε11″″＇，ε33＇＝(d1＇-γ1)/γ1，ε33″＝(d2＇-γ2)/γ2，同理可得ε33″＇、ε33″″、ε33″″＇；

同理由公式可依次计算出孔隙内有流体时五个测试段的有效应力，分别为(σ11＇，σ33＇)，(σ11″，σ33″)，(σ11″＇，σ33″＇)，(σ11″″，σ33″″)，(σ11″″′，σ33″″′)；

(13)各测点9对应的测量段由渗流力产生的有效应力增量分别由公式：

σ轴′＝σ11′-σ1′，σ径′＝σ33′-σ3′；

σ轴″＝σ11″-σ1″，σ径″＝σ33″-σ3″；

σ轴″′＝σ11″′-σ1″′，σ径″′＝σ33″′-σ3″′；

σ轴″″＝σ11″″-σ1″″，σ径″″＝σ33″″-σ3″″；

σ轴″″′＝σ11″″′-σ1″″′，σ径″″′＝σ33″″′-σ3″″′。

依据步骤(13)得到的有效应力进行曲线拟合，从而确定样品3在大小为j的渗流力作用下样品不同位置处有效应力变化规律。

本发明该测试方法通过孔压加载系统12向样品3加压，同时观测渗流力的大小及孔压加载前和加载后样品3不同部位的形变量，得到孔压加载前后的样品3内部有效应力分布，通过有效应力相减的方法得到该渗流力下对样品3有效应力的影响。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，因此，只要运用本发明说明书和附图内容所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。