一种模拟页岩水力压裂过程的原位岩心监测系统及方法与流程

本发明属于水力压裂领域，特别涉及一种模拟页岩水力压裂过程的原位岩心监测系统及方法。

背景技术：

1、页岩油气作为一种重要的非常规油气资源，获得了国内外学者的广泛关注，对缓解能源矛盾具有重要意义。由于储层物性极差，页岩油气必须依靠水力压裂改造才能获得商业产能。水力压裂物理模拟试验是探索岩石压裂造缝特征的重要研究手段，通常基于三轴水力压裂试验系统，以大尺寸露头页岩、全直径岩心或标准岩心柱为研究对象，开展不同地质、工程因素控制下的裂缝起裂与生长规律分析。但已有的监测手段如岩心剖开观察、压后岩心工业ct扫描等，均无法实现裂缝扩展过程的原位、直观展示，无法明确复杂储层中裂缝动态生长过程及其控制因素。

2、此外，研究表明，页岩裂缝扩展过程受地应力、矿物组成与分布、有机质、页理与纹层结构等共同控制，现有水力压裂物理模拟试验夹持器尺寸往往较大，难以准确厘定微观尺度下矿物组成与分布，有机质、页理与纹层结构等对页岩压裂微米尺度裂缝形成过程的影响机制，而该尺度裂缝对提高页岩渗流能力具有重要意义。因此，研发一种能够模拟页岩水力压裂过程、并能够进行高精度原位在线扫描监测的压裂模拟装置及实验方法，对阐明页岩压裂微观造缝机理、指导页岩油气藏压裂优化设计具有重要意义。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出一种模拟页岩水力压裂过程的原位岩心监测系统，所述系统包括：岩心柱夹持单元、夹持器固定单元、环压加载单元、温度加载单元、轴压加载单元、扫描单元和压裂液注入单元；

2、岩心柱夹持单元，用于固定岩心柱样品；

3、夹持器固定单元，用于将固定岩心柱样品的岩心柱夹持单元移动至压力筒体，还用于将固定岩心柱样品的压力筒体固定到扫描单元；

4、环压加载单元、温度加载单元和轴压加载单元，分别与岩心柱夹持单元相连接，用于在所述岩心柱样品周围模拟实际地层情况下岩心柱样品周围的温度、压力环境；

5、压裂液注入单元，与岩心柱夹持单元相连接，用于在所述岩心柱样品处模拟实际地层条件下的压裂过程；

6、扫描单元，用于监测岩心柱样品初始、压裂过程和压裂完成后的状态。

7、进一步的，所述系统还包括设置在所述岩心柱夹持单元底部的声发射监测单元，用于监测压裂过程中的声发射信号，并记录压裂过程中岩心内部裂缝生长数据。

8、进一步的，所述监测系统能够在线监测压裂过程中的岩心柱样品状态变化，包括岩心内部微观矿物分布、孔隙结构与裂缝形貌。

9、进一步的，所述系统的岩心柱夹持单元上还包括环压接口和放空接口，所述环压加载单元与温度加载单元通过环压接口与所述岩心柱夹持单元相连接。

10、进一步的，所述环压加载单元用于模拟实际地层情况下岩心柱样品的水平压力；所述温度加载单元用于模拟实际地层情况下岩心柱样品周围的温度环境。

11、进一步的，所述轴压加载单元包括气缸，所述气缸设置与所述岩心柱样品轴向同轴设置。

12、进一步的，所述轴压加载单元，用于模拟实际地层情况下岩心柱样品的上覆压力。

13、进一步的，所述系统还包括压裂接口，所述压裂液注入单元通过压裂接口与所述岩心柱夹持单元相连接。

14、进一步的，所述压裂液注入单元，用于向所述岩心柱夹持单元内注入压裂液，模拟实际地层条件下的压裂过程。

15、进一步的，所述岩心柱样品周围与底部分别设置有密封套和下堵头，所述岩心柱样品上连接有扶正套，所述岩心柱样品通过所述扶正套设置固定在岩心柱夹持单元上。

16、本发明还提供一种模拟页岩水力压裂过程的原位岩心监测方法，所述方法包括：

17、通过岩心柱夹持单元固定岩心柱样品；

18、控制夹持器固定单元将固定岩心柱样品的岩心柱夹持单元移动至压力筒体，并将固定岩心柱样品的压力筒体固定到扫描单元；

19、在所述岩心柱夹持单元上连接环压加载单元、温度加载单元和轴压加载单元，在所述岩心柱样品周围模拟实际地层情况下的温度、压力环境；

20、在所述岩心柱夹持单元上连接压裂液注入单元，在所述岩心柱样品处模拟实际地层条件下的压裂过程，通过所述扫描单元完成岩心柱样品初始、压裂过程和压裂完成后的状态监测。

21、进一步的，所述岩心柱样品固定前还包括对岩心柱样品的预加工过程，加工完成后的岩心柱样品直径为5～8mm，长度为30/40/50mm，所述岩心柱样品上部端面还钻有模拟井眼。

22、进一步的，所述方法还包括在所述岩心柱夹持单元底部设置声发射监测单元，在压裂过程中监测声发射信号，并记录压裂过程中岩心内部裂缝生长数据。

23、进一步的，在所述岩心柱夹持单元上连接环压加载单元模拟所述岩心柱样品周围实际地层情况下的水平压力；

24、在所述岩心柱夹持单元上连接温度加载单元模拟所述岩心柱样品周围实际地层情况下的温度环境；

25、在所述岩心柱夹持单元上连接轴压加载单元模拟所述岩心柱样品周围实际地层情况下的上覆压力。

26、本发明提出的模拟页岩水力压裂过程的原位岩心监测系统及方法，可实现页岩水力压裂过程的物理模拟；水力压裂物理模拟可施加拟三轴应力，其中围压最高为20mpa，轴压最高为25mpa；还可通过ct扫描动态原位监测水力压裂物理模拟中的微米尺度裂缝动态生长过程，精度可达到1μm；同时可明确页岩水力压裂物理模拟过程中，矿物组成与分布、有机质、页理与纹层结构对微尺度人工裂缝起裂与生长的控制作用；可实现不同注入参数、压裂液体系等造缝效果对比，指导工程参数优化。

27、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

技术特征：

1.一种模拟页岩水力压裂过程的原位岩心监测系统，其特征在于，所述系统包括：岩心柱夹持单元、夹持器固定单元、环压加载单元、温度加载单元、轴压加载单元、扫描单元和压裂液注入单元；

2.根据权利要求1所述的模拟页岩水力压裂过程的原位岩心监测系统，其特征在于，所述系统还包括设置在所述岩心柱夹持单元底部的声发射监测单元，用于监测压裂过程中的声发射信号，并记录压裂过程中岩心内部裂缝生长数据。

3.根据权利要求1或2所述的模拟页岩水力压裂过程的原位岩心监测系统，其特征在于，所述监测系统能够在线监测压裂过程中的岩心柱样品状态变化，包括岩心内部微观矿物分布、孔隙结构与裂缝形貌。

4.根据权利要求3所述的模拟页岩水力压裂过程的原位岩心监测系统，其特征在于，所述系统的岩心柱夹持单元上还包括环压接口和放空接口，所述环压加载单元与温度加载单元通过环压接口与所述岩心柱夹持单元相连接。

5.根据权利要求4所述的模拟页岩水力压裂过程的原位岩心监测系统，其特征在于，所述环压加载单元用于模拟实际地层情况下岩心柱样品的水平压力；所述温度加载单元用于模拟实际地层情况下岩心柱样品周围的温度环境。

6.根据权利要求4所述的模拟页岩水力压裂过程的原位岩心监测系统，其特征在于，所述轴压加载单元包括气缸，所述气缸设置与所述岩心柱样品轴向同轴设置。

7.根据权利要求6所述的模拟页岩水力压裂过程的原位岩心监测系统，其特征在于，所述轴压加载单元，用于模拟实际地层情况下岩心柱样品的上覆压力。

8.根据权利要求4所述的模拟页岩水力压裂过程的原位岩心监测系统，其特征在于，所述系统还包括压裂接口，所述压裂液注入单元通过压裂接口与所述岩心柱夹持单元相连接。

9.根据权利要求8所述的模拟页岩水力压裂过程的原位岩心监测系统，其特征在于，所述压裂液注入单元，用于向所述岩心柱夹持单元内注入压裂液，模拟实际地层条件下的压裂过程。

10.根据权利要求9所述的模拟页岩水力压裂过程的原位岩心监测系统，其特征在于，所述岩心柱样品周围与底部分别设置有密封套和下堵头，所述岩心柱样品上连接有扶正套，所述岩心柱样品通过所述扶正套设置固定在岩心柱夹持单元上。

11.一种模拟页岩水力压裂过程的原位岩心监测方法，其特征在于，所述方法包括：

12.根据权利要求11所述的模拟页岩水力压裂过程的原位岩心监测方法，其特征在于，所述岩心柱样品固定前还包括对岩心柱样品的预加工过程，加工完成后的岩心柱样品直径为5～8mm，长度为30/40/50mm，所述岩心柱样品上部端面还钻有模拟井眼。

13.根据权利要求11或12所述的模拟页岩水力压裂过程的原位岩心监测方法，其特征在于，所述方法还包括在所述岩心柱夹持单元底部设置声发射监测单元，在压裂过程中监测声发射信号，并记录压裂过程中岩心内部裂缝生长数据。

14.根据权利要求13所述的模拟页岩水力压裂过程的原位岩心监测方法，其特征在于，

技术总结
本发明提出一种模拟页岩水力压裂过程的原位岩心监测系统及方法，所述系统包括：岩心柱夹持单元、夹持器固定单元、环压加载单元、温度加载单元、轴压加载单元、扫描单元和压裂液注入单元，本发明的系统和方法，可实现页岩水力压裂过程的物理模拟；水力压裂物理模拟可施加拟三轴应力，其中围压最高为20MPa，轴压最高为25MPa；还可通过CT扫描实现对水力压裂物理模拟中的微米尺度裂缝生长过程的动态原位监测，精度可达到1μm；同时可探索页岩水力压裂物理模拟过程中，矿物组成与分布、有机质、页理与纹层结构对微尺度人工裂缝起裂与生长的控制作用；可实现不同注入参数、压裂液体系等造缝效果对比，指导工程参数优化。

技术研发人员：孟思炜,刘合,陶嘉平,裴晓含,苏健,贾德利,杨清海,曹刚,高扬
受保护的技术使用者：中国石油天然气股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15