[发明专利]油气井水力压裂裂缝扩展可视化实验方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种油气井水力压裂裂缝扩展可视化实验方法，同时提供一种适合于所述方法的实验装置，属于石油开采领域。

背景技术

水力压裂是一种在石油开采中被广泛使用的油气井增产技术，尤其在低渗透油气藏和页岩气、煤层气等非常规气藏中取得了良好的增产效果。它的基本原理是通过地面高压泵组，向井筒内大排量泵注压裂流体(液体或气体)，造成地层岩石在流体压力作用下形成拉张型裂缝或剪切型裂缝，最终形成具有一定导流能力的人造裂缝网络。

水力压裂裂缝扩展机理研究一直以来是水力压裂研究的热点和难点，特别是水力压裂裂缝在天然裂缝发育的地层中扩展规律的研究。水力压裂裂缝扩展受到内在与外在因素的共同影响，内在因素包括岩石力学特性(如弹性模量、泊松比和断裂韧性等)、渗透率、孔隙压力和非均质性等；外在因素有岩石受到的原地应力场、液体排量和压裂工艺等，因此水力压裂研究需综合考虑这些因素。研究目的是为预测一定外在条件下人造裂缝的几何形状提供理论依据。研究方法以理论建模和物理模拟为主，其中物理模拟面临两大难点：(1)裂缝扩展路径监测；(2)原始地应力场的模拟。

目前普遍使用的实验方法是采用真三轴应力加载系统对岩样加载，来模拟深部地层原始地应力场；声发射技术实时监测水力压裂裂缝扩展路径，实验结束后劈开岩样观察裂缝扩展最终几何形态。该方法的局限性在于：

1)声发射技术属于间接监测手段，难以区别水力压裂裂缝与诱导裂缝。其原因是水力压裂过程中会存在剪切诱导裂缝(弱面破坏)，但是这些诱导裂缝与水力裂缝不连通，不属于水力裂缝的一部分。然而，基于声发射原理的测试方法不能区分哪些是来自水力裂缝前缘破裂的信号，哪些是来自诱导裂缝破裂的信号。

2)水力裂缝在天然裂缝发育的地层中扩展行为存在一种特殊情况，即水力裂缝在与天然充填裂缝相交前，天然裂缝就在局部地应力作用下发生了剪切滑移破坏，并且新生裂缝会在天然裂缝尖端重新起裂和扩展。然而这种情况无法被声发射技术识别。

3)在岩样制备方面，材料以混凝土为主，形状多为立方体，尺寸300×300×300mm，也有少数实验选用尺寸为1000×1000×1000mm正方体岩块。然而，混凝土材料几乎无渗透性，因此无法模拟地层孔隙压力对裂缝扩展的影响。

4)在模拟天然裂缝时，现有方法是在岩样模具中预先放置纸片或玻璃片，然后浇筑岩样过程中自然形成裂缝。这种方法形成的裂缝内部无充填物，无胶结强度，属于张开型裂缝。然而，实际地层中天然裂缝多被石英、方解石等矿物充填，有一定胶接强度，原始条件下呈非张开状态。因此现有方法不足以全面描述天然裂缝真实状态。

5)目前模拟井眼是在无地应力条件下通过钻孔得到的，即先钻孔后加载三轴地应力。这与先加载三轴地应力后钻孔形成的应力分布是不同的。实际情况是地层在未钻孔前就有原始地应力场，钻孔过程对原始地应力场是一个扰动过程。因此现有钻孔方法形成的应力场与真实应力场存在差异。

总体而言，已公开的实验方法在裂缝监测方面存在无法直观监测扩展路径，难以捕捉水力裂缝与天然裂缝沟通过程等问题；在岩样制作方面存在难以模拟孔隙压力、预制的天然裂缝不被充填且无胶结强度、钻孔所形成的应力场与真实应力场存在差异等问题。

鉴于以上不足，本发明提出了一种水力压裂裂缝扩展可视化实验方法及其装置。

发明内容

为了克服现有实验方法无法直接观察裂缝扩展路径、难以模拟孔隙压力、无法实现天然裂缝被充填和无法反映钻孔对地应力场扰动的影响等不足，本发明提供一种油气井水力压裂裂缝扩展可视化实验方法，同时提供一种适用于上述方法的实验装置。本发明的原理是油气井水力压裂目标层段埋藏深(＞1000m)，上覆岩层应力足够大，使得岩层在垂直方向应变可忽略，即可将地层岩石所受应力状态简化为平面应变状态。这种简化使得实验岩样可用平板型岩样(岩样厚度远小于长宽)替代原有的立方岩样，并且裂缝在岩样厚度方向上贯穿，从而达到平面上可视裂缝扩展路径的效果。

为了实现上述目的，提供一种水力压裂裂缝扩展可视化实验方法。首先制备用于实验的岩样，要求岩样厚度远小于长宽值，根据研究需要可在岩样中设置天然裂缝；然后待岩样饱和水3～5天后，用环氧树脂包裹岩样；其次，将岩样放入实验装置的岩样室中，加载三轴应力；再次，在岩样受三轴应力条件下钻取井眼，然后安装模拟压裂管柱；最后，连接高压管线与平流泵，泵注压裂液，实施水力压裂，同时高速摄像机记录裂缝扩展路径，压力变送器测量泵注压力变化。