一种用体积膨胀材料研究岩石压裂多裂缝扩展规律的实验方法与流程

本发明涉及深部非常规能源开采实验技术领域，具体涉及一种采用体积膨胀材料模拟多簇射孔条件下压裂模式对岩石水力裂缝扩展形态影响的实验方法。

背景技术：

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

当今世界面临着常规资源日益枯竭和能源需求逐渐增长的严峻形势，许多国家都在通过扩大煤层气、页岩气等非常规能源的勘探、开采，向更加现代化的能源资源领域拓展，并逐步提高清洁能源消费比重。非常规能源大多赋存于致密储层中，受埋藏深度和岩性影响，储层渗透率低，阻碍了非常规能源的开采和利用。

水平井段多簇同步压裂技术目前已成为低渗透油气增产和增强型地热系统开发的关键技术。通过在同一压裂段内进行多簇射孔，一次性压开多个裂缝，进而提高储层渗透率，增大储层改造体积，降低压裂时间和施工成本。多簇压裂的改造目的是同时形成一系列密集且沿最大主应力方向延伸的多条水力裂缝网络来增加流体交换效率。然而，现场作业表明，水平井段多簇水力压裂的效果往往不是十分明显。实测数据显示，有30％甚至更多的裂缝未到达设计生产效果。在水力压裂裂缝扩展过程中，水力裂缝的起裂、延伸、转向和贯通受到岩性、地层条件、地应力水平和压裂参数等多因素影响。一般认为，多裂缝同步扩展过程中，邻近裂缝之间的相互干扰导致部分裂缝失去扩展稳定性。作为储层改造的关键技术，水力压裂裂缝扩展几何形态是评价储层改造效果的关键。然而，由于储层埋深过大，难以观测多裂缝的扩展延伸形态和相互作用机理。受现有技术水平限制，目前对于多裂缝的压裂模型的理解仍缺乏准确的认识

迄今为止，国内外学者为模拟水力压裂技术对储层岩石裂缝扩展形态和压裂增产效果的影响，已经利用非爆破膨胀剂，围绕钻孔尺寸、外部环境和储层岩石特性等方面，开展了大量实验，并取得了一定的成绩。研究表明，不同压裂模式和钻孔设计将对裂缝的几何形态产生重大影响，并影响最终的能源采收率。采用合理的钻孔布置和压裂模式设计可以有效降低裂缝间应力阴影效应影响，有助于裂缝的扩展和沟通，提高储层岩石渗透率，促使油气产量更大化。发明人通过分析和总结常规水力压裂关于压裂模式和钻孔设计的相关文献，发现利用膨胀剂开展的模拟储层岩石压裂问题的相关工作，尚存在以下三个问题亟需进一步研究和解决：

1.利用膨胀剂开展的储层岩石体积膨胀压裂实验，多通过单孔注入膨胀剂研究单裂缝扩展规律，而针对多簇裂缝起裂扩展模式及扩展中裂缝间相互作用机理的研究仍有待进一步开展。

2.在水力压裂室内实验过程中，由于裂缝扩展速度过快，水力压裂实验多集中在研究单裂缝的起裂扩展规律，而较少开展对多裂缝起裂扩展形态和裂缝间相互影响的研究。少数开展的水力压裂多裂缝的实验研究也是基于同步压裂，而难以模拟先后压裂等其它压裂模式对裂缝扩展形态和相互作用机理的影响。

3.现有对于多裂缝在不同压裂模式下的裂缝扩展形态和相互影响机理的认识，多基于数值模拟或理论分析。而较少开展围绕多裂缝在不同压裂模式下的水力压裂实验研究，所以难以对理论模型进行验证或对数值模型进行校准。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种用体积膨胀材料研究岩石压裂多裂缝扩展规律的实验方法。

为实现上述发明目的，本发明的一个或多个实施例公开了以下技术方案：

一种用体积膨胀材料研究岩石压裂多裂缝扩展规律的实验方法，包括如下步骤：

采用类岩石材料制备压裂试样，在压裂试样中预埋压力传感器；

围绕压裂试样中心轴钻两个直径和深度相同的钻孔；

沿压裂试样的对角线安装若干个声发射探头，并在压裂试样的一侧放置热像仪；

在压裂试样四周设置压板，利用地应力加载及控制系统对压裂试样施加围压；

向压裂试样的钻孔中充填膨胀材料，进行压裂实验；

压裂实验结束后，进行实验后处理和数据整理。

与现有技术相比，本发明的以上一个或多个实施例取得了以下有益效果：

1.以上实验方法中，以两钻孔中的膨胀剂注入实验为依托，将两钻孔间距离及钻孔布置等设计因素作为变量研究，定量分析和研究多簇射孔条件下的多裂缝起裂扩展模式及相互作用机理，以确定最佳钻孔距离和最优钻孔布置等设计参数。该项实验设计将有效填补目前水力压裂在多簇射孔条件下多裂缝形态实验研究的不足，并为深入了解多簇裂缝起裂扩展模式及扩展中裂缝间相互作用机理提供了实验依据。

2.利用膨胀剂开展的压裂物理实验，由于膨胀剂的反应时间相对于水力压裂破坏的时间较长，因此有充足的时间和机会去观察多簇裂缝的破坏现象和作用机理。本发明设计了先后压裂和同步压裂两种不同的静态压裂模式，来研究不同压裂模式下多簇裂缝的起裂扩展模式和相互作用机理，解决了水力压裂实验难以模拟不同压裂模式下多裂缝相互作用机理的难题，为深入掌握不同压裂模式下多簇裂缝的作用规律提供了实验支撑。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例的在不同压裂模式下的膨胀剂压裂方法流程图；

图2为本发明实施例的试件实体中的钻孔布置示意图；

图3为本发明实施例的试件透视体中的钻孔布置示意图；

图4为本发明实施例的声发射探头空间布置示意图；

图5为本发明实施例的地应力加载示意图。

图中，1-压裂试件，2-钻孔，3-声发射探头，4-σ1为最大水平主应力，5-σ2为最小水平主应力，6-σ3为竖向主应力。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

一种用体积膨胀材料研究岩石压裂多裂缝扩展规律的实验方法，包括如下步骤：

采用类岩石材料制备压裂试样，在压裂试样中预埋压力传感器；

围绕压裂试样中心轴钻两个直径和深度相同的钻孔；

沿压裂试样的对角线安装若干个声发射探头，并在压裂试样的一侧放置热像仪；

在压裂试样四周设置压板，利用地应力加载及控制系统对压裂试样施加围压；

向压裂试样的钻孔中充填膨胀材料，进行压裂实验；

压裂实验结束后，进行实验后处理和数据整理。

由于储层岩石力学性质差异极大，难以有效开展针对某一因素影响的对照实验。为避免储层岩石非均质性带来的实验误差，本发明采用类岩石材料进行压裂物理实验。另外，基于原岩的压裂实验难以监测压裂过程中岩石内部的力学响应，限制了对于裂缝扩展机理的分析与研究。因此，采用类岩石材料可以更加有效地掌握裂缝的起裂扩展规律。根据储层岩石的主要力学参数，并参考类岩石材料制做的配比要求，预制相应尺寸的类岩石试件；类岩石试件脱模、养护完成后，对类岩石试件的单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比等主要力学参数进行测量，对比验证其力学参数是否符合实验要求，最终选取与储层岩石力学参数相近的试样，用做压裂物理实验。

在试样表面布设应变花等测量元件，测量试样的应变情况。

在一些实施例中，所述类岩石材料，由以下重量份的组分组成：

水泥1份，砂2-3份，水0.4-0.6份，聚羧酸减水剂0.003-0.005份。

在一些实施例中，所述压裂试样为立方体结构。

在一些实施例中，所述压力传感器为微型压力盒。制备类岩石试件时，应提前在试样内部布设微型压力盒，来记录压裂实验过程中由化学反应所产生的膨胀应力变化。

在一些实施例中，所述钻孔的直径与压裂试样的边长之比为1:3-5，钻孔的深度与压裂试样的边长之比为:0.5-0.8:1。

进一步的，钻孔的深度与压裂试样的边长之比为:0.7:1。

根据相关文献中对钻孔尺寸、深度等设计参数的描述，并结合所开展膨胀剂压裂物理实验的实际要求，我们可采用大样本、小钻孔的钻孔设计方法，这将有效降低试件的边界效应影响，提升实验结果可靠度。首先利用对称原则，围绕样本中心点用取心钻头钻两个大小和深度合适的钻孔，钻孔深度取试样高度的百分之七十较为适宜。

实验可将两钻孔间距离等因素作为变量研究，在两孔中注入膨胀剂，在平面状态下定性分析多射孔条件下的多裂缝起裂扩展模式及相互作用机理，以确定最佳钻孔距离和最优钻孔布置等设计条件。

进一步的，钻孔完毕后，还包括采用清洁工具对钻孔过后钻孔中残余的岩石碎屑等杂物进行清理，防止其对最终的实验结果和分析产生不利影响。

在一些实施例中，所述热像仪放置在试样一侧0.4-0.6m处，热像仪与试样呈40-50°夹角。

进一步的，所述热像仪与热像图像处理系统连接。利用红外热成像技术监测实验样品的温度的变化。

在一些实施例中，压裂试样与压板之间设置有软橡胶垫。可以保证试件受力均匀。

在一些实施例中，向压裂试样的钻孔中充填膨胀材料，进行压裂实验时，膨胀材料的充填方式包括先后充填压裂和同步充填压裂。

设计了两种膨胀材料的充填方法来模拟先后压裂和同步压裂这两种不同的压裂模式，用来研究不同压裂模式下多裂缝的起裂扩展模式和相互作用机理，分析其对储层岩石压裂效果的影响。同步压裂的压裂模式，即在预先钻好的两个钻孔中，同时注入膨胀剂；先后压裂的压裂模式，即在预先钻好的一个钻孔中注入膨胀剂，待第一个钻孔中的膨胀剂反应一段时间后，在另一个钻孔中注入膨胀剂，两钻孔中的膨胀剂注入时间差可进行调整，来表征不同程度的干扰应力场对裂缝间扩展规律的影响。

开展围绕多裂缝不同压裂模式下的膨胀剂压裂实验研究，揭示了多裂缝在不同压裂模式下的起裂扩展规律和相互影响机理，为理论模型验证和数值模型的参数校准提供了实验依据。

进一步的，所述膨胀材料为氧化钙、三氧化二铁、二氧化硅、氧化铝。

膨胀材料是一种胶凝化合物，与水混合后发生化学反应，微观体积增大。随着反应的进行，逐渐填满空间内有限的空隙，并向空间边界产生膨胀压力，进而通过体积膨胀产生的膨胀压力来破坏岩石。

对于膨胀剂和水的用量，可根据制造商建议进行混合，混合搅拌均匀后的膨胀剂应立即倒入预先钻好的孔中。

进一步的，将实验过程中的环境温度控制在18.5-21.5℃。

在一些实施例中，实验后的数据处理，至少包括以下中的一种：

观察裂缝几何尺寸和数量，并对崩落岩屑的数量和大小进行评价；

计算分形维数和断裂密度；

通过表征断裂面的分形维数和裂缝密度，量化裂缝几何形状，定量描述裂缝的诱导行为；

利用红外热成像技术得到的样品温度变化值，分析膨胀剂与水反应过程中，温度对储层岩石体积膨胀压裂效果的影响；

利用试样内部及底面布设的测量元件，分析裂缝起裂扩展过程中储层岩石内部的诱导应力演化规律和岩体变形特性；

利用声发射探头记录声发射事件的参数和波形，对裂缝进行实时定位；

在水中添加红色示踪剂，来观察模型体表面的裂缝和内部的裂缝扩展情况。

在一些实施例中，还包括采用以上实验方法的实验数据对理论模型和数值模型进行校正的步骤。

参照水平井段多簇水力压裂实验中理论模型和数值模型的实际情况，设计相应的膨胀剂压裂物理实验，并采用类似的压裂物理参数，将所得的膨胀剂压裂实验结果与理论模型和数值模型模拟的结果进行对比验证，然后校准不符合实验结果的理论和数值模型，最后确定合格的理论和数值模型。借助于正确的数值模拟和理论分析模型，进一步阐明多簇裂缝在同步压裂和先后压裂模式下的扩展规律和贯通条件，揭示缝间相互影响的微观机理，为我国水力压裂方案的设计与施工提供科学依据。

实施例

如图1所示，一种用体积膨胀材料研究岩石压裂多裂缝扩展规律的实验方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：膨胀剂的选择

依据现场压裂作业温度变化情况，测量并控制实验室温度处于现场压裂作业温度变化范围内，并选择与此温度相适应的膨胀剂类型。在整个实验期间，应保证实验在一个温度可控制的环境中进行，本实施例采用工程常温(20℃)作为标准实验温度。

步骤2：试样制备

根据模拟储层岩石制做类岩石材料的配比要求，材料配比为水泥∶砂＝1∶2.5，水∶水泥＝0.5，聚羧酸减水剂∶水泥＝0.004；在预制好的模具中预制边长为250mm的立方体类岩石试件，将其用做静态压裂实验；在预制好的模具中浇筑边长为70mm的立方体类岩石试件，对立方体类岩石试件进行变角度压剪得到类岩石试件的内摩擦角和黏聚力，在试件上黏贴应变片，对试件单轴压缩得到材料的弹性模量、泊松比和单轴抗压强度；在预制模具中浇筑直径为50mm、高为50mm的圆柱形试件，对试件进行巴西劈裂实验，得到材料抗拉强度。试样在模具中放置24h后脱模，之后经标准恒温、恒湿条件下(相对湿度大于95％，温度20±1.5℃)养护28天后，然后对试件表面进行打磨处理。选择与储层岩石力学性能相近的类岩石试样，用做压裂物理实验。在类岩石试件制备过程中，应提前在试件内部预制微型压力盒。

步骤3：试样钻孔及钻孔布置

首先，用取心钻头围绕试件中心点两侧钻直径为20mm、深度为180mm的钻孔，两孔与试件中心点距离相同且保持对称，本实施例的钻孔布置示意图如图2所示。然后采用清洁工具，对钻孔过后孔中残余的岩石碎屑等杂物进行清理。

步骤4：监测设备安装

12个声发射探头分别沿试件6个面的对角线进行排列和安装，图4为本实施例的声发射探头空间布置示意图。当声发射系统连接正确后，设置阈值为40分贝，采样频率为1兆赫，记录声发射事件的参数和波形。热像仪放置在试样前方0.5m处，与试样成45°夹角，将热像仪与热像图处理系统相连，利用红外热成像技术监测样品温度变化。在试样表面布设应变花等测量元件。

步骤5：模拟地应力加载

在试件四周放置方形压板，试件与压板之间采用软橡胶垫。结合压裂实验的模拟地应力加载情况和现场实际储层岩石受力情况，设置最大水平主应力为10mpa，竖向主应力为8mpa，最大水平主应力为6mpa，利用地应力加载及控制系统对试样四周施加围压。如图5所示，为本实施例的地应力加载示意图。

步骤6：不同压裂模式下的充填设计

在不同压裂模式分为同步压裂的压裂模式和先后压裂的压裂模式。

同步压裂的压裂模式为在预先钻好的两个钻孔中，同时注入膨胀剂。

先后压裂的压裂模式为在预先钻好的一个钻孔中注入膨胀剂，待第一个钻孔中的膨胀剂分别反应30min、1h、2h、6h、12h后，在另一个钻孔中注入膨胀剂。

膨胀剂浆体在混合搅拌均匀后应立即倒入预先钻好的孔中。

步骤7：实验后处理和数据整理分析

压裂实验结束后，整理并养护实验设备。取出试件，观察并对崩落岩屑的数量和大小进行评价，计算分形维数和断裂密度，作为图像和声发射数据分析和后处理的一部分。对断裂面的分形维数和裂缝密度进行表征，来量化裂缝几何形状，定量描述裂缝诱导行为。对通过红外热成像技术得到的样品温度变化值进行记录，分析膨胀剂与水反应过程中，温度对储层岩石压裂效果的影响。利用试样内部及底面布设的微型压力盒、应变花等测量元件，分析裂缝起裂扩展过程中储层岩石内部的诱导应力演化规律和岩体变形特性。利用声发射探头记录声发射事件的参数和波形，对裂缝的起裂、扩展等行为进行实时定位。通过在水中添加红色示踪剂，来观察模型体表面及内部的裂缝扩展情况。利用测量元件和设备对不同压裂模式等条件下得到的关于裂缝参数的详细信息，进行记录、整理和对比分析。

步骤8：理论模型验证和数值模型参数校准

参照水平井段多簇水力压裂实验中理论模型和数值模型的实际情况，设计相应的膨胀剂压裂物理实验，并采用类似的压裂物理参数，将所得的膨胀剂压裂实验结果与理论模型和数值模型模拟的结果进行对比验证，然后校准不符合实验结果的理论和数值模型，最后确定合格的理论和数值模型。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。