一种考虑层间应力差异的水力压裂实验装置及方法

本发明属于水力压裂，尤其是涉及一种考虑层间应力差异的水力压裂实验装置及方法。

背景技术：

1、水力裂缝高度控制是层状油气藏水力压裂质量和成败的关键指标，裂缝的高度以及在地层中的穿层情况，直接影响压裂效果。层间最小水平地应力差是水力裂缝高度延伸的主控因素，一直是水力压裂领域研究的重点因素。目前，大尺寸真三轴压裂物理模拟实验是研究水力裂缝扩展规律最为有效的技术手段之一。

2、申请公开号为cn115127925a的中国发明专利公开了一种真三轴压裂物理模拟实验分层加载装置及方法，其利用弹性材料层连接加载板和分层加载板，通过弹性材料层弹性模量的不同，使分层加载板对岩样各层施加不同的应力，实现岩样层间应力差异化加载。然而弹性材料存在一定的承受极限，使用超过一定次数和压力后，其力学性能会发生改变，导致岩样分层应力加载稳定性和准确性降低。

3、中国公开文献“层间应力差对水力裂缝扩展影响的大尺度实验模拟与分析”(石油钻采工艺、2014年4月)把加压板放置在岩样与加载框架之间,通过向加压板中注水,水压增大致加压板膨胀,然后将水压传递至岩样表面,达到模拟水平地应力的目的。通过多套独立的加压板系统实现层间水平应力差异。然而，加压板材料的膨胀不可回缩属于耗材产品，且实验设备需加装多套独立的加压系统，导致实验操作复杂、成本高昂。

4、综上所述，现有考虑层间应力差异的水力压裂实验设备操作复杂、成本高昂。因此，亟需提出一种操作简单、造价低的兼顾考虑层间应力差异的水力压裂实验装置和方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种考虑层间应力差异的水力压裂实验装置及方法，解决现有技术存在的岩样分层应力加载稳定性和准确性低且实验设备操作复杂、成本高昂问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种考虑层间应力差异的水力压裂实验装置，包括加压系统、加载板、加载垫片和岩样；所述岩样设置在所述加载垫片的一侧，所述加载垫片设置在所述加载板的一侧，所述加载板设置在所述加压系统的一侧，所述加载垫片的数量不小于两个，且所述加载垫片有两种形状，分别为长方体和“凸”形立方体。

3、优选的，所述“凸”形立方体呈轴对称，突出部分为小端面，对侧为大端面，所述小端面与所述加载板紧贴。

4、优选的，通过改变小端面的面积，使加载垫片的大端面与小端面的面积比不同，实现不同岩层之间应力差异化加载。

5、优选的，所述加载垫片的数量根据岩样分层数确定。

6、优选的，所述加载垫片的大端面与所接触的岩样的岩层表面形状完全匹配，大端面的面积根据对应的岩样表面确定。

7、优选的，层间应力大小关系通过solidworks软件进行加载应力分析，确定加压系统输出压力和加载垫片小端面的面积。

8、优选的，加载垫片采用相同的高强度合金钢。

9、本发明还提供了一种考虑层间应力差异的水力压裂实验方法，包括以下步骤：

10、步骤1、根据实验需求设计并制作加载垫片；

11、步骤2、在真三轴压裂模拟装置上堆叠放置与岩样分层数相等的加载垫片，加载垫片的小端面贴紧加载板；

12、步骤3、启动真三轴压裂模拟装置的加压系统，利用加载板推动加载垫片贴紧岩样，对岩样进行分层加载；

13、步骤4、开启注液系统，完成水力压裂实验。

14、优选的，步骤1根据实验需求设计并制作加载垫片的具体过程如下：

15、s11、根据岩样分层情况，确定加载垫片数量和垫片大端面的面积；

16、s12、根据岩样层间应力关系，通过模拟软件确定加压系统输出压力和加载垫片小端面的面积；

17、s13、制作对应规格的加载垫片。

18、因此，本发明采用上述一种考虑层间应力差异的水力压裂实验装置及方法，具有以下有益效果：

19、(1)能够适配现有主流的真三轴水力压裂模拟设备，通过设置不同形状的加载垫片实现岩样层间应力差异化加载，从而更好的研究层间应力差异对水力裂缝穿层扩展的影响；

20、(2)该装置可以改变加载垫片适应各种分层岩样，通过改变加载垫片两端面积满足实验层间应力差异化加载的需求，能够准确的模拟真实地层中水力裂缝的扩展规律；

21、(3)该装置可以重复使用，避免对真三轴压裂设备进行改造，大大降低了实验成本；该方法模拟精确、操作步骤简单，使得实验结果更真实可靠。

22、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种考虑层间应力差异的水力压裂实验装置，其特征在于：包括加压系统、加载板、加载垫片和岩样；所述岩样设置在所述加载垫片的一侧，所述加载垫片设置在所述加载板的一侧，所述加载板设置在所述加压系统的一侧，所述加载垫片的数量不小于两个，且所述加载垫片有两种形状，分别为长方体和“凸”形立方体。

2.根据权利要求1所述的一种考虑层间应力差异的水力压裂实验装置，其特征在于：所述“凸”形立方体呈轴对称，突出部分为小端面，对侧为大端面，所述小端面与所述加载板紧贴。

3.根据权利要求2所述的一种考虑层间应力差异的水力压裂实验装置，其特征在于：通过改变小端面的面积，使加载垫片的大端面与小端面的面积比不同，实现不同岩层之间应力差异化加载。

4.根据权利要求3所述的一种考虑层间应力差异的水力压裂实验装置，其特征在于：所述加载垫片的数量根据岩样分层数确定。

5.根据权利要求4所述的一种考虑层间应力差异的水力压裂实验装置，其特征在于：所述加载垫片的大端面与所接触的岩样的岩层表面形状完全匹配，大端面的面积根据对应的岩样表面确定。

6.根据权利要求5所述的一种考虑层间应力差异的水力压裂实验装置，其特征在于：层间应力大小关系通过solidworks软件进行加载应力分析，确定加压系统输出压力和加载垫片小端面的面积。

7.根据权利要求6所述的一种考虑层间应力差异的水力压裂实验装置，其特征在于：加载垫片采用相同的高强度合金钢。

8.一种考虑层间应力差异的水力压裂实验方法，其特征在于：包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种考虑层间应力差异的水力压裂实验方法，其特征在于：步骤1根据实验需求设计并制作加载垫片的具体过程如下：

技术总结
本发明公开了一种考虑层间应力差异的水力压裂实验装置及方法，属于水力压裂技术领域，包括：至少两个加载垫片，加载垫片一端与加载板连接，另一端与岩样表面贴合，对岩样分层加载；该装置能够适用现有真三轴压裂设备，通过不同加载垫片的两端面积差实现对岩样分层的差异化加载。同时本发明首先通过模拟计算设计并制作加载垫片，其次在真三轴压裂设备中放置加载垫片，然后启动加压系统对岩样分层加载，最后完成水力压裂实验。本发明提出的一种考虑层间应力差异的水力压裂实验装置及方法，克服了现有方法成本高昂和操作复杂的不足，可以实现多层应力分层加载，有利于更好的研究层间应力差对水力裂缝扩展规律的影响。

技术研发人员：许文俊,赵彦昕,王雷,张元浩,蔡琼
受保护的技术使用者：长江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/6/18