一种预制天然裂缝的水力压裂实验试件及其制作方法与流程

本发明属于水力压裂室内物理模拟试验技术领域，具体涉及一种预制天然裂缝的水力压裂实验试件及其制作方法。

背景技术

随着常规油气资源的日益枯竭，非常规油气资源的开发越来越受到重视。水力压裂是有效开发非常规油气资源的关键技术之一。水力压裂现场施工过程中，将压裂液通过高压泵组注入地层，由于地层中压裂液的注入量大于压裂液滤失量，压裂液在地层憋起高压，当压力达到一定值时，地层破裂产生水力裂缝。对于非常规油气储层，水力裂缝在延伸过程中遇到天然裂缝时，延伸路径会发生改变；同时，如果裸眼井眼或射孔孔眼钻遇天然裂缝，天然裂缝会影响水力裂缝起裂压力大小和初始裂缝延伸方向。

目前水力压裂室内物理模拟试验，多使用加工成为标准形状的目的层露头岩石作为实验试件。但是由于天然岩石内部裂缝发育随机性强且裂缝发育情况不可见，难以满足对天然裂缝发育影响水力裂缝起裂和延伸的具体情况进行理论研究的要求。因此，采用模拟天然裂缝发育的预制裂缝人造岩样作为实验试件就成了目前研究的热点。

中科院武汉岩土力学研究所研发了一种具有裂缝的岩石压裂模拟试样，主要是利用易溶解盐类物质填充射孔孔眼，在固结压裂液注入管后溶解易溶性盐，得到未填充的射孔眼，将该射孔眼作为预制的天然裂缝。河南理工大学能源学院研发了一种模拟煤岩体内复杂裂缝的实验试件，具体是在制作人工岩样时加入冰块，待冰块溶解形成天然裂缝。

以上两种制作方法所形成的实验试件中，所形成的裂缝都是张开的，与地层条件下天然裂缝大多处于闭合或者被填充的情况不符，且裂缝形态不可控，因此存在很大的局限性，难以准确研究天然裂缝发育对压裂的影响。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述缺陷，本发明提供一种预制天然裂缝的水力压裂实验试件，该预制天然裂缝的水力压裂实验试件具有更接近地层天然裂缝发育真实情况且形态可控的预制裂缝。

本发明还提供一种预制天然裂缝的水力压裂实验试件的制作方法，能够使制得的实验试件具有更接近地层天然裂缝发育真实情况的预制裂缝，且预制裂缝的形态具有可控性。

为实现上述目的，本发明提供一种预制天然裂缝的水力压裂实验试件，其为利用岩石浆料浇筑后固结成型的岩石模型和位于该岩石模型内的裂缝模型，并具有朝向实验试件内开设的盲孔，其中：裂缝模型为相对设置的纤维片材和填充层形成的能够模拟天然裂缝的夹层结构。

本发明所提供的预制天然裂缝的水力压裂实验试件，其具有用于模拟岩石的岩石模型以及位于该岩石模型内、用于模拟天然裂缝的裂缝模型，并具有用于模拟井眼或射孔孔眼的盲孔。其中，该裂缝模型具有两片相对设置的纤维片材，以及填充在该两片纤维片材之间所形成的缝隙里的填充层。该纤维片材之间所形成的缝隙用于模拟天然裂缝，纤维片材用于模拟天然裂缝的两个壁面，而填充层则用于模拟天然裂缝内的填充物。

这样，由于模拟天然裂缝中设有填充层，因而能够准确模拟大多数天然裂缝被填充的实际情况；而且还可以根据纤维片材之间的贴合情况模拟天然裂缝闭合的特征。同时，还可以通过控制裂缝模型的角度和方向，准确模拟地层中天然裂缝的倾向、倾角和走向。

并且，本发明所提供的方案，还能够准确的控制裂缝形态，实现地层中天然裂缝的准确模拟，从而满足对天然裂缝发育影响水力裂缝起裂和延伸的具体情况进行理论研究的要求。

具体的，该实验试件是将裂缝模型置于浇筑有部分岩石浆料的模具中后继续完成浇筑后固结成型的柱状体。一般情况下，该实验试件是按照如下步骤制得的产物：

1)将岩石浆料浇筑于模具内，并在此过程中，将裂缝模型放置在模具内的设定位置，控制裂缝模型被岩石浆料完全包裹；

2)待岩石浆料固结成型，得到岩石模型和位于该岩石模型内的裂缝模型；

3)去除模具，并在岩石模型上开设盲孔，得到预制天然裂缝的水力压裂实验试件。

如上所述，在裂缝模型中，填充层用于模拟天然裂缝中的填充物，一般可采用支撑剂颗粒制成。具体的，填充层为支撑剂颗粒形成的单层或多层结构，且填充层与纤维片材之间通过胶粘固定。

在本发明具体实施过程中，裂缝模型依照如下步骤制得：首先在一纤维片材的表面上涂抹胶水；然后将支撑剂颗粒粘贴在涂抹有胶水的纤维片材表面；最后将另一纤维片材粘贴在支撑剂颗粒上，从而形成“纤维片材-填充层-纤维片材”的夹层结构。

通过控制填充层的厚度以准确模拟天然裂缝的宽度情况。由于支撑剂颗粒一般为球形或近球形的、尺寸基本相同的细小颗粒，因此可根据实际模拟需求选择具有适当粒径的支撑剂颗粒，并且还可合理控制支撑剂颗粒的层数。

本发明中，在一纤维片材的表面上平整、均匀地粘贴一层支撑剂颗粒，然后将另一纤维片覆盖并粘贴在支撑剂颗粒表面，即形成“纤维片材-单层填充层-纤维片材”的夹层结构。

或者，也可以在纤维片材的表面上平整、均匀地粘贴两层或多层支撑剂颗粒，然后将另一纤维片覆盖并粘贴在支撑剂颗粒表面，形成“纤维片材-多层填充层-纤维片材”的夹层结构。

支撑剂填充情况可以根据实际所要模拟的天然裂缝中填充物的实际充填情况确定，因此，相对设置的纤维片材之间所形成的缝隙的至少部分被填充层所填充。具体的，可以用支撑剂的粘贴位置模拟天然裂缝局部填充(即裂缝壁面只有部分有支撑剂)以及天然裂缝完全填充(裂缝壁面所有位置均粘贴有支撑剂)。

如上所述，纤维片材之间所形成的缝隙用于模拟天然裂缝，因此可以根据天然裂缝的几何形态合理选择适宜大小和形状的纤维片材。

纤维片材用于模拟天然裂缝的壁面，因此纤维片材应为具有与模拟天然裂缝的渗透性相似的纤维片材。本发明中，纤维片的渗透率指的是纤维片允许液体(比如水)通过的能力。

可以理解，该纤维片材应具有适宜的吸水性，使得在岩石浆料浇筑和固结成型过程中，该纤维片材不易吸水软化甚至导致分离破碎。

同时，该纤维片材最好具有一定的硬度，以在制作裂缝模型和浇筑成型过程中，纤维片材能够尽量保持不变形。一般情况下，纤维片材可选择定量为150-200g/平方米、厚度小于1mm的纸张，比如期刊、宣传册的封面用纸或者名片用纸。

并且，裂缝模型的厚度一般控制在2～3mm，其中纤维片材的厚度越小越好。

本发明中，岩石模型是由岩石浆料浇筑后固结成型的，为实现岩石的准确模拟，在本发明具体实施过程中，岩石模型是由水泥砂浆固结成型得到。具体的，水泥砂浆是由水泥、砂和水，根据需要配成的浆料，比如将水泥、砂和水以3：1：1的质量比混合并固化后，即可用于准确模拟致密砂岩。

本发明中，该盲孔可以穿过裂缝模型，即盲孔与裂缝模型相交，以模拟井眼钻穿或射孔孔眼穿过天然裂缝，通过相交角度的改变可以模拟不同情况下天然裂缝对起裂扩展的影响。或者，盲孔与裂缝模型也可以相离，两者相离可以研究水力裂缝在延伸过程中天然裂缝对裂缝延伸情况的影响。

进一步的，还可以在盲孔底部涂设有能够防止该盲孔底部起裂的黏结层。具体的，是在盲孔底部滴入一定量的胶水，防止裂缝从盲孔底部起裂。在本发明具体实施过程中，是使用环氧树脂胶。

本发明的另一个方面是提供一种预制天然裂缝的水力压裂实验试件的制作方法，包括如下步骤：

将岩石浆料浇筑于模具内，并在此过程中，将裂缝模型放置在模具内的设定位置，控制裂缝模型被岩石浆料完全包裹；

待岩石浆料固结成型，得到岩石模型和位于该岩石模型内的裂缝模型；

去除模具，并在岩石模型上开设盲孔，得到预制天然裂缝的水力压裂实验试件；

其中，裂缝模型为相对设置的纤维片材和填充层形成的能够模拟天然裂缝的夹层结构。

可以理解，将裂缝模型放置在模具内的设定位置，尤其是指根据所需模拟的天然裂缝情况合理设置裂缝模型的角度和方向。其中角度是盲孔轴线与纤维片材所在平面之间的夹角；一般以任一平行于盲孔轴线的平面视为基准平面，纤维片材相对于该基准平面所旋转的角度不同，视为方向不同。根据裂缝模型所放置的方向和角度，即可确定裂缝模型的空间位置。

在地层条件下，岩石所受到的应力可以简化为水平最大主应力、水平最小主应力和垂向应力这三个互相垂直的应力。实验过程中，实验试件同样也会受到三个相互垂直的围压，以模拟实际地层情况。裂缝模型放置的角度和/或方向不同，则实验试件所受到的应力情况也不同。因此，根据裂缝模型所放置的方向和角度，能够准确描述地层中天然裂缝的倾向、倾角和走向。

本发明中，裂缝模型中的填充层用于模拟天然裂缝中的填充物，具体的，上述填充层是由支撑剂颗粒形成的单层或多层结构，且填充层与纤维片材之间通过胶粘固定。在本发明具体实施过程中，还包括制作裂缝模型的步骤，包括：在一纤维片材的表面上涂抹胶水；将支撑剂颗粒粘贴在涂抹有胶水的纤维片材表面，形成填充层；将另一纤维片材粘贴在支撑剂颗粒上。

进一步的，上述相对设置的纤维片材之间所形成的缝隙的至少部分被填充层所填充。即支撑剂颗粒所形成的填充层既可以完全填充上述缝隙，也可以仅填充上述缝隙的一部分，具体可以根据实际所需模拟的天然裂缝中填充物的填充情况合理选择。

本发明中，该纤维片材之间所形成的缝隙用于模拟天然裂缝，纤维片材用于模拟天然裂缝的两个壁面。因此上述相对设置的纤维片材的渗透性最好与模拟天然裂缝的渗透性相似。

除此之外，该纤维片材还应该具有一定的硬度，以在制作该裂缝模型和整个实验试件过程中不会发生较大的变形。在本发明具体实施过程中，上述纤维片材具体可以是纸张，尤其可以是定量为150-200g/平方米、厚度小于1mm的纸张。

同时，该纤维片材的吸水性不宜过大，使得在岩石浆料在浇筑和固结成型过程中，该纤维片材不会发生吸水软化甚至导致分离破碎。

一般期望加工制作完成的裂缝模型的整体厚度不宜太大，一般控制裂缝模型的厚度为2～3mm，其中纤维片材的厚度越小越好。

上述用于制作岩石模型的岩石浆料，具体可以是水泥砂浆，也就是将完井水泥、细沙和水按照一定的比例搅拌均匀而成，再经固结成型得到岩石模型。其中不同配比的水泥砂浆得到的岩石模型的力学强度和物理性质不同，可根据所模拟地层的岩石性质确定合适的配比。比如将完井水泥、砂和水以3：1：1的质量比混合并固化后，即可用于准确模拟致密砂岩。

上述制作过程中所使用的模具，具体可以具有长方体内腔或圆柱体内腔，具体尺寸可根据实验试件的大小决定。在本发明具体实施过程中，使用五块尺寸匹配的矩形钢板，一块做底板，另四块做侧板。在其中两块相对设置的侧板边缘开设有卡槽，然后将另两块侧板的边缘分别插入到该卡槽中，最后通过螺栓或其它任意公知方式实现这五块钢板之间的固定和紧密连接，从而形成敞口长方体模具。

可以理解，为方便后续模具的拆卸，在实际浇筑岩石浆料之前，可以在模具内壁上均匀涂抹润滑剂(润滑脂)，方便后续岩石浆料固结成型后模具的拆卸，也避免模具对整个实验试件的损伤。

本发明中，上述盲孔用于模拟井眼或射孔孔眼，具体可以根据实际研究需求确定盲孔与裂缝之间的位置关系，比如可以使盲孔穿过裂缝模型，或者，与裂缝模型相离。

进一步的，还包括在盲孔内滴入胶水以形成黏结层的步骤。该胶水应具有良好的胶结性能，比如环氧树脂胶。

可以理解，在岩石模型上开设盲孔的过程，实际上可理解为模拟钻井过程；在盲孔内滴入胶水，实际可理解为模拟完井过程。换句话说，向盲孔中滴入的胶水可用于模拟完井液。

本发明提供的预制天然裂缝的水力压裂实验试件，具有岩石模型以及位于该岩石模型内的裂缝模型，其中该裂缝模型具有两片相对设置的纤维片材，以及填充在该两片纤维片材之间所形成的缝隙里的填充层。通过上述结构设置：

①通过纤维片材的大小形状，裂缝模型的位置、方向、角度，可以模拟地层天然裂缝的发育情况，包括但不限于天然裂缝的几何形态、位置、走向和倾角。

②通过两片纤维片材之间填充层的铺置(填充)情况，可以模拟天然裂缝内填充物的填充情况，可以用支撑剂的位置模拟裂缝局部填充(裂缝壁面只有部分位置有支撑剂)和裂缝完全填充(裂缝壁面所有位置有支撑剂)；可以用支撑剂铺置数量和铺置层数模拟天然裂缝宽度情况。

③通过纤维片材的渗透性、两纤维片材的贴合情况，可以模拟地层天然裂缝可渗透和闭合的特征。

④通过裂缝模型与盲孔之间的位置关系，两者相交可以模拟井眼钻穿或射孔孔眼穿过天然裂缝，通过相交角度的改变可以模拟不同情况下天然裂缝对起裂扩展的影响；两者相离可以研究水力裂缝在延伸过程中天然裂缝对裂缝延伸情况的影响。

综上所述，本发明所提供的预制天然裂缝的水力压裂实验试件，能够真实的模拟天然裂缝在地层条件下的状态，从而可以满足研究天然裂缝发育情况、裂缝填充情况、井眼或射孔孔眼与天然裂缝位置关系的要求。

本发明所提供的预制天然裂缝的水力压裂实验试件的制作方法，具有步骤简单的特点，而且使制得的实验试件具有更接近地层天然裂缝发育真实情况的预制裂缝，且预制裂缝的形态具有可控性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的预制天然裂缝的水力压裂实验试件的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的制作裂缝模型的示意图。

附图标记说明：

1-岩石模型；2-裂缝模型；

21-纤维片材；22-填充层；

3-盲孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在不冲突的情况下，下述实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

图1为本实施例提供的预制天然裂缝的水力压裂实验试件的结构示意图；图2为本实施例提供的制作裂缝模型的示意图。如图1和图2所示，本实施例提供的预制天然裂缝的水力压裂实验试件，为利用岩石浆料浇筑后固结成型的岩石模型1和位于该岩石模型1内的裂缝模型2，并具有朝向实验试件内开设的盲孔3，其中：裂缝模型2为相对设置的纤维片材21和填充层22形成的能够模拟天然裂缝的夹层结构。

具体的，该实验试件是将裂缝模型2置于浇筑有部分岩石浆料的模具中后继续完成浇筑而固结成型的柱状体。

本实施例对于该柱状体的具体表现形式不做特别限定，具体可以根据实验和研究需求合理设置，一般为圆柱状或长方体，因此可合理选择具有相应内腔形状的模具。

具体的，可以将部分岩石浆料浇筑到模具内，然后将事先制作好的裂缝模型2放置到模具内的设定位置，然后继续浇筑剩余的岩石浆料，直至浇筑完成，同时控制岩石浆料完全包裹裂缝模型2。然后在岩石浆料固结成型后，去除模具，并在模具上钻设盲孔，从而得到预制天然裂缝的水力压裂实验试件。

如图2所示，在本发明具体实施过程中，该裂缝模型2可按照如下步骤制作：在一纤维片材21的表面上涂抹胶水；将支撑剂颗粒粘贴在涂抹有胶水的纤维片材21表面，形成填充层22；将另一纤维片材21粘贴在支撑剂颗粒上，具有“纤维片材21-填充层22-纤维片材21”的夹层结构，两个纤维片材21之间形成有缝隙，填充层22填充在该缝隙内。

可以理解，填充层22的填充状态可以根据实际所需模拟的天然裂缝的填充物情况合理设置。

具体的，填充层22可以是由支撑剂颗粒形成的单层结构，或者由支撑剂颗粒形成的多层结构，且填充层22与纤维片材21之间通过胶粘固定。当然，若填充层22为多层结构，则相邻填充层22之间也通过胶粘固定。

具体的，相对设置的纤维片材21之间所形成的缝隙的至少部分被填充层22所填充，即填充层22既可以填满整个缝隙，也可以不填满整个缝隙。

具体的，上述纤维片材21为具有与模拟天然裂缝的渗透性相似的纤维片材21，以准确模拟天然裂缝的实际情况。当然，在选择纤维片材21时，其吸水性不应过大，以保证在制作实验试件的过程中，不会发生因纤维片材21吸水形变甚至分散破碎的问题。

同时，纤维片材21还应该具有一定的硬度，或者说结构强度，以能够保证其在制作裂缝模型2甚至实验试件过程中能保持基本不发生变形。一般情况下，纤维片材21可以选择定量为150-200g/平方米、厚度小于1mm的纸张，比如名片用纸，期刊或杂志封面用纸。

一般情况下，整个裂缝模型2的厚度不宜太大，整体厚度一般为2-3mm左右，其中纤维片材21的厚度越小越好。

本实施例中，盲孔3具体可以穿过该裂缝模型2，如图1所示，盲孔3与裂缝模型2相交，以模拟井眼钻穿或射孔孔眼穿过天然裂缝，通过相交角度的改变可以模拟不同情况下天然裂缝对起裂扩展的影响。或者，盲孔3与裂缝模型2相离，可以研究水力裂缝在延伸过程中天然裂缝对裂缝延伸情况的影响。

进一步的，还可以在盲孔3底部涂设有能够防止该盲孔3底部起裂的黏结层。具体的，是在盲孔3底部滴入一定量的胶水，防止裂缝从盲孔底部起裂。在具体实施过程中，使用胶结性能良好的胶水，比如使用环氧树脂胶。

实施例二

本实施例提供一种实施例一中所述预制天然裂缝的水力压裂实验试件的制作方法，包括如下步骤：

s1、制作裂缝模型2

(1)根据所要模拟的天然裂缝形状、尺寸大小，裁剪两片形状相同的纤维片材21，作为模拟天然裂缝的两个壁面。

其中，该纤维片材21具体为纸片，并选择渗透性与天然裂缝的渗透性基本相似的纸片，且其定量为150-200g/平方米、厚度小于1mm。一般可使用名片用纸或期刊、杂志封面用纸。

(2)在其中一片纸片上涂上胶水，胶水涂抹过程中在能保证具有足够胶结强度的基础上使胶水涂抹的尽可能的薄。

(3)以支撑剂模拟天然裂缝的填充物，将支撑剂颗粒粘在涂有胶水的纸片上，形成填充层22。

具体的，可根据所需模拟天然裂缝填充情况，选择支撑剂颗粒粘贴的位置、数目和层数。其中填充层22可以是单层或多层；支撑剂颗粒可以完整覆盖整个纸片，也可以仅在纸片表面的部分区域上粘贴支撑剂颗粒。

(4)将两片纸片粘贴在一起，使所粘贴的支撑剂夹在两个纸片中间，形成“纤维片材21-填充层22-纤维片材21”的夹层结构，得到具有充填物的裂缝模型2。

s2、制作实验试件

(1)组装模具，并保证模具内部干净整洁，模具连接处紧密。

具体的，可以使用五块钢板组装成一个内腔为立方体的、可拆卸的模具。

(2)用刷子在模具内壁均匀涂抹润滑脂，方便拆卸后期成型的实验试件。

(3)将水泥撵成细粉，减少水泥粉末固结形成的小团块对后期浇筑实验试件强度的影响；将水泥、细沙和水以设定的比例在水桶中搅拌混合均匀，形成岩石浆料。

(4)将岩石浆料浇筑到模具内，浇筑过程中，根据所要模拟的天然裂缝位置、走向、夹角，将之前做好的裂缝模型2放在设定位置。继续将岩石浆料浇筑到模具内，直至岩石浆料的高度略高于模具高度，并控制裂缝模型2完全被岩石浆料所包裹。

浇筑过程中应减少气泡的形成，并避免后续浇筑过程中对预置天然裂缝的扰动。

(5)待岩石浆料还未完全固结成型但已经具有一定强度时，用长尺将多余的厚度沿模具推平，确保岩石浆料端面平整。

岩石浆料固结过程中适时施水，防止在固结过程中因过干产生裂纹，制成除裂缝模型之外其它部分强度均质的实验试件。

(6)在岩石浆料完全固结成型之后，拆卸模具。

(7)在实验试件上钻开一段盲孔3，用于模拟井眼或射孔；然后在盲孔3底部滴入环氧树脂胶，以在盲孔3底部形成黏结层(未图示)，防止在盲孔3底部强度较弱处起裂。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。