一种高压流体注入过程岩石力学参数动态评价装置与方法

1.本发明涉及岩石力学技术领域，具体涉及一种高压流体注入过程岩石力学参数动态评价装置与方法。


背景技术：

2.岩石的流体注入过程研究作为许多工程学科的前沿课题，在石油开采、地应力测量、岩石断裂韧度分析、水库诱发地震、水坝及边坡失稳控制等领域具有广泛的应用前景，特别是在能源领域。深部地层高压流体注入技术是一项非常重要的技术，其广泛应用于页岩储层改造、地热储层增渗、煤层气开采等方面，工程中高压流体注入的效果直接影响了油气井的产量和油气田的经济效益。
3.深部地层高压流体注入技术主要是为了增强储层原有的渗流性能，通过向深部高温地层中注入高压流体产生微裂缝改变岩石力学结构，从而改变地层的渗透能力，而渗透率作为储层渗流能力的重要表征参数，与岩石力学参数存在耦合关系，其在注入阶段的动态变化能够直观地反映深部地层高压流体注入技术的地层改造效果。
4.但是，现阶段鲜有涉及深部地层高温环境下高压流体注入的岩石力学参数与渗透率动态耦合变化的评价方法，特别是渗透率测量具有一定的时间延迟效应，上游流体载荷变化后下游流体荷载无法及时相对应的发生变化，需要等上游流体压力及出口流速稳定后才能测得精确值，所以导致了现有的岩石力学实验装置大多是在稳态条件下对渗透率进行测试，且仅能测试试验前和测试试验末的渗透率值，如专利cn215640530u公开了一种拟三轴压裂系统，能够对压裂最终效果进行评价，但是该系统无法有效衡量包括渗透率增幅、增速以及特征时间突变等在内的一系列动态行为。
5.专利cn112683748a公开了一种压裂物理模拟过程中煤岩动态渗透率测量装置及方法，通过实时监测出口高压流体流量，实现了对压裂过程中渗透率的动态监测，但是该测量装置并未解决渗透率测试所存在的时间延迟效应，使得采用该装置监测渗透率实时动态演化时存在一定的误差，特别是在使用液氮、液态二氧化碳等室温下易发生相变的高压流体时，气化会导致流体体积的成倍增长，此时采用该测试装置无法有效监测出口处流量变化，使得该测试装置失效。
6.因此，亟需建立一种不受高压流体介质及时间延迟效应影响的高压流体注入过程岩石力学参数动态评价装置与方法，能够反映深部地层高温渗流环境下岩石力学参数对渗透性能的作用效果，为地层流体注入试验效果评价及施工提供依据。


技术实现要素：

7.本发明旨在解决上述问题，提供了一种高压流体注入过程岩石力学参数动态评价装置与方法,解决了高压流体注入前岩芯试样初始渗透率的测量，结合高压流体注入过程中岩芯试样损伤时的声波特征，基于岩石力学参数与渗透率的耦合关系建立岩芯试样渗透率的动态评价模型，实现了对深部高温地层流体注入全过程岩石渗透率伴随岩石力学参数
变化的准确评价，为流体注入施工提供了依据。
8.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
9.一种高压流体注入过程岩石力学参数动态评价装置，用于深部地层高压流体注入过程岩石力学参数与渗透率耦合的动态评价，包括岩芯夹持器和计算机控制系统；
10.所述岩芯夹持器底端设置有位移传感器，岩芯夹持器内设置有两端开口的围压筒，围压筒顶部采用上端盖进行封堵，底部采用轴压压头进行封堵，围压筒内设置有岩芯试样，岩芯试样侧壁与围压筒内壁相紧贴，围压筒外壁与岩芯夹持器之间形成围压室，围压室内设置有与加热保温系统相连接的加热电阻，围压室顶部设置有围压介质入口，底部设置有围压介质出口，围压介质入口和围压介质出口均通过管路与围压伺服加载系统连接形成循环回路，循环管路靠近围压介质入口一侧设置有围压传感器，靠近围压介质出口一侧设置有温度传感器；
11.所述上端盖的底部设置有纵波发射器和横波发射器，上端盖内设置有注入管，注入管底端插入岩芯试样中，顶端设置有三通阀，三通阀的第一连接端通过第一管路与流体注入系统相连接，第一管路上设置有流体压力传感器和第一减压阀，三通阀的第二连接端通过第二管路与氮气气瓶相连接，第二管路上设置有氮气压力传感器和第二减压阀；
12.所述轴压压头的加压端设置有纵波接收器和横波接收器，纵波接收器设置于与纵波发射器相对位置处，横波接收器设置于与横波发射器相对位置处，轴压压头内设置有轴压室和流出管，轴压室通过第三管路与轴压伺服加载系统相连接，第三管路上设置有轴压传感器，流出管一端与岩芯试样底面相紧贴，另一端与废液回收装置相连接，流出管上依次设置有背压阀、流体出口压力传感器和流量计；
13.所述纵波发射器、横波发射器、纵波接收器和横波接收器均与声波监测系统相连接；
14.所述计算机控制系统分别与加热保温系统、围压伺服加载系统、流体注入系统、轴压伺服加载系统、声波监测系统和位移传感器相连接。
15.优选地，所述岩芯试样顶面中心处设置有注入孔，注入管底端插入岩芯试样的注入孔内。
16.优选地，所述上端盖与岩芯夹持器为螺纹连接，轴压压头侧壁通过密封胶圈与岩芯夹持器密封连接。
17.优选地，所述流体注入系统设置有注液泵和高压流体储罐。
18.优选地，所述围压筒内壁设置有保温层。
19.一种高压流体注入过程岩石力学参数动态评价方法，采用如上所述的高压流体注入过程岩石力学参数动态评价装置，具体包括如下步骤：
20.步骤1，选取待测岩样制成岩芯试样，测量岩芯试样的初始长度l、截面积a和密度ρ，将岩芯试样置于岩芯夹持器的围压筒内，利用上端盖和轴压压头密封围压筒；
21.步骤2，根据地层温度设置岩芯试样的实验温度，利用加热保温系统控制加热电阻将岩芯试样加热至实验温度，结合温度传感器，使得岩芯试样的温度维持恒定，再根据模拟地层的地质资料设置轴压加压值σ1和围压加压值σ3，开启轴压伺服加载系统，利用轴压伺服加载系统控制轴压压头向岩芯试样施加轴压，结合轴压传感器的示数，当岩芯试样所受的轴压稳定为σ1时，开启围压伺服加载系统，利用围压伺服加载系统控制围压室向岩芯试样
施加围压，结合围压传感器的示数，使得岩芯试样所受的围压稳定为σ3；
22.步骤3，开启第二减压阀，将氮气气瓶内的氮气经注入管注入岩芯试样内，调节背压阀，结合流体出口压力传感器的示数，将流出管的出口压力调整为与模拟地层的孔隙压力p
out
相同，利用位移传感器测量岩芯试样的位移量δl，开启声波监测系统，利用声波监测系统同时控制纵波发射器和横波发射器，使得纵波接收器接收纵波发射器发出的纵波信号，横波接收器接收横波发射器发出的横波信号，得到高压流体注入前岩芯试样的纵波速度v
p0
和横波速度v
s0
；
23.结合氮气压力传感器的示数，待氮气的注入压力pi′
nj
和排量稳定后，利用流量计测量流出管内的气体排量，结合氮气压力传感器和流体出口压力传感器的示数，计算岩芯试样的初始渗透率，如公式(1)所示：
[0024][0025]
式中，k0为岩芯试样的初始渗透率，μ为氮气的粘度，p
sc
为标准大气压，pi′
nj
为氮气的注入压力，q为岩芯试样单位时间内的氮气排量；
[0026]
步骤4，关闭第二减压阀，停止向岩芯试样内注入氮气，开启第一减压阀，调节背压阀，结合流体出口压力传感器的示数，将流出管的出口压力调整为与模拟地层的孔隙压力p
out
相同，根据预设的高压流体注液速度，利用流体注入系统将高压流体以压力值p
out
注入岩芯试样内，待流量计示数稳定后，按照预设的时间间隔，利用计算机控制系统控制声波监测系统和位移传感器进行测量，确定高压流体注入过程中各时刻对应的纵波波速和横波波速，分别得到纵波波速、横波波速随高压流体注入时间的变化规律；
[0027]
步骤5，根据高压流体注入过程中各时刻测量的纵波波速和横波波速，反演得到高压流体注入过程中岩芯试样弹性模量的动态演化规律为：
[0028][0029]
式中，e(t)为高压流体注入时长t时岩芯试样的弹性模量，v
p
(t)为高压流体注入时长t时岩芯试样的纵波波速，ρ为岩芯试样的密度，t为高压流体的注入时长；
[0030]
根据岩芯试样弹性模量与剪切模量之间的关系，得到高压流体注入过程中岩芯试样泊松比的动态演化规律为：
[0031][0032]
式中，μ(t)为高压流体注入时长t时岩芯试样的泊松比，g(t)为高压流体注入时长t时岩芯试样的剪切模量，vs(t)为高压流体注入时长t时岩芯试样的横波波速；
[0033]
基于岩石体积应变和岩石完整性的渗透率演化关系，如式(4)所示：
[0034][0035]
式中，k(t)为高压流体注入时长t时岩芯试样的渗透率；d(t)为高压流体注入时长t时岩芯试样的损伤因子；k0为岩芯试样的初始渗透率；θ(t)为高压流体注入时长t时岩芯试样的体积应变；αk为岩芯试样损伤对渗透率的影响系数；σm(t)为高压流体注入时长t时岩芯试样的平均应力；
[0036]
根据岩芯试样弹性模量和泊松比的动态变化规律，结合岩石体积应变和岩石完整性的渗透率演化关系，建立岩芯试样渗透率的动态评价模型，如公式(5)所示：
[0037][0038]
其中，p
inj
(t)为高压流体注入时长t时的注入压力，高压流体注入时长为t时的损伤因子d(t)为：
[0039][0040]
式中，v
p0
为岩芯试样纵波波速的初始值；
[0041]
步骤8，根据岩芯试样渗透率的动态评价模型，绘制渗透率动态变化曲线，结合岩芯试样所受到的水平地应力值、垂直地应力值、孔隙压力值、温度值、高压流体的注液速度和注入压力，对高压流体注入过程中岩芯试样的渗透率进行动态评价。
[0042]
优选地，所述步骤3中，高压流体注入前岩芯试样的纵波速度v
p0
为：
[0043][0044]
式中，l为岩芯试样的初始长度，δl为岩芯试样的位移量，δt
p0
为纵波信号从纵波发射器内发出至纵波接收器接收所用的时间；
[0045]
高压流体注入前岩芯试样的横波速度v
s0
为：
[0046][0047]
式中，δt
s0
为纵波信号从纵波发射器内发出至纵波接收器接收所用的时间。
[0048]
本发明所带来的有益技术效果：
[0049]
本发明将损伤力学中的损伤因子与弹性波传播理论中的岩石完整性评价相联系，利用岩石体积应变和岩石完整性的渗透率演化关系，综合考虑水平地应力、垂直地应力、地层孔隙压力、地层温度、流体注入速率和注入压力对高压流体注入岩石过程的影响，实现了在不同围压、轴压和温度条件下，利用纵波波速和横波波速在高压流体注入全过程动态监测岩石的弹性模量和泊松比，并结合岩石渗透率的初始值对岩石渗透率进行动态评价，解决了在实验室中难以准确评价深部地层高温环境下高压流体注入导致岩石形变至破裂全
过程中渗透率动态变化的问题。
[0050]
本发明解决了常规岩石渗透率测量方法需要长时间稳流且无法在高压流体注入过程实时对岩石渗透率进行动态评价的问题，并且，由于本发明方法无需实时监测岩芯试样的出口流量，因此本发明无需考虑试验过程中因高压流体相变(如液氮、液态二氧化碳气化)所导致流量测量方法失效的问题，即本发明适用于评价各类流体的高压注入效果，实现了对高压流体注入全过程岩石渗透率伴随岩石力学参数变化的准确评价，通过获取岩石力学参数以及渗透率的变化曲线，为流体注入数值模拟以及施工提供了依据。
附图说明
[0051]
图1为本发明一种高压流体注入过程岩石力学参数动态评价装置的结构示意图。
[0052]
图2为本发明岩芯夹持器的结构示意图。
[0053]
图3为本发明一种高压流体注入过程岩石力学参数动态评价方法的流程图。
[0054]
图中，1、注入管，2、上端盖，3、横波发射器，4、纵波发射器，5、围压介质入口，6、加热电阻，7、围压筒，8、岩芯夹持器，9、围压室，10、岩芯试样，11、围压介质出口，12、纵波接收器，13、轴压压头，14、密封胶圈，15、横波接收器，16、轴压室，17、位移传感器，18、流出管，19、围压传感器，20、温度传感器，21、高压流体压力传感器，22、氮气压力传感器，23、轴压传感器，24、流量计，25、流体出口压力传感器。
具体实施方式
[0055]
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
[0056]
本发明一种高压流体注入过程岩石力学参数动态评价装置，用于深部地层高压流体注入过程岩石力学参数与渗透率耦合的动态评价，如图1所示，包括岩芯夹持器8和计算机控制系统。
[0057]
所述岩芯夹持器8用于固定岩芯试样10，如图2所示，岩芯夹持器8底端设置有用于测量岩芯试样位移量的位移传感器17，岩芯夹持器8内设置有两端开口的围压筒7，围压筒7顶部采用上端盖2进行封堵，底部采用轴压压头13进行封堵。围压筒7内放置有岩芯试样10，岩芯试样10侧壁与围压筒7内壁相紧贴，围压筒7外壁与岩芯夹持器8之间形成围压室9，用于为岩芯试样提供围压模拟岩芯试样所受到的水平地应力；围压室9内设置有与加热保温系统相连接的加热电阻6，加热电阻6通过加热围压室中的介质对岩芯试样均匀加热，使得岩芯试样所处环境温度与设定的地层温度相同，同时，为了更好的模拟地层温度并对岩芯试样进行保温，围压筒7内壁设置有保温涂层，能够有效保证岩芯试样的温度恒定；围压室9顶部设置有围压介质入口5，底部设置有围压介质出口11，围压介质入口5和围压介质出口11均通过管路与围压伺服加载系统连接形成循环回路，循环管路靠近围压介质入口一侧设置有围压传感器19，用于测量围压室对岩芯试样所施加的围压值，靠近围压介质出口一侧设置有温度传感器20，用于确定岩芯试样周围环境的温度。
[0058]
所述上端盖2与岩芯夹持器8之间采用螺纹连接，上端盖2的底部设置有声波发射装置，包括纵波发射器4和横波发射器3，上端盖2内设置有注入管1，用于将高压流体或氮气注入岩芯夹持器内，注入管1的底端插入岩芯试样10顶面的注入孔中，注入管1的顶端设置有三通阀，三通阀的第一连接端通过第一管路依次与流体注入系统中的注液泵和高压流体
储罐相连接，第一管路上设置有高压流体压力传感器21和第一减压阀，三通阀的第二连接端通过第二管路与氮气气瓶相连接，第二管路上设置有氮气压力传感器22和第二减压阀。
[0059]
所述轴压压头13与岩芯夹持器8通过密封胶圈14密封连接，轴压压头13的加压端设置有声波接收装置，包括纵波接收器12和横波接收器15，纵波接收器12设置于与纵波发射器4相对位置处，横波接收器15设置于与横波发射器3相对位置处。轴压压头13内设置有轴压室16和流出管18，轴压室16通过第三管路与轴压伺服加载系统相连接，用于为岩芯试样提供轴压模拟岩芯试样所受到的垂直地应力，第三管路上设置有轴压传感器23，用于测量轴压压头向岩芯试样所施加的轴压值；流出管18一端端与岩芯试样10底面相紧贴，另一端与废液回收装置相连接，流出管18上依次设置有背压阀、流体出口压力传感器25和流量计24，背压阀用于调整岩芯试样的孔隙压力，流体出口压力传感器25用于测量岩芯试样中排出流体的压力，流量计24用于监测流出岩芯试样的流体流量。
[0060]
所述纵波发射器4、横波发射器3、纵波接收器12和横波接收器15均与声波监测系统相连接，能够将测量到的声波数据实时通过声波监测系统传输至计算机控制系统中。
[0061]
所述计算机控制系统分别与加热保温系统、围压伺服加载系统、流体注入系统、轴压伺服加载系统、声波监测系统和位移传感器相连接。
[0062]
实施例1
[0063]
本实施例以圆柱状岩芯试样为例，详细说明本发明提出的一种高压流体注入过程岩石力学参数动态评价方法，如图3所示，采用上述高压流体注入过程岩石力学参数动态评价装置，具体包括如下步骤：
[0064]
步骤1，选取待测岩样制成岩芯试样，在岩芯试样顶面钻取注入孔，测量岩芯试样的初始长度l、截面积a和密度ρ，将岩芯试样10置于岩芯夹持器8的围压筒7内，利用上端盖2和轴压压头13密封围压筒7。
[0065]
步骤2，根据地层温度设置岩芯试样的实验温度，利用加热保温系统控制加热电阻6将岩芯试样加热至实验温度，结合温度传感器20，使得岩芯试样的温度维持恒定，再根据模拟地层的地质资料设置轴压加压值σ1和围压加压值σ3，开启轴压伺服加载系统，利用轴压伺服加载系统控制轴压压头13向岩芯试样10施加轴压，结合轴压传感器23的示数，当岩芯试样所受的轴压稳定为σ1时，开启围压伺服加载系统，利用围压伺服加载系统控制围压室9向岩芯试样10施加围压，结合围压传感器19的示数，使得岩芯试样10所受的围压稳定为σ3。
[0066]
步骤3，开启第二减压阀，将氮气气瓶内的氮气经注入管1注入岩芯试样10内，调节背压阀，结合流体出口压力传感器25的示数，将流出管18的出口压力调整为与模拟地层的孔隙压力p
out
相同，利用位移传感器23测量岩芯试样10的位移量δl，开启声波监测系统，利用声波监测系统同时控制纵波发射器4和横波发射器3，使得纵波接收器12接收纵波发射器4发出的纵波信号，横波接收器15接收横波发射器3发出的横波信号，得到高压流体注入前岩芯试样的纵波速度v
p0
和横波速度v
s0
，其中，高压流体注入前岩芯试样的纵波速度v
p0
为：
[0067][0068]
式中，l为岩芯试样的初始长度，δl为岩芯试样的位移量，δt
p0
为纵波信号从纵波发射器内发出至纵波接收器接收所用的时间；
[0069]
高压流体注入前岩芯试样的横波速度v
s0
为：
[0070][0071]
式中，δt
s0
为纵波信号从纵波发射器内发出至纵波接收器接收所用的时间。
[0072]
结合氮气压力传感器22的示数，待氮气的注入压力pi′
nj
和排量稳定后，利用流量计24测量流出管内的气体排量，结合氮气压力传感器22和流体出口压力传感器25的示数，计算岩芯试样的初始渗透率，如公式(1)所示：
[0073][0074]
式中，k0为岩芯试样的初始渗透率，μ为氮气的粘度，p
sc
为标准大气压，pi′
nj
为氮气的注入压力，q为岩芯试样单位时间内的氮气排量。
[0075]
步骤4，关闭第二减压阀，停止向岩芯试样内注入氮气，开启第一减压阀，调节背压阀，结合流体出口压力传感器25的示数，将流出管18的出口压力调整为与模拟地层的孔隙压力p
out
相同，根据预设的高压流体注液速度，利用流体注入系统将高压流体以压力值p
out
注入岩芯试样10内，待流量计24示数稳定后，按照预设的时间间隔，利用计算机控制系统控制声波监测系统和位移传感器17进行测量，确定高压流体注入过程中各时刻对应的纵波波速和横波波速，分别得到纵波波速、横波波速随高压流体注入时间的变化规律。
[0076]
步骤5，根据高压流体注入过程中各时刻测量的纵波波速和横波波速，反演得到高压流体注入过程中岩芯试样弹性模量的动态演化规律为：
[0077][0078]
式中，e(t)为高压流体注入时长t时岩芯试样的弹性模量，v
p
(t)为高压流体注入时长t时岩芯试样的纵波波速，ρ为岩芯试样的密度，t为高压流体的注入时长。
[0079]
根据岩芯试样弹性模量与剪切模量之间的关系，得到高压流体注入过程中岩芯试样泊松比的动态演化规律为：
[0080][0081]
式中，μ(t)为高压流体注入时长t时岩芯试样的泊松比，g(t)为高压流体注入时长t时岩芯试样的剪切模量，vs(t)为高压流体注入时长t时岩芯试样的横波波速。
[0082]
基于岩石体积应变和岩石完整性的渗透率演化关系，如式(4)所示：
[0083][0084]
其中，
[0085][0086]
式中，k(t)为高压流体注入时长t时岩芯试样的渗透率；d(t)为高压流体注入时长t时岩芯试样的损伤因子；k0为岩芯试样的初始渗透率；θ(t)为高压流体注入时长t时岩芯试样的体积应变；αk为岩芯试样损伤对渗透率的影响系数；σm(t)为高压流体注入时长t时岩芯试样的平均应力。
[0087]
根据岩芯试样弹性模量和泊松比的动态变化规律，结合岩石体积应变和岩石完整性的渗透率演化关系，建立岩芯试样渗透率的动态评价模型，如公式(5)所示：
[0088][0089]
其中，p
inj
(t)为高压流体注入时长t时的注入压力，高压流体注入时长为t时的损伤因子d(t)为：
[0090][0091]
式中，v
p0
为岩芯试样纵波波速的初始值。
[0092]
步骤8，根据岩芯试样渗透率的动态评价模型，绘制渗透率动态变化曲线，结合岩芯试样所受到的水平地应力值、垂直地应力值、孔隙压力值、温度值、高压流体的注液速度和注入压力，对高压流体注入过程中岩芯试样的渗透率进行动态评价。
[0093]
本发明将损伤力学中的损伤因子与弹性波传播理论中的岩石完整性评价相联系，综合岩芯试样所受到的水平地应力值、垂直地应力值、孔隙压力值、温度值、高压流体的注液速度和注入压力，建立岩芯试样渗透率的动态评价模型，实现了对高压流体注入全过程岩石渗透率伴随岩石力学参数变化的准确评价，通过获取岩石力学参数以及岩石渗透率的变化曲线，为流体注入数值模拟以及施工提供了依据。
[0094]
在本发明描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0095]
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。