一种动态检测多尺度裂缝激活状态的系统以及方法与流程

本发明涉及石油工程水力压裂，尤其涉及一种动态检测多尺度裂缝激活状态的系统以及方法。

背景技术：

1、段内多簇压裂工艺(称为压裂工艺2.0)是降低压裂成本、提高作业时效的重要手段。目前在300～400m井间距下主要开展了段内为6～11簇压裂现场试验，然而，受多尺度断层/天然裂缝的影响，压后效果差异大，大部分试验井产量未达预期。

2、工程实践表明，长水平段簇开启程度较低，未能实现储层资源的充分动用。页岩中随机发育的断层/天然裂缝/断层使得储层表现出强烈的非均质性，多裂缝竞争扩展过程中，当某一条/几条主裂缝延伸范围内发育裂缝系统时，由于天然裂缝系统对水力裂缝具有极强的捕获能力，这条主裂缝与裂缝系统连通后，会逐渐发展为优势通道，吸收大部分的液量、不断发展，其他通道受到抑制甚至停止扩展，多簇水力裂缝呈现强非均衡扩展特征，从而极大降低了压裂效率，也增大了套管变形和井间压窜的风险。上述这些复杂的工程问题均与多尺度天然裂缝的活化有关，若能提前明确不同尺度天然裂缝激活的临界阈值，提供针对性的现场压裂方案，就可以大大降低工程风险。

3、目前，关于裂缝激活状态检测方面，传统方法虽然可行，但均存在一定的局限性，特别是裂缝直接观测方法，即通过开展水力压裂试验，人工劈裂岩石，观测裂缝被激活的情况，这种观测方法具有以下缺点：一是在劈裂试样的过程中，原有的压裂裂缝会遭到破坏，或者在原有裂缝的基础上产生新裂缝，从而极大影响实验结果的准确性；二是在多尺度裂缝的观测方面，这种直观观测方法是沿着主裂缝劈开试样，其结果只能对主裂缝面进行观测，其他的微小裂缝均遭到破坏；三是只能获取裂缝是否激活的结果，无法知道初始裂缝的尺度。除此之外，现有实验室对裂缝的观测手段还包括：①利用声发射监测方法，这种方法也只能获取裂缝是否激活的结果，无法知道初始裂缝的尺度。②用透明材料制作实验样本，对压裂裂缝的扩展进行直观观测，这种透明材料与岩石性质差异较大，代表性不足。③超声波监测技术，此方法只能监测裂缝的深度，裂缝的显示不直观，且容易受到主客观因素的影响，类似的技术还有冲击回波法检测技术。④ct扫描技术，此种方法能够实现裂缝的无损监测，但是无法做到实时监测。⑤通过建立理论模型判断裂缝激活状态，此类方法均具有一定的假设。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种动态检测多尺度裂缝激活状态的系统以及方法。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种动态检测多尺度裂缝激活状态的系统，包括：基座、下压头、一对密封垫片、一对密封圈、岩石样品、岩石变形测量装置、上压头、外筒、活塞、压力泵、控制面板、ct扫描装置、计算机、注液机构、围压机构，所述下压头的底部以及所述外筒的底部均安装在所述基座上，所述下压头、所述密封垫片、所述密封圈、所述岩石样品、所述岩石变形测量装置以及所述上压头均位于所述外筒中，所述上压头滑动安装在所述外筒的顶部，所述压力泵安装在所述外筒的顶端，所述活塞的一端贯穿所述外筒与所述上压头的顶部连接，所述活塞的另一端与所述压力泵连接，一对所述密封垫片一一对应安装在所述下压头的顶端以及所述上压头的底端，一对所述密封圈一一对应安装在一对所述密封垫片上，所述岩石样品以及所述岩石变形测量装置位于一对所述密封垫片之间，所述岩石变形测量装置安装在所述岩石样品上，一对所述密封垫片一一对应与所述岩石样品的顶部以及底部连接，所述注液机构的一端分别与所述上压头以及所述下压头连通，所述围压机构的一端与所述外筒连接，所述控制面板分别与所述压力泵、所述注液机构的另一端、所述围压机构的另一端以及所述计算机连接，所述计算机分别与所述岩石变形测量装置以及所述ct扫描装置连接。

3、采用本发明技术方案的有益效果是：通过制备含人造裂缝形态的裂缝性岩石样品，结合ct扫描与处理装置和裂缝变形测量装置，开展不同围压和注液条件下流体通过缝宽动态可调式裂缝的能力，准确表征水力压裂过程中和压裂后多尺度天然裂缝激活状态，实现对多尺度裂缝激活状态以及流体通过能力和通过条件的动态评价，为认识天然裂缝性储层压裂缝网形态、压裂关井后天然裂缝二次激活以及研究套变和压窜等问题提供指导，操作方法简单、效率高。

4、进一步地，所述下压头以及所述上压头的中部均设有注液通道，所述密封垫片的中部设有导流槽，所述导流槽与所述注液通道连通，所述注液机构的一端通过注液通道以及所述导流槽与所述岩石样品连通。

5、采用上述进一步技术方案的有益效果是：在岩石样品上下端部也采用o型圈进行密封。同时，在岩石与上下压头之间，放密封垫片，用于密封岩石与上下压头，防止注液过程中，流体沿着岩石和铁板的接触面向外部渗流。在密封垫片的中部预留矩形的导流槽，保证流体可以从裂缝的端面进入。

6、进一步地，所述岩石变形测量装置包括：一对框架、一对固定杆、一对弹簧、一对线性差动变压位移传感，一对所述框架一一对应位于所述岩石样品的两侧，一对所述固定杆的两端一一对应与一对所述框架的两端连接，一对所述弹簧的两端一一对应与一对所述框架的两端连接，一对所述线性差动变压位移传感的两端一一对应与一对所述框架的两端连接。

7、采用上述进一步技术方案的有益效果是：岩石变形测量装置用于测量不同围压和注液过程岩石变形的动态变化，测量垂直裂缝方向(法向)岩石基质和裂缝的变形。框架用于固定样品位置，使得裂缝与框架平行而不会晃动，另外一个作用就是固定lvdt(线性差动变压位移传感)；固定杆的作用是固定框架，保障框架在样品发生法向变形的过程中一直保持平行；弹簧的作用是使得框架的上下面与样品外侧一直保持紧贴，当样品发生法向的收缩时，框架就会在弹簧的拉力作用下收缩；lvdt的作用是测量样品变形过程中框架两个面之间的相对位移，也就是岩石样品整体的法向位移，测量的位移随着时间的变化将同压力等其他数据一起被记录在系统中，在岩石样品两侧各安装了一个lvdt，分别测量实验中任意时刻岩石变形量的值，取两个lvdt测量结果的平均值。

8、进一步地，一对线性差动变压位移传感的一端分别设有数据传输线，所述数据传输线与所述计算机连接，一对所述框架的两端分别设有销钉，一对所述弹簧的两端一一对应通过所述销钉与一对所述框架的两端连接，一对所述框架的中部分别设有卡槽。

9、采用上述进一步技术方案的有益效果是：数据传输线的设置便于信号传输。销钉的设置，便于弹簧的安装以及维护。卡槽的设置，便于对岩石样品进行夹持。

10、进一步地，所述密封垫片为用于制备张性裂缝的带凸起的圆盘状钢性垫片或用于制备剪切裂缝的半圆柱状钢性垫片与弹簧垫片。

11、采用上述进一步技术方案的有益效果是：可以制备张性裂缝和剪切裂缝两种裂缝类型，岩石样品的形状为圆柱状。针对不同类型裂缝的制备，需要采用不同形状的钢性垫片和弹簧垫片进行辅助：对于张性裂缝的制备，采用带凸起的圆盘状钢性垫片，模拟劈裂破坏；对于剪切裂缝的制备，采用半圆柱状钢性垫片和弹簧垫片，模拟剪切破坏，采用弹簧垫片的目的是，防止发生剪切破裂时，发生失稳扩展，对岩石样品本体和裂缝面造成损坏。

12、进一步地，所述注液机构包括：一对流量计、一对第一阀门、一对流量泵，一对所述流量泵的一端一一对应通过管路与所述上压头以及所述下压头连通，一对所述第一阀门一一对应安装在流量泵和下压头之间的管路上以及流量泵和上压头之间的管路上，一对所述流量计的一端一一对应与流量泵和第一阀门之间的管路连接，所述控制面板分别与一对所述流量计的另一端以及一对所述流量泵的另一端连接；所述围压机构包括：用于向外筒内提供围压油的伺服增压器以及第二阀门，所述伺服增压器的一端通过所述第二阀门与所述外筒连接，所述伺服增压器的另一端与所述控制面板连接。

13、采用上述进一步技术方案的有益效果是：注液机构用于向含初始裂缝的岩石样品的一端注入流体，通过调整围压和注液条件，获取样品两端的压力的变化和流量参数。

14、此外，本发明还提供了一种动态检测多尺度裂缝激活状态的方法，基于上述任意一项所述的一种动态检测多尺度裂缝激活状态的系统，一种动态检测多尺度裂缝激活状态的方法包括：

15、s1、对岩石样品进行压缩，使得岩石样品内部产生裂缝；

16、s2、对裂缝面进行处理；

17、s3、对岩石样品进行ct扫描，并进行图像处理，获取初始裂缝宽度；

18、s4、对岩石样品进行阶梯同步提升围压以及轴向载荷处理，得到裂缝宽度与围压之间的转换关系；

19、s5、对岩石样品进行不同的注液条件处理，结合围压的变化，评价不同尺度裂缝激活的临界压力以及激活速率。

20、采用本发明技术方案的有益效果是：通过制备含人造裂缝形态的裂缝性岩石样品，结合ct扫描与处理装置和裂缝变形测量装置，开展不同围压和注液条件下流体通过缝宽动态可调式裂缝的能力，准确表征水力压裂过程中和压裂后多尺度天然裂缝激活状态，实现对多尺度裂缝激活状态以及流体通过能力和通过条件的动态评价，为认识天然裂缝性储层压裂缝网形态、压裂关井后天然裂缝二次激活以及研究套变和压窜等问题提供指导，操作方法简单、效率高。

21、进一步地，步骤2包括：

22、将岩石样品沿着裂缝面分开，对岩石样品两侧的裂缝面采用聚脲材料进行喷涂；

23、在裂缝面上均匀铺置一层橡胶颗粒；

24、将岩石样品沿裂缝面重新合上，并采用热缩管将岩石样品包裹；

25、步骤5包括：

26、s51、在岩石样品底部的裂缝入口对岩石样品进行恒定压力注液；

27、s52、对岩石样品施加以1～2mpa的增量阶梯式增加的围压；

28、s53、当岩石样品的顶部无液体流出时，取上一阶段围压对应的裂缝宽度作为当前裂缝入口压力激活的最小裂缝尺度；

29、s54、改变裂缝入口的注液压力，重复步骤s51至步骤s53，得到与不同裂缝入口压力对应的激活的最小裂缝尺度；

30、s55、测量岩石样品顶部裂缝出口流量；

31、s56、记录液体从裂缝入口开始流动至裂缝出口流量稳定所用的时间；

32、s57、根据所述裂缝出口流量以及液体从裂缝入口开始流动至裂缝出口流量稳定所用的时间，得到最小激活裂缝尺度对应的激活速率。

33、采用上述进一步技术方案的有益效果是：聚脲材料具有高强度抗冲击性能，由此可以对裂缝面进行加固，一方面可以防止后续实验加载过程中裂缝面的损坏，另一方面防止支撑材料沿裂缝面嵌入岩石，影响裂缝变形的测量精度。喷涂完成后，在裂缝面上均匀铺置一层高弹橡胶颗粒，随后将岩石样品沿裂缝面重新合上，并采用热缩管将岩石包裹，一方面起到固定岩石作用，另一方面也能防止后续围压加载时围压油渗入到样品中，起到密封作用。对裂缝面进行加固处理，在后续加载过程中，高弹橡胶颗粒不会嵌入到岩石中。在明确裂缝缝宽与围压之间的函数关系基础上，可以通过调节围压的大小获取不同宽度的裂缝，开展裂缝激活的评价试验。

34、进一步地，所述裂缝为竖直方向的单一裂缝面；对岩石样品进行压缩的步骤包括：当制备剪切裂缝时，对岩石样品施加围压；

35、步骤4包括：对岩石样品的顶端和底端均进行密封；

36、对岩石样品施加以1～2mpa的增量阶梯式增加的围压；

37、每增加一阶段围压，记录岩石样品的位移量，其中，位移量包括岩石样品基质的位移和裂缝的位移；

38、根据围压以及与围压对应的位移量，得到裂缝宽度与围压之间的转换关系。

39、采用上述进一步技术方案的有益效果是：在岩石样品上下端部也采用o型圈进行密封。同时，在岩石与上下压头之间，放密封垫片，用于密封岩石与上下压头，防止注液过程中，流体沿着岩石和铁板的接触面向外部渗流。在密封垫片的中部预留矩形的导流槽，保证流体可以从裂缝的端面进入。

40、进一步地，步骤3包括：

41、对岩石样品进行ct扫描，通过灰度图像获取、图像处理和分割以及裂缝面的三维重构过程，获取裂缝的三维形貌特征；

42、根据裂缝的三维形貌特征，计算裂缝的平均宽度，并将裂缝的平均宽度作为初始裂缝宽度。

43、采用上述进一步技术方案的有益效果是：对步骤2中人造裂缝性岩石样品进行高精度微米ct扫描，通过灰度图像获取，图像处理和分割，以及裂缝面的三维重构等过程，获取裂缝的三维形貌特征。在获取裂缝形貌特征的基础上，进一步计算裂缝的平均宽度，作为人造裂缝的初始裂缝宽度。

44、本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。