裂缝起裂扩展与支撑裂缝应力敏感性评价装置及方法

摘要

本发明涉及裂缝起裂扩展与支撑裂缝应力敏感性评价装置及方法。该装置包括岩心部分、围压加载部分、压裂液泵注部分、应力敏感测试部分、裂缝监测部分。该方法包括：步骤1、设置X、Y、Z三轴压力，对岩心施加三轴载荷；步骤2、计算井筒向储层流动或是储层向井筒流动的岩心单轴渗透率或三轴整体渗透率；步骤3、将压裂液加入中间容器一作为前置液，将压裂液与支撑剂加入中间容器二作为携砂液；步骤4、将前置液注入岩心内，待压开岩心后将携砂液注入岩心内；步骤5、向井筒或是三轴渗流板注水或注气，计算压裂后井筒向储层流动或是储层向井筒流动的岩心单轴渗透率或三轴整体渗透率。本发明能够指导水力压裂施工参数的优化，有效提高油气井产能。

说明书

技术领域

本发明属于油气田开发领域，具体涉及一种裂缝起裂扩展与支撑裂缝应力敏感性评价一体化装置及方法。

背景技术

在非常规油气资源的勘探开发过程中，水力压裂技术一直发挥着至关重要的作用，由于非常规储层的孔渗等物性普遍较差，绝大部分生产井在投产前都会实施一定的增产改造措施。水力压裂技术作为高效提高单井产能的常用手段，其增产的核心正是通过水力裂缝的导流能力，提供油气流入井筒的高速通道、增强井筒与储层的连通性。

水力裂缝的起裂、扩展路径以及水力裂缝的应力敏感性都直接影响着水力压裂的改造效果。目前研究水力裂缝起裂、扩展的主要手段是数值模拟和室内岩心压裂模拟试验，而研究裂缝应力敏感性的主要手段是测试柱状小岩心(直径一般小于10cm)渗透率随应力的变化量，这些方法都存在着一定的不足和局限性：

(1)数值模拟能够很好地模拟并直观地显示水力裂缝起裂和扩展的完整过程，但其受到边界条件、初始条件以及参数设定的影响很大，再加上模拟中许多过于理想化的假设条件，不能真实地反映出储层岩石这一非均质性、随机性极强的多孔介质中的裂缝起裂和扩展状态。

(2)室内岩心压裂模拟试验采用大尺寸正方体岩心、施加真三轴围压，能够很好地模拟地下应力条件下岩心的水力裂缝扩展状态，而监测水力压裂试验中裂缝扩展的路径和压裂前后渗透率变化量是表征水力压裂效果和优化施工参数的重要手段。

(3)裂缝应力敏感性测试具有以下问题：岩心尺寸和裂缝尺寸过小；一般采用人工劈裂的方法制造裂缝，并非真实的水力裂缝；裂缝内的支撑剂是预先添加的，并非通过压裂液携带进入；只能模拟单向渗流，不能模拟井筒周围的渗流模式；施加围压的方式是将岩心整个柱面进行包裹加压，而没有做到真三轴加压，故而局限性较大。

发明内容

本发明的目的在于提供裂缝起裂扩展与支撑裂缝应力敏感性评价装置，该装置通过对大尺寸岩心施加三轴围压、注入液态二氧化碳或压裂液模拟压开并支撑水力裂缝的过程，通过声发射装置、高速摄像机监测水力裂缝的扩展状态，通过气体或液体流量监测岩心压裂前后以及不同围压下岩心的渗透率变化，评价压裂改造效果和支撑裂缝的应力敏感性。

本发明的另一目的还在于提供利用上述装置对裂缝起裂扩展与支撑裂缝应力敏感性进行评价的方法，该方法原理可靠，操作简便，能够更好地指导水力压裂的应用和施工参数的优化，达到提高油气井产能的目的。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

本发明的技术思路在于：通过液压泵对正方体岩心施加三轴围压，模拟储层的三向地应力条件，通过恒速恒压泵将液态二氧化碳、酸液、压裂液或携砂液注入岩心内的人工井筒，压开并支撑起水力裂缝；在压裂的过程中通过声发射装置配合高速摄像机来监测岩心中裂缝的起裂和扩展，并在压裂后将岩心剖开加以验证；通过对压裂并注入支撑剂的岩心施加不同的三轴围压，测试不同围压条件下含有支撑裂缝岩心的三轴整体渗透率或单轴渗透率，用以评价其支撑裂缝的应力敏感程度。

裂缝起裂扩展与支撑裂缝应力敏感性评价装置，包括岩心部分、围压加载部分、压裂液泵注部分、应力敏感测试部分、裂缝监测部分：

所述岩心部分由井筒套管、井筒密封胶、裸眼井筒、岩心托板、岩心组成：通过井筒密封胶将井筒套管固定在岩心上的钻孔内，并在钻孔下端留有裸眼部分作为起裂部位，岩心位于岩心托板上，通过岩心托板及配套的螺栓等将岩心装入围压底座内。

所述围压加载部分由X、Y、Z三轴液压泵、油箱、围压盖板、围压底座、X轴垫板、X轴油缸、Y轴垫板、Y轴油缸、Z轴上垫板、Z轴下垫板、Z轴油缸组成。其中各轴液压泵连接各轴油缸，XY轴油缸连接XY轴垫板，Z轴油缸连接Z轴下垫板，岩心位于各轴垫板中。

所述压裂液泵注部分由CO₂单流阀、CO₂中间容器、低温浴槽、CO₂调压阀、CO₂气瓶、恒速恒压泵、储水罐一、中间容器一、中间容器二组成：通过低温浴槽将二氧化碳液化后装入CO₂中间容器内，再利用恒速恒压泵提供驱替压力，设置定压或定排量将液态二氧化碳从中间容器驱出流经单流阀后注入人工井筒，通过憋压在岩心内井筒裸眼部位形成人工裂缝；同样可通过恒速恒压泵从储水罐一吸水并驱入中间容器上端提供驱替压力，将中间容器下端的酸液、压裂液或携砂液注入人工井筒，在岩心内井筒裸眼部位形成人工裂缝，并将支撑剂带入缝内形成具有一定导流能力的人工支撑裂缝；并且2个中间容器下端均安装有搅拌机，用于将染色剂、支撑剂和压裂液混合均匀。

所述应力敏感测试部分由储水罐一、恒速恒压泵、中间容器一、中间容器二以及电子天平、储水罐二、N₂单流阀、流量控制器、N₂调压阀、N₂气瓶、X轴渗流板、Z轴渗流板、Y轴渗流板、密封胶皮套组成：通过密封胶皮套将渗流板与岩心固定并密封，可测定气测和液测渗透率；利用调压阀和流量控制器将恒定体积流量的氮气或利用恒速恒压泵将中间容器内液体注入井筒，并从X、Y、Z轴渗流板中的某个或全部流出，或是将氮气、液体注入X、Y、Z轴渗流板中的某个或全部，并从井筒流出；从而模拟气体或液体从井筒向储层的流动，以及气体或液体从储层向井筒的流动。

通过5个快拆接口之间的转换连接能够灵活自如地实现不同压裂液、液态二氧化碳或是酸液等工作液的交替注入进行压裂模拟，选择是从井筒向储层注气注液或是从储层向井筒注气注液，极大地提高了实验效率。

所述裂缝监测部分由计算机一、电子天平、恒速恒压泵、三轴液压泵、流量控制器以及计算机二、声发射接收装置、声发射探头、带光源的高速摄像机组成：声发射探头最多可安装16个，前后左右4个面可各安装4个，探头连接信号放大器后汇总到声发射接收装置，之后连接计算机二；4个带光源的高速摄像机分别位于X、Y轴垫板中，摄像机与计算机二相连；计算机二负责监测岩心内的裂缝扩展，计算机一负责控制恒速恒压泵、三轴液压泵、搅拌机、二氧化碳的液化、氮气流量以及监测记录管线各处压力、天平质量等。

进一步地，所述恒速恒压泵为双缸泵，可交替连续注液，不会出现单缸泵卸载时压裂管线内无法维持憋压的情况，保证了压裂过程的流畅，最大排量为300mL/min、最高泵压为100MPa，并设有泄压阀，超过额定泵压后自动泄压。

进一步地，当需要使用本装置模拟岩心的酸化或酸压时，直接接触到酸液的部分如中间容器、阀门和沿程管线等均为耐酸材料，选用哈氏合金或具备耐酸腐蚀涂层(如聚四氟乙烯、聚苯硫醚等)的金属等。

进一步地，所述二氧化碳中间容器的容积为5L，所述低温浴槽的容积为5L，低温浴槽可将液化后的二氧化碳注入二氧化碳中间容器内，所述2个液体中间容器的容积均为8L，所述储水罐一和储水罐二的容积均为10L，所述液压油箱的容积为10L。

进一步地，该装置可适应的最大岩心尺寸为50cm×50cm×50cm，通过调整垫板大小可适应尺寸更小的岩心，如30cm×30cm×30cm、10cm×10cm×10cm等。

进一步地，该装置可施加的X、Y、Z任一方向最大单轴压力为35MPa(50cm立方体)、70MPa(30cm立方体)、80MPa(10cm立方体)。

进一步地，声发射系统最大通道数为16，可在除上下面以外的4个面各自安装4个探头，解释图样几何精度误差不超过1cm。

进一步地，所述密封胶皮套为优质橡胶，厚度不小于3cm，井筒套管、密封胶皮套和渗流板的尺寸可根据岩心尺寸进行相应调整。

进一步地，该装置可通过人工井筒或是X、Y、Z三轴渗流板向岩心供气，从而模拟气体从井筒向储层的流动或是从储层向井筒的流动，通过气体体积流量、岩心尺寸、进出口端压差等计算X、Y、Z任意单轴的气测渗透率，其计算公式如下(唐洪俊.油层物理.石油工业出版社，2014年)：

进一步地，该装置可通过人工井筒或是XYZ三轴渗流板向岩心供液，从而模拟液体从井筒向储层的流动或是从储层向井筒的流动，通过液体质量流量和密度、岩心尺寸、进出口端压差等计算XYZ任意单轴的液测渗透率，其计算公式如下：

进一步地，测定岩心的三轴整体渗透率时，XYZ三轴渗流板同时打开，可以模拟储层气体向井筒流动、储层液体向井筒流动、井筒气体向储层流动、井筒液体向储层流动，得到气测和液测的三轴整体渗透率，其计算公式如下：

式中：K_g,d1为单轴气测渗透率，μm²；D为岩心长度，cm；A为岩心截面积，cm²；Q_g为设定的气体流量，mL/s；p₁为注入端压力，10^-1MPa；μ_g为气体粘度，mPa·s；L为岩心边长，cm；h为岩心高度，cm；r_e为供给半径，cm；r_w为人工井筒半径，cm；p₂为流出端压力，10^-1MPa；K_l,d1为单轴液测渗透率，μm²；Q_l为流出端的液体流量，mL/s；μ_l为液体粘度，mPa·s；K_g,d3为三轴气测渗透率，μm²；K_l,d3为三轴液测渗透率，μm²。

利用上述装置对裂缝起裂扩展与支撑裂缝应力敏感性进行评价的方法，依次包括如下步骤：

步骤1、设置X、Y、Z三轴压力，对岩心施加三轴载荷；

步骤2、使用清水或氮气测试压裂前岩心的渗透率，计算井筒向储层流动或是储层向井筒流动的岩心单轴渗透率或三轴整体渗透率；

步骤3、配制所需压裂液并称取支撑剂，将压裂液加入中间容器一作为前置液，将压裂液与支撑剂加入中间容器二作为携砂液，并将其搅拌均匀；

步骤4、设置恒定排量将前置液注入岩心内，并通过摄像画面、声发射信号和井筒入口处压力判断岩心内裂缝起裂和扩展情况，待压开岩心后将携砂液注入岩心内(若中间容器一内仍有足量压裂液，可将其作为顶替液将管线中剩余携砂液挤入裂缝中)，压裂完成后卸载压裂管线压力；也可以使用液态二氧化碳对岩心进行压裂；

步骤5、使用清水或氮气测试压裂后岩心支撑裂缝的应力敏感性，设置恒定排量向井筒或是三轴渗流板注水或注气，并监测电子天平质量、进出口端压力表变化，判断是否达到稳定渗流，计算井筒向储层流动或是储层向井筒流动的岩心单轴渗透率或三轴整体渗透率；通过调整三轴压力，测试不同围压下支撑裂缝的渗透率变化情况，用以评价支撑裂缝的应力敏感程度。

实验结束后，剖开岩心观察裂缝扩展情况和缝内支撑剂铺置情况，验证声发射解释图像和摄影图像。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

(1)本发明通过恒速恒压泵、二氧化碳液化装置和带搅拌器的中间容器，在三轴液压油泵模拟储层中岩石所受的三向地应力条件的同时，可实现压裂液压裂、液态二氧化碳压裂、携砂液压裂或酸化压裂，并模拟前置液、携砂液、顶替液等不同的泵注流程；

(2)本发明具备16通道声发射装置和4台带光源的高速摄像机，同时监测并记录岩心中裂缝的起裂和扩展过程；

(3)本发明解决了同类设备只能模拟单一压裂作业、缺乏压裂效果评价方法的问题，通过气测或液测方法评价岩心压裂前后渗透率的变化以及评价支撑剂进入岩心后形成的支撑裂缝在不同围压下的应力敏感程度，可模拟储层气体向井筒流动、储层液体向井筒流动、井筒气体向储层流动、井筒液体向储层流动的渗流过程；

(4)本发明解决了目前裂缝应力敏感性测试中岩心和裂缝尺寸过小、人工劈裂裂缝和缝内支撑剂需要人为添加不符合压裂实际、围压加载不符合三向地应力条件、只能模拟单向渗流，不能模拟井筒渗流模式的一系列问题，完善了水力压裂支撑裂缝应力敏感性测试的方法；

(5)本发明能够模拟不同压裂液的水力压裂和支撑裂缝的应力敏感性测试两个流程的一体化作业，将裂缝的起裂扩展与压裂效果评价结合起来，为水力压裂机理研究、施工参数优选和压裂效果评价提供了相应技术指导。

附图说明

图1为裂缝起裂扩展与支撑裂缝应力敏感性评价装置结构示意图。

图2为围压底座的X-Z截面结构示意图。

图3为围压底座的X-Y截面结构示意图。

图4为岩心部分的结构示意图。

图5为实施例中岩心支撑裂缝渗透率的应力敏感性曲线。

附图标记：1-CO₂单流阀，2-CO₂中间容器，3-低温浴槽，4-CO₂调压阀，5-CO₂气瓶，6-恒速恒压泵，7-储水罐一，8-中间容器一，9-中间容器二，10-计算机一，11-电子天平，12-储水罐二，13-N₂单流阀，14-流量控制器，15-N₂调压阀，16-N₂气瓶，17-声发射接收装置，18-Z轴液压泵，19-Y轴液压泵，20-X轴液压泵，21-油箱，22-计算机二，23-围压盖板，24-井筒套管，25-井筒密封胶，26-带光源的高速摄像机，27-裸眼井筒，28-X轴渗流板，29-Z轴渗流板，30-围压底座，31-Z轴下垫板，32-Z轴油缸，33-Z轴上垫板，34-X轴垫板，35-声发射探头，36-密封胶皮套，37-X轴油缸，38-岩心托板，39-Y轴垫板，40-Y轴渗流板，41-Y轴油缸，42-岩心，A、B、C、D、E-快拆接口。

具体实施方式

下面根据附图和实例进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均在保护之列。

参看图1至图4。

裂缝起裂扩展与支撑裂缝应力敏感性评价装置，包括岩心部分、围压加载部分、压裂液泵注部分、应力敏感测试部分、裂缝监测部分。

所述岩心部分包括岩心42、井筒套管24、裸眼井筒27、岩心托板38，岩心位于岩心托板上，岩心内安装至多16个声发射探头35，岩心中间位置有钻孔，钻孔上端为井筒套管(通过井筒密封胶25将井筒套管固定在岩心钻孔内)，下端为裸眼井筒。

所述围压加载部分包括三轴液压泵、油箱21、围压盖板23、围压底座30，三轴液压泵入口端与油箱21相连，出口端分别与三轴油缸相连，且出口端装有压力表和泄压阀，用于显示压力和卸载压力。岩心部分位于围压盖板23、围压底座30形成的空间内，该空间由外向内分别是油缸、垫板、渗流板、岩心，通过密封胶皮套36将渗流板与岩心固定并密封，三轴液压泵分别在X、Y、Z方向通过油缸、垫板、渗流板向岩心施加三轴围压。

所述三轴液压泵包括X轴液压泵20、Y轴液压泵19、Z轴液压泵18，三轴油缸包括X轴油缸37、Y轴油缸41、Z轴油缸32；X轴液压泵通过X轴油缸37、X轴垫板34、X轴渗流板28，Y轴液压泵通过Y轴油缸41、Y轴垫板39、Y轴渗流板40，Z轴液压泵通过Z轴油缸32、Z轴上垫板33或Z轴下垫板31、Z轴渗流板29向岩心施加三轴围压。

所述压裂液泵注部分包括CO₂单流阀1、CO₂中间容器2、低温浴槽3、CO₂调压阀4、CO₂气瓶5、恒速恒压泵6、储水罐一7、中间容器一8、中间容器二9。低温浴槽将CO₂液化后排入CO₂中间容器，恒速恒压泵提供驱替压力，将液态二氧化碳从中间容器驱出流经CO₂单流阀后注入岩心，在裸眼部位起裂形成人工裂缝；或恒速恒压泵从储水罐一吸水并提供驱替压力，将中间容器一的前置液、中间容器二的携砂液注入岩心，在裸眼部位起裂形成人工裂缝，并将支撑剂携带进裂缝内，实现对裂缝的支撑。

所述应力敏感测试部分包括恒速恒压泵6、储水罐一7、中间容器一8、中间容器二9以及电子天平11、储水罐二12、N₂单流阀13、流量控制器14、N₂调压阀15、N₂气瓶16、X轴渗流板28、Y轴渗流板40、Z轴渗流板29。X轴渗流板28、Y轴渗流板40、Z轴渗流板29位于岩心三个方向，通过密封胶皮套36将渗流板与岩心固定并密封，测定岩心的气测渗透率和液测渗透率。

利用N₂调压阀和流量控制器将恒定体积流量的氮气通过N₂单流阀注入裸眼井筒，气体从X、Y、Z轴渗流板流出，或是气体注入X、Y、Z轴渗流板、从井筒流出；利用恒速恒压泵将中间容器一或中间容器二内的液体注入井筒、从X、Y、Z轴渗流板流出，或是将液体注入X、Y、Z轴渗流板、再从井筒流出，从而评价压裂后岩心裂缝填充支撑剂的渗透率随三轴应力变化的敏感程度，以及压裂前后岩心裂缝填充支撑剂的渗透率变化。

所述裂缝监测部分包括计算机一10、电子天平11、恒速恒压泵6、三轴液压泵、流量控制器14以及计算机二22、声发射接收装置17、声发射探头35、带光源的高速摄像机26。计算机一连接电子天平、恒速恒压泵、三轴液压泵、流量控制器，用于压力、流量数据的采集和记录。计算机二连接声发射接收装置、带光源的高速摄像机，声发射接收装置接收声发射探头传递的信号，带光源的高速摄像机分别位于X轴垫板、Y轴垫板中，计算机二通过声发射接收装置、带光源的高速摄像机来监测和分析岩心内水力裂缝的起裂扩展以及声发射信号。

需要指出的是：当需要模拟储层向井筒的流动时，注入端为快拆接口C、出口端为A；当需要模拟井筒向储层的流动时，注入端为快拆接口A、出口端为C；注入液体或液态二氧化碳时注入端连接快拆接口B，注入氮气或其他气体时注入端连接快拆接口E；需要计量出口端液体流量时出口端连接快插接口D，气体出口端则不需要连接任何接口。

实施例1

利用该装置对50cm×50cm×50cm的露头岩心进行压裂和支撑裂缝应力敏感性评价，具体的操作步骤为：

步骤1、在天然岩心顶部钻取直径2cm、深30cm井眼，之后将井筒套管用胶水固定在井眼内，并在岩心四面钻取安装声发射探头所需的孔眼，依次安装好16个声发射探头、渗流板和密封胶皮套，胶皮套边缘处使用胶水进行密封加固。

步骤2、通过图4所示装置将岩心装入围压底座内，并安装Z轴上垫板和围压盖板，旋紧螺栓，将井筒管线、压裂液注入管线、渗流管线、声发射数据线、摄像机数据线连接好。

步骤3、设置X轴压力20MPa、Y轴压力25MPa、Z轴压力30MPa，对岩心施加三轴载荷模拟地层三向地应力条件，并在达到指定压力后维持30分钟以上。

步骤4、使用清水测试压裂前岩心渗透率，连接快拆接口B-C和A-D，在中间容器一内装入6L清水，分别设置50、100、150mL/min三种恒定排量向三轴渗流板注水，并监测电子天平质量、注入端和井筒端压力表变化，判断是否达到稳定渗流，通过电子天平质量流量得到体积流量、岩心尺寸、井筒半径、压力，按照如下公式计算储层向井筒流动条件下的岩心三轴整体渗透率：

步骤5、配制胍胶压裂液12L，并称取40/60目陶粒支撑剂1200g，将6L压裂液加入中间容器一作为前置液用于压开裂缝，将6L压裂液与支撑剂加入中间容器二作为携砂液用于支撑裂缝，在压裂液中均添加染色剂并打开搅拌机将其搅拌均匀。

步骤6、连接快拆接口A-B和C-D，设置100mL/min的恒定排量将前置液注入井筒内，并通过摄像画面、声发射解释图像和井筒入口处压力判断岩心内裂缝起裂和扩展情况，待压开岩心后设置60mL/min的恒定排量将携砂液注入井筒内，若中间容器一仍有足量压裂液，可将其作为顶替液将管线中剩余携砂液挤入裂缝中，压裂完成后卸载压裂管线压力。

步骤7、使用清水测试压裂后岩心支撑裂缝应力敏感性，连接快拆接口B-C和A-D，在中间容器一装入6L清水，分别设置50、100、150mL/min三种恒定排量向三轴渗流板注水，并监测电子天平质量、注入端和井筒端压力表变化，判断是否达到稳定渗流，通过电子天平质量流量得到体积流量、岩心尺寸、井筒半径、压力，按照公式计算储层向井筒流动条件下的岩心三轴整体渗透率；依次调整XYZ轴压力为18MPa-23MPa-30MPa、16MPa-21MPa-30MPa和26MPa-28MPa-30MPa，测试不同围压下支撑裂缝的渗透率变化情况，用以评价支撑裂缝的应力敏感程度。

步骤8、完成相应测试后，卸去管线和三轴压力，剖开岩心观察裂缝扩展情况和缝内支撑剂铺置情况，用于验证声发射解释图像和摄影图像等，清理设备结束试验。

通过上述试验得到岩心中液体向井筒流动的三轴整体渗透率变化情况如表1所示。

表1岩心支撑裂缝的三轴整体渗透率应力敏感性测试结果

将上述试验数据绘制成曲线如图5所示，该岩心的初始渗透率仅为3.15×10^-3μm²，通过加砂压裂改造，在岩心内制造出支撑裂缝，该岩心的渗透率增加到27.64×10^-3μm²，并且随着X、Y轴围压的逐渐降低，岩心的渗透率存在小幅增加，表明支撑裂缝在围压降低的过程中有张开的趋势；但当X、Y轴围压升高后，岩心的渗透率降低到比压开后初始渗透率还低的水平22.06×10^-3μm²，表明支撑裂缝在围压升高的过程中有闭合的趋势，即该岩心的支撑裂缝渗透率存在明显的应力敏感性。

需要指出的是：在本实施例中所进行的全部测试，包括压裂前、压裂后、压裂后进行的其他三种围压，都是模拟储层液体向井筒流动的模式，且都采用了50、100、150mL/min三种排量，待一种排量下的流量和压力数据稳定后再采用其他排量，计算出三种排量下的渗透率，最后取三者平均值作为某一围压条件下的渗透率用于评价岩心支撑裂缝的应力敏感性。

以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出适当变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。