研究多级压裂支撑剂分形粒度与岩体断裂特征参数的方法

摘要

本发明涉及的是研究多级压裂支撑剂分形粒度与岩体断裂特征参数的方法，这种研究多级压裂支撑剂分形粒度与岩体断裂特征参数的方法：第一步：选取颗粒筛网，形成具有分形特征的支撑剂颗粒，第二步：将分选出的第一级支撑剂颗粒配制压裂液；第三步：将配制的压裂液注入试件，计算被测试件断裂壁面张开度；第四步：将第一步分选出的第二级支撑剂颗粒配制压裂液，计算二级压裂后岩体断裂开度；第五步：将第一步分选出的第三级支撑剂颗粒配制压裂液，计算多级压裂后岩体断裂开度；第六步：取下试件，计算试件断裂壁面的分形维数。本发明模拟现场多级压裂过程，可确定不同支撑剂颗粒粒径与压裂岩石断裂壁面粗糙度的关系以及粒径与断裂开度的关系。

说明书

一、     技术领域：

本发明涉及的是是石油与天然气、矿业、岩土等工程中多级水力压裂配砂分形设计方法，具体涉及的是研究多级压裂支撑剂分形粒度与岩体断裂特征参数的方法。

二、背景技术：

在石油与天然气、煤岩体等储层开采技术领域中，都需要对储层岩石进行压裂，其作用机理是利用地面高压泵组，以超过储层吸液能力排量将高粘压裂液泵入井内而在井底产生高压，通过高压驱动水流挤入岩体内，克服岩体的抗张强度，使岩体发生破裂，形成具有一定导流能力的裂缝通道。有效地沟通储集层，提高油气开采速度。目前，对于水力压裂岩体断裂壁面粗糙特征描述不明确，进而导致压裂裂缝导流能力计算存在偏差。尽管现有理论与有限元手段能够给予近似模拟，但仍无法系统地测定与描述。从而严重地阻碍了水力压裂的进一步发展。因此，本发明建立一种多级压裂断裂壁面参数描述及断裂裂缝导流能力分析方法具有重要意义。

三、发明内容：

本发明的目的是提供研究多级压裂支撑剂分形粒度与岩体断裂特征参数的方法，它用于解决现有的对压裂液与岩体断裂壁面间的关系无法测定与描述的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种研究多级压裂支撑剂分形粒度与岩体断裂特征参数的方法：

第一步：通过支撑剂颗粒多级分形分选装置选取不同尺寸支撑剂颗粒筛网孔径，形成具有分形特征的支撑剂颗粒粒度分布，其中第一级支撑剂颗粒直径满足                                               ；第二级颗粒直径满足：；第三级颗粒直径满足：；为任意级分选支撑剂粒径，即选定的筛网孔径大小；为任意级颗粒直径小于的支撑剂颗粒的估计质量；支撑剂为分选的总质量；为任意级分选后的支撑剂平均粒径尺寸；为支撑剂分形维数；

第二步：将上述分选出的第一级支撑剂颗粒通过掺混系统配制压裂液；

第三步：将配制好的压裂液体系注入被测试件中，被测试件设置在被压试件测定系统中，通过变形测定系统获取变形信号，计算被测试件断裂壁面张开度；

第四步：间隔45分钟后，将第一步分选出的第二级支撑剂颗粒通过掺混系统配制压裂液，并将此压裂液继续注入上述被测试件中，重复第三步，计算第一级、第二级两种粒径的支撑剂二级压裂后岩体断裂开度；

第五步：间隔45分钟后，将第一步分选出的第三级支撑剂颗粒通过掺混系统配制压裂液，并将此压裂液继续注入上述被测试件中，重复第三步，计算大、中、小三种不同粒径支撑剂多级压裂后岩体断裂开度；

第六步：取下被测试件，通过断裂面自仿射观测系统得出断裂壁面特征参数计算试件断裂壁面的分形维数。

上述方案中支撑剂颗粒多级分形分选装置包括支撑剂颗粒装载容器、多级分形分选震动筛、分选颗粒容器，分选颗粒容器内设置多级分形分选震动筛，支撑剂颗粒装载容器通过管线与分选颗粒容器连接，分选颗粒容器连接设有多级出口，每级出口分别外接颗粒输送管线，常规的支撑剂颗粒在分选颗粒容器通过多级分形分选震动筛按粒径要求分选开，分选后的各级颗粒实现单独外输。

上述方案中掺混系统包括掺混容器、自动搅拌器、压裂液容器、过滤装置，自动搅拌器安装在掺混容器中，压裂液容器与掺混容器通过管线连接，管线上安装过滤装置，分选后支撑剂颗粒通过颗粒输送管线输送到掺混容器中，在掺混容器中配制压裂液，配制好的压裂液被输送至压裂管柱，进行压裂测试。

上述方案中被压试件测定系统包括测试容器、上覆外载控制系统、围压加载系统、变形测定系统，被测试件安装在测试容器中，压裂管柱置于被压试件的中心；被测试件与测试容器之间是环形的围压室，被测试件上端是上覆外载加压腔，上覆外载加压腔被滑动活塞分隔为上、下二个腔体；上覆外载控制系统连接到上覆外载加压腔的上腔体，围压加载系统连接到围压室；变形测定系统由变形传感器、信号转换器和信号检测仪组成，变形传感器安装在被测试件外表面。

上述方案中断裂面自仿射观测系统主要包括CCD摄像机、体式显微镜、显微观测架、仿真成像计算系统，CCD摄像机和体式显微镜安装在显微镜观测架上，仿真成像计算系统与体式显微镜连接。

目前，在实际压裂过程中，支撑剂往往都是将不同的颗粒直径砂粒与压裂液进行笼统的掺混，未对支撑剂砂粒进行分级。无法确定不同支撑剂颗粒粒径与压裂岩石断裂壁面粗糙度的关系以及粒径与断裂开度（裂缝缝宽）的关系。

有益效果：

1、本发明模拟现场多级压裂过程，可确定不同支撑剂颗粒粒径与压裂岩石断裂壁面粗糙度的关系以及粒径与断裂开度（裂缝缝宽）的关系。

2、本发明能够测定不同加砂支撑剂的作用下的断裂壁面粗糙度。

3、本发明可测定被测试件变形系统并作数据动态转换与分析。

四、附图说明：

图1是本发明中装置总体结构示意图；

图2是本发明中自仿射观测计算系统的结构示意图；

图3是本发明中变形传感器在被测试件顶端分布排列结构示意图；

图4是本发明中变形传感器在被测试件侧端分布排列结构示意图。

1.支撑剂颗粒装载容器  2.分选颗粒容器  3.多级分形分选震动筛  4.多级出口  5.掺混容器  6.压裂液容器  7.压裂管柱  8. 过滤装置  9.被测试件  10. 增压泵11.中间容器  12.上腔体  13.滑动活塞  14.增压泵  15.中间容器  16. 围压室  17.变形传感器  18.信号转换器  19.信号检测仪  20.CCD摄像机  21. 体式显微镜  22.显微镜观测架  23.仿真成像计算系统   24测试容器 SHAPE  * MERGEFORMAT 。

五、具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

本发明装置如图1所示，这种研究多级压裂支撑剂分形粒度与岩体断裂特征参数的方法在图1所示的装置中进行。具体如下：

第一步：通过支撑剂颗粒多级分形分选装置选取不同尺寸支撑剂颗粒筛网孔径，形成具有分形特征的支撑剂颗粒粒度分布，其中第一级支撑剂颗粒直径满足；第二级颗粒直径满足：；第三级颗粒直径满足：；为任意级分选支撑剂粒径，即选定的筛网孔径大小；为任意级颗粒直径小于的支撑剂颗粒的估计质量；支撑剂为分选的总质量；为任意级分选后的支撑剂平均粒径尺寸；为支撑剂分形维数；

第二步：将上述分选出的第一级支撑剂颗粒通过掺混系统配制压裂液；

第三步：将配制好的压裂液体系注入被测试件中，被测试件设置在被测试件测定系统中，通过变形测定系统获取变形信号，计算被测试件断裂壁面张开度。

第四步：间隔45分钟后，将第一步分选出的第二级支撑剂颗粒通过掺混系统配制压裂液，并将此压裂液继续注入上述被测试件中，重复第三步，计算第一级、第二级两种粒径的支撑剂二级压裂后岩体断裂开度；

第五步：间隔45分钟后，将第一步分选出的第三级支撑剂颗粒通过掺混系统配制压裂液，并将此压裂液继续注入上述被测试件中，重复第三步，计算大、中、小三种不同粒径支撑剂多级压裂后岩体断裂开度；

第六步：取下被测试件，通过断裂面自仿射观测系统得出断裂壁面特征参数计算试件断裂壁面的分形维数。

本发明中支撑剂颗粒多级分形分选装置的支撑剂颗粒装载容器1与分选颗粒容器2相连，分选颗粒容器2内置有多级分形分选震动筛3，多级分形分选震动筛3分别与供电系统连接，分选颗粒容器2连接设有多级出口4，每级出口分别外接颗粒输送管线，颗粒输送管线上安装有压力表、流量计。将市场提供的支撑剂颗粒通过多级分形分选震动筛3选取出上述三个级次的支撑剂。

掺混系统包括掺混容器5、自动搅拌器、压裂液容器6、过滤装置8，自动搅拌器安装在掺混容器5中，压裂液容器6与掺混容器5通过管线连接，管线上安装压力表、流量计、过滤装置8、泵，分选后支撑剂颗粒通过颗粒输送管线输送到掺混容器5中，在掺混容器5中配制压裂液，配制好的压裂液被输出管线输送至压裂管柱7，输出管线上安装压力表、流量计、过滤装置、泵，压裂液被输送到压裂管柱7进行压裂测试。

被压试件测定系统包括测试容器24、上覆外载控制系统、围压加载系统、变形测定系统，被测试件9安装在测试容器24中，压裂管柱7置于被测试件的中心；被测试件9与测试容器24之间是环形的围压室16，被测试件9上端是上覆外载加压腔，上覆外载加压腔被滑动活塞13分隔为上、下二个腔体；上覆外载控制系统连接到上覆外载加压腔的上腔体12，围压加载系统连接到围压室16；变形测定系统由变形传感器17、信号转换器18和信号检测仪19组成，变形传感器17安装在被测试件9外表面。

上覆外载控制系统由增压泵10和中间容器11组成，上覆外载控制系统通过高压管线与上腔体12连接，测试运行时由上覆外载控制系统通过高压管线向上腔体12中注入液体驱动自由滑动活塞13下行对被测试件9施加上覆正应力。

围压加载系统由增压泵14和中间容器15组成，围压加载系统系统通过高压管线与被测试件9外部环形腔体围压室16连接，测试运行时由围压加载系统通过向环形腔体中注入液体对被测试件9施加横向外载，确保横向外载均匀。使被测试件9始终处于均匀受载状态。横向外载可连续恒定施加，亦可持续动态施加。测试过程可根据需要通过增压泵10控制横向外载，保证提供环形腔体对被测试件9施加均匀的外载。

变形测定系统由变形传感器17、信号转换器18和信号检测仪19组成，变形传感器17设置16个，参阅图2、图3，16个变形传感器均布被测试件9的侧端与顶端，形成16个传感触点，测定试件的16个区域点的变形大小。测试运行时，随被测试件不断变形，变形传感器17多点记录并接收变形信号，信号实时传至信号转换器18，信号转换器18将接收到的模拟信号转化为数字信号，传输至信号检测仪19。 

断裂面自仿射观测系统主要包括CCD摄像机20、体式显微镜21、显微镜观测架22、仿真成像计算系统23，CCD摄像机20和体式显微镜21安装在显微镜观测架22上，仿真成像计算系统23与体式显微镜21连接，仿真成像计算系统23由计算机内安装图像计算软件构成。本发明设计方案中的断裂壁面自仿射成像计算系统主要是被压试件9经上述实施过程结束，经处理获得断裂壁面，经CCD摄像机20、体式显微镜21、仿真成像计算系统23获得断裂壁面特征并计算得到断裂壁面分形维数，建立不同分形砂粒分布与断裂壁面分形维数关系。

本发明中装置工作过程为：支撑剂颗粒由装载容器输送至分选颗粒容器2中，经多级分选筛系统进行分选，根据分选系统分别筛选出不同粒径的支撑剂颗粒，分选后支撑剂颗粒根据方案设计由外输系统经不同的输送通道输送至掺混系统中，搅拌后压裂液输送至被测试件9中，并通过增压系统实施压裂。其中横向外载控制系统平衡被测试件9的横向外载，上覆外载控制系统对被测试件施加上覆外载，被测试件9在横向外载控制系统、上覆外载控制系统和掺混液压裂联合控制下，形成对被测试件9的横向加载、上覆加载与压裂破裂动作。应变传感器17测量并记录被测试件9的变形信号，将信号传输至信号转换器18转换为数字信号，信号检测仪19处理并存储被测试件的变形数据，计算被测试件断裂壁面张开度。

 卸载被测试件9，将被测试件断裂壁面置于断裂壁面自仿射成像计算系统中，通过断裂壁面自仿射成像计算系统确定被测试件9的断裂壁面分形维数。