剪应力状态下水力压裂模拟试验方法

摘要

本发明公开了一种剪应力状态下水力压裂模拟试验方法，包括前期准备、准备实验、施加法向应力、施加剪应力、水力压裂、断面扫描、同组其他试验、整理、分析实验数据等步骤，利用内装剪切盒的试验盒对试件施加压力和剪切力、同时进行水力压裂，从而提供了一种剪应力状态下水力压裂模拟试验方法，便于研究深度、剪应力和水压等参数对不同种类岩石水力压裂的影响，有利于更深层次地研究水力压裂裂隙的扩展规律。

说明书

技术领域

本发明属于水力压裂研究领域，具体地讲，特别涉及一种剪应力状态下水力压裂模拟试验方法。

背景技术

目前，随着社会的发展，越来越多复杂地质条件下的矿产资源被探测开发，由于地质条件极其复杂，在矿产开采过程中的力学问题对于合理选择开采方法及其结构参数，提高开采强度、合理利用矿产资源、保证工人安全作业以及最终提高矿产的开采经济效益都是尤为重要的。由于地质条件的复杂性，计算机数值模拟并不能完整准确的反映具体条件开采过程中各项参数的影响。因此，目前大多采用相似模拟试验来研究各项参数的影响，便于利用现场真实的物理实体，更加真实准确地模拟矿产状态。

现有页岩气开采的核心技术之一是对储层进行压裂改造，即通过水平井结合水力压裂技术改造储层，以沟通天然裂缝，进而产生裂缝网络，再用支撑剂对裂缝进行支撑，从而实现人工增加储层渗流通道。因此，探明和掌握页岩水力压裂裂缝的起裂条件、延伸规律和影响因素，对水力压裂工艺设计、储层改造技术研究、甚至提高气体采收率等都至关重要。

目前，针对页岩储层特征进行的室内水力压裂物理模拟试验，可确定页岩的可压裂性、破裂压力和压裂效果等。然而，目前并没有针对剪应力状态下页岩气水力压裂模拟的研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种剪应力状态下水力压裂模拟试验方法，用于研究各项参数对剪应力状态下水力压裂的影响。

本发明的技术方案如下：一种剪应力状态下水力压裂模拟试验方法，包括以下步骤，

步骤一、前期准备，将岩体试样加工成柱状的试件，并在试件上部中心开设安装孔；

步骤二、准备实验，将试件放入试验盒，

所述试验盒包括上盒体、下盒体和剪切盒，所述上盒体和下盒体围成密封的盒状，所述剪切盒包括左上壳、右上壳、左下壳和右下壳，所述左上壳和右上壳位于上盒体内，在所述上盒体的左右两边均穿设有沿左右方向布置的定位杆，所述左上壳与右上壳挂在对应定位杆的内端上，并且，在左右两边定位杆的作用下，左上壳与右上壳将试件的上部夹紧；所述左下壳和右下壳位于下盒体内，所述左下壳和右下壳分别位于左上壳和右上壳的下方，在所述左上壳与左下壳之间留有第一缝隙，在所述右上壳与右下壳之间留有第二缝隙；在所述试验盒下盒体内开有左孔道和右孔道，所述左孔道和右孔道的内孔口分别与第一缝隙和第二缝隙连通，所述左孔道和右孔道的外孔口均贯通试验盒的外壁；

在所述上盒体上插装有压杆，在压杆的下端固定连接有位于左上壳与右上壳之间的压头，所述压头的底面与试件的顶面相抵，在所述压头的下端还固定连接有接头，所述接头伸入试件的安装孔内，并用粘接剂将接头外壁与安装孔内壁粘接密封；在所述接头、压头和压杆内开有上孔道，所述上孔道的内孔口贯通接头的下端，上孔道的外孔口贯通压杆的外侧壁；

在所述压杆与上盒体之间、压杆与压头之间、压头与接头之间均设置有密封圈；

步骤三、施加法向应力，对压杆施加压力，使试件受到法向应力；

步骤四、施加剪应力，将上盒体夹紧，沿左右方向对下盒体施加恒定的压力；

步骤五、水力压裂，以恒定速率增长的水压从上孔道的外孔口注水，直到试件发生劈裂破坏；

步骤六、断面扫描，将试件取出，对试件断面进行扫描并获得断面三维点云数据；

步骤七、同组其他试验，更换试件，改变对压杆施加的压力大小、或者改变对下盒体施加恒定压力的大小、或者改变试件的种类、或者改变水压增长速率，重复步骤二至步骤六；

步骤八、整理、分析实验数据。

上述方法提供了一种剪应力状态下水力压裂模拟试验方法，步骤三对压杆施加的压力大小可以模拟岩石所在深度，步骤四中对下盒体施加的恒定压力可以模拟岩石受到的剪切力、使试件处于一定的剪应力状态，步骤五中恒定的水压即可模拟水力压裂的水压，从而可以通过多次的试验，研究单一参数或者多个参数对水力压裂裂缝的影响，有利于更深层次地研究水力压裂裂隙的扩展规律。

所述上盒体包括矩形框状的上框和固定在上框顶部的盖板，所述左上壳和右上壳位于上框的框体内，所述定位杆也穿设在上盒体的上框上。这样设置上盒体，使试件和剪切盒的装配更加方便。

所述下盒体包括矩形框状的下框和固定在下框底部的底板，所述左下壳和右下壳位于下框的框体内，所述左孔道和右孔道均开在下盒体的下框上。这样设置下盒体，使试件和剪切盒的装配更加方便。

所述试件为100*100*100mm³的正方体，所述安装孔的孔径为10mm、深度为60mm。

有益效果：本发明利用内装剪切盒的试验盒对试件施加剪切力、同时进行水力压裂，从而提供了一种剪应力状态下水力压裂模拟试验方法，便于研究深度、剪应力和水压等参数对不同种类岩石水力压裂的影响，有利于更深层次地研究水力压裂裂隙的扩展规律。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为图2的A-A剖视图。

图中标记如下：第一缝隙1、底板2、下框3、上框4、盖板5、压杆6、第二缝隙7、定位杆8、左孔道9、右孔道10、压头12、接头11、上孔道13、左上壳14、右上壳15、左下壳16和右下壳17。

需要说明的是：本发明的描述中，方位词“前”、“后”、“左”、“右”均以实际使用中操作人员站在图1视图的视线方向并面向设备为准，也即图1视图的左为本发明描述中的“左”、图1视图的右为本发明描述中的“右”，图2视图的上为本发明描述中的“后”、图2视图的下为本发明描述中的“前”。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述的实施例示例在附图中示出，其中自 始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，如有术语“中心”，“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不应理解为限制本发明的具体保护范围。此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。

在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。

在发明中，除非另有规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅是表示第一特征水平高度高于第二特征的高度。第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。

如图1、图2和图3所示，本发明包括以下步骤，

步骤一、前期准备，将岩体试样加工成柱状的试件，并在试件上部中心开设安装孔。本实施例优选所述试件为100*100*100mm³的正方体，所述安装孔的孔径为10mm、深度为60mm。当然，根据试验需要，试件也可以是直径100mm、高100mm的圆柱体。

步骤二、准备实验，将试件放入试验盒，

所述试验盒包括上盒体、下盒体和剪切盒，所述上盒体和下盒体围成密封的盒状。所述上盒体包括矩形框状的上框4和固定在上框4顶部的盖板5，所述下盒体包括矩形框状的下框3和固定在下框3底部的底板2。在所述盖板5与上框4之间、上框4与下框3之间、下框3与底板2之间均设有密封圈。

所述剪切盒包括左上壳14、右上壳15、左下壳16和右下壳17，所述左上壳14、右上壳15、左下壳16和右下壳17围成的剪切盒内腔与试件的形状相适应。并且，当试件为正方体时，根据试验需要，剪切盒内腔可以是与左右方向呈一定夹角的歪斜正方体腔。所述左上壳14和右上壳15位于上盒体内，并且左上壳14和右上壳15位于上盒体上框4的框体内。在所述上盒体上框4的左右两边均穿设有沿左右方向布置的定位杆8，所述左上壳14与右上壳15挂在对应定位杆8的内端上。并且，左右两边的定位杆8均与上盒体螺纹配合，转动定位杆8时，定位杆8在上盒体上左右移动。在左右两边定位杆8的作用下，左上壳14与右上壳15将试件的上部夹紧。本实施例优选与左上壳14配合的定位杆8有前后两根，与右上壳15配合的定位杆8也有前后两根。

所述左下壳16和右下壳位于下盒体内，并且左下壳16和右下壳17位于下框3的框体内，所述左下壳16和右下壳17分别位于左上壳14和右上壳15的下方，在所述左上壳14与左下壳16之间留有第一缝隙1，在所述右上壳15与右下壳17之间留有第二缝隙7。在所述试验盒下盒体内开有左孔道9和右孔道10，所述左孔道9和右孔道10均开在下盒体的下框3上；所述左孔道9和右孔道10的内孔口分别与第一缝隙1和第二缝隙7连通，所述左孔道9和右孔道10的外孔口均贯通试验盒的外壁。本实施例优选所述左孔道9位于试验盒下框3的左前部，左孔道9的内孔口与第一缝隙1的前边段连通；本实施例优选所述右孔道10位于试验盒下框3的右后部，右孔道10的内孔口与第二缝隙7的后边段连通。

在所述上盒体的盖板5上插装有压杆6，在压杆6的下端固定连接有位于左上壳14与右上壳15之间的压头12，所述压头12的底面与试件的顶面相抵。在所述压头12的下端还固定连接有接头11，所述接头11伸入试件的安装孔内，并用粘接剂将接头11外壁与安装孔的内壁粘接密封。在所述接头11、压头12和压杆6内开有上孔道13，所述上孔道13的内孔口贯通接头11的下端，上孔道13的外孔口贯通压杆6的外侧壁。在所述压杆6与上盒体盖板5之间、压杆6与压头12之间、压头12与接头11之间均设置有密封圈。

步骤三、施加法向应力，对压杆6施加压力，使试件受到法向应力。

步骤四、施加剪应力，将上盒体夹紧，沿左右方向对下盒体施加恒定的压力。

步骤五、水力压裂，以恒定速率增长的水压从上孔道13的外孔口注水，直到试件发生劈裂破坏。

步骤六、断面扫描，将试件取出，对试件断面进行扫描并获得断面三维点云数据。

步骤七、同组其他试验，更换试件，改变对压杆6施加的压力大小、或者改变对下盒体施加恒定压力的大小、或者改变试件的种类、或者改变水压增长速率，重复步骤二至步骤六。

步骤八、整理、分析实验数据。

表一：

选取同种的岩体试样加工成试件，按照下表进行重复试验，

通过对表一所示重复试验获得的劈裂断面进行分析，即可研究剪应力对水力压裂的影响。同理，改变对压杆施加的压力，保持对下盒体施加的压力和水压增长速率不变，即可研究剪应力作用下，深度对水力压裂的影响。