可视化超临界二氧化碳压裂物理模拟试验方法

摘要

本发明为一种可视化超临界二氧化碳压裂物理模拟试验方法，包括，制备岩石试样，对岩石试样钻中心孔、制作预制裂缝；在岩石试样的表面粘贴上PVC膜和下PVC膜，将岩石试样进行养护；养护后的岩石试样固定于可视化二维水力裂缝模拟实验装置的围压腔体内，对岩石试样施加设定的三向围压和孔隙压力；开启高速相机，向中心孔注入超临界二氧化碳压裂液，持续记录注液压力和岩石试样测试表面图像信息直至试验结束；依次撤除注液压力、孔隙压力以及三向围压，取出岩石试样，对岩石试样进行剖切并观察内部的水力裂缝。通过该方法可获得超临界二氧化碳压裂时人工裂缝的起裂及延伸的全过程图像，以及岩石试样表面的应力、应变和孔隙压力等参数的分布规律。

说明书

技术领域

本发明涉及石油工程岩石力学领域，尤其涉及一种可视化超临界二氧化碳压裂物理模拟试验方法。

背景技术

中国天然气需求日益增长，进口天然气量日益增加，对外依存度也越来越大，严重威胁中国能源安全。中国页岩气资源非常丰富，高效开发页岩气对于缓解能源供需矛盾、调整能源结构、保障能源安全意义重大。中国的页岩气资源量预计可达1.0×1014m3，为常规天然气的2倍。根据页岩气的可采资源和开采潜力，其有望成为继煤层气、致密砂岩气之后的第3种重要的非常规油气资源。

由于页岩气储层的低孔、低渗特性，开发页岩气必须进行储层压裂和增渗。目前开采页岩气的美国主要采用水力压裂技术，但该技术需要消耗大量的水资源，且对地下水污染严重；同时，中国页岩黏土含量普遍较高，页岩遇水易膨胀的特性也会影响储层改造的效果。另外，中国目前已探明的页岩气储量大多分布在水资源比较缺乏的盆地、山区，在这些区域进行页岩气开发也面临水资源方面的挑战。

当二氧化碳的温度和压力分别处于31.10℃和7.38MPa以上时，二氧化碳将达到超临界状态。由于超临界二氧化碳具有类似气体的扩散性及液体的密度和溶解力，同时兼具低粘度、低表面张力等特性，具有超强的流动、渗透和传递性能，可以代替清水作为压裂液。由于超临界二氧化碳压裂页岩的理论和实验方面的研究都还很少，特别是缺乏相应的试验方法来研究超临界二氧化碳压裂时人工裂缝起裂及扩展的过程，以及压裂时人工裂缝的缝长、缝宽、裂缝延伸速度等信息。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种可视化超临界二氧化碳压裂物理模拟试验方法，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可视化超临界二氧化碳压裂物理模拟试验方法，通过该方法可获得超临界二氧化碳压裂时人工裂缝的起裂及延伸的全过程图像，以及岩石试样表面的应力、应变和孔隙压力等参数的分布规律。

本发明的目的是这样实现的，一种可视化超临界二氧化碳压裂物理模拟试验方法，包括，

步骤a、制备岩石试样，对岩石试样钻中心孔、制作预制裂缝；

步骤b、在岩石试样的上表面包覆粘贴上PVC膜，在岩石试样的下表面包覆粘贴下PVC膜，将岩石试样放于恒温箱内进行养护；

步骤c、将养护后的岩石试样固定于可视化二维水力裂缝模拟实验装置的围压腔体内，对岩石试样施加设定的三向围压和孔隙压力；

步骤d、开启可视化二维水力裂缝模拟实验装置顶部的高速相机，自下向上地向岩石试样的中心孔注入超临界二氧化碳压裂液，持续记录注液压力和岩石试样测试表面图像信息直至试验结束；

步骤e、依次撤除注液压力、孔隙压力以及三向围压，取出岩石试样，对岩石试样进行剖切，观察岩石试样内部的水力裂缝。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤a中，岩石试样为天然岩石或人造岩石。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤c中，可视化二维水力裂缝模拟实验装置包括围压腔体、加压装置和控制部；所述围压腔体的横截面为矩形，所述围压腔体的顶部能拆卸地密封设置上盖，所述上盖上设置密封的透明窗，所述围压腔体上还开设有贯通的且能密封的排气孔，所述排气孔能与真空泵或孔隙压力泵连通；

所述加压装置包括设置于所述围压腔体内且能向所述岩石试样施加水平压力的侧向加压板，所述侧向加压板上连接有能驱动所述侧向加压板水平移动且能施加水平压力的侧向加压液压结构，设定所述围压腔体的一侧壁为第一侧壁，与所述第一侧壁相邻设置的另一侧壁为第二侧壁，所述侧向加压板包括与所述第一侧壁平行设置的第一侧向加压板和与所述第二侧壁平行设置的第二侧向加压板，所述侧向加压液压结构包括设置于所述第一侧壁的外壁上的第一侧向加压液压缸，所述第一侧向加压液压缸能驱动所述第一侧向加压板沿所述第二侧壁的长度方向水平移动，所述侧向加压液压结构还包括设置于所述第二侧壁的外壁上的第二侧向加压液压缸，所述第二侧向加压液压缸能驱动所述第二侧向加压板沿所述第一侧壁的长度方向水平移动，所述第一侧向加压液压缸和所述第二侧向加压液压缸均与围压泵连通设置；所述加压装置还包括密封设置于所述围压腔体的底部且能向所述岩石试样施加竖直压力的纵向加压板，所述纵向加压板的底部能拆卸地连接有能驱动所述纵向加压板上下移动且能施加竖直压力的纵向加压液压缸，所述纵向加压板上设置多个注液孔和多个测压孔，各所述注液孔与压裂液注入泵连通设置；

所述控制部包括数据采集单元和控制单元，所述数据采集单元包括悬置于所述上盖上方的高速相机和设置于各所述测压孔内的压力探针，所述控制单元用于接收所述数据采集单元传输的影像信息和压力信息，且所述控制单元能控制所述压裂液注入泵、所述侧向加压液压结构和所述纵向加压液压缸的工作状态。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤c中，设定所述纵向加压液压缸对岩石试样施加的竖直压应力为Z向压应力，设定所述第二侧向加压液压缸向岩石试样施加的水平压力为X向水平压应力，设定所述第一侧向加压液压缸向岩石试样施加的水平压力为Y向水平压应力，设定预制裂缝沿所述第一侧壁的长度方向设置，X向水平压应力大于Y向水平压应力，Z向压应力、X向水平压应力和Y向水平压应力构成岩石试样的三向围压。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤c中，围压腔体上的排气孔与孔隙压力泵连通，孔隙压力泵向围压腔体内注入液体，使岩石试样充分饱和并达到设定的孔隙压力。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤d中，超临界二氧化碳压裂液通过压裂液注入泵注入围压腔体内，超临界二氧化碳压裂液的注入速率为5ml/min～25ml/min。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤d中，超临界二氧化碳压裂液的温度大于32℃。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤d中，超临界二氧化碳压裂液的注液压力降低至峰值压力的20％时，停止注液。

由上所述，本发明提供的可视化超临界二氧化碳压裂物理模拟试验方法具有如下有益效果：

本发明的可视化超临界二氧化碳压裂物理模拟试验方法中，可视化二维水力裂缝模拟实验装置对岩石试样施加三向不等围压及孔隙压力，模拟了地层岩石受到的实际三向应力及孔隙压力的环境状态，高速相机能通过透明窗对岩石试样超临界二氧化碳压裂时裂缝的起裂及扩展的全过程图像，通过DIC技术和压力监测可以得到超临界二氧化碳压裂过程中岩石试样上的应力、应变等参数的分布规律；本发明的可视化超临界二氧化碳压裂物理模拟试验方法操作方便、实用性强，可为油田及研究机构的水力压裂设计提供更多依据。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明的可视化二维水力裂缝模拟实验装置的整体示意图。

图2：为本发明的围压腔体及试验机刚架的示意图。

图3：为本发明的围压腔体内布局示意图。

图4：为本发明的第一侧向加压液压缸处的结构示意图。

图5：为本发明的纵向加压液压缸处的结构示意图。

图6：为本发明的相机支架及高速相机的结构示意图。

图7：为本发明的岩石试样的密封示意图。

图中：

100、可视化二维水力裂缝模拟实验装置；

1、上盖；2、玻璃板；3、围压腔体；4、纵向加压板；5、第一侧向加压板；6、试验机刚架；7、纵向液压轴；71、凹槽结构；8、纵向液缸筒；9、液压缸底座；10、第一连接杆；11、第一固定螺母；12、第一侧向液缸筒；13、第一侧向端盖；14、第一侧向堵头；15、第一侧向活塞；16、第一固定板；17、第一侧向加压杆；18、第一压环；19、相机支架；20、高速相机；21、岩石试样；22、上PVC膜；Ⅰ、注液口；Ⅱ、排液口。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

本发明提供一种可视化超临界二氧化碳压裂物理模拟试验方法，包括以下步骤：

步骤a、制备岩石试样21，对岩石试样21钻中心孔、制作预制裂缝；

具体地，岩石试样21可以为天然岩石或人造岩石。天然岩石可以为页岩、大理石、花岗岩等，人造岩石的材料可以是透明的亚克力材料。

制作预制裂缝时，预制裂缝位于中心孔上。

为满足DIC设备采集数据，根据DIC技术要求，岩石试样21需测试表面(岩石试样21的上表面和下表面)喷涂均匀的哑光白底漆，放置在阴凉通风处晾干，均匀喷洒哑光黑色散斑于哑光白底漆上并晾干，最终在测试表面形成散斑。

步骤b、如图7所示，在岩石试样21的上表面包覆粘贴上PVC膜22，在岩石试样的下表面包覆粘贴下PVC膜，下PVC膜上设置有多个膜透孔，将岩石试样21放于恒温箱内进行养护；

上PVC膜22和下PVC膜分别采用透明树脂胶粘接到岩石试样21的上表面和下表面，试验时使岩石试样21与上盖1、纵向加压板4之间得到密封。

步骤c、将养护后的岩石试样21固定于可视化二维水力裂缝模拟实验装置100的围压腔体3内，对岩石试样21施加设定的三向围压和孔隙压力；

具体地，如图1至图6所示，可视化二维水力裂缝模拟实验装置100包括围压腔体3、加压装置和控制部。

如图1、图2、图3、图4所示，围压腔体3架设于试验机刚架6上；围压腔体3的横截面为矩形，围压腔体3的顶部能拆卸地密封设置上盖1，上盖1上设置密封的透明窗，在本实施方式中，上盖1中心处开设窗口透孔，窗口透孔的下方密封固定设置玻璃板2构成前述的透明窗，玻璃板2为高强度玻璃板。围压腔体3上还开设有贯通的且能密封的排气孔，排气孔能与真空泵或孔隙压力泵连通；在本实施方式中，排气孔处设置阀门开关，阀门开关的出口可以开放设置，阀门开关的出口还可以密封连接真空泵或孔隙压力泵。排气孔开放设置时，用于围压腔体向外排气；排气孔与真空泵连通时，真空泵对围压腔体3抽真空；排气孔与孔隙压力泵连通时，孔隙压力泵向围压腔体3内注入液体，使岩石试样21充分饱和并达到设定的孔隙压力，使岩石试样21在孔隙压力条件下进行水力压裂。

加压装置包括设置于围压腔体3内且能向岩石试样21施加水平压力的侧向加压板，侧向加压板上连接有能驱动侧向加压板水平移动且能施加水平压力的侧向加压液压结构，设定围压腔体3的一侧壁为第一侧壁，与第一侧壁相邻设置的另一侧壁为第二侧壁，侧向加压板包括与第一侧壁平行设置的第一侧向加压板5和与第二侧壁平行设置的第二侧向加压板，侧向加压液压结构包括设置于第一侧壁的外壁上的第一侧向加压液压缸，第一侧向加压液压缸能驱动第一侧向加压板5沿第二侧壁的长度方向水平移动，侧向加压液压结构还包括设置于第二侧壁的外壁上的第二侧向加压液压缸，第二侧向加压液压缸能驱动第二侧向加压板沿第一侧壁的长度方向水平移动，第一侧向加压液压缸和第二侧向加压液压缸均与围压泵连通设置。

在本实施方式中，如图1、图4所示，第一侧向加压液压缸包括能密封的第一侧向液缸筒12，第一侧向液缸筒12内密封滑动设置第一侧向活塞15，第一侧向活塞15的一端固定连接第一侧向加压杆17，第一侧向加压杆17的另一端密封穿设通过第一侧向液缸筒12后密封穿设通过第一侧壁，第一侧向加压杆17的另一端与第一侧向加压板5固定连接；第二侧向加压液压缸与第一侧向加压液压缸采用相同结构。第一侧向液缸筒12的一端固定连接于第一固定板16上，第一固定板16固定连接于第一侧壁上，第一固定板16上设置第一侧向加压杆透孔，第一侧向加压杆17密封穿设通过第一侧向加压杆透孔，为了保证密封性，第一侧向加压杆透孔处密封设置能密封套设于第一侧向加压杆17上的第一压环18；第一侧向液缸筒12的另一端的内部密封套设第一侧向堵头14，第一侧向液缸筒12的另一端外部密封套设第一侧向端盖13，在本实施方式中，第一侧向堵头14和第一侧向端盖13上设有液压油接口，第一侧向加压液压缸通过液压油接口与围压泵连通；第二侧向液缸筒的一端固定连接于第二固定板上，第二固定板固定连接于第二侧壁上，第二固定板上设置第二加压杆透孔，第二加压杆密封穿设通过第二加压杆透孔。

如图1所示，第一侧壁上水平向外延伸设置多个第一连接杆10，第一固定板16上与各第一连接杆10对应地设置第一连接透孔，各第一连接杆10穿过各第一连接透孔后固定连接第一固定螺母11；

第二侧壁上水平向外延伸设置多个第二连接杆，第二固定板上与各第二连接杆对应地设置第二连接透孔，各第二连接杆穿过各第二连接透孔后固定连接第二固定螺母。

加压装置还包括密封设置于围压腔体3的底部且能向岩石试样21施加竖直压力的纵向加压板4，纵向加压板4的底部能拆卸地连接有能驱动纵向加压板上下移动且能施加竖直压力的纵向加压液压缸，纵向加压板4上设置多个注液孔和多个测压孔，各注液孔与压裂液注入泵连通设置，多个注液孔和多个测压孔与下PVC膜上的多个膜透孔相对应；

如图1、图5所示，纵向加压液压缸与围压泵连通设置；纵向加压液压缸包括纵向液缸筒8，纵向液缸筒8内密封滑动设置纵向活塞，纵向活塞的上方构成上气腔，纵向活塞的下方构成下液腔，纵向液缸筒8的顶部设置通气孔，纵向液缸筒8的底部设置注液口和排液口；下液腔进油，纵向活塞上移，上气腔排气；下液腔进油，纵向活塞上移，上气腔进气。纵向活塞上向上延伸设置纵向液压轴7，纵向液压轴7的另一端密封穿过纵向液缸筒8的顶端后与纵向加压板能拆卸地连接，在本实施方式中，纵向液缸筒8的顶端设置密封圈，实现纵向液压轴7与纵向液缸筒8之间的密封。在本实施方式中，纵向液压轴7的另一端设有凹槽结构71，凹槽结构71为注液孔的连接管线和测压孔内的压力探针预留空间。纵向液压轴7在液压作用下驱动纵向加压板上升、下降，当纵向加压板下降至围压腔体3限制最低位置时，纵向液压轴7与纵向加压板脱离。

在本实施方式中，纵向液缸筒8的底端能拆卸地密封设置液压缸底座9，液压缸底座上设有注液口Ⅰ和排液口Ⅱ。纵向加压液压缸通过注液口Ⅰ和排液口Ⅱ与围压泵连通。在本实施方式中，液压缸底座9通过密封圈与纵向液缸筒8的底端之间实现密封。

设定纵向加压液压缸对岩石试样施加的竖直压应力为Z向压应力，设定第二侧向加压液压缸向岩石试样施加的水平压力为X向水平压应力，设定第一侧向加压液压缸向岩石试样施加的水平压力为Y向水平压应力，设定预制裂缝沿第一侧壁的长度方向设置，X向水平压应力大于Y向水平压应力，Z向压应力、X向水平压应力和Y向水平压应力构成岩石试样的三向围压。

控制部包括数据采集单元和控制单元，数据采集单元包括悬置于上盖上方的高速相机和设置于各测压孔内的压力探针，如图6所示，上盖1上设置有相机支架19，相机支架19上架设前述的高速相机20，高速相机20可以直观地监测二维水力裂缝启裂和扩展的全过程，并将岩石试样21上表面的裂缝图像传输给控制部，通过DIC方法(光学方法)获得水力裂缝的缝长、缝宽、延伸速度，以及裂缝周围的应力应变场和孔隙压力场等数据。控制单元用于接收数据采集单元传输的影像信息和压力信息，且控制单元能控制压裂液注入泵、侧向加压液压结构和纵向加压液压缸的工作状态。

步骤d、开启可视化二维水力裂缝模拟实验装置顶部的高速相机20，自下向上地向岩石试样的中心孔注入超临界二氧化碳压裂液，持续记录注液压力和岩石试样测试表面图像信息直至试验结束；

具体地，在本发明的一具体实施例中，超临界二氧化碳压裂液通过压裂液注入泵注入围压腔体内，超临界二氧化碳压裂液的注入速率为5ml/min～25ml/min；超临界二氧化碳压裂液的温度大于32℃。

当超临界二氧化碳压裂液的注液压力降低至峰值压力的20％时，停止注液。

步骤e、依次撤除注液压力、孔隙压力以及三向围压，取出岩石试样，对岩石试样进行剖切，观察岩石试样内部的水力裂缝。

实施例

步骤a、利用线切割装置将获取的天然大理石材料切割成为长度、宽度和厚度分别为500mm、500mm和5mm的试件，随后使用钻孔机对岩石试样21中部钻出直径为20mm的中心孔，中心孔从岩石试样21的上表面钻至下表面，最后使用线切割锯对岩石试样21上的中心孔中心切割出2条厚度为2mm、长度为10mm的预制裂缝。

在岩石试样21的上表面和下表面均匀喷涂哑光白底漆，放置在阴凉通风处晾干，待白底漆晾干后，均匀喷洒哑光黑色散斑于哑光白底漆上并晾干，最终在岩石试样21的上表面和下表面形成散斑。

步骤b、将岩石试样21的上表面和下表面分别用透明树脂胶粘贴上符合实验要求的上PVC膜22和下PVC膜，防止液体沿岩石试样21的上表面和下表面渗漏。将贴膜后的岩石试样21放入恒温箱内进行养护，养护温度为55℃，养护时间为48h。

步骤c、将密封好的岩石试样21安放在纵向加压板4上，岩石试样21下表面的下PVC膜上的膜透孔需要与纵向加压板4上的各注液孔、各测压孔一一对齐，以便进行注液和孔隙压力测量。再将上盖1安放在围压腔体3上，用螺栓将上盖1固定在围压腔体3上，将相机支架19和高速相机20安放在上盖1上，使相机镜头正对上盖1的透明窗中央位置，将纵向加压板4上的注液孔连接注液管线，测压孔内设置压力探针，并将高速相机20和压力探针的数据传输线连接至控制部(数据采集计算机)。

对岩石试样21加载三向围压时，打开围压腔体3的排气孔处阀门开关，启动围压泵分别向第一侧向加压液压缸、第二侧向加压液压缸和纵向加压液压缸内注油，纵向液压轴7推动纵向加压板4向上移动推动岩石试样21移向上盖1，第一侧向加压杆17推动第一侧向加压板5内移压向岩石试样21，第二侧向加压杆推动第二侧向加压板内移压向岩石试样21，当纵向加压板4、上盖1底部的玻璃板2、第一侧向加压板5和第二侧向加压板压紧岩石试样21时，关闭围压泵。

纵向加压板4、上盖1对岩石试样21施加Z向压应力，第一侧向加压板5对岩石试样21施加Y向水平压应力，第二侧向加压板对岩石试样21施加X向水平压应力，预制裂缝沿第一侧壁的长度方向(X向)设置，X向水平压应力大于Y向水平压应力，X向水平压应力、Y向水平压应力和Z向压应力的数值分别为7MPa、5MPa、3MPa，本发明的三向围压大小不以此为限。

随后，将围压腔体3的排气孔处阀门开关与真空泵连通，启动真空泵对围压腔体3内岩石试样21进行抽真空处理；再次启动围压泵给岩石试样21进行围压加载，当达到设定围压后，停止注液，维持三向围压不变；

将围压腔体3的排气孔处阀门开关与孔隙压力泵连通，启动孔隙压力泵向围压腔体3内注入液体，当岩石试样21充分饱和并达到设定的孔隙压力时，维持设定的孔隙压力。本实施例中对岩石试样21施加的孔隙压力的大小为2MPa，本发明的孔隙压力大小不以此为限。

步骤d、开启高速相机，打开压裂液注入泵，按照设定的注液速度通过纵向加压板4的注液孔向岩石试样21上的中心孔内注入温度为35℃的超临界二氧化碳压裂液，注液排量为5ml/min，记录实验数据，直至岩石试样21的注液压力降低至破裂压力的20％。

步骤e、岩石试样21完全破裂后，停止数据采集(压裂影像和孔隙压力采集)，关闭压裂液注入泵，使注入压力降为0。启动孔隙压力泵，撤除施加在岩石试样21上的孔隙压力。第一侧向加压液压缸、第二侧向加压液压缸和纵向加压液压缸排油，纵向加压板4下移，第一侧向加压板5和第二侧向加压板外移，上盖1底部的玻璃板2、第一侧向加压板5和第二侧向加压板脱离岩石试样21，随后将高速相机20和相机支架19从上盖1上移除，拆卸连接上盖1和围压腔体3的螺栓，用起重设备将上盖1吊离，最后将岩石试样21从围压腔体3内拆卸下来，对岩石试样21进行剖切，观察岩石试样21内部的水力裂缝，完成整个实验流程。

由上所述，本发明提供的可视化超临界二氧化碳压裂物理模拟试验方法具有如下有益效果：

本发明的可视化超临界二氧化碳压裂物理模拟试验方法中，可视化二维水力裂缝模拟实验装置100对岩石试样施加三向不等围压及孔隙压力，模拟了地层岩石受到的实际三向应力及孔隙压力的环境状态，高速相机能通过透明窗对岩石试样超临界二氧化碳压裂时裂缝的起裂及扩展的全过程图像，通过DIC技术和压力监测可以得到超临界二氧化碳压裂过程中岩石试样上的应力、应变等参数的分布规律；本发明的可视化超临界二氧化碳压裂物理模拟试验方法操作方便、实用性强，可为油田及研究机构的水力压裂设计提供更多依据。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。