一种可实现深层页岩多尺度水压裂缝动态监测的实验方法

摘要

本发明公开一种可实现深层页岩多尺度水压裂缝动态监测的实验方法，应用于页岩水力压裂开发技术领域，本发明的方法具体包括深层页岩水力压裂过程中多尺度裂缝开启次序、裂缝扩展方向及裂缝扩展高度监测，本发明的方法可以实现在模拟深部地层三向应力条件下，通过确定试样参数(水泥石配方、层理数量、天然裂缝数量等)及水力压裂参数(泵压排量、射孔布置等)进行室内水力压裂模拟，获得水力压裂过程中多尺度裂缝开启次序、裂缝扩展走向、裂缝扩展高度的监测数据，并与泵压曲线、试样剖切特征、电镜扫描特征同步对比分析，为深层页岩水力压裂优化设计提供技术支持。

说明书

技术领域

本发明属于页岩水力压裂开发技术领域，特别涉及一种室内深层页岩水力压裂实验技术。

背景技术

我国页岩气有利区的技术可采资源量高达21.8万亿m

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种实现室内深层页岩多尺度裂缝动态全过程的实验方法。

本发明采用的技术方案为：一种实现室内深层页岩多尺度裂缝动态全过程的实验方法，包括：

S1、制备试样；

S2、在试样中布置电阻应变片；

S3、对经步骤S2处理后的试样进行水力压裂试验，得到泵压数据、声发射数据和应变数据；

S4、对得到的泵压数据、声发射数据和应变数据进行整理，剔除无效数据后，绘制时间-应变曲线图、时间-泵压、时间-声发射累计计数曲线图；

S5、以时间为主线，观察泵压—时间曲线图，当曲线产生一个波动时，定位泵压曲线波动区域的时间段，同时观察所有电阻应变片的应变数据图，找到该时间段内应变数据变化的电阻应变片，确定水力裂缝位置；

步骤S5还包括：分析该电阻应变片的变化程度，若变化为正，表明该电阻应变片位置受到拉应力，若变化为负，表明该电阻应变片位置受到压应力；将该电阻应变片的位置与声发射三维定位图进行对比，确定水力裂缝位置，判断起裂位置是人工预制裂缝或是试样起裂。

S6、通过重复步骤S5得到的不同时间下水力裂缝的位置，得到水力裂缝的扩展路径；

S7、根据步骤S6得到的水力裂缝的扩展路径及时间上的先后次序与井筒位置及预制人工裂缝的位置进行对比分析，得到水力裂缝的主缝及多尺度裂缝的开启次序；

S8、对步骤S5、S6中得到的应变数据变化的电阻应变片的应变数据保持观察，直至其数据稳定或电阻应变片受到破坏无数据，从而确定其水力裂缝缝宽；

步骤S8具体为：若该电阻应变片受到拉应力且周边电阻应变片无同样变化，则该应变程度为其水力裂缝缝宽；若该电阻应变片受到压应力且周边电阻应变片与其变化相同，则二者应变相加则为其水力裂缝缝宽；若该电阻应变片受到拉应力且周边电阻应变片变化相反，则二者应变相减则为其水力裂缝缝宽。

S9、确定裂缝高度。

步骤S9具体为：若是某裂缝的Z方向上某两分层的所有应变数据变化程度均较小(±5με)，同时声发射三维定位图在该分层并未监测到信号，说明裂缝高度位于上下两个层面之间，如果初始试样纵向分层越多，则对缝高的监测精度也越高。

本发明的有益效果：采用本发明的方法可以实现在模拟深部地层三向应力条件下，通过确定试样参数(试样性质、分层数量、天然裂缝数量等)及水力压裂参数(泵压排量、射孔布置等)进行室内水力压裂模拟，获得水力压裂过程中多尺度裂缝开启次序、裂缝扩展走向、裂缝扩展高度的监测数据，并与泵压曲线、试样剖切特征、电镜扫描特征同步对比分析，为深层页岩水力压裂提供了技术支持；并且本发明采用在人工试样中分层布置电阻应变片的实验方式，具备设计简单，操作方便的优点。

附图说明

图1是水力压裂时多尺度裂缝开启及走向示意图。

图2是预测法布置电阻应变片示意图。

图3是矩阵法布置电阻应变片示意图。

图4是二分法布置电阻应变片示意图。

图5是水力压裂试验示意图。

图6是水力裂缝缝宽示意图；

其中，图6(a)为电阻应变片受拉应力情况，图6(b)为电阻应变片受压应力情况，图6(c)为电阻应变片受拉应力、压应力情况。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

如图1所示为水力压裂时多尺度裂缝开启及走向示意图。本发明的犯法包括以下技术步骤：

第一部分是试样制备。

为实现室内深层页岩水力压裂中多尺度裂缝动态过程的实验方法，具体包括室内深层页岩水力压裂过程中多尺度裂缝的开启次序、裂缝扩展方向及裂缝扩展高度监测的新方法，本次选择人工试样作为实验对象。人工试样的制备的原料选择PC52.5R复合硅酸盐水泥和40-80目石英砂进行制备，水泥：石英砂：水的质量配比为1:1：0.5。

人工试样的尺寸为300mm×300mm×300mm或500mm×500mm×500mm的立方体试样，采用分层浇筑的方法制作试样层理面，每层高为试样高度的1/5或1/4或1/3或1/2，分层浇筑时，可根据真实页岩层理面进行浇筑，如制作不同层理面角度的人工试样。为模拟真实层理面性质，可通过分层浇筑的时间不同改变新旧水泥间胶结性质或在层理面间铺洒重晶石粉模拟真实层理面。

为更加准确地模拟深层页岩真实情况，模拟水力压裂时多尺度裂缝的开启与贯通，在分层制备人工试样时，采用燕麦片模拟真实储层中的微裂缝，A4纸片模拟真实储层中的中等裂缝，硬纸板片模拟真实储层中的粗大裂缝，可随机分布在试样内部或与试样呈不同角度分布在试样间，记录预制人工裂缝的空间位置。

在人工试样的中心进行井筒的预埋，预埋前对井筒出水口可用面团或纸板进行封堵，防止水泥浆的灌入，堵塞井筒。预埋时要保证井筒的位置合理，记录井筒位置。

还可以通过改变试样参数，包括：试样性质、分层数量、天然裂缝数量等，制备不同的试样。

第二部分是电阻应变片的布置。

为实现对深层页岩水力压裂过程中多尺度裂缝开启次序、裂缝扩展方向及裂缝扩展高度的监测，在人工试样的分层上进行高精度电阻应变片的布置，其中电阻应变片的布置位置可以参照以下三种方法。

1、预测法。

如图2所示，根据井筒位置、加载应力分布及人工预制裂缝的位置，预测裂缝的起裂位置及扩展方向，在其相应位置处布置测点。

2、矩阵法

如图3所示，根据试样大小选择合适的矩阵进行电阻应变片的布置，如300mm×300mm×300mm人工试样可选择10×10矩阵进行电阻应变片的布置，此方法全面地监测多尺度裂缝的起裂、裂缝的扩展方向及裂缝扩展的高度。

3、二分法

如图4所示，在井筒底部位置布置电阻应变片的测点，此测点与除井筒方向外其余试样边界连线的中点布置测点，两个测点中部布置测点，此后一个新测点与井筒底部位置的测点的中电布置新的测点，不断趋近于井筒底部测点位置，直至由于空间大小不能布置新的电阻应变片。

电阻应变片的贴片步骤分为以下六个步骤：

1、电阻应变片的选择：

在电阻应变片灵敏K相同的一批电阻应变片中，剔除电阻丝栅有形状缺陷，片内有气泡、霉斑、锈点等缺陷的电阻应变片。用数字万用表的电阻档测量电阻应变片的电阻值R，将电阻值在120/350±0.5Ω范围内的电阻应变片选出待用，记录该片的阻值和灵敏系数。

2、测点定位：

电阻应变片粘贴的位置及方向对应变测量的影响非常大，电阻应变片必须准确地粘贴测点上，而且粘贴方向必须是要测量的应变方向。为达到上述要求，要在试件上用钢板尺和划针画一个十字线，十字线的交叉点对准测点位置，较长的一根线要与应变测量方向一致。

3、试件表面的处理：

用锉刀和粗砂纸等工具将试样上的贴片位置的表层水泥除去，再用细砂纸打磨成45°交叉纹，之后用镊子镊起沾有丙酮/无水乙醇的脱脂棉球将贴片处擦洗干净，至棉球洁白为止，表面不可再用手接触。

4、电阻应变片粘贴：

(1)电阻应变片的粘贴：注意分清电阻应变片的正、反面(有引出线引出的一面为正面)，将电阻应变片的正面贴在透明胶布上，然后在电阻应变片的粘贴面上匀而薄地涂上一层粘结剂(502粘结剂)。待一分钟后，当胶水发粘时，校正方向(电阻应变片的定位线与十字线交叉线对准，其电阻栅的丝绕方向与十字线中较长线的方向一致)即保证电阻栅的中心与十字交叉点对准，用手沿一个方向滚压1～2分钟即可。

(2)电阻应变片粘贴完毕后的检查：电阻应变片贴好后，先检查有无气泡、翘曲、脱胶等现象，再用万用表的电阻档检查电阻应变片有无短路、断路和阻值发生突变(因电阻应变片粘贴不平整导致)的现象，如发生上述现象，就会影响测量的准确性，这时要重贴。

5、导线固定：

由于电阻应变片的引出线很细，特别是引出线与电阻应变片电阻丝的连接强度很低，极易被拉断，因此需要进行过渡。导线是将电阻应变片的感受信息传递给测试仪器的过渡线，其一端与电阻应变片的引出线相连，另一端与测试仪器相连接。

(1)接线柱的粘贴：

接线柱的作用是将电阻应变片的引线与接入应变仪的导线连接上。用镊子将接线柱按在要粘贴的位置，然后滴一滴胶水在接线柱边缘，待一分钟后，接线柱就会粘贴在试件上。

(2)焊接：用电烙铁将电阻应变片的引出线和导线一起焊接在接线柱上。

焊接要点：连接点必须用焊锡焊接，以保证测试线路导电性能的质量要求，焊点大小应均匀，不能过大，不能有虚焊。焊接结束后，用万用表进行电阻的检查，确保所有线路的畅通。

6、制作防潮层：

电阻应变片在潮湿环境中必须具有足够的绝缘度，一旦电阻应变片受潮，其阻值就会不稳定，从而导致无法准确地测量应变，因此，在电阻应变片贴好后，必须制作防潮层。防潮层可以用环氧树脂一份CH31A与一份CH31B混合而成，然后将配置好的防潮剂涂在电阻应变片上(包括引线的裸露部分)，也可以用硅橡胶涂在电阻应变片上，再用万用表检查一遍绝缘度。防潮剂一般需固化24小时。

第三部分是试验部分。

当人工试样制备完成后，养护28天后，根据确定好的水力压裂参数(泵压排量、射孔布置等)进行水力压裂试验；当然具体实验过程中也可以根据需要改变水力压裂参数(泵压排量、射孔布置等)，不同的水力压裂参数开启的裂缝位置、裂缝扩展路径、缝宽等会不同。

如图5所示，试验步骤为：

(1)准确记录人工试样其层理面及预制人工裂缝形态与空间位置。

(2)将准备好的试样放入真三轴加载室内，并在水力压裂试样4个端面各对角线安置2个声发射探头，以便有效地监测试样内部裂缝开裂信息。

(3)在压裂液中添加红色示踪剂，方便试验后通过剖开试样观察水力压裂通道，并采用真三轴物理模型试验机完成模拟三向地应力条件加载。

(4)待三向地应力加载完成后，保持地应力条件不变两个小时，使得试样内部均匀受力。将导线与应变仪、电脑进行连接，并进行通道自检及清零处理，确保各通道畅通。启动水力压裂泵压系统、声发射监测系统及应变数据采集系统，电脑实时同步采集泵压数据、声发射数据和应变数据。

(5)压裂试验完成后，停止水力压裂泵压系统、声发射监测系统及应变数据采集系统，真三轴物理模型试验机平稳卸载到0。

(6)拆卸试样，对试样加载各面直接观测记录，并采用数码相机进行拍摄。

(7)对压裂试样进行剖切，通过对压裂液中红色示踪剂观察，描述试样内部水力运移通道，掌握水力压裂缝扩展规律。

(8)对破裂路径上的试样进行取样，打磨，进行电镜扫描分析。

(9)综合对比应变数据、泵压曲线、声发射监测数据，获得裂缝起裂位置、裂缝扩展方向及裂缝扩展高度等信息。具体数据分析步骤如下。

数据分析步骤：

①对得到的应变数据、声发射数据及泵压数据进行整理，剔除无效数据后，可绘制时间与应变、时间与泵压、时间与声发射累计计数曲线图，声发射的数据可绘制三维定位图。

②以时间为主线，观察所绘制的泵压—时间曲线图，当泵压曲线产生一个波动时，表明试样内部产生水力裂缝，定位泵压曲线波动区域的时间。同时观察所有电阻应变片的应变数据图，找到该时间段内应变数据变化的电阻应变片，分析该电阻应变片的变化程度，变化为正，表明该电阻应变片位置受到拉应力，变化为负，表明该电阻应变片位置受到压应力。将该电阻应变片的位置与声发射三维定位图进行对比，确定水力裂缝位置，判断起裂位置是人工预制裂缝或是试样起裂。

③随后继续观察泵压曲线的波动，重复步骤②，依次获得不同时间下水力裂缝的位置，据此得到水力裂缝的扩展路径。

④根据步骤③得到的水力裂缝的扩展路径及时间上的先后次序与井筒位置及预制人工裂缝的位置进行对比分析，得到水力裂缝的主缝及多尺度裂缝的开启次序。

⑤在步骤②、③中得到泵压波动的应变数据变化的电阻应变片时，对这些电阻应变片的应变数据保持观察，直至其数据稳定或电阻应变片受到破坏无数据：

若该电阻应变片受到拉应力且周边电阻应变片无同样变化，则该应变程度为其水力裂缝缝宽，如图6(a)所示，两条竖直虚线之间的区域表示裂缝区，两条竖直虚线之间的距离表示缝宽，裂缝是张拉缝，裂缝区是拉应力，裂缝周围是压应力，即图6(a)所示电阻应变片受到拉应力；

若该电阻应变片受到压应力且周边电阻应变片与其变化相同(即周围电阻应变片也受到压应力)，则二者应变相加则为其水力裂缝缝宽，如图6(b)所示；

若该电阻应变片受到拉应力且周边电阻应变片变化相反(即周围电阻应变片也受到压应力)，则二者应变相减则为其水力裂缝缝宽，如图6(c)所示。

⑥若是某裂缝的Z方向上某两分层的所有应变数据变化程度均较小，声发射三维定位图在该分层并未监测到信号，则可判断该裂缝在两者分层之间的距离进行Z方向扩展，得到其缝高，若是分层较多，其缝高更为精确。应变数据变化程度较小具体指电阻应变片极限的2％前后，本实施例取值为±5με，μ表示微米，ε表示应变。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。