真三軸受力條件下頁巖水力壓裂損傷演化裝置與實(shí)驗(yàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種真三軸受力條件下頁巖水力壓裂損傷演化裝置與試驗(yàn)方法，該裝置包括真三軸加載系統(tǒng)、水力壓裂系統(tǒng)、變形測試系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)；所述真三軸加載系統(tǒng)用于模擬頁巖試件的真三軸受力狀態(tài)；所述水力壓裂系統(tǒng)用于對頁巖試件施加不同的靜水壓力；所述變形測試系統(tǒng)用于測試頁巖試件在壓裂過程中的橫向、軸向的變形；所述聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測真三軸受力條件下頁巖試件在水力壓裂時裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射特征、平面與三維損傷定位、以及裂紋的演化過程；本發(fā)明的裝置和試驗(yàn)方法，能監(jiān)測真三軸條件下頁巖在水力壓裂過程中裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射特征、平面與三維損傷定位、以及裂紋的演化過程；能模擬真三軸條件下不同應(yīng)力、不同壓裂孔徑頁巖的裂紋擴(kuò)展規(guī)律。
【專利說明】真三軸受力條件下頁巖水力壓裂損傷演化裝置與實(shí)驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于頁巖氣開采【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種真三軸受力條件下頁巖水力壓裂損傷演化裝置與實(shí)驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，我國對能源的需求日益增大，國內(nèi)能源資源短缺的形勢也越來越嚴(yán)重。我國天然氣進(jìn)口的依存度逐年增加，2011年全年進(jìn)口天然氣310億m3,2012年全年進(jìn)口天然氣440億m3，比2011年增長40%。為了解決能源的緊張狀態(tài)，國家在“十二五”能源規(guī)劃中將重點(diǎn)發(fā)展非常規(guī)天然氣和其它新能源。
[0003]美國是目前最成功實(shí)現(xiàn)頁巖氣大量商業(yè)開采的國家，2011年其頁巖氣產(chǎn)量已達(dá)到1800億m3，占美國天然氣產(chǎn)量的34%，預(yù)計2015年美國頁巖氣產(chǎn)量將達(dá)到2800億立方米。我國富有機(jī)質(zhì)頁巖分布廣泛，南方地區(qū)、華北地區(qū)和新疆塔里木盆地等發(fā)育海相頁巖，華北地區(qū)、準(zhǔn)噶爾盆地、吐哈盆地、鄂爾多斯盆地、渤海灣盆地和松遼盆地等發(fā)育陸相頁巖，頁巖氣可采資源量約為25萬億m3，超過常規(guī)天然氣資源。其開發(fā)處于起步階段，但也取得初步進(jìn)展，研究和劃分了頁巖氣資源有利遠(yuǎn)景區(qū)，初步摸清了有利區(qū)富有機(jī)質(zhì)頁巖分布，確定了主力層系，建立了頁巖氣有利目標(biāo)區(qū)優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)選出一批頁巖氣富集有利區(qū)。頁巖氣“十二五”規(guī)劃中明確要求“推進(jìn)頁巖氣等非常規(guī)油氣資源開發(fā)利用”，到2015年估計頁巖氣產(chǎn)量達(dá)65億m3，其本完成全國頁巖氣資源潛力調(diào)查與評價，掌握頁巖氣資源潛力與分布，優(yōu)選出一批頁巖氣遠(yuǎn)景區(qū)和在利目標(biāo)區(qū)，建成一批頁巖氣勘探開發(fā)區(qū)，初步實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，形成一系國家級頁巖氣技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，建立完善的頁巖氣產(chǎn)業(yè)政策體系，為“十三五”頁巖氣快速發(fā)展奠定堅實(shí)基礎(chǔ)，規(guī)劃2020年頁巖氣總產(chǎn)量為600億m3至1000億m3。
[0004]頁巖氣主要以吸附態(tài)和游離態(tài)賦存在頁巖儲層中，吸附狀態(tài)占20%_85%，由于頁巖氣藏儲層具典型的低孔低滲特征，孔隙度一般為4%?6%，滲透率小于0.001 X 10_3 μ m2，因此頁巖氣的開發(fā)必須進(jìn)行儲層壓裂和增滲改造，目前國內(nèi)外主要采用水力壓裂技術(shù)來提高頁巖的滲透率。
[0005]地下含頁巖氣的頁巖儲層埋深處于2000米左右，地應(yīng)力高達(dá)50MPa左右，且?guī)r體應(yīng)力處于真三軸狀態(tài)，靜水壓力高達(dá)lOMPa，因此研究真三軸受力條件下頁巖水力壓裂裂紋擴(kuò)展、損傷演化裝置尤為必要，目前國內(nèi)外這方面的模擬裝置研制得很少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種真三軸受力條件下頁巖水力壓裂損傷演化裝置，能模擬真三軸條件下頁巖水力壓裂裂紋擴(kuò)展機(jī)理；可以監(jiān)測真三軸條件下頁巖水力壓裂裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射特征、平面與三維損傷定位、以及裂紋的演化過程；可以模擬不同應(yīng)力、不同水壓條件下裂紋擴(kuò)展特征。
[0007]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0008]一種真三軸受力條件下頁巖水力壓裂損傷演化裝置，包括真三軸加載系統(tǒng)、水力壓裂系統(tǒng)、變形測試系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)；所述真三軸加載系統(tǒng)用于模擬頁巖試件的真三軸受力狀態(tài)；所述水力壓裂系統(tǒng)用于對頁巖試件施加不同的靜水壓力；所述變形測試系統(tǒng)用于測試頁巖試件在壓裂過程中的橫向、軸向的變形；所述聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測真三軸受力條件下頁巖試件在水力壓裂時裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射特征、平面與三維損傷定位、以及裂紋的演化過程；
[0009]進(jìn)一步，所述真三軸加載系統(tǒng)包括對頁巖試件進(jìn)行垂直方向加載的巖石力學(xué)測試系統(tǒng)、對頁巖試件兩水平方向進(jìn)行水平加載的小型作動器和承壓板；
[0010]進(jìn)一步,所述巖石力學(xué)測試系統(tǒng)為MTS815巖石力學(xué)測試系統(tǒng)；
[0011]進(jìn)一步，所述水力壓裂系統(tǒng)包括高精度柱塞泵和壓裂管；
[0012]進(jìn)一步，所述變形測試系統(tǒng)包括設(shè)置在頁巖試件三個受力方向上的高精度位移傳感器；
[0013]進(jìn)一步，所述聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)包括聲發(fā)射儀、用于分析壓裂數(shù)據(jù)與聲發(fā)射數(shù)據(jù)的電腦主機(jī)和設(shè)置在頁巖試件正面與背面的三維損傷定位傳感器；
[0014]進(jìn)一步，所述三維損傷定位傳感器在頁巖試件正面與背面各設(shè)置4個，且對稱設(shè)置。
[0015]本發(fā)明還公開了一種真三軸受力條件下頁巖水力壓裂損傷演化試驗(yàn)的試驗(yàn)方法，包括如下步驟:
[0016](I)試件加工:將現(xiàn)場取回的頁巖塊在巖樣加工室制作為立方體，然后在試件中心鉆水壓裂孔；
[0017](2)將壓裂管放入試件的水壓裂孔中，然后向孔中注入固化劑和環(huán)氧樹脂，讓壓裂管與試件管壁粘貼牢固，達(dá)到密封效果；
[0018](3)將試件放入真三軸加載系統(tǒng)中，壓裂管路與注塞泵連接，在承壓板上粘貼好聲發(fā)射傳感器，并與聲發(fā)射儀連接好，然后向試件施加一定的水平應(yīng)力和軸向應(yīng)力；
[0019](4)開啟聲發(fā)射儀，設(shè)置好聲發(fā)射參數(shù)、所需采集的數(shù)據(jù)和圖形，比如門檻、波速、采樣率、傳感器的三維空間位置；
[0020](5)啟動注塞泵，向試件加靜水壓力，水壓慢慢升高，監(jiān)測注塞泵注入水的流量和流速，在加水壓的同時，監(jiān)測試件壓裂過程中的聲發(fā)射特征、平面損傷定位、三維損傷定位等;
[0021](6)實(shí)驗(yàn)壓裂結(jié)束后，觀察壓裂孔的破壞特征與方向，并拍照；
[0022](7)分析壓裂數(shù)據(jù)與聲發(fā)射數(shù)據(jù)。
[0023]進(jìn)一步,所述步驟(I)中的立方體尺寸為IOOmmX IOOmmX 200mm,所述步驟(I)中的水壓裂孔直徑為Φ30ι?πιΧ 120mm、Φ 20mmX 120mm兩種規(guī)格的圓柱孔。
[0024]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的裝置和試驗(yàn)方法，能監(jiān)測真三軸條件下頁巖水力壓裂裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射特征、平面與三維損傷定位、以及裂紋的演化過程；能模擬真三軸條件下不同應(yīng)力、不同壓裂孔徑頁巖的裂紋擴(kuò)展規(guī)律。
[0025]本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其他優(yōu)點(diǎn)可以通過下面的說明書來實(shí)現(xiàn)和獲得?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0026]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中:
[0027]圖1為本發(fā)明裝置正視示意圖；
[0028]圖2為本發(fā)明裝置俯視示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]以下將參照附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實(shí)施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0030]如圖所示，一種真三軸受力條件下頁巖水力壓裂損傷演化裝置，包括真三軸加載系統(tǒng)、水力壓裂系統(tǒng)、變形測試系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)；所述真三軸加載系統(tǒng)用于模擬頁巖試件I的真三軸受力狀態(tài)；所述水力壓裂系統(tǒng)用于對頁巖試件施加不同的靜水壓力；所述變形測試系統(tǒng)用于測試頁巖試件三個方向的變形；所述聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測真三軸受力條件下頁巖試件水力壓裂裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射特征、平面與三維損傷定位、以及裂紋的演化過程。
[0031]本實(shí)施例中，通過本發(fā)明的裝置能監(jiān)測真三軸條件下頁巖水力壓裂裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射特征、平面與三維損傷定位、以及裂紋的演化過程；能模擬真三軸條件下不同應(yīng)力、不同壓裂孔徑頁巖的裂紋擴(kuò)展規(guī)律。
[0032]本實(shí)施例中，所述真三軸加載系統(tǒng)包括對頁巖試件進(jìn)行垂直方向加載的巖石力學(xué)測試系統(tǒng)2、對頁巖試件兩水平方向進(jìn)行水平加載的小型作動器3和承壓板4。
[0033]本實(shí)施例中，所述巖石力學(xué)測試系統(tǒng)為MTS815巖石力學(xué)測試系統(tǒng)。
[0034]本實(shí)施例中，所述水力壓裂系統(tǒng)包括高精度柱塞泵5和壓裂管6，所述壓裂管為超聞壓水管。
[0035]本實(shí)施例中，所述變形測試系統(tǒng)包括設(shè)置在頁巖試件三個受力方向上的高精度位移傳感器。
[0036]本實(shí)施例中，所述聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)包括聲發(fā)射儀7、用于分析壓裂數(shù)據(jù)與聲發(fā)射數(shù)據(jù)的電腦主機(jī)8和設(shè)置在頁巖試件正面與背面的三維損傷定位傳感器9。
[0037]本實(shí)施例中，所述三維損傷定位傳感器在頁巖試件正面與背面各設(shè)置四個，且為對稱設(shè)置。
[0038]利用本實(shí)施例裝置進(jìn)行真三軸受力條件下頁巖水力壓裂損傷演化試驗(yàn)的試驗(yàn)方法，包括如下步驟:
[0039](I)試件加工:將現(xiàn)場取回的頁巖塊在巖樣加工室制作為立方體，然后在試件中心鉆水壓裂孔10，本步驟中的立方體尺寸為IOOmmX IOOmmX200mm，水壓裂孔為上下Φ 30mmX 120mm、Φ 20mmX 1 20mm兩種規(guī)格的圓柱孔；
[0040](2)將壓裂管放入試件的水壓裂孔中，然后向孔中注入固化劑和環(huán)氧樹脂，讓壓裂管與試件管壁粘貼牢固，達(dá)到密封效果；
[0041](3)將試件放入真三軸加載系統(tǒng)中，壓裂管路與注塞泵連接，在承壓板上粘貼好聲發(fā)射傳感器，并與聲發(fā)射儀連接好，然后向試件施加一定的水平應(yīng)力和軸向應(yīng)力；[0042](4)開啟聲發(fā)射儀，設(shè)置好聲發(fā)射參數(shù)、所需采集的數(shù)據(jù)和圖形，比如門檻、波速、采樣率、傳感器的三維空間位置；
[0043](5)啟動注塞泵，向試件加靜水壓力，水壓慢慢升高，監(jiān)測注塞泵注入水的流量和流速，在加水壓的同時，監(jiān)測試件壓裂過程中的聲發(fā)射特征、平面損傷定位、三維損傷定位等;
[0044](6)實(shí)驗(yàn)壓裂結(jié)束后，觀察壓裂孔的破壞特征與方向，并拍照；
[0045](7)分析壓裂數(shù)據(jù)與聲發(fā)射數(shù)據(jù)。
[0046]最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種真三軸受力條件下頁巖水力壓裂損傷演化裝置，其特征在于:包括真三軸加載系統(tǒng)、水力壓裂系統(tǒng)、變形測試系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)；所述真三軸加載系統(tǒng)用于模擬頁巖試件的真三軸受力狀態(tài)；所述水力壓裂系統(tǒng)用于對頁巖試件施加不同的靜水壓力；所述變形測試系統(tǒng)用于測試頁巖試件在壓裂過程中的橫向、軸向的變形；所述聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測真三軸受力條件下頁巖試件在水力壓裂時裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射特征、平面與三維損傷定位、以及裂紋的演化過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真三軸受力條件下頁巖水力壓裂損傷演化裝置，其特征在于:所述真三軸加載系統(tǒng)包括對頁巖試件進(jìn)行垂直方向加載的巖石力學(xué)測試系統(tǒng)、對頁巖試件兩水平方向進(jìn)行水平加載的小型作動器和承壓板。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的真三軸受力條件下頁巖水力壓裂損傷演化裝置，其特征在于:所述巖石力學(xué)測試系統(tǒng)為MTS815巖石力學(xué)測試系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的真三軸受力條件下頁巖水力壓裂損傷演化裝置，其特征在于:所述水力壓裂系統(tǒng)包括高精度柱塞泵和壓裂管。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的真三軸受力條件下頁巖水力壓裂損傷演化裝置，其特征在于:所述變形測試系統(tǒng)包括設(shè)置在頁巖試件三個受力方向上的高精度位移傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的真三軸受力條件下頁巖水力壓裂損傷演化裝置，其特征在于:所述聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)包括聲發(fā)射儀、用于分析壓裂數(shù)據(jù)與聲發(fā)射數(shù)據(jù)的電腦主機(jī)和設(shè)置在頁巖試件正面與背面的三維損傷定位傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的真三軸受力條件下頁巖水力壓裂損傷演化裝置，其特征在于:所述三維損傷定位傳感器在頁巖試件正面與背面各設(shè)置4個，且對稱設(shè)置。
8.利用權(quán)利要求7所述的真三軸受力條件下頁巖水力壓裂損傷演化裝置進(jìn)行試驗(yàn)的試驗(yàn)方法，其特征在于:包括如下步驟: (1)試件加工:將現(xiàn)場取回的頁巖塊在巖樣加工室制作為立方體，然后在試件中心鉆水壓裂孔； (2)將壓裂管放入試件的水壓裂孔中，然后向孔中注入固化劑和環(huán)氧樹脂，讓壓裂管與試件管壁粘貼牢固，達(dá)到密封效果； (3)將試件放入真三軸加載系統(tǒng)中，壓裂管路與注塞泵連接，在承壓板上粘貼好聲發(fā)射傳感器，并與聲發(fā)射儀連接好，然后向試件施加一定的水平應(yīng)力和軸向應(yīng)力； (4)開啟聲發(fā)射儀，設(shè)置好聲發(fā)射參數(shù)、所需采集的數(shù)據(jù)和圖形，比如門檻、波速、采樣率、傳感器的三維空間位置； (5)啟動注塞泵，向試件加水壓，水壓慢慢升高，監(jiān)測注塞泵注入水的流量和流速，在加水壓的同時，監(jiān)測試件壓裂過程中的聲發(fā)射特征、平面損傷定位、三維損傷定位等； (6)實(shí)驗(yàn)壓裂結(jié)束后，觀察壓裂孔的破壞特征與方向，并拍照； (7)分析壓裂數(shù)據(jù)與聲發(fā)射數(shù)據(jù)。
9.利用權(quán)利要求8所述的試驗(yàn)方法，其特征在于:所述步驟(I)中的立方體尺寸為100_X 100_X 200mm,所述步驟(I)中的水壓裂孔直徑為 <i)30mmX120mm、Φ 20mm X 1 20mm兩種規(guī)格的圓柱孔。
【文檔編號】G01N3/12GK103592186SQ201310635209
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】姜永東, 劉浩, 覃超, 羅亞煌, 崔悅震, 宋曉 申請人:重慶大學(xué)