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CN107228800A - 一种室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法 - Google Patents

一种室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法 Download PDF

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CN107228800A
CN107228800A CN201710391622.5A CN201710391622A CN107228800A CN 107228800 A CN107228800 A CN 107228800A CN 201710391622 A CN201710391622 A CN 201710391622A CN 107228800 A CN107228800 A CN 107228800A
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China
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hydraulic fracture
fiber grating
experimental method
test specimen
dynamic monitoring
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张广清
林莹
杨潇
王元元
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China University of Petroleum Beijing
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Abstract

本发明提出一种室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法，包括以下步骤：制备试件：拼装预制模具，并将光纤光栅固定在预制模具内，随后，在预制模具内安装模拟井筒，将搅拌好的水泥砂浆倒入预制模具中，待水泥砂浆凝固形成试件；安装试件：将试件安装到真三轴水力压裂模拟装置的围压腔内，在真三轴水力压裂模拟装置上连接好注液管线，将光纤光栅连接到调制解调器上，调制解调器与计算机连接；水力裂缝缝宽监测测试:通过注液管线向真三轴水力压裂模拟装置的围压腔内注液以对试件施加三向围压，并对模拟井筒注液，并开启光纤光栅及调制解调器动态监测试件内的水力裂缝缝宽；待试件内部的水力裂缝到达试件的外表面时，结束测试。

Description

一种室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法
技术领域
本发明属于水力压裂模拟试验技术领域，特别是涉及一种室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法。
背景技术
随着页岩气、煤层气等非常规油气藏的大规模开发，有必要对复杂应力条件和地质条件下的水力裂缝延伸机理进行基础研究，为现场压裂提供有力的技术支撑和保障。目前，现场水力裂缝的实际形态不可能直接观察到，只能通过测井、微形变和微地震等地球物理测试手段，或者是在实验室通过真三轴水力压裂模拟装置等方式，间接获得裂缝信息，如裂缝方位、长度、高度和规模等，不能实时监测水力裂缝缝宽，从而难以准确了解现场水力压裂裂缝延伸机理及裂缝扩展时相互影响的情况。
有鉴于此，本发明人根据从事本领域和相关领域的生产设计经验，研制出一种室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法，以期解决现有技术存在的问题。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法，能够在室内实验室条件下实现对水力裂缝缝宽进行实时动态监测，为水力压裂理论研究和论证提供一种重要的监测手段。
为此，本发明提出一种室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法，该实验方法包括以下步骤：
a)制备试件：拼装预制模具，并将光纤光栅固定在预制模具内，随后，在预制模具内安装模拟井筒，将搅拌好的水泥砂浆倒入预制模具中，待水泥砂浆凝固形成试件后，拆除预制模具并对所述试件进行养护；
b)安装试件：将所述试件安装到真三轴水力压裂模拟装置的围压腔内，在所述真三轴水力压裂模拟装置上连接好注液管线，将所述光纤光栅连接到调制解调器上，所述调制解调器与计算机连接，以测试所述光纤光栅的完整性以及数据的可记录性；
c)水力裂缝缝宽监测测试:通过所述注液管线向所述真三轴水力压裂模拟装置的围压腔内注液以对所述试件施加三向围压，并对所述模拟井筒注液，并开启所述光纤光栅及调制解调器动态监测所述试件内的水力裂缝缝宽；
d)剖切试件：待试件内部的水力裂缝到达试件的外表面时，结束测试，卸载三向围压并拆卸注液管线，将试件从真三轴水力压裂模拟装置中取出，对所述试件进行剖切，观察裂缝形态。
如上所述的室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法，其中，在步骤a)中，所述水泥砂浆是使用重量比为1:1的水泥及石英砂，加水搅拌均匀而成。
如上所述的室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法，其中，所述调制解调器采用的光源为激光广谱光源，以保证光源的辐射稳定。
如上所述的室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法，其中，在步骤a)中，所述光纤光栅的中间段垂直于所述模拟井筒。
如上所述的室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法，其中，在步骤a)中，所述光纤光栅的两端分别以与其中间段呈大于90度的弯曲弧度穿出所述预制模具。
如上所述的室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法，其中，在步骤c)中，在对所述试件沿三个方向施加三向围压过程中，沿着所述光纤光栅的中间段的长度方向对试件施加最小主应力，在与所述中间段垂直的另外两个方向分别施加中间主应力及最大主应力，在压裂测试时，使所述试件内部的水力裂缝沿垂直于所述光纤光栅的中间段的方向扩展，其中，最小主应力、中间主应力及最大主应力依次增大。
如上所述的室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法，其中，在步骤c)中，在对所述试件施加三向围压时，在三个方向上以相同的增压速率同步施加压力；当其中一个方向上的压力达到设定值时维持恒定，其它两个方向继续施加压力；当三个方向的围压均达到设定值时，维持压力直至测试结束。
如上所述的室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法，其中，所述预制模具由一底板、一前端板、一后端板及两侧板围合而成，两所述侧板上分别开设有一穿孔，在两所述穿孔间固定一沿水平方向放置的铁丝，将所述光纤光栅的中间段固定在铁丝上。
如上所述的室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法，其中，所述模拟井筒的前端固定于所述前端板上，其后端朝向所述后端板，所述光纤光栅的中间段与所述模拟井筒呈相互垂直放置。
如上所述的室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法，其中，所述模拟井筒前端的入液口与所述前端板上的进液孔相连通，其后端的出液口处设置有预制裂缝。
与现有技术相比，本发明利用光纤光栅、调制解调器以及真三轴水力压裂模拟装置，能够在水力压裂模拟实验过程中对水力裂缝缝宽进行实时动态监测，根据实验结果建立水力裂缝延伸机理的模型，可以为压裂理论的研究和论证提供一种重要的监测手段，所得到的研究结果可为现场压裂提供有力的技术支撑和保障。
本发明提供的室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法，流程简单，操作方便，适用于实验室的实验要求。
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为本发明的室内实时动态监测水力裂缝缝宽的工作步骤图。
图2为本发明中预制模具与光纤光栅的连接示意图。
图3为本发明中试件的主视图。
图4为沿图3中A-A线的剖视图。
图5为沿图3中B-B线的剖视图。
主要元件标号说明：
1 预制模具 11 底板
12 前端板 121 进液孔
13 后端板 14 侧板
15 铁丝
2 光纤光栅 3 模拟井筒
31 预制裂缝 4 试件
具体实施方式
本发明提出一种室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法，该实验方法包括以下步骤：a)制备试件：拼装预制模具，并将光纤光栅固定在预制模具内，随后，在预制模具内安装模拟井筒，将搅拌好的水泥砂浆倒入预制模具中，待水泥砂浆凝固形成试件后，拆除预制模具并对所述试件进行养护；b)安装试件：将所述试件安装到真三轴水力压裂模拟装置的围压腔内，在所述真三轴水力压裂模拟装置上连接好注液管线，将所述光纤光栅连接到调制解调器上，所述调制解调器与计算机连接，以测试所述光纤光栅的完整性以及数据的可记录性；c)水力裂缝缝宽监测测试:通过所述注液管线向所述真三轴水力压裂模拟装置的围压腔内注液以对所述试件施加三向围压，并对所述模拟井筒注液，并开启所述光纤光栅及调制解调器动态监测所述试件内的水力裂缝缝宽；d)待试件内部的水力裂缝到达试件的外表面时，结束测试，卸载三向围压并拆卸注液管线，将试件从真三轴水力压裂模拟装置中取出，对所述试件进行剖切，观察裂缝形态。
本发明的室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法，能够在室内实验室条件下实现对水力裂缝缝宽进行实时动态监测，为水力压裂理论研究和论证提供一种重要的监测手段。
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，以下结合附图及较佳实施例，对本发明提出的室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法的具体实施方式、结构、特征及功效，详细说明如后。另外，通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入具体的了解，然而所附图仅是提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
图1为本发明的室内实时动态监测水力裂缝缝宽的工作步骤图。图3为本发明中试件的主视图。图4为沿图3中A-A线的剖视图。图5为沿图3中B-B线的剖视图。
如图1所示，本发明提出的室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法，该实验方法包括以下步骤：
a)制备试件：拼装预制模具，并将光纤光栅固定在预制模具内，随后，在预制模具内安装模拟井筒，将搅拌好的水泥砂浆倒入预制模具中，待水泥砂浆凝固形成试件后，拆除预制模具并对所述试件进行养护；
b)安装试件：将所述试件安装到真三轴水力压裂模拟装置的围压腔内，在所述真三轴水力压裂模拟装置上连接好注液管线，将所述光纤光栅连接到调制解调器上，所述调制解调器与计算机连接，以测试所述光纤光栅的完整性以及数据的可记录性，其中，对于真三轴水力压裂模拟装置、调制解调器以及计算机，均为现有技术，对其组成结构及具体工作原理不再赘述；
c)水力裂缝缝宽监测测试:通过所述注液管线向所述真三轴水力压裂模拟装置的围压腔内注液以对所述试件施加三向围压，并对所述模拟井筒注液，并开启所述光纤光栅及调制解调器动态监测所述试件内的水力裂缝缝宽；
d)剖切试件：待试件内部的水力裂缝到达试件的外表面时，结束测试，卸载三向围压并拆卸注液管线，将试件从真三轴水力压裂模拟装置中取出，对所述试件进行剖切，观察裂缝形态。
在实际应用时，所述真三轴水力压裂模拟装置优选如中国公告号为CN203869957U公开的“大尺寸岩石三轴力学性质测试装置”，以对试件进行三向围压试验，其具体使用方法为公知技术，在此不做赘述；所述试件尺寸优选长X宽X高为300mmX300mmX300mm规格，当然，实际作业时不以此为限；在实验时，注液时优先为2％的红色胍胶溶液的压裂液，注液排量是8mL/min。
较佳地，在步骤a)中，所述水泥砂浆是使用重量比为1:1的水泥及石英砂，加水搅拌均匀而成。具体而言，使用比例1:1的水泥及石英砂混合，并加水搅拌均匀，再将搅拌好的水泥砂浆倒入预制模具中；当水泥砂浆达到预制模具顶部时，用抹泥板抹平待试件，优选在凝固1～2天后拆卸预制模具，将试件置于阴凉通风处养护二十八天，期间不断浇水，以使试件更符合设计强度。
其中，所述调制解调器采用的光源为激光广谱光源，以保证光源的辐射稳定。在实际工作时，所述调制解调器发射激光广谱光波，其通过监测光纤光栅是否返回光波能测试光纤光栅的完整性，以及通过测试光波是否在调制解调器监测范围内来测试数据的可记录性，所述调制解调器的具体使用方法为现有技术，在此不再赘述。较佳地，优选所述调制解调器为MOI Si155型调制解调器。
在步骤a)中，所述光纤光栅2的中间段(即光栅区)垂直于所述模拟井筒3(请一并参见图2)。
进一步地，在步骤a)中，所述光纤光栅的两端分别以与其中间段呈大于90度的弯曲弧度穿出所述预制模具。
在步骤c)中，在对所述试件沿三个方向施加三向围压过程中，沿着所述光纤光栅的中间段的长度方向对试件施加最小主应力，在与所述中间段垂直的另外两个方向分别施加中间主应力及最大主应力，在压裂测试时，使所述试件内部的水力裂缝沿垂直于所述光纤光栅的中间段的方向扩展，其中，最小主应力、中间主应力及最大主应力依次增大。其中，在图2所示中，该三向围压的方向选取，优选沿所述预制构件/试件的宽度方向、长度方向及高度方向进行；在上述三个压力中，优选沿光纤光栅中间段的长度方向施加的压力为最小主应力，其它两个压力分别为中间主应力及最大主应力，且三者的数值依次增大。
进一步地，在步骤c)中，在对所述试件施加三向围压时，在三个方向上以相同的增压速率同步施加压力(应力)；当其中一个方向上的压力达到设定值时维持恒定，其它两个方向继续施加压力；当三个方向的围压均达到设定值时，维持压力直至测试结束。
比如，在图示的结构中，在试件上需要施加的三向围压分别是9MPa、15MPa以及17MPa，其具体过程如下：在三个方向上从零开始以相同的增压速率同步施加压力，当沿着光纤光栅4的中间段的长度方向施加的压力为9MPa时，该方向压力维持稳定；沿模拟井筒方向继续增压至15MPa，该方向压力维持稳定；最后一个方向沿试件的高度方向继续加压至17MPa，当三个方向围压分别达到9MPa、15MPa、17MPa时，保持压力稳定到实验结束。
请一并参见图2，所述预制模具1由一底板11、一前端板12、一后端板13及两侧板14围合而成，两所述侧板14上分别开设有一穿孔(图中未标示)，在两所述穿孔141间固定一沿水平方向放置的铁丝15，将所述光纤光栅2的中间段固定在铁丝15上，使得铁丝15及光纤光栅2的中间段沿预制模具的宽度方向布设。其中，在固定所述光纤光栅2时，要避免过度拉伸或者弯曲，防止光纤光栅2因过度拉伸或者弯曲而失效。
较佳地，所述模拟井筒3的前端通过螺栓连接等方式固定于所述前端板12上，其后端朝向所述后端板13，所述光纤光栅2的中间段与所述模拟井筒3呈相互垂直放置。也即，在图示的结构中，所述模拟井筒3沿所述预制模具1的长度方向放置，而所述光纤光栅2沿所述预制模具1的宽度方向放置，以使其与所述预制模具1呈正交状态，并相互垂直。
其中，所述模拟井筒3前端的入液口与所述前端板12上的进液孔121相连通，其后端的出液口处设置有预制裂缝31，用于引导水力裂缝走向。在实际使用时，如图3至图5所示，优选是在所述模拟井筒3的出液口处固定两个硬质的半圆形塑料片32，进而形成预制裂缝，具体而言，向预制模具内倒入水泥砂浆前，可直接在所述模拟井筒3的后端的出液口处通过缝合等方式固定两个半圆形硬质塑料片，使塑料片32沿模拟井筒的轴向放置，浇筑水泥砂浆并凝固后，使两个半圆形硬质塑料片之间形成与所述模拟井筒3相连通的缝隙，从而预制形成所述裂缝。
本发明提供的室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法，流程简单，操作方便；利用光纤光栅、调制解调器以及真三轴水力压裂模拟装置，能够在水力压裂模拟实验过程中对水力裂缝缝宽进行实时动态监测，根据实验结果建立水力裂缝延伸机理的模型，可以为压裂理论的研究和论证提供一种重要的监测手段，所得到的研究结果可为现场压裂提供有力的技术支撑和保障。
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的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法，该实验方法包括以下步骤：
a)制备试件：拼装预制模具，并将光纤光栅固定在预制模具内，随后，在预制模具内安装模拟井筒，将搅拌好的水泥砂浆倒入预制模具中，待水泥砂浆凝固形成试件后，拆除预制模具并对所述试件进行养护；
b)安装试件：将所述试件安装到真三轴水力压裂模拟装置的围压腔内，在所述真三轴水力压裂模拟装置上连接好注液管线，将所述光纤光栅连接到调制解调器上，所述调制解调器与计算机连接，以测试所述光纤光栅的完整性以及数据的可记录性；
c)水力裂缝缝宽监测测试:通过所述注液管线向所述真三轴水力压裂模拟装置的围压腔内注液以对所述试件施加三向围压，并对所述模拟井筒注液，开启所述光纤光栅及调制解调器动态监测所述试件内的水力裂缝缝宽；
d)剖切试件：待试件内部的水力裂缝到达试件的外表面时，结束测试，卸载三向围压并拆卸注液管线，将所述试件从所述真三轴水力压裂模拟装置中取出，对所述试件进行剖切，观察其裂缝形态。
2.如权利要求1所述的室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法，其特征在于，在步骤a)中，所述水泥砂浆是使用重量比为1:1的水泥及石英砂，加水搅拌均匀而成。
3.如权利要求1所述的室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法，其特征在于，所述调制解调器采用的光源为激光广谱光源，以保证光源的辐射稳定。
4.如权利要求1所述的室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法，其特征在于，在步骤a)中，所述光纤光栅的中间段垂直于所述模拟井筒。
5.如权利要求4所述的室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法，其特征在于，在步骤a)中，所述光纤光栅的两端分别以与其中间段呈大于90度的弯曲弧度穿出所述预制模具。
6.如权利要求1所述的室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法，其特征在于，在步骤c)中，在对所述试件沿三个方向施加三向围压过程中，沿着所述光纤光栅的中间段的长度方向对试件施加最小主应力，在与所述中间段垂直的另外两个方向分别施加中间主应力及最大主应力，在压裂测试时，使所述试件内部的水力裂缝沿垂直于所述光纤光栅的中间段的方向扩展，其中，最小主应力、中间主应力及最大主应力依次增大。
7.如权利要求6所述的室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法，其特征在于，在步骤c)中，在对所述试件施加三向围压时，在三个方向上以相同的增压速率同步施加压力；当其中一个方向上的压力达到设定值时维持恒定，其它两个方向继续施加压力；当三个方向的围压均达到设定值时，维持压力直至测试结束。
8.如权利要求1或5所述的室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法，其特征在于，所述预制模具由一底板、一前端板、一后端板及两侧板围合而成，两所述侧板上分别开设有一穿孔，在两所述穿孔间固定一沿水平方向放置的铁丝，将所述光纤光栅的中间段固定在铁丝上。
9.如权利要求8所述的室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法，其特征在于，所述模拟井筒的前端固定于所述前端板上，其后端朝向所述后端板，所述光纤光栅的中间段与所述模拟井筒呈相互垂直放置。
10.如权利要求9所述的室内实时动态监测水力裂缝缝宽的实验方法，其特征在于，所述模拟井筒前端的入液口与所述前端板上的进液孔相连通，其后端的出液口处设置有预制裂缝。
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