CN113514337A - 干热岩破裂压力测试试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种干热岩破裂压力测试试验装置和方法，装置包括：岩样加载系统、稳压介质注入系统和压裂液注入系统；岩样加载系统用于对岩样施加围压，岩样开设有测试孔眼(5)；岩样加载系统设置有用于监测破裂过程中所发出的振动波的声发射监测装置；稳压介质注入系统与岩样加载系统连通，用于向测试孔眼(5)内注入稳压介质；压裂液注入系统与岩样加载系统连通，用于向测试孔眼(5)内注入压裂液。通过设置稳压介质注入系统，确保在围压和温度加载、压裂液热效应注入过程中，测试孔眼不发生坍塌和破裂；在注入压裂液监测到岩样由完整到初始破裂前，孔眼壁保持完整，所测破裂压力值更接近于地下岩层环境的真实值。

Description

干热岩破裂压力测试试验装置及方法

技术领域

本发明涉及地下岩层力学试验领域，具体涉及一种干热岩破裂压力测试试验装置及方法。

背景技术

干热岩水力压裂是目前获取地热资源的主要技术手段之一，通过地面压裂车组将高压压裂液通过井眼泵入目的层，当井底液体压力大于岩石破裂压力时开启地层形成人工裂缝，随着液体的不断注入，人工裂缝不断扩展和延伸，并在干热岩中形成高导流能力和复杂的裂缝网络，为后续换热介质在注入井和生产井之间的换热对流建立了液流通道。

以环境温度从井口注入的高压压裂液与地下目的层有较大的温差，当到达井底与岩石接触后迅速降低井壁岩石温度，岩石在降温过程中体积发生收缩，造成杨氏模量、抗张强度、断裂韧性等岩石力学参数下降，降低了井壁周向应力。并且内部矿物成分具有不同的热膨胀系数，因此在降温过程中产生不同的应变和位移，在岩石矿物颗粒之间和其内部形成微小裂缝，当高压压裂液进入此类微小裂缝后降低了岩石的有效应力，使得井壁岩石更易于破裂。在该热效应条件下开展干热岩地层的水力压裂能够产生更低的破裂压力，当获得准确的破裂压力后，可以优化井口装置和缩减压裂施工车组，降低施工成本。

常规的水力压裂破裂压力测试装置并未考虑热效应产生的影响，注入的液体和岩样均为室温，且无明显温差。在岩样制备中并未充分考虑和监测钻孔过程对测试孔眼壁完整性影响，而且在温度和围压加载过程中也未考虑测试孔眼内施加内压而保持测试测试孔眼壁稳定性，导致在注入压裂前岩样已经发生破坏，当压裂液注入时测到的破裂压力值并未是真实岩样从完整状态到起裂的瞬间所对应的压力值，而是人工裂缝的延伸压力值。

可知现有的破裂压力测试装置缺少热效应条件下的分析能力，并且现有的干热岩破裂压力测试方法并不合理。因此建立一种干热岩水力压裂破裂干热岩破裂压力测试试验装置及方法能够准确的获取地层的破裂压裂参数，具备重要的实践意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种干热岩破裂压力测试试验装置及方法，以解决现有技术干热岩水力压裂破裂压力测试试验中岩样提前发生裂缝的问题，从而能够准确的获取地层的破裂压裂参数。

为实现上述目的，本发明提供了一种干热岩破裂压力测试试验装置，包括：岩样加载系统、稳压介质注入系统和压裂液注入系统；

所述岩样加载系统用于对岩样施加围压并加热，所述岩样开设有测试孔眼；所述岩样加载系统设置有用于监测所述岩样破裂过程中所发出的振动波的声发射监测装置；

所述稳压介质注入系统与所述测试孔眼连通，用于向所述测试孔眼内注入稳压介质；

所述压裂液注入系统与所述测试孔眼连通，用于向所述测试孔眼内注入压裂液。

可选地，所述稳压介质注入系统包括电连接的气压控制装置和压力泵，所述气压控制装置能够控制所述压力泵启动以及输送压力；所述压力泵连通有通向所述测试孔眼的介质管路，所述介质管路上设置有用于控制所述介质管路开闭的控制阀。

可选地，所述稳压介质注入系统还包括稳压介质罐，所述稳压介质罐与所述介质管路连通，用于接收从所述测试孔眼回流的稳压介质。

可选地，所述岩样加载系统还设置有用于监测所述测试孔眼内温度的温度监测装置，所述温度监测装置的温度传感器设置于所述测试孔眼内。

可选地，岩样加载系统包括试样加载装置和液压伺服控制系统，所述试样加载装置用于对岩样施加围压并加热，所述试样加载装置和所述液压伺服控制系统通过液压管路连接，所述液压管路上设置有控制阀、压力表以及放空阀。

可选地，所述压裂液注入系统包括连通的控温液罐和液压控制系统，所述液压控制系统连接有输送管路，所述输送管路通向所述测试孔眼内，所述输送管路上设置有流体流动控制阀，所述控温液罐设置有温度计。

本发明还提供一种干热岩水力压裂破裂压力测试试验方法，所述试验方法包括以下步骤：

S1，将岩样放置于岩样加载系统内，并设置用于监测所述岩样的力学参数的声发射监测装置；

S2，控制所述岩样加载系统对所述岩样加热和施加围压，同时稳压介质注入系统向所述测试孔眼内输送稳压介质，记录该过程中所述声发射监测装置检测的力学参数；

S3，当所述岩样达到预设温度和预设压力时，保持该温度和压力状态，同时停止向所述测试孔眼内输送稳压介质，记录该过程所对应的力学参数；

S4，打开压裂液注入系统，向所述测试孔眼内输送压裂液，所述测试孔眼内的稳压介质随着所述压裂液的注入被输出，记录该过程所对应的力学参数；

S5，所述压裂液达到预设注入量后关闭所述压裂液注入系统，记录该过程所对应的力学参数。

可选地，所述岩样采用以下方法制备：

采集符合试验要求的干热岩岩石，并按预设的形状和尺寸进行切割；

在切割后的干热岩岩石上加工测试孔眼，形成预选岩样；

对预选岩样的裂缝状况进行检测，保留符合要求的岩样。

可选地，在切割后的干热岩岩石上加工测试孔眼的方法包括：在干热岩岩石表面的几何中心钻制预设尺寸的测试孔眼，钻制过程中控制钻速和钻压，并采用降温液实时降低钻孔温度，以使测试孔眼内流出液体温度不超过40℃。

可选地，在S2中，控制岩样加载系统对岩样持续加热的升温速度控制在1℃/min以内；

在S3之后，保持该温度和压力状态稳定预设时间以后再执行S4。

通过设置稳压介质注入系统，确保在围压和温度加载、压裂液热效应注入过程中，测试孔眼不发生坍塌和破裂；在注入压裂液监测到岩样由完整到初始破裂前，孔眼壁保持完整，所测破裂压力值更接近于地下岩层环境的真实值。

附图说明

图1是本发明一实施方式中的干热岩破裂压力测试试验装置的原理示意图；

图2是本发明一实施方式中岩样通过加载板夹持后的俯视图；

图3是本发明一实施方式中干热岩水力压裂破裂压力测试试验方法的流程示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1，本实施方式提供一种干热岩破裂压力测试试验装置，包括：岩样加载系统、稳压介质注入系统和压裂液注入系统；所述岩样加载系统用于对岩样30施加围压并加热，所述岩样30开设有测试孔眼5；所述岩样加载系统设置有用于监测所述岩样30破裂过程中所发出的振动波(微小声现象)的声发射监测装置；所述稳压介质注入系统与测试孔眼连通，用于向所述测试孔眼5内注入稳压介质；所述压裂液注入系统与测试孔眼连通，用于向所述测试孔眼5内注入压裂液。稳压介质注入系统采用的稳压介质可以是空气、惰性气体等，其在试验中起到的作用是平衡外部围压与测试孔眼5内的压力，避免测试孔眼5提前产生裂缝。在本实施方式中，稳压介质注入系统和压裂液注入系统均有独立的动力源，分别提供相应的介质输送动力。通过设置稳压介质注入系统，确保在围压和温度加载、压裂液热效应注入过程中，测试孔眼5不发生坍塌和破裂；在注入压裂液监测到岩样30由完整到初始破裂前，孔眼壁保持完整，所测破裂压力值更接近于地下岩层环境的真实值。

对于岩样加载系统，可采用现有的加载设备，其只要能够满足均匀施压，可控升温等必要条件即可。在本实施方式中，岩样加载系统包括试样加载装置和液压伺服控制系统9，试样加载装置用于对岩样30施加围压并加热，试样加载装置包括加载板1、试验盒加热层2、试验盒保温层3以及加载缸4；岩样30的加载方式采用龙门式反力机构，在垂向上和两个正交的水平方向上通过加载缸4对岩样30施加三向围压。岩样30通过加载板1夹持，加载板1的主要作用是夹持岩样30和控制加载精度，在试验盒(包括试验盒加热层2、试验盒保温层3)的6个面均开有加载缸作用孔，加载缸4在液压作用下通过加载缸作用孔在轴向方向上直线延伸和缩短。在加载板1和试验盒加热层2之间通过纤维棉充填进行岩样30保温，保证内部温度能够达到地下岩层的真实温度。所述试样加载装置的加载缸4和所述液压伺服控制系统9通过液压管路连接，所述液压管路上设置有控制阀6、压力表7以及放空阀8。具体地，三个加载缸4分别通过液压管路与液压伺服控制系统9连接，控制阀6控制三向应力的加载速度，压力表7显示液压管路的压力，放空阀8实现三向应力的卸载。

结合图2，在本实施方式中，声发射监测装置包括声发射探头22和声发射监测系统10，在岩样30四周的共四块加载板1上开有声发射监测孔21，其内部安装声发射探头22，声发射探头22与声发射监测系统10连接，以将检测的力学参数输送至声发射监测系统10。

所述岩样加载系统还设置有用于监测所述测试孔眼5内温度的温度监测装置14，所述温度监测装置14的温度传感器13设置于所述测试孔眼5内，以获取温度传感器13检测的温度参数，在试验盒加温层2和试验盒保温层3包裹下，岩样30被加温并保持在目标温度。

在一个具体的实施例中，所述稳压介质注入系统包括电连接的气压控制装置15和压力泵12，所述气压控制装置15能够控制所述压力泵12启动以及输送压力；所述压力泵12连通有通向所述测试孔眼5的介质管路，所述介质管路上设置有用于控制所述介质管路开闭的控制阀16。

为了便于试验过程中稳压介质的反向回流，在本实施方式中，所述稳压介质注入系统还包括稳压介质罐11，所述稳压介质罐11与所述介质管路连通，用于接收从所述测试孔眼5回流的稳压介质。稳压介质的反向回流是在压裂液注入系统向测试孔眼5内注入压裂液的时候开始发生，随着压裂液的不断注入，测试孔眼5内原有的稳压介质通过介质管路流向稳压介质罐11内。稳压介质的流向可以通过设置多个控制阀16来实现，具体地，在通向压力泵12和稳压介质罐11的分支介质管路上分别设置控制阀16，然后在主干介质管路上再设置一控制阀16。通过调节各个制阀16的开闭状态即可实现介质流向的控制。

在本实施方式中，所述压裂液注入系统包括连通的控温液罐17和液压控制系统19，所述液压控制系统19连接有输送管路，所述输送管路通向所述测试孔眼5内，所述输送管路上设置有流体流动控制阀20，所述控温液罐17设置有温度计18。在输送管路上还可以设置压力表，以便于检测管路的输送压力。其中，压裂液可以采用水。

本实施方式还提供一种干热岩水力压裂破裂压力测试试验方法，并采用本实施方式提供的干热岩破裂压力测试试验装置进行试验，参阅图3，所述试验方法包括以下步骤：

S1，将岩样放置于岩样加载系统内，并设置用于监测所述岩样的力学参数的声发射监测装置；这里所述的力学参数包括岩样破裂过程中所发出的振动波(微小声现象)等可检测信号，声发射监测装置可选用本实施方式所提供的干热岩破裂压力测试试验装置中的声发射监测装置；

S2，控制所述岩样加载系统对所述岩样加热和施加围压，同时向所述岩样的测试孔眼内输送稳压介质，记录该过程中所述声发射监测装置检测的力学参数；输送稳压介质的目的是保证所述岩样稳定，避免测试孔眼提前开裂，其中，加热和施加围压的速度与通入测试孔眼内稳压介质的量成正比，即加压速度越快，则稳压介质的输送量越大，从而保证岩样不提前发生裂缝；

S3，当所述岩样达到预设温度和预设压力时，保持该温度和压力状态，同时停止向所述测试孔眼内输送稳压介质，记录该过程所对应的力学参数；这里所述的预设温度和预设压力为真实地下岩层的温度和压力，具体值根据试验要求而定；

S4，打开压裂液注入系统，向所述测试孔眼内输送压裂液，所述测试孔眼内的稳压介质随着所述压裂液的注入被输出，记录该过程所对应的力学参数；

S5，所述压裂液达到预设注入量后关闭所述压裂液注入系统，记录该过程所对应的力学参数。

上述方法可根据本实施方式所提供的干热岩破裂压力测试试验装置进行实施，也可以按照上述步骤，采用能实现其功能的其他装置。

上述步骤中记录声发射监测装置检测的数据为一个持续的过程，数据记录贯穿整个试验过程，没有间断时间，数据记录不随步骤的间断而间断记录，其中对于S1，可以根据需要采集并记录发射监测装置检测的数据。

在步骤S3中，“当达到预设温度和预设压力时，保持该温度和压力状态”是指不再增加围压，不再增加温度值，使加载环境(压力和温度)保持稳定，更真实的模拟地下岩层的真实环境。在步骤S3中，预设注入量根据所设计的测试孔眼的大小确定，以保证整个试验在预设注入量达到之前或者达到时，岩样的最大破裂压力值已经产生。考虑到岩样在被压裂后，产生了裂缝，压裂液会流入裂缝，因此通常预设注入量大于测试孔眼的容积，例如可以设计预设注入量为测试孔眼容积的1.5-2倍，当预设注入量完全注入，说明岩样也必然已经产生了裂缝，岩样的最大破裂压力值也必然已经产生。所记录的S2-S5过程中声发射监测装置检测的数据为一系列数据，数据量由声发射监测装置检测的检测频率和检测时间决定。

其中，所述岩样采用以下方法制备：采集符合试验要求的干热岩岩石，并按预设的形状和尺寸进行切割；在切割后的干热岩岩石上加工测试孔眼，形成预选岩样；对预选岩样的裂缝状况进行检测，保留符合要求的预选岩样作为后期用于试验的岩样。在切割后的干热岩岩石上加工测试孔眼的方法包括：在干热岩岩石表面的几何中心钻制预设尺寸的测试孔眼，钻制过程中控制钻速和钻压，并采用降温液实时降低钻孔温度，以使测试孔眼内流出液体温度不超过40℃。

较佳的，在S2中，控制岩样加载系统对岩样持续加热的升温速度控制在1℃/min以内；在S3之后，保持该温度和压力状态稳定预设时间以后再执行S4。这些方法可以避免岩样在压裂液注入前发生裂缝，提高了岩样的稳定性。

为了更详细的介绍本实施方式提供的试验方法，本实施方式给出以下实施例，该实施例采用本实施方式提供的干热岩破裂压力测试试验装置进行实施，具体步骤如下：

1.采集符合试验要求的干热岩岩石，并切割满足加载尺寸的300mm×300mm×300mm的试验岩岩石，岩样切割后需目测表面完整性，无明显宏观天然裂缝和显著的岩性变化。

2.选择在试验岩岩石表面的几何中心钻制一个直径为50mm和深度为200mm的测试孔眼。钻制过程中需控制钻速和钻压，并且用20℃的温水实时降低钻孔温度，避免钻孔产生破坏，并用红外线温度测量仪监测流出液体温度，控制液体温度不超过40℃。

3.通过目测观察测试孔眼5内壁表面浅层无明显裂纹和岩屑脱落，再采用电子计算机断层扫描技术(Computed Tomography)确保在岩样制备过程中不会在测试孔眼附近产生长度超过5mm的裂缝，具体地，通过CT扫描技术，用以监测钻孔后在孔眼深部(目测不能及)和岩样内部(钻孔过程高温造成内部破坏)的微小破坏裂缝。确保检测后的岩样完整后，方可用于后面的试验。

4.将岩样用6块加载板1夹持，放入试验平台内。将介质管路接入测试孔眼5内。温度传感器13也接入测试孔眼5内。将液压伺服控制系统9与三个方向上的加载缸4相连接，对岩样施加不同的围压条件，模拟不同的地应力情况，其中，声发射探头22实际上是在加载板1上，在用加载板1夹持岩样时声发射探头22已经就位。声发射探头22的目的就是探测在裂缝形成过程中产生的相关应力参数(声发射现象)，因此是先声发射探头22，再加压。

5.声发射探头22放置在声发射监测孔21内，声发射探头22与岩样表面接触。加载板1外部通过试验盒加温层2和试验盒保温层3对整个岩样实施温度控制。

6.在温度和围压加载过程前，首先关闭液体流动控制阀20，开启控制阀16。然后温度和围压采用同时加载的方式，更为准确的表征岩石的沉积环境变化过程，最终达到实际地层的环境状态。

7.围压加载过程中，同时将高压气体泵入测试孔眼5，监测和控制气体压力高于测试孔眼5在围压下的坍塌压力，直至达到围压目标值，并保持气体压力稳定。加载过程中，压力泵12注入的高压气压也不能高于测试孔眼5在围压下的破裂压力。控制试验盒加热层2温度以1℃/min的速度升高至目标参数，避免升温过快导致岩样迅速膨胀破坏。

8.当温度、围压和平衡气压到达目标值后，保持各参数稳定5min。

9.采用清水作为压裂液试验介质，以恒温的方式提前储集在控温液罐17中，将其用液压控制系统19通过液体流动控制阀20注入至测试孔眼5。注入低温压裂液实现热效应的过程中，可关闭气体流动控制阀16。泵注20ml压裂液，注入压力需低于岩样破裂压力。若在注入过程中，测试孔眼内压力迅速上升，则开启气体流动控制阀16排出之前泵注在预置孔眼5中的气体，使测试孔眼5内的压力始终低于破裂压力和高于坍塌压力。当低温压裂液与高温岩样孔眼壁接触，通过热效应降低岩石力学强度和诱发产生微小裂缝。

10.当注入20ml压裂液后，稳定2min，实现充分热交换。再继续注入压裂液30ml，逐渐压开测试孔眼5，并获得破裂压力值。

11.整个温度、围压加载过程，热效应过程和破裂过程均对各个温度表和压力表采用1s时间间隔进行数据采集。声发射设备数据采集的时间间隔也是1s。

12.关闭液压伺服控制系统9、气压控制系统15和液压控制系统19，打开放空阀8并卸载围压，最后关闭声发射监测系统10和温度监测装置14。

13.将试验结束后的岩样取出，拍照记录岩样外观。然后将其再用电子计算机断层扫描技术(Computed Tomography)，对比破裂前后的岩样内部发生的破坏现象，并分析破裂机理和裂缝延伸尺寸。再将岩样剖开，在测试孔眼壁和破裂位置切割薄片，用扫描电镜观察在热效应效应影响下的岩石微观结构变化。

在上述实施例中，本领域技术人员可以根据实际的试验需求适当调整相关参数。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种干热岩破裂压力测试试验装置，其特征在于，包括：岩样加载系统、稳压介质注入系统和压裂液注入系统；

所述岩样加载系统用于对岩样施加围压并加热，所述岩样开设有测试孔眼(5)；所述岩样加载系统设置有用于监测所述岩样破裂过程中所发出的振动波的声发射监测装置；

所述稳压介质注入系统与所述测试孔眼(5)连通，用于向所述测试孔眼(5)内注入稳压介质；

所述压裂液注入系统与所述测试孔眼(5)连通，用于向所述测试孔眼(5)内注入压裂液。

2.根据权利要求1所述的干热岩破裂压力测试试验装置，其特征在于，所述稳压介质注入系统包括电连接的气压控制装置(15)和压力泵(12)，所述气压控制装置(15)能够控制所述压力泵(12)启动以及输送压力；所述压力泵(12)连通有通向所述测试孔眼(5)的介质管路，所述介质管路上设置有用于控制所述介质管路开闭的控制阀(16)。

3.根据权利要求2所述的干热岩破裂压力测试试验装置，其特征在于，所述稳压介质注入系统还包括稳压介质罐(11)，所述稳压介质罐(11)与所述介质管路连通，用于接收从所述测试孔眼(5)回流的稳压介质。

4.根据权利要求1所述的干热岩破裂压力测试试验装置，其特征在于，所述岩样加载系统还设置有用于监测所述测试孔眼(5)内温度的温度监测装置(14)，所述温度监测装置(14)的温度传感器(13)设置于所述测试孔眼(5)内。

5.根据权利要求1所述的干热岩破裂压力测试试验装置，其特征在于，岩样加载系统包括试样加载装置和液压伺服控制系统(9)，所述试样加载装置用于对岩样施加围压并加热，所述试样加载装置和所述液压伺服控制系统(9)通过液压管路连接，所述液压管路上设置有控制阀(6)、压力表(7)以及放空阀(8)。

6.根据权利要求1所述的干热岩破裂压力测试试验装置，其特征在于，所述压裂液注入系统包括连通的控温液罐(17)和液压控制系统(19)，所述液压控制系统(19)连接有输送管路，所述输送管路通向所述测试孔眼(5)内，所述输送管路上设置有流体流动控制阀(20)，所述控温液罐(17)设置有温度计(18)。

7.一种干热岩水力压裂破裂压力测试试验方法，其特征在于，所述试验方法包括以下步骤：

S1，将岩样放置于岩样加载系统内，并设置用于监测所述岩样的力学参数的声发射监测装置；

S2，控制所述岩样加载系统对所述岩样加热和施加围压，同时稳压介质注入系统向所述岩样的测试孔眼内输送稳压介质，记录该过程中所述声发射监测装置检测的力学参数；

S3，当所述岩样达到预设温度和预设压力时，保持该温度和压力状态，同时停止向所述测试孔眼内输送稳压介质，记录该过程所对应的力学参数；

S4，打开压裂液注入系统，向所述测试孔眼内输送压裂液，所述测试孔眼内的稳压介质随着所述压裂液的注入被输出，记录该过程所对应的力学参数；

S5，所述压裂液达到预设注入量后关闭所述压裂液注入系统，记录该过程所对应的力学参数。

8.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于，所述岩样采用以下方法制备：

采集符合试验要求的干热岩岩石，并按预设的形状和尺寸进行切割；

在切割后的干热岩岩石上加工测试孔眼，形成预选岩样；

对预选岩样的裂缝状况进行检测，保留符合要求的岩样。

9.根据权利要求8所述的试验方法，其特征在于，在切割后的干热岩岩石上加工测试孔眼的方法包括：在干热岩岩石表面的几何中心钻制预设尺寸的测试孔眼，钻制过程中控制钻速和钻压，并采用降温液实时降低钻孔温度，以使测试孔眼内流出液体温度不超过40℃。

10.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于，在S2中，控制岩样加载系统对岩样持续加热的升温速度控制在1℃/min以内；

在S3之后，保持该温度和压力状态稳定预设时间以后再执行S4。

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