一種裂縫動態縫寬模擬系統及方法
【專利摘要】本發明涉及一種裂縫動態縫寬模擬系統及方法，包括壓力機、彈簧盤及巖心夾持器，在壓力機的上壓板與下壓板之間同軸放置巖心夾持器，在巖心夾持器內嵌裝巖心，在巖心夾持器的前部通過管路依次連接中間容器及驅替泵，在巖心夾持器的后部通過管路依次連接回壓閥及液體計量器，在巖心夾持器與壓力機上壓板之間同軸安裝一彈簧盤，在彈簧盤的底部巖心夾持器的兩側各對稱安裝一位移傳感器，當巖心中的流體壓力增大時，彈簧盤與巖心被壓縮產生一定形變使裂縫張開，可通過位移傳感器進行檢測。本發明可以動態的監測到兩巖心之間的裂縫寬度變化值，結構設計科學合理，測量的數據準確度高。
【專利說明】一種裂縫動態縫寬模擬系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于石油與天然氣工程領域，涉及油氣田開采技術的室內實驗評價，尤其 是一種裂縫動態縫寬模擬系統及方法。
【背景技術】
[0002] 在油氣儲層鉆井和壓裂技術中，地面高壓泵向地層中注入工作液，具有一定流動 壓力的工作液迫使地層巖石中的天然裂縫張開，并且發生濾失。工作液濾失的關鍵是在地 層應力條件下，具有一定流動壓力的工作液迫使巖石裂縫張開，從而進入裂縫內部。
[0003] 地層巖石中的裂縫模擬常規實驗方法是將巖塊加工成相互對應的兩塊巖心，放入 巖心夾持器中，將夾持器置于壓力機的上下兩塊夾板之間，利用壓力機加壓使對應兩塊巖 心之間的縫隙在一定的閉合應力條件下發生閉合，在巖心夾持器前端設置驅替以一定的流 量驅替液體，記錄巖心夾持器前后兩端的壓力，獲得模擬巖心裂縫的導流能力。該法主要用 于模擬裂縫發生閉合時產生的導流能力，無法模擬隨著液體壓力增加，地層裂縫的張開特 征。
[0004] 通過檢索，發現如下三篇公開的專利文獻：
[0005] 1、一種清水壓裂自支撐裂縫導流能力測試方法（CN102174883A)，把制備好的巖芯 試件放入巖芯夾持系統，模擬地層應力和溫度環境，設置并發出控制指令，各系統動作并反 饋信號，最終收集測試結果，計算并得到清水壓裂自支撐裂縫導流能力。該發明能夠反映清 水壓裂過程裂縫拉伸破壞和剪切滑移過程，并還原到地下賦存的壓力環境和溫度環境測試 其導流能力，與本發明所解決的技術問題不同。
[0006] 2、一種水力壓裂效果研究模擬器（CN102606125A)，包括一模擬室，支撐劑填充層 位于模擬室中央，支撐劑填充層上下由巖芯板夾持，巖芯板周圍套有橡皮套，上下巖芯板另 一表面分別與上活塞和下活塞及套在上下活塞上的方型密封圈接觸，上活塞中開有3組上 濾液出口 /油氣進口，下活塞中也開有3組下濾液出口 /油氣進口，模擬室左右兩面開有測 試進出口孔，模擬室前面開有壓差輸出口，壓差輸出口正對支撐劑填充層的前面中央，模擬 室上還開有加熱的長孔和溫度測量孔，該發明能同時模擬水力壓裂中壓裂裂縫、地層巖石、 壓裂液濾失、壓裂液對支撐裂縫和地層污染、石油或天然氣及其攜帶物流經污染地帶和支 撐裂縫，用于分析研究水力壓裂效果。
[0007] 3、一種水力壓裂破裂過程模擬的室內裝置（CN201724868U)，是室內模擬地層條件 下巖石在液體壓力下破裂過程的測試裝置。這種水力壓裂破裂過程模擬的室內裝置包括方 形的承壓體，承壓體內部是承壓腔，三個正交的加載機構的壓力板均伸入到承壓腔中，承壓 體的一側連接外承壓體，外承壓體內部是外承壓室，承壓腔與外承壓室相通，承壓腔與外承 壓室之間安裝導軌，試樣小車在導軌上，試樣小車上安裝有壓力板和固定承壓柱，壓力板和 固定承壓柱上有連通的注液通道，注液通道與承壓腔相通。該裝置能夠在室內模擬深部地 層壓力、溫度環境，及進行水力壓裂巖石過程，直觀地再現水力壓裂巖石的斷裂形態，分析 不同圍壓下巖石裂縫幾何形態。
[0008] 上述專利與本發明申請在結構及方法上有本質的區別。
【發明內容】
[0009] 本發明的目的在于克服現有技術的不足之處，提供一種裂縫動態縫寬的模擬系統 及方法，可用于評價鉆井液或壓裂液向地層裂縫濾失過程中，裂縫寬度的動態變化特征，以 測定在不同液體類型及注入壓力條件下巖石裂縫的動態縫寬以及導流能力。
[0010] 本發明解決技術問題所采用的技術方案是：
[0011] 一種裂縫動態縫寬模擬系統，包括壓力機、壓力機下壓板、壓力機上壓板及巖心夾 持器，在壓力機的上部同軸安裝壓力機下壓板，在壓力機下壓板的上方對應下壓板同軸安 裝壓力機上壓板，在壓力機上壓板與壓力機下壓板之間的下壓板的頂部同軸安裝巖心夾持 器，在巖心夾持器內嵌裝巖心，在巖心夾持器的前部通過管路依次連接中間容器及驅替泵， 在巖心夾持器的后部通過管路依次連接回壓閥及液體計量器，在巖心夾持器與壓力機上壓 板之間同軸安裝一彈簧盤，在彈簧盤的底部巖心夾持器的兩側各對稱安裝一位移傳感器。
[0012] 而且，所述的彈簧盤由若干個材質、彈簧絲直徑和自由長度相同的彈簧組成，按彈 簧中徑由大到小的順序依次嵌套組成。
[0013] 一種裂縫動態縫寬的模擬方法，步驟如下：
[0014] ⑴將地層巖石加工成相互對應的兩塊巖心，放入巖心夾持器中；
[0015] ⑵啟動壓力機固定巖心夾持器及彈簧盤，并且壓縮彈簧盤產生模擬地層情況的應 力特征，設置此時位移傳感器數值為零點；
[0016] ⑶在中間容器中注入清水，開啟驅替泵，直至計量器中監測到清水流出，停止驅 替，調節回壓閥至設定壓力；
[0017] ⑷在中間容器中注入工作液，開啟驅替泵，監測壓裂液的流量、巖心夾持器的前端 壓力及位移傳感器的位移值，根據位移值變化可判斷夾持器中兩塊巖心之間的縫寬變化情 況。
[0018] 本發明的優點和積極效果是：
[0019] 1、本發明通過在巖心夾持器與壓力機上壓板之間同軸安裝彈簧盤，并且在彈簧盤 的底部巖心夾持器的兩側對稱安裝位移傳感器，根據彈簧常數中應力與應變的關系，模擬 地層應力變化導致的巖石形變，可以動態的監測到兩巖心之間的裂縫寬度變化值，結構設 計科學合理，測量的數據準確度高。
[0020] 2、本發明利用不同組合方式下的彈簧應變特征模擬地層應力條件下巖石受流體 作用時的應變特征，可測試在注入流體壓力變化的過程中，天然裂縫縫寬的動態變化情況。
[0021] 3、本發明是為了檢測地層裂縫寬度變化而專門設計的系統及方法，填補了國內相 關檢測領域的空白，具有較高的創造性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022] 圖1為本系統的連接關系框圖；
[0023] 圖2為不同回壓壓力下縫寬值；
[0024] 圖3為不同回壓壓力下導流能力值；
[0025] 圖4為導流能力變化值與縫寬變化值關系圖。
【具體實施方式】
[0026] 下面結合附圖并通過具體實施例對本發明作進一步詳述，以下實施例只是描述性 的，不是限定性的，不能以此限定本發明的保護范圍。
[0027] -種裂縫動態縫寬模擬系統，包括壓力機5、壓力機下壓板4、壓力機上壓板3及巖 心夾持器9,在壓力機的上部同軸安裝壓力機下壓板，在壓力機下壓板的上方對應下壓板同 軸安裝壓力機上壓板，在壓力機上壓板與壓力機下壓板之間的下壓板的頂部同軸安裝巖心 夾持器，在巖心夾持器內嵌裝巖心8,在巖心夾持器的前部通過管路依次連接中間容器2及 驅替泵1，在巖心夾持器的后部通過管路依次連接回壓閥10及液體計量器11。
[0028] 本發明的創新點在于：
[0029] (1)在巖心夾持器與壓力機上壓板之間同軸安裝一彈簧盤6,在彈簧盤的底部巖 心夾持器的兩側各對稱安裝一位移傳感器7。所述的彈簧盤由若干個材質、彈簧絲直徑和自 由長度相同的彈簧組成，按彈簧中徑由大到小的順序依次嵌套組成。利用不同數量及大小 彈簧絲組成的彈簧盤模擬地層應力條件下的巖石應力應變特征；
[0030] (2)在驅替系統中加入回壓閥，可控制巖石裂縫中的流體壓力，進而可監測不同流 體壓力下巖石裂縫的張開情況。
[0031] 本發明的工作原理是：
[0032] 不同數量與不同彈簧中徑的彈簧并聯相組合可形成不同彈簧常數的彈簧盤，根據 彈簧常數中應力與應變的關系，模擬地層應力變化導致的巖石形變。當工作液通過巖心時， 隨著液體壓力的增加，兩個巖心之間的裂縫寬度逐漸增加，通過位移傳感器可以檢測兩個 巖心之間的動態縫寬變化。
[0033] 本發明采用的工裝均為本領域的常規裝置，因此沒有具體描述其結構。
[0034] 一種裂縫動態縫寬的模擬方法，步驟如下：
[0035] ⑴將地層巖石加工成相互對應的兩塊巖心，放入巖心夾持器中；
[0036] ⑵啟動壓力機固定巖心夾持器及彈簧盤，并且壓縮彈簧盤產生模擬地層情況的應 力特征，設置此時位移傳感器數值為零點；
[0037] ⑶在中間容器中注入清水，開啟驅替泵，直至計量器中監測到清水流出，停止驅 替，調節回壓閥至設定壓力；
[0038] ⑷在中間容器中注入工作液，開啟驅替泵，監測壓裂液的流量、巖心夾持器的前端 壓力及位移傳感器的位移值，根據位移值變化可判斷夾持器中兩塊巖心之間的縫寬變化情 況。
[0039] 測定不同回壓壓力（流體壓力）條件下的縫寬值，結果如圖2所示。
[0040] 同時可獲得不同回壓壓力條件下的導流能力值，結果如圖3所示。
[0041] 根據裂縫導流能力定義可知裂縫導流能力等于裂縫滲透率與裂縫縫寬的乘積，設 裂縫滲透率在一定縫寬下不發生大變化，那么裂縫導流能力變化值應與裂縫寬度變化值呈 線性關系。實例結果如圖4所示，可以看出該法獲得的縫寬變化值與裂縫導流能力變化值 有較好的線性關系，說明該法獲得縫寬值較準確。
【權利要求】
1. 一種裂縫動態縫寬模擬系統，包括壓力機、壓力機下壓板、壓力機上壓板及巖心夾持 器，在壓力機的上部同軸安裝壓力機下壓板，在壓力機下壓板的上方對應下壓板同軸安裝 壓力機上壓板，其特征在于：在壓力機上壓板與壓力機下壓板之間的下壓板的頂部同軸安 裝巖心夾持器，在巖心夾持器內嵌裝巖心，在巖心夾持器的前部通過管路依次連接中間容 器及驅替泵，在巖心夾持器的后部通過管路依次連接回壓閥及液體計量器，在巖心夾持器 與壓力機上壓板之間同軸安裝一彈簧盤，在彈簧盤的底部巖心夾持器的兩側各對稱安裝一 位移傳感器。
2. 根據權利要求1所述的裂縫動態縫寬模擬系統，其特征在于：所述的彈簧盤由若干 個材質、彈簧絲直徑和自由長度相同的彈簧組成，按彈簧中徑由大到小的順序依次嵌套組 成。
3. -種采用權利要求1所述的裂縫動態縫寬模擬系統進行裂縫動態縫寬的模擬方法， 其特征在于：步驟如下： ⑴將地層巖石加工成相互對應的兩塊巖心，放入巖心夾持器中； ⑵啟動壓力機固定巖心夾持器及彈簧盤，并且壓縮彈簧盤產生模擬地層情況的應力特 征，設置此時位移傳感器數值為零點； ⑶在中間容器中注入清水，開啟驅替泵，直至計量器中監測到清水流出，停止驅替，調 節回壓閥至設定壓力； ⑷在中間容器中注入工作液，開啟驅替泵，監測壓裂液的流量、巖心夾持器的前端壓力 及位移傳感器的位移值，根據位移值變化可判斷夾持器中兩塊巖心之間的縫寬變化情況。
【文檔編號】G01N3/12GK104122147SQ201410390725
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年8月11日 優先權日:2014年8月11日
【發明者】盧淵, 李成勇, 吳元琴, 周珺, 韓旭, 張紫薇, 車星祥 申請人:盧淵, 李成勇, 吳元琴