水力压裂实验装置及高温高压水力压裂教学实验的设计_刘俊新.pdf
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1、 实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 2 期 2023 年 2 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.2 Feb.2023 收稿日期:2022-08-06 基金项目:“十三五”国家重点研发计划项目(2017YFC0804600);中国石化石油勘探开发研究院委托科研项目(2019ZH00363)作者简介:刘俊新(1976),男,江西福安,博士后,教授,主要研究方向为岩土工程与防护工程研究,。通信作者:尹彬瑞(1998),男,云南保山,硕士,主要研究方向为岩土力学研究工作,。引文格式:刘俊新,邓智富,刘育田,等.水力压裂实验
2、装置及高温高压水力压裂教学实验的设计J.实验技术与管理,2023,40(2):187-193.Cite this article:LIU J X,DENG Z F,LIU Y T,et al.Design of hydraulic fracturing experimental apparatus and high-temperature and high-pressure hydraulic fracturing teaching experimentsJ.Experimental Technology and Management,2023,40(2):187-193.(in Chines
3、e)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.02.032 水力压裂实验装置及高温高压水力 压裂教学实验的设计 刘俊新1,邓智富1,刘育田1,李军润1,2,尹彬瑞1(1.西南科技大学 土木工程与建筑学院 工程材料与结构冲击振动四川省重点实验室,四川 绵阳 621010;2.中国工程物理研究所 总体工程研究所,四川 绵阳 621010)摘 要:提出一种实时高温高压条件下测定岩石断裂韧性的方法及水力压裂实验装置。利用该装置采用预制裂纹岩样进行了水力压裂实验,得到页岩泵压曲线,并基于断裂力学理论测定了页岩的断裂韧性。在以往水力压裂装置和测
4、定方法基础上,揭示了不同埋深条件下页岩泵压曲线、破裂压力和破坏模式的演化规律,计算得到了页岩的断裂韧性。该装置操作简单,原理清晰,大大丰富了岩石力学实验教学内容。关键词:高温高压;岩石力学;断裂韧性;岩石破坏;试验教学 中图分类号:TU458+.3;G642.0 文献标识码:A 文章编号:1002-4956(2023)02-0187-07 Design of hydraulic fracturing experimental apparatus and high-temperature and high-pressure hydraulic fracturing teaching experi
5、ments LIU Junxin1,DENG Zhifu1,LIU Yutian1,LI Junrun1,2,YIN Binrui1(1.Shock and Vibration of Engineering Materials and Structures Key Laboratory of Sichuan Province,School of Civil Engineering and Architecture,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China;2.General Engineering
6、Research Institute,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621010,China)Abstract:In this study,a method for measuring rock fracture toughness under real-time high-temperature and high-pressure conditions and a hydraulic fracturing experimental apparatus are proposed.By using this apparatus,the
7、 pre-cracked rock sample was used for hydraulic fracturing experiment to obtain the shale pumping pressure curve,and the fracture toughness of shale was measured based on the theory of fracture mechanics.On the basis of previous hydraulic fracturing apparatus and measuring methods,the evolution law
8、of shale pumping pressure curve,fracture pressure and failure mode under different burial depths is revealed,and the fracture toughness of shale is calculated.The apparatus is simple to operate and clear in principle,which greatly enriches the experimental teaching content of rock mechanics.Key word
9、s:high temperature and high pressure;rock mechanics;fracture toughness;rock failure;experimental teaching 由于巨大的能源需求,我国的能源对外依存度持续上升,能源安全已成为影响我国安全而亟待解决的问题1。页岩气是一种清洁高效的非常规天然气资源,其开发和利用对于缓解我国的能源紧缺意义重大。但我国的页岩储层埋藏深度较大(3 500 m),构造条件复杂,有关浅部页岩气开采的相关理论和技术并不能188 实 验 技 术 与 管 理 直接应用2。因此,要想实现页岩气的商业化开采,就必须充分认识和了解深部
10、页岩储层的水力压裂性能。断裂韧性是评价页岩储层水力压裂性能的重要指标3,在实际油田压裂工程中,反映的是油气储层有效开采的难易程度,以及水力裂缝形成后继续向前扩展的能力。页岩储层断裂韧性4越小,脆性越大,所形成的水力裂缝越容易向前延伸,从而有利于页岩储层的压裂改造,但同时又不利于页岩气的储存。储层韧性过大则易使高围压下的裂缝发生闭合,从而导致水力压裂时的可压裂性较差。因此,建立准确的断裂韧性计算方法,揭示页岩力学性质随地层的演化机制至关重要。目前,岩石断裂韧性的获取主要有两种方法,一是借助岩石力学实验(巴西圆盘实验或三点弯法),直接得到断裂韧性值5。其中,巴西圆盘实验测试数据离散性较大,难以保证
11、理想的中心起裂,在加载过程中,应力集中点的首先破坏造成加载载荷降低,而只有试件中心首先起裂才符合巴西圆盘测试断裂韧性的弹性力学理论。对于三点弯法,在实验过程中施加很小的载荷试样就会断裂,需要大量完整的岩心制作试样,稳定裂纹扩展阶段短暂,且需要对测试结果做非线性校正,测试结果比实际断裂韧性偏高。另一种方法是建立断裂韧性值与其他力学指标之间的函数关系,再根据函数关系对岩石的断裂韧性进行预估6。Nasseri 等7统计分析了岩石断裂韧性与岩石基本物理力学指标的相关性,认为除泊松比外,岩石的断裂韧性与硬度指数及相关物理力学性质之间具有较好的相关性。陈勉等8建立了断裂韧性与围压的函数关系,金衍等9建立了
12、利用测井资料预测断裂韧性的模型。这些研究大多是为了解决矿山工程中的挖掘及岩石破碎等问题对地表或近地表岩石的测试结果,并不适用于对石油工程深部地层断裂韧性的预测。此外本文作者认为,在深部地层条件下,高温对岩体力学性质的影响不容忽略,高地应力和高地温条件下深部岩体的塑性失稳与普通环境条件下的情况存在巨大差别,而目前少有关于岩石材料在高温条件下断裂韧性的研究报道。因此,亟需研究一种实时高温高压条件下页岩断裂韧性的测量装置10-11。为了实现对深部岩层断裂韧性的研究,本文自主设计改造了一种水力压裂实验装置。该装置能够很好地模拟深部地层环境,进而得到深部岩层的断裂韧性,同时能够揭示页岩的破坏模式以及裂缝
13、的扩展分布规律12。本文还利用该装置设计了 6 组不同条件下的高温高压水力压裂实验。1 水力压裂实验装置 水力压裂实验装置如图 1 所示。主要由温度控制系统、伺服控制系统、岩石内部增压系统和压力室四部分组成。温度控制系统主要通过加热棒对压力室内部油源进行加热,通过液压油将热量传递给岩石,并通过温度传感器实时监测压力室的内部温度变化,以保证实验的准确性,温度误差为2.5%。伺服控制系统主要通过伺服仪为压力室内部增加径向围压,为页岩样品施加竖向荷载,并通过位移传感器进行调控。图 1 实验装置 岩石内部增压系统主要由超高压手动泵和应变采集系统阻成。通过超高压手动泵将液压油注入岩石内孔,在岩石内孔中憋
14、起高压,以使试样从内部沿预制裂纹撑开。应变采集系统用来对岩石内部的孔压变化进行记录。压力室是水力压裂实验的核心部分,岩石样品、位移传感器、温度传感器、加热棒等均包含其中(见图 2)。通过在底座钻孔,将加热棒与温度传感器外接于温度 刘俊新,等:水力压裂实验装置及高温高压水力压裂教学实验的设计 189 控制系统,并通过孔压输入端连接至岩石内部增压系统。导杆的作用是固定岩样,防止岩石在受压过程中发生偏移形成偏心受压,影响实验结果。此外,由于压力室内部为高温高压环境,为了保证实验的密封性,使用淬火后的铜环将加热棒和温度传感器底端与压力室底座之间进行密封,同时使用耐高温氟胶 O 型圈对注油孔和出油管道进
15、行密封。图 2 压力室内部结构图 2 岩样制备 在实际开采过程中,水力压裂的原理为,通过在井底憋起高压,穿破地层,产生水力主缝,连接天然裂缝,沟通页岩气储层,从而实现对页岩气的开发。本实验的实验原理为,通过在岩样内孔中憋起高压,使预制裂纹在张拉力作用下不断向前延伸,最终导致岩样失效,这与实际的页岩气开采原理十分相似,因而具有很好的工程意义。这里对岩石样品的加工与常规的三轴压缩实验不同,尤其要注意对岩石两端的密封作用,以便保证岩石样品由内部沿预制裂纹发生破坏。实验所用的页岩样品取自绵阳市安县,属于志留系龙马溪组页岩。页岩样品的制作过程如下。(1)首先将页岩加工为直径为50 mm、高度为100 m
16、m的标准岩样。(2)在岩样中心钻取直径 D 为 4 mm 的贯穿孔,并通过线割法沿贯穿孔两侧切割出两条对称的预制裂纹,裂纹长度 L 为 2 mm。(3)将环氧树脂与水泥砂浆按 11 比例配置成耐高温胶,并将上压片、下压头和页岩样品进行密封,防止页岩样品内孔中的页岩油从两端漏出,同时保证页岩样品上压片保持水平,防止页岩样品偏心受压而影响实验结果。岩样示意图如图 3 所示。(4)将用耐高温胶密封后的岩石样品放置在烘箱中,温度调至 30,烘制时间为 48 h,保证耐高温胶充分凝固。(5)将岩样取出,页岩样品制作完成。图 3 岩样示意图 3 实验操作步骤 页岩样品制作完成后即可进行水力压裂实验,实验操
17、作步骤如下。(1)将制备好的页岩样品装入压力室内部,套上热缩管,使用热风枪使热缩管均匀收缩与岩样紧密贴合,并用耐高温氟胶 O 型圈进行固定。(2)打开伺服控制系统,将液压油注满压力室,打开加热装置,设置预加热温度,当温度达到预设温度时,继续保温 1 h,使岩样受热均匀。190 实 验 技 术 与 管 理 (3)关闭温度加热系统,再通过液压伺服仪施加围压,待达到预定围压后,施加一定的轴向压力,使轴压稳定在 15 MPa 左右,以防止内部孔中的液压油从端部露出。(4)通过操纵超高压手动泵将液压油注入岩样内部,逐渐增加泵压直至泵压突然降低,然后停止增加泵压,待泵压稳定至围压附近时,停止实验,第一次水
18、力压裂实验结束。(5)打开超高压手动泵阀门,使泵压值降至 0,对应变采集系统进行调零,重复进行步骤(3)和步骤(4),进行第二次水力压裂实验和第三次水力压裂实验。待三次压裂实验完成后,将轴压降为 0,再将围压降为 0,关闭伺服仪,关闭应变采集系统,实验结束。4 实验方案和实验结果 4.1 实验方案 景锋13对我国不同埋藏深度下的岩层的应力水平进行了统计,包括自重应力V、最大水平应力H和最小水平应力h,其中埋藏深度 06 000 m 内的应力水平如下:V0.0271H=(1)H0.02166.7808H=+(2)h0.018 22.2328H=+(3)式中,H 为埋藏深度。谢和平等14指出,随着
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