原位CT-光学双重可视化的压裂-渗流实验装置及方法

本发明涉及岩石力学和渗流力学实验仪器，具体为原位ct-光学双重可视化的压裂-渗流实验装置及方法。

背景技术：

1、水力压裂技术是煤层气、页岩气、石油等非常规油气开发中的核心手段，深入探究储层岩石在真实三向应力状态下的裂缝起裂机制、扩展规律及压裂液/气体的渗流特征，对优化压裂工艺、提高油气采收率具有重要的理论意义和工程价值。实验室尺度下利用真三轴实验装置模拟地层环境开展压裂测试，是揭示上述机理的主要途径。

2、现有真三轴水力压裂实验装置主要分为两类：一类是传统金属高压釜式装置，虽能施加高围压、高温，模拟深部地层的应力环境，但釜体为不透明金属结构，无法直接观测裂缝的起裂和动态扩展过程，仅能通过声发射信号或实验后对试样的拆解观测进行过程推测，缺乏对裂缝演化的直观认识，关键动态信息缺失；另一类是透明可视装置，通常采用高强度玻璃或有机玻璃作为观测窗口，结合高速摄像机和数字图像相关技术实现表面裂缝的二维观测，但无法获取试样内部的裂缝三维空间形态及复杂网络演化特征，难以全面揭示压裂裂缝的发展规律。

3、随着x射线计算机断层扫描（ct）技术在岩石力学实验中的应用，传统工业或医用ct设备被尝试用于岩石内部结构观测，但存在诸多技术瓶颈：其一，传统单源ct扫描系统完成一次三维成像需旋转360°，扫描周期长，时间分辨率低，难以在岩石压裂起裂的瞬时捕捉到清晰的内部三维裂缝形貌；其二，ct扫描对金属屏蔽要求严格，现有真三轴加载装置的金属加载板、压头会严重阻挡x射线，产生强烈的金属伪影，导致ct成像质量不佳；其三，ct扫描单元多为独立外部设备，套设于加载装置外侧，整体体积庞大，且旋转中心与试样中心难以重合，易产生机械震动，进一步降低成像精度。

4、此外，现有真三轴可视化装置大多仅关注力学加载功能，缺乏对含气（瓦斯）储层的气-液-固耦合渗流环境的模拟能力，无法真实还原深部煤岩在瓦斯、地层水、地应力共同作用下的压裂响应，也难以实现压裂后的原位渗透率测试，实验结果与现场实际工况存在较大偏差，无法为现场压裂工艺优化提供精准的实验依据。综上，现有技术存在动态可视化三维成像能力不足、无法实现宏微观跨尺度同步观测、装置集成度低、金属结构干扰ct成像、缺乏气-液-固耦合模拟功能等缺陷，亟待研发一种兼具实时ct内部扫描、光学表面观测、真三轴应力加载、气-液-固耦合模拟的一体化真三轴压裂-渗流实验装置。

5、与本发明申请相关的有：

6、1.中国专利cn201910955551.6公开的一种带ct实时扫描的真三轴瓦斯渗流试验装置及方法，包括真三轴压力室、加载装置、瓦斯渗流装置及ct扫描系统，位于ct扫描区的装置均由碳纤维材料制成，克服了金属材质射线无法穿透的缺陷，实现了煤岩体在三向应力状态下的瓦斯渗流与ct实时扫描的配合。

7、2.中国专利cn202310778313.9公开的一种多功能岩石三轴可视化试验系统，包括轴向加载系统、高能加速器ct扫描系统、转台系统、三轴压力室及流体压裂泵，通过转台系统带动高能加速器ct扫描系统转动对岩石样品进行内部成像，克服了当前设备射线能量低、加压框架刚度低及试验过程中管线缠绕等问题。

8、以上两个专利主要涉及在真三轴应力或流体耦合条件下，利用ct技术对岩石内部结构演化进行观测。由于上述装置的ct成像系统采用传统的单源模式，成像时必须依靠射线源和探测器围绕试件进行360°的完整旋转，扫描周期长、时间分辨率低。而在水力压裂实验中，岩石内部的起裂与裂缝失稳扩展往往发生在极短的瞬态（毫秒至秒级），上述装置在扫描时易产生运动伪影，无法准确捕捉压裂起裂瞬间的三维动态破坏形貌。此外，为了维持高压环境，上述试验装置均采用全封闭的釜体结构，彻底隔绝了光学通路，仅能获取岩石内部的ct透视数据，无法直观获取岩石表面高频的宏观应变场与裂缝面动态位移，缺乏“宏观表面高频光学”与“微观内部三维ct”的跨尺度空间映射与交叉验证。同时，在极端高压和ct强辐射环境下，现有装置也难以实现多相流（气-液-固耦合）注入以及声发射等高精度传感器信号的同步密封引出。

9、基于此，本发明提出一种原位ct-光学双重可视化的压裂-渗流实验装置及方法。

技术实现思路

1、本发明针对现有真三轴压裂-渗流实验装置的上述缺陷，提供原位ct-光学双重可视化的压裂-渗流实验装置及方法，实现储层岩石压裂过程中内部三维裂缝实时ct扫描与表面裂缝动态光学观测的同步进行，通过双源ct快速扫描技术捕捉压裂起裂时刻的三维裂缝形貌，同时集成多物理场监测单元，模拟深部储层的气-液-固耦合渗流环境，实现多源数据的同步采集与融合分析，揭示深部高地应力下储层裂缝扩展与渗流损伤演化机理。

2、为实现上述目的，本发明提供原位ct-光学双重可视化的压裂-渗流实验装置，实验装置包括真三轴腔体、加载单元、声发射监测单元、应变采集单元、三维旋转ct扫描单元、光学可视化单元及注水/气单元；

3、真三轴腔体为空心圆桶形反力结构以容纳煤岩试样并提供高压密封环境，该真三轴腔体内部设有沿x轴、y轴及z轴为煤岩试样提供三轴独立加载力的加载单元，真三轴腔体的外部环绕设置三维旋转ct扫描单元以对煤岩试样进行原位断层扫描，且真三轴腔体的底部还设有光学可视化单元以对煤岩试样表面进行动态观测；

4、加载单元上还连接有声发射监测单元、应变采集单元及注水/气单元，以同步采集声发射信号、应变数据及向煤岩试样内部注入流体以进行压裂实验或渗流测试。

5、优选的，真三轴腔体包括上盖板、下盖板、腔体圆筒侧壁、螺栓、混合滑环及设备承载支架，上盖板和下盖板通过螺栓固定并通过高压密封圈密封连接在腔体圆筒侧壁的两个轴端；混合滑环套设于腔体圆筒侧壁外部，用于将声发射、应变采集的信号线及液压、流体管路密封引出至腔体外部；设备承载支架固定连接于下盖板底部，下盖板上开设有可视窗口，腔体侧面还设若干注液、回液及注水/气接口；光学可视化单元调节连接在设备承载支架上并对应可视窗口布置。

6、优选的，加载单元设置于真三轴腔体的内部空腔中，包括x方向加载板、y方向加载板、z方向加载板、y方向承载板、三组加载泵，以及加载泵控制及数据采集电脑，x方向加载板为两个且对称布置于煤岩试样的x轴两侧，y方向加载板、z方向加载板各为一个且分别贴合于煤岩试样的y轴、z轴端面，y方向承载板贴合于y方向加载板背离煤岩试样的一侧；各加载板均采用倒角设计，且在贴近煤岩试样的端面上开设有若干预制孔和预留通道，三组加载泵分别为x、y、z方向加载泵，其输出端分别与对应方向的加载板驱动连接，加载泵控制及数据采集电脑与三组加载泵均电性连接，各加载板上还开设有与腔体侧壁开口相匹配的接口，且接口与对应开口之间通过高压软管密封连接。

7、优选的，三维旋转ct扫描单元同轴环绕于真三轴腔体的外围，为滑轨式双源旋转架构，包括横梁、支撑杆、支撑杆螺栓、滑轨、滑轮、两组ct放射源及两组ct探测器，横梁为多根且沿腔体的轴向上下分层分布，每根横梁的内侧端均与腔体外壁刚性连接，上下相邻的横梁之间通过支撑杆连接，且支撑杆与横梁的连接节点处通过支撑杆螺栓紧固，所有横梁与支撑杆共同构成闭合的ct扫描支撑框架；滑轨为环形且固定架设于扫描支撑框架的内侧端面，滑轮卡接于滑轨上且可沿滑轨做圆周滑动，两组ct放射源、两组ct探测器均通过滑轮与滑轨相连，且ct放射源与ct探测器一一对应布置，两组成像组件在空间上呈垂直正交状态，所有ct放射源、ct探测器均与滑轮同步运动，且每组ct放射源与对应的ct探测器配合旋转180°即可完成对煤岩试样的全方位投影数据采集。

8、优选的，光学可视化单元对应设置于下盖板的可视窗口外侧，且与设备承载支架相连，包括摄像机支架、高速摄像机、led冷光源及图像采集电脑，摄像机支架的底部与设备承载支架固定连接，且摄像机支架具备主动升降调节功能，高速摄像机固定安装于摄像机支架的上部，其镜头端正对可视窗口的中心位置，高速摄像机的镜头上依次装配有微距镜头、双侧远心镜头及偏振镜；led冷光源为两个且对称设置于可视窗口的两侧，图像采集电脑与高速摄像机电性连接，其内部配置有高速图像采集卡、磁盘阵列及数字图像相关后处理系统。

9、优选的，声发射监测单元包括声发射探头、前置放大器、声发射数据线及声发射信号采集电脑，声发射探头为若干个且一一嵌设于加载板的预制孔内，声发射数据线的一端与声发射探头相连，另一端沿加载板的预留通道布设后与混合滑环的内侧端相连，声发射数据线的外侧端依次与前置放大器、声发射信号采集电脑电性连接；应变采集单元包括应变片、应变片数据线、动态应变仪及应变数据采集电脑，应变片粘贴于煤岩试样的非观测面，应变片数据线为屏蔽导线，其一端与应变片相连，另一端沿预留通道布设后汇聚至混合滑环内侧端，应变片数据线的外侧端依次与动态应变仪、应变数据采集电脑电性连接。

10、优选的，注水/气单元通过管路与真三轴腔体侧壁的注水/气口密封连接，包括气瓶、气体增压泵、液压柱塞泵、水/气流量计、阀门组、渗透率数据采集电脑及柱塞泵控制及数据采集电脑，气瓶的出气端与气体增压泵相连，气体增压泵的输出端、液压柱塞泵的输出端共同汇接于主注入管路，主注入管路与腔体的注水/气口相连；水/气流量计、阀门组均串联于主注入管路，水/气流量计包括液体质量流量计和气体质量流量计，阀门组由高压针阀、单向阀及气动切换阀组合构成，通过阀门组的不同开闭组合可实现注气、注水、排气、排水及气驱水/水驱气的流程切换；渗透率数据采集电脑与水/气流量计电性连接，且内部搭载渗透率反演软件，柱塞泵控制及数据采集电脑与液压柱塞泵电性连接，腔体的出水/气口还通过管路与水/气流量计的检测端相连。

11、优选的，混合滑环与腔体侧壁的连接位置、腔体侧壁各开口与外部管路的连接位置均设置有密封圈实现密封，混合滑环可同步将腔体内的声发射数据线、应变片数据线、液压管路及流体管路密封引出至腔体外部；设备承载支架为框架式结构，其不仅用于支撑真三轴腔体整体，还为光学可视化单元、三维旋转ct扫描单元的部分部件提供固定安装点位，可视窗口与下盖板的内嵌连接位置同样设置有密封圈实现高压密封。

12、优选的，ct放射源为微焦点/大功率双模式x射线源，其管电压、焦点尺寸均可调，以适配不同岩性煤岩试样的x射线穿透需求；ct探测器为高灵敏度动态平板探测器，其接收端与对应ct放射源的发射端相对设置，可实时接收x射线并完成成像；ct放射源与ct探测器的旋转速度、旋转角度均为可控设置，可实现沿滑轨的不间断同步旋转扫描，且扫描支撑框架的所有连接节点均为刚性连接，保证旋转过程中的位置精度。

13、一种原位ct-光学双重可视化的压裂-渗流实验方法，包括以下步骤：

14、s1.将煤岩加工成立方体试样，在试样正对可视窗口面喷涂人工散斑，非观测面粘贴应变片，在加载板预制孔内安装声发射探头并完成数据线布设，再将试样置于腔体内的加载板之间，完成试样制备与多源传感部件的布置；

15、s2.在完成试样与传感部件布置后，对真三轴腔体进行密封处理，将混合滑环引出的各类信号线、管路对应连接至各单元设备，同时调试光学可视化单元及三维旋转ct扫描单元，使各设备均处于正常工作状态；

16、s3.在装置调试就绪且未向试样施加任何应力的初始状态下，启动三维旋转ct扫描单元，控制ct组件同步旋转180°完成扫描，以此获取试样内部初始孔隙及裂隙的三维分布数据，建立实验基准数据；

17、s4.在获取试样初始基准数据后，通过加载单元向试样施加预设的x、y、z三向应力，同时通过注水/气单元向试样内部注入高压气体并维持吸附平衡，以此模拟深部储层的气-液-固耦合渗流环境；

18、s5.在构建好气-液-固耦合渗流环境后，通过注水/气单元向试样内部注入压裂液开展水力压裂实验，同时同步启动各监测单元，实时记录试样表面裂缝动态、内部破裂信号及应变数据，并利用ct组件在压裂起裂时刻实时捕捉并重建试样内部裂缝的三维形态；

19、s6.在水力压裂实验完成后，保持试样所受三向应力不变，先通过ct组件再次扫描获取压裂裂缝的空间拓扑结构以完成损伤评估，再利用注水/气单元进行流体驱替实验，测试并得到试样压裂后的渗透率数据；

20、s7.在获取前序步骤中试样初始状态、压裂过程及压裂后的所有监测数据后，对各监测单元采集的数据进行综合处理，分别得到试样表面位移应变云图、内部三维裂缝网络及裂缝尖端三维位置，再将各类数据在同一空间坐标系下映射叠加，以此分析深部高应力及气-液-固耦合条件下煤岩水力压裂的裂缝扩展机制。

21、本发明与现有技术相比的优点在于：

22、1.实现压裂起裂时刻三维裂缝形貌的实时捕捉：三维旋转ct扫描单元采用双源垂直正交的滑轨式旋转架构，两组ct放射源与探测器同步旋转，每组仅需旋转180°即可完成360°全覆盖数据采集，相比传统单源ct扫描速度提升一倍，且可在持续旋转状态下实现瞬态扫描，有效解决了传统ct时间分辨率不足的问题，能够精准捕捉压裂起裂时刻的内部三维裂缝形貌。

23、2.提升装置集成度与ct成像质量：放弃传统独立的ct外部机架，利用真三轴腔体外壁延伸的横梁和支撑杆构建ct扫描支撑框架，实现ct扫描单元与真三轴腔体的高度一体化集成，大幅减小了设备体积；同时保证了ct旋转中心与试样中心的高度重合，减少了旋转过程中的机械震动和伪影，结合腔体低x射线衰减的复合结构，有效降低了金属结构对ct成像的干扰，提升了成像精度。

24、3.实现表面裂缝的高时空分辨率动态观测：光学可视化单元配备可主动升降的摄像机支架，可根据实验需求精准调节高速摄像机的位置，结合微距镜头、双侧远心镜头、偏振镜及对称布置的led冷光源，有效消除可视窗口的反光，提升了表面成像的清晰度；高速摄像机的高帧率与图像采集电脑的高速存储能力，实现了试样表面裂缝起裂、扩展的高时空分辨率记录，配合数字图像相关技术，可获取表面全场位移与应变演化特征。

25、4.真实还原深部储层的气-液-固耦合渗流环境：注水/气单元集成了高压气体增压、恒速恒压压裂液注入、多模式流体驱替功能，可实现注气、注水、气驱水、水驱气等多种实验流程的快速切换，能够模拟深部储层的高孔隙气压及瓦斯-地层水共存的气-液-固耦合环境，且可完成压裂后的原位稳态/非稳态渗透率测试，实验结果更贴近现场实际工况。

26、5.实现多源物理场数据的同步采集与融合分析：装置集成了真三轴加载、ct扫描、光学观测、声发射监测、应变采集、注水/气渗流六大功能单元，通过混合滑环实现各类信号与管路的密封引出，保证了在同一时间基准下，同步采集宏观力学曲线、微观损伤声发射信号、局部应变数据、表面光学图像及内部ct扫描数据；通过跨尺度多源数据的融合分析，实现了岩石压裂过程的力学、声学、光学、内部结构四个维度的交叉验证，可全面揭示深部高地应力下储层裂缝的扩展与渗流损伤演化机理。