一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测装置和方法与流程

技术特征：
1.一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测装置，其特征在于，所述装置包括主体结构、蠕变围压加载结构、膨胀致裂结构和水力裂缝渗透率监测结构；所述主体结构由顶盖、底板、旋转机械装置、实验岩样、固定支柱和上、下圆柱板构成，顶盖的两个角上固定连接旋转机械装置，另外两个角上固定连接固定支柱；所述实验岩样垂直设在顶盖和底板的中心位置，实验岩样上端紧贴上圆柱板，下端紧贴下圆柱板，下圆柱板与底板焊接在一起；实验岩样外侧设有蠕变围压加载结构，由碳纤维布、碳纤维卷轴、压力传感器和液压器构成；在两个旋转机械装置下面各垂直设置一个碳纤维卷轴，碳纤维卷轴的上端通过旋转机械装置与顶盖固定，下端直接与底板固定；碳纤维卷轴上的碳纤维布以表带结构紧密包裹实验岩样侧壁，旋转机械装置依靠变速马达通过齿轮传动促使碳纤维卷轴转动拉紧碳纤维布，为实验岩样施加蠕变围压；压力传感器设置于碳纤维布与实验岩样侧壁之间，与数据处理器相连，用于监测蠕变围压；上圆柱板和顶盖之间固定连接有液压器，通过上圆柱板给实验岩样传递轴向压力；实验岩样内含应力干扰岩样和测试岩样，应力干扰岩样内部设置有缝状水袋，与水管、水箱、水泵构成膨胀致裂结构；测试岩样与出气管、气体收集箱、红外气体浓度监测器、气罐、气泵、进气管构成水力裂缝渗透率监测结构。2.根据权利要求1所述的一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测装置，其特征在于，所述表带结构由碳纤维布和碳纤维卷轴构成，碳纤维布两端宽度不同，沿着碳纤维布的长度方向，碳纤维布的宽度逐渐减小，且碳纤维布宽的一端的宽度等于实验岩样的高度；在靠近碳纤维布的宽端设置有扣眼，窄的一端穿过扣眼形成紧密包裹实验岩样侧壁的捆绑结构，碳纤维布的两端分别连接碳纤维卷轴，依靠碳纤维卷轴的转动使碳纤维布不受实验岩样的形变影响，始终保持拉紧状态，构成表带结构。3.根据权利要求2所述的一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测装置，其特征在于，碳纤维布全面覆盖实验岩样的侧表面，变速马达保持恒定的拉力，连接碳纤维布的两个碳纤维卷轴同时转动，使得碳纤维布始终保持拉紧状态并紧贴实验岩样。4.根据权利要求1所述的一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测装置，其特征在于，膨胀致裂结构中，水管串联缝状水袋、水箱和水泵，水泵将水箱中的水泵入缝状水袋使其膨胀然后致裂应力干扰岩样产生新裂缝，进而实现对测试岩样的应力干扰；水力裂缝渗透率监测结构中，测试岩样顶底两端分别设置有内部镂空的钢盖，底端的钢盖通过进气管连接气罐和气泵，负责烃类气体的注入；顶端的钢盖通过出气管连接气体收集箱，负责烃类气体的收集；顶端钢盖内侧设置红外气体浓度监测器。5.根据权利要求4所述的一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测装置，其特征在于，红外气体浓度监测器由红外激光发射器和红外激光接收器组成，利用红外激光强度变化监测测试岩样上端渗出的气体浓度的瞬时变化，结合达西定律实现对测试岩样内水力裂缝渗透率的连续监测；红外气体浓度监测器与数据处理器相连，实现数据的实时传递；根据达西定律推导水力裂缝渗透率计算公式，见公式(1)：
式中：k为气体渗透率，μm2；a为测试岩样横截面面积，cm2；h为测试岩样的高度，cm；p1，p2为测试岩样入口及出口的压力，mpa；p为大气压力，mpa；μ为气体粘度，mpa
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s；q为出口处的气体流量，cm3/s；测试岩样出口处气体流量计算公式，见公式(2)：式中：q为测试岩样出口处的气体流量，cm3/s，v为测试岩样顶端钢盖的镂空体积，cm3；η1，η2为t1，t2时刻的渗出气体体积浓度。6.根据权利要求1所述的一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测装置，其特征在于，顶盖和底板为矩形；旋转机械装置固定连接在顶盖同侧的两个角上；实验岩样为圆柱体；上圆柱板和下圆柱板的底面半径与实验岩样的底面半径相等；应力干扰岩样和测试岩样为相同的矩形或圆柱体，二者形状相同，体积是实验岩样的1/6；位于实验岩样的中心位置，沿着实验岩样的中心轴左右对称。7.根据权利要求1所述的一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测装置，其特征在于，顶盖、上圆柱板和实验岩样均开有与水管直径尺寸相同的圆孔，使水管可以穿过顶盖、上圆柱板与应力干扰岩样内的缝状水袋连接；上圆柱板和下圆柱板上分别开有与出气管和进气管直径大小相同的圆孔；进气管通过下圆柱板、实验岩样与测试岩样底端的钢盖相连；出气管穿过顶盖、上圆柱板与测试岩样顶端的钢盖相连。8.一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测方法，其特征在于，采用权利要求1
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7任一所述的装置，包括以下步骤：步骤1：制备测试岩样、应力干扰岩样和实验岩样；步骤2：固定实验岩样；卸下底板和下圆柱板，将实验岩样由底端放入碳纤维布内，放回底板和下圆柱板；步骤3：施加蠕变围压和轴向压力；通过旋转机械装置带动碳纤维卷轴旋转拉紧碳纤维布，实现实验岩样的蠕变围压加载；同时，通过液压器推动上圆柱板向下挤压，施加轴向压力；将蠕变围压和轴向压力维持在某一应力水平上，即可实现实验岩样的蠕变变形；步骤4：模拟缝间应力干扰；打开水泵，将水箱中的水通过水管泵入缝状水袋，利用缝状水袋膨胀然后致裂应力干扰岩样产生新裂缝，产生的新裂缝将干扰测试岩样中的预设水力裂缝，实现应力干扰岩样和测试岩样的缝间应力干扰现象；根据水箱的起止水量计算通过水管泵入缝状水袋的水量；步骤5：记录实时渗透率；设定蠕变时间、蠕变围压和轴向压力，打开气泵和红外气体浓度监测器，通过气泵将气罐内的气体注入钢盖的镂空处，记录测试岩样渗透率随时间的实验数据；等到蠕变时间达到设定值后，实验结束；利用所记录的实验数据，建立水力裂缝渗透率在地层蠕变和缝间应力干扰条件下随时间变化的函数关系，用于非常规油气产能预测；步骤6：开展定量分析实验；保持蠕变围压不变，改变泵入缝状水袋中的水量，重复实验步骤1
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5，研究应力干扰岩样与测试岩样间的缝间应力干扰对测试岩样渗透率的影响规律；
改变蠕变围压，重复实验步骤1
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3和5并略去步骤4，研究蠕变围压对测试岩样渗透率的影响规律。9.根据权利要求8所述的一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测方法，其特征在于，利用倒模技术制备测试岩样；考虑水力裂缝的分布及形态利用3dmax建立水力裂缝三维模型，选取可溶性材料为打印材料，通过3d打印机将水力裂缝三维模型打印成型；将打印成型的水力裂缝与石膏混合制成半成品岩心，然后利用二氯化钾溶解石膏中的可溶树脂形成裂缝，在半成品岩心的裂缝中倒入50目大小、闭合压力为24mpa的小陶瓷颗粒和可溶树脂的混合物，放置至冷凝成型；打碎石膏取出含小陶瓷颗粒的可溶树脂水力裂缝模型，将其与类岩石质材料混合制备成型，再次利用二氯化钾溶解可溶树脂，得到测试岩样；制备应力干扰岩样，将缝状水袋和类岩石质材料混合，凝固成型制备成应力干扰岩样，制备时缝状水袋始终连接水管；制备实验岩样，首先将测试岩样两端连接钢盖，其次连接进气管和出气管；将测试岩样和应力干扰岩样与类岩石质材料混合，制备成实验岩样。10.根据权利要求9所述的一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测方法，其特征在于，小陶瓷颗粒与可溶树脂的质量比例为2:8，类岩石质材料为二氧化硅或重晶石粉。

技术总结
本发明涉及一种考虑地层蠕变和缝间应力干扰的水力裂缝渗透率实时监测装置和方法，装置包括主体结构、蠕变围压加载结构、膨胀致裂结构和水力裂缝渗透率监测结构；实验岩样内含应力干扰岩样和测试岩样，实验岩样外侧设有蠕变围压加载结构，碳纤维布以表带结构紧密包裹实验岩样侧壁，碳纤维卷轴转动拉紧碳纤维布为实验岩样施加蠕变围压；应力干扰岩样内部设计有缝状水袋，与水管、水箱、水泵串联构成膨胀致裂结构，实现缝间应力干扰模拟；测试岩样连接有进气管、出气管、气泵、气罐、红外气体浓度监测器，构成渗透率监测结构，记录水力裂缝实时渗透率。本发明模拟非常规油气开发中的地层蠕变作用和缝间应力干扰现象，准确监测水力裂缝实时渗透率。实时渗透率。实时渗透率。


技术研发人员：张立松 李文杰 蒋梦罡 陈邵颖 王伟 孙致学
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：2021.08.27
技术公布日：2021/11/21