一种砾岩压裂裂缝扩展监测装置

1.本发明涉及一种砾岩压裂裂缝扩展监测装置，属于油气田开发领域。


背景技术：

2.致密砾岩渗透率较低，在现场开发过程中需要进行大规模压裂。压裂过程中，裂缝在砾岩中的形成和扩展机理是重要的工程和科学问题。而砾岩非均质性强，应力状态复杂。不但含有大量不同大小、种类、形状的砾石，砾石之间胶结的力学性质和砾石的差异大，而且应力状态受复杂，导致裂缝在砾岩中的扩展过程复杂。通常认为，砾岩对裂缝扩展的影响主要集中在三个方面：(1)砾石粒径越大，圆度越差，砾石周边越容易碎裂，产生次生裂缝。(2)裂缝遇到砾石后，会根据物理和地应力状态不同，产生止裂，绕砾以及吸附等多种扩展模式。(3)由于砾石导致裂缝延伸过程中曲折和偏转，支撑剂不易运移，引起砂堵。
3.在致密砾岩地层进行压裂设计时，需要对裂缝扩展过程以及最终缝网结构进行预测。而砾岩具有强非均质性，其裂缝扩展路径的预测较为困难。目前主要有两种方法。一是离散元，二是实验。离散元往往将砾岩的颗粒等效为规则图形，在图形边缘加上胶结进行计算，这种算法过于简化，且运算量巨大，大规模计算效率低。而实验过程中由于存在样品并不够大，未达到表征单元体，代表性不强，且压裂实验样品损耗大等问题，现场应用难。
4.此外，由于砾岩颗粒大，应力分布不均，传统均质力学模型不能表征砾岩的裂缝扩展规律。而且砾岩岩板实验为破坏性实验，做完实验后岩板便破裂，无法对同一块岩板进行多次实验，需要针对砾岩裂缝扩展构建一种等效力学模型，对岩板上的裂缝扩展规律进行复现。
5.因此，需要提出一种新的一种砾岩压裂裂缝扩展监测装置，从而实现对砾岩压裂裂缝偏转角分布频谱计算与裂缝复杂度预测。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种砾岩压裂裂缝扩展监测装置，利用该装置能够实现对致密砾岩地层裂缝形态的监测，对砾岩压裂裂缝偏转角分布频谱计算以及对裂缝复杂度预测。
7.本发明提供的砾岩压裂裂缝扩展监测装置，包括围压系统、数据处理系统和恒温箱与ct成像系统；
8.所述围压系统用于放置待测的砾岩岩板；
9.所述围压系统设于所述恒温箱与ct成像系统内，所述恒温箱与ct成像系统对所述砾岩岩板被压裂的动态过程进行ct成像，并保持恒定温度；
10.所述围压系统的底部依次与设于所述恒温箱与ct成像系统外的注入腔、示踪粒子腔和压裂液腔连接；
11.所述数据处理系统控制所述围压系统和所述恒温箱与ct成像系统。
12.上述的砾岩压裂裂缝扩展监测装置中，所述围压腔的顶部和底部为透明耐压玻
璃。
13.上述的砾岩压裂裂缝扩展监测装置中，所述围压系统的上方设有高速相机，用于对所述砾岩岩板被压裂的动态过程进行拍摄并将图像传输至所述数据处理系统。
14.上述的砾岩压裂裂缝扩展监测装置中，所述围压系统的底部设有背光源，，能够照亮裂缝内的液体空间。
15.上述的砾岩压裂裂缝扩展监测装置中，所述围压系统与围压控制系统连接，以控制所述围压系统向所述砾岩岩板施加围压。
16.上述的砾岩压裂裂缝扩展监测装置中，所述恒温箱与ct成像系统内设有温控系统，用于控制内部温度恒定。
17.利用本发明装置能够进行砾岩压裂裂缝偏转与裂缝复杂度预测，可按照下述步骤进行：
18.1)将岩石样品加工为矩形岩板或岩块，对岩板中心打孔，将孔与人工井筒连接，高压液体能够通过模拟井筒向孔内注入大量高压液体，使岩石样品被压裂；
19.2)在岩板表面贴附应变片(用于测量岩板表面的应力大小以及岩板应力分布)，放入所述围压系统中，对岩板进行扫描，识别颗粒矿物、胶结的空间分布，建立等效力学模型(即先扫描颗粒矿物和胶结在空间中的分布，基于离散元或有限元方法，在电脑上采用软件模拟与实际的岩样的颗粒矿物和胶结一样的模型，然后给模型中的颗粒矿物赋予相应的力学参数，最终形成一个等效的数字化的模型)，等效力学模型的几何尺寸与岩板相同，等效力学模型中心设有与岩板中心相同的孔；扫描的方法包括图像扫描、ct扫描、eds矿物识别等方法，其中图像扫描调用高速相机，ct扫描和eds矿物扫描调用恒温箱与ct成像系统；所述等效力学模型中的各类矿物颗粒以及胶结的空间位置和几何关系通过扫描方法获得，各类矿物颗粒以及胶结的力学参数通过公开实验数据或基于上述样品的室内实验获得，其中室内实验一般处理方法为：将岩样中的各类颗粒和胶结人工取出后通过室内力学实验获得，各类室内力学实验包括纳米压痕、回弹仪、单轴和三轴抗压/抗拉等常见实验手段；力学参数包括杨氏模量、泊松比、破裂强度、抗剪强度、抗张强度等；
20.3)对岩板四周施加两组围压，两组围压相互垂直，模拟水平最大主应力和最小主应力；
21.4)恒温箱与ct成像系统保持岩样温度维持设定温度，向人工井口以恒定流量注入压裂液，压裂液内充入测速示踪粒子(piv)，开启高速相机，使用数据处理系统分析缝内液体流速，同时记录裂缝扩展的动态图像；同时恒温箱与ct成像系统对岩样被压裂的动态过程进行ct成像，形成裂缝扩展过程的动态图像；
22.5)追踪裂缝路径：选取裂缝扩展过程中，裂缝分叉、裂缝扩展方向发生改变时刻后的
△
t的图像作为关键帧，
△
t一般取0.1s(刚分叉时刻，分叉后的裂缝还没有出现，所以准确地说，应该往后延一点点时间，这样分叉后的两条裂缝就能看到了，才能进行分析)；其中在二维分析时，使用基于高速相机的裂缝扩展过程的动态图像，基于三维分析时，使用基于ct成像的裂缝扩展过程的动态图像；
23.6)针对关键帧，以裂缝分叉或裂缝扩展方向发生改变的点作为原点，以原始裂缝扩展方向为x轴，以原点为圆心将x轴逆时针旋转90度为y轴，画出边长为l的矩形关键帧目标区(l根据岩样大小和颗粒大小调整，一种优选为10cm)；裂缝偏转夹角定义为分叉裂缝或
扩展方向发生改变的裂缝与x轴正方向的顺时针夹角θ，夹角范围为-180
°
到180
°
之间；
24.7)在等效力学模型的外边界施加与步骤3)相同的围压，在等效力学模型中心的小孔内注入与步骤4)相同的压裂液流量，在步骤2)中应变片在等效力学模型表面对应的同样位置，施加各应变片测得的应力随时间的变化关系，模拟裂缝扩展的动态过程，并将裂缝扩展过程中，模型模拟的缝内流体流速与测速示踪粒子观测到的流速进行对比验证，保证等效力学模型能够等效岩板实验中的裂缝动态扩展过程；
25.8)追踪等效力学模型的裂缝路径：选取裂缝扩展过程中，裂缝分叉、裂缝扩展方向发生改变时刻的图像作为关键帧；并按照步骤6)相同的方法统计同样的关键帧目标区并统计裂缝偏转夹角θ；
26.9)统计岩板压裂实验中的各关键帧中裂缝偏转夹角出现的角度和次数，基于概率分布模型拟合出概率分布频谱f1(θ)；统计等效力学模型中裂缝偏转夹角出现的角度和次数，基于概率分布模型拟合出概率分布频谱f2(θ)，建立f2(θ)到f1(θ)的映射关系；其中，概率分布频谱拟合方法为：统计各关键帧中裂缝偏转夹角出现的角度和次数，以θ为横坐标，在-180
°
到180
°
区间内等距分为多个子区间，统计夹角θ值出现在每个子区间的次数，并将该区间出现的次数除以总次数作为该区间的频率；以夹角为横坐标，以对应区间中夹角出现的频率为纵坐标，按照频率分布模型拟合出概率分布频谱，一种优选的概率分布模型为正态分布模型；
27.10)在等效力学模型中改变注入流量、砾石分布、砾石种类、水平应力大小等参数，重复模拟各条件下的裂缝扩展的动态过程，统计各条件下的概率分布频谱f2(θ)，通过步骤9)得到的映射关系将f2(θ)映射到f1(θ)上，即可得到各参数条件下，基于本方法预测的模拟的岩板实验环境下，裂缝偏转夹角概率分布频谱f1(θ)，由于f1(θ)与y轴偏离越大，裂缝复杂程度越高，f1(θ)与y轴偏离越小，裂缝复杂程度越低，最终实现在没进行真实室内实验的条件下，对给定参数组合条件下，压裂裂缝复杂程度的预测，并进一步分析影响裂缝偏转和裂缝复杂程度的主控因素。
28.上述方法中，步骤4)中，向人工井口注入流体的流量不但可以为恒速注入，也可以为随时间变流量注入，在步骤7)中的模型中使用同样的流量注入方案进行模拟。
29.上述方法中，步骤9)中，以正态分布模型为例，建立f2(θ)到f1(θ)的映射关系的具体过程为：
30.根据岩板压裂实验中的各关键帧中裂缝偏转夹角出现的角度和次数，基于概率分布模型拟合出概率分布频谱f1(θ)：
[0031][0032]
根据等效力学模型中的各关键帧中裂缝偏转夹角出现的角度和次数，基于概率分布模型拟合出概率分布频谱f2(θ)：
[0033]
[0034]
则f2(θ)到f1(θ)的映射关系为：
[0035]
式中，σ1,σ2,μ1,μ2均为拟合系数，e为自然底数。
[0036]
由于砾岩颗粒大，应力分布不均，传统均质力学模型(传统的均质力学模型中，没有考虑整个样品的非均质性，就是把整个样品当成一个均质的块，再加力进行破裂过程的计算)不能表征砾岩的裂缝扩展规律(砾岩颗粒比较大，应该是一个非均质的力学模型，所以传统的均质的力学模型不行)。而且砾岩岩板实验为破坏性实验，做完实验后岩板便破裂，无法对同一块岩板进行多次实验，需要针对砾岩裂缝扩展构建一种等效力学模型，对岩板上的裂缝扩展规律进行复现(相当于是一种数字孪生，就是本发明模拟的一个模型，通过计算机扫描的手段，把实际的砾岩岩板数字化，然后在电脑上使用工业软件模拟压裂过程，和实际实验的压裂过程中的裂缝扩展规律进行对比和换算，找到两者之间的换算关系。这样在电脑上可以进行大量的各种参数条件下的压裂模拟，然后通过上述虚拟模型到实际实验的关系换算，即可预测实际实验会出现什么结果，这样就节省了大量的实验过程)，因此提供了本发明。
[0037]
本发明的主要设计原理是：
[0038]
通过对砾岩压裂过程中的裂缝动态过程，建立等效力学模型，并使用砾岩空间形态分布、砾岩及胶结力学性质、水平应力、样品表面应力以及注入流量、注入流体流速等参数对模型进行限定，使裂缝动态过程能够在等效力学模型中进行复现。
[0039]
通过对裂缝动态扩展过程中的关键帧和关键帧目标区的提取，统计裂缝偏转夹角，进一步统计裂缝偏转夹角的概率分布频谱。虽然裂缝偏转具有随机性，但统计上的偏转夹角分布规律具有稳定性，因此分别统计真实岩板样品的裂缝偏转夹角的概率分布频谱f1(θ)与等效力学模型的裂缝偏转夹角的概率分布频谱f2(θ)，并建立f2(θ)到f1(θ)的映射关系，即可得到实体(岩板裂缝动态扩展)与数字孪生体(等效力学模型)的对应关系。
[0040]
进一步在数字孪生体中，改变注入流量、砾石分布、砾石种类、水平应力大小等参数，即可多次、大量、重复地进行砾岩裂缝扩展的动态过程，得到不同条件下的f2(θ)，进一步通过映射关系得到f1(θ)，实现在难以进行大规模重复砾岩压裂实验的条件下，得到预测的裂缝偏转夹角的概率分布频谱。分析各影响因素对裂缝偏转夹角概率分布频谱的影响规律。由于裂缝统计上在整体偏转夹角越大，缝网整体出现网状缝的概率越高。因此可进一步分析不同影响因素条件下对砾岩网状成缝的影响机理。由于砾岩的强非均质，裂缝扩展必定不是直线，裂缝动态扩展过程必然出现多个裂缝扩展方向的拐点，形成多次裂缝偏转，进而形成多个关键帧，因此基于关键帧上的裂缝偏转夹角的统计能够满足得到概率分布频谱所需的数据量的要求。
[0041]
本发明具有如下有益效果：
[0042]
由于在砾岩岩板强非均质性条件下，难以加工出多块同样的砾岩岩板进行实验，任何颗粒分布的不同都能导致最终裂缝扩展规律的不同，因此传统压裂实验难以控制变量，得到各参数对裂缝的影响规律。而本装置和方法能够通过在构建的数字孪生体(等效力学模型)中大量重复实验，控制单一变量，得到裂缝的统计规律，克服传统方法的困难。此
外，由上述的监测原理设计可看出，本发明提供的装置能够在具有砾岩压裂实验不可重复的条件下，通过数字孪生体(等效力学模型)大量重复裂缝动态扩展过程，得到统计上的裂缝偏转角概率分布频谱，进一步分析不同影响因素条件下对砾岩网状成缝的影响机理，原理简单，实现成本低，无需大量迭代计算，对裂缝偏转情况以及可能的压裂裂缝复杂程度预测效果快。
附图说明
[0043]
图1为本发明砾岩压裂裂缝扩展监测装置的结构示意图，图中各标记如下：
[0044]
1数据处理系统，2压裂液腔，3piv腔，4压裂液混合及注入腔，5围压控制系统，6恒温箱与ct成像系统7，高速相机，8围压系统，9背光源10，砾岩岩板，11温控系统。
[0045]
图2为采用本发明装置对砾岩压裂二维裂缝扩展预测的识别示意图。
[0046]
图3为本发明实施示例1的基于砾岩岩板压裂测试的裂缝偏转角分布散点图及拟合曲线。
[0047]
图4为本发明实施示例1的等效力学模型模拟的裂缝偏转角分布散点图及拟合曲线。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
[0049]
如图1所示，为本发明提供的砾岩压裂裂缝扩展监测装置的结构示意图。本发明砾岩压裂裂缝扩展监测装置包括数据处理系统1、压裂液腔2、piv腔3、压裂液混合及注入腔4、围压控制系统5、恒温箱与ct成像系统6、高速相机7、围压系统8、背光源9、砾岩岩板10、温控系统11。具体连接关系如下：
[0050]
高速相机7位于箱体(恒温箱与ct成像系统6)顶端，能够将拍摄到的图像实时传输给数据处理系统1，压裂液腔2通过piv腔3、注入腔4与砾岩岩板10中心的模拟井筒相连，压裂液储存在压裂液腔2，然后通过piv腔3综合测速示踪粒子后，进入压裂液混合及注入腔4充分混合，最后通过模拟井筒对砾岩岩板10进行压裂。同时恒温箱与ct成像系统6保持压裂过程中的岩样温度维持设定温度，且对岩样被压裂的动态过程进行ct成像，并将数据输出给数据处理系统1，围压系统8能够在围压控制系统5的控制下，给砾岩岩板10施加围压，围压系统8上下面为透明耐压玻璃，内部安装砾岩岩板10，围压系统8下部为背光源9，能够照亮裂缝内的液体空间，温控系统11设置在砾岩岩板10侧面，能够控制恒温箱与ct成像系统6保持恒温箱与ct成像系统6内部温度恒定。
[0051]
利用本发明装置能够进行砾岩压裂裂缝偏转与裂缝复杂度预测方法，可按照下述步骤进行：
[0052]
1)将岩石样品加工为矩形岩板或岩块，对岩板中心打孔，将孔与人工井筒连接，高压液体能够通过模拟井筒向孔内注入大量高压液体，使岩石样品被压裂；
[0053]
2)在岩板表面贴附应变片，放入所述围压系统中，对岩板进行扫描，识别颗粒矿物、胶结的空间分布，建立等效力学模型(基于离散元或有限元方法)，等效力学模型的几何尺寸与岩板相同，等效力学模型中心设有与岩板中心相同的孔；扫描的方法包括图像扫描、ct扫描、eds矿物识别等方法，其中图像扫描调用高速相机，ct扫描和eds矿物扫描调用恒温
箱与ct成像系统；等效力学模型中的各类矿物颗粒以及胶结的空间位置和几何关系通过扫描方法获得，各类矿物颗粒以及胶结的力学参数通过公开实验数据或基于上述样品的室内实验获得，其中室内实验一般处理方法为：将岩样中的各类颗粒和胶结人工取出后通过室内力学实验获得，各类室内力学实验包括纳米压痕、回弹仪、单轴和三轴抗压/抗拉等常见实验手段；力学参数包括杨氏模量、泊松比、破裂强度、抗剪强度、抗张强度等；
[0054]
3)对岩板四周施加两组围压，两组围压相互垂直，模拟水平最大主应力和最小主应力；
[0055]
4)恒温箱与ct成像系统6保持岩样温度维持设定温度，向人工井口以恒定流量注入压裂液，压裂液内充入测速示踪粒子(piv)，开启高速相机7，使用数据处理系统1分析缝内液体流速，同时记录裂缝扩展的动态图像；同时恒温箱与ct成像系统6对岩样被压裂的动态过程进行ct成像，形成裂缝扩展过程的动态图像；
[0056]
5)追踪裂缝路径：选取裂缝扩展过程中，裂缝分叉、裂缝扩展方向发生改变时刻的图像(如前所述，还要加一个
△
t，裂缝分叉时刻还没有分叉的时候，分出的两个裂缝还没有出现，所以应该加一个很短的时间，等分叉的裂缝出现之后，才能得到关键帧)作为关键帧；其中在二维分析时，使用基于高速相机的裂缝扩展过程的动态图像，基于三维分析时，使用基于ct成像的裂缝扩展过程的动态图像；
[0057]
6)针对关键帧，以裂缝分叉或裂缝扩展方向发生改变的点作为原点，以原始裂缝扩展方向为x轴，以原点为圆心将x轴逆时针旋转90度为y轴，画出边长为l的矩形关键帧目标区(l根据岩样大小和颗粒大小调整，一种优选为10cm)；裂缝偏转夹角定义为分叉裂缝或扩展方向发生改变的裂缝与x轴正方向的顺时针夹角θ，夹角范围为-180
°
到180
°
之间；
[0058]
7)在等效力学模型的外边界施加与步骤3)相同的围压，在等效力学模型中心的小孔内注入与步骤4)相同的压裂液流量，在步骤2)中应变片在等效力学模型表面对应的同样位置，施加各应变片测得的应力随时间的变化关系，模拟裂缝扩展的动态过程，并将裂缝扩展过程中，模型模拟的缝内流体流速与测速示踪粒子观测到的流速进行对比验证，保证等效力学模型能够等效岩板实验中的裂缝动态扩展过程；
[0059]
8)追踪等效力学模型的裂缝路径：选取裂缝扩展过程中，裂缝分叉、裂缝扩展方向发生改变时刻的图像作为关键帧；并按照步骤6)相同的方法统计同样的关键帧目标区并统计裂缝偏转夹角θ；
[0060]
9)统计岩板压裂实验中的各关键帧中裂缝偏转夹角出现的角度和次数，基于概率分布模型拟合出概率分布频谱f1(θ1)；统计等效力学模型中裂缝偏转夹角出现的角度和次数，基于概率分布模型拟合出概率分布频谱f2(θ2)，建立f2(θ2)到f1(θ1)的映射关系；其中，概率分布频谱拟合方法为：统计各关键帧中裂缝偏转夹角出现的角度和次数，以θ为横坐标，在-180
°
到180
°
区间内等距分为多个子区间，统计夹角θ值出现在每个子区间的次数，并将该区间出现的次数除以总次数作为该区间的频率；以夹角为横坐标，以对应区间中夹角出现的频率为纵坐标，按照频率分布模型拟合出概率分布频谱，一种优选的概率分布模型为正态分布模型；
[0061]
10)在等效力学模型中改变注入流量、砾石分布、砾石种类、水平应力大小等参数，重复模拟各条件下的裂缝扩展的动态过程，统计各条件下的概率分布频谱f2(θ2)，通过步骤9)得到的映射关系将f2(θ2)映射到f1(θ1)上，即可得到各参数条件下，基于本方法预测的模
拟的岩板实验环境下，裂缝偏转夹角概率分布频谱f1(θ1)，由于f1(θ1)与y轴偏离越大，裂缝复杂程度越高，f1(θ1)与y轴偏离越小，裂缝复杂程度越低，最终实现在没进行真实室内实验的条件下，对给定参数组合条件下，压裂裂缝复杂程度的预测，并进一步分析影响裂缝偏转和裂缝复杂程度的主控因素。
[0062]
其中步骤4)中，向人工井口注入流体的流量不但可以为恒速注入，也可以为随时间变流量注入，在步骤7)中的模型中使用同样的流量注入方案进行模拟。
[0063]
其中步骤9)中，以正态分布模型为例，建立f2(θ)到f1(θ)的映射关系的具体过程为：
[0064]
根据岩板压裂实验中的各关键帧中裂缝偏转夹角出现的角度和次数，基于概率分布模型拟合出概率分布频谱f1(θ1)：
[0065][0066]
根据等效力学模型中的各关键帧中裂缝偏转夹角出现的角度和次数，基于概率分布模型拟合出概率分布频谱f2(θ2)：
[0067][0068]
则f2(θ2)到f1(θ1)的映射关系为：
[0069]
式中，σ1,σ2,μ1,μ2均为拟合系数，e为自然底数。
[0070]
上述对砾岩压裂二维裂缝扩展预测的识别示意图如图2所示，其中图2中a表示典型关键帧抽取过程，其中两个方框就是裂缝发生偏转或分叉了，那这个分叉点为中心画出的方框，建立坐标轴就是步骤6的过程，图2中b表示典型关键帧中抽取边长为l的矩形并建立坐标轴之后的图，本图是一个典型的裂缝偏转的图，图2中c表示典型关键帧中抽取边长为l的矩形并建立坐标轴之后的图，本图是一个典型的裂缝分叉的图。
[0071]
实施示例1、
[0072]
本实施示例中，选取40
×
40cm
×
5cm的砾岩岩板进行压裂测试，并统计所有裂缝偏转与分叉的角度，以及对应的次数，形成裂缝偏转角分布散点图(如图3中的散点)。使用正态分布函数进行拟合，得到正态分布函数(如图3中的曲线)：
[0073]
拟合方程为：
[0074]
其中μ1＝1.25，σ1＝4.11
[0075]
同理，基于岩板建立等效模型，并进行压裂模拟，统计所有裂缝的偏转角，得到裂缝偏转角分布散点图(如图4中的散点)。使用正态分布函数进行拟合，得到正态分布函数(如图4中的曲线)
[0076]
拟合方程为：
[0077]
其中μ2＝2.50，σ2＝3.97
[0078]
因此，本实施示例中，实际力学模型与等效力学模型的换算关系为：
[0079][0080]
即，在本实施示例中的等效模型中，改变围压等参数进行模拟，得到的偏转角分布函数f2(θ2)，通过上式换算即可得到实际样品中，f1(θ1)与偏转角θ1的关系，实现未做实验条件下，大量、多参数组合条件下的偏转角分布分预测，最终实现砾岩压裂裂缝扩展的预测。当偏转角分布范围越广，σ越大时，缝网整体出现网状缝的概率越高。当σ越小时，缝网整体出现简单缝的概率越高。