[发明专利]真三轴受力条件下页岩水力压裂损伤演化装置与实验方法

说明书

技术领域

本发明属于页岩气开采技术领域，具体涉及一种真三轴受力条件下页岩水力压裂损伤演化装置与实验方法。

背景技术

随着国民经济的持续快速发展，我国对能源的需求日益增大，国内能源资源短缺的形势也越来越严重。我国天然气进口的依存度逐年增加，2011年全年进口天然气310亿m³，2012年全年进口天然气440亿m³，比2011年增长40%。为了解决能源的紧张状态，国家在“十二五”能源规划中将重点发展非常规天然气和其它新能源。

美国是目前最成功实现页岩气大量商业开采的国家，2011年其页岩气产量已达到1800亿m³，占美国天然气产量的34%，预计2015年美国页岩气产量将达到2800亿立方米。我国富有机质页岩分布广泛，南方地区、华北地区和新疆塔里木盆地等发育海相页岩，华北地区、准噶尔盆地、吐哈盆地、鄂尔多斯盆地、渤海湾盆地和松辽盆地等发育陆相页岩，页岩气可采资源量约为25万亿m³，超过常规天然气资源。其开发处于起步阶段，但也取得初步进展，研究和划分了页岩气资源有利远景区，初步摸清了有利区富有机质页岩分布，确定了主力层系，建立了页岩气有利目标区优选标准，优选出一批页岩气富集有利区。页岩气“十二五”规划中明确要求“推进页岩气等非常规油气资源开发利用”，到2015年估计页岩气产量达65亿m³，其本完成全国页岩气资源潜力调查与评价，掌握页岩气资源潜力与分布，优选出一批页岩气远景区和在利目标区，建成一批页岩气勘探开发区，初步实现规模化生产，形成一系国家级页岩气技术标准和规范，建立完善的页岩气产业政策体系，为“十三五”页岩气快速发展奠定坚实基础，规划2020年页岩气总产量为600亿m³至1000亿m³。

页岩气主要以吸附态和游离态赋存在页岩储层中，吸附状态占20%-85%，由于页岩气藏储层具典型的低孔低渗特征，孔隙度一般为4%～6%，渗透率小于0.001×10^-3μm²，因此页岩气的开发必须进行储层压裂和增渗改造，目前国内外主要采用水力压裂技术来提高页岩的渗透率。

地下含页岩气的页岩储层埋深处于2000米左右，地应力高达50MPa左右，且岩体应力处于真三轴状态，静水压力高达10MPa，因此研究真三轴受力条件下页岩水力压裂裂纹扩展、损伤演化装置尤为必要，目前国内外这方面的模拟装置研制得很少。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种真三轴受力条件下页岩水力压裂损伤演化装置，能模拟真三轴条件下页岩水力压裂裂纹扩展机理；可以监测真三轴条件下页岩水力压裂裂纹扩展的声发射特征、平面与三维损伤定位、以及裂纹的演化过程；可以模拟不同应力、不同水压条件下裂纹扩展特征。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种真三轴受力条件下页岩水力压裂损伤演化装置，包括真三轴加载系统、水力压裂系统、变形测试系统和声发射监测系统；所述真三轴加载系统用于模拟页岩试件的真三轴受力状态；所述水力压裂系统用于对页岩试件施加不同的静水压力；所述变形测试系统用于测试页岩试件在压裂过程中的横向、轴向的变形；所述声发射监测系统用于监测真三轴受力条件下页岩试件在水力压裂时裂纹扩展的声发射特征、平面与三维损伤定位、以及裂纹的演化过程；

进一步，所述真三轴加载系统包括对页岩试件进行垂直方向加载的岩石力学测试系统、对页岩试件两水平方向进行水平加载的小型作动器和承压板；

进一步，所述岩石力学测试系统为MTS815岩石力学测试系统；

进一步，所述水力压裂系统包括高精度柱塞泵和压裂管；

进一步，所述变形测试系统包括设置在页岩试件三个受力方向上的高精度位移传感器；

进一步，所述声发射监测系统包括声发射仪、用于分析压裂数据与声发射数据的电脑主机和设置在页岩试件正面与背面的三维损伤定位传感器；

进一步，所述三维损伤定位传感器在页岩试件正面与背面各设置4个，且对称设置。

本发明还公开了一种真三轴受力条件下页岩水力压裂损伤演化试验的试验方法，包括如下步骤：

（1）试件加工：将现场取回的页岩块在岩样加工室制作为立方体，然后在试件中心钻水压裂孔；

（2）将压裂管放入试件的水压裂孔中，然后向孔中注入固化剂和环氧树脂，让压裂管与试件管壁粘贴牢固，达到密封效果；