[发明专利]水力压裂断裂传播机制与压裂后效试验系统及方法

说明书

水力压裂断裂传播机制与压裂后效试验系统及方法，包括泵压系统和水平设置的底板，底板上垂直设有四根在一个正方形四个顶点位置布置的立柱，立柱上端水平设有顶板，底板上在四根立柱之间设有安装框架，安装框架底部设有滚轮，安装框架内设置有水平设置的板式试件组件，安装框架前侧和左侧分别设有第一水平加压装置和第二水平加压装置，顶板上设有垂直加压装置和高速摄像装置，板式试件组件中部上侧设有进液口，进液口通过高压管与泵压系统连接。本发明采用小厚度大展开面的板状试件，可以实时、直观地对裂缝传播机制和压裂后效进行观测，建立裂隙网络分形特征、长效导流机制与断裂传播机制、体积张开度和附加地应力关系。

技术领域

本发明属于非常规油气（如页岩气、密砂岩气和煤层气）开发技术领域，具体涉及一种水力压裂断裂传播机制与压裂后效试验系统及方法。

背景技术

水力压裂是非常规天然气（如页岩气、密砂岩气和煤层气）开发的主要技术，通过向地下储层注入压力流体，使储层扩张、开裂和渗透率增加，从而使储层内部天然气解吸、扩散、渗流汇聚，通过井筒钢管流向地面。

断裂传播机制是水力压裂的基本物理机制，是储层岩石物理力学性质、地应力、流体流量和粘性以及注入时间等诸因素相互作用的综合反映，决定了裂缝长度、张开度和流体压力分布及其时间演化。断裂传播机制涉及诸多因素的影响，但是可通过三个无量纲参数：地应力系数、韧性系数和滤失系数：

（1）

从诸多因素中识别出来。这些因素包括地应力、流量、流体注入时间t,以及平面应变粘性、滤失性、储层弹性和断裂韧性。这些平面应变参数通过以下换算得到,

（2）

其中E, v分别是杨氏模量和泊松比，是断裂韧性，是流体粘度，是滤失系数,是实际的注入体积流量，h是岩层厚度。

这些断裂传播机制在（）表示的参数平面中，划分为四种极限情形()和一般情形，其中不同的断裂传播机制代表不同的缝内流动条件和裂缝演化规律。

机制，即粘性-储存机制，所代表的流动条件是，岩石强度较弱、流体粘性相对较高，滤失性很小。在这种条件下，水力压裂的能量消耗主要用于克服流体的粘性阻力，同时由于滤失性小，裂缝张开度在较短时间内即可达到稳定。所以，只要是满足在裂缝传播的垂直方向无渗透或渗透很低的滤失条件，如软弱脆性岩石中的水力压裂裂缝扩展、岩石中含有预存裂缝、人工注浆或岩缝中岩浆流动，都属于这种机制。

机制，即粘性-滤失机制，所代表的断裂传播条件是，岩石强度较弱、流体粘性相对较高，但是滤失很大。由于滤失性大，裂缝张开需要较长时间达到稳定。

机制，即韧性-储存机制，所代表的断裂传播条件是，岩石韧性高、流体粘性相对较低，滤失很小。在这种条件下，水力压裂的能量消耗主要用于克服岩石断裂阻力，同时，由于滤失小，裂缝张开度在较短时间内即可达到稳定。致密完整花岗岩中或者低粘度流体在完整性好的储层中的裂缝传播属于这种机制。

机制，即韧性-滤失机制，所代表的断裂传播条件是，岩石韧性高、流体粘性相对小，滤失大，导致裂缝张开度需要较长时间达到稳定。

压裂后效是指经过水力压裂产生的裂缝网络形态和长效导流机制，对后期产气效率和稳产年限起到决定作用。裂缝网络描述应该采用分形概念，包括裂缝网络分形类型、分形维数和分形展开层级。压裂后效持久性是指压裂液返排后，残余的孔-裂隙张开对天然气的长效导流机制。它相当于储层对流体力作用机制响应“脾气”，只有摸清储层“脾气”才有可能对于储层增透效果和长效导流机制进行科学合理评价。本专利暂不考虑支撑剂的作用，而是从储层裂隙网络体积张开的弹-塑-粘性演化性质揭示其长效导流机制。