多簇水力裂缝起裂与扩展物理模拟试验系统研制及验证

水平井分段多簇压裂技术是开发页岩气藏的核心技术手段,为真实模拟多簇压裂过程,了解段内多裂缝扩展规律及相互干扰机制,研制多簇水力裂缝起裂与扩展物理模拟试验系统。该试验系统在已有大型真三轴水力压裂试验系统的基础上设计多通道压裂井筒、复合包裹层状人工试样,增加多簇分流与监测系统、应变监测系统,具体特点如下:(1)多通道压裂井筒可设置若干个相互独立的射孔簇起裂位置,并确保各射孔簇位置充分起裂扩展;(2)综合考虑试验机容许最大试样尺寸、裂缝扩展路径最大化、缝间应力干扰、裂缝起裂扩展后的压力保持、层理影响等因素,制备边长500 mm的复合包裹层状人工压裂立方体试样;(3)多簇分流与监测系统能够对各簇通道瞬时流量、压力、累积注入体积实时监测,有助于了解各簇通道间的流量竞争及分配机制;(4)应变监测系统可实时监测记录压裂过程中各射孔簇及裂缝扩展路径周围岩体的变形特征,能够进一步探究水力裂缝的断裂行为;(5)该系统不仅能够模拟多簇裂缝起裂与扩展,也能够选择性关闭充分进液扩展的若干通道,模拟现场初次压裂后投球暂堵再次压裂的工艺。开展的真三轴多簇压裂试验验证了该系统的有效性,试验结果表明,后续起裂的射孔簇破裂压力呈逐渐增大的趋势,改造面积呈减小的趋势。该试验系统的研制为研究分段多簇压裂技术提供了新方法,可推进对多簇水力裂缝起裂与扩展规律及缝间应力干扰机制的深入研究。

饱水红砂岩裂隙冻胀力与变形试验研究

高寒高海拔地区常年受冻融循环作用影响,裂隙岩体冻胀现象普遍存在。为探究冻胀力在裂隙冻胀变形中的演化规律,揭示裂隙岩石的冻胀损伤机制,利用分布式压力薄膜传感器、温度传感器和应变仪组成的测试系统,对不同裂隙宽度的饱和裂隙红砂岩试样的冻融过程进行实时全面监测,获得裂隙冻胀力、温度和裂隙应变随时间变化的曲线。试验结果表明:在冻融过程中,饱水裂隙红砂岩裂隙内20 mm处出现恒温平台,标志着裂隙水发生冻结,且裂隙宽度越大,恒温平台出现时刻越早;岩石表面应变与温度变化拐点同步,裂隙应变拐点滞后于温度拐点,但裂隙应变与最大冻胀力的变化同步;在恒温平台出现时,岩石表面应变快速上升,主要是岩石骨架收缩和岩石孔隙水冻胀共同作用引起的;岩石表面温度变化比裂隙内温度变化更快,导致裂隙水的冻胀有所滞后;在融化过程,冻胀力和应变均再次爬升,并出现次高点;对于宽度在2~4 mm范围内的裂隙,最大冻胀力峰值随着裂隙宽度增大而增加;在整个冻融过程中,冻胀力的分布是不规则的、冻胀力由四周向内部递增,四周的冻胀力大小基本保持不变;冻融机制分析表明:岩块周边首先形成冻结层,然后裂隙水发生冻结逐渐形成冰塞,当冰塞不再滑移、达到完全密闭状态,裂隙应变急速上升、冻胀力骤然上升到最大值,裂隙尖端应力集中,产生微裂纹。在融化时,岩石表面融化,裂隙内产生二次冻胀。试验初步分析了裂隙岩体中孔隙水和裂隙水的冻结规律,为合理分析裂隙岩体冻胀损伤机制提供依据。