一种真实还原岩芯内部裂缝动态扩展的可视化实验方法与流程

1.本发明属于油气开采实验研究技术领域，涉及一种真实还原岩芯内部裂缝动态扩展的可视化实验方法。


背景技术：

2.非常规油气资源作为一种高效、优质的清洁能源，由于储层孔隙结构复杂，低渗透率、低孔隙度的特点，开采效率低。为了实现高效开采，必须采用压裂技术进行储层改造，形成人工压裂缝网以获得高导流能力的油气流动通道，因此储层内部裂缝扩展规律成为关注的焦点。
3.中国发明申请cn201910799587.x，公开了一种模拟围压条件下动态扩展粗糙裂缝网络可视化装置，提供了一种可视化大尺度可加围压、动态扩展裂缝网络支撑剂铺置装置。该装置实现了裂缝高度可变，而且裂缝的高度变化、次生裂缝的高度变化范围加大，满足了现场的复杂裂缝高度不一的缝网情况，但无法真实还原岩芯内部复杂的裂缝形态。
4.中国发明申请cn201910211886.7，公开了一种油气储层压裂缝扩展模拟动态监测系统与方法，基于真实正方体岩石切块，利用活塞对岩石试件液压加载，并借助中子照相系统所具备的实时成像功能动态监测压裂缝的延伸和扩展行为。通过中子照相系统记录压裂缝数据体，三维可视化压裂缝特征，量化表征不同时间点的压裂缝几何形态，重构压裂缝形成、延伸扩展的演化过程，但无法直接实现裂缝动态扩展过程中形态变化的实时观察和记录。
5.中国发明申请cn201710448591.2，公开了一种岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置，利用溶液槽装设饱和流体，可实现岩石在饱和流体中的实验测量，且使用过程中可通过控制压力机以改变压头的位移或施加载荷，以完成不同载荷条件下的饱水岩石裂纹扩展实验，使用方便快捷。采用防水摄像机，可实现全程记录岩石的裂缝扩展状态，实现图像数据的采集，便于后续测量和分析。
6.中国发明申请cn201610823150.1，公开了裂缝内支撑剂运移规律可视化实验装置及方法，取待模拟地层的岩板，利用三维激光扫描仪对岩板裂缝表面进行扫描，获取岩板裂缝面的三维数据；利用计算机对岩板裂缝面三维数据进行建模，通过3d打印技术打印出岩板裂缝面模具以及浇筑盒，用透明树脂浇筑出两块透明树脂缝板。
7.中国发明申请cn202010836804.0，公开了一种多簇同步压裂可视化模拟装置、系统、制造方法，通过在岩芯实验模型内部预设正方向或斜方向的初始起裂缝来模拟天然裂缝，观察多簇裂缝的流量分配和扩展形式，无法还原岩芯内部复杂的裂缝形态。
8.中国发明申请cn202011221010.x，公开了岩石裂缝模型及岩石裂缝内支撑剂运移铺置装置和方法，将真实岩石分裂成两半；在其中一半的裂面上用不透明硅树脂橡胶，在另一半的裂面上用透明塑料，通过铸造成型法形成岩石的两个部分，再将粗糙的表面贴合，两个表面之间形成裂缝，从透明部分正上方观察支撑剂运移分布。
9.中国发明申请cn201710949124.8，公开了一种页岩双重介质人造岩芯及其制备方
法，以页岩双重介质人造岩芯总质量为基准，利用多孔氧化铝薄膜模拟岩石基质，提供纳米孔隙，石英砂提供微米孔隙，提供了两种不同渗流能力的多孔介质，能够模拟微纳米尺度下页岩双重多孔介质的特性。
10.中国发明申请cn201811148768.8，公开了一种低渗致密砂岩等效三孔隙岩石物理建模方法及其应用，通过三维数字岩芯扫描将岩芯孔隙分离并确定不同孔隙类型初始纵横比，再通过等效三孔隙类型纵横比和自洽模型进行岩石物理图版建立，最后通过图版进行随机模拟和计算，输出各孔隙类型的孔隙度和最优化横波速度，以三维数字岩芯扫描和岩芯岩石物理测试数据为基础，针对低渗致密砂岩岩石建立等效三孔隙岩石物理模型，具有模型精度高、实用性和创新性的特点。
11.中国发明申请cn201610144564.1，公开了人造岩芯的制备方法和人造岩芯，采用非离子链段亲水改性的环氧树脂，由亲水改性的环氧树脂制备亲水改性的人造岩芯。
12.中国实用新型专利cn202021968999.6，公开了一种模拟地层岩芯的制备装置，制备出的模拟地层岩芯可以模拟水力压裂后射孔处的裂缝形态，裂缝成型的环境接近于真实地层环境。
13.在以往的裂缝可视化研究中，难以真实还原不同类型岩芯内部的复杂结构，同时实时观察和记录裂缝动态扩展过程的形态变化。设计一种岩芯内部裂缝动态扩展的可视化实验方法，既能真实还原不同类型岩芯内部的复杂结构，又可以实时观察和记录裂缝动态扩展过程的形态变化，成为非常规储层压裂技术研究的当务之急。


技术实现要素：

14.本发明的目的是提供一种岩芯内部裂缝动态扩展的可视化实验方法，既能真实模拟不同类型岩芯、还原其内部复杂结构，实现真实还原岩芯内部裂缝动态扩展过程，又可以实时观察和记录裂缝动态扩展过程的形态变化。为了实现这一目的，本发明的具体技术方案如下。
15.一种真实还原岩芯内部裂缝动态扩展的可视化实验方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）获取原始岩芯的三维数据；（2）获取原始岩芯的力学性能参数；（3）配制力学性能与原始岩芯相近的透明光敏树脂材料；（4）使用步骤（3）的透明光敏树脂材料，基于步骤（1）获得的原始岩芯三维数据，通过3d打印制作岩芯模型；（5）使用动力泵向岩芯模型中注入压裂液，使用压力传感器记录压力变化，使用高速摄像机记录裂缝动态扩展过程。
16.本发明通过获取原始岩芯的三维数据、力学性能参数，配制力学性能与原始岩芯相近的透明光敏树脂材料，再通过3d打印制作岩芯模型，使得岩芯模型能真实还原不同类型岩芯内部的复杂结构；同时通过压力传感器记录压力变化、高速摄像机记录裂缝动态扩展过程，可以实时观察和记录裂缝动态扩展过程的形态变化；从而尽可能真实反映岩芯内部裂缝动态扩展的过程，为研究储层内部裂缝扩展规律奠定基础。
17.进一步地，步骤（1）获取原始岩芯的三维数据的具体方法为：针对目标储层获取原
始岩芯，通过三维数字扫描技术获取原始岩芯的三维数据，重建立体真实结构，并将数据存储为stl格式。
18.进一步地，步骤（2）获取原始岩芯的力学性能参数的具体方法为：对原始岩芯开展单轴压缩实验及三轴应力实验，获取原始岩芯的相关力学性能参数。更进一步地，所述相关力学性能参数包括弹性模量及泊松比。
19.进一步地，步骤（3）的光敏树脂材料由光敏预聚体与活性稀释剂配制而成，通过调整光敏预聚体与活性稀释剂的比例，改变光敏树脂材料的力学性能参数，使其与原始岩芯的力学性能参数接近。更进一步地，光敏树脂材料预聚体包括丙烯酸酯化环氧树脂、不饱和聚酯、聚氨酯和多硫醇/多烯光固化树脂中的一种或几种，活性稀释剂为含有环氧基团的低分子量环氧化合物。活性稀释剂可以参加光敏树脂材料预聚体的固化反应，成为固化物的交联网络结构的一部分，通过单轴压缩实验及三轴应力实验获取固化物的弹性模量及泊松比数据，调节光敏预聚体与活性稀释剂的比例可以改变固化物的力学性能参数，使其与原始岩芯的力学性能相近。
20.进一步地，步骤（4）的3d打印制作岩芯模型的具体方法为：将stl格式的三维岩芯结构上传到精度为20-40微米的3d打印机中，制作过程采用逐层打印且变换打印方向的方法。具体过程可以是：先将立体结构水平放置，制作一部分岩芯结构，在将其改变放置角度，继续制作模型，通过多次改变放置角度，将岩芯模型制作完成。这样制作出来的三维实验模型具有多向异性，更加接近真实岩芯情况。在打印完毕后打磨物件表面，使外表面光滑透明。
21.进一步地，步骤（5）的压裂液带有颜色，便于观察压裂液流动。
22.进一步地，步骤（5）采用数台高速摄像机记录不同方向的裂缝动态扩展过程。
23.进一步地，步骤（5）的高速摄像机最大采集速度至少为9600fps（1s采集9600张图像）。通过对边长为40mm、材料为透明光敏树脂的正方体块开展内部压裂实验研究发现，此材料在注入压力为30-35mpa范围内出现破裂，应用最大采集速度960fps（1s采集960张图像）设备采集图像，发现全部裂缝扩展过程在0.1s的时间内完成，因此应当选择最大采集速度至少为9600fps的高速摄像机。
24.相对于现有技术，本发明具有如下有益效果:1) 根据原始岩芯的力学性能配制光敏树脂材料，利用3d打印技术制作复杂孔隙结构的岩芯实验模型，可以根据不同类型储层制作出相应的实验模型，实验模型真实还原储层的三维结构和力学性能，因而能够真实反映不同类型储层的压裂规律。
25.2) 由于光敏树脂材料获得的岩芯实验模型透明，使用带有颜色的压裂液，可以通过高速摄像机实时观察并记录裂缝动态扩展过程的形态变化。
附图说明
26.图1是实施例1的三维结构岩芯模型示意图。
27.图2是实施例1的岩芯实验模型。
28.图3是本发明的实验装置示意图。
29.图中：1、动力泵；2、压力监测仪；3、岩芯实验模型；4、高速摄像机；5、烧杯。
30.图4是实施例1的岩芯内部裂缝扩展形式。
31.图5是实施例1的裂缝扩展过程。
具体实施方式
32.下面结合说明书附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明的保护范围。
33.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或数量或位置。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.一种真实还原岩芯内部裂缝动态扩展的可视化实验方法，具体技术方案如下：1.准备阶段：（1）针对目标储层，通过三维数字扫描技术获取原始岩芯的三维数据，重建立体真实结构，将数据存储为stl格式。对原始岩芯开展单轴压缩实验及三轴应力实验，获取岩芯的弹性模量及泊松比等相关力学性能参数。
36.（2）使用力学性能与岩芯相近的透明光敏树脂材料制作三维实验模型，在材料选择中，通过调整光敏树脂材料中光敏预聚体与活性稀释剂的比例，改变材料性能参数。光敏树脂材料预聚体主要有丙烯酸酯化环氧树脂、不饱和聚酯、聚氨酯和多硫醇/多烯光固化树脂，而活性稀释剂主要是指含有环氧基团的低分子量环氧化合物，它们可以参加环氧树脂的固化反应，成为环氧树脂固化物的交联网络结构的一部分。通过单轴压缩实验及三轴应力实验获取岩芯的弹性模量及泊松比数据，使其与目标岩芯的性能相近。
37.（3）将stl格式的三维岩芯结构上传到3d打印机中，制作过程中，采用逐层打印的方法，先将立体结构水平放置，打印一部分岩芯结构，在将其改变放置角度，继续制作模型，通过多次改变放置角度，使得制作出来的三维实验模型具有多向异性，更加接近真实岩芯情况。在打印完毕后打磨物件表面，使外表面光滑透明。
38.2. 组装实验仪器如图3所示。配置合适黏度的带有颜色的压裂液，便于观察压裂液流动，置于烧杯5中。
39.3. 打开动力泵1及高速摄像机4，向岩芯实验模型3中注入压裂液，压力监测仪2记录压力变化，应用最大采集速度为9600fps的高速摄像机4记录不同方向的裂缝动态扩展过程。
40.该实验方法既能真实还原岩芯内部的复杂结构，又可以实时观察和记录裂缝动态
扩展过程的形态变化。
41.实施例1研究直井开发条件下的岩芯内部裂缝动态扩展规律，实时观察和记录裂缝动态扩展过程的形态变化。包括以下步骤：1. 准备阶段：设计40
×
40
×
40mm的正方体岩芯结构，在岩芯正上方中心处设置一长度为20mm的竖直井筒，并在井筒底部设置尖端结构，如图1所示。
42.2. 将模型数据存储为stl格式。将stl格式的三维岩芯结构数据上传到精度为30微米的3d打印机中，采用逐层打印的方法制作三维实验模型。打印材料选择力学性能与岩芯相近的透明光敏树脂材料。如图2所示。
43.3. 组装实验仪器如图3所示。配置2mpa
•
s的压裂液，置于烧杯5中。
44.4. 打开动力泵1及高速摄像机4，向岩芯实验模型3中注入压裂液，压力监测仪2记录压力变化，5. 最大采集速度为9600fps的高速摄像机4记录不同方向裂缝动态扩展过程。岩芯内部裂缝动态扩展形态如图4所示。裂缝动态扩展过程如图5所示，a、b、c反映了随着时间延长裂缝的动态扩展过程。
45.上述实验可以通过压力检测仪测得裂缝产生时的压力数据，高速摄像机实时观察和记录裂缝动态扩展形态变化。
46.实施例2研究不同类型岩芯对内部裂缝动态扩展的影响，既模拟多种类型岩芯的力学特性，真实还原岩芯内部的复杂结构，又实时观察、记录和对比压裂液对不同类型岩芯裂缝动态扩展过程中的形态变化差异。包括以下步骤：1.准备阶段：（1）选择三种目标储层：砂岩储层、页岩储层及碳酸盐岩储层，通过三维数字扫描技术获取原始岩芯的三维数据，重建立体真实结构，数据存储为stl格式。分别对三种目标储层开展单轴压缩实验及三轴应力实验，获取岩芯的弹性模量及泊松比等相关力学性能参数。
47.（2）使用力学性能与岩芯相近的透明光敏树脂材料制作三维实验模型，在材料选择中，由于砂岩储层、页岩储层及碳酸盐岩储层不同的力学性能，通过调整光敏树脂材料中光敏预聚体与活性稀释剂的比例，改变材料性能参数。光敏树脂材料预聚体主要有丙烯酸酯化环氧树脂、不饱和聚酯、聚氨酯和多硫醇/多烯光固化树脂，而活性稀释剂主要是指含有环氧基团的低分子量环氧化合物，它们可以参加环氧树脂的固化反应，成为环氧树脂固化物的交联网络结构的一部分。光敏树脂材料中光敏预聚体与活性稀释剂的比例不同，制作出的岩芯模型的力学性能有很大差别。通过单轴压缩实验及三轴应力实验获取岩芯的弹性模量及泊松比数据，使其与目标岩芯的性能相近。
48.（3）将stl格式的三维岩芯结构数据上传到精度为30微米的3d打印机中，制作过程中，采用逐层打印的方法，先将立体结构水平放置，打印一部分岩芯结构，在将其改变放置角度，继续制作模型，通过多次改变放置角度，使得制作出来的三维实验模型具有多向异性，更加接近真实岩芯情况。在打印完毕后打磨物件表面，使外表面光滑透明。
49.2. 组装实验仪器如图3所示。
50.3. 配置2mpa
•
s的带有颜色的压裂液，便于观察压裂液流动，将压裂液置于烧杯5中。
51.4．打开动力泵1及高速摄像机4，向岩芯实验模型3中注入压裂液，压力监测仪2记录压力变化，高速摄像机4（最大采集速度为9600fps）记录不同方向的裂缝动态扩展过程的形态变化。
52.上述实验通过压力检测仪测得裂缝产生时的压力数据，高速摄像机实时观察和记录裂缝动态扩展形态变化，既能模拟多种类型岩芯的力学特性，真实还原岩芯内部的复杂结构，又可以实时观察、记录和对比压裂液对不同类型岩芯裂缝动态扩展过程中的形态变化差异。
53.实施例3研究不同黏度压裂液对岩芯内部裂缝动态扩展的影响，实时观察、记录和对比不同黏度压裂液对裂缝动态扩展过程的差异。包括以下步骤：1. 准备阶段：（1）针对目标储层，通过三维数字扫描技术获取原始岩芯的三维数据，重建立体真实结构，数据存储为stl格式。对目标岩芯开展单轴压缩实验及三轴应力实验，获取岩芯的弹性模量及泊松比等相关力学性能参数。
54.（2）使用力学性能与岩芯相近的透明光敏树脂材料制作三维实验模型，在材料选择中，通过调整光敏树脂材料中光敏预聚体与活性稀释剂的比例，改变材料性能参数。光敏树脂材料预聚体主要有丙烯酸酯化环氧树脂、不饱和聚酯、聚氨酯和多硫醇/多烯光固化树脂，而活性稀释剂主要是指含有环氧基团的低分子量环氧化合物，它们可以参加环氧树脂的固化反应，成为环氧树脂固化物的交联网络结构的一部分。通过单轴压缩实验及三轴应力实验获取岩芯的弹性模量及泊松比数据，使其与目标岩芯的性能相近。
55.（3）将stl格式的三维岩芯结构数据上传到精度为30微米的3d打印机中，制作过程中，采用逐层打印的方法，先将立体结构水平放置，打印一部分岩芯结构，在将其改变放置角度，继续制作模型，通过多次改变放置角度，使得制作出来的三维实验模型具有多向异性，更加接近真实岩芯情况。在打印完毕后人工打磨物件表面，使外表面光滑透明。
56.2. 组装实验仪器如图3所示。
57.3. 配置2mpa
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s、10mpa
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s、20 mpa
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s、30 mpa
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s、50 mpa
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s、70 mpa
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s、90 mpa
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s、110 mpa
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s、130 mpa
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s的带有颜色的压裂液，便于观察压裂液流动，将压裂液置于烧杯5中。
58.4． 打开动力泵1及高速摄像机4，向岩芯实验模型3中注入压裂液，压力监测仪2记录压力变化，高速摄像机4（最大采集速度为9600fps）记录不同方向的裂缝动态扩展过程的形态变化。
59.上述实验通过压力检测仪测得裂缝产生时的压力数据，高速摄像机实时观察和记录裂缝动态扩展形态变化，既能真实还原岩芯内部的复杂结构，又可以实时观察、记录和对比不同黏度压裂液对裂缝动态扩展过程中的形态变化差异。
60.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。本发明的保护范围由权利要求书及其等同技术方案限定。