⑴ 高溫鑽井液檢測儀器國內外發展現狀
3.3.1 高溫高壓流變儀
高溫流變性是高溫鑽井液的重要參數之一，直接影響鑽速、泵壓、排量、懸浮及攜帶岩屑、井眼清潔、井壁穩定、壓力波動及固井質量等，因此國內外非常重視高溫流變儀的研發。典型生產商為美國Fan公司、OFI公司、Grace公司等。其典型產品有如下。
3.3.1.1 OFITE1100高溫加壓流變儀
美國OFI公司研製生產的OFITE1100高溫加壓流變儀是一個全自動測試系統，能夠根據剪切力、剪切速率、時間、壓力、溫度等參數來准確測試壓裂液、完井液、鑽井液、水泥漿的流變特性，並實時顯示和同步記錄剪切應力、剪切率、轉速、壓力、容池和樣品溫度。可以在實驗室使用也可以在野外使用，可選擇防水移動箱，帶輪子，移動方便。OFITE高溫高壓流變儀壓力可達到18MPa，溫度可到260℃，最低0℃。另外還有冷卻系統，冷卻樣品（圖3.1）。
圖3.1 OFITE 1100高溫加壓流變儀
獨特的ORCADA（OFITE R（流變儀）C（控制）and D（數據）A（採集）），軟體簡單。全新的KlikLockTM快速鏈接技術與重新設計的樣品杯相結合，便於拆卸和維修。全新的SAFEHEATTM系統是一個安全、精確、環境友好、高效的空氣傳輸加熱系統，使得操作更安全簡單，清洗更快速。
3.3.1.2 OFITE高溫高壓流變儀
根據剪切力、剪切速率、時間和壓力直到207MPa和溫度最高至260℃條件，全自動系統准確測定完井液、鑽井液、水泥漿的流變特性。選配冷水系統後，可使測試系統適應於需要冷卻的測試樣品，進一步增加了儀器的應用范圍（圖3.2）。
圖3.2 OFITE高溫高壓流變儀
使用羅盤來測定扭矩附件頂部磁鐵的轉動。如果沒有對儀器進行補償，防護罩內動力驅動磁鐵的影響。地球磁場的影響、防護罩磁性的影響、彈簧非線性的影響、實驗室磁場和材料的影響、非理想流體流動的影響、產品結構微小變化的影響等綜合結果使測定角度顯示非線性關系。計算機可以容易地完成這些影響的補償。
3.3.1.3 Ceast毛細管流變儀
毛細管流變儀分為單孔型和雙孔型，應用於熱塑性聚合物材料的質量控制和研發工作。在CeastVIEW平台下，通過VisualRHEO軟體控制儀器。可實現以任意恆剪切速率或活塞桿速度測量。雙孔料筒結構獨立採集分析每個孔所測得的試驗數據。可選各種專用的軟體。可選配多種測量單元：熔體拉伸試驗、口模膨脹、狹縫口模。PVT、半自動清洗等。Rheologic系列：最大力50kN；速度比1∶500000；活塞速度0.0024～1200mm/min。工作溫度50℃～450℃（選配500℃），有兩個PT100感測器控制。可快速更換的載荷感測器（范圍：1～50KN），壓力感測器范圍3.5～200MPa（圖3.3）。
圖3.3 毛細管流變儀
3.3.1.4 Haake RV20/D100高溫高壓黏度儀
Haake RV20/D100該高溫加壓旋轉黏度計的使用上限為203kPa（1400psi）和300℃，它由兩個固定在加熱器上的同軸圓筒組成。外筒用螺栓固定在加熱器（高壓釜）的頂部，內筒支承在滾珠軸承上（外筒通過軸承將內筒托住）。內筒或轉筒靠磁耦合與一個Rotovisco RV 20相連接。內筒作為轉子，釜外的驅動機構通過電磁耦合帶動內筒轉動；內筒通過電磁耦合將其所受的轉矩傳遞給釜外的驅動機構，使其轉過一個角度（圖3.4）。
圖3.4 Haake RV20/D100剪應力測試原理
可用計算機控制來自動描繪流變曲線。該儀器在0s-1～1200s-1范圍內可連續變化，並且自動進行數據分析。施加在轉軸上的扭矩可被反應靈敏的電扭力桿測得。測量電扭力桿扭轉的角度即為所施加的扭矩值。剪切應力可由扭矩值通過合適的剪切應力常數來計算得出。
3.3.1.5 美國Grace公司專利產品MODEL 7400/M7500
M7400流變儀包含250mL的漿杯總成，安裝在儀器加壓的測試釜體內，漿杯易於取出，方便漿杯裝樣和清洗。流變儀可配備不同的內筒/轉子（外筒）組合，提供了不同的測量間隙尺寸。轉子（外筒）按需要的速度圍繞內筒轉動，由於內筒和轉子（外筒）之間的環型區域內的液體被剪切，傳導到內筒上的扭矩用一個應力表類型的扭矩感測器測量（圖3.5）。
圖3.5 M7400流變儀
儀器加壓用一個空氣驅動液壓泵，礦物油作為壓力介質，連接到高壓泵上的可編程壓力控制器控制壓力的升壓和保壓，漿杯下的葉輪循環流動壓力油改善溫度控制效果，葉輪也用於提供均勻的樣品加熱效果，溫度控制採用一個連接到內部4000W加熱器和熱電偶的溫度控制器控制，漿杯中心內筒頂部的熱電偶用於測量實際樣品溫度，馬達驅動轉子（外筒）在一定速度范圍內轉動，樣品黏度根據測量出來的剪切應力和剪切速率計算出來。
M7500是專為復雜樣品進行簡單測試而設計的高溫、超高壓、低剪切、自動、數字流變儀。該儀器專利的測量機構設計消除了昂貴和易損的寶石軸承，可以進行大范圍的測量。由於它獨特的設計，使其便於維護並大大簡化了操作流程。基於微軟資料庫作為支持友好的用戶界面，測試結果自動化的壓力，速度和溫度控制，使實驗結果更加精確和一致，標準的API實驗可由觸摸式LCD屏幕或者在計算機上單擊滑鼠來實現（表3.5）。
表3.5 M7500技術參數
M7500與其他同類產品相比，測試時間短且更容易操作；它不含有易碎和昂貴的精密軸承，維修成本低；最先進的速度控制使得低剪切率測試成為可能，自動剪切應力校準在很大程度上簡化了操作程序。
3.3.1.6 Fann流變儀
（1）Fann稠度儀
Fann稠度儀是一種高溫高壓儀器，試驗的泥漿在套筒內承受剪切，其最高工作壓力和溫度分別為140MPa和260℃，其測量原理見圖3.6。它通過安裝在樣品釜兩端的兩個交替充電的電磁鐵產生的電磁力，使軟鐵芯作軸嚮往復運動。存在於運動鐵芯與樣品釜釜壁之間的環形間隙內的泥漿受到剪切，泥漿黏度越高，鐵芯運動越緩慢，從一端運行到另一端所用的時間也就越長，泥漿的相對黏度就用鐵芯的運行時間來衡量。Fann稠度儀不能測量絕對黏度，通常將其結果作為相對黏度。這是因為電磁鐵施加給鐵芯的是一個不變的力，使鐵芯在被測泥漿中從速度為零加速至終速度，在常用的泥漿中鐵芯不能總是勻速運動，因此不能按不變的或確定的環空剪率進行分析。在實際使用中，常用於測量水泥漿的稠度。
圖3.6 Fann稠度儀原理圖
（2）Fann 50C高溫高壓流變儀
Fann50C高溫高壓流變儀是高溫高壓同軸旋轉式黏度計，其最高工作壓力和溫度為7MPa和260℃，其剪應力測量原理如圖3.6。泥漿裝在兩個圓筒的環狀間隙里，外筒可用不同轉速旋轉。外同在泥漿中旋轉所形成的扭矩，施加在內筒上，使內筒轉過一個角度。測量這一角度，即可確定其剪應力值。測量數據用X-Y記錄儀以曲線形式輸出。其轉速可在1～625r/min范圍內無級調速。
Fann 50C早期產品由壓力油提供壓力，適合於作水基泥漿的高溫高壓流變性測試，壓力油對油基泥漿試驗結果影響較大。Fann 50C中期產品有兩種形式，既可由壓力油提供壓力，也可由高壓氮氣或空氣提供壓力。近期產品則只有由高壓氣源提供壓力一種形式。採用氣壓形式後，就不存在壓力油對泥漿污染和對測試結果的影響。
（3）Fann 50SL高溫流變儀
50SL是Fann 50C的改進型產品，它在Fann50C原有結構基礎上，新增加了壓力感測器，冷卻水電磁閥和遠程式控制制器（RCO），是一款高精度的同軸旋轉型黏度計，該儀器具有廣泛的通用性，可解決多種黏度測試問題或完成許多程序測試，Fann 50SL（圖3.7）可以測試特殊剪切速率下的流體的流變特性，如賓漢塑性流體和假塑性流體（包括冪律流體）和膨脹性流體，觸變性和膠凝時間也可以測試出來，實驗可以在剪切率、溫度和壓力精確控制的狀態下進行。
該黏度計可以測試出剪切力-剪切率值，也可得到在流變狀態下的剪率特性，通過選擇合適的扭簧、內筒和外筒可得到很寬的黏度測量范圍（量程從50到64000dyn/cm2之間的剪力范圍）。
最高溫度260℃，壓力7MPa（1000psi）條件下的測試。使用該儀器必須在連接遠程式控制制器和一台合適的電腦的條件下，其控制操作由儀器將感測器信號通過介面傳送到計算機，計算機再把正確的控制信號輸出給Fann 50SL。加熱、施壓和轉子速度的控制由專門軟體的輸入來控制。在各種剪切速率下的表觀黏度、時間依賴性、連續剪切和溫度效應引起的變化等可快速而准確地測定。50SL是一般流變特性，包括鑽井液高溫穩定性測定的理想儀器。唯一不足的是該控制軟體中不具備將曲線在列印機上輸出的功能。
（4）Fann 75流變儀
主要用來測量不同溫度、壓力和剪切速率下鑽井液的剪切應力、黏度。最高測量溫度為260℃，最高測量壓力為138MPa，儀器如圖3.8所示。
該儀器同其他「旋轉」式流變儀工作原理一樣，轉子/浮子組合如圖所示。
（5）Fann IX77流變儀
范氏IX77型全自動泥漿流變儀（圖3.9）是第一台在高壓（30000Psi）和高溫（316℃）的極端條件下測量流體流變性的全自動流變儀。另外，如果配上一個軟體控制的製冷器可以使實驗在室溫以下的溫度進行。
圖3.7 Fann 50SL高溫流變儀
圖3.8 Fann 75流變儀
該儀器是同軸圓筒測量系統，它使用一個精密的磁敏角度感測器來檢測內嵌寶石軸承的彈簧組合的角度，感測器系統可以校準到±1℃。電機轉速實現了0～640r/min無級調速的全自動控制。
儀器的特點在於藉助內嵌微電腦和巧妙的機械及電路設計而帶來的非常安全的傳動機構。它的軟體使儀器的操作、數據採集、輸出報告和報警功能自動進行，最大限度的擴展其應用范圍，給操作帶來較大的靈活性。
IX77禁止用於測試具有赤鐵礦、鈦鐵礦、碳酸鐵成分的或者含有磁性的活亞鐵成分的混合物、溶液、懸浮液和試劑的樣品。
其他高溫高壓流變儀如Chandler 7400（工作極限條件：140MPa和205℃）和Huxley Burtram（105MPa和260℃）與以上類型工作原理相似。
圖3.9 Fann IX77 流變儀
3.3.2 高溫高壓濾失儀
泥漿在鑽井時向地層滲濾是一個復雜的過程，影響因素較多，它包括在泥漿液柱壓力和儲層壓力之間的壓差作用下，發生的靜止濾失。包括在該壓差下，泥漿在流動狀態下的動濾失，這種流動是由泥漿循環時的返流和鑽柱旋轉時的旋流所引起，它對井壁過濾面產生沖刷作用，影響了滲濾的過程。
高溫高壓濾失儀是一種在模擬深井條件下，測定鑽井液濾失量，並同時可製取高溫高壓狀態下濾失後形成的濾餅的專用儀器。溫度和壓力在濾出液控制中起著很大的作用。
3.3.2.1 海通達高溫高壓濾失儀
（1）GGS系列（圖3.10；表3.6）
圖3.10 GGS-71型高溫高壓濾失儀
表3.6 GGS系列儀器參數
其中GGS42-選用單孔單層活網鑽井液杯，濾網目數50。
GGS42-2和GGS71-A使用不銹鋼外殼，添加特殊保溫層，熱傳遞效率高，選用通孔單層活網鑽井液杯，濾網目數50；GGS42-2A和 GGS71-B使用不銹鋼外殼，添加特殊保溫層，熱傳遞效率高，選用通孔單層活網鑽井液杯，濾網目數60，有獨立溫度控制系統，採用國外先進的電子溫控器。
（2）HDF-1型高溫高壓動態濾失儀
HDF-1型高溫高壓動態濾失儀克服了靜態濾失儀的不足，使測試結果更加接近井下實際情況。該儀器由電機驅動的主軸帶動杯體內的螺旋葉片對鑽井液進行攪拌。通過SCR控制器控制變速電機，數字顯示主軸轉速（表3.7；圖3.11）。
表3.7 儀器的主要技術參數
圖3.11 HDF-1型濾失儀
3.3.2.2 OFI公司高溫高壓動態全自動失水儀
OFITE高溫高壓動態失水儀在動態鑽井條件下測量濾失特性。馬達驅動裝配有槳葉的主軸在標准500mL HTHP泥漿池中旋轉，轉速設置范圍為1～1600r/min，模擬鑽井液高溫高壓池中以層流或紊流形式流動。測試方式完全和標準的高溫高壓濾失儀一樣，唯一的差異為濾出物收集時鑽井液在高溫高壓池中流動循環。由於濾失介質為普通的圓盤（disk）材質，因此測定結果跟別的或以往的有充分的可比性，該儀器能夠和電腦相連，並自動畫出曲線。最高壓力8.6MPa，最高溫度260℃（圖3.12）。
圖3.12 OFI高溫高壓動態濾失儀
技術特徵：①一款分析轉動中鑽井液的真正循環濾失儀；②變速馬達，1/2Hp永久磁鐵，直流；③池頂帶蓋得以輔助管路連接，移去堵頭，可以添加額外的鑽井液添加劑；④安全校正的防爆片，保證過壓安全；⑤馬達和轉動主軸轉動轉速操作保證1∶1；⑥可調螺旋槳改變到濾失介質距離；⑦可調熱電偶溫度38～260℃；⑧可選的濾失滲透性濾片；⑨500mL容積的不銹鋼高壓池。
3.3.2.3 美國Fann高溫高壓動態全自動失水儀
Fann90高溫高壓動態失水儀使用人造岩心濾筒，濾液從岩心濾筒側壁濾出，能很好地模擬鑽進過程中鑽井液從井壁濾失的過程，不但能測試在一段時間內累積的濾液量，而且可以繪制濾液隨時間變化的濾失曲線。Fann90的最高工作壓力可達17.2MPa，最高工作溫度260℃。該儀器可與電腦和列印機連接，自動化程度高，操作方便，是當前最先進的高溫高壓動態失水儀（圖3.13）。
圖3.13 Fann90 高溫高壓動失水儀
3.3.2.4 LH-1型鑽井液高溫高壓多功能動態評價實驗儀
「抗高溫高密度水基鑽井液作用機理及性能研究」的多功能動態評價實驗儀，是一種鑽井液用智能型多功能動態綜合評價實驗儀。該儀器能模擬鑽井過程中的井下情況評價鑽井液性能，並將鑽井液多項高溫高壓性能評價實驗集於一體，達到一儀多用的目的（圖3.14）。
圖3.14 鑽井液多功能動態綜合測試儀實物圖
該儀器可以進行高溫高壓靜/動態濾失、高溫高壓鑽屑分散、高溫高壓動態老化等若干項實驗，採用電腦工控機控制實驗過程，實時顯示實驗狀態、自動採集、處理、顯示實驗數據，實現智能化實驗操作。
儀器主要技術指標：工作溫度0～300℃；工作壓力0～40MPa；轉速0～1200r/min，無級調速；釜體容積800mL；冷卻速率200℃～室溫/10min。
3.3.3 高溫滾子爐
溫度的影響對鑽井液在鑽井內的循環是非常重要的。熱滾爐的作用是評定鑽井液循環與井內時溫度對鑽進的影響。
高溫滾子爐包括爐體、滾筒及滾筒帶動的陳化釜。陳化釜設有一釜體，釜體上部設有釜蓋，釜體與釜蓋之間設有密封蓋，釜蓋上垂直於釜蓋設有壓緊螺栓，將密封蓋與釜體壓緊。密封蓋與釜體之間設有密封環，所述的密封環為四氟乙烯材質。覆蓋上設有排氣閥，排氣閥穿過密封蓋與釜腔相通，排氣閥兩端設有O型密封圈，密封圈為四氟乙烯材質。釜蓋與釜體上設有支撐環，支撐環為四氟乙烯材質，爐門邊緣設有密封墊，密封墊為四氟乙烯材質。該滾子爐耐高溫、密封效果好，而且體積小、安全系數高，便於使用。
3.3.3.1 青島海通達XGRL-4高溫滾子爐
滾子爐是一種加熱、老化裝置。採用微處理器智能控制技術，直接設定，數字面板顯示，並可進行偏差指示。適用范圍為50～240℃，滾子轉速為50r/min（圖3.15）。
圖3.15 XGRL-4型高溫滾子爐
該滾子爐採用鋼架結構、硅酸鋁保溫層、不銹鋼外殼；滾筒採用優質金屬材料滾筒和框架、四氟石墨軸承，重量輕、轉動平穩；其加熱系統採用兩根700W加熱管加熱；動力系統由大功率調速電機鏈帶動滾子轉動，傳動平穩可靠、噪音低；溫控部分採用智能儀表設定、顯示和讀出，恆溫准確，溫度超限自動斷開加熱電源，並發出聲光報警。定時部分定時關機。
3.3.3.2 OFFIE 滾子爐
美國OFI公司，五軸高溫滾子爐。適用范圍為50～300℃，滾子轉速為50r/min（圖3.16，圖3.17）。
圖3.16 OFFIE滾子爐
圖3.17 老化罐
3.3.3.3 Fann 701滾子爐
美國Fann公司的Fann 701型五軸高溫滾子爐，適用范圍為50～300℃，滾子轉速為50r/min（圖3.18）。
圖3.18 Fann滾子爐
3.3.4 其他高溫高壓評價儀器現狀
3.3.4.1 高溫高壓堵漏儀
高溫高壓堵漏儀主要是用來模擬高溫高壓條件下進行堵漏材料實驗，對一套泥漿系統既可以做填砂床實驗又可以做縫板實驗，還可以做岩心靜態污染實驗以及測量堵漏層形成後抗反排壓力的大小。如：JHB高溫高壓堵漏儀由加壓部分、加溫部分、縫板模擬部分等組成。參看圖3.19～圖3.22。
圖3.19 高溫高壓堵漏儀實物圖
圖3.20 高溫高壓堵漏儀結構圖
圖3.21 實驗縫板實物圖
圖3.22 實驗用滾珠及套筒實物圖
3.3.4.2 高溫高壓膨脹儀現狀
膨脹儀是評價黏土礦物膨脹性能的重要試驗儀器，主要用於防塌泥漿及處理劑的研究方面。通過電腦回執曲線可准確測定泥頁岩試樣在不同條件下的膨脹量和膨脹率。用以評價不同的防塌處理對頁岩泥水化的抑制能力，並針對不同的地層及不同組分的泥頁岩選擇適用的處理劑，以控制、削弱泥頁岩的水化膨脹進而防止可能出現的坍塌、卡鑽等事故的發生。
常溫常壓膨脹儀不能模擬井下條件下黏土的膨脹情況和加入黏土抑制劑後對黏土的防膨脹效果。
（1）HTP-C4高溫高壓雙通道膨脹儀
HTP-C4型高溫高壓單通道膨脹量儀，能較好模擬井下溫度（≤260℃）和壓力（≤7MPa）條件下，測試頁岩的水化膨脹特性，為石油鑽井井壁穩定性研究、評價和優選防塌鑽井液配方提供了一種先進的測試手段。HTP-C4型頁岩膨脹儀採用非接觸式高精度感測器，電腦監控記錄，性能穩定，測試范圍大，無漂移，通電即可使用，兩個樣品可同時測量（表3.8；圖3.23）。
表3.8 儀器的主要技術參數
圖3.23 HTP-4型高溫高壓單通道膨脹儀
（2）JHTP非接觸式高溫高壓智能膨脹儀
高溫高壓膨脹儀雖然能模擬井下溫度和壓力條件，但其使用的是接觸式線性位移感測器，這種接觸式感測器受膨脹腔結構的影響，在高壓密封和位移之間產生矛盾，使黏土的線性膨脹量不能得到真實的反映，因為增大了試驗誤差。
圖3.24是一種非接觸式高溫高壓智能膨脹儀結構圖。它由加熱體、實驗腔體、腔蓋、腔體、腔身、圓鐵餅、非接觸式位移感測器、試驗液體加入口、加壓孔、前置器、數據採集器及輸出設備組成。它是利用非接觸式位移感測器與圓鐵餅之間的距離隨黏土餅膨脹時提高變化而變短，而改變感測器的輸出電壓，使數據採集器得到實驗參數，達到在室內評價黏土礦物的膨脹性能。克服了現有膨脹儀不能真實和准確地描述井下條件黏土的膨脹情況、實驗誤差大、加入抑制劑後對黏土的防膨脹效果不能預計的問題。結構簡單，操作方便，實驗數據准確。
圖3.24 JHTP非接觸式智能膨脹儀結構
3.3.4.3 高溫高壓黏附儀
該儀器可測定鑽井液在常溫中壓（0.7MPa）及在常溫高壓（3.5MPa）條件下濾失後形成濾餅的黏附性能，同時還可測試鑽井液樣品在高溫（～170℃）高壓（3.5MPa）條件下濾失後形成濾餅的黏附性能。黏附盤加壓方式為氣動（圖3.25）。
3.3.4.4 高溫高壓腐蝕測定儀
OFI高溫高壓腐蝕測試儀是用於測試金屬試樣在高溫高壓動態條件下對各種腐蝕液體的反應速率。該系統主要由壓力釜、控制儀表及閥門、樣品支架和試樣玻璃器皿組成。
壓力釜採用特製的合金鋼材料，最大工作壓力34.5MPa，最高溫度可達204.4℃。壓力釜及內部樣品由熱電偶加溫。加熱速率范圍為2.5℉/min到3℉/min。機箱內包括一個馬達用以搖動測量支架，一台高壓泵用於提供系統壓力。系統設有安全裝置，包括安全警報等。
圖3.25 GNF-1型黏附儀
⑵ CT掃描火山岩水力裂縫擴展物理模擬研究
孫志宇 劉長印 李宗田
（中國石化石油勘探開發研究院，北京 100083）
摘 要 採用大尺寸真三軸實驗系統及CT掃描裂縫監測方法，直觀有效地觀察了微裂縫、孔洞發育的大尺寸火山岩露頭岩樣水力裂縫擴展規律，分析了不同主應力差、岩石孔隙、天然裂縫發育程度對火山岩壓裂裂縫擴展的影響，該方法在國內外尚屬首次。實驗結果表明，火山岩質地堅硬，難以壓開，壓裂過程中具有明顯的泵壓波動；裂縫擴展總體上受水平主應力狀態控制，但天然裂縫空間位置、長度、熔孔發育程度及岩石特性會影響裂縫起裂、延伸壓力及裂縫形態，形成復雜的裂縫系統：井筒附近的天然裂縫、孔洞會改變水力裂縫起裂次序及擴展方向，而火山岩獨有的岩石特性又會使裂縫的空間展布較為扭曲。
關鍵詞 CT掃描 裂縫擴展 物理模擬 火山岩
Research of Physical Modelling on HydraulicFracture Propagation by CT Scan in Volcanic Rocks
SUN Zhiyu，LIU Changyin，LI Zongtian
（SINOPEC Exploration ＆ Proction Research Institute，Beijing 100083，China）
Abstract Applying triaxial experimental system and CT scan monitoring method，the propagation rule of hydraclic fracture in large-size volcanic outcrop rock sample with lots of micro-cracks and holes can be observed effectively，also the effects of stress difference，rock pores and nature fractures on hydraclic fracture propagation can be analyzed，which is first used all over the world.The results show that，the volcanic rock is very hard to crack，and the pump pressure fluctuates obviously in the treatment；the fracture propagation is mainly controlled by horizontal principle stress but nature fractures location and length，rock pores size and rock characteristics also have significant effects on fracture initiation，extension and fracture geometry to cause complex fracture system. Nature fractures and pores near wellbore may change the direction of fracture and the special rock characteristics of volcanic rock may cause the fracture tortuous.
Key words CT scan；fracture propagation；physical modelling；volcanic rock
針對大尺寸岩樣水力壓裂裂縫起裂和延伸的實驗研究，前人做了大量的工作，取得了一定的成果［1～9］，但是，這些實驗都是針對均質的水泥塊砂岩，不能用來反映火山岩壓裂裂縫起裂、延伸規律，而且在對室內的水力壓裂物理模擬實驗壓裂裂縫的監測方面，傳統的方法雖然可行，但都具有一定的局限性。最常規的觀測方法是在壓裂後用鋼鋸、鐵釺等工具將試樣劈開，從而觀測裂縫的形狀［5～9］。這種方法有兩個缺點：一是在劈裂的過程中，原有的裂縫勢必會遭到破壞，或者在原有的裂縫基礎上產生新的裂縫，極大地影響了實驗結果的准確性；二是在多裂縫的觀測方面，常規壓裂後的觀測方法是沿著主裂縫劈開試樣，其結果是只能對主裂縫面進行觀測，而其他的裂縫均遭到破壞。利用CT掃描儀和紅外線熱成像等技術對裂縫進行監測能夠克服以上實驗方法的弊端，直觀、有效地觀測到裂縫的擴展形態，分析主應力差、岩石孔隙、天然裂縫發育程度對火山岩壓裂裂縫的影響，探索與火山岩多裂縫、縫洞型油藏特點相適應的壓裂裂縫起裂、延伸機理，指導火山岩現場壓裂優化設計。
1 模擬試驗
1.1 試驗設備
試驗採用中國石油大學（北京）設計組建的大尺寸真三軸模擬系統，該系統可以模擬真實地層條件下水力裂縫的起裂和擴展機理。模擬壓裂試驗系統由大尺寸真三軸試驗架、MTS伺服增壓泵、數據採集系統、穩壓源、油水隔離器及其他輔助裝置組成，如圖1所示。
圖1 試驗設備及流程
1.2 岩樣採集與制備
實驗採用的火山岩樣來自於採集的松南火山岩現場露頭，考慮到CT掃描設備的穿透尺寸，共制備200mm×200mm×200mm大尺寸岩石樣品10塊，取噴溢相上部亞相流紋岩、噴溢相下部亞相凝灰岩各兩塊進行實驗，圖2、圖3分別為制備的流紋岩及凝灰岩岩樣。室內測定流紋岩的單軸抗壓強度為265 MPa，楊氏模量為45.50GPa，泊松比為0.24，而凝灰岩的單軸抗壓強度為172MPa，楊氏模量為35.25 GPa，泊松比為0.23，均高於常規砂岩，說明火山岩質地堅硬，脆性較強，延展性小。
圖2 制備的流紋岩岩樣
圖3 制備的凝灰岩岩樣
1.3 實驗步驟
1）在實驗岩樣的正中鑽出直徑為14mm的井眼，井眼深度為140mm，然後把模擬井筒放入其中，用ETA公司生產的VMZ345型強力膠黏劑膠結，中間留出10mm的裸眼段便於水力裂縫的起裂。
採用水基胍膠溶液作為壓裂液，壓裂液中添加了紅色示蹤劑，壓裂液的質量分數為1％，壓裂液的黏度為135mPa·s（600轉/min），壓裂液排量為4.2×10-9m3/s，4塊岩樣實驗垂向壓力都為20MPa，兩個水平向圍壓根據實驗岩樣的不同而不同。
2）將岩樣放置於真三軸模擬壓裂試驗架上，調整好位置，在岩樣周圍加上壓力板，用起吊機將頂板放置於岩樣頂部。
3）連接液壓穩壓源、壓力板之間的管線；連接頂板（模擬井筒）、油水分離器、MTS液壓源之間的管線；在三向模擬壓裂裝置的周圍液壓板上布置好聲發射監測探頭。
4）開啟液壓穩壓源，選取其中的兩個通道，根據不同的實驗要求，手動將通道壓力增至預定壓力。
5）將制備好的壓裂液放入油水分離器。
6）開啟MTS伺服增壓器，開啟與MTS控制器連接的計算機端注入壓力控制系統和數據採集系統。
7）緩慢增加註入壓力，觀察壓力注入系統和數據採集系統。觀察壓力-時間曲線和排量-時間曲線，判斷試樣破裂後停泵，並關閉液壓穩壓源，卸掉圍壓。
2 結果與討論
2.1 岩樣1實驗
岩樣1使用的是火山流紋岩，試驗過程中垂向與水平圍壓分別為20、15、10MPa。
圖4為岩樣1的泵注壓力曲線，壓力曲線呈現明顯波動形式，且幅度很大，初始壓裂峰值壓力達到了60MPa，之後峰值壓力不斷下降，壓力曲線的下降說明壓裂液進入較大的孔洞或使天然裂縫張開，當孔洞或天然裂縫被充滿後，壓力回升，而後又溝通新的天然裂縫或進入新的孔洞，如此反復。峰值壓力持續下降說明有新裂縫張開，但將岩樣取出後觀察未見明顯的水力縫，說明在60MPa的峰值壓力下並沒有將岩樣貫穿，只可能在岩樣內部形成了較小的裂縫，而這些裂縫可通過CT掃描的方式識別。
圖4 岩樣1壓力曲線
壓前對200mm×200mm×200mm火山岩岩樣從上往下應用CT掃描200個橫截面，每個截面間距為1mm。壓裂後採取同樣的方法對岩樣進行掃描，壓前、壓後火山岩樣的CT掃描結果顯示，只在其中很少的截面上（編號144-148）發現壓裂後有新的水力縫產生。圖5、圖6分別為編號為144的截面在掃描前後的裂縫形態變化圖，從圖中可以看出，壓裂前在此截面上存在有一條天然裂縫，壓裂試驗後對同一截面掃描圖觀察發現，水力裂縫在天然裂縫處起裂，並不斷延伸，說明在井筒天然裂縫處存在薄弱面，水壓會首先使得天然裂縫張開，而並非沿著最大主應力方向起裂與擴展。
圖5 壓前144截面掃描圖片
圖6 壓後144截面掃描圖片
圖7 146截面壓後裂縫形態掃描圖
圖7為146截面壓裂後裂縫形態掃描圖，從圖中可以看出，水壓裂縫在沿著天然裂縫的方向起裂與延伸一段距離後，逐漸轉向與最大主應力平行的方向。在這個過程之中還可以看出，水力裂縫在進入孔洞發育區域時，並不繼續沿著原方向向前延伸，而是在孔洞的某個弱面上產生新的裂縫，並向前擴展溝通其他孔洞。
從圖7中還可以發現，在井筒另一側還產生了一條平行於最大主應力的裂縫，長度大約有5cm，說明在一條裂縫延伸過程中，受裂縫近井筒扭曲效應的影響，井筒壓力還是在不斷增大，當井筒壓力達到了地層的破裂壓力時第二條裂縫起裂擴展，兩條水力裂縫並非在井筒兩翼同時產生並成相互對稱的理想狀態。
147、148截面壓前、壓後裂縫掃描顯示，壓前井筒附近截面上無裂縫顯示區域壓後出現水壓裂縫，說明是144截面裂縫起裂後擴展到147、148截面的，但此兩截面兩翼裂縫長度逐漸減小，說明裂縫在144面起裂後，向下方呈近似楔形擴展，因掃描切面不同而觀察到的裂縫長度不同。
2.2 岩樣2實驗
岩樣2使用的是火山凝灰岩，實驗過程與岩樣1相同，垂向與水平圍壓分別為20、15、12MPa。在壓前CT掃描截面圖上，可明顯觀察到一條近似水平向天然裂縫，從第2面開始出現一直到106面消失，期間與井筒溝通，而在跨過井筒後，幾乎橫切整個岩樣（圖8）。
圖9為岩樣2的泵注壓力曲線，從圖中可以看出明顯的破裂顯示，但破裂壓力只有22MPa，遠低於前面流紋岩的60MPa，破裂後壓力逐漸穩定，結合壓前的CT掃描分析及壓裂後壓力曲線，認為壓裂液只是使得井筒附近的那條天然裂縫開啟，而沒有產生新的水力縫，22MPa是天然裂縫開啟的壓力。
通過CT掃描觀察，對於相同截面，天然裂縫均有不同程度的擴展（圖10），壓後的CT掃描圖中裂縫明顯比壓前清晰，但實驗後未發現新的其他裂縫產生。理論上，在試驗2的圍壓情況下，應該有垂直的新縫產生，但由於這條天然裂縫的尺寸與岩樣2相比已足夠大，它對於水壓裂縫的影響已超過了主應力對裂縫走向的影響，因此試驗後只發現了天然裂縫的擴展。
2.3 岩樣3實驗
岩樣3使用的樣品岩性與岩樣1相同，都是火山流紋岩，試驗過程與岩樣1相同，為了盡可能壓開裂縫，垂向與水平圍壓分別為12、7、2MPa。實驗進行過程中始終未見明顯破裂顯示，壓力上升很快，幾分鍾內達到70MPa，被迫停泵，停泵後在岩樣外側未見壓裂液濾失痕跡，說明岩樣未壓開（圖11）。
圖8 岩樣2壓前CT掃描圖
圖9 岩樣2泵注壓力與時間曲線
分析原因認為，所取火山岩岩樣質地堅硬，破裂強度大，所用的試驗設備難以達到壓開此火山岩樣需要的壓力和排量，這與松南現場很多壓裂井破裂壓力高，甚至難以壓開情況相吻合。
2.4 岩樣4實驗
對凝灰岩4＃試樣實驗中所施加的模擬地應力分別為σv＝15MPa，σH＝3MPa，σh＝1.5MPa，從開啟MTS增壓泵注入壓裂液開始，至壓裂實驗結束所維持的時間為8 min，得到的壓力曲線見圖12。
圖10 岩樣2壓前壓後CT掃描對比
圖11 岩樣3泵注壓力與時間曲線
由圖12可知，凝灰岩4試件的破裂壓力為37.95MPa。實驗初始階段壓力很平緩地上升，隨著壓裂液的不斷泵入，壓力急劇升高至峰值37.95 MPa，之後又快速地下降，反映了試件內水力裂縫開啟的現象。之後壓力曲線呈現波動變化，反映了水力裂縫向前擴展的過程中形成了新裂縫或者是與天然裂縫相遇。綜合壓力曲線的整體形態，說明凝灰岩4＃試件內壓開形成了水力裂縫（圖13）。
實驗後對試件進行CT成像掃描，結合CT圖像對試件的水力裂縫形態進行觀察，可以進一步認識和檢驗上述結果。
圖12 岩樣4（凝灰岩）試件的壓力曲線
圖13 岩樣4（凝灰岩）試件施加的三向圍壓和實驗後圖片
通過對比岩樣4＃試件的壓前和壓後CT圖像，可獲得該試件的水力裂縫起裂和擴展情況，見圖14。
圖14 岩樣4（凝灰岩）壓前和壓後CT圖像對比
從圖14中可以清晰地觀察到，在岩樣4＃試件中主要形成了兩條主要水力裂縫，圖中用線段表示出。這兩條裂縫的起裂位置在井筒部位是近似對稱的，呈170°左右。而且這兩條裂縫擴展的方向近乎與實驗中所施加的水平最大地應力方向一致，與最小水平地應力的方向垂直。在垂直方向上，裂縫高度與試件的高度近似相等，即試件內的這兩條裂縫為貫穿試件的垂直主裂縫。
圖15是岩樣4壓裂後CT圖像三維重建示意圖，從圖中可以看出試件內形成了兩條壓裂主裂縫，裂縫為垂直縫並貫穿整個試件，裂縫面空間展布較為扭曲。
圖15 岩樣4裂縫CT圖像三維重建圖
3 結論與建議
1）建立大尺寸火山岩岩樣CT掃描及壓裂模擬實驗方法能直觀、有效地分析岩樣內部裂縫起裂、擴展規律，真實地反映裂縫形態和空間展布。
2）火山岩質地堅硬難以壓開，壓裂過程受微裂縫和熔孔發育程度及岩石特性影響，裂縫起裂壓力和延伸壓力差別比較大，壓力曲線呈現明顯波動形式。
3）火山岩壓裂水力形成裂縫系統比較復雜，在井筒附近的天然裂縫會造成水壓裂縫並非同時起裂，呈非對稱狀擴展並最終轉向最大主應力方向；較大的天然裂縫在水壓作用下會直接開啟，並沿原方向擴展，從而使形成的水力裂縫不再沿最大主應力方向擴展；對於井筒附近天然裂縫及孔洞不發育的情況，水力裂縫會同時起裂，並沿最大主應力方向延伸，呈近似對稱狀，但空間展布較為扭曲。
4）對於火山岩儲層現場壓裂施工，射孔位置要集中在微裂縫和熔孔發育層段，選擇支撐劑粒徑相對小些，施工砂比不宜太高並考慮應用前置多級段塞技術。
參考文獻
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⑶ 裂縫監測技術在煤層氣井壓裂中的應用初探
張 健
( 中聯煤層氣有限責任公司 北京 100011)
摘 要: 採用井下微地震監測技術和電位法監測技術對壓裂過程中的裂縫形態進行了實時監測，結果表明: 井下微地震監測實現了對裂縫方位、高度、長度、對稱性及裂縫隨時間的延伸情況的有效解釋。電位法測試技術適用於規模較大型壓裂，特別適合於淺井大型水力壓裂。對同一口井應用兩種技術實施監測結果表明，裂縫監測能夠有效反映壓裂裂縫的水平走向，有助於認清該區地層應力分布狀態，但垂向擴展僅能反映事件頻率，無法實現對裂縫高度和寬度的有效分析監測。
關鍵詞: 壓裂 裂縫監測 煤層氣 微地震 電位法
Application of Fracture Monitoring Technology to Fracturing Well in Coalbed Methane Reservoir
ZHANG Jian
( China United Coalbed Methane Co. ，Ltd. ，Beijing 100011，China)
Abstract: Down hole micro-seismic monitoring technology and potentiometry monitoring technology are used to show fracture real-time geometry. It shows that fracture orientation，height，length，symmetry and extension can be interpreted by down hole micro-seismic monitoring technology. The potentiometry monitoring technology is suit for major scale fracturing，especially for shallow well. As the result of monitor adopted on the same well with two methods shows，the fracture orientation on horizontal level can be reflected effectively，which will be favor of recognizing stress distribution. However，the frequency of fracturing can only be characterized in vertical direc- tion. The height and width of fracture can not be analyzed effectively.
Keywords: fracturing; fracture monitoring; coalbed methane; micro-seismic; potentiometry
基金項目: 國家科技重大專項項目 42 「深煤層煤層氣開發技術研究和裝備研製」( 2011ZX05042) 。
作者簡介: 張健，1981 年生，博士，2009 年畢業於中國石油大學 ( 北京) 並獲得博士學位; 主要從事煤層氣開發和現代完井工程研究。地址: ( 100011) 北京市東城區安外大街甲 88 號。Email: zhangjian@ chinacbm. com。
1 引言
目前我國煤層氣開發主要採用壓裂提高採收率技術，壓裂參數優化設計對於完善壓裂方案、提高單井產能十分重要。前期壓裂方案以淺層、經驗為主，隨著煤層深度增加，有必要建立適用於較深煤層的壓裂參數組合，通過採用井下微地震監測技術和電位法監測技術對現有壓裂方案下的施工裂縫形態進行了實時監測，為進一步完善煤層氣壓裂技術提供了技術支持。
2 測試原理
2.1 井下微地震測試原理
井下微地震測試方法是在鄰井監測直井壓裂作業，通過使用井下三分量地震成像系統監測壓裂過程中產生的微地震事件，對採集到的井下三分量微地震數據進行解釋，得到壓裂形成裂縫的空間展布(方位、長度)［1，2］。
2.1.1 微地震的起源
微地震源於由於壓力影響圍繞著水力裂縫的一定區域內，該區域內的微地震事件包括:裂縫尖端的應力改變誘發微地震，液體濾失誘發微地震，地層薄弱面處誘發微地震。
2.1.2 微地震產生點距離的確定
地層由於應力狀態改變產生剪切滑動並誘發壓縮波(P波)和剪切波(S波)，P波傳播速度大於S波，隨著傳播距離的增加，初至波的時差增大，利用三分量檢波器接收可分辨不同分量的剪切波和壓縮波，從而確定微地震點產生距離。
2.1.3 微地震方位的確定
採用振幅交匯圖方法，即建立P波首波的振幅交匯圖確定微地震震源的方向，壓縮波的傳播方向和振動方向一致，跟蹤一個周期內質點的振動即可確定其傳播方位α，如圖1所示。現場測試系統包括數據記錄系統、SeisNet工作站和質量控制系統，實現數據的保存、分析，如圖2所示。
圖1 微地震方位確定示意圖
圖2 測試系統示意圖
2.2 電位法測試原理
電位法監測技術以傳導類電法勘探基本理論為依據，通過監測注入到目的層的壓裂液引起的地面電場變化獲得裂縫方位、長度、形態等參數［3，4］。
假設地層為無限大均勻介質，採用環形測量方式，在供電電極外任一點M觀測電場的電位為:
中國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研討會論文集
式中:ρ為地層視電阻率，Ω·m;I為供電電流強度，A;h為測試目的層深度，m;r為觀測點M到點源之間的距離，m。
當場源為任意形狀時，計算外電場電位應首先在場源處劃出一個面元ds，如果ds處的電流密度為j，則從ds處流出的電流為jds，它在觀測點M產生的電位dUM仿上式可寫為:
中國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研討會論文集
積分得外電場電位為:
中國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研討會論文集
現場測試所用的儀器系統由測量系統(經緯儀)、供電系統(ZT7000型發電機)、發送系統和接收系統(HGQ-5/10kW/Js-03發送接收系統)四部分組成，如圖3所示。
圖3 測試裝置示意圖
3 現場應用與評價
對山西沁水盆地施工區域五口井進行了電位法監測，對三口井實施了井下微地震監測。電位法監測顯示:壓裂施工形成了一組兩翼方向基本對稱或略有夾角的不等長裂縫，如圖4所示，地層滲透率各向異性和構造應力復雜是造成該現象的主要因素。對氮氣注入實驗井的監測結果表明:由於煤層中氮氣等氣體化學性質不活潑，其在煤層中仍然以分子形式存在，因此基本不改變煤儲層的導電性能，通過電位法難以實現監測其在煤儲層中的分布。
井下微地震監測結果顯示，裂縫向兩個方向延伸且不對稱，監測到的微地震事件大多位於煤層以上的地層，微地震事件發生范圍較廣，如圖5所示。
4 結論
(1)井下微地震監測實現了對裂縫方位、長度、對稱性及裂縫隨時間的延伸情況的有效解釋。
(2)電位法測試技術適用於規模較大型壓裂，特別適合於淺井大型水力壓裂。
(3)對同一口井應用兩種技術實施監測結果表明，裂縫監測能夠有效反映壓裂裂縫的水平走向，有助於認清該區地層應力分布狀態，但垂向擴展僅能反映事件頻率，無法實現對裂縫高度和寬度的有效分析監測。
圖4 電位法監測壓裂裂縫水平投影圖
圖5 微地震監測壓裂裂縫剖面圖
參考文獻
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⑷ 成都理工大學國家重點實驗室有哪些儀器
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地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室（成都理工大學）
本實驗室的12個試驗室集中了實驗室的主要儀器設備，為固定和客座研究人員提供試驗研究條件和保障服務。12個試驗室總體技術手段和儀器設備具有20世紀90年代以來的國際先進水平，部分儀器代表了目前這一領域的最高水平，儀器設備總台（套）數為1907，總值為3600.4萬元人民幣，加上正在安裝調試的大型離心機、大型多功能泥石流模擬系統和地質災害信息管理與大規模計算平台後總值為4890.9萬元，其中50萬元以上的大型精密儀器設備或系統17台套。主要由三部分組成：第一部分用於地質災害的現場勘測與監測，包括最新的彩色三維激光掃描測量系統、SIR-20地質雷達、Trimble-GPS儀和全套現場大型原位試驗裝置等；第二部分主要用於岩土體力學特性參數測試和物性參數分析，是試驗室硬體條件的主要部分，包括在引進消化基礎上開發的多功能岩石參數綜合測試系統、MTS土動三軸試驗系統、GDS非飽和土三軸試驗系統、岩石流變儀、土體流變儀、土體大三軸儀、大型岩石高壓滲透試驗系統及掃描電子顯微鏡等大型試驗裝置；第三部分是用於地質災害分析、評價及預測的數值模擬系統、物理模擬系統和「3S」技術系統。以上三大部分構成一個較為系統完整的試驗測試體系，為實驗室的開放研究和高層次人才培養提供強有力的支撐條件。
實驗室對儀器設備實行統一管理，特別是高端設備（50萬元以上）採用試驗技術人員與固定研究人員共同負責管理的模式，前者負責日常維護，後者則負責儀器功能的開發和應用技術研究，兩者有機結合，保證了儀器設備的正常運轉和開放運行的有效性。學校國有資產管理處為實驗室的日常運轉、設備更新等提供了有效的後勤保障。
油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室（成都理工大學、西南石油大學合建）
大型設備列表
序號儀器名稱型號國別廠家
1 界面流變儀 CIR-100 德國 德CAMTEL公司
2 多功能掃描探針顯微鏡 NS3A 美國 Digilat instruments Inc.
3 高溫高壓岩心多參數測量儀 SCMS-B2 中國 無
4 三軸岩石力學測試系統 RTR-1000型 美國 美國GCTS公司
5 高溫高壓界面張力儀 PDE 1700LL/DSA100 德國 德國KRUSS
6 旋轉滴界面張力儀 TX500C 美國 BOWING INDOSTRY CORP（美國）
7 壓裂酸化裂縫導流能力測試儀 FCTS-1 中國 海安石油科研儀器廠
8 壓裂酸化工作液動態濾失儀 FADLT-1 中國 海安石油科研儀器廠
9 高溫高壓流變儀 7400 美國 千德樂公司
10 X射線衍射儀 X'Pert Pro 荷蘭 荷蘭帕納科公司
11 X射線熒光光譜儀 AXIOS 荷蘭 荷蘭帕納科公司
12 全自動比表面及孔隙度分析儀 NOVA 2000e N20-20E 美國 康塔
13 超長焦距連續變焦視頻顯微鏡 ZIESS stemi SV 11 中國 蔡司光學儀器（上海）國貿公司
14 多功能長岩芯驅替裝置 HYCAL 加拿大 HYCAL公司
15 飛行時間質譜儀 Agilent 6224 美國 美國安捷倫科技有限公司
16 高溫高壓流變儀 HAAKE RS600 德國 德國HAAKE公司
17 固相沉澱測定儀 DBR 加拿大 DBR公司
18 環境掃描電子顯微鏡 Quanta 450 美國 美國FEZ公司
19 激光粒度儀 HYDRO2000(APA2000) 英國 英國馬爾文
20 離子色譜儀 IC761 瑞士 瑞士METROHM萬通公司
21 毛管流動孔隙結構儀 CFP-1500-AEX 美國 美國POYOUS Materials.Inc