⑴ 高温钻井液检测仪器国内外发展现状
3.3.1 高温高压流变仪
高温流变性是高温钻井液的重要参数之一，直接影响钻速、泵压、排量、悬浮及携带岩屑、井眼清洁、井壁稳定、压力波动及固井质量等，因此国内外非常重视高温流变仪的研发。典型生产商为美国Fan公司、OFI公司、Grace公司等。其典型产品有如下。
3.3.1.1 OFITE1100高温加压流变仪
美国OFI公司研制生产的OFITE1100高温加压流变仪是一个全自动测试系统，能够根据剪切力、剪切速率、时间、压力、温度等参数来准确测试压裂液、完井液、钻井液、水泥浆的流变特性，并实时显示和同步记录剪切应力、剪切率、转速、压力、容池和样品温度。可以在实验室使用也可以在野外使用，可选择防水移动箱，带轮子，移动方便。OFITE高温高压流变仪压力可达到18MPa，温度可到260℃，最低0℃。另外还有冷却系统，冷却样品（图3.1）。
图3.1 OFITE 1100高温加压流变仪
独特的ORCADA（OFITE R（流变仪）C（控制）and D（数据）A（采集）），软件简单。全新的KlikLockTM快速链接技术与重新设计的样品杯相结合，便于拆卸和维修。全新的SAFEHEATTM系统是一个安全、精确、环境友好、高效的空气传输加热系统，使得操作更安全简单，清洗更快速。
3.3.1.2 OFITE高温高压流变仪
根据剪切力、剪切速率、时间和压力直到207MPa和温度最高至260℃条件，全自动系统准确测定完井液、钻井液、水泥浆的流变特性。选配冷水系统后，可使测试系统适应于需要冷却的测试样品，进一步增加了仪器的应用范围（图3.2）。
图3.2 OFITE高温高压流变仪
使用罗盘来测定扭矩附件顶部磁铁的转动。如果没有对仪器进行补偿，防护罩内动力驱动磁铁的影响。地球磁场的影响、防护罩磁性的影响、弹簧非线性的影响、实验室磁场和材料的影响、非理想流体流动的影响、产品结构微小变化的影响等综合结果使测定角度显示非线性关系。计算机可以容易地完成这些影响的补偿。
3.3.1.3 Ceast毛细管流变仪
毛细管流变仪分为单孔型和双孔型，应用于热塑性聚合物材料的质量控制和研发工作。在CeastVIEW平台下，通过VisualRHEO软件控制仪器。可实现以任意恒剪切速率或活塞杆速度测量。双孔料筒结构独立采集分析每个孔所测得的试验数据。可选各种专用的软件。可选配多种测量单元：熔体拉伸试验、口模膨胀、狭缝口模。PVT、半自动清洗等。Rheologic系列：最大力50kN；速度比1∶500000；活塞速度0.0024～1200mm/min。工作温度50℃～450℃（选配500℃），有两个PT100传感器控制。可快速更换的载荷传感器（范围：1～50KN），压力传感器范围3.5～200MPa（图3.3）。
图3.3 毛细管流变仪
3.3.1.4 Haake RV20/D100高温高压黏度仪
Haake RV20/D100该高温加压旋转黏度计的使用上限为203kPa（1400psi）和300℃，它由两个固定在加热器上的同轴圆筒组成。外筒用螺栓固定在加热器（高压釜）的顶部，内筒支承在滚珠轴承上（外筒通过轴承将内筒托住）。内筒或转筒靠磁耦合与一个Rotovisco RV 20相连接。内筒作为转子，釜外的驱动机构通过电磁耦合带动内筒转动；内筒通过电磁耦合将其所受的转矩传递给釜外的驱动机构，使其转过一个角度（图3.4）。
图3.4 Haake RV20/D100剪应力测试原理
可用计算机控制来自动描绘流变曲线。该仪器在0s-1～1200s-1范围内可连续变化，并且自动进行数据分析。施加在转轴上的扭矩可被反应灵敏的电扭力杆测得。测量电扭力杆扭转的角度即为所施加的扭矩值。剪切应力可由扭矩值通过合适的剪切应力常数来计算得出。
3.3.1.5 美国Grace公司专利产品MODEL 7400/M7500
M7400流变仪包含250mL的浆杯总成，安装在仪器加压的测试釜体内，浆杯易于取出，方便浆杯装样和清洗。流变仪可配备不同的内筒/转子（外筒）组合，提供了不同的测量间隙尺寸。转子（外筒）按需要的速度围绕内筒转动，由于内筒和转子（外筒）之间的环型区域内的液体被剪切，传导到内筒上的扭矩用一个应力表类型的扭矩传感器测量（图3.5）。
图3.5 M7400流变仪
仪器加压用一个空气驱动液压泵，矿物油作为压力介质，连接到高压泵上的可编程压力控制器控制压力的升压和保压，浆杯下的叶轮循环流动压力油改善温度控制效果，叶轮也用于提供均匀的样品加热效果，温度控制采用一个连接到内部4000W加热器和热电偶的温度控制器控制，浆杯中心内筒顶部的热电偶用于测量实际样品温度，马达驱动转子（外筒）在一定速度范围内转动，样品黏度根据测量出来的剪切应力和剪切速率计算出来。
M7500是专为复杂样品进行简单测试而设计的高温、超高压、低剪切、自动、数字流变仪。该仪器专利的测量机构设计消除了昂贵和易损的宝石轴承，可以进行大范围的测量。由于它独特的设计，使其便于维护并大大简化了操作流程。基于微软数据库作为支持友好的用户界面，测试结果自动化的压力，速度和温度控制，使实验结果更加精确和一致，标准的API实验可由触摸式LCD屏幕或者在计算机上单击鼠标来实现（表3.5）。
表3.5 M7500技术参数
M7500与其他同类产品相比，测试时间短且更容易操作；它不含有易碎和昂贵的精密轴承，维修成本低；最先进的速度控制使得低剪切率测试成为可能，自动剪切应力校准在很大程度上简化了操作程序。
3.3.1.6 Fann流变仪
（1）Fann稠度仪
Fann稠度仪是一种高温高压仪器，试验的泥浆在套筒内承受剪切，其最高工作压力和温度分别为140MPa和260℃，其测量原理见图3.6。它通过安装在样品釜两端的两个交替充电的电磁铁产生的电磁力，使软铁芯作轴向往复运动。存在于运动铁芯与样品釜釜壁之间的环形间隙内的泥浆受到剪切，泥浆黏度越高，铁芯运动越缓慢，从一端运行到另一端所用的时间也就越长，泥浆的相对黏度就用铁芯的运行时间来衡量。Fann稠度仪不能测量绝对黏度，通常将其结果作为相对黏度。这是因为电磁铁施加给铁芯的是一个不变的力，使铁芯在被测泥浆中从速度为零加速至终速度，在常用的泥浆中铁芯不能总是匀速运动，因此不能按不变的或确定的环空剪率进行分析。在实际使用中，常用于测量水泥浆的稠度。
图3.6 Fann稠度仪原理图
（2）Fann 50C高温高压流变仪
Fann50C高温高压流变仪是高温高压同轴旋转式黏度计，其最高工作压力和温度为7MPa和260℃，其剪应力测量原理如图3.6。泥浆装在两个圆筒的环状间隙里，外筒可用不同转速旋转。外同在泥浆中旋转所形成的扭矩，施加在内筒上，使内筒转过一个角度。测量这一角度，即可确定其剪应力值。测量数据用X-Y记录仪以曲线形式输出。其转速可在1～625r/min范围内无级调速。
Fann 50C早期产品由压力油提供压力，适合于作水基泥浆的高温高压流变性测试，压力油对油基泥浆试验结果影响较大。Fann 50C中期产品有两种形式，既可由压力油提供压力，也可由高压氮气或空气提供压力。近期产品则只有由高压气源提供压力一种形式。采用气压形式后，就不存在压力油对泥浆污染和对测试结果的影响。
（3）Fann 50SL高温流变仪
50SL是Fann 50C的改进型产品，它在Fann50C原有结构基础上，新增加了压力传感器，冷却水电磁阀和远程控制器（RCO），是一款高精度的同轴旋转型黏度计，该仪器具有广泛的通用性，可解决多种黏度测试问题或完成许多程序测试，Fann 50SL（图3.7）可以测试特殊剪切速率下的流体的流变特性，如宾汉塑性流体和假塑性流体（包括幂律流体）和膨胀性流体，触变性和胶凝时间也可以测试出来，实验可以在剪切率、温度和压力精确控制的状态下进行。
该黏度计可以测试出剪切力-剪切率值，也可得到在流变状态下的剪率特性，通过选择合适的扭簧、内筒和外筒可得到很宽的黏度测量范围（量程从50到64000dyn/cm2之间的剪力范围）。
最高温度260℃，压力7MPa（1000psi）条件下的测试。使用该仪器必须在连接远程控制器和一台合适的电脑的条件下，其控制操作由仪器将传感器信号通过接口传送到计算机，计算机再把正确的控制信号输出给Fann 50SL。加热、施压和转子速度的控制由专门软件的输入来控制。在各种剪切速率下的表观黏度、时间依赖性、连续剪切和温度效应引起的变化等可快速而准确地测定。50SL是一般流变特性，包括钻井液高温稳定性测定的理想仪器。唯一不足的是该控制软件中不具备将曲线在打印机上输出的功能。
（4）Fann 75流变仪
主要用来测量不同温度、压力和剪切速率下钻井液的剪切应力、黏度。最高测量温度为260℃，最高测量压力为138MPa，仪器如图3.8所示。
该仪器同其他“旋转”式流变仪工作原理一样，转子/浮子组合如图所示。
（5）Fann IX77流变仪
范氏IX77型全自动泥浆流变仪（图3.9）是第一台在高压（30000Psi）和高温（316℃）的极端条件下测量流体流变性的全自动流变仪。另外，如果配上一个软件控制的制冷器可以使实验在室温以下的温度进行。
图3.7 Fann 50SL高温流变仪
图3.8 Fann 75流变仪
该仪器是同轴圆筒测量系统，它使用一个精密的磁敏角度传感器来检测内嵌宝石轴承的弹簧组合的角度，传感器系统可以校准到±1℃。电机转速实现了0～640r/min无级调速的全自动控制。
仪器的特点在于借助内嵌微电脑和巧妙的机械及电路设计而带来的非常安全的传动机构。它的软件使仪器的操作、数据采集、输出报告和报警功能自动进行，最大限度的扩展其应用范围，给操作带来较大的灵活性。
IX77禁止用于测试具有赤铁矿、钛铁矿、碳酸铁成分的或者含有磁性的活亚铁成分的混合物、溶液、悬浮液和试剂的样品。
其他高温高压流变仪如Chandler 7400（工作极限条件：140MPa和205℃）和Huxley Burtram（105MPa和260℃）与以上类型工作原理相似。
图3.9 Fann IX77 流变仪
3.3.2 高温高压滤失仪
泥浆在钻井时向地层渗滤是一个复杂的过程，影响因素较多，它包括在泥浆液柱压力和储层压力之间的压差作用下，发生的静止滤失。包括在该压差下，泥浆在流动状态下的动滤失，这种流动是由泥浆循环时的返流和钻柱旋转时的旋流所引起，它对井壁过滤面产生冲刷作用，影响了渗滤的过程。
高温高压滤失仪是一种在模拟深井条件下，测定钻井液滤失量，并同时可制取高温高压状态下滤失后形成的滤饼的专用仪器。温度和压力在滤出液控制中起着很大的作用。
3.3.2.1 海通达高温高压滤失仪
（1）GGS系列（图3.10；表3.6）
图3.10 GGS-71型高温高压滤失仪
表3.6 GGS系列仪器参数
其中GGS42-选用单孔单层活网钻井液杯，滤网目数50。
GGS42-2和GGS71-A使用不锈钢外壳，添加特殊保温层，热传递效率高，选用通孔单层活网钻井液杯，滤网目数50；GGS42-2A和 GGS71-B使用不锈钢外壳，添加特殊保温层，热传递效率高，选用通孔单层活网钻井液杯，滤网目数60，有独立温度控制系统，采用国外先进的电子温控器。
（2）HDF-1型高温高压动态滤失仪
HDF-1型高温高压动态滤失仪克服了静态滤失仪的不足，使测试结果更加接近井下实际情况。该仪器由电机驱动的主轴带动杯体内的螺旋叶片对钻井液进行搅拌。通过SCR控制器控制变速电机，数字显示主轴转速（表3.7；图3.11）。
表3.7 仪器的主要技术参数
图3.11 HDF-1型滤失仪
3.3.2.2 OFI公司高温高压动态全自动失水仪
OFITE高温高压动态失水仪在动态钻井条件下测量滤失特性。马达驱动装配有桨叶的主轴在标准500mL HTHP泥浆池中旋转，转速设置范围为1～1600r/min，模拟钻井液高温高压池中以层流或紊流形式流动。测试方式完全和标准的高温高压滤失仪一样，唯一的差异为滤出物收集时钻井液在高温高压池中流动循环。由于滤失介质为普通的圆盘（disk）材质，因此测定结果跟别的或以往的有充分的可比性，该仪器能够和电脑相连，并自动画出曲线。最高压力8.6MPa，最高温度260℃（图3.12）。
图3.12 OFI高温高压动态滤失仪
技术特征：①一款分析转动中钻井液的真正循环滤失仪；②变速马达，1/2Hp永久磁铁，直流；③池顶带盖得以辅助管路连接，移去堵头，可以添加额外的钻井液添加剂；④安全校正的防爆片，保证过压安全；⑤马达和转动主轴转动转速操作保证1∶1；⑥可调螺旋桨改变到滤失介质距离；⑦可调热电偶温度38～260℃；⑧可选的滤失渗透性滤片；⑨500mL容积的不锈钢高压池。
3.3.2.3 美国Fann高温高压动态全自动失水仪
Fann90高温高压动态失水仪使用人造岩心滤筒，滤液从岩心滤筒侧壁滤出，能很好地模拟钻进过程中钻井液从井壁滤失的过程，不但能测试在一段时间内累积的滤液量，而且可以绘制滤液随时间变化的滤失曲线。Fann90的最高工作压力可达17.2MPa，最高工作温度260℃。该仪器可与电脑和打印机连接，自动化程度高，操作方便，是当前最先进的高温高压动态失水仪（图3.13）。
图3.13 Fann90 高温高压动失水仪
3.3.2.4 LH-1型钻井液高温高压多功能动态评价实验仪
“抗高温高密度水基钻井液作用机理及性能研究”的多功能动态评价实验仪，是一种钻井液用智能型多功能动态综合评价实验仪。该仪器能模拟钻井过程中的井下情况评价钻井液性能，并将钻井液多项高温高压性能评价实验集于一体，达到一仪多用的目的（图3.14）。
图3.14 钻井液多功能动态综合测试仪实物图
该仪器可以进行高温高压静/动态滤失、高温高压钻屑分散、高温高压动态老化等若干项实验，采用电脑工控机控制实验过程，实时显示实验状态、自动采集、处理、显示实验数据，实现智能化实验操作。
仪器主要技术指标：工作温度0～300℃；工作压力0～40MPa；转速0～1200r/min，无级调速；釜体容积800mL；冷却速率200℃～室温/10min。
3.3.3 高温滚子炉
温度的影响对钻井液在钻井内的循环是非常重要的。热滚炉的作用是评定钻井液循环与井内时温度对钻进的影响。
高温滚子炉包括炉体、滚筒及滚筒带动的陈化釜。陈化釜设有一釜体，釜体上部设有釜盖，釜体与釜盖之间设有密封盖，釜盖上垂直于釜盖设有压紧螺栓，将密封盖与釜体压紧。密封盖与釜体之间设有密封环，所述的密封环为四氟乙烯材质。覆盖上设有排气阀，排气阀穿过密封盖与釜腔相通，排气阀两端设有O型密封圈，密封圈为四氟乙烯材质。釜盖与釜体上设有支撑环，支撑环为四氟乙烯材质，炉门边缘设有密封垫，密封垫为四氟乙烯材质。该滚子炉耐高温、密封效果好，而且体积小、安全系数高，便于使用。
3.3.3.1 青岛海通达XGRL-4高温滚子炉
滚子炉是一种加热、老化装置。采用微处理器智能控制技术，直接设定，数字面板显示，并可进行偏差指示。适用范围为50～240℃，滚子转速为50r/min（图3.15）。
图3.15 XGRL-4型高温滚子炉
该滚子炉采用钢架结构、硅酸铝保温层、不锈钢外壳；滚筒采用优质金属材料滚筒和框架、四氟石墨轴承，重量轻、转动平稳；其加热系统采用两根700W加热管加热；动力系统由大功率调速电机链带动滚子转动，传动平稳可靠、噪音低；温控部分采用智能仪表设定、显示和读出，恒温准确，温度超限自动断开加热电源，并发出声光报警。定时部分定时关机。
3.3.3.2 OFFIE 滚子炉
美国OFI公司，五轴高温滚子炉。适用范围为50～300℃，滚子转速为50r/min（图3.16，图3.17）。
图3.16 OFFIE滚子炉
图3.17 老化罐
3.3.3.3 Fann 701滚子炉
美国Fann公司的Fann 701型五轴高温滚子炉，适用范围为50～300℃，滚子转速为50r/min（图3.18）。
图3.18 Fann滚子炉
3.3.4 其他高温高压评价仪器现状
3.3.4.1 高温高压堵漏仪
高温高压堵漏仪主要是用来模拟高温高压条件下进行堵漏材料实验，对一套泥浆系统既可以做填砂床实验又可以做缝板实验，还可以做岩心静态污染实验以及测量堵漏层形成后抗反排压力的大小。如：JHB高温高压堵漏仪由加压部分、加温部分、缝板模拟部分等组成。参看图3.19～图3.22。
图3.19 高温高压堵漏仪实物图
图3.20 高温高压堵漏仪结构图
图3.21 实验缝板实物图
图3.22 实验用滚珠及套筒实物图
3.3.4.2 高温高压膨胀仪现状
膨胀仪是评价黏土矿物膨胀性能的重要试验仪器，主要用于防塌泥浆及处理剂的研究方面。通过电脑回执曲线可准确测定泥页岩试样在不同条件下的膨胀量和膨胀率。用以评价不同的防塌处理对页岩泥水化的抑制能力，并针对不同的地层及不同组分的泥页岩选择适用的处理剂，以控制、削弱泥页岩的水化膨胀进而防止可能出现的坍塌、卡钻等事故的发生。
常温常压膨胀仪不能模拟井下条件下黏土的膨胀情况和加入黏土抑制剂后对黏土的防膨胀效果。
（1）HTP-C4高温高压双通道膨胀仪
HTP-C4型高温高压单通道膨胀量仪，能较好模拟井下温度（≤260℃）和压力（≤7MPa）条件下，测试页岩的水化膨胀特性，为石油钻井井壁稳定性研究、评价和优选防塌钻井液配方提供了一种先进的测试手段。HTP-C4型页岩膨胀仪采用非接触式高精度传感器，电脑监控记录，性能稳定，测试范围大，无漂移，通电即可使用，两个样品可同时测量（表3.8；图3.23）。
表3.8 仪器的主要技术参数
图3.23 HTP-4型高温高压单通道膨胀仪
（2）JHTP非接触式高温高压智能膨胀仪
高温高压膨胀仪虽然能模拟井下温度和压力条件，但其使用的是接触式线性位移传感器，这种接触式传感器受膨胀腔结构的影响，在高压密封和位移之间产生矛盾，使黏土的线性膨胀量不能得到真实的反映，因为增大了试验误差。
图3.24是一种非接触式高温高压智能膨胀仪结构图。它由加热体、实验腔体、腔盖、腔体、腔身、圆铁饼、非接触式位移传感器、试验液体加入口、加压孔、前置器、数据采集器及输出设备组成。它是利用非接触式位移传感器与圆铁饼之间的距离随黏土饼膨胀时提高变化而变短，而改变传感器的输出电压，使数据采集器得到实验参数，达到在室内评价黏土矿物的膨胀性能。克服了现有膨胀仪不能真实和准确地描述井下条件黏土的膨胀情况、实验误差大、加入抑制剂后对黏土的防膨胀效果不能预计的问题。结构简单，操作方便，实验数据准确。
图3.24 JHTP非接触式智能膨胀仪结构
3.3.4.3 高温高压黏附仪
该仪器可测定钻井液在常温中压（0.7MPa）及在常温高压（3.5MPa）条件下滤失后形成滤饼的黏附性能，同时还可测试钻井液样品在高温（～170℃）高压（3.5MPa）条件下滤失后形成滤饼的黏附性能。黏附盘加压方式为气动（图3.25）。
3.3.4.4 高温高压腐蚀测定仪
OFI高温高压腐蚀测试仪是用于测试金属试样在高温高压动态条件下对各种腐蚀液体的反应速率。该系统主要由压力釜、控制仪表及阀门、样品支架和试样玻璃器皿组成。
压力釜采用特制的合金钢材料，最大工作压力34.5MPa，最高温度可达204.4℃。压力釜及内部样品由热电偶加温。加热速率范围为2.5℉/min到3℉/min。机箱内包括一个马达用以摇动测量支架，一台高压泵用于提供系统压力。系统设有安全装置，包括安全警报等。
图3.25 GNF-1型黏附仪
⑵ CT扫描火山岩水力裂缝扩展物理模拟研究
孙志宇 刘长印 李宗田
（中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083）
摘 要 采用大尺寸真三轴实验系统及CT扫描裂缝监测方法，直观有效地观察了微裂缝、孔洞发育的大尺寸火山岩露头岩样水力裂缝扩展规律，分析了不同主应力差、岩石孔隙、天然裂缝发育程度对火山岩压裂裂缝扩展的影响，该方法在国内外尚属首次。实验结果表明，火山岩质地坚硬，难以压开，压裂过程中具有明显的泵压波动；裂缝扩展总体上受水平主应力状态控制，但天然裂缝空间位置、长度、熔孔发育程度及岩石特性会影响裂缝起裂、延伸压力及裂缝形态，形成复杂的裂缝系统：井筒附近的天然裂缝、孔洞会改变水力裂缝起裂次序及扩展方向，而火山岩独有的岩石特性又会使裂缝的空间展布较为扭曲。
关键词 CT扫描 裂缝扩展 物理模拟 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
针对大尺寸岩样水力压裂裂缝起裂和延伸的实验研究，前人做了大量的工作，取得了一定的成果［1～9］，但是，这些实验都是针对均质的水泥块砂岩，不能用来反映火山岩压裂裂缝起裂、延伸规律，而且在对室内的水力压裂物理模拟实验压裂裂缝的监测方面，传统的方法虽然可行，但都具有一定的局限性。最常规的观测方法是在压裂后用钢锯、铁钎等工具将试样劈开，从而观测裂缝的形状［5～9］。这种方法有两个缺点：一是在劈裂的过程中，原有的裂缝势必会遭到破坏，或者在原有的裂缝基础上产生新的裂缝，极大地影响了实验结果的准确性；二是在多裂缝的观测方面，常规压裂后的观测方法是沿着主裂缝劈开试样，其结果是只能对主裂缝面进行观测，而其他的裂缝均遭到破坏。利用CT扫描仪和红外线热成像等技术对裂缝进行监测能够克服以上实验方法的弊端，直观、有效地观测到裂缝的扩展形态，分析主应力差、岩石孔隙、天然裂缝发育程度对火山岩压裂裂缝的影响，探索与火山岩多裂缝、缝洞型油藏特点相适应的压裂裂缝起裂、延伸机理，指导火山岩现场压裂优化设计。
1 模拟试验
1.1 试验设备
试验采用中国石油大学（北京）设计组建的大尺寸真三轴模拟系统，该系统可以模拟真实地层条件下水力裂缝的起裂和扩展机理。模拟压裂试验系统由大尺寸真三轴试验架、MTS伺服增压泵、数据采集系统、稳压源、油水隔离器及其他辅助装置组成，如图1所示。
图1 试验设备及流程
1.2 岩样采集与制备
实验采用的火山岩样来自于采集的松南火山岩现场露头，考虑到CT扫描设备的穿透尺寸，共制备200mm×200mm×200mm大尺寸岩石样品10块，取喷溢相上部亚相流纹岩、喷溢相下部亚相凝灰岩各两块进行实验，图2、图3分别为制备的流纹岩及凝灰岩岩样。室内测定流纹岩的单轴抗压强度为265 MPa，杨氏模量为45.50GPa，泊松比为0.24，而凝灰岩的单轴抗压强度为172MPa，杨氏模量为35.25 GPa，泊松比为0.23，均高于常规砂岩，说明火山岩质地坚硬，脆性较强，延展性小。
图2 制备的流纹岩岩样
图3 制备的凝灰岩岩样
1.3 实验步骤
1）在实验岩样的正中钻出直径为14mm的井眼，井眼深度为140mm，然后把模拟井筒放入其中，用ETA公司生产的VMZ345型强力胶黏剂胶结，中间留出10mm的裸眼段便于水力裂缝的起裂。
采用水基胍胶溶液作为压裂液，压裂液中添加了红色示踪剂，压裂液的质量分数为1％，压裂液的黏度为135mPa·s（600转/min），压裂液排量为4.2×10-9m3/s，4块岩样实验垂向压力都为20MPa，两个水平向围压根据实验岩样的不同而不同。
2）将岩样放置于真三轴模拟压裂试验架上，调整好位置，在岩样周围加上压力板，用起吊机将顶板放置于岩样顶部。
3）连接液压稳压源、压力板之间的管线；连接顶板（模拟井筒）、油水分离器、MTS液压源之间的管线；在三向模拟压裂装置的周围液压板上布置好声发射监测探头。
4）开启液压稳压源，选取其中的两个通道，根据不同的实验要求，手动将通道压力增至预定压力。
5）将制备好的压裂液放入油水分离器。
6）开启MTS伺服增压器，开启与MTS控制器连接的计算机端注入压力控制系统和数据采集系统。
7）缓慢增加注入压力，观察压力注入系统和数据采集系统。观察压力-时间曲线和排量-时间曲线，判断试样破裂后停泵，并关闭液压稳压源，卸掉围压。
2 结果与讨论
2.1 岩样1实验
岩样1使用的是火山流纹岩，试验过程中垂向与水平围压分别为20、15、10MPa。
图4为岩样1的泵注压力曲线，压力曲线呈现明显波动形式，且幅度很大，初始压裂峰值压力达到了60MPa，之后峰值压力不断下降，压力曲线的下降说明压裂液进入较大的孔洞或使天然裂缝张开，当孔洞或天然裂缝被充满后，压力回升，而后又沟通新的天然裂缝或进入新的孔洞，如此反复。峰值压力持续下降说明有新裂缝张开，但将岩样取出后观察未见明显的水力缝，说明在60MPa的峰值压力下并没有将岩样贯穿，只可能在岩样内部形成了较小的裂缝，而这些裂缝可通过CT扫描的方式识别。
图4 岩样1压力曲线
压前对200mm×200mm×200mm火山岩岩样从上往下应用CT扫描200个横截面，每个截面间距为1mm。压裂后采取同样的方法对岩样进行扫描，压前、压后火山岩样的CT扫描结果显示，只在其中很少的截面上（编号144-148）发现压裂后有新的水力缝产生。图5、图6分别为编号为144的截面在扫描前后的裂缝形态变化图，从图中可以看出，压裂前在此截面上存在有一条天然裂缝，压裂试验后对同一截面扫描图观察发现，水力裂缝在天然裂缝处起裂，并不断延伸，说明在井筒天然裂缝处存在薄弱面，水压会首先使得天然裂缝张开，而并非沿着最大主应力方向起裂与扩展。
图5 压前144截面扫描图片
图6 压后144截面扫描图片
图7 146截面压后裂缝形态扫描图
图7为146截面压裂后裂缝形态扫描图，从图中可以看出，水压裂缝在沿着天然裂缝的方向起裂与延伸一段距离后，逐渐转向与最大主应力平行的方向。在这个过程之中还可以看出，水力裂缝在进入孔洞发育区域时，并不继续沿着原方向向前延伸，而是在孔洞的某个弱面上产生新的裂缝，并向前扩展沟通其他孔洞。
从图7中还可以发现，在井筒另一侧还产生了一条平行于最大主应力的裂缝，长度大约有5cm，说明在一条裂缝延伸过程中，受裂缝近井筒扭曲效应的影响，井筒压力还是在不断增大，当井筒压力达到了地层的破裂压力时第二条裂缝起裂扩展，两条水力裂缝并非在井筒两翼同时产生并成相互对称的理想状态。
147、148截面压前、压后裂缝扫描显示，压前井筒附近截面上无裂缝显示区域压后出现水压裂缝，说明是144截面裂缝起裂后扩展到147、148截面的，但此两截面两翼裂缝长度逐渐减小，说明裂缝在144面起裂后，向下方呈近似楔形扩展，因扫描切面不同而观察到的裂缝长度不同。
2.2 岩样2实验
岩样2使用的是火山凝灰岩，实验过程与岩样1相同，垂向与水平围压分别为20、15、12MPa。在压前CT扫描截面图上，可明显观察到一条近似水平向天然裂缝，从第2面开始出现一直到106面消失，期间与井筒沟通，而在跨过井筒后，几乎横切整个岩样（图8）。
图9为岩样2的泵注压力曲线，从图中可以看出明显的破裂显示，但破裂压力只有22MPa，远低于前面流纹岩的60MPa，破裂后压力逐渐稳定，结合压前的CT扫描分析及压裂后压力曲线，认为压裂液只是使得井筒附近的那条天然裂缝开启，而没有产生新的水力缝，22MPa是天然裂缝开启的压力。
通过CT扫描观察，对于相同截面，天然裂缝均有不同程度的扩展（图10），压后的CT扫描图中裂缝明显比压前清晰，但实验后未发现新的其他裂缝产生。理论上，在试验2的围压情况下，应该有垂直的新缝产生，但由于这条天然裂缝的尺寸与岩样2相比已足够大，它对于水压裂缝的影响已超过了主应力对裂缝走向的影响，因此试验后只发现了天然裂缝的扩展。
2.3 岩样3实验
岩样3使用的样品岩性与岩样1相同，都是火山流纹岩，试验过程与岩样1相同，为了尽可能压开裂缝，垂向与水平围压分别为12、7、2MPa。实验进行过程中始终未见明显破裂显示，压力上升很快，几分钟内达到70MPa，被迫停泵，停泵后在岩样外侧未见压裂液滤失痕迹，说明岩样未压开（图11）。
图8 岩样2压前CT扫描图
图9 岩样2泵注压力与时间曲线
分析原因认为，所取火山岩岩样质地坚硬，破裂强度大，所用的试验设备难以达到压开此火山岩样需要的压力和排量，这与松南现场很多压裂井破裂压力高，甚至难以压开情况相吻合。
2.4 岩样4实验
对凝灰岩4＃试样实验中所施加的模拟地应力分别为σv＝15MPa，σH＝3MPa，σh＝1.5MPa，从开启MTS增压泵注入压裂液开始，至压裂实验结束所维持的时间为8 min，得到的压力曲线见图12。
图10 岩样2压前压后CT扫描对比
图11 岩样3泵注压力与时间曲线
由图12可知，凝灰岩4试件的破裂压力为37.95MPa。实验初始阶段压力很平缓地上升，随着压裂液的不断泵入，压力急剧升高至峰值37.95 MPa，之后又快速地下降，反映了试件内水力裂缝开启的现象。之后压力曲线呈现波动变化，反映了水力裂缝向前扩展的过程中形成了新裂缝或者是与天然裂缝相遇。综合压力曲线的整体形态，说明凝灰岩4＃试件内压开形成了水力裂缝（图13）。
实验后对试件进行CT成像扫描，结合CT图像对试件的水力裂缝形态进行观察，可以进一步认识和检验上述结果。
图12 岩样4（凝灰岩）试件的压力曲线
图13 岩样4（凝灰岩）试件施加的三向围压和实验后图片
通过对比岩样4＃试件的压前和压后CT图像，可获得该试件的水力裂缝起裂和扩展情况，见图14。
图14 岩样4（凝灰岩）压前和压后CT图像对比
从图14中可以清晰地观察到，在岩样4＃试件中主要形成了两条主要水力裂缝，图中用线段表示出。这两条裂缝的起裂位置在井筒部位是近似对称的，呈170°左右。而且这两条裂缝扩展的方向近乎与实验中所施加的水平最大地应力方向一致，与最小水平地应力的方向垂直。在垂直方向上，裂缝高度与试件的高度近似相等，即试件内的这两条裂缝为贯穿试件的垂直主裂缝。
图15是岩样4压裂后CT图像三维重建示意图，从图中可以看出试件内形成了两条压裂主裂缝，裂缝为垂直缝并贯穿整个试件，裂缝面空间展布较为扭曲。
图15 岩样4裂缝CT图像三维重建图
3 结论与建议
1）建立大尺寸火山岩岩样CT扫描及压裂模拟实验方法能直观、有效地分析岩样内部裂缝起裂、扩展规律，真实地反映裂缝形态和空间展布。
2）火山岩质地坚硬难以压开，压裂过程受微裂缝和熔孔发育程度及岩石特性影响，裂缝起裂压力和延伸压力差别比较大，压力曲线呈现明显波动形式。
3）火山岩压裂水力形成裂缝系统比较复杂，在井筒附近的天然裂缝会造成水压裂缝并非同时起裂，呈非对称状扩展并最终转向最大主应力方向；较大的天然裂缝在水压作用下会直接开启，并沿原方向扩展，从而使形成的水力裂缝不再沿最大主应力方向扩展；对于井筒附近天然裂缝及孔洞不发育的情况，水力裂缝会同时起裂，并沿最大主应力方向延伸，呈近似对称状，但空间展布较为扭曲。
4）对于火山岩储层现场压裂施工，射孔位置要集中在微裂缝和熔孔发育层段，选择支撑剂粒径相对小些，施工砂比不宜太高并考虑应用前置多级段塞技术。
参考文献
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⑶ 裂缝监测技术在煤层气井压裂中的应用初探
张 健
( 中联煤层气有限责任公司 北京 100011)
摘 要: 采用井下微地震监测技术和电位法监测技术对压裂过程中的裂缝形态进行了实时监测，结果表明: 井下微地震监测实现了对裂缝方位、高度、长度、对称性及裂缝随时间的延伸情况的有效解释。电位法测试技术适用于规模较大型压裂，特别适合于浅井大型水力压裂。对同一口井应用两种技术实施监测结果表明，裂缝监测能够有效反映压裂裂缝的水平走向，有助于认清该区地层应力分布状态，但垂向扩展仅能反映事件频率，无法实现对裂缝高度和宽度的有效分析监测。
关键词: 压裂 裂缝监测 煤层气 微地震 电位法
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
基金项目: 国家科技重大专项项目 42 “深煤层煤层气开发技术研究和装备研制”( 2011ZX05042) 。
作者简介: 张健，1981 年生，博士，2009 年毕业于中国石油大学 ( 北京) 并获得博士学位; 主要从事煤层气开发和现代完井工程研究。地址: ( 100011) 北京市东城区安外大街甲 88 号。Email: zhangjian@ chinacbm. com。
1 引言
目前我国煤层气开发主要采用压裂提高采收率技术，压裂参数优化设计对于完善压裂方案、提高单井产能十分重要。前期压裂方案以浅层、经验为主，随着煤层深度增加，有必要建立适用于较深煤层的压裂参数组合，通过采用井下微地震监测技术和电位法监测技术对现有压裂方案下的施工裂缝形态进行了实时监测，为进一步完善煤层气压裂技术提供了技术支持。
2 测试原理
2.1 井下微地震测试原理
井下微地震测试方法是在邻井监测直井压裂作业，通过使用井下三分量地震成像系统监测压裂过程中产生的微地震事件，对采集到的井下三分量微地震数据进行解释，得到压裂形成裂缝的空间展布(方位、长度)［1，2］。
2.1.1 微地震的起源
微地震源于由于压力影响围绕着水力裂缝的一定区域内，该区域内的微地震事件包括:裂缝尖端的应力改变诱发微地震，液体滤失诱发微地震，地层薄弱面处诱发微地震。
2.1.2 微地震产生点距离的确定
地层由于应力状态改变产生剪切滑动并诱发压缩波(P波)和剪切波(S波)，P波传播速度大于S波，随着传播距离的增加，初至波的时差增大，利用三分量检波器接收可分辨不同分量的剪切波和压缩波，从而确定微地震点产生距离。
2.1.3 微地震方位的确定
采用振幅交汇图方法，即建立P波首波的振幅交汇图确定微地震震源的方向，压缩波的传播方向和振动方向一致，跟踪一个周期内质点的振动即可确定其传播方位α，如图1所示。现场测试系统包括数据记录系统、SeisNet工作站和质量控制系统，实现数据的保存、分析，如图2所示。
图1 微地震方位确定示意图
图2 测试系统示意图
2.2 电位法测试原理
电位法监测技术以传导类电法勘探基本理论为依据，通过监测注入到目的层的压裂液引起的地面电场变化获得裂缝方位、长度、形态等参数［3，4］。
假设地层为无限大均匀介质，采用环形测量方式，在供电电极外任一点M观测电场的电位为:
中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集
式中:ρ为地层视电阻率，Ω·m;I为供电电流强度，A;h为测试目的层深度，m;r为观测点M到点源之间的距离，m。
当场源为任意形状时，计算外电场电位应首先在场源处划出一个面元ds，如果ds处的电流密度为j，则从ds处流出的电流为jds，它在观测点M产生的电位dUM仿上式可写为:
中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集
积分得外电场电位为:
中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集
现场测试所用的仪器系统由测量系统(经纬仪)、供电系统(ZT7000型发电机)、发送系统和接收系统(HGQ-5/10kW/Js-03发送接收系统)四部分组成，如图3所示。
图3 测试装置示意图
3 现场应用与评价
对山西沁水盆地施工区域五口井进行了电位法监测，对三口井实施了井下微地震监测。电位法监测显示:压裂施工形成了一组两翼方向基本对称或略有夹角的不等长裂缝，如图4所示，地层渗透率各向异性和构造应力复杂是造成该现象的主要因素。对氮气注入实验井的监测结果表明:由于煤层中氮气等气体化学性质不活泼，其在煤层中仍然以分子形式存在，因此基本不改变煤储层的导电性能，通过电位法难以实现监测其在煤储层中的分布。
井下微地震监测结果显示，裂缝向两个方向延伸且不对称，监测到的微地震事件大多位于煤层以上的地层，微地震事件发生范围较广，如图5所示。
4 结论
(1)井下微地震监测实现了对裂缝方位、长度、对称性及裂缝随时间的延伸情况的有效解释。
(2)电位法测试技术适用于规模较大型压裂，特别适合于浅井大型水力压裂。
(3)对同一口井应用两种技术实施监测结果表明，裂缝监测能够有效反映压裂裂缝的水平走向，有助于认清该区地层应力分布状态，但垂向扩展仅能反映事件频率，无法实现对裂缝高度和宽度的有效分析监测。
图4 电位法监测压裂裂缝水平投影图
图5 微地震监测压裂裂缝剖面图
参考文献
［1］夏永学，潘俊锋，王元杰等.2011.基于高精度微震监测的煤岩破裂与应力分布特征研究［J］.煤炭学报，36(2):239～243
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［4］郭建春，李勇明等.2009.电位法裂缝测试技术研究与应用［J］.石油地质与工程，23(3):127～129
⑷ 成都理工大学国家重点实验室有哪些仪器
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地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学）
本实验室的12个试验室集中了实验室的主要仪器设备，为固定和客座研究人员提供试验研究条件和保障服务。12个试验室总体技术手段和仪器设备具有20世纪90年代以来的国际先进水平，部分仪器代表了目前这一领域的最高水平，仪器设备总台（套）数为1907，总值为3600.4万元人民币，加上正在安装调试的大型离心机、大型多功能泥石流模拟系统和地质灾害信息管理与大规模计算平台后总值为4890.9万元，其中50万元以上的大型精密仪器设备或系统17台套。主要由三部分组成：第一部分用于地质灾害的现场勘测与监测，包括最新的彩色三维激光扫描测量系统、SIR-20地质雷达、Trimble-GPS仪和全套现场大型原位试验装置等；第二部分主要用于岩土体力学特性参数测试和物性参数分析，是试验室硬件条件的主要部分，包括在引进消化基础上开发的多功能岩石参数综合测试系统、MTS土动三轴试验系统、GDS非饱和土三轴试验系统、岩石流变仪、土体流变仪、土体大三轴仪、大型岩石高压渗透试验系统及扫描电子显微镜等大型试验装置；第三部分是用于地质灾害分析、评价及预测的数值模拟系统、物理模拟系统和“3S”技术系统。以上三大部分构成一个较为系统完整的试验测试体系，为实验室的开放研究和高层次人才培养提供强有力的支撑条件。
实验室对仪器设备实行统一管理，特别是高端设备（50万元以上）采用试验技术人员与固定研究人员共同负责管理的模式，前者负责日常维护，后者则负责仪器功能的开发和应用技术研究，两者有机结合，保证了仪器设备的正常运转和开放运行的有效性。学校国有资产管理处为实验室的日常运转、设备更新等提供了有效的后勤保障。
油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学、西南石油大学合建）
大型设备列表
序号仪器名称型号国别厂家
1 界面流变仪 CIR-100 德国 德CAMTEL公司
2 多功能扫描探针显微镜 NS3A 美国 Digilat instruments Inc.
3 高温高压岩心多参数测量仪 SCMS-B2 中国 无
4 三轴岩石力学测试系统 RTR-1000型 美国 美国GCTS公司
5 高温高压界面张力仪 PDE 1700LL/DSA100 德国 德国KRUSS
6 旋转滴界面张力仪 TX500C 美国 BOWING INDOSTRY CORP（美国）
7 压裂酸化裂缝导流能力测试仪 FCTS-1 中国 海安石油科研仪器厂
8 压裂酸化工作液动态滤失仪 FADLT-1 中国 海安石油科研仪器厂
9 高温高压流变仪 7400 美国 千德乐公司
10 X射线衍射仪 X'Pert Pro 荷兰 荷兰帕纳科公司
11 X射线荧光光谱仪 AXIOS 荷兰 荷兰帕纳科公司
12 全自动比表面及孔隙度分析仪 NOVA 2000e N20-20E 美国 康塔
13 超长焦距连续变焦视频显微镜 ZIESS stemi SV 11 中国 蔡司光学仪器（上海）国贸公司
14 多功能长岩芯驱替装置 HYCAL 加拿大 HYCAL公司
15 飞行时间质谱仪 Agilent 6224 美国 美国安捷伦科技有限公司
16 高温高压流变仪 HAAKE RS600 德国 德国HAAKE公司
17 固相沉淀测定仪 DBR 加拿大 DBR公司
18 环境扫描电子显微镜 Quanta 450 美国 美国FEZ公司
19 激光粒度仪 HYDRO2000(APA2000) 英国 英国马尔文
20 离子色谱仪 IC761 瑞士 瑞士METROHM万通公司
21 毛管流动孔隙结构仪 CFP-1500-AEX 美国 美国POYOUS Materials.Inc