一种施加非均质应力加载装置及水力压裂实施方法与流程

1.本发明涉及非常规天然气勘探和开发领域，尤其涉及一种施加非均质应力加载装置及模拟非均质应力条件下的水力压裂实施方法。

背景技术：

2.水力压裂已经成为提高煤层气开采的重要手段，其中压裂过程中裂缝扩展是衡量水力压裂效果的关键指标。煤储层压裂过程中裂缝扩展规律主要受控于地应力和储层的力学性质。相较于水平储层，急倾斜储层由于储层埋深的快速变化，使得储层垂向应力分布和储层物性的存在显著差异，导致急倾斜储层水力压裂过程中的裂缝扩展不同于水平储层。我国煤层气资源丰富，其中约有10％的煤层气资源赋存在新疆等地区的急倾斜储层中，因此，阐明急倾斜储层水力压裂裂缝扩展具有重要现实经济意义。
3.水力压裂当前已经做了大量的研究，主要认识为水力压裂裂隙面垂直于最小水平主应力方向扩展，其中裂缝长度和宽度受控于储层裂隙的闭合压力。对于水平或者缓倾斜储层的水力压裂研究，在裂缝扩展范围内应力变化相对较小，因此，此条件下裂隙的扩展主要是储层物性非均质(力学性质差异和天然裂隙)导致的裂隙不规则延展，不需要考虑实验过程中的应力非均质性，这也是先前实验室进行水力压裂的主要方式。而急倾斜储层的特性决定其裂隙扩展不同于水平储层。急倾斜储层倾斜引起的埋深变化使得储层垂向应力随埋深逐渐增大，应力分布不均。由于储层倾角较大，应力在整个裂隙延展范围内连续快速变化，导致水力裂缝扩展过程中破裂压力连续演变。如裂隙向储层上倾方向扩展，垂向应力逐渐降低，破裂压力更小，而沿着下倾方向裂隙则相反。垂向应力不仅影响裂隙的破裂性质，还影响不同埋深储层煤岩弹性变形性质，这诱使不同的破裂强度和变形能力，使得裂隙扩展呈现各向异性。比如水力压裂以流体作为驱动，优势通道的沟通会导致裂缝单向拓展，无法形成有利于煤层气高效开发的合适人工缝网。当前的研究以及装置设计鲜见对急倾斜储层引起的连续应力变化进行针对性的研究。
4.因此，亟需对急倾斜储层水力压裂过程中的裂缝扩展进行研究。目前，水力压裂实验室试验主要是通过加载三轴应力来模拟储层所受的垂向应力，最大水平主应力和最小水平主应力。该类水力压裂装置中，通过三个液压装置施加三个方向的应力，但是由于同一个方向的受力面平展，所以该方向的所受应力方向一致，大小相同。主要适用于水平或者缓倾斜储层，该类储层在水力压裂控制范围的应力变化较小，因此，可以设置单一恒定的应力。而急倾斜储层，随着埋深增大，垂向应力逐渐增大，使得不同埋深储层所受垂向应力不同，在垂向上呈现为方向一致，大小不同的特征。在这种地层条件下，采用先前的实验方法无法反映急倾斜储层的应力非均质性，因此，该条件下的实验结果也无法有效地应用到急倾斜储层水力压裂指导上。因此，当前亟需一种可以模拟非均质应力的装置，在该装置的帮助下，结合常规三轴压裂设备，提出一种施加非均质应力加载装置及水力压裂实施方法。

技术实现要素：

5.为了解决上述现有技术中存在的技术问题,本发明的主要目的在于提供一种施加非均质应力加载装置及模拟非均质应力条件下的水力压裂实施方法。
6.为实现上述目的，本发明实施例提供了如下的技术方案：
7.第一方面，本发明提供了一种施加非均质应力加载装置，由限位固定装置、膨胀加压橡胶块以及加压挡板组成；所述限位固定装置包括顶部盖板、侧边挡板、中间挡板、分隔挡板和后侧挡板；其中，多块分隔挡板和一块中间挡板将限位固定装置分割为多个独立加压舱，多个独立加压舱用于单独加压以进行施加非均质应力加载。
8.作为本发明的进一步方案，所述侧边挡板、顶部盖板和后侧挡板相互连接组成限位固定装置，限位固定装置内部中间位置设置一块中间挡板，中间挡板两侧对称分布有分隔挡板，六块分隔挡板和一块中间挡板将限位固定装置分割为八个独立加压舱，八个独立加压舱用于单独加压以进行施加非均质应力加载。
9.作为本发明的进一步方案，所述中间挡板中部为注入管线预留有空间，所述独立加压舱中存在有从所述后侧挡板中间两侧延伸而出的金属固定杆，金属固定杆之间以及金属固定杆与两侧挡板距离相等，所述金属固定杆用于连接加压挡板。
10.作为本发明的进一步方案，所述膨胀加压橡胶块中间设有两个用于穿过金属连接杆固定的预留孔，用于使金属固定杆穿过膨胀加压橡胶块进入独立加压舱，所述膨胀加压橡胶块为可变形不可压缩均质材料。
11.作为本发明的进一步方案，所述加压挡板的长和宽与矩形膨胀加压橡胶块的宽和高相同，所述加压挡板中间存设有两个预留孔用于两个螺丝与所述金属固定杆连接。
12.作为本发明的进一步方案，侧边挡板、顶部盖板和后侧挡板厚度为4mm，承压能力超过70mpa；所述分隔挡板厚度为2mm，承压能力超过50mpa。
13.第二方面，本发明提供了一种施加非均质应力加载装置的水力压裂实施方法，使用上述的一种施加非均质应力加载装置结合常规水力压裂装置，进行非均质应力下得水力压裂过程，包括以下步骤：
14.设计实验方案，通过现场测试和数据分析，确定储层应力的空间分布特征，确定垂向应力，最大水平主应力和最小水平主应力的大小和变化梯度；确定储层的破裂压力、以及注入速率；
15.将样品制作为水力压裂装置的设计尺寸，并将样品放入水力压裂装置的样品舱处；
16.在样品的三个方向放置所述非均质应力加载装置，并在所述非均质应力加载装置顶部垂向加载或两侧水平加载覆盖固定片，用螺丝将所述固定片固定；
17.将膨胀加压橡胶块分别放入八个独立空间中，用加压挡板固定；同时持续旋转固定螺丝挤压膨胀加压橡胶块，膨胀加压橡胶块受到挤压向下膨胀加压；
18.通过膨胀加压橡胶块下方压力传感器实施监测压力大小，直至达到目标压力，随后依次加压其他各腔体以及其余两个方向应力；
19.再次检查各个所述腔体的压力，及时调整所有腔体压力至目标压力；
20.在注入端向样品井口以目标流量恒流注入，直至样品破裂，观察破裂特征。
21.第三方面，本发明还提供了一种非均质应力加载装置，包括压力加载舱、承压系统
和侧边可拆卸挡板；所述压力加载舱内部通过金属挡板焊接将压力加载舱分割为多个独立空间，所述承压系统为设置在压力加载舱上的橡胶筒，侧边可拆卸挡板上留有管线孔洞，用于承压系统的管线的布设。
22.作为本发明的进一步方案，所述压力加载舱为矩形设计，压力加载舱内部通过金属挡板焊接将压力加载舱分割为六个独立空间，加压舱中心位置为钢管与两片钢板焊接而成，存在预留孔；所述加压舱顶部和底部钢板处粘附有密封橡胶片。
23.作为本发明的进一步方案，所述承压系统包括矩形橡胶筒、管线、压力表和注入开关阀门，橡胶筒两端中心存在预留孔，通过预留孔将橡胶筒与管线连接，并用螺丝固定密封；压力表和注入开关阀门与管线相连。
24.作为本发明的进一步方案，侧边可拆卸挡板留有管线孔洞，将管线通过孔洞引出，并将管线与侧边可拆卸挡板用螺丝固定。
25.作为本发明的进一步方案，所述压力加载舱长宽高分别为300mm
×
300mm
×
50mm；所述连接管线和钢板均为耐高压材质，所述压力加载舱中间挡板厚度为1mm，外边界挡板为2mm，承压能力超过50mpa。
26.作为本发明的进一步方案，所述承压系统中矩形橡胶筒长宽高分别为29mm
×
29mm
×
29mm，非承压条件下厚度为2mm。
27.第四方面，本发明提供了一种施加非均质应力加载装置的水力压裂实施方法，使用第三方面提供的一种施加非均质应力加载装置结合常规水力压裂装置，进行非均质应力下得水力压裂过程，包括以下步骤：
28.设计实验方案，通过现场测试和数据分析，确定储层应力的空间分布特征，确定垂向应力，最大水平主应力和最小水平主应力的大小和变化特征；确定储层的破裂压力、以及注入速率。
29.将样品制作为水力压裂装置的设计尺寸，并将样品放入水力压裂装置的样品舱处；
30.在样品三个方向放置所述非均质应力加载装置，并在所述非均质应力加载装置顶部(垂向加载)或两侧(水平加载)覆盖固定片，用螺丝将所述固定片固定；
31.将侧边可拆卸挡板固定在承压系统两端；在所述非均质应力加载装置中的每一个腔体内注入液压油并排出空气，利用加压泵持续加压至目标压力，随后依次加压其他各腔体；
32.再次检查各个所述腔体的压力，及时调整所有腔体压力至目标压力；注入端向样品井口以目标流量恒流注入，直至样品破裂。
33.相对于现有技术而言，本发明具有以下有益效果：
34.本发明采用自主设计的非均质应力辅助装置，可以在不改变当前水力压裂装置的条件下可以加载非均质垂向和水平应力，具有适用范围广、实用性强的特点，解决了现有水平压裂装置无法有效模拟应力显著变化区域条件下的水力压裂模拟过程。
35.本发明的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。在附图中：
37.图1为本发明实施例中一种施加非均质应力加载装置应用的主视图；
38.图2为本发明实施例中一种施加非均质应力加载装置应用的立体结构图；
39.图3为本发明实施例中一种施加非均质应力加载装置的主视图；
40.图4为本发明实施例中一种施加非均质应力加载装置的立体结构示意图；
41.图5为本发明又一实施例中一种施加非均质应力加载装置的主视图；
42.图6为本发明又一实施例中一种施加非均质应力加载装置的左视图；
43.图7为本发明又一实施例中一种施加非均质应力加载装置的俯视图。
44.图中附图标记：1-支撑柱、2-固定螺栓、3-底部支撑板、4-样品舱、5-样品固定板、6-样品、7-液压油舱、8-顶部固定板、9-注入孔、10-非均质应力加载装置、11-侧边挡板、12-分隔挡板、13-顶部盖板、14-加压挡板、15-中间挡板、16-固定螺丝、17-金属连接杆、18-膨胀加压橡胶块、19-后侧挡板、20-出口开关阀门、21-预留钻杆孔、22-顶部缓冲橡胶板、23-耐压钢板、24-侧边固定挡板、25-螺母、26-压力表、27-矩形橡胶筒、28-注入开关阀门、29-管线、30-侧边可拆卸挡板。
45.本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
46.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
47.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。
48.在本发明的描述中，对方法步骤的连续标号是为了方便审查和理解，结合本发明的整体技术方案以及各个步骤之间的逻辑关系，调整步骤之间的实施顺序并不会影响本发明技术方案所达到的技术效果。
49.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
50.由于现有的水力压裂装置通过三个液压装置施加三个方向的应力，但是由于同一个方向的受力面平展，所以该方向的所受应力方向一致，大小相同。主要适用于水平或者缓倾斜储层，该类储层在水力压裂控制范围的应力变化较小。而急倾斜储层，随着埋深增大，垂向应力逐渐增大，使得不同埋深储层所受垂向应力不同，在垂向上呈现为方向一致，大小不同的特征。在这种地层条件下，采用先前的实验方法无法反映急倾斜储层的应力非均质性。
51.鉴于此，本技术提供了一种施加非均质应力加载装置及水力压裂实施方法，可以在不改变当前水力压裂装置的条件下可以加载非均质垂向和水平应力，具有适用范围广、实用性强的特点，解决了现有水平压裂装置无法有效模拟应力显著变化区域条件下的水力
压裂模拟过程。
52.参见图1至图4所示，本发明的一个实施例提供了一种施加非均质应力加载装置10，由限位固定装置、膨胀加压橡胶块18以及加压挡板14组成；所述限位固定装置包括顶部盖板13、侧边挡板11、中间挡板15、分隔挡板12和后侧挡板19；其中，多块分隔挡板12和一块中间挡板15将限位固定装置分割为多个独立加压舱，多个独立加压舱用于单独加压以进行施加非均质应力加载。
53.在本发明的实施例中，所述侧边挡板11、顶部盖板13和后侧挡板19相互连接组成限位固定装置，限位固定装置内部中间位置设置一块中间挡板15，中间挡板15两侧对称分布有分隔挡板12，六块分隔挡板12和一块中间挡板15将限位固定装置分割为八个独立加压舱，八个独立加压舱用于单独加压以进行施加非均质应力加载。
54.其中，所述侧边挡板、顶部盖板、后侧挡板和中间挡板厚度更厚，来实现更大的承载压力。在本发明的实施例中，所述中间挡板15中部为注入管线预留有空间，所述独立加压舱中存在有从所述后侧挡板19中间两侧延伸而出的金属固定杆，金属固定杆之间以及金属固定杆与两侧挡板距离相等，所述金属固定杆用于连接加压挡板14，完成加压。
55.在本发明的实施例中，所述膨胀加压橡胶块18中间设有两个用于穿过金属连接杆17固定的预留孔，用于使金属固定杆穿过膨胀加压橡胶块18进入独立加压舱，所述膨胀加压橡胶块18为可变形不可压缩均质材料。
56.在本发明的实施例中，所述加压挡板14的长和宽与矩形膨胀加压橡胶块18的宽和高相同，所述加压挡板14中间存设有两个预留孔用于两个螺丝与所述金属固定杆连接。
57.在本发明的实施例中，侧边挡板11、顶部盖板13和后侧挡板19厚度为4mm，承压能力超过70mpa；所述分隔挡板12厚度为2mm，承压能力超过50mpa。
58.其中，非均质应力加载装置10安装在样品6与常规水力压裂装置的顶部固定板8之间，所述样品6中部设有注入孔9，所述样品6侧面设有样品固定板5，样品固定板5外部设有样品舱4，所述样品舱4放置在底部支撑板3上，所述底部支撑板3与顶部固定板8相平行设置且四角均通过支撑柱1固定，所述底部支撑板3下方的支撑柱1上螺纹连接有固定螺栓2，所述顶部固定板8上方的支撑柱1上螺纹连接有固定螺栓2，通过固定螺栓2可调节底部支撑板3和顶部固定板8在支撑柱1上的位置高度。
59.参见图1至图4所示，本发明的一个实施例提供了一种施加非均质应力加载装置的水力压裂实施方法，使用上述的一种施加非均质应力加载装置10结合常规水力压裂装置，进行非均质应力下得水力压裂过程，包括以下步骤:
60.步骤1：设计实验方案，通过现场测试和数据分析，确定储层应力的空间分布特征，确定垂向应力，最大水平主应力和最小水平主应力的大小和变化梯度；确定储层的破裂压力、以及注入速率；
61.步骤2：将样品6制作为水力压裂装置的设计尺寸，并将样品6放入水力压裂装置的样品舱4处；
62.步骤3：在样品6的三个方向放置所述非均质应力加载装置10，并在所述非均质应力加载装置10顶部垂向加载或两侧水平加载覆盖固定片，用螺丝将所述固定片固定；
63.步骤4：将膨胀加压橡胶块18分别放入八个独立空间中，用加压挡板14固定；同时持续旋转固定螺丝16挤压膨胀加压橡胶块18，膨胀加压橡胶块18受到挤压向下膨胀加压；
64.步骤5：通过膨胀加压橡胶块18下方压力传感器实施监测压力大小，直至达到目标压力，随后依次加压其他各腔体以及其余两个方向应力；
65.步骤6：再次检查各个所述腔体的压力，及时调整所有腔体压力至目标压力；
66.步骤7：在注入端向样品6井口以目标流量恒流注入，直至样品6破裂，观察破裂特征。
67.在进行垂向非均质应力下水力压裂过程试验时，本实施方式是一种模拟非均质应力条件下的水力压裂模拟实验方法，使用前面的实施例一种非均质应力加载装置结合常规三轴水力压裂设备进行垂向非均质应力下得水力压裂过程，包括以下步骤：
68.步骤1：设计实验方案，根据具体研究区块的应力分布特征，确定水力压裂过程中的垂向应力和变化特征，最大水平主应力和最小水平主应力的大小；基于储层破裂强度及储层特征，确定压裂液种类以及注入参数，并加入荧光剂用于方便观察破裂特征。
69.步骤2：将样品制备为300mm
×
300mm
×
300mm的立方体，并在中心出钻取直径5mm的圆孔，置入钻杆。随后将样品置入图2中水力压裂装置中。
70.步骤3：利用加压装置给图2中两个液压油舱加压，在水平方向分别施加15mpa和20mpa压力，作为最大和最小水平主应力。
71.步骤4：在样品顶部放置非均质应力加载辅助装置，盖上顶部固定板并拧紧固定。
72.步骤5：拧紧加压螺栓，使得膨胀加压橡胶块向下膨胀挤压，从而向下施加应力。通过下方应力传感器监测应力大小，直至为目标压力。随后依次向右加压，压力分别为12mpa、14mpa、16mpa、18mpa、20mpa、22mpa、24mpa、26mpa。
73.步骤6：将压裂液注入孔与钻杆连接，以0.12ml/s恒流注入压裂液，直至破裂。
74.针对步骤5中通过挤压膨胀加压橡胶块来实验压力非均质性加载，也可以将膨胀加压橡胶块替换为橡胶压力密封舱，通过向密封舱中注入液压油来实现加压。
75.本发明实施例与当前技术的差异为：当前水力压裂装置不管是出于什么样的目的，基本的思路就是施加三轴应力，然后进行不同目的的压裂实验。而三轴应力的缺点在于每个方向的应力大小是固定的，比如x方向的应力只能是一个固定值。这针对与应力变化小的储层影响不大。但是如果对于应力快速变化的地层条件，如急倾斜储层。这种条件下单一方向的应力变化很大，水力压裂实验时就需要考虑同一方向的应力变化。而当前的设备不能满足于此。
76.本发明的创新在于在不改变原有的压裂一起的基本装置条件下，设计一个非均质应力施加装置，可以再同一个方向同时施加不同大小的应力，来模拟不同的储层盈力条件。这个装置每个应力施加模块是独立的，不仅可以模拟应力的连续变化，也可以模拟应力的突变等其他非均质下得应力分布特征。
77.本发明采用自主设计的非均质应力辅助装置，可以在不改变当前水力压裂装置的条件下可以加载非均质垂向和水平应力，具有适用范围广、实用性强的特点，解决了现有水平压裂装置无法有效模拟应力显著变化区域条件下的水力压裂模拟过程。
78.需要说明的是：本发明模拟的一个关键在于如何施加不同的应力，主要的思路是将受力面分隔为几个独立区域，单独加压，因此独立区域也不限于本文中的八个和六个。加压可以有几种方式，本文实验的固体橡胶施加外力膨胀来实现加压。这个方式的优点在于所需的器件少，仅通过固定挤压便可以实现，但需要额外配备应力传感器来检测应力大小。
这是本发明中所使用的方案。
79.另一种通过液压来实现加压。在每一个加压空间内制备橡胶密封装置，通过向橡胶密封空腔里注入液压油来实现加压。该类实施例的优点可以直接通过压力表反映加压大小，缺点是面临可能存在泄漏风险。
80.以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
81.参见图5至图7所示，本发明的一个实施例提供了一种非均质应力加载装置10，包括压力加载舱、承压系统和侧边可拆卸挡板30；所述压力加载舱内部通过金属挡板焊接将压力加载舱分割为多个独立空间，所述承压系统为设置在压力加载舱上的橡胶筒，侧边可拆卸挡板30上留有管线29孔洞，用于承压系统的管线29的布设，所述中间挡板15中间包括预留钻杆孔21。
82.所述顶部缓冲橡胶板22为消除盖板或样品不平引起的受力不均；耐压钢板23、侧边固定挡板24和侧边可拆卸挡板是为保证矩形橡胶筒27在注入液压油时仅向下膨胀变形，固定其他方向；分隔挡板12为将加载舱分隔呈6个独立区域，可以进行单独加压，从而实现非均质应力的效果；压力表26为可实时监看压力变化，确保压力为设置压力；出口开关阀门20目的是加压力的时候排出橡胶舱里的空气。
83.本发明的进一步方案，所述压力加载舱为矩形设计，压力加载舱内部通过金属挡板焊接将压力加载舱分割为六个独立空间(也可以为任意数量)，加压舱中心位置为钢管与两片钢板焊接而成，存在预留孔；所述加压舱顶部和底部钢板处粘附有密封橡胶片。
84.在本发明的实施例中，所述承压系统包括矩形橡胶筒27、管线29、压力表26和注入开关阀门28，橡胶筒两端中心存在预留孔，通过预留孔将橡胶筒与管线29连接，并用螺丝固定密封；压力表26和注入开关阀门28与管线29相连。
85.在本发明的实施例中，侧边可拆卸挡板30留有管线29孔洞，将管线29通过孔洞引出，并将管线29与侧边可拆卸挡板30用螺丝固定。
86.在本发明的实施例中，所述压力加载舱长宽高分别为300mm
×
300mm
×
50mm；所述连接管线29和钢板均为耐高压材质，所述压力加载舱中间挡板15厚度为1mm，外边界挡板为2mm，承压能力超过50mpa。
87.在本发明的实施例中，所述承压系统中矩形橡胶筒27长宽高分别为29mm
×
29mm
×
29mm，非承压条件下厚度为2mm。
88.参见图5至图7所示，本发明的一个实施例提供了一种施加非均质应力加载装置的水力压裂实施方法，使用前述一种施加非均质应力加载装置10结合常规水力压裂装置，进行非均质应力下得水力压裂过程，
89.需要说明的是，本发明实施例的方法中，按自主设计的水力压裂过程中加载非均质应力的装置。依次将样品置入水力压裂样品舱内，利用自主设计的非均质应力装置，加载相应的非均质应力来模拟急倾斜储层的应力演化，然后通过注入端注入压裂液，进行急倾斜储层水力压裂过程。
90.所述施加非均质应力加载装置的水力压裂实施方法，包括以下步骤：
91.步骤1：设计实验方案，通过现场测试和数据分析，确定储层应力的空间分布特征，
确定垂向应力，最大水平主应力和最小水平主应力的大小和变化特征；确定储层的破裂压力、以及注入速率。
92.步骤2：将样品6制作为水力压裂装置的设计尺寸，并将样品6放入水力压裂装置的样品舱4处；
93.步骤3：在样品6三个方向放置所述非均质应力加载装置10，并在所述非均质应力加载装置10顶部(垂向加载)或两侧(水平加载)覆盖固定片，用螺丝将所述固定片固定；
94.步骤4：将侧边可拆卸挡板30固定在承压系统两端；在所述非均质应力加载装置10中的每一个腔体内注入液压油并排出空气，利用加压泵持续加压至目标压力，随后依次加压其他各腔体；
95.步骤5：再次检查各个所述腔体的压力，及时调整所有腔体压力至目标压力；注入端向样品6井口以目标流量恒流注入，直至样品6破裂。
96.其中，本实施方式是一种模拟非均质应力条件下的水力压裂模拟实验方法，使用前面的实施例一种非均质应力加载装置结合常规三轴水力压裂设备进行，包括以下步骤：
97.步骤1：设计实验方案，根据具体研究区块的应力分布特征，确定水力压裂过程中的垂向应力，最大水平主应力和最小水平主应力的大小和变化特征；基于储层破裂强度及储层特征，确定压裂液种类以及注入参数，并加入荧光剂。
98.步骤2：将样品制备为300mm
×
300mm
×
300mm的立方体，并在中心出钻取直径15mm的圆孔，置入钻杆。随后将样品置入图5-7中水力压裂装置中。
99.步骤3：利用加压装置给图6中两个液压油舱加压，在水平方向分别施加15mpa和20mpa压力，作为最大和最小水平主应力。
100.步骤4：在样品顶部放置非均质应力加载辅助装置，盖上顶部固定板并拧紧固定。
101.步骤5：向非均质应力加载辅助装置中的最左侧加压空间注入液压油，同时打开出口阀门直至液压油充满后关闭。持续注入液压油至压力表达到目标压力12mpa，关闭注入阀门。随后依次向右注入，压力分别为14mpa、16mpa、18mpa、20mpa、22mpa、24mpa。由于相互之间可能存在挤压导致压力波动，全部加压完毕后根据各个空间的压力表变化再实时调整。
102.步骤5：将压裂液注入孔与钻杆连接，以0.12ml/s恒流注入压裂液，直至破裂。
103.本发明提供一种施加非均质应力加载装置及水力压裂实施方法，采用自主设计的非均质应力辅助装置，可以在不改变当前水力压裂装置的条件下可以加载非均质垂向和水平应力，具有适用范围广、实用性强的特点，解决了现有水平压裂装置无法有效模拟应力显著变化区域条件下的水力压裂模拟过程。
104.以上仅为本发明的优选实施例，并非因此，限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：

1.一种施加非均质应力加载装置，其特征在于，由限位固定装置、膨胀加压橡胶块(18)以及加压挡板(14)组成；所述限位固定装置包括顶部盖板(13)、侧边挡板(11)、中间挡板(15)、分隔挡板(12)和后侧挡板(19)；其中，多块分隔挡板(12)和一块中间挡板(15)将限位固定装置分割为多个独立加压舱，多个独立加压舱用于单独加压以进行施加非均质应力加载。2.根据权利要求1所述的施加非均质应力加载装置，其特征在于，所述侧边挡板(11)、顶部盖板(13)和后侧挡板(19)相互连接组成限位固定装置，限位固定装置内部中间位置设置一块中间挡板(15)，中间挡板(15)两侧对称分布有分隔挡板(12)，六块分隔挡板(12)和一块中间挡板(15)将限位固定装置分割为八个独立加压舱，八个独立加压舱用于单独加压以进行施加非均质应力加载。3.根据权利要求2所述的施加非均质应力加载装置，其特征在于，所述中间挡板(15)中部为注入管线预留有空间，所述独立加压舱中存在有从所述后侧挡板(19)中间两侧延伸而出的金属固定杆，金属固定杆之间以及金属固定杆与两侧挡板距离相等，所述金属固定杆用于连接加压挡板(14)。4.根据权利要求3所述的施加非均质应力加载装置，其特征在于，所述膨胀加压橡胶块(18)中间设有两个用于穿过金属连接杆(17)固定的预留孔，用于使金属固定杆穿过膨胀加压橡胶块(18)进入独立加压舱，所述膨胀加压橡胶块(18)为可变形不可压缩均质材料。5.根据权利要求4所述的施加非均质应力加载装置，其特征在于，所述加压挡板(14)的长和宽与矩形膨胀加压橡胶块(18)的宽和高相同，所述加压挡板(14)中间存设有两个预留孔用于两个螺丝与所述金属固定杆连接。6.一种施加非均质应力加载装置的水力压裂实施方法，其特征在于，使用权利要求1-5任一所述的施加非均质应力加载装置结合常规水力压裂装置，进行非均质应力下的水力压裂过程，包括以下步骤：设计实验方案，通过现场测试和数据分析，确定储层应力的空间分布特征，确定垂向应力，最大水平主应力和最小水平主应力的大小和变化梯度；确定储层的破裂压力、以及注入速率；将样品(6)制作为水力压裂装置的设计尺寸，并将样品(6)放入水力压裂装置的样品舱(4)处；在样品(6)的三个方向放置所述非均质应力加载装置(10)，并在所述非均质应力加载装置(10)顶部垂向加载或两侧水平加载覆盖固定片，用螺丝将所述固定片固定；将膨胀加压橡胶块(18)分别放入八个独立空间中，用加压挡板(14)固定；同时持续旋转固定螺丝(16)挤压膨胀加压橡胶块(18)，膨胀加压橡胶块(18)受到挤压向下膨胀加压；通过膨胀加压橡胶块(18)下方压力传感器实施监测压力大小，直至达到目标压力，随后依次加压其他各腔体以及其余两个方向应力；再次检查各个所述腔体的压力，及时调整所有腔体压力至目标压力；在注入端向样品(6)井口以目标流量恒流注入，直至样品(6)破裂，观察破裂特征。7.一种施加非均质应力加载装置，其特征在于，包括压力加载舱、承压系统和侧边可拆卸挡板(30)；所述压力加载舱内部通过金属挡板焊接将压力加载舱分割为多个独立空间，所述承压系统为设置在压力加载舱上的橡胶筒，侧边可拆卸挡板(30)上留有管线(29)孔
洞，用于承压系统的管线(29)的布设。8.根据权利要求7所述的施加非均质应力加载装置，其特征在于，所述压力加载舱为矩形设计，压力加载舱内部通过金属挡板焊接将压力加载舱分割为六个独立空间，加压舱中心位置为钢管与两片钢板焊接而成，存在预留孔；所述加压舱顶部和底部钢板处粘附有密封橡胶片。9.根据权利要求8所述的施加非均质应力加载装置，其特征在于，所述承压系统包括矩形橡胶筒(27)、管线(29)、压力表(26)和注入开关阀门(28)，橡胶筒两端中心存在预留孔，通过预留孔将橡胶筒与管线(29)连接，并用螺丝固定密封；压力表(26)和注入开关阀门(28)与管线(29)相连；所述侧边可拆卸挡板(30)留有管线(29)孔洞，将管线(29)通过孔洞引出，并将管线(29)与侧边可拆卸挡板(30)用螺丝固定。10.一种施加非均质应力加载装置的水力压裂实施方法，使用如权利要求7-9任一所述的施加非均质应力加载装置结合常规水力压裂装置，进行非均质应力下得水力压裂过程，包括以下步骤：步骤1：设计实验方案，通过现场测试和数据分析，确定储层应力的空间分布特征，确定垂向应力，最大水平主应力和最小水平主应力的大小和变化特征；确定储层的破裂压力、以及注入速率；将样品(6)制作为水力压裂装置的设计尺寸，并将样品(6)放入水力压裂装置的样品舱(4)处；在样品(6)三个方向放置所述非均质应力加载装置(10)，并在所述非均质应力加载装置(10)顶部垂向加载或两侧水平加载覆盖固定片，用螺丝将所述固定片固定；将侧边可拆卸挡板(30)固定在承压系统两端；在所述非均质应力加载装置(10)中的每一个腔体内注入液压油并排出空气，利用加压泵持续加压至目标压力，随后依次加压其他各腔体；再次检查各个所述腔体的压力，及时调整所有腔体压力至目标压力；注入端向样品(6)井口以目标流量恒流注入，直至样品(6)破裂。

技术总结

本发明涉及非常规天然气勘探和开发领域，提供一种施加非均质应力加载装置及水力压裂实施方法，该装置由限位固定装置、膨胀加压橡胶块以及加压挡板组成；所述限位固定装置包括顶部盖板、侧边挡板、中间挡板、分隔挡板和后侧挡板；其中，多块分隔挡板和一块中间挡板将限位固定装置分割为多个独立加压舱，多个独立加压舱用于单独加压以进行施加非均质应力加载。本发明采用自主设计的非均质应力辅助装置，可以在不改变当前水力压裂装置的条件下可以加载非均质垂向和水平应力，具有适用范围广、实用性强的特点，解决了现有水平压裂装置无法有效模拟应力显著变化区域条件下的水力压裂模拟过程。拟过程。拟过程。