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水力压裂通常用于致密砂岩、页岩和一些煤层等低孔低渗岩石，在岩石中形成新裂缝，起到油井上产增产作用，在非常规储层油气开发中扮演了关键角色。本实验室开发了岩芯尺度上的水力压裂在线CT扫描实验，研究岩石的水力压裂特征。

实验原理

本实验水力压裂模拟实验依托岩石水力压裂在线CT扫描平台，该平台主要由高分辨率CT扫描系统、连续流体压力供给系统、数字岩芯处理系统三部分构成，具有原位扫描、立体成像、分辨率高等优点。图1为实验系统简图，图中岩芯样品置于夹持器中，围压和轴压分别由两套泵组供给，模拟地层三轴应力条件。水力压裂的流体由独立的注入泵提供最高20ml/min的恒定流速，流体压力由压力传感器实时监测，以获得试样的最大破裂压力。试样装在nanoVoxel-3502E型微米CT系统转台上，X射线源和探测器分别置于转台（试样）两侧，X射线穿透试样后被探测器，转台带动试样旋转360度所得到的大量X射线衰减图像重构出三维的立体模型。

图1 水力压裂CT扫描系统简图

实验流程

（1）试样制备：块状岩样制备为直径25mm，长度30mm的圆柱试样，页岩或煤样需要采用线切割方式，以保证试样完整，端面平整度为±0.2mm；选择任一端面中心钻直径4mm，深度10mm的盲孔，用以注入流体。盲孔方向与轴线平行，偏差小于2^o。

（2）试样安装及仪器条件准备：压裂堵头安装到试样盲孔中，将试样小心装入水平夹持器中，连接好围压、轴压和流压管线，检查各泵状态后，启动围压和轴压的动力泵，给水平放置的试样施加微小的压力，保证试样不发生错位即可。再将夹持器安装到扫描平台的转台上，调整射线源、试样和探测器位置，保证有最佳的扫描效果。

（3）水力压裂过程：首先将轴压和围压增加到实验设置条件；对试样进行初始CT扫描，根据扫描效果可进一步调整射线源、试样或探测器位置；打开注入容器和夹持器注入管线的切换阀门，液体充满管线，排出空气；关闭注入管线的切换阀门使流体恒速注入岩芯盲孔，同时记录流体压力曲线。如果流体压力能持续升高，则表明随着注入泵的持续注入流体发生压缩，压裂实验可以继续进行，否则需要检测是否漏液。

（4）压裂后CT扫描：当流体压力瞬间出现下降，说明流体压力达到试样破裂压力产生新生裂缝，立即对试样进行原位CT扫描。扫描完成后，关闭注入泵并打开真空泵，清洗管线和夹持器；卸载围压和轴压，取下夹持器，结束实验。

（5）数字岩芯处理：对压裂前后CT扫描数据进行岩芯重构、灰度校准、阈值划分和裂缝提取处理，详细处理过程可按下图操作。

图2 数字岩芯处理流程

应用案例

在此展示松辽盆地青山口组成熟页岩水力压裂CT扫描实验结果，本次实验中恒速恒压泵流速设定为2ml/min，围压和轴压分别固定为3MPa和10MPa。在压力加载完成后进行第一次CT扫描，分辨率14.95um。扫描完成后打开恒速恒压泵，排出管线中空气，并设定好目标流速，记录进液端流体压力变化情况，直至流体压力短时间内快速下降。图3为2ml/min流速下样品压裂过程中，注入流体压力随时间变化的过程。从图中可见，当时间到达340s时，注入流体压力快速下降，此时压力达到岩心破裂压力，岩心从加载阶段进入破裂阶段，关闭恒速恒压泵，并进行第二次CT扫描，记录破裂后岩心状态，实验结束。

图3 2ml/min流速下注入流体压力随时间变化图

将压裂前后CT扫描数据开展岩心重构，通过CT三维显微重构软件将数据处理成可以导入Avizo的格式。通过Avizo首先对两次扫描的数据进行校准保证灰度统一，而后采用交互式阈值分割划分岩心中的裂缝、孔隙以及缺陷，并从压裂后的CT数据中扣除原始数据中的裂缝、孔隙以及缺陷，处理后的两次CT扫描结果见图4。

图4 青山口组页岩水力压裂前后原位CT扫描处理结果图

图4左为页岩样品原始状态，此样品原始状态未见裂缝；图4中为压裂后状态，可见裂缝从盲孔向岩心表面延伸；图4右为裂缝提取后效果图，将组成岩石的矿物透明化后可以清晰的看到裂缝发育的位置及形态，并可以定量裂缝的开度、倾角、裂缝率等参数。