基于3D打印技术的径向井分支干扰应力场表征方法及应用

摘要

本发明提供了一种基于3D打印技术的径向井分支干扰应力场表征方法及应用。该方法为：布局径向分支孔眼，生成3D打印机识别图形文件，确定光弹性材料的用量；利用3D打印机，制成多分支径向井物理模型；按照设定的变温速率，加载试验载荷并冻结物理模型受载应力场；采用细线切割方式，将应力冻结后的物理模型切割成薄片；使用光弹仪照射薄片，生成干涉条纹图样；利用解调软件，表征物理模型内部应力场。本发明采用3D打印机制造出精细的物理模型，实现真实描述径向多分支分布；采用光弹性材料与光弹仪，真实显现出物理模型的内部应力场；将径向井分支干扰应力场可视化，为揭示径向井压裂技术中裂缝起裂与裂缝扩展机理提供关键的实验手段。

说明书

技术领域

本发明属于石油与天然气开采技术领域，具体涉及一种基于3D打印技术的径向井分支干扰应力场表征方法及应用。

背景技术

2017年，我国油气对外依存度达到历史新高的67.4％，加快我国能源技术革命刻不容缓。煤层气、页岩气等非常规油气藏成为我国油气生产的重要领域上。相对于常规油气藏，这些油气藏的经济开发需实施有效的改造，与常规大规模水力压裂相比，径向井压裂技术具有巨大的优势。一方面，径向井是一种直径为30-50mm，长达100m的径向孔眼，相当于人为在地层中增加了一条高到流能力的通道；另一方面，径向井压裂技术是先在储层段的不同水平处辐射出多个不同方位角的径向孔眼，之后再利用水力能量将地层压裂开，这就能在储层中产生一层多段、一段多孔的复杂裂缝，极大地增加了储层改造体积，从而能提高页岩气、煤层气井的单井产量。

径向井多分支间的应力干扰特性参数是认识径向井压裂技术中裂缝起裂与裂缝扩展机理、优化径向井分支孔眼布局的关键。而准确描述井下复杂地层条件下的认径向井多分支间的应力干扰特性是目前亟待解决的问题。

发明内容

为了准确描述井下复杂地层条件下的认径向井多分支间的应力干扰特性，本发明的目的在于提供一种基于3D打印技术的径向井分支干扰应力场表征方法，将应力冻结与应力-光学定律结合，光弹性透明材料为物体内部应力场可视化提供了关键的手段；同时3D打印技术则为多分支径向井物理模型塑造提供了快捷、精确的途径。本发明的目的还在于提供一种基于3D打印技术的径向井分支干扰应力场表征装置；本发明的目的还在于提供3D打印技术在径向井分支干扰应力场表征中的应用。

本发明的目的通过以下技术手段得以实现：

一方面，本发明提供一种基于3D打印技术的径向井分支干扰应力场表征方法，其包括以下步骤：

步骤一，布局径向分支孔眼，生成3D打印机识别图形文件，确定光弹性材料的用量；

步骤二，利用3D打印机，制成多分支径向井物理模型；

步骤三，按照设定的变温速率，加载试验载荷并冻结物理模型受载应力场；

步骤四，采用细线切割方式，将应力冻结后的物理模型切割成薄片；

步骤五，使用光弹仪照射薄片，生成干涉条纹图样；

步骤六，利用解调软件，表征物理模型内部应力场。

上述的方法中，优选地，步骤一包括以下步骤：

依据设定的径向井分支孔眼布局，使用三维画图软件生成3D打印机识别的图形文件，计算图形文件体积，体积乘以光弹性材料的密度，从而确光弹性材料的用量。

上述的方法中，优选地，步骤二包括以下步骤：

以光弹性材料为原材料，利用精度达微米级别的3D打印机，按照逐层喷涂的方式制造出含有多个分支孔眼的径向井物理模型。

上述的方法中，优选地，所述光弹性材料包括光弹性环氧树脂。光弹性环氧树脂无色透明、具有灵敏的应力双折射效应、较高的光学比例极限、较小的光学蠕变，同时含有应力冻结特性，且易于实现3D打印，市售获得。

上述的方法中，优选地，步骤三包括以下步骤：

利用自动变温加热装置以5℃/h的升温速率将多分支径向物理模型均匀加热至高于临界温度5-10℃(冻结温度)，恒温10-20min；

接着将试验载荷加载在物理模型上，恒温1-2h；

然后在不卸载的条件下以3-5℃/h的降温速率使物理模型温度降至50-60℃；

最后再以10℃/h的降温梯度将物理模型温度降至室温，使应力冻结在物理模型当中。

上述的方法中，“临界温度”是指光弹性材料力学性质由过渡态转变为高弹态的最小温度，临界温度与不同光弹性材料选择。

上述方法中，“试验载荷”主要是模拟地层主应力，一般根据有两种，一种为轴向压力、最大最小水平压力，另一种为轴向压力与单一水平压力，具体数值应根据实验方案给定。

上述的方法中，优选地，步骤四包括以下步骤：

采用细线切割方法将应力冻结后的物理模型切割成厚度为3-5mm的薄片(该厚度的薄片既能保证干涉仪光源通过薄片后形成清晰的干涉图样，方便后期应力解调，同时能降低切割技术要求，降低成本)；切割时保持细线垂直、切割速度稳定；然后用冷却液对切割面降温；最后用细砂纸轻轻地将薄片的切割面打磨透明。

上述的方法中，优选地，步骤五包括以下步骤：

首先将薄片放置在光弹仪两块1/4波片间，打开单色光源，调整高速CCD相机焦距直至计算机控制系统中出现清晰的干涉条纹图样；

然后调节光弹仪中第二1/4波片与检偏镜的快轴角度，共获取单色光源干涉图样6幅；

接着将单色光源换成白色光源，使光弹仪中起偏镜、第一1/4波片、第二1/4波片和检偏镜的快轴处于同一角度；

最后改变角度，共获取白色光源干涉图样4幅。

上述的方法中，优选地，步骤六包括以下步骤：

将10幅干涉图导入解调软件内，利用4幅白色光源干涉图获得主应力方向，利用6幅单色光源干涉图样获得主应力大小，从而表征物理模型内部的应力场。

另一方面，本发明还提供一种基于3D打印技术的径向井分支干扰应力场表征装置，该装置包括：

3D打印准备模块，用于布局径向分支孔眼，生成3D打印机识别图形文件，确定光弹性材料的用量；

物理模型制备模块，用于利用3D打印机，制成多分支径向井物理模型；

物理模型受载应力场生成模块，用于按照设定的变温速率，加载试验载荷并冻结物理模型受载应力场；

薄片制备模块，用于采用细线切割方式，将应力冻结后的物理模型切割成薄片；

干涉条纹图样生成模块，用于使用光弹仪照射薄片，生成干涉条纹图样；

物理模型内部应力场表征模块，用于利用解调软件，表征物理模型内部应力场。

再一方面，本发明还提供3D打印技术在径向井分支干扰应力场表征中的应用。

本发明技术原理基础是应力-光性定律，即当透明固体材料内部存在应力时，应力会使其产生双折射效应，且主折射率与对应的主应力在方向上是重合的，而且在材料的同一平面内，最大最小主应力之差与最大最小主折射率之差存在线性关系。此外，光弹性材料存在两种状态，当材料内部温度低于临界温度时，其力学性质表现为塑性，当材料内部温度高于临界温度时，其力学性质表现为弹性。因此，当光弹性材料内部温度大于临界温度时，施加在其上的载荷作用就能在常温状态下保存，其内部应力与应变符合虎克定律，这种现象叫应力冻结。

将应力冻结与应力-光学定律结合，光弹性透明材料为物体内部应力场可视化提供了关键的手段。而相对于现有的模型浇筑技术，3D打印技术则为多分支径向井物理模型塑造提供了快捷、精确的途径。

本发明3D打印技术应用于径向井分支干扰应力场表征中，能够实现多分支径向井模型的塑造，为研究径向井分支干扰应力场提供物质基础；光弹性环氧树脂材料的应力冻结特性为表征井底条件下径向井分支干扰应力场提供原理依据；光弹仪与应力解调软件为径向井分支干扰应力场可视化提供技术支撑。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

(1)本发明采用3D打印机制造出精细的物理模型，实现真实描述井下复杂地层参数条件下的径向多分支分布；

(2)本发明采用具有应力冻结特性的光弹性环氧树脂材料与光弹仪，可真实地显现出了物理模型的内部应力场；

(3)本发明可以将径向井分支干扰应力场真实地可视化，为揭示径向井压裂技术中裂缝起裂与裂缝扩展机理提供关键的实验手段。

附图说明

图1为本发明实施例中基于3D打印技术的径向井分支干扰应力场表征方法流程示意图；

图2为本发明实施例中基于3D打印技术的径向井分支干扰应力场表征装置的结构框架示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例

本实施例提供一种基于3D打印技术的径向井分支干扰应力场表征方法，如图1所示，其包括以下步骤：

S101：布局径向分支孔眼，生成3D打印机识别图形文件，确定光弹性材料的用量，具体为：

依据设定的径向井分支孔眼布局，使用三维画图软件生成3D打印机识别的图形文件，计算图形文件体积，体积乘以光弹性材料的密度，从而确光弹性材料的用量；本实施例光弹性材料为光弹性环氧树脂。

S102：利用3D打印机，制成多分支径向井物理模型，具体为：

以光弹性环氧树脂为原材料，利用精度达微米级别的3D打印机，按照逐层喷涂的方式制造出含有多个分支孔眼的径向井物理模型。

S103：按照设定的变温速率，加载试验载荷并冻结物理模型受载应力场，具体为：

利用自动变温加热装置以5℃/h的升温速率将多分支径向物理模型均匀加热至临界温度后5℃，恒温10min；

接着将试验载荷加载在物理模型上，恒温1-2h；

然后在不卸载的条件下以3-5℃/h的降温速率使物理模型温度降至60℃；

最后再以10℃/h的降温梯度将物理模型温度降至室温，使应力冻结在物理模型当中。

S104：采用细线切割方式，将应力冻结后的物理模型切割成薄片，具体为：

采用细线切割方法将应力冻结后的物理模型切割成厚度为5mm的薄片；切割时保持细线垂直、切割速度稳定；然后用冷却液对切割面降温；最后用细砂纸轻轻地将薄片的切割面打磨透明。

S105：使用光弹仪照射薄片，生成干涉条纹图样，具体为：

首先将薄片放置在光弹仪两块1/4波片间，打开单色光源，调整高速CCD相机焦距直至计算机控制系统中出现清晰的干涉条纹图样；

然后调节光弹仪中第二1/4波片与检偏镜的快轴角度，共获取单色光源干涉图样6幅；

接着将单色光源换成白色光源，使光弹仪中起偏镜、第一1/4波片、第二1/4波片和检偏镜的快轴处于同一角度；

最后改变角度，共获取白色光源干涉图样4幅。

S106：利用解调软件，表征物理模型内部应力场，具体为：

将10幅干涉图导入解调软件内，利用4幅白色光源干涉图获得主应力方向，利用6幅单色光源干涉图样获得主应力大小，从而表征物理模型内部的应力场。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种基于3D打印技术的径向井分支干扰应力场表征装置，如下面的实施例所述。由于基于3D打印技术的径向井分支干扰应力场表征装置解决问题的原理与基于3D打印技术的径向井分支干扰应力场表征方法相似，因此基于3D打印技术的径向井分支干扰应力场表征装置的实施可以参见基于3D打印技术的径向井分支干扰应力场表征方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。图2是本发明实施例的基于3D打印技术的径向井分支干扰应力场表征装置的一种结构框图，如图2所示，可以包括：3D打印准备模块201、物理模型制备模块202、物理模型受载应力场生成模块203、薄片制备模块204、干涉条纹图样生成模块205和物理模型内部应力场表征模块206，下面对该结构进行说明：

3D打印准备模块201，可以用于布局径向分支孔眼，生成3D打印机识别图形文件，确定光弹性材料的用量；

物理模型制备模块202，可以用于利用3D打印机，制成多分支径向井物理模型；

物理模型受载应力场生成模块203，可以用于按照设定的变温速率，加载试验载荷并冻结物理模型受载应力场；

薄片制备模块204，可以用于采用细线切割方式，将应力冻结后的物理模型切割成薄片；

干涉条纹图样生成模块205，可以用于使用光弹仪照射薄片，生成干涉条纹图样；

物理模型内部应力场表征模块206，可以用于利用解调软件，表征物理模型内部应力场。

从以上的描述中，可以看出，本发明实施例实现了如下技术效果：采用3D打印机制造出精细的物理模型，实现真实描述井下复杂地层参数条件下的径向多分支分布；采用具有应力冻结特性的光弹性环氧树脂材料与光弹仪，可真实地显现出了物理模型的内部应力场；将径向井分支干扰应力场真实地可视化，为揭示径向井压裂技术中裂缝起裂与裂缝扩展机理提供关键的实验手段。

虽然本发明提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或终端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境，甚至为分布式数据处理环境)。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、产品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括所述要素的过程、方法、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。

上述实施例阐明的单元、装置或模块等，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本发明时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现，也可以将实现同一功能的模块由多个子模块或子单元的组合实现等。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内部包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

本发明可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构、类等等。也可以在分布式计算环境中实践本发明，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，移动终端，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明可用于众多通用或专用的计算机系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。

虽然通过实施例描绘了本发明，本领域普通技术人员知道，本发明有许多变形和变化而不脱离本发明的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本发明的精神。