声波监测技术在水力裂缝扩展机理研究中的应用

声波监测技术在水力裂缝扩展机理研究中的应用摘要：针对在全三维水力压裂物理模拟实验中，水力裂缝实时扩展形态无法准确描述的问题，利用先进的被动声波监测技术，对水力裂缝在超大型（762cm*762cm*914cm）天然砂岩岩样中的扩展机理进行研究。监测结果表明水力压裂裂缝呈经典的径向形态扩展，与实际裂缝形态一致，同时在声波监测的基础上，对径向水力裂缝扩展机理进行了研究，结果表明实验条件下径向裂缝延伸净压力受断裂韧性的控制，这与通常现场裂缝延伸净压力受流体黏性控制有很大区别。为与现场裂缝扩展进行相似对比，建议今后物模实验参数设计，应适当提高液体黏度及排量，同时降低岩样断裂韧性。声波监测技术在室内超大尺寸水力压裂实验中的成功应用，为推动现场水力压裂裂缝微地震监测技术的进步具有重要意义。关键词：大型物理模拟；声波监测；水力压裂；径向裂缝；断裂韧性

引言目前随着致密气，页岩气，煤层气等非常规天然气藏大规模开发，大型水力压裂物理模拟实验在认识复杂裂缝起裂扩展机理，模拟现场压裂工艺方面起着越来越重要的作用。上个世纪60年代开始，国外已经开始了水力压裂物理模拟方面的研究工作[1，2，]，而从上世纪90年代末至今，国内学者利用石油大学组建的小规模物模实验设备也开展了相关方面研究[3，4]。由于物模实验设备及岩样尺寸的限制，无法在垂向上对岩样进行分层加压，这就导致了裂缝扩展在垂向上不受限制，因此国内外大部分物模实验结果表明，裂缝扩展均易呈现出经典的径向缝特征[5，6]。另一方面在现场水力压裂条件下，较大的施工排量和裂缝尺寸导致断裂韧性对裂缝形态及延伸压力的影响会很小，通常可以忽略[7，8]。但在现场小型压裂测试裂缝扩展的初期，以及实验室内排量和裂缝延伸距离都很小的条件下，断裂韧性对裂缝扩展的影响就显得非常重要，因此通过断裂韧性对径向裂缝扩展的影响研究，不仅为大物模实验相似准则设计提供了重要依据，还对现场的测试压裂具有重要的指导意义。但如何对水力压裂裂缝实时扩展动态进行准确监测，不仅是大物模实验也是现场压裂施工过程中亟需解决的难题之一。从大型物理模拟实验的角度，对声波监测水力裂缝起裂及扩展形态进行了探索研究。目前水力压裂实验中的声波监测技术主要分为主动声波和被动声波两类。荷兰Delft大学自主开发的主动声波监测技术具有国际领先水平[9]，但该技术目前只能进行二维平面定位，对于转向缝或扭曲缝定位还存在误差。被动声波监测技术是目前国内外应用最广泛的监测技术，该技术的定位精度直接由采集到的有效声波数据量决定，该技术已经多次应用到小型岩心板压裂实验中，并取得较好的监测效果[10]，但未见到在大尺寸岩样上应用的报道。本次实验首次尝试将被动声波监测系统应用到大型水力压裂物理模拟实验中，希望对裂缝扩展形态进行准确描述。本实验采用24路声波监测通道实时监测，目前该套系统从数据采集，实时分析，到声波数据后处理技术均处于国内领先，国际先进水平。1径向裂缝扩展规律研究1.1不考虑断裂韧性条件下径向裂缝流体流动方程根据相关文献可得[11]，径向条件下牛顿流体的流动方程式为：（1）其中，。式中:为井筒半径，m；为距井筒R距离处的缝内流压，MPa；为井底压力，MPa；为流体黏度，MPa.s；为注入排量，m3/s；为距井筒r距离处的缝宽，m。忽略断裂韧性的情况下，缝宽方程可近似等于椭圆方程：（2）式中:为t时刻，距离井筒r处的裂缝流体净压力；为井筒处缝宽，m。同时根据“Khristianovich-Geertsma-deKlerk模型”中理论可认为缝中的压力可以使用缝内大部分处的压力以定压近似，缝主体中沿整个缝的压力几乎等于井中的压力只是在靠近缝端时剧减[8]，则根据弹性力学可得：（3）式中:为平面杨氏模量，MPa；为t时刻，距离井筒r处的裂缝流体净压力，MPa。如果忽略断裂韧性的影响，缝端净压力为0则（4）由（1）、（2）、（3）、（4）式联立可得到（5）由（3）、（5）式可得：（6）根据椭圆裂缝体积公式和忽略滤失效应，起裂后t时间内的注入体积为（7）式中：为裂缝体积，m3。这里裂缝体积等同于从裂缝起裂开始注入的总的流体体积，忽略由于井筒存储效应释放的流体体积。在式(5)、（6）、（7）的前提下可以导出R、ww、pnet分别与时间t的线性关系如下式所示：（8）（9）由此可以看出在无滤失影响同时忽略断裂韧性的影响，裂缝稳定扩展过程中井筒净压力与时间的成线性关系。1.2断裂韧性条件下径向裂缝流体流动方程目前水力压裂物模实验中，由于岩样尺寸的限制，最大的裂缝扩展半径仅为38.1cm，甚至更小，所以断裂韧性对裂缝扩展的影响将不容忽视。Irwin认为径向裂缝扩展满足如下断裂准则[8]：（10）式中:为岩石断裂韧性，MPa√m。由（3）、（10）式可得：（11）由（7）、（11）式可得（12）（13）公式（15）为不考虑滤失条件，受断裂韧性影响下的径向裂缝扩展压力公式，此时井筒净压力Pnet与t-1/5的成线性关系。2实验分析2.1实验条件及结果实验设备为大型全三维水力压裂物理模拟实验装置[16]，是目前国内唯一一台能够进行大尺寸岩样压裂实验的设备，能够实现三向地应力的同时加载，最高应力可达79MPa，实验岩样尺寸达762cm×762cm×914cm。本次实验岩样为陕北长6储层砂岩，实验基本参数见表1、2。实验压裂液为1000mPa.s的硅油液体，实验过程中分别进行4次提高排量操作15、25、50、100、150mL/min，观察压力曲线变化，见图1。实验过程中，引入德国VALLEN公司实时声波监测系统，对裂缝起裂扩展过程进行实时监测，共安装24路声波监测通道，该系统的声波数据采集技术处于世界先进水平。鉴于裂缝在均质条件下对称扩展的规律，为了提高监测精度，将24路传感器布置于裂缝扩展的一侧，声波监测解释结果如图2所示，同时将岩样劈开观察实际裂缝形态，如图3所示。声波监测结果与岩样剖开结果一致，裂缝均成径向裂缝形态扩展，进一步表明本次声波监测技术能够对大尺度砂岩岩样内的裂缝扩展动态进行准确描述。表1岩石力学基本参数岩性杨氏模量/MPa泊松比断裂韧性/(MPa√m)孔隙度渗透率/10-3μm2长庆砂岩155000.19314.747%1.036表2实验条件，psi垂向应力最大水平应力最小水平应力孔隙压力声波探头数30020211000无24图1实验压裂曲线9766s10516s10906s10976s11026s11036s图2不同时刻点声波事件分布结果图3实际岩样裂缝形态表3裂缝实时扩展点时间/s排量/(mL/min)裂缝扩展半径/cm井底净压力/psi97661510.46960105162518.147561090610024.387831097615029.297371102615033.476631103615034.176542.2实验数据分析通过实时声波监测结果和压力曲线对比，分别截取裂缝起裂后稳定扩展过程中的几个点，进行径向裂缝扩展规律分析，见表3。2.2.1将上述实验数据分别代入公式（5）、（10）进行计算，并与实测压力进行对比，如表4所示，得到如下结果。表42种公式计算井底压力结果对比时间/s实测值/MPa公式（6）计算结果误差公式（12）计算结果误差97666.6244.27-0.3558.220.241105165.21643.21-0.496.240.20109065.40273.63-0.335.38-0.0034109765.08533.51-0.294.91-0.034110264.57473.17-0.314.600.0046110364.51263.12-0.314.550.0079从实验数据点计算可以看出，通过考虑断裂韧性后计算的井底压力更接近于实测的井底压力值，平均误差为8%，而忽略断裂韧性仅考虑流体流动时计算的压力远低于实际压力值，平均误差为35%。因此可以看出实验中裂缝扩展主要受断裂韧性的影响。2.2.2压力曲线分析将表3记录的实验数据代入公式（11），可以进一步计算出各个时间点时刻裂缝体积，与起裂后流体累计注入体积对比，可以得出流体的注入效率，如表5所示，结果显示该实验中流体的滤失很大，注入效率低于10%，因此在压力的计算过程中还必须考虑滤失效应的影响，对公式(9)、(13)进行修正。在表5基础上对实验数据进行拟合，得到实验过程中流体造缝效率回归公式，如图4所示，压裂液注入体积与裂缝体积成指数函数关系。（14）同时公式（9）、（13）变形为净压力关于裂缝体积的函数如下：（15）（16）将公式（14）代入公式（15）（16）后可以得到考虑滤失效应的流体流动压力随时间变化的理论流动方程。方便起见，在这里主要考察裂缝体积Vf与净压力Pnet的关系。现选取裂缝稳定扩展D-E段进行分析，排量为25ml/min，将各参数带入公式（14）、（15）、（16）进行计算，并与实际压力曲线对比，如图5所示。从图中可以看出，裂缝在扩展过程中的净压力高于仅考虑流动所引起的净压力，而与受断裂韧性影响的压力相接近，同时曲线的回归公式也更接近于公式（16），进一步表明裂缝扩展净压力受断裂韧性主导。表5流体滤失情况统计时间/s裂缝扩展半径/cm注入流体体积/mL理论的裂缝体积/mL注入效率976610.461113.7831647030.0340831051618.1440414.983706050.0370881090624.3864831.376918590.0484211097629.2977149.639164940.0643831102633.4789669.289163550.0773321103634.1792172.969015160.079228图4压裂液造缝体积效率图5实验压力曲线对比2.3结果讨论从声波监测结果和实验后岩样劈开结果可以看出，实验过程中裂缝呈明显的径向缝特征扩展；通过对压力曲线的分析，可以得出结论，实验条件下长庆砂岩裂缝扩展受断裂韧性的控制明显。这是因为实验排量和黏度引起的流动压力较小，不足以达到裂缝扩展的最小压力，同时实验尺寸相比现场也很小，由断裂韧性影响的裂缝最小扩展压力就很大。将此结论放大到现场施工，可以对小型压裂测试进行指导，由于小型压裂测试泵注时间很短即停泵，裂缝的扩展尺寸也很短，裂缝扩展的初期也有可能受断裂韧性的主导，因此在测试压力的计算过程中断裂韧性也应引起重视，特别是针对类似长6砂岩储层的改造。在实际压裂施工中，由于现场的施工排量很大，裂缝尺寸也很大，流体流动引起的压力就会远大于裂缝断裂扩展所需要的最小压力，断裂韧性往往是可以忽略的。为了使实验裂缝扩展与现场裂缝扩展达到相似，就要选用断裂韧性尽可能低、排量黏度乘积尽可能高的实验参数，这样实验中裂缝净压力才会受流动参数的控制，而受断裂韧性的影响不明显，具体设计应同时考虑公式（15）和公式（16）的相似；而当实验需要进行断裂韧性的研究时，就需要采用断裂韧性高，同时适当降低排量和黏度，以保证裂缝扩展受断裂韧性的影响。3结论与建议在国内首次建立了超大尺度天然岩样水力压裂的声波监测解释技术。声波监测结果与实际裂缝扩展形态相吻合，表明实验中引进声波监测及解释技术能够精细准确地刻画径向裂缝动态扩展过程；声波监测解释技术在室内水力压裂实验中的成功应用，必将进一步促进现场微地震解释技术的提高。实验结果与理论计算结果对比表明，在室内条件下的物模实验中，裂缝扩展压力受断裂韧性的影响明显，因此在物模压裂实验以及现场小型压裂测试初期，应重视断裂韧性对裂缝延伸压力的影响。为与现场裂缝扩展进行相似对比，水力压裂物模实验设计应尽量选择高排量，高流体黏度的实验参数，以及低断裂韧性值的岩样。参考文献：[1]ThomasL.Blanton.Anexperimentalstudyofinteractionbetweenhydraulicallyinducedandpre-existingfractures[R].SPE10847，1982，559-562.[2]M.A.Blot，W.L.Medlin，L.Masse.Laboratoryexperimentinfracturepropagation[R].SPE10377，1981，162-169.[3]陈勉，庞飞，金衍.大尺寸真三轴水力压裂模拟与分析[J].岩石力学与工程学报，2021，19（增）：868-872.ChenMian，PangFei，JinYan.Experimentsandanalysisonhydraulicfracturingbyalargesizetriaxialsimulatior[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2021，19(sup):868-872.[4]姚飞，陈勉，吴晓东等.天然裂缝性地层水力裂缝延伸物理模拟研究[J].石油钻采工艺，2021，30(3):83-86.YaoFei，ChenM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咖啡店创业计划书第一部分：背景在中国，人们越来越爱喝咖啡。随之而来的咖啡文化充满生活的每个时刻。无论在家里、还是在办公室或各种社交场合，人们都在品着咖啡。咖啡逐渐与时尚、现代生活联系在一齐。遍布各地的咖啡屋成为人们交谈、听音乐、休息的好地方，咖啡丰富着我们的生活，也缩短了你我之间的距离，咖啡逐渐发展为一种文化。随着咖啡这一有着悠久历史饮品的广为人知，咖啡正在被越来越多的中国人所理解。第二部分：项目介绍第三部分：创业优势目前大学校园的这片市场还是空白，竞争压力小。而且前期投资也不是很高，此刻国家鼓励大学生毕业后自主创业，有一系列的优惠政策以及贷款支持。再者大学生往往对未来充满期望，他们有着年轻的血液、蓬勃的朝气，以及初生牛犊不怕虎的精神，而这些都是一个创业者就应具备的素质。大学生在学校里学到了很多理论性的东西，有着较高层次的技术优势，现代大学生有创新精神，有对传统观念和传统行业挑战的信心和欲望，而这种创新精神也往往造就了大学生创业的动力源泉，成为成功创业的精神基础。大学生创业的最大好处在于能提高自己的潜力、增长经验，以及学以致用;最大的诱人之处是透过成功创业，能够实现自己的理想，证明自己的价值。第四部分：预算1、咖啡店店面费用咖啡店店面是租赁建筑物。与建筑物业主经过协商，以合同形式达成房屋租赁协议。协议资料包括房屋地址、面积、结构、使用年限、租赁费用、支付费用方法等。租赁的优点是投资少、回收期限短。预算10-15平米店面，启动费用大约在9-12万元。2、装修设计费用咖啡店的满座率、桌面的周转率以及气候、节日等因素对收益影响较大。咖啡馆的消费却相对较高，主要针对的也是学生人群，咖啡店布局、格调及采用何种材料和咖啡店效果图、平面图、施工图的设计费用，大约6000元左右3、装修、装饰费用具体费用包括以下几种。(1)外墙装饰费用。包括招牌、墙面、装饰费用。(2)店内装修费用。包括天花板、油漆、装饰费用，木工、等费用。(3)其他装修材料的费用。玻璃、地板、灯具、人工费用也应计算在内。整体预算按标准装修费用为360元/平米，装修费用共360*15=5400元。4、设备设施购买费用具体设备主要有以下种类。(1)沙发、桌、椅、货架。共计2250元(2)音响系统。共计450(3)吧台所用的烹饪设备、储存设备、洗涤设备、加工保温设备。共计600(4)产品制造使用所需的吧台、咖啡杯、冲茶器、各种小碟等。共计300净水机，采用美的品牌，这种净水器每一天能生产12l纯净水，每一天销售咖啡及其他饮料100至200杯，价格大约在人民币1200元上下。咖啡机，咖啡机选取的是电控半自动咖啡机，咖啡机的报价此刻就应在人民币350元左右，加上另外的附件也不会超过1200元。磨豆机，价格在330―480元之间。冰砂机，价格大约是400元一台，有点要说明的是，最好是买两台，不然夏天也许会不够用。制冰机，从制冰量上来说，一般是要留有富余。款制冰机每一天的制冰量是12kg。价格稍高550元，质量较好，所以能够用很多年，这么算来也是比较合算的。5、首次备货费用包括购买常用物品及低值易耗品，吧台用各种咖啡豆、奶、茶、水果、冰淇淋等的费用。大约1000元6、开业费用开业费用主要包括以下几种。(1)营业执照办理费、登记费、保险费;预计3000元(2)营销广告费用;预计450元7、周转金开业初期，咖啡店要准备必须量的流动资金，主要用于咖啡店开业初期的正常运营。预计2000元共计： 120000+6000+5400+2250+450+600+300+1200+1200+480+400+550+1000+3000+450+2000=145280元第五部分：发展计划1、营业额计划那里的营业额是指咖啡店日常营业收入的多少。在拟定营业额目标时，必须要依据目前市场的状况，再思考到咖啡店的经营方向以及当前的物价情形，予以综合衡量。按照目前流动人口以及人们对咖啡的喜好预计每一天的营业额为400-800，根据淡旺季的不同可能上下浮动2、采购计划依据拟订的商品计划，实际展开采购作业时，为使采购资金得到有效运用以及商品构成达成平衡，务必针对设定的商品资料排定采购计划。透过营业额计划、商品计划与采购计划的确立，我们不难了解，一家咖啡店为了营业目标的达成，同时有效地完成商品构成与灵活地运用采购资金，各项基本的计划是不可或缺的。当一家咖啡店设定了营业计划、商品计划及采购计划之后，即可依照设定的采购金额进行商品的采购。经过进货手续检验、标价之后，即可写在菜单上。之后务必思考的事情，就是如何有效地将这些商品销售出去。3、人员计划为了到达设定的经营目标，经营者务必对人员的任用与工作的分派有一个明确的计划。有效利用人力资源，开展人员培训，都是我们务必思考的。4、经费计划经营经费的分派是管理的重点工作。通常能够将咖啡店经营经费分为人事类费用(薪资、伙食费、奖金等)、设备类费用(修缮费、折旧、租金等)、维持类费用(水电费、消耗品费、事务费、杂费等)和营业类费用(广告宣传费、包装费、营业税等)。还能够依其性质划分成固定费用与变动费用。我们要针对过去的实际业绩设定可能增加的经费幅度。5、财务计划财务计划中的损益计划最能反映全店的经营成果。咖啡店经营者在营运资金的收支上要进行控制，以便做到经营资金合理的调派与运用。总之，以上所列的六项基本计划(营业额、商品采购、销售促进、人员、经费、财务)是咖啡店管理不可或缺的。当然，有一些咖啡店为求管理上更深入，也能够配合工作实际需要制订一些其他