一种脉冲水力压裂改造页岩气储层的实验装置及方法

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一种脉冲水力压裂改造页岩气储层的实验装置及方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种模拟不同地层压力环境、不同脉冲压力及频率下，脉冲水力压裂改造页岩储层的实验以及实时监测裂缝类型和发展情况、测定岩心压裂前后渗透率的实验装置及方法。\n背景技术\n[0002] 我国页岩气储量丰富、开发潜力大，但地质条件复杂、埋藏深，不易开采。水力压裂技术是高效低成本开发页岩气的关键技术之一，获得较好应用的同时也存在压裂液用量大、能量利用率低、体积压裂效果不明显等瓶颈问题。脉冲水力压裂是一种新的改造页岩储层的方法，能有效运用水力的脉冲效应和循环加载方式提高页岩气储层的改造效果。由于缺乏较为系统的科学研究，相关脉冲水力压裂机理匮乏，主要参数对压裂效果影响难以给予量化确定，从而限制了该项技术在天然气储层改造领域的应用与发展。因此，建立科学的页岩气储层脉冲水力压裂实验测试系统，深入探索脉冲水力作用下页岩的断裂损伤及增渗机理，对该技术的研发与推广具有重要意义。\n[0003] 常规水力压裂主要是在稳定高泵压下致裂岩石，然后维持一定压力，使裂缝延伸。\n使用脉冲水力压裂改造页岩气储层是一种新的改造储层方法，采用一定脉冲频率的压力致裂岩石，能节约压裂用水，降低能量消耗。还能提高水力压裂改造页岩气储层的效果，增加裂缝延伸长度和复杂程度。\n[0004] 目前，国内外还没有在三轴应力下专门研究脉冲水力压裂改造页岩气储层的实验装置，缺乏对脉冲水力压裂改造页岩气储层的实验研究。国内外研究水力压裂改造储层的实验装置存在以下缺点:\n[0005] 1.只能在恒定水力压力下、无脉冲频率、无三轴应力，不能进行模拟地层的脉冲水力压裂改造储层实验。或者只能在脉冲压力，但无三轴应力下模拟水力压裂改造储层。\n[0006] 2.对于裂缝的监测只能经过实验压裂改造后，肉眼观察，缺乏实时监测裂缝发展规律的能力。\n[0007] 3.原来的实验装置只能模拟水力能量模拟直接冲击岩石的情况，不能模拟在充满液体的井筒内，脉冲水力能量从径向压裂岩石的状态。\n[0008] 4.原来同类实验装置不能同时测得压裂前后渗透率变化，如需测定渗透率，需取出岩心在另外的实验设备上进行。\n发明内容\n[0009] 本发明提供一种脉冲水力压裂改造页岩气储层的实验装置及方法，能够模拟储层岩石在不同三轴应力、脉冲压力和脉冲频率下的水力压裂状态，并实时监测压裂致裂岩石裂缝发展情况和类型，测定岩心压裂前后渗透率，评价脉冲水力压裂效果。\n[0010] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：\n[0011] 本发明首先提出一种脉冲水力压裂改造页岩气储层的实验装置，其包括脉冲发生与控制系统、三轴应力加载装置、裂缝监测装置和渗透率测定系统；其中：\n[0012] 所述三轴应力加载装置由上钢座、下钢座、岩心夹持器、轴向压力和径向压力加载系统组成；所述岩心夹持器围成筒状，向夹持于筒内岩心试件传递径向力，上钢座和下钢座分别位于岩心夹持器上下两端，紧贴岩心试件的上下两端，传递轴向力；所述上钢座和下钢座均有中心孔，一端与岩心试件的岩心中心孔位置对应，相互连通；所述轴向压力和径向压力加载系统通过加载终端作用于岩心夹持器和上钢座、下钢座，提供加载的围压和轴向压力。采用该三轴应力加载装置，岩石试件在整个脉冲压裂过程中处于三轴应力情况下，装配方便，可组装于常规三轴应力加载系统或现有的三轴强度测试装置中。\n[0013] 所述脉冲发生与控制系统包括压裂液池、高压泵、节流阀、溢流阀、水力脉冲生成装置、压力传感器、数据采集系统；所述上钢座和下钢座的中心孔另一端分别通过管道连接节流阀和溢流阀，进液管从压裂液池接出，通过高压泵、第一开关阀连接节流阀进口，出液管从溢流阀出口接至压裂液池，形成液流循环；从压裂液池接有一分支管路至高压泵和第一开关阀之间的管路，并在所述分支管路上安装第二开关阀；所述水力脉冲生成装置安装在上钢座的中心孔出口位置；所述压力传感器内置于下钢座中，通过信号线连接外部的数据采集系统。\n[0014] 工作时，使用水力脉冲生成装置产生自动产生具有脉冲性能的压裂液，利用节流阀调节流量、溢流阀调节脉冲压力，高压泵提供高压流体。压力传感器传输压裂液压力和脉冲频率数据给数据采集记录系统，利用记录的数据反馈，调节节流阀、溢流阀，使脉冲压力和频率达到实验要求。节流阀、溢流阀、高压泵、压力传感器和数据采集记录系统之间的配合调节，能产生不同压力、频率的脉冲压裂液，用于研究各种脉冲水力压裂改造页岩气储层的状况和与常规水力压裂对比。\n[0015] 所述裂缝监测装置采用声发射信号采集器，通过信号线连接安装在岩心夹持器上的声发射传感器，其输出信号连接至数据采集系统。使用声发射信号采集器采集脉冲压裂过程中产生的裂缝发展情况和裂缝类型，并用数据采集记录系统记录裂缝信号，便于研究脉冲水力压裂裂缝。\n[0016] 所述渗透率测定系统包括所述的截止阀、调压阀、流量计、压力计、岩心夹持器和气源。气源的出气管路连接调压阀，气体由岩心夹持器的一端进入岩心试件，气体压力由调压阀控制。本实验装置可泵入介质为氮气，调节调压阀，配合压力传感器和数据采集记录系统，测定岩心渗透率。\n[0017] 所述渗透率测定系统与脉冲发生与控制系统的管路是替换性地与岩心夹持器两端的管路连接的，分别进行不同的测定。\n[0018] 本发明的有益效果是：能够提供可控的脉冲水力能量，能模拟页岩岩石在地层三轴应力下和类似于井筒内水力压裂实际环境，脉冲水力能量致裂岩石的状态，同时能够实时监测压裂过程中裂缝发展情况和裂缝产生类型，测定岩心渗透率，能与常规水力压裂对比，评价脉冲水力压裂效果，指导水力压裂新技术的开发。该系统可进行脉冲水力压裂与常规水力压裂的效果对比实验，也可直接测量压裂前后岩心渗透率，评估脉冲压裂效果。\n附图说明\n[0019] 图1是本发明脉冲水力压裂改造页岩气储层实验装置结构示意图。\n[0020] 图2是岩心垫圈的示意图。\n[0021] 图3是三轴应力加载装置的示意图。\n[0022] 图4是岩心渗透率测定示意图。\n[0023] 图4A是岩心中气体渗透的方向。\n[0024] 图中，1-压裂液池，2-高压泵，3-节流阀，4-水力脉冲生成装置，5-环氧树脂胶结层，6-垫圈，7-岩心试件，8-声发射信号采集器，9-数据采集记录系统，10-压力传感器，\n11-过滤装置，12-溢流阀，13-岩心中心孔，14-第二开关阀，15-第一开关阀，16-上钢座，\n17-径向夹持件，18-下钢座，19-气源，20-声发射传感器，21-截止阀，22-调压阀，23-流量计，24-压力计。\n具体实施方式\n[0025] 上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。\n[0026] 本发明一种脉冲水力压裂改造页岩气储层的实验装置，包括脉冲发生、监测与控制系统、三轴应力加载装置、裂缝监测装置和渗透率测定系统。\n[0027] 参阅图1和图3，三轴应力加载装置由上钢座16、下钢座18、径向夹持件17组成的岩心夹持器和三轴应力加载系统组成，三轴应力加载系统轴向能提供0-4000kN压力，径向能提供0-50MPa围压，岩心规格Φ100mm×200mm。径向夹持件17可以由两、三个弧形块围成一个圆筒状，向夹持于筒内的岩心试件传递径向力。水力脉冲生成装置4、压力传感器\n10内置分别于上钢座16、下钢座18中便于加载轴向压力。岩心两端附上垫圈6和环氧树脂胶结层5，防止加载轴向压力时，使岩心两端受非实验目的的物理性损坏。垫圈6伸入岩心中心孔13内5mm，防止脉冲水力能量通过岩心两端流失，起不到脉冲压裂效果。\n[0028] 参阅图1，脉冲发生、监测与控制系统由压裂液池1、高压泵2、节流阀3、水力脉冲生成装置4、数据采集记录系统9、压力传感器10、过滤装置11、溢流阀12、第二开关阀14、第一开关阀15组成。上钢座16和下钢座18的中心孔另一端分别通过管道连接节流阀3和溢流阀12，进液管从压裂液池接出，通过高压泵2、第一开关阀15连接节流阀3进口，出液管从溢流阀12出口接至压裂液池1，形成液流循环；从压裂液池1接有一分支管路至高压泵2和第一开关阀15之间的管路，并在所述分支管路上安装第二开关阀14。在下钢座18的中心孔出口至溢流阀12之间的管路上安装有过滤装置11。所述水力脉冲生成装置4安装在上钢座16的中心孔出口位置；所述压力传感器10内置于下钢座18中，通过信号线连接外部的数据采集系统9。水力脉冲生成装置4为一振荡喷嘴，可更换。高压泵2开启后，节流阀3、数据采集记录系统9、压力传感器10、溢流阀12配合使用，达到预定实验要求脉冲频率和脉冲压力。此外还可通过更换水力脉冲生成装置4类型和调节高压泵2泵压能改变脉冲频率和脉冲压力，该实验装置脉冲频率能达到0-2000HZ，脉冲压力能达到0-100MPa。\n过滤装置11过滤因压裂岩心产生的岩心碎屑，使压裂液循环使用。第二开关阀14、第一开关阀15起到接通或改变高压泵泵出的实验所用压裂液流动方向的作用。\n[0029] 参阅图1，裂缝监测系统由声发射信号采集器8、数据采集记录系统9、声发射传感器20组成。声发射传感器20埋置于径向夹持件17内，声发射信号采集器8采集脉冲水力压裂过程中裂缝发展情况、裂缝产生类型。通过线路传输信号给数据采集记录系统9记录下来并处理分析。\n[0030] 参阅图4和图4A，渗透率测定系统包括截止阀21、调压阀22、流量计23、压力计\n24、岩心夹持器和气源19，气源19的出气管路连接调压阀22，经流量计23、压力计24、岩心夹持器的一端进入岩心试件，气体压力由调压阀22控制，调压阀22具体精细控制压力的能力。\n[0031] 参阅图3，岩心试件7中间存在一个直径为10mm岩心中心孔13。上钢座16、下钢座18、垫圈6和环氧树脂胶结层5中心都存在一个10mm直径的中心孔，且与岩心中心孔13相连通。内嵌入垫圈6、并伸入岩石内一定长度，避免岩样从入口端部破坏影响实验的密封性。\n[0032] 参阅图2，垫圈6嵌入岩心内孔部分外径与岩心中心孔13内径一直，岩心中心孔\n13直径10mm，垫圈6直径100mm，与岩心直径一致。\n[0033] 使用本发明一种脉冲水力压裂改造页岩气储层的实验装置进行实验的方法，主要包括以下步骤。\n[0034] 步骤1，按要求制取中心带Φ10mm孔的岩心Φ100mm×200mm若干个，并保证岩心两端和圆周磨平；配置好压裂液储存于压裂液池1中。\n[0035] 步骤2，把岩心试件装入岩心夹持器中，在岩心夹持器两端装上渗透率测定系统，关闭截止阀21，泵入气体，调节调压阀22控制气体压力，开始测定岩心渗透率，记录泵入气体压力、大气压、气体注入流量。根据以下公式可计算气体岩心压裂前渗透率。测试完后，关闭气源，拆除渗透率测定系统，取出岩心试件。\n[0036] \n[0037] 其中：Qi—为气体注入流量（m3/s），μ—气体粘度（Pa·s），r1—岩心柱内半径（m），r2—岩心柱外半径（m），H—岩心柱厚度（m），Pi—泵入气体压力（Pa），Patm—大气压力（Pa）。\n[0038] 步骤3，打开第二开关阀14，关闭第一开关阀15后，打开高压泵2，等高压泵2泵压稳定后，打开数据采集记录系统9，第一开关阀15，关闭第二开关阀14。观察数据采集记录系统9，调节节流阀3、溢流阀11，使脉冲压力和频率达到实验要求，然后打开第二开关阀\n14、关闭第一开关阀15。\n[0039] 步骤4，把制备好的岩心试件装入岩心夹持器17中，调节三轴应力加载装置，达到实验所需围压、轴向压力要求。\n[0040] 步骤5，打开声发射信号采集器8；\n[0041] 步骤6，打开第一开关阀15，关闭第二开关阀14，开始实验，压裂液从高压泵2经第一开关阀15到节流阀（3），再到水力脉冲生成装置4，产生脉冲流体，压裂岩心，最后压裂液依次经岩心中心孔13、过滤装置11、溢流阀12流到压裂液池1，实验中途记录各项数据。\n压裂实验结束，打开第二开关阀14，关闭第一开关阀15，压裂液经高压泵2、第二开关阀14、压裂液池1形成循环，防止反复开关高压泵2，导致高压泵2损坏。\n[0042] 步骤7，再将渗透率测定系统替换安装上去，关闭截止阀21，泵入气体，通过调压阀22调节控制气体压力，开始测定岩心渗透率，记录泵入气体压力、大气压、气体注入流量，根据步骤2相关公式，计算压裂后岩心渗透率。\n[0043] 步骤8，如需研究不同三轴应力下的脉冲水力压裂实验，重复步骤4-7。如需研究不同脉冲频率和脉冲压裂下水力压裂情况，重复步骤2-7，或者在重复3步骤之前，更换水力脉冲生成装置4后，重复步骤2-7。\n[0044] 步骤9，实验结束，关闭高压泵2、卸掉三轴应力、处理压裂废液。