热流体压裂开采天然气水合物藏实验装置

1.一种热流体压裂开采天然气水合物藏实验装置，包括：水合物岩芯三轴压裂系统、压裂液注入系统、天然气开采系统和声发射监测系统；其特征在于：水合物岩芯三轴压裂系统用于压裂实验水合物岩 芯以产生水力裂缝；压裂液注入系统为水合物压裂过程提供高压热流体压裂液；天然气开采系统用于实现天然气水合物 岩 芯的降压开采；声发射监测系统用于检测裂缝扩展过程和裂缝内多相流动形态；
所述的水合物岩芯三轴压裂系统，包括三轴仪、多通道稳压源和恒温箱；多通道稳压源通过液压注入管线与三轴仪连接，用于提供三轴仪各方向的液压，恒温箱用于控制三轴仪的内部温度；三轴仪侧部的压力板与水合物岩芯接触的每个面上设有沉孔，并开有引线槽；
三轴仪上部和下部的压力板上不设沉孔和引线槽，三轴仪上部的压力板中心设有压裂液注入管线入口；
所述的压裂液注入系统由储水罐、增压器、加热系统、温度计、压力计、流量计依次通过管线连接组成；
所述的天然气开采系统由卸压器、压力计、温度计、气水分离器、气体流量计和量筒组成；卸压器、压力计、温度计和气水分离器依次通过管线连接；气体流量计、量筒与气水分离器连接；
所述的声发射监测系统由声发射探头、声发射信号线和声发射仪组成；声发射探头通过声发射信号线与声发射仪相连；声发射探头布置在压力板的沉孔内以确保其与岩芯表面紧密接触；声发射信号线布置在引线槽内；声发射仪对声发射信号分析、显示和存储，用于检测裂缝扩展过程和裂缝内多相流动形态。
2.根据权利要求1所述的热流体压裂开采天然气水合物藏实验装置，其特征在于：三通阀门的一端通过高压管线与压裂液注入系统的流量计连接，一端通过高压管线与天然气开采系统的卸压器连接，一端通过高压管线与水合物岩芯的模拟井筒密封连接，用于改变介质流向；高压管线耐压达30MPa。
3.根据权利要求1或2所述的热流体压裂开采天然气水合物藏实验装置，其特征在于：
水合物岩芯尺寸为长200mm、宽200mm、高150mm，顶面中心开有一直径10mm、长80mm的竖向中心孔；中心孔内密封粘贴一外径9mm、内径5mm、长70mm耐压30MPa的钢管，用作模拟井筒；钢管下端与中心孔底面预留10mm，用作压裂时形成裂缝的裸眼井段；钢管顶端设有密封垫片。
4.根据权利要求1或2所述的热流体压裂开采天然气水合物藏实验装置，其特征在于：
增压器可增压达30MPa，加热系统最高可将热流体加热至100℃。
5.根据权利要求1或2所述的热流体压裂开采天然气水合物藏实验装置，其特征在于：
多通道稳压源的压力控制范围为0-30MPa；恒温箱的温度控制范围为2-60℃。
6.根据权利要求1或2所述的热流体压裂开采天然气水合物藏实验装置，其特征在于：
三轴仪侧部的压力板与水合物岩芯接触的工作面上设有三行三列等间距排列9个沉孔；热流体为热水。

热流体压裂开采天然气水合物藏实验装置\n技术领域\n[0001] 本发明属于非常规油气开采技术领域，具体地，涉及一种热流体压裂开采天然气水合物藏实验装置。\n背景技术\n[0002] 随着我国经济发展对油气能源需求量的急剧增长以及油气能源新战略的实施，油气勘探开发领域不断扩展，从常规油气资源逐渐向非常规油气资源转移。天然气水合物是一种新型洁净能源，其蕴藏量约为现有地球化石燃料（石油、天然气和煤）含碳量总和的两倍，开发天然气水合物对缓解人类面临的能源枯竭危机具有举足轻重的作用。我国仅南海陆坡和海槽沉积物中的水合物蕴藏量就可达37.5亿吨油当量，能够满足我国今后数百年的能源需求。日本与美国分别计划于2015年和2016年实现天然气水合物的商业性开采。\n我国已经从最初的跟踪国际进展发展到目前的自主创新，于2007年月成功的在南海取得了天然气水合物岩心样品成为世界上第四个取得水合物样品的国家。\n[0003] 目前，国际上天然气水合物的开采方法主要包括降压法、热激发法、注化学试剂法、CO2置换法及固体开采法。其中，降压法和热激发法是两种目前研究较多、理论体系较为完善的水合物藏开采方法。但由于天然气水合物以固态胶结物的形式充填于沉积物孔隙中，其传热传质效率相对于常规油气藏要低得多，且受制于有限的井筒与储层接触面积，使得降压法开采水合物藏的分解周期长，热激发法往往伴随着大量的热量损失，开采效率均受到限制。\n[0004] 热流体压裂开采天然气水合物藏方法，可以极大地扩展产出通道与储层的接触面积，提高传热传质效率，且可以将热激发和降压法结合使用，充分发挥两者的优势，从而提高水合物藏的开发效率。该方法有望成为一种非常有前景的天然气水合物开采方法。但将该方法应用于现场实际还需要坚实的理论和室内实验研究，因此，需要建立一种热流体压裂开采天然气水合物藏实验装置，为水合物藏开采新方法的研究奠定基础。传统的三轴水力压裂实验装置仅适用于常规压裂实验研究，并不能够实现水合物岩芯的热流体压裂以及压裂后水合物藏内流体的降压开采。目前国内外尚未有此类实验装置的公开报道。\n发明内容\n[0005] 为克服现有技术的不足，本发明提供一种热流体压裂开采天然气水合物藏实验装置，该实验装置用于模拟天然气水合物藏的热流体压裂与降压开采过程，实验研究水合物岩心压裂裂缝的形态与扩展规律，研究裂缝内压裂液流动特性，研究压裂后降压开采效果，为热流体压裂开采天然气水合物藏成功应用于现场实际提供实验基础。\n[0006] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：\n[0007] 热流体压裂开采天然气水合物藏实验装置，包括水合物岩芯三轴压裂系统、压裂液注入系统、天然气开采系统和声发射监测系统。水合物岩芯三轴压裂系统用于在水合物岩心中压裂产生水力裂缝；压裂液注入系统为水合物压裂过程提供高压热流体压裂液；天然气开采系统实现水合物藏的降压开采；声发射监测系统用于检测裂缝扩展过程和裂缝内多相流动形态。\n[0008] 优选地，水合物岩芯三轴压裂系统，包括三轴仪、多通道稳压源和恒温箱；多通道稳压源通过液压注入管线与三轴仪连接，压力控制范围为0-30MPa，用于提供三轴仪各方向的液压，可模拟深水区块井深1500m之内天然气水合物藏的三向主应力状态；恒温箱的温度控制范围为2-60℃，用于控制三轴仪的内部温度，可模拟深水区块井深1500m之内的天然气水合物藏的环境温度；三轴仪的压力板与水合物岩芯接触的侧部的工作面上设有三行三列等间距排列的9个沉孔，工作面上开有引线槽，三轴仪上部和下部的压力板不设沉孔，三轴仪上部的压力板中心设有压裂液注入管线入口。\n[0009] 优选地，压裂液注入系统由储水罐、增压器、加热系统、温度计、压力计、流量计依次通过管线连接组成；增压器可增压达30MPa，加热系统最高可将水加热至100℃，增压器与加热系统用于制备高压热流体，并将高压热水注入模拟井筒。温度计、压力计和流量计分别计量压裂过程中热流体的温度、压力及流量数据，可用于判别水合物岩芯的压裂状态；增压器至流量计的所有部件和管线均耐压30MPa，可满足热流体压裂开采水合物岩芯实验过程的要求。\n[0010] 优选地，天然气开采系统由卸压器、压力计、温度计、气水分离器、气体流量计和量筒组成；卸压器、压力计、温度计和气水分离器依次通过管线连接；气体流量计、量筒与气水分离器连接，分别用于计量天然气和热水的开采数据，可用于天然气开采的效果评价；卸压器耐压30MPa，可实现该系统的降压。\n[0011] 优选地，三通阀门的一端通过高压管线与压裂液注入系统的流量计连接，一端通过高压管线与天然气开采系统的卸压器连接，一端通过高压管线与水合物岩芯的模拟井筒密封连接，用于改变介质流向；高压管线耐压达30MPa。\n[0012] 优选地，声发射监测系统由声发射探头、声发射信号线和声发射仪组成；声发射探头通过声发射信号线与声发射仪相连；声发射探头布置在压力板的沉孔内以确保其与岩芯表面紧密接触，用于接收和转化压裂过程中水合物岩芯的声发射信号；声发射信号线布置在引线槽内，防止加压过程中对其造成损坏；声发射仪对声发射信号分析、显示和存储，用于检测裂缝扩展过程和裂缝内多相流动形态。\n[0013] 优选地，上述水合物岩芯尺寸为长200mm、宽200mm、高150mm，顶面中心开有一直径10mm、长80mm的竖向中心孔；中心孔内密封粘贴一外径9mm、内径5mm、长70mm耐压30MPa的钢管，用作模拟井筒；钢管下端与中心孔底面预留10mm，用作压裂时形成裂缝的裸眼井段；钢管顶端设有密封垫片。\n[0014] 优选地，热流体介质为热水。\n[0015] 相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：采用水合物岩芯三轴压裂系统施加三轴应力，真实地模拟实际天然气水合物藏的地应力状态；通过压裂液注入系统实现水合物岩芯的热流体压裂过程；通过天然气开采系统实现水合物岩芯裂缝内多相流体的降压开采和计量；采用声发射监测系统监测裂缝扩展过程和裂缝内多相流动形态；可用于热流体压裂开采天然气水合物藏的机理研究和效果评价。\n附图说明\n[0016] 图1是本发明的热流体压裂开采天然气水合物实验装置结构示意图；\n[0017] 图2是本发明所述的三轴仪及其上部压力板的俯视示意图；\n[0018] 图3是本发明所述的三轴仪侧面压力板的结构示意图。\n[0019] 图中：1、三轴仪；2、压力板；3、密封垫片；4、高压管线；5、三通阀门；6、流量计；\n7、注入系统压力计；8、注入系统温度计；9、加热系统；10、增压器；11、储水罐；12、卸压器；\n13、开采系统压力计；14、开采系统温度计；15、气水分离器；16、气体流量计；17、量筒；18、声发射信号线；19、声发射探头；20、声发射仪；21、多通道稳压源；22、液压注入管线；23、恒温箱；24、裂缝；25、模拟井筒；26、水合物岩芯；27、高压管线入口；28、引线槽；29、沉孔。\n具体实施方式\n[0020] 下面结合附图对本发明作进一步的描述。\n[0021] 如图1所示，热流体压裂开采天然气水合物藏实验装置，包括水合物岩芯三轴压裂系统、压裂液注入系统、天然气开采系统和声发射监测系统。\n[0022] 实验水合物岩芯26尺寸为长200mm、宽200mm、高150mm，顶面中心开有一直径\n10mm、长80mm的竖向中心孔；中心孔内密封粘贴一外径9mm、内径5mm、长70mm耐压30MPa的钢管，用作模拟井筒25。钢管下端与中心孔底面预留10mm，用作压裂时形成裂缝24的裸眼井段；钢管顶端设有密封垫片3。\n[0023] 如图1、图2所示，水合物岩芯三轴压裂系统，包括三轴仪1、多通道稳压源21和恒温箱23，三轴仪1设在恒温箱23内；多通道稳压源21通过液压注入管线22与三轴仪1连接，压力控制范围为0-30MPa，用于提供三轴仪1各方向的液压，可模拟深水区块井深1500m之内的天然气水合物藏的三向主应力状态。恒温箱23的温度控制范围为2-60℃，用于控制三轴仪1的内部温度，可模拟深水区块井深1500m之内的天然气水合物藏的环境温度。如图2、图3所示，三轴仪侧部的压力板2与水合物岩芯26接触的每个面上设有三行三列等间距排列的9个沉孔29，并开有引线槽28，三轴仪上部和下部的压力板2上不设沉孔和引线槽，三轴仪上部的压力板2中心设有高压管线入口27。\n[0024] 如图1所示，压裂液注入系统由储水罐11、增压器10、加热系统9、温度计8、压力计7、流量计6依次通过管线连接组成；增压器10可增压达30MPa，加热系统9最高可将水加热至100℃，增压器10与加热系统9用于制备高压热流体，可将高压热水注入模拟井筒\n25；温度计8、压力计7和流量计6计量压裂过程中热流体的温度、压力及流量数据，可用于判别水合物岩芯26的压裂状态；增压器10至流量计6的所有部件和管线均耐压30MPa，可满足热流体压裂开采水合物岩芯实验过程的要求。\n[0025] 如图1所示，天然气开采系统由卸压器12、压力计13、温度计14、气水分离器15、气体流量计16和量筒17组成；卸压器12、压力计13、温度计14和气水分离器15依次通过管线连接；气体流量计16、量筒17与气水分离器15连接，分别用于计量天然气和热水的开采数据，可用于天然气开采的效果评价；卸压器12耐压30MPa，可实现该系统的降压。\n[0026] 如图1所示，三通阀门5的一端通过高压管线4与水合物岩芯26的模拟井筒25密封连接，一端通过高压管线4与压裂液注入系统的流量计6连接，一端通过高压管线4与天然气开采系统的卸压器12连接，用于改变介质流向；高压管线4耐压达30MPa。\n[0027] 如图1所示，声发射监测系统由声发射探头19、声发射信号线18和声发射仪20组成；声发射探头19通过声发射信号线18与声发射仪20连接；声发射探头19布置在压力板\n2的沉孔29内以确保其与岩芯表面紧密接触，用于接收和转化压裂过程中水合物岩芯的声发射信号；声发射信号线18布置在引线槽28内，防止加压过程中对其造成损坏；声发射仪\n20对声发射信号分析、显示和存储，用于检测裂缝扩展过程和裂缝内多相流动形态。\n[0028] 进行热流体压裂水合物岩芯实验时，水合物岩芯26置入三轴仪1内，通过调节恒温箱23和多通道稳压源21，达到预定的温度和压力条件。储水罐11内的水通过增压器10增压和加热系统9加热产生预定的高压热流体，并注入模拟井筒25进行压裂。压裂过程中，压力计7读数先逐渐增大，然后开始降低，说明模拟井筒的裸眼井段产生裂缝24；同时，声发射仪20对水合物岩芯26产生的声发射信号处理、显示和存储。通过热流体压裂水合物岩芯实验，可得出热流体压裂水合物藏的裂缝扩展过程和裂缝内多相流动形态。\n[0029] 进行水合物岩芯降压开采天然气实验时，水合物岩芯26产生具有一定延伸长度的裂缝24后，先稳定一段时间约15分钟，使裂缝24中的热流体与周围进行充分的热交换，促使近缝的水合物分解。然后，调节三通阀门5，使实验系统转到天然气开采系统。由卸压器12进行卸压，使水合物岩芯裂缝24内的流体回流。产出流体经过气水分离器15进行分离，分离的气体通过气体流量计16计量之后放空，分离的水由量筒17收集并计量。待气体流量计16流量降低至很小并变化缓慢时，说明水合物岩芯分解的天然气基本开采完毕，此时调节三通阀门5，使实验系统转到压裂液注入系统。向裂缝24内重新注入热流体，重复以上实验步骤，进行二次开采。通过水合物岩芯降压开采天然气实验，可进行热流体压裂开采天然气水合物藏的天然气开采效果评价。