CN104458918A - 超临界二氧化碳压裂页岩损伤定位监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超临界二氧化碳压裂页岩损伤定位监测装置及方法，属于页岩气开采技术领域。该装置包括真三轴加载系统、声发射监测系统、超临界CO₂压裂系统、温度控制系统和变形测试系统；真三轴加载系统用于对页岩试件加载不同应力；声发射监测系统用于监测真三轴条件下超临界CO₂压裂页岩试件裂纹扩展的声发射特征、平面与三维损伤定位、以及裂纹的起裂位置和演化过程；超临界CO₂压裂系统用于向页岩试件内部注入超临界状态的CO₂。该装置能够物理模拟真三轴受力条件下大尺寸页岩在超临界CO₂作用下的破裂机理，分析超临界二氧化碳压裂页岩裂纹扩展的声发射特征、平面及三维损伤定位、以及裂纹的起裂位置和演化过程，为超临界CO₂高效开发页岩气的研究奠定了理论基础。

Description

超临界二氧化碳压裂页岩损伤定位监测装置及方法

技术领域

本发明属于页岩气开采技术领域，涉及一种超临界二氧化碳压裂页岩损伤定位监测装置及方法。

背景技术

随着国民经济的持续快速发展，我国对能源的需求日益增大，国内能源资源短缺的形势也越来越严重。2013年我国煤炭产量37亿吨，净进口量达3.2亿吨。天然气产量1210亿立方米，进口量534亿立方米。石油产量2.1亿吨，进口量2.82亿吨，对外依程度达60％。为了解决能源的紧张状态，国家在“十二五”能源规划中将重点发展非常规天然气。

目前，美国是实现页岩气商业化开采最成功的国家，2012年、2013年页岩气产量为2653亿立方米和3364亿立方米，占美国天然气产量的34％和39％。我国富有机质页岩分布广泛，南方地区、华北地区和新疆塔里木盆地等发育海相页岩，华北地区、准噶尔盆地、吐哈盆地、鄂尔多斯盆地、渤海湾盆地和松辽盆地等发育陆相页岩，页岩气可采资源量约为25.08万亿m³，超过常规天然气资源。其开发处于起步阶段，但也取得了初步进展，研究和划分了页岩气资源有利远景区，初步摸清了有利区富有机质页岩分布，确定了主力层系，建立了页岩气有利目标区优选标准，优选出一批页岩气富集有利区。页岩气“十二五”规划中明确要求“推进页岩气等非常规油气资源开发利用”，预计2014年页岩气产量达15亿³，到2015年估计页岩气产量达65亿m³，完成全国页岩气资源潜力调查与评价，掌握页岩气资源潜力与分布，优选出一批页岩气远景区和在利目标区，建成一批页岩气勘探开发区，初步实现规模化生产，形成一系国家级页岩气技术标准和规范，建立完善的页岩气产业政策体系，为“十三五”页岩气快速发展奠定了坚实基础，规划2020年页岩气总产量为600亿m³至1000亿m³。

页岩气主要以吸附态和游离态赋存在页岩储层中，吸附态占20％～85％，由于页岩气藏储层具典型的低孔低渗特征，孔隙度一般为4％～6％，渗透率小于0.001×10^-3μm²，因此页岩气的开发必须进行储层压裂和增渗改造，目前国内外主要采用水力压裂技术来提高页岩的渗透率，同时开展超临界CO₂高效开发页岩气的基础研究。

地下含页岩气的页岩储层埋深处于2000米左右，地应力高达50MPa左右，且岩体应力处于真三轴状态，静水压力高达15MPa，因此研究真三轴受力条件下超临界CO₂压裂页岩裂纹扩展机理、损伤定位及演化规律尤为必要，为超临界CO₂高效开发页岩气奠定理论基础。目前，国内外在这方面的模拟装置研制得很少，因此，急需一种能够实现上述功能的实验装置及方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种超临界二氧化碳压裂页岩损伤定位监测装置及方法，该装置解决的问题有：

(1)能模拟真三轴条件下超临界CO₂压裂页岩裂纹扩展机理。

(2)可以监测真三轴条件下超临界CO₂压裂页岩裂纹扩展的声发射特征、平面与三维损伤定位、以及裂纹的起裂位置和演化规律。

(3)可以模拟不同应力、不同温度、不同超临界CO₂压力条件下裂纹扩展机理。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种超临界二氧化碳压裂页岩损伤定位监测装置，包括真三轴加载系统、声发射监测系统、超临界CO₂压裂系统、温度控制系统和变形测试系统；真三轴加载系统用于对页岩试件加载应力；声发射监测系统包括声发射仪和声发射传感器，用于监测真三轴条件下超临界CO₂压裂页岩试件裂纹扩展的声发射特征、平面与三维损伤定位、以及裂纹的起裂位置和演化规律；超临界CO₂压裂系统用于向页岩试件内部注入超临界状态的CO₂；温度控制系统用于保持二氧化碳处于超临界状态；变形测试系统用于测量超临界二氧化碳压裂时，页岩试件的变形。

进一步，所述真三轴加载系统用于对页岩试件加载应力，页岩试件的轴向、水平载荷由作动器加载，轴向载荷2000kN，水平载荷达1500kN。

进一步，所述超临界CO₂压裂系统包括二氧化碳气瓶、高精度注塞泵和高压气管，二氧化碳气瓶向高精度注塞泵持续提供二氧化碳气体，注塞泵将二氧化碳加压成超临界状态，最大压力为50MPa，并通过高压管注入页岩试件，压裂过程中可以保持恒压。

进一步，所述温度控制系统用于保持二氧化碳处于超临界状态，采用恒温油浴保持温度恒定，最高温度为100℃，精度为0.1℃。

进一步，所述变形测试系统用于测量超临界二氧化碳压裂时页岩试件变形度，超临界二氧化碳压裂时，页岩试件三个方向的变形采用高精度位移传感器监测，量程为0-10mm,分辨率0.001mm，精度为0.1％。精度为0.1％。

本发明还提供了一种超临界二氧化碳压裂页岩损伤定位监测方法，包括以下步骤：

步骤一：试件加工：将现场取回的页岩块在岩样加工室制作为200mm×200mm×200mm立方体，然后在试件中心钻φ20mm×150mm、φ30mm×150mm两种规格的压裂孔；

步骤二：将压裂管放入试件的压裂孔中，然后向孔中注入593固化剂和环氧树脂，质量比为1：5.45，放置2天，让压裂管与压裂孔管壁粘贴牢固，达到密封效果。其中密封段为80mm，压裂段为70mm；

步骤三：将试件放入三轴加载装置中，压裂管路与注塞泵连接，在承压板上粘贴好声发射传感器，并与声发射仪连接好，然后用作动器向试件加一定的水平应力和轴向应力；

步骤四：启动恒温水浴，将试件和高压管路加热，保持恒定温度，确保注入的二氧化碳在试件和管路中处于超临界状态；

步骤五：开启声发射仪，设置好声发射参数、所需采集的数据和图形；

步骤六：启动注塞泵，向试件中注入二氧化碳，并加压，使二氧化碳变为超临界状态；监测注塞泵注入二氧化碳的流量和流速，在加压的同时，监测试件压裂过程中的声发射特征、平面损伤定位、三维损伤定位数据；

步骤七：实验压裂结束后，观察压裂孔的破坏特征与方向，并拍照，分析压裂数据与声发射数据。

本发明的有益效果在于：本发明提供的超临界二氧化碳压裂页岩损伤定位监测装置及方法能够物理模拟真三轴受力条件下大尺寸页岩在超临界CO₂作用下的破裂机理，分析超临界二氧化碳压裂页岩裂纹扩展的声发射特征、平面及三维损伤定位、以及裂纹的起裂位置和演化过程。还可以模拟不同应力、不同温度、不同超临界CO₂压力破岩裂纹扩展规律。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述装置的俯视图；

图2为本发明所述装置的正视图；

图3为超临界二氧化碳压裂页岩声发射三维损伤定位传感器布置图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明所述装置的俯视图，图2为本发明所述装置的正视图。

如图所示，该装置包括真三轴加载系统、声发射监测系统、超临界CO₂压裂系统、温度控制系统和变形测试系统；真三轴加载系统用于对页岩试件加载应力；声发射监测系统包括声发射仪和声发射传感器，用于监测真三轴条件下超临界CO₂压裂页岩试件裂纹扩展的声发射特征、平面与三维损伤定位、以及裂纹的起裂位置和演化规律；超临界CO₂压裂系统用于向页岩试件内部注入超临界状态的CO₂；温度控制系统用于保持二氧化碳处于超临界状态；变形测试系统用于测量超临界二氧化碳压裂时，页岩试件的轴向变形与横向变形。

在本实施例中，页岩试件的轴向、水平载荷由动器加载，轴向载荷2000kN，水平载荷达1500kN。声发射监测系统采用美国PAC公司生产的16CHS PCI-2System声发射系统，通道数为16，18位A/D，1kHz-3MHz频率范围，最大信号幅度100dB，低振幅、低门槛值为17dB，采样率40MSPS，声发射监测试件的三维损伤定位传感器布置图3所示。

在本实施例中，超临界CO₂压裂系统包括二氧化碳气瓶、高精度注塞泵和高压气管，二氧化碳气瓶向高精度注塞泵持续提供二氧化碳气体，注塞泵将二氧化碳加压成超临界状态，最大压力为50MPa，并通过高压管注入页岩试件，压裂过程中可以保持恒压。

温度控制系统用于保持二氧化碳处于超临界状态，采用恒温油浴保持温度恒定，最高温度为100℃，精度为0.1℃。变形测试系统用于测量超临界二氧化碳压裂时页岩试件的轴向变形与横向变形，超临界二氧化碳压裂时，页岩试件三个方向的变形采用高精度位移传感器监测，量程为0-10mm,分辨率为0.001mm，精度为0.1％。

实验方法的具体步骤如下：

步骤一：试件加工：将现场取回的页岩块在岩样加工室制作为200mm×200mm×200mm立方体，然后在试件中心钻φ20mm×150mm、φ30mm×150mm两种规格的压裂孔；

步骤二：将压裂管放入试件的压裂孔中，然后向孔中注入593固化剂和环氧树脂，质量比为1：5.45，放置2天，让压裂管与压裂孔管壁粘贴牢固，达到密封效果。其中密封段为80mm，压裂段为70mm；

步骤三：将试件放入三轴加载装置中，压裂管路与注塞泵连接，在承压板上粘贴好声发射传感器，并与声发射仪连接好，然后用作动器向试件加一定的水平应力和轴向应力；

步骤四：启动恒温水浴，将试件和高压管路加热，保持恒定温度，确保注入的二氧化碳在试件和管路中处于超临界状态；

步骤五：开启声发射仪，设置好声发射参数、所需采集的数据和图形；

步骤六：启动注塞泵，向试件中注入二氧化碳，并加压，使二氧化碳变为超临界状态；监测注塞泵注入二氧化碳的流量和流速，在加压的同时，监测试件压裂过程中的声发射特征、平面损伤定位、三维损伤定位数据；

步骤七：实验压裂结束后，观察压裂孔的破坏特征与方向，并拍照，分析压裂数据与声发射数据。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种超临界二氧化碳压裂页岩损伤定位监测装置，其特征在于：包括真三轴加载系统、声发射监测系统、超临界CO₂压裂系统、温度控制系统和变形测试系统；真三轴加载系统用于对页岩试件加载不同应力；声发射监测系统包括声发射仪和声发射传感器，用于监测真三轴条件下超临界CO₂压裂页岩试件裂纹扩展的声发射特征、平面与三维损伤定位、以及裂纹的起裂位置和演化过程；超临界CO₂压裂系统用于向页岩试件内部注入超临界状态的CO₂；温度控制系统用于保持二氧化碳处于超临界状态；变形测试系统用于测量超临界二氧化碳压裂时，页岩试件的变形。

2.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳压裂页岩损伤定位监测装置，其特征在于：所述真三轴加载系统用于对页岩试件加载不同的应力，页岩试件的轴向应力、水平应力由作动器加载，轴向载荷2000kN，水平载荷达1500kN。

3.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳压裂页岩损伤定位监测装置，其特征在于：所述超临界CO₂压裂系统包括二氧化碳气瓶、高精度注塞泵和高压气管，二氧化碳气瓶向高精度注塞泵持续提供二氧化碳气体，注塞泵将二氧化碳加压成超临界状态，最大压力为50MPa，并通过高压气管注入页岩试件中，压裂过程中可以保持恒压。

4.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳压裂页岩损伤定位监测装置，其特征在于：所述温度控制系统用于保持二氧化碳处于超临界状态，采用恒温油浴保持温度恒定，最高温度为100℃，精度为0.1℃。

5.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳压裂页岩损伤定位监测装置，其特征在于：所述变形测试系统用于测量超临界二氧化碳压裂时页岩试件的变形，超临界二氧化碳压裂时，页岩试件在三个方向的变形采用高精度数字位移传感器监测，量程为0-10mm,分辨率0.001mm，精度为0.1％。

6.一种超临界二氧化碳压裂页岩损伤定位监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：试件加工：将现场取回的页岩块在岩样加工室制作为200mm×200mm×200mm立方体，然后在试件中心钻φ20mm×150mm、φ30mm×150mm两种规格的压裂孔；

步骤二：将压裂管放入试件的压裂孔中，然后向孔中注入593固化剂和环氧树脂，质量比为1：5.45，放置2天，让压裂管与压裂孔管壁粘贴牢固，达到密封效果；其中密封段为80mm，压裂段为70mm；

步骤三：将试件放入三轴加载装置中，压裂管路与注塞泵连接，在承压板上粘贴好声发射传感器，并与声发射仪连接好，然后用作动器向试件加一定的水平应力和轴向应力；

步骤四：启动恒温水浴，将试件和高压管路加热，保持恒定温度，确保注入的二氧化碳在试件和管路中处于超临界状态；

步骤五：开启声发射仪，设置好声发射参数、所需采集的数据和图形；

步骤六：启动注塞泵，向试件中注入二氧化碳，并加压，使二氧化碳变为超临界状态；监测注塞泵注入二氧化碳的流量和流速，在加压的同时，监测试件压裂过程中的声发射特征、平面损伤定位、三维损伤定位数据；

步骤七：实验压裂结束后，观察压裂孔的破坏特征与方向，并拍照，分析压裂数据与声发射数据。