CN105301192A - 一种模拟页岩气压后单缝返排的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟页岩气压后单缝返排的实验装置及方法。该实验装置主要由泵组、装置主体、液压与温控装置、尾部监测及废液处理装置组成，装置主体主要是改进的岩心夹持器、特制岩心，并通过液压装置施加围压、温控装置加热液压油形成高温模拟地层环境；实验过程中，岩心夹持器上下侧面的位移计能检测裂缝位移的变化，并通过尾部监测装置实时监测出砂量及流体流速。本发明能模拟地层高温高压环境，在测量不同缝长、不同缝宽裂缝导流能力的前提下，测量裂缝压力降、出砂量、支撑剂嵌入程度、支撑剂回流及沉降规律，且本发明使用大理石人造岩心，相比用钢块模拟裂缝更接近地层真实环境。

Description

一种模拟页岩气压后单缝返排的实验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种模拟页岩气压后单缝返排的实验装置及方法，属于油气田开发的技术领域。

背景技术

页岩气藏是一种致密气藏，通常需要进行压裂改造才能获得有效工业气流。页岩气压裂通常采用滑溜水或清水使用高压、高排量、低粘度的方式将支撑剂携带进地层，形成有效裂缝后还要尽可能的将滤失到地层的压裂液最大限度地返排出来，减少地层的伤害，同时减少支撑剂的回流量并使支撑剂能有效沉降，以提高裂缝导流能力和近井地带油气层的渗透率，改善压裂增产效果。因此，对气井压后返排过程中返排工艺、支撑剂回流和沉降规律进行研究显得尤为重要。

国内外对页岩气压后压裂液返排工艺的研究主要停留在理论研究上，传统的全三维裂缝几何模拟器系统研究了裂缝闭合期间支撑剂的沉降规律，但并没有考虑返排过程中压降、支撑剂的回流量以及沉降规律等因素；早期狭槽模型实验是通过狭槽中间填支撑剂，实验流体从一端泵入，流经充填层，其两壁有观测装置可以观测支撑剂的回流情况，狭槽可以改变大小，此方法能模拟缝宽变化对支撑剂回流的影响，但没有考虑闭合压力的影响；圆管—射孔模型主要考察支撑剂回流的临界流量，其方法是在不锈钢管中填满支撑剂然后让不同流速流体通过，这种方法不能模拟缝宽和闭合压力变化；最经典的方法是API线性流动岩心夹持筒，此方法的优势是考虑了压力与温度变化下的支撑剂回流现象，还可以得出不同裂缝宽度和流速条件下支撑剂发生回流的临界条件，但这种方法没有考虑裂缝缝长、裂缝接触面几何形态、铺砂浓度、铺砂配比对支撑剂回流的影响以及出砂量、出砂临界速度、支撑剂嵌入程度、返排过程中压降、压裂液滤失量等因素的影响。最常用的API导流模型以及网格裂缝矩形导流模型往往只能测裂缝的导流能力，却不能动态研究页岩气压后返排过程中的影响因素。模拟页岩气压后返排技术方面的实验装置及方法目前还不能系统的考虑多方面的因素影响，因此研制一种能模拟页岩气压后返排过程的实验装置及其工作方法具有重要意义。

发明内容

针对以上的技术不足，本发明提供一种模拟页岩气压后单缝返排的实验装置，模拟和测量页岩储层通过压裂产生的单缝的导流能力及岩石物性、缝宽、缝长和返排工艺对支撑剂嵌入程度、支撑剂回流及沉降规律的影响。

本发明还提供一种上述装置的工作办法。

本发明的技术方法如下：

一种模拟页岩气压后单缝返排的实验装置，其包括泵组、装置主体、液压与温控装置、尾部监测装置、废液处理装置，装置主体主要是改进的岩心夹持器、特制裂缝岩心；改进岩心夹持器用来模拟环形导流室，通过液压与温控装置来控制空腔中的温度及压力，可用来模拟地层高温高压环境；侧面顶端上下两孔是位移计窗口，能监测实验过程中的缝宽变化；岩心夹持器内部封闭空腔是液压油储存空腔，腔内有电阻丝、压力与温度传感器；向内是导流室腔，导流室腔中间部位侧面包裹有橡胶圈，橡胶圈最右侧有环形突出，是控制岩心与橡胶套筒的塞入位置；橡胶圈两端是长段金属内螺纹；整个导流室直至外端面都有刻度。

导流室两端是密封夹持杆，夹持杆上有长段外螺纹，与导流室内螺纹配套，能起到密封的作用；各密封夹持杆内端面有环形橡胶圈包裹在端面外围，能顶住岩心起到密封的效果；夹持杆中有导流孔及压力监测窗口，入口端夹持杆有4圈呈阵列排布的导流孔，且4圈导流孔与中心导流孔在一条直径上或接近直线，这样无论密封夹持杆旋到什么角度，都会有一条直线上的7个导流孔与裂缝接触；从最外圈导流孔向圆心导流孔呈阶梯状内凹收缩，内凹程度很小，如此能增加流体与岩心的接触面积；出口端夹持杆内端面有一条螺旋状导流槽向圆心收缩成一个圆心导流孔，每一级导流槽两壁是隔挡，这是为了防止两半圆柱体岩心在高压环境下发生错位移动，整个端面也呈凹形，内凹距离很小，如此能增加液体的汇聚；出口端夹持杆与尾部监测装置相连。

所述的尾部监测装置包括流量监测装置及出砂监测装置，出砂监测装置与计算机相连，能动态检测出砂量，只要适时记录当时的流量，就能得出临界出砂流量及最大出砂流量。

裂缝主要是由两块半圆柱体岩心模拟，两半圆柱体岩心受到围压及高温就能模拟地层高温高压环境裂缝；两半圆柱岩心侧面顶端中心各有一个位移发射器，正对着位移发射器的是位移接收器，将测量的位移数据减去岩心直径长度，即为裂缝缝宽。

岩心装入夹持器之前需装进一个橡胶套筒，套筒侧面有开口及丝扣，套筒侧面上下端中心有一圆心开口；岩心是与页岩性质相近的大理石，裂缝面凹凸不平。岩心、橡胶套筒、环形导流室腔都有对应的刻度线，是为了对齐且让位移接收器、位移发射器、橡胶套筒上下侧面圆心开口也对齐。

根据本发明优选的，所述的液压介质为水-乙二醇液压油。

根据本发明优选的，所述的流体介质为现场压裂液。

根据本发明优选的，所述的出砂监测装置是声波出砂监测装置。

根据本发明优选的，所述的泵组能无极调节流量，且能承受一定压力。

根据本发明优选的，所述模拟页岩气压后单缝返排的实验装置中液压与温控装置、压力计、位移计与计算机相连。

根据本发明优选的，所述模拟页岩裂缝的大理石是由两块半圆柱体大理石模拟，大理石按照以下加工方法制备：

(1)长度为70mm-300mm之间，直径为50mm的整块圆柱体大理石，然后经过自然水平破裂，保证岩心破裂面整体在一个水平面上，且接触面凹凸不平；

(2)该大理石材料与页岩的密度、硬度相近，且润湿性相同。

一种利用上述装置模拟页岩气压后单缝返排的实验方法，包括步骤如下：

(1)先将大理石岩心烘干称重，质量为m₁；

(2)将不同粒径大小的支撑剂按一定的铺砂浓度铺在裂缝指定区域，以实现裂缝的有效缝宽以及模拟压裂作业时不同粒径支撑剂的沉降规律，加入的支撑剂总量除以裂缝接触面积即为裂缝的初始有效缝宽；

(3)铺好支撑剂的岩心在岩心橡胶套筒按刻度对齐固定好后按环形导流室内刻度塞入环形导流室，直至最右端不能动为止，将两端密封夹持杆旋入环形导流室以实现密封；

(4)看岩心夹持器放位移接收器的孔与岩心上的位移发射器是否在一条直线上，是的话将位移接收器装入岩心夹持器侧面，否的话需要重新装入岩心及橡胶套筒；

(5)打开数据控制与采集系统，包括计算机、位移计、温度计、压力计、流量计及出砂监测装置，记录最开始数据；

(6)打开液压与温控装置给岩心加压加温，直到达到压力与温度要求且稳定，同时记录缝宽(位移计)的变化直至缝宽(位移计)不变；

(7)打开泵组向环形导流室注入压裂液(或氮气)，同时记录岩心两端的压力差、温度、流量、缝宽(位移计)的变化，并记录出砂的最小流速；并继续增大流体流速，记录出砂量；

(8)阶段实验结束后，启动泄压装置、关闭温控装置以及所有数据采集与控制装置；旋出位移接收器，取出岩心；

(9)观察岩心裂缝面上的支撑剂嵌入情况及支撑剂破裂情况，做好统计；然后对裂缝壁面每个区域的支撑剂取样进行筛分称重，并做好记录；

(10)将裂缝壁面的支撑剂处理干净后再次将岩心进行称重，质量为m₂；

(11)改变岩心的长度，做同样的处理(即改变缝长)，重复上述实验。

本发明的有益效果：

1.本发明模拟了地层高温高压环境下的页岩气压后裂缝状态，克服了狭槽模型、圆管—射孔模型没有考虑压力、温度影响的缺点；本发明考虑了裂缝缝长、缝宽、裂缝接触面几何形态、铺砂浓度对支撑剂回流的影响以及出砂量、出砂临界速度、支撑剂嵌入程度、返排过程中压降、压裂液滤失量等因素的影响，与最经典的API线性流动岩心夹持筒相比，考虑因素更加全面；

2.本发明用与地层岩石性质相近的大理石模拟，更接近真实且相比取芯更简单、经济；

3.本发明能测量裂缝导流能力，与传统API导流室及矩形导流室相比，考虑了缝长变化因素，且能测试出砂临界流量、出砂量等。

附图说明

图1为本发明的实验装置流程图；

图2为本发明的环形导流岩心夹持器外部结构示意图；

图3为本发明的环形导流岩心夹持器内部剖面示意图；

图4为本发明的两段密封夹持杆内端面示意图与顶端部位剖面示意图；

图5为本发明的橡胶套筒结构示意图；

图6为本发明的模拟页岩气单缝的大理石岩心结构示意图与缝面水平示意图；

图中，1、9-密封夹持杆，2-温度监测窗口，3-导流孔，4-压力监测窗口，5-刻度线，6-位移计，7-温度控制窗口，8-液压油进出及控制窗口，10-电阻丝，11-导流室腔，12-橡胶圈，13-环形橡胶突出，14-液压油储存空腔，15-橡胶套筒，16-丝扣，17-位移发射器开口，18-整块岩心，19(20)-上(下)半圆柱体岩心，21-支撑剂铺层，22-位移发射器，23-支撑剂铺层水平示意图，1-1(9-1)-出(入)口密封夹持杆外端面，1-2、9-2-长段外螺纹，1-3(9-3)-出(入)口密封夹持杆内端面，1-31-导流孔，1-32-螺旋形导流槽，1-33、9-33-夹持杆内端面外围密封橡胶圈，1-34-导流槽隔挡；9-31-中心导流孔，9-32-外圈导流孔。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此：

实施例1：

一种模拟页岩气压后单缝返排的实验装置，其包括泵组、装置主体、液压与温控装置、尾部监测装置、废液处理装置，装置主体及尾部监测装置与计算机相连；装置主体主要是一种改进的岩心夹持器，如图2、图3所示，也是一种环形导流室；改进的岩心夹持器包括液压与温控装置，通过侧面7孔来控制空腔中的温度，8孔施加液压并监测内部压力，6孔用来监测实验过程中裂缝缝宽的变化；导流室腔11侧面包裹有橡胶圈12，橡胶圈最右端环绕着一圈突出的橡胶圈13，能固定岩心的位置，导流室腔非橡胶部分是长段内螺纹。

环形导流室两端是密封夹持杆1、9，出口端夹持杆中有导流孔3、温度监测窗口2、压力监测窗口4，入口端夹持杆只有压力监测窗口4；夹持杆内端面经过特殊处理，如图4所示，入口端夹持杆有环形阵列排布的4圈导流孔，4圈导流孔无论在哪个角度都形成一条直线，整个端面呈凹形；出口端内端面是带有隔挡的螺旋形导流槽，在中心汇聚成一个导流孔，这样能让渗出的液体汇聚，又能避免高压水流让上下半圆柱体岩心发生错动；各密封夹持杆端部都有压力传感器，出口端密封夹持杆1与尾部监测装置相连。

所述的尾部监测装置包括流量监测装置及出砂监测装置，流量监测装置主要是流量计，出砂监测装置是声波出砂检测器，并与计算机相连，能检测出砂量。

裂缝主要是由两块半圆柱体岩心19、20模拟，如图6所示，两半圆柱岩心侧面顶部中心各有一个位移发射器22，能与岩心夹持器上的位移接收器6配套使用。

岩心装入夹持器之前有一个橡胶套筒15，如图5所示，套筒侧面有开口及丝扣16；岩心、橡胶套筒、环形导流室腔都有对应的刻度线，是为了对齐且让位移接收器、位移发射器、橡胶套筒上下侧面圆心开口也对齐。

所述模拟页岩裂缝的大理石18是由整块圆柱体大理石按以下要求加工制备：

(1)长度为70mm-300mm之间，直径为50mm的整块圆柱体大理石，然后经过自然水平破裂，保证岩心破裂面整体在一个水平面上，且接触面凹凸不平；

(2)该大理石材料与页岩的密度、硬度相近，且润湿性相同。

实施例2：

如实施例1所述的一种模拟页岩气压后单缝返排的实验装置，其区别在于，所述的模拟页岩气压后单缝返排的实验装置还包括液压与温控装置、计算机、尾部监测装置、废液处理装置。所述液压与温控装置、压力计、位移计与计算机相连。

所述的液压介质为水-乙二醇液压油。所述的流体介质为现场压裂液。所述的出砂监测装置是声波出砂监测装置。所述的泵组能无极调节流量，且能承受一定压力。

实施例3：

一种利用如实施例2所述装置模拟页岩气压后单缝返排的实验方法，包括步骤如下：

(1)先将大理石岩心烘干称重，质量为m₁；

(2)将不同粒径大小的支撑剂按一定的铺砂浓度铺在裂缝指定区域，以实现裂缝的有效缝宽以及模拟压裂作业时不同粒径支撑剂的沉降规律，加入的支撑剂总量除以裂缝接触面积即为裂缝的初始有效缝宽；

(3)铺好支撑剂的岩心在岩心橡胶套筒按刻度对齐固定好后按环形导流室内刻度塞入环形导流室，直至最右端不能动为止，将两端密封夹持杆旋入环形导流室以实现密封；

(4)看岩心夹持器放位移接收器的孔与岩心上的位移发射器是否在一条直线上，是的话将位移接收器装入岩心夹持器侧面，否的话需要重新装入岩心及橡胶套筒；

(5)打开数据控制与采集系统，包括计算机、位移计、温度计、压力计、流量计及出砂监测装置，记录最开始数据；

(6)打开液压与温控装置给岩心加压加温，直到达到压力与温度要求且稳定，同时记录缝宽(位移计)的变化直至缝宽(位移计)不变；

(7)打开泵组向环形导流室注入压裂液，同时记录岩心两端的压力差、温度、流量、缝宽(位移计)的变化，并记录出砂的最小流速；并继续增大流体流速，记录出砂量；

(8)阶段实验结束后，启动泄压装置、关闭温控装置以及所有数据采集与控制装置；旋出位移接收器，取出岩心；

(9)观察岩心裂缝面上的支撑剂嵌入情况及支撑剂破裂情况，做好统计；然后对裂缝壁面每个区域的支撑剂取样进行筛分称重，并做好记录；

(10)将裂缝壁面的支撑剂处理干净后再次将岩心进行称重，质量为m₂；

(11)改变岩心的长度，做同样的处理(即改变缝长)，重复上述实验；

(12)将液压泵改为气体泵，重复上述实验。

Claims (10)

1.一种模拟页岩气压后单缝返排的实验装置，其特征在于，它包括环形导流室腔11、液压油储存空腔14、温度控制窗口7、液压油进出及控制窗口8、位移计6、密封夹持杆1和9；所述环形导流室由改造的岩心夹持器构成，导流室腔11侧面包裹有橡胶圈12，橡胶圈的最右端向内有一环形突出13，且整个导流室腔四周有长段刻度5，直延伸至夹持器两端外侧；导流室腔11非橡胶圈部分是内螺纹，依然标有刻度5；

导流室向外是液压油储存空腔14，空腔内有电阻丝10，空腔外壁有液压油进出及控制窗口8、温度控制窗口7；穿过上下端空腔正中间部分各有一个与空腔隔绝的小圆柱形孔道6，内端与导流室相通，用来安装位移接收器；

导流室两端是活动的密封夹持杆1、9，右端夹持杆1内部有导流孔3、温度监测孔2、压力监测孔4，左端夹持杆9只有压力监测孔4；两段夹持杆上都有长段外螺纹1-2、9-2，内端面上都有环形橡胶圈1-33、9-33，包裹端面外围；入口端密封夹持杆9有4圈阵列排布的导流孔，导流孔由内向外依次为1个(9-31)、6个、12个、18个(9-32)，端面9-3由外围到圆心呈阶梯状收缩，整个端面成凹形，且凹面底部距平面很小；出口端密封夹持杆1内侧端面1-3有一条螺旋形导流槽1-32向圆心收缩直至形成一个圆心导流孔1-31，导流槽每一级槽两端都有与外围环形橡胶圈平齐的隔挡1-34，整个端面也呈凹形，凹面底部距平面很小；

导流室出口端装有尾部监测装置，尾部监测装置分为流量监测装置及出砂监测装置，流量监测装置主要是流量计；出砂监测装置分为弯管部分及声波检测部分，声波检测部分与计算机相连；

裂缝由两块半圆柱体岩心19、20模拟，两半圆柱岩心侧面顶端中心部分各装有一个位移发射器22，圆柱岩心左右平面上标有刻度5；

岩心装入夹持器之前有一个橡胶套筒15，套筒上下侧面中心部分各有一个圆形开口17，套筒侧面有开口及丝扣16，套筒内部也标有刻度5。

2.根据权利要求1所述一种模拟页岩气压后单缝返排的实验装置，其特征在于，所述的环形导流室非橡胶圈部分有内螺纹，两段密封夹持杆上有配套长段外螺纹，夹持杆旋入的长短能适应岩心长短的变化。

3.根据权利要求1所述一种模拟页岩气压后单缝返排的实验装置，其特征在于，所述的裂缝是由两块半圆柱体大理石模拟，大理石按照以下加工方法制备：

(1)长度为70mm-300mm之间，直径为50mm的整块圆柱体大理石，然后经过自然水平破裂，保证岩心破裂面整体在一个水平面上，且接触面凹凸不平；

(2)该大理石材料与页岩的密度、硬度相近，且润湿性相同。

4.根据权利要求1所述一种模拟页岩气压后单缝返排的实验装置，其特征在于，实验过程中测量裂缝缝宽的变化主要通过穿过岩心夹持器侧面的位移接收器及岩心侧面中心上装的位移发射器来测量，然后减去岩心直径，即为裂缝缝宽。

5.根据权利要求1所述一种模拟页岩气压后单缝返排的实验装置，其特征在于，出口端密封夹持杆内侧端面有一条螺旋形导流槽向圆心收缩直至形成一个圆心导流孔。

6.根据权利要求1所述一种模拟页岩气压后单缝返排的实验装置，其特征在于，出口端密封夹持杆导流槽槽面两端都有与外围密封环形橡胶圈平齐的隔挡，整个端面呈凹形，内凹程度很小。

7.根据权利要求1所述一种模拟页岩气压后单缝返排的实验装置，其特征在于，入口端密封夹持杆有4圈阵列排布的导流孔，导流孔由内向外依次为1个、6个、12个、18个，每一级导流孔均匀分布，大小相同。

8.根据权利要求1所述一种模拟页岩气压后单缝返排的实验装置，其特征在于，入口端密封夹持杆外3圈导流孔分别与中心导流孔恰好在一条直径上或接近一条直线上。

9.根据权利要求1所述一种模拟页岩气压后单缝返排的实验装置，其特征在于，入口端密封夹持杆端面由外圈导流孔向内到中心导流孔呈阶梯状收缩，整个端面成凹形，且内凹距离很小。

10.一种利用如权利要求1所述装置模拟页岩气压后单缝返排的实验方法，其特征在于，其包括步骤如下：

(1)先将大理石岩心烘干称重，质量为m₁；

(2)将不同粒径大小的支撑剂按一定的铺砂浓度铺在裂缝指定区域，以实现裂缝的有效缝宽以及模拟压裂作业时不同粒径支撑剂的沉降规律，加入的支撑剂总量除以裂缝接触面积即为裂缝的初始有效缝宽；

(3)铺好支撑剂的岩心在岩心橡胶套筒按刻度对齐固定好后按环形导流室内刻度塞入环形导流室，直至最右端不能动为止，将两端密封夹持杆旋入环形导流室以实现密封；

(4)看岩心夹持器放位移接收器的孔与岩心上的位移发射器是否在一条直线上，是的话将位移接收器装入岩心夹持器侧面，否的话重新装入岩心及橡胶套筒；

(5)打开数据控制与采集系统，包括计算机、位移计、温度计、压力计、流量计及出砂监测装置，记录最开始数据；

(6)打开液压与温控装置给岩心加压加温，直到达到压力与温度要求且稳定，同时记录缝宽(位移计)的变化直至缝宽(位移计)不变；

(7)打开泵组向环形导流室注入压裂液，同时记录岩心两端的压力差、温度、流量、缝宽(位移计)的变化，并记录出砂的最小流速；并继续增大流体流速，记录出砂量；

(8)阶段实验结束后，启动泄压装置、关闭温控装置以及所有数据采集与控制装置；旋出位移接收器，取出岩心；

(9)观察岩心裂缝面上的支撑剂嵌入情况及支撑剂破裂情况，做好统计；然后对裂缝壁面每个区域的支撑剂取样进行筛分称重，并做好记录；

(10)将裂缝壁面的支撑剂处理干净后再次将岩心进行称重，质量为m₂；

(11)改变岩心的长度，做同样的处理(即改变缝长)，重复上述实验；

(12)将液压泵改为气体泵，重复上述实验。