CN105672974B - 三轴应力下超临界二氧化碳致裂页岩实验试件制作方法 - Google Patents
三轴应力下超临界二氧化碳致裂页岩实验试件制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种三轴应力下超临界二氧化碳致裂页岩实验试件制作方法，步骤为：1)在试件中心钻取半径R、深度h的圆形钻孔；2)选取外径R、长L的注入管，注入孔的孔径为r；3)将圆形钻孔的空腔部分用Nacl填充满，空腔部分的高度为h‑L，再将注入管插入圆形钻孔；4)用环氧树脂A、B胶水混合，将配好的胶水浇注到圆形钻孔的内壁与注入管的外壁之间；5)确保密封胶水完全凝固后，从注入孔注水将空腔部分Nacl溶解后抽出；6)注入管的上端固定一中空的螺纹连接头，螺纹连接头与三轴室的压头进行连接。该方法能够模拟多场耦合条件下不同参数对超临界CO2致裂页岩效果的影响，可以为超临界CO2致裂页岩机理的研究以及工程设计参数的优化提供指导。
Description
技术领域
本发明属于CO2致裂强化页岩气开发涉及的测试方法领域，具体涉及一种能够模拟储层温度、压力条件下不同工艺参数对超临界二氧化碳致裂页岩效果影响的压裂实验试件制作方法。该方法可以应用于超临界CO2致裂强化页岩气高效开发以及CO2地质封存领域。
背景技术
我国天然气需求日益增长，天然气进口量日益增加,对外依存度越来越高，严重威胁我国能源安全。页岩气作为重要的接替资源，在我国可采资源量达25万亿方。国家《页岩气十二五发展规划》中提出，2020年力争页岩气产量达到600到1000亿方。国务院《能源发展十二五规划(2013)》也提出：大力开发非常规天然气资源，重点加大页岩气勘探开发力度；国务院《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》提出：重点突破页岩气开发，着力提高重庆涪陵、四川长宁-威远等国家级示范区储量和产量。高效开发页岩气是缓解我国能源供需矛盾、调整能源结构、保障能源安全的重大战略需求。
由于页岩气储层的低孔低渗特征，开发页岩气必须进行储层压裂增渗改造。美国页岩气开采技术主要采用水平井+多段压裂，但该技术目前面临如下挑战：一是耗水量巨大，单口页岩气井需要“千方砂万方水”(1.5万-3.0万吨水)，美国一个典型的页岩气水平钻井在钻探和水力压裂过程中需使用100万～400万gal的水(US Department of Energy，2009)，而其中50％～70％的水在这些过程中会被消耗，我国页岩气富集区大多处于缺水地区，水资源的缺乏将严重制约页岩气的工业化开采；二是我国页岩气储层黏土含量高，水基压裂液中的水分与页岩层中的黏土矿物发生水化反应，使黏土水化膨胀，伤害储层，压裂形成的体积改造效果差，导致单井页岩气产量普遍较低，且产量递减快，三是压裂液中的化学添加剂会对水环境和周边环境造成污染，国家页岩气十二五规划中也指出“在页岩气勘探开发过程应坚持开发与生态保护并重。开发过程中要注重水资源节约利用，保护生态环境”。
因此，我国页岩气开发不能简单照搬美国经验，必须探索适合我国地质条件的页岩气绿色、高效的开采理论与技术。
超临界CO2流体的性质介于气体与液体之间，既有气体的低界面张力和易扩散性，也有液体的高密度和溶解性好的特点，具有超强的流动、渗透和传递性能，可以代替清水作为压裂液。采用超临界二氧化碳代替清水压裂页岩，可避免水力压裂过程页岩层中黏土的水化作用，增大页岩层孔隙度，提高裂缝的导流能力，而且由于页岩对CO2的吸附能力远远高于CH4(吸附CO2能力是CH4的4-20倍)，因此CO2还可以有效置换页岩中的CH4，提高气井单井产量，增加采收率，同时实现二氧化碳封存。因此，超临界CO2强化页岩气开采技术可以减少页岩气开发过程水资源的消耗，同时实现CO2的资源化利用，具有良好的环境效益。
目前，超临界二氧化碳致裂页岩已展示了其良好的应用前景，但对于超临界二氧化碳致裂页岩的理论和实验方面的研究都还很少，相应的实验装置也很缺乏，不能满足该领域研究的需要。而对于三轴应力条件下超临界CO2致裂实验来说，其试件的制作和密封对于压裂实验的成败至关重要，另外，出于研究成果对工程的指导意义，需要在实验过程中模拟工程设计的相关参数，比如钻孔半径大小，钻孔位置以及流体注入速率等对其压裂效果的影响，在试件制作以及密封过程需要对这些因素加以考虑，目前国内外对于该领域的研究都还处于起步阶段，缺乏相应的实验方法和数据作为指导。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种三轴应力下超临界二氧化碳致裂页岩实验试件制作方法，该方法能够模拟多场(地应力、温度、压力)耦合条件下不同参数(钻孔深度、钻孔直径、不同注入速率)对超临界CO2致裂页岩效果的影响，可以为超临界CO2致裂页岩机理的研究以及工程设计参数的优化提供指导。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
三轴应力下超临界二氧化碳致裂页岩实验试件制作方法，该方法包括如下步骤：
1)钻取规格为φ100x200mm的圆柱形页岩试件，采用台钻在试件中心钻取半径为R、深度为h的圆形钻孔；
2)选取外径为R、长为L的高强度钢管作为超临界二氧化碳的注入管，注入管的中心为注入孔，注入孔的孔径为r，L<h；
3)将圆形钻孔的空腔部分采用工业Nacl填充满，空腔部分的高度为h-L，用工业Nacl填充满空腔部分是为了避免后续在注入AB胶水进行密封时AB胶水流入空腔引起堵塞，填充满后将注入管插入页岩试件中心的圆形钻孔；
4)用流动性强、凝固性能好的透明环氧树脂A胶水和透明环氧树脂B胶水按照质量比为3：1的配比均匀混合后，用注射针头将配好的胶水浇注到圆形钻孔的内壁与注入管的外壁之间进行连接密封；
5)待页岩试件自然晾干确保密封胶水完全凝固后，用细小针头从注入孔注水将空腔部分Nacl溶解后抽出，使圆形钻孔的底部形成空腔；
6)注入管的上端固定一中空的螺纹连接头，螺纹连接头的顶端沿圆周方向设置环形凹槽，环形凹槽内放置O型密封圈，螺纹连接头与三轴应力加载装置上三轴室的压头进行连接，螺纹连接头与压头之间通过O型密封圈进行密封。
本发明的有益效果是：该方法能够模拟多场(地应力、温度、压力)耦合条件下不同参数(钻孔深度、钻孔直径、不同注入速率)对超临界CO2致裂页岩效果的影响，可以为超临界CO2致裂页岩机理的研究以及压裂的工程设计参数的优化提供指导。
附图说明
图1为三轴应力下超临界二氧化碳致裂页岩实验试件的结构示意图；
图2为注入管和螺纹连接头固定连接的结构示意图；
图3为页岩试件的俯视结构示意图；
图4为压裂过程钻孔深度对泵压-时间的影响示意图。
附图中：1—页岩试件；2—圆形钻孔；3—注入管；4—注入孔；5—螺纹连接头；6—环形凹槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
三轴应力下超临界二氧化碳致裂页岩实验试件制作方法，该方法包括如下步骤：
1)钻取规格为φ100x200mm的圆柱形页岩试件1，采用台钻在试件中心钻取半径为R、深度为h的圆形钻孔2。
本实施例进行了不同钻孔深度对超临界CO2致裂页岩效果影响的实验研究。每个页岩试件1的中心圆形钻孔2的直径为14mm(R＝7mm)，三个页岩试件1的圆形钻孔深度h分别为1#页岩试件h＝135mm，2#页岩试件h＝120mm，3#页岩试件h＝118mm。
2)选取外径为R、长为L的高强度钢管作为超临界二氧化碳的注入管3，注入管3的中心为注入孔4，注入孔4的孔径为r，L<h。本实施例采用外径8mm、内径6mm、长80mm的高强度注入管3。
3)将圆形钻孔2的空腔部分采用工业Nacl填充满，空腔部分的高度为h-L，再将注入管3插入页岩试件1中心的圆形钻孔2。
4)用流动性强、凝固性能好的透明环氧树脂A胶水和透明环氧树脂B胶水按照质量比为3：1的配比均匀混合后，用注射针头将配好的胶水浇注到圆形钻孔2的内壁与注入管3的外壁之间进行连接密封。
5)待页岩试件1自然晾干确保密封胶水完全凝固后，用细小针头从注入孔4注水将空腔部分Nacl溶解后抽出，使圆形钻孔2的底部形成空腔，如图1所示。
6)注入管3的上端固定一中空的螺纹连接头5，如图2所示，螺纹连接头5的顶端沿圆周方向设置环形凹槽6，如图3所示，环形凹槽6内放置O型密封圈，螺纹连接头5与三轴应力加载装置上三轴室的压头进行连接，螺纹连接头5与压头之间通过O型密封圈进行密封。
实验过程中保持轴压σ1、围压σ3分别恒定在16MPa、12MPa；为了保证CO2达到超临界态(临界压力为7.38MPa、温度31.4℃)，实验过程保持温度恒定为35℃。流体注入采用恒流模式，CO2注入速率为30ml/min，实验过程对泵压-时间变化数据进行采集。实验得到的CO2注入压力-时间曲线变化规律如图4所示，从图4可以看出，三个页岩试件的CO2流体压力随时间变化的关系曲线具有相似性，但是随着页岩试件的圆形钻孔深度的不同，其起裂压力和压裂时间也不同，其中1#页岩试件起裂压力最低，为7.6MPa，在816s达到峰值；2#页岩试件起裂压力为11.9MPa，在995s泵压达到峰值；3#页岩试件起裂压力最高，为14MPa，在1005s泵压达到起裂压力。从以上分析可以看出，起裂压力随着圆形钻孔深度的增加而减小，该三轴应力下超临界二氧化碳致裂页岩实验试件制作方法能够模拟不同工艺参数对压裂效果的影响。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (1)
1.三轴应力下超临界二氧化碳致裂页岩实验试件制作方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)钻取规格为φ100x200mm的圆柱形页岩试件(1)，采用台钻在试件中心钻取半径为R、深度为h的圆形钻孔(2)；
2)选取外径为R、长为L的高强度钢管作为超临界二氧化碳的注入管(3)，注入管(3)的中心为注入孔(4)，注入孔(4)的孔径为r，L<h；
3)将圆形钻孔(2)的空腔部分采用工业Nacl填充满，空腔部分的高度为h-L，再将注入管(3)插入页岩试件(1)中心的圆形钻孔(2)；
4)用流动性强、凝固性能好的透明环氧树脂A胶水和透明环氧树脂B胶水按照质量比为3：1的配比均匀混合后，用注射针头将配好的胶水浇注到圆形钻孔(2)的内壁与注入管(3)的外壁之间进行连接密封；
5)待页岩试件自然晾干确保密封胶水完全凝固后，用细小针头从注入孔(4)注水将空腔部分Nacl溶解后抽出，使圆形钻孔(2)的底部形成空腔；
6)注入管(3)的上端固定一中空的螺纹连接头(5)，螺纹连接头(5)的顶端沿圆周方向设置环形凹槽(6)，环形凹槽(6)内放置O型密封圈，螺纹连接头(5)与三轴应力加载装置上三轴室的压头进行连接，螺纹连接头(5)与压头之间通过O型密封圈进行密封。
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