CN106442943A - 一种页岩储层成岩裂缝模拟实验装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种页岩储层成岩裂缝模拟实验装置和方法。该装置包括：反应室，用于页岩储层成岩裂缝模拟实验的样品进行反应；上覆压力加载设备与反应室连接，用于控制反应室内样品的静岩压力；温控设备与反应室连接，用于控制和调节反应温度；压力显示单元与反应室连接，用于显示和记录反应室内的压力变化；温度显示单元与反应室连接，用于显示和记录反应室内的温度变化；计算机端分别与上覆压力加载设备、温控设备、压力显示单元、温度显示单元连接，用于整体控制和数据记录。本发明还提供了利用上述装置完成的页岩储层成岩裂缝模拟实验方法。本发明的上述装置和方法可以研究原始细粒沉积物的页岩储层裂缝的形成规律。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟实验装置和方法，尤其涉及一种页岩储层成岩裂缝模拟实验装置和方法，属于石油开采技术领域。
背景技术
在21世纪，现代科技引导下的生产生活对能源的需求快速增长，现阶段，化石燃料仍然处于不可替代的地位，随着石油的开发的快速进行，全球常规油气资源储量快速减少，页岩气、致密油、致密气的开发越来越受到重视。而页岩气、致密油、致密气的开发仍然处于基础阶段，对致密页岩储层的认知还存在很多盲点。
其中，页岩油气成为目前石油工业发展的重要引擎，广泛发育的裂缝系统是页岩油气能够有效动用的关键。成岩缝和构造缝是该类储层主要的裂缝类型，其中成岩缝是页岩成岩过程中由于泥页岩成岩收缩作用或有机质热演化作用发生体积膨胀而形成的微裂缝。
然而关于页岩储层成岩裂缝的模拟问题一直没有开展深入研究。通过对成岩缝的模拟，不仅可以研究不同储层条件对致密页岩裂缝的形成作用，还可以反推储层构造发育史，对研究区域构造演变具有重要的指导和佐证意义。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种页岩储层成岩裂缝模拟实验装置，该装置可以研究原始细粒沉积物在不同页岩储层温度条件下，经过长期地质作用下页岩储层裂缝的形成规律，同时可用于反推储层构造发育史。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种页岩储层成岩裂缝模拟实验装置，该页岩储层成岩裂缝模拟实验装置包括：反应室、上覆压力加载设备、温控设备、压力显示单元、温度显示单元和计算机端；
其中，上覆压力加载设备与反应室连接；
温控设备与反应室连接；
压力显示单元与反应室连接；
温度显示单元与反应室连接；
计算机端分别与上覆压力加载设备、温控设备、压力显示单元、温度显示单元连接。
在本发明的页岩储层成岩裂缝模拟实验装置中，该页岩储层成岩裂缝模拟实验装置包括：反应室、上覆压力加载设备、温控设备、压力显示单元、温度显示单元和计算机端；
其中，反应室，用于页岩储层成岩裂缝模拟实验的样品进行反应；
上覆压力加载设备与反应室连接，用于控制反应室内样品的静岩压力；
温控设备与反应室连接，用于控制和调节反应温度；
压力显示单元与反应室连接，用于显示和记录所述反应室内的压力变化；
温度显示单元与反应室连接，用于显示和记录所述反应室内的温度变化；
计算机端分别与上覆压力加载设备、温控设备、压力显示单元、温度显示单元连接，用于整体控制和数据记录。
本发明的页岩储层成岩裂缝模拟实验装置中，优选地，反应室包括反应釜和恒温电加热炉。
根据本发明的具体实施方式，反应釜作为反应室的反应装置，页岩储层成岩裂缝模拟实验的样品(固体细粒沉积物和所需液体)在其中进行反应。采用的反应釜的釜体以钛铬镍合金作为外壳，采用耐高温的氟胶O型圈进行环槽端面密封加径向密封对顶部活塞密封；反应釜的釜体内衬采用聚酰亚胺衬筒，使釜体内壁具有很好的光洁度，有利于活塞的上下运行并保证密封性。釜体直径为10cm，高为5cm，具有硬度大、熔点高、抗腐蚀性强的特点。
本发明的页岩储层成岩裂缝模拟实验装置中，优选地，所采用的恒温电加热炉包括：碳化硅炉膛，设于碳化硅炉膛外的铝合金外膛，设于铝合金外膛外的石棉橡胶板，和设于石棉橡胶板外的不锈钢外壳。
在本发明的页岩储层成岩裂缝模拟实验装置中，所采用的石棉橡胶板的厚度为8mm，作为耐火材料和保温材料。
本发明的页岩储层成岩裂缝模拟实验装置中，优选地，所采用的碳化硅炉膛表面绕有镍铬电热丝。
本发明的页岩储层成岩裂缝模拟实验装置中，优选地，所采用的恒温电加热炉的外部设置两个插孔，两个插孔中分别设置有传感器。
上述插孔位于碳化硅炉膛侧壁的中部区域，用于将传感器插入储层样本内部进行测量数据；其中，一个插孔插入对反应室进行压力检测的传感器，另一个插孔插入对反应室进行温度检测的传感器。
本发明的页岩储层成岩裂缝模拟实验装置中，优选地，所采用的上覆压力加载设备包括液压机。液压机与反应釜顶部的活塞相连，用于为反应釜内的样品提供静岩压力。
根据本发明的具体实施方式，对反应室进行温度检测的传感器将反应釜中的温度反映到温度显示单元，根据温度显示单元的数据，利用温控设备调节反应釜中恒温电加热炉的温度，对反应釜的温度进行调解，使反应釜中的温度时刻与页岩储层的温度保持一致。
根据本发明的具体实施方式，对反应室进行压力监测的传感器将反应釜中的压力反映到压力显示单元，根据压力显示单元的数据，利用上覆压力加载设备调节反应釜中的压力，使反应釜中压力与页岩储层的压力保持水平。
根据本发明的具体实施方式，压力显示单元用于显示和记录反应室内的样品的压力变化，由于实验过程中，页岩样品生排烃，尤其是在高温条件下，气态烃类在密闭装置内会产生一定的气体压力，因此需要时刻监控反应室内的压力变化。
本发明还提供了一种页岩储层成岩裂缝模拟实验方法，该页岩储层成岩裂缝模拟实验方法是利用上述的页岩储层成岩裂缝模拟实验装置完成的，该方法包括以下步骤：
获取页岩储层的实际地质参数，其中，实际地质参数包括：页岩储层的温度与压力，页岩储层的埋藏方式，页岩储层的现代淤泥及沉积物样品中粘土矿物种类及含量，页岩储层的岩石矿物组分、含量、有机质丰度及成熟度；
将现代淤泥及沉积物样品加入反应室的反应釜中，注入储层模拟液；
开启温控设备，对反应室进行加热，开启上覆压力加载设备对反应室的反应釜进行加压，模拟页岩储层成岩演化过程；
停止加压和加热，结束模拟页岩储层成岩演化过程，记录分析结果，结果包括统计成岩缝的方向、开度和面密度。
根据本发明的具体实施方式，根据沉积岩中粘土矿物总量和常见非粘土矿物X射线衍射定量分析方法确定粘土矿物种类及含量、有机质丰度及成熟度等参数。页岩储层的现代淤泥及沉积物样品可以根据实际的储层矿物成分配置，也可以直接采集现代淤泥样品使用。
本发明的页岩储层成岩裂缝模拟实验方法中，储层模拟液根据现代淤泥及沉积物样品的数量配置，优选地，储层模拟液采用浓度为100mg/L的CaCl2型水。
本发明的页岩储层成岩裂缝模拟实验方法中，优选地，储层模拟液的添加量为现代淤泥及沉积物样品的质量的20％-40％。
本发明的页岩储层成岩裂缝模拟实验方法中，优选地，加热温度控制为模拟页岩储层的温度，一般不超过500℃，加压的压力控制为模拟页岩储层的压力，一般不超过80MPa。
本发明的页岩储层成岩裂缝模拟实验方法和装置，建立页岩成藏模拟过程，并对成岩裂缝进行观察统计和表征，改变不同的模拟参数，分别进行致密页岩的成岩模拟，并进行成岩裂缝的表征，由此可以得到页岩成岩裂缝与储层温度、压力及作用时间的规律，通过改变细粒沉积物的成分，也可以得到含有不同有机质类型、不同有机质丰度的细粒沉积物成岩裂缝的不同性质；
例如，通过改变样品的压力，模拟得到不同页岩储层压力情况下成岩缝生成状况差异性，开展压力对成岩缝生成产状的影响效果研究；
通过改变样品的温度，模拟得到不同页岩储层温度情况下成岩缝生成状况差异性，开展温度对成岩缝生成产状的影响效果研究。
本发明的上述页岩储层成岩裂缝模拟实验装置主要采用TTI原理，即：高温短时和低温长时均可使有机质演化均能达到相同的效果。本发明的页岩储层成岩裂缝模拟实验装置和方法可以根据实验进度要求，适当提高温度，缩短实验时间，通过短时间的实验过程模拟长久的实际地质成岩发育史，实验过程可以根据实际页岩储层的埋深及地温梯度和压力梯度资料，折算实验过程的温度和压力取值范围。
本发明的上述页岩储层成岩裂缝模拟实验装置综合考虑了所模拟地区的实际地质要素，包括泥页岩的岩石学特征、成岩过程中的温度、压力及流体变化等主要影响因素，对页岩储层成岩缝生成条件的基础研究更有针对性；建立的模拟地质过程约束下的泥页岩储层成岩演化阶段，为泥页岩储层成岩演化阶段的划分以及页岩气勘探提供基础实验依据，进而使成岩模拟实验在非常规储层评价和预测方面具有实用性、可靠性、科学性；通过对成岩缝的模拟，不仅可以研究不同页岩储层条件对页岩成岩裂缝的形成作用，还可以反推储层构造发育史，对研究区域构造演变具有重要的指导和佐证意义。
本发明的页岩储层成岩裂缝模拟实验装置设置高温高压细粒沉积物反应室、上覆压力加载设备、温控设备、压力显示单元和温度显示单元，可以使细粒沉积物在实验室内按TTI原理在所设置的模拟参数(上覆压力、地层温度、反应时间)条件下，建立页岩成藏模拟过程，并对成岩裂缝进行观察统计和表征，改变不同的模拟参数，分别进行致密页岩的成岩模拟，并进行成岩裂缝的表征，由此可以得到页岩成岩裂缝与储层温度、压力及作用时间的规律，通过改变细粒沉积物的成分，也可以得到含有不同有机质类型、不同有机质丰度的细粒沉积物成岩裂缝的不同性质。
本发明的页岩储层成岩裂缝模拟实验装置和方法，从反应物放入系统后，实验开始到最终结束都是一次完成，操作便捷，模拟效果良好。
附图说明
图1为实施例1中的页岩储层成岩裂缝模拟实验装置的结构示意图。
主要附图符号说明
1高温高压细粒沉积物反应室 2上覆压力加载设备 3温控设备 4压力显示单元 5温度显示单元 6PC机
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种岩储层成岩裂缝模拟实验装置，该页岩储层成岩裂缝模拟实验装置的结构如图1所示，该装置包括：高温高压细粒沉积物反应室1、上覆压力加载设备2、温控设备3、压力显示单元4、温度显示单元5和PC机6；
其中，高温高压细粒沉积物反应室1为页岩储层成岩裂缝模拟实验的样品进行反应提供反应空间；高温高压细粒沉积物反应室1包括反应釜和恒温电加热炉，恒温电加热炉包括：表面绕有镍铬电热丝的碳化硅炉膛，设于碳化硅炉膛外的高铝外膛，设于高铝外膛外的加厚橡胶石棉板，和设于加厚橡胶石棉板外的不锈钢外壳；恒温电加热炉的外部设置两个插孔，一个插孔插入对反应室进行压力检测的传感器，另一个插孔插入对反应室进行温度检测的传感器；
上覆压力加载设备2与高温高压细粒沉积物反应室1相连，控制反应室内样品的静岩压力；上覆压力加载设备2包括液压机，液压机与反应釜顶部的活塞相连，为反应釜内的样品提供静岩压力；
温控设备3与高温高压细粒沉积物反应室1相连，控制和调节反应温度；
压力显示单元4与高温高压细粒沉积物反应室1相连，显示和记录反应室内的压力变化；
温度显示单元5与高温高压细粒沉积物反应室1相连，显示和记录反应室内的温度变化；
PC机6分别与上覆压力加载设备2、温控设备3、压力显示单元4、温度显示单元5连接，用于整体控制和数据记录。
本实施例提供了一种利用上述岩储层成岩裂缝模拟实验装置完成的岩储层成岩裂缝模拟实验方法，具体包括以下步骤：
获取页岩储层的实际地质参数，页岩储层的温度与压力，页岩储层的埋藏方式，页岩储层的现代淤泥及沉积物样品中粘土矿物种类及含量，页岩储层的岩石矿物组分、含量、有机质丰度及成熟度；
以濮城地区沙三段泥页岩为模拟对象，储层成分如表1所示，其中黏土矿物主要有高岭石，蒙脱石、绿泥石和伊利石，四种物质按同等比例配置成本储层粘土矿物成分；有机质成熟度为1.23％。
表1页岩储层矿物成分表
| 页岩成分 | 实际所占比值 | 模拟成分比值 |
| 黏土矿物 | 31％-67％ | 50％ |
| 石英 | 10.5％-56.6％ | 15％ |
| 白云石 | 3.8％-23.4％ | 18％ |
| 斜长石 | 1.8％-18.7％ | 14％ |
| 黄铁矿 | 1.3％-3.9％ | 2％ |
| 有机质 | 0.5％-1.1％ | 1％ |
将现代淤泥及沉积物样品加入反应釜中，注入储层模拟液；储层模拟液为浓度为100mg/L的CaCl2型水；
选取稳定模拟温度400℃，模拟压力85MPa。压力加载过程为加热启动前加载；根据中国东部盆地断-坳演化特点，加热方式为首先全功率升温至200℃，然后依次以40℃/h的功率进行加热，达到最终温度后恒温2h。实现对反应室进行加热模拟页岩储层成岩演化过程；
停止加压和加热，结束模拟页岩储层成岩演化过程，记录分析结果，包括统计成岩缝的方向、开度和面密度。模拟结果如下：
中部生成一条与岩层近垂直的高角度构造主裂缝，裂缝倾角约80°，裂缝长度达10cm，开度约为1mm-2mm，垂向贯穿储层岩样；伴生数条微裂缝，开度小于0.5mm，裂缝高度普遍介于1-3cm，面密度约为26条/m2。由此可得到本区域的成岩缝以微裂缝为主，受主应力作用能够产生少量垂向高角度裂缝。成岩微裂缝对本区页岩油藏生储具有重要作用，是油藏的重要储油空间和渗流通道。
以上实施例说明，本发明提供的岩储层成岩裂缝模拟实验装置和方法能有效模拟页岩储层成岩裂缝的形成，设计合理，操作便捷，本发明的装置和方法为页岩储层成岩裂缝主控因素的研究提供了等效模拟装置和方法。
Claims (10)
1.一种页岩储层成岩裂缝模拟实验装置，其特征在于，该页岩储层成岩裂缝模拟实验装置包括：反应室、上覆压力加载设备、温控设备、压力显示单元、温度显示单元和计算机端；
其中，所述上覆压力加载设备与所述反应室连接；
所述温控设备与所述反应室连接；
所述压力显示单元与所述反应室连接；
所述温度显示单元与所述反应室连接；
所述计算机端分别与所述上覆压力加载设备、温控设备、压力显示单元、温度显示单元连接。
2.根据权利要求1所述的页岩储层成岩裂缝模拟实验装置，其特征在于，所述反应室包括反应釜和恒温电加热炉。
3.根据权利要求2所述的页岩储层成岩裂缝模拟实验装置，其特征在于，所述恒温电加热炉包括：碳化硅炉膛，设于碳化硅炉膛外的铝合金外膛，设于铝合金外膛外的石棉橡胶板，和设于石棉橡胶板外的不锈钢外壳。
4.根据权利要求3所述的页岩储层成岩裂缝模拟实验装置，其特征在于，所述碳化硅炉膛的表面绕有镍铬电热丝。
5.根据权利要求2或3所述的页岩储层成岩裂缝模拟实验装置，其特征在于，所述恒温电加热炉的外部设置两个插孔，两个插孔中分别设置有传感器。
6.根据权利要求1所述的页岩储层成岩裂缝模拟实验装置，其特征在于，所述上覆压力加载设备包括液压机。
7.一种页岩储层成岩裂缝模拟实验方法，其特征在于，该页岩储层成岩裂缝模拟实验方法是利用权利要求1-6任一项所述的页岩储层成岩裂缝模拟实验装置完成的，该方法包括以下步骤：
获取页岩储层的实际地质参数，其中，所述实际地质参数包括：页岩储层的温度与压力，页岩储层的埋藏方式，页岩储层的现代淤泥及沉积物样品中粘土矿物种类及含量，页岩储层的岩石矿物组分、含量、有机质丰度及成熟度；
将所述现代淤泥及沉积物样品加入反应室的反应釜中，注入储层模拟液；
开启温控设备，对反应室进行加热，开启上覆压力加载设备对反应室的反应釜进行加压，模拟页岩储层成岩演化过程；
停止加压和加热，结束模拟页岩储层成岩演化，记录分析结果，结果包括统计成岩缝的方向、开度和面密度。
8.根据权利要求7所述的页岩储层成岩裂缝模拟实验方法，其特征在于，所述储层模拟液包括浓度为100mg/L的CaCl2型水。
9.根据权利要求7或8所述的页岩储层成岩裂缝模拟实验方法，其特征在于，所述储层模拟液的添加量为现代淤泥及沉积物样品的质量的20％-40％。
10.根据权利要求7所述的页岩储层成岩裂缝模拟实验方法，其特征在于，加热温度为模拟页岩储层的温度，加压的压力为模拟页岩储层的压力。
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