CN107436262A - 围压下低温液氮压裂实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型围压下低温液氮压裂实验系统，用于模拟地应力条件下高压液氮压裂储层岩石的过程，研究岩石起裂特性、压裂裂缝形成规律以及液氮低温辅助岩石致裂的效果等。实验系统由液氮增压注入装置、液氮压裂实验装置以及围压施加装置三个部分组成，其中液氮增压注入装置包括调速电机、真空泵以及液氮罐和增压缸。增压缸将高压液氮泵送至岩样井筒内部进行压裂，同时围压施加装置通过液压给岩样施加径向围压，岩样夹持单元通过机械推力向岩样施加轴向应力。该系统操作安全简便、效率高，可进行多种工况下的低温液氮压裂实验，并可用于超临界CO₂、水、油等其它流体的围压下压裂实验。

Description

围压下低温液氮压裂实验系统

技术领域

本发明涉及一种低温流体压裂实验系统，具体涉及一种围压下低温液氮压裂实验系统，属于低温流体技术领域与岩石破碎技术领域。

背景技术

当今油气勘探开发已从常规储层逐步迈向低渗特低渗以及非常规储层。其中非常规能源方面，我国的页岩气和煤层气储量丰富，有望成为21世纪的重要接替能源。目前页岩气和煤层气的开采主要依靠水力压裂增产，在实际应用中暴露出诸多问题，如压裂液返排困难、储层伤害严重、环境污染大等，这些问题在一定程度上制约了我国非常规能源的高效开发利用。因此，寻求一种新的压裂流体以克服传统水力压裂的局限性是研究人员面临的一项重要课题。

液氮是一种无色无味、温度极低(-195.8℃)的流体，其与储层岩石接触时导致岩石表面温度骤降，引起岩石颗粒收缩并产生拉伸应力，当拉应力超过岩石的强度时可诱发微裂隙的萌生或者原生裂隙的扩展。研究表明，液氮的低温作用可改变岩石孔隙结构并提高岩石渗透率，还可降低岩石强度，使其更易发生脆性破坏。当液氮作为压裂液进入储层裂缝中时，不仅可避免储层水敏性伤害，而且液氮在地层中吸热气化体积膨胀，可辅助压裂裂缝的扩展和延伸。压裂后液氮气化成为氮气，无需抽汲便可返回至地面。国外对液氮压裂技术的现场应用表明，对于页岩气、致密砂岩气和煤层气地层，液氮压裂技术较其它增产方式均显示出更大的优势。因此，目前液氮压裂技术在非常规能源方面的应用得到了广泛的关注。

然而作为一种新型的无水压裂技术，目前国内外对液氮压裂技术的研究尚处于起步阶段，现有的研究工作主要集中在液氮低温作用对岩石孔隙结构、力学强度和渗透率的影响，以及液氮的冷冲击对岩石致裂的影响。高压液氮由井筒进入储层岩石，在地应力条件下裂缝起裂和扩展的机理尚不清晰。此外，液氮具有温度低、粘度低的特点，液氮压裂中缝网的形成规律尚不明确。

因此，须开展围压下液氮压裂岩石起裂特性、压裂裂缝形成规律以及低温作用辅助岩石致裂等相关基础研究，目前该领域的研究成果尚未有文献报道，开展围压下低温液氮压裂探索性研究具有重要意义。以低温流体技术与岩石破碎技术为基础，为进一步研究低温液氮在非常规油气藏压裂增产中的应用，设计了一套新型围压下低温液氮压裂实验系统，用于模拟地应力条件下高压液氮压裂储层岩石的过程，探索液氮压裂起裂特性及缝网形成规律，对比分析液氮压裂与常规水力压裂的实验效果并揭示液氮冷冲击和气化膨胀辅助致裂岩石的机理等。该实验系统将成为未来利用低温液氮进行低渗透和非常规储层压裂增产作业技术研究的载体与有效途径。

发明内容

本发明是以研究围压下低温液氮压裂储层岩石起裂特性、缝网形成规律和液氮低温致裂效应为目的而设计的一套实验系统。结合理论分析、数值模拟等多种研究手段，通过实验方法研究在地应力条件下低温液氮压裂储层岩石所需要的压力、岩石起裂特性和缝网形成规律以及围压、岩性、注入排量等因素对低温液氮压裂的影响规律，客观真实地模拟地层条件下低温液氮压裂增产作业等。

为实现该实验目的，本发明专利所采用的技术方案为：

围压下低温液氮压裂实验系统由液氮增压注入装置、液氮压裂实验装置以及围压施加装置三个独立部分组成，这三个部分由液氮罐、增压缸、岩样夹持单元和围压泵依次通过不锈钢耐低温管线连接而成。

实验前利用真空泵将系统中的空气排空，防止系统中空气的存在影响实验效果。调速电机通过蜗杆传动装置控制增压缸内的柱塞运动，可通过电脑闭环控制，实现液氮定压力或者定排量注入。经过增压后的液氮从注入通道进入岩样内部，注入管线由耐低温不锈钢材料制成，其外部设有保温材料以防止液氮在管线内气化。岩样夹持单元通过丝杠产生的机械推力给实验岩样施加轴向应力，径向围压由围压泵通过液压的方式提供。岩样压裂完成后高压液氮经过岩样夹持单元端部的泄压排空通道排空，氮气无毒、无污染，可直接排入大气。实验结束后调节调速电机控制柱塞后退以降低增压缸内的压力，同时打开增压缸放空阀，液氮从放空阀排出。

增压缸为圆柱形容器，容积为2L，可耐压80MPa，其外部设有降温槽，实验前利用液氮提前为增压缸降温，防止实验过程中液氮在增压缸内快速气化影响实验，增压缸外部的保温材料可减缓增压缸的温度回升。增压缸与压力表和安全阀连接，若缸内压力超过限压值则安全阀开启泄压，压力表螺纹处可加装三通，连接压力传感器，通过计算机实时采集注入压力数据。

岩样夹持单元可夹持直径50mm，长100mm的圆柱形岩样，岩样前端钻孔，孔眼直径大小为4～8mm，深度为30～40mm，孔眼内部嵌入与之尺寸相对应的高压不锈钢管，并通过酚醛树脂密封，模拟井筒和井口。高压不锈钢管与液氮注入管线连接，实验过程中液氮直接注入岩心内部。岩样后端面与一金属圆柱体接触，圆柱体中心开有通孔，作为泄压排空通道。岩样后端面的金属柱体与丝杠装置连接，丝杠产生的机械推力作用于金属柱体上进而传递至岩样轴向方向，提供轴向应力。

围压泵以耐低温液压油为工作介质提供流体压力，其压力值最大可达80MPa。液压油被压入岩样夹持单元金属外壳与其内部橡胶套中间的密闭环空，随着液压油持续压入，橡胶套被压缩并对岩样施加均匀的径向围压，围压值大小可自由设定。围压泵管线与压力表和安全阀连接，若管线内部压力超过限压值则安全阀开启泄压，压力表同样可通过三通连接压力传感器，通过计算机实时采集围压数据。

由于液氮粘度低，且其超低温特性可辅助致裂岩石，加上液氮在井筒内气化膨胀导致井筒压力上升，使得液氮具备更强的破碎岩石和压裂造缝的能力。

有益效果

本发明所提出的围压下低温液氮压裂实验系统，结合了较为成熟的低温流体技术与岩石破碎技术，可在围压条件下进行低温液氮压裂实验。该系统利用调速电机与蜗杆传动装置相结合，可在定压力和定排量条件下泵注高压液氮，实现了压裂液的精细可控注入。围压泵通过液压给岩样施加径向围压，岩样夹持单元通过丝杠机械力给岩样施加轴向应力，可模拟地层双向应力条件。另外液氮注入的排量、压力以及围压值的大小可在较大范围内调节，增强了对液氮压裂各影响因素的考察能力。该系统具有较强的可操作性、安全性以及重复利用性，数据更全面、更准确，使实验效率、材料利用率显著提高，可充分模拟地层应力条件下的低温液氮压裂过程，并可用于超临界CO₂、水、油等其它流体的围压下压裂实验。

附图说明

图1是实验系统流程图；

图2是液氮增压注入装置结构图；

图3是岩样夹持单元结构剖面图；

图4是降温槽结构图；

图中：1-调速电机；2-蜗杆；3-液氮罐；4-增压缸；5-柱塞；6、7、8、9、12、17、22-阀门；10-单向阀；11-真空泵；13-注入管线；14、18、20-安全阀；15、19-压力表；16-岩样夹持单元；21-围压泵；23、26-底座；24-高压液氮注入通道；25-围压施加入口；27-泄压排空通道；28-轴向应力施加单元；29-降温槽；30-计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明：

如图1所示，液氮罐3中存储有液氮，是整个实验系统的液氮源。实验开始前，柱塞5位于增压缸4的最左端，阀门6、7、8、9、22均处于关闭状态，阀门12处于开启状态，开启真空泵11将系统内残余的空气抽出，抽真空完毕后关闭阀门12。然后打开阀门9，液氮经过单向阀10被吸至增压缸4内部，液氮充满增压缸4后打开阀门6和7，计算机30控制调速电机1转动，带动蜗杆2旋转来推动柱塞5向右运动，将液氮驱替至降温槽29内对整个增压缸进行降温，液氮气化后从阀门7排空。降温结束后调速电机1控制柱塞5移至增压缸4的左端，然后关闭阀门6、7、9，开启阀门12和真空泵11再次将系统内气体抽真空，抽真空完毕后关闭阀门12。此时打开阀门9，液氮被吸至增压缸4内，液氮吸入完毕后开启围压泵21和阀门17对实验岩样施加径向围压，当压力表19的读数达到设定的围压值后，关闭阀门17和围压泵21，同时通过轴向应力施加单元28对实验岩样施加轴向应力，应力大小根据实验要求设定。随后由计算机30控制调速电机1对液氮进行定压力或者定排量注入。高压液氮经注入管线13进入岩样夹持单元16内部对岩样进行压裂，此时通过压力表15记录泵注压力数据。待压裂结束后柱塞5向左运动对增压缸4进行泄压，同时打开阀门17和旋转轴向应力施加单元28卸载径向围压和轴向应力。然后开启阀门8、22释放剩余液氮和高压氮气，取出压裂后岩样，完成实验。整个实验过程中，安全阀14、18、20安全压力根据实验压力要求进行分别设定，当系统内部压力超过设定的安全压力时，安全阀自动开启泄压。

如图2所示，调速电机1与蜗杆2相连接，计算机控制调速电机1和蜗杆2带动柱塞5左右运动，可保持增压缸4的压力或者排量为恒定值，所有零部件固定在底座23上。

如图3所示，高压液氮通过注入通道24进入岩样井筒内部，岩样前端面与金属柱体通过酚醛树脂保持密封。围压泵21提供的液压通过围压施加入口25进入岩样胶套与夹持单元之间的密封环空间隙给岩样施加径向围压，轴向应力施加单元28通过丝杠产生机械推力，作用于后端金属柱体之上，进而传递至岩样轴向方向。待压裂结束后，高压液氮从泄压排空通道27进入放空阀22进而排至大气，所有零部件固定在底座26上。

如图4所示，实验开始前柱塞5推动增压缸4内的液氮向右运动，液氮经过阀门6进入降温槽29内部对增压缸4进行充分地降温，气化后的氮气从阀门7排出。实验开始前对增压缸进行降温可有效防止实验过程中液氮在增压缸内快速气化而影响实验进程，增压缸4外部的保温材料可有效减缓增压缸的温度回升，从而提高实验效率。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限制本发明的实施范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种围压下低温液氮压裂实验系统。其特征在于：该压裂实验系统由液氮增压注入装置、液氮压裂实验装置以及围压施加装置三个部分组成；所述三个部分由液氮罐、增压缸、岩样夹持单元和围压泵依次通过不锈钢耐低温管线连接而成，其中液氮增压注入装置包括调速电机、真空泵以及液氮罐和增压缸；所述液氮压裂实验装置轴向应力通过丝杠产生机械推力进行加载，径向围压通过液压进行加载。

2.如权利要求1所述围压下低温液氮压裂实验系统，其特征在于：所述液氮增压注入装置中的真空泵，安装在增压缸的尾部，另一端与液氮压裂实验装置相连，实验前可将系统中的残余空气排空，防止空气的存在影响实验进程。

3.如权利要求1所述围压下低温液氮压裂实验系统，其特征在于：所述增压缸由高强度耐低温不锈钢材料制成，其外部设有降温槽，实验前对增压缸及相关管线等进行降温，防止液氮气化影响实验结果；降温槽外部包覆保温材料，进一步防止增压缸升温气化液氮。