CN108120819A - 用于模拟页岩气藏二氧化碳干法压裂流固耦合的高参数实验系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于模拟页岩气藏二氧化碳干法压裂流固耦合的高参数实验系统及测试方法，属于压裂改造过程中流固耦合作用实验系统技术领域。该系统由加压供液单元、循环流动单元及耦合反应单元组成，加压供液单元能够随时制备得到实验所需的CO₂干法压裂液，并完成泵送，然后进入循环流动单元及耦合反应单元。本发明的系统设计合理，各个单元配合工作，能够在耦合反应单元模拟实际工况条件下研究液态/超临界CO₂与页岩的耦合作用随温度、压力、剪切速率等因素的变化规律；并能够通过后期水样和页岩样品分析，得到耦合作用对页岩的物性改造机理，对页岩气藏后期改造及产能评价具有重要的指导意义。

Description

用于模拟页岩气藏二氧化碳干法压裂流固耦合的高参数实验 系统及测试方法

技术领域

本发明属于压裂改造过程中流固耦合作用实验系统技术领域，具体涉及一种用于模拟页岩气藏二氧化碳干法压裂流固耦合的高参数实验系统及测试方法。

背景技术

国内页岩气储量丰富，据国土资源部统计，我国页岩气可采储量为25.08万亿方，开发潜力巨大，但目前的水基压裂液用于页岩气开发时，存在用水量大、储层伤害严重等问题，将CO₂干法压裂技术用于国内页岩气藏的开发具有用水量少、储层伤害小、返排率高、有利于甲烷解吸等优势。

在页岩气藏的CO₂干法压裂过程中，液态/超临界CO₂、水与页岩相互作用，会对页岩的物性产生影响，进而影响后期改造及产能。但是，目前国内外还没有对页岩气藏CO₂干法压裂流固耦合作用进行模拟的实验系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于模拟页岩气藏二氧化碳干法压裂流固耦合的高参数实验系统及测试方法，该实验系统设计合理，基于该系统能够测试不同干法压裂液体系、添加剂等对流固耦合作用的影响，可研究不同压裂施工条件下，液态/超临界CO₂、水与页岩耦合作用对页岩气层孔隙结构、吸附特性、力学性质等影响机制。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种用于模拟页岩气藏CO₂干法压裂流固耦合的高参数实验系统，包括用于模拟液态/超临界CO₂与页岩的相互作用的耦合反应单元，以及用于循环CO₂干法压裂液的循环流动单元；

所述耦合反应单元，包括中间容器、手动压力泵、反应器、样品管及油浴加热装置，手动压力泵的出液端与中间容器的进液端相连，中间容器的出液端与反应器相连，样品管置于反应器中，油浴加热装置以油套方式和反应器相连；

所述循环流动单元包括缓冲罐和循环泵；缓冲罐的出液端与循环泵的进液端相连，循环泵的出液端与反应器相连；缓冲罐的进液端与反应器相连；

还包括与循环流动单元的进液管路相连的加压供液单元，加压供液单元用于制备和输送CO₂干法压裂液。

优选地，手动压力泵的顶部还设有用于盛装煤油的烧杯，手动压力泵的进液端与烧杯相连。

优选地，反应器的底部还设有分离器，反应器的底部出口与分离器的入口相连，分离器的出口端分别连接有放空管路和取样瓶。

进一步优选地，所述加压供液单元包括液体二氧化碳储罐、氮气瓶、高压柱塞泵、预热器、加热器、恒流泵、储液罐及回压阀；

液体二氧化碳储罐的进液端与氮气瓶的出口相连，液体二氧化碳储罐的出液端与高压柱塞泵的进液端相连，高压柱塞泵出液端连接有安全阀，储液罐的出液端与恒流泵的进液端相连，恒流泵的出液端与高压柱塞泵的出液端通过三通均连接至预热器的入口，预热器的出口与加热器的入口相连，加热器的出口分别与回压阀的入口和循环流动单元的进液管路相连，回压阀的出口与放空管路相连。

优选地，该实验系统的压力范围为0～50MPa，温度范围为室温～180℃。

优选地，该实验系统能够模拟动态流固耦合反应过程、静态流固耦合反应过程及动静态流固耦合反应过程。

优选地，当该实验系统模拟动态流固耦合反应过程时，开启循环流动单元进行动态实验；

当该实验系统模拟静态流固耦合反应过程时，关闭循环流动单元，给反应器充液，封闭反应器进行静态实验；

当该实验系统模拟动静态流固耦合反应过程时，先开启循环流动单元进行动态实验，当循环一定时间后，关闭循环流动单元，给反应器充液，封闭反应器进行静态实验。

本发明还公开了基于上述的实验系统模拟测试实际工况条件下液态/超临界CO₂与页岩的耦合反应的方法，其中：

动态测试方法如下：

当制备好的CO₂干法压裂液充满反应器及循环流动管路后，开启循环流动单元，采用循环泵模拟注入CO₂过程中CO₂在地层中的剪切流动，循环泵的流量能够实现精确控制；设置相应的流量，使CO₂干法压裂液在循环管路中以一定的剪切速率进行剪切，CO₂干法压裂液循环流动经过反应器，能够保证页岩岩样和水充分暴露在CO₂干法压裂液中，使CO₂干法压裂液循环剪切通过反应器中的样品，同时开启油浴加热装置，保证在实验温度下进行耦合实验；

静态测试方法如下：

无需开启循环流动单元，给反应器充填CO₂干法压裂液，当达到实验压力后，封闭反应器，模拟注入CO₂后焖井的过程，使CO₂与水、页岩在静态条件下发生耦合反应，并打开油浴加热装置，实时观测反应器温度和压力，当温压发生变化时，进行相应调整，在实验结束后，从反应器下部取水样，并打开反应器取出岩样，进行相应的分析测试；

动静态测试方法如下：

先开启循环流动单元按上述动态测试进行方法动态实验，然后关闭循环流动单元，给反应器充液，封闭反应器，然后按照上述静态测试方法进行静态实验。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明构建了高参数的用于模拟页岩气藏CO₂干法压裂流固耦合的实验系统，该系统由加压供液单元、循环流动单元及耦合反应单元组成，加压供液单元能够随时制备得到实验所需的CO₂干法压裂液，并完成泵送，然后进入循环流动单元及耦合反应单元。本发明的系统设计合理，各个单元配合工作，能够在耦合反应单元模拟实际工况条件下研究液态/超临界CO₂与页岩的耦合作用随温度、压力、剪切速率等因素的变化规律；并能够通过后期水样和页岩样品分析，得到耦合作用对页岩的物性改造机理，对页岩气藏后期改造及产能评价具有重要的指导意义。该系统能够测试不同干法压裂液体系、添加剂等对流固耦合作用的影响，可研究不同压裂施工条件下，液态/超临界CO₂、水与页岩耦合作用对页岩气层孔隙结构、吸附特性、力学性质等影响机制。

本发明公开的基于该系统的模拟测试实际工况条件下液态/超临界CO₂与页岩的耦合反应的方法，操作简单，能够根据实际测试需求，模拟动态、静态及动静态下的流固耦合反应过程。

附图说明

图1为本发明的用于模拟页岩气藏CO₂干法压裂流固耦合的高参数实验系统结构图。

其中，1为液体二氧化碳储罐；2为氮气瓶；3为高压柱塞泵；4为安全阀；5为三通；6为预热器；7为加热器；8为恒流泵；9为储液罐；10为回压阀；11为缓冲罐；12为循环泵；13为中间容器；14为手动压力泵；15为烧杯；16为反应器；17为样品管；18为分离器；19为放空管路；20为取样瓶；21为油浴加热装置。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1，本发明的用于模拟页岩气藏CO₂干法压裂流固耦合的高参数实验系统，包括用于制备和输送CO₂干法压裂液的加压供液单元，用于循环CO₂干法压裂液的循环流动单元以及用于模拟液态/超临界CO₂与页岩的相互作用的耦合反应单元；

所述加压供液单元，包括液体二氧化碳储罐1、氮气瓶2、高压柱塞泵3、安全阀4、三通5、预热器6、加热器7、恒流泵8、储液罐9及回压阀10；液体二氧化碳储罐1的进液端与氮气瓶2的出口相连，液体二氧化碳储罐1的出液端与高压柱塞泵3的进液端相连，高压柱塞泵3出液端连接有安全阀4，储液罐9的出液端与恒流泵8的进液端相连，恒流泵8的出液端与高压柱塞泵3的出液端通过三通5均连接至预热器6的入口，预热器6的出口与加热器7的入口相连，加热器7的出口分别与回压阀10的入口和循环流动单元管路相连，回压阀10的出口与放空管路19相连；

所述循环流动单元，包括缓冲罐11和循环泵12；缓冲罐11的出液端与循环泵12的进液端相连，循环泵12的出液端与反应器16相连；缓冲罐11的进液端与反应器16相连；

所述耦合反应单元，包括中间容器13、手动压力泵14、烧杯15、反应器16、样品管17、分离器18、放空管路19、取样瓶20及油浴加热装置21，手动压力泵14的进液端与烧杯15相连，手动压力泵14的出液端与中间容器13的进液端相连，中间容器13的出液端与反应器16相连，样品管17置于反应器中，反应器16的底部出口与分离器18的入口相连，分离器18的出口端分别连接至放空管路19和取样瓶20，油浴加热装置21以油套方式和反应器16相连。

本发明的实验系统的加压供液单元主要实现CO₂干法压裂液的制备和泵送；循环流动单元和耦合反应单元主要实现静态和动态剪切条件下的液态/超临界CO₂、水与页岩的耦合作用，动态测试主要由循环泵提供动力，实验系统的压力范围为0-50MPa，温度范围为室温-180℃。

本发明的系统在使用时：

加压供液单元主要为流固耦合反应提供CO₂干法压裂液，具体的实现方式如下所述：高压柱塞泵3和恒压泵8分别将液态CO₂和增粘剂泵入实验管路并经过三通5混合均匀后，进入预热器6，然后进入加热器7，加热功率可调，系统的压力由回压阀10调节，CO₂干法压裂液在被加热到所需的温度后，将其充满反应器16及循环流动管路进行流固耦合实验。

此实验系统能够模拟动态、静态流固耦合过程。

动态测试具体实现方式如下：

当CO₂干法压裂液充满反应器16及循环流动管路后，采用循环泵12模拟注入CO₂过程中CO₂在地层中的剪切流动，循环泵12的流量可以实现精确控制，设置相应的流量，使干法压裂液在循环管路中以一定的剪切速率进行剪切，CO₂干法压裂液循环流动经过反应器16，保证页岩岩样和水充分暴露在CO₂干法压裂液中，使CO₂干法压裂液循环剪切通过反应器16中的样品，循环管路外层包裹保温材料，防止热量散失，同时开启油浴加热装置21，保证在实验温度下进行耦合实验。

静态测试实现方式如下：

无需开启循环流动单元，只给反应器16充填CO₂干法压裂液，当达到实验压力后，封闭反应器16，模拟注入CO₂后焖井的过程，使CO₂与水、页岩在静态条件下发生耦合反应，并打开油浴加热装置21，实时观测反应器16温度和压力，当温压发生变化时，进行相应调整，在实验结束后，从反应器16下部取水样，并打开反应器16取出岩样，进行相应的分析测试。

特别地，本发明的循环流动单元和耦合反应单元可实现动态、静态及动静态流固耦合反应过程，主要由循环泵12、缓冲罐11及相应的管路阀门组合实现：

在动态耦合实验时，开启循环流动单元；

在静态耦合实验时，只需给反应器16充液；

在动静态耦合实验时，先开启循环流动单元进行动态实验，当循环一定时间后，关闭循环系统，封闭反应器16进行静态实验。

此外，反应器16下部装有气液分离器18，可实现反应器16中的气液混合物高效分离。

本发明的操作步骤是：

(1)实验材料的准备

实验材料包括：纯液态CO₂(装满液态CO₂储罐)，氮气1瓶(纯度为99％)，纯水，增粘剂等添加剂，煤油，天然页岩岩心或人造岩心。将岩心破碎至30目以下，并采用筛分法将样品一分为二，一份用于原样测试，一份用于CO₂与页岩流固耦合反应，将岩样装入样品管17后置入反应器16中，给手动压力泵14吸满煤油，给中间容器13中加满纯水，并使用手动压力泵14将纯水压入反应器16中。

(2)实验管路连接

实验前，首先将二氧化碳储罐1和氮气瓶2放置在合适的位置，并通过管路连接氮气瓶2出口和二氧化碳储罐1入口，连接压力变送器、压力表、热电偶等仪表，在实验前，确保回阀处于半开的状态，保证排空管线畅通，将恒流泵8的吸入端管线置入储液罐9中的液面以下。

(3)CO₂干法压裂液的制备和泵送

打开二氧化碳储罐1的出口阀门，同时开启高压柱塞泵3，调整到合适流量并打开排空阀放空，冷却管线结束后，关闭排空阀并打开恒流泵8，设置相应的流量值，开启预热器6和加热器7，将CO₂干法压裂液加热到实验温度，调节回压阀10直到管路压力达到实验压力，在二氧化碳储罐1的压力降低到一定程度时，打开氮气瓶2，给二氧化碳储罐1加压，打开循环流动单元管路相应阀门，使CO₂干法压裂液进入缓冲罐11、循环流动管路及反应器16，当压力稳定后，关闭循环流动单元管路入口阀门，并关闭高压柱塞泵3、恒流泵8、二氧化碳储罐1的出口阀门、预热器6及加热器7，打开回压阀10放空加压供液管路。

(4)CO₂干法压裂液的循环流动及动态耦合反应测试

打开循环泵12，设置合适流量，使CO₂干法压裂液在循环流动单元中以一定的剪切速率流动，打开油浴加热装置21，实时监测循环管路的温度和压力，若压力降低，开启加压供液单元，给循环管路充液加压，循环过程结束后，关闭循环泵12和油浴加热装置21，打开反应器16底部阀门，气液混合物经过分离器18后，水样进入取样瓶20，气体经放空管路19排出，当反应器16压力降为0时，打开反应器16，取出样品管17，将岩样取出，对水样和岩样进行元素分析，对岩样进行孔隙结构、力学性能、吸附等分析。

(5)静态耦合反应测试

进行静态耦合实验时，将CO₂干法压裂液直接充填进反应器16，循环管路、缓冲罐11不用充液，当充液完成并达到实验压力后，关闭反应器16入口阀门，使岩样、水和CO₂在反应器16内进行耦合反应，反应结束后，关闭油浴加热装置21，其后的步骤和动态测试相同。

(6)动静态耦合反应测试

当动态耦合测试的循环过程结束后，关闭循环泵12，并关闭反应器16的进出口阀门，打开缓冲罐11上部的排空阀给循环流动单元管路放空，然后进行静态耦合测试。

Claims (8)

1.一种用于模拟页岩气藏二氧化碳干法压裂流固耦合的高参数实验系统，其特征在于，包括用于模拟液态/超临界CO₂与页岩的相互作用的耦合反应单元，以及用于循环CO₂干法压裂液的循环流动单元；

所述耦合反应单元，包括中间容器(13)、手动压力泵(14)、反应器(16)、样品管(17)及油浴加热装置(21)，手动压力泵(14)的出液端与中间容器(13)的进液端相连，中间容器(13)的出液端与反应器(16)相连，样品管(17)置于反应器中(16)，油浴加热装置(21)以油套方式和反应器(16)相连；

所述循环流动单元包括缓冲罐(11)和循环泵(12)；缓冲罐(11)的出液端与循环泵(12)的进液端相连，循环泵(12)的出液端与反应器(16)相连；缓冲罐(11)的进液端与反应器(16)相连；

还包括与循环流动单元的进液管路相连的加压供液单元，加压供液单元用于制备和输送CO₂干法压裂液。

2.根据权利要求1所述的用于模拟页岩气藏二氧化碳干法压裂流固耦合的高参数实验系统，其特征在于，手动压力泵(14)的顶部还设有用于盛装煤油的烧杯(15)，手动压力泵(14)的进液端与烧杯(15)相连。

3.根据权利要求1所述的用于模拟页岩气藏二氧化碳干法压裂流固耦合的高参数实验系统，其特征在于，反应器(16)的底部还设有分离器(18)，反应器(16)的底部出口与分离器(18)的入口相连，分离器(18)的出口端分别连接有放空管路(19)和取样瓶(20)。

4.根据权利要求3所述的用于模拟页岩气藏二氧化碳干法压裂流固耦合的高参数实验系统，其特征在于，所述加压供液单元包括液体二氧化碳储罐(1)、氮气瓶(2)、高压柱塞泵(3)、预热器(6)、加热器(7)、恒流泵(8)、储液罐(9)及回压阀(10)；

液体二氧化碳储罐(1)的进液端与氮气瓶(2)的出口相连，液体二氧化碳储罐(1)的出液端与高压柱塞泵(3)的进液端相连，高压柱塞泵(3)出液端连接有安全阀(4)，储液罐(9)的出液端与恒流泵(8)的进液端相连，恒流泵(8)的出液端与高压柱塞泵(3)的出液端通过三通(5)均连接至预热器(6)的入口，预热器(6)的出口与加热器(7)的入口相连，加热器(7)的出口分别与回压阀(10)的入口和循环流动单元的进液管路相连，回压阀(10)的出口与放空管路(19)相连。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的用于模拟页岩气藏二氧化碳干法压裂流固耦合的高参数实验系统，其特征在于，该实验系统的压力范围为0～50MPa，温度范围为室温～180℃。

6.根据权利要求1～4中任意一项所述的用于模拟页岩气藏二氧化碳干法压裂流固耦合的高参数实验系统，其特征在于，该实验系统能够模拟动态流固耦合反应过程、静态流固耦合反应过程及动静态流固耦合反应过程。

7.根据权利要求6所述的用于模拟页岩气藏二氧化碳干法压裂流固耦合的高参数实验系统，其特征在于，当该实验系统模拟动态流固耦合反应过程时，开启循环流动单元进行动态实验；

当该实验系统模拟静态流固耦合反应过程时，关闭循环流动单元，给反应器(16)充液，封闭反应器(16)进行静态实验；

当该实验系统模拟动静态流固耦合反应过程时，先开启循环流动单元进行动态实验，当循环一定时间后，关闭循环流动单元，给反应器(16)充液，封闭反应器(16)进行静态实验。

8.基于权利要求1～7中任意一项所述的实验系统模拟测试实际工况条件下液态/超临界CO₂与页岩的耦合反应的方法，其特征在于：

动态测试方法如下：

当制备好的CO₂干法压裂液充满反应器(16)及循环流动管路后，开启循环流动单元，采用循环泵(12)模拟注入CO₂过程中CO₂在地层中的剪切流动，循环泵(12)的流量能够实现精确控制；设置相应的流量，使CO₂干法压裂液在循环管路中以一定的剪切速率进行剪切，CO₂干法压裂液循环流动经过反应器(16)，能够保证页岩岩样和水充分暴露在CO₂干法压裂液中，使CO₂干法压裂液循环剪切通过反应器(16)中的样品，同时开启油浴加热装置(21)，保证在实验温度下进行耦合实验；

静态测试方法如下：

无需开启循环流动单元，给反应器(16)充填CO₂干法压裂液，当达到实验压力后，封闭反应器(16)，模拟注入CO₂后焖井的过程，使CO₂与水、页岩在静态条件下发生耦合反应，并打开油浴加热装置(21)，实时观测反应器(16)温度和压力，当温压发生变化时，进行相应调整，在实验结束后，从反应器(16)下部取水样，并打开反应器(16)取出岩样，进行相应的分析测试；

动静态测试方法如下：

先开启循环流动单元按上述动态测试进行方法动态实验，然后关闭循环流动单元，给反应器(16)充液，封闭反应器(16)，然后按照上述静态测试方法进行静态实验。