CN108181201A - 一种通过co2置换开采页岩气的实验方法及实验装置 - Google Patents

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龙运前
刘静
宋付权
许林
黄小荷
王仁
王仁一
殷丹丹
王永政
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N7/00—Analysing materials by measuring the pressure or volume of a gas or vapour
    • G01N7/14—Analysing materials by measuring the pressure or volume of a gas or vapour by allowing the material to emit a gas or vapour, e.g. water vapour, and measuring a pressure or volume difference

Abstract

本发明公开一种通过CO2置换开采页岩气的实验方法及实验装置，所述实验装置包括三轴应力岩心夹持器、地层环境模拟系统、抽真空系统、流体注入系统、流体采集计量系统和数据采集系统；本发明通过将页岩岩样放置于所述三轴应力岩心夹持器并使三轴应力岩心夹持器模拟地层环境，通过页岩岩样吸附CH4，利用CO2更易被吸附的特性，置换出CH4，通过采集和记录步骤中的各个参数进而计算出通过CO2置换开采页岩岩样的采收率，改变页岩岩样的渗透率或CH4的注入压力、CO2注入压力的大小，得出页岩岩样在不同的渗透率或CH4的注入压力不同、CO2的注入压力不同的情况下CH4的采收率。

Description

一种通过CO2置换开采页岩气的实验方法及实验装置
技术领域
本发明涉及开采页岩气技术领域，尤其涉及一种通过CO2置换开采页岩气的实验方法及实验装置。
背景技术
页岩气的相关开发技术是中国必须突破的瓶颈。虽然中国具备页岩气开采的关键技术，如水平井钻井技术和大规模水力压裂技术等；但由于页岩气属于非常规低品位天然气，降压解吸产量低、周期长，短期内难以有经济效益。美国开采页岩气中的吸附气都是通过降压解吸开采实现的。降压解吸开采是一种物理解吸作用过程，也是页岩气吸附开采过程中最主要的一种解吸方法。但由于页岩气的强吸附增加了开采的难度。
单纯的降压解吸开采产量低、周期长，很难达到理想的开采效率，因此如何提高页岩气的开采率至关重要。
目前，还没有一种实验方法和实验装置利用分子化置换法，通过注入CO2替换已被页岩吸附的CH4。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种通过CO2置换开采页岩气的实验方法及实验装置。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种通过CO2置换开采页岩气的实验方法，其特征在于，包括步骤：
S1，将页岩岩样放置于三轴应力岩心夹持器中，对三轴应力岩心夹持器加压至预设压力，加热页岩岩样并使其保持恒定温度；抽去三轴应力岩心夹持器中的空气，使三轴应力岩心夹持器中的真空度达到预设值；
S2，往三轴应力岩心夹持器中恒压注入CH4，使页岩岩样吸附CH4；往三轴应力岩心夹持器中恒压注入CO2，利用CO2置换被页岩岩样吸附的CH4；
S3，通过流体采集计量测量系统测量三轴应力岩心夹持器中CO2和CH4的混合气体的质量并过滤所述混合气体，吸收所述混合气体中的CO2，并测量出混合气体中CH4的质量；
S4，采集并记录步骤S1至S3中的各个参数进而计算出采收率；
S5，改变页岩岩样的渗透率或改变CH4的注入压力、CO2注入压力的大小，重复步骤S1至S4。
优选的，步骤S1中，对三轴应力岩心夹持器加压至预设压力时，在三轴应力岩心夹持器中的轴压腔、围压腔交替加压至预设压力。
优选的，步骤S2中，恒压往三轴应力岩心夹持器中注入CH4时，所述三轴应力岩心夹持器的回压压力为大气压，排出CH4，测量出排出CH4的质量并计算遗留在三轴应力岩心夹持器中CH4的质量，保持三轴应力岩心夹持器中温度恒定，以促进页岩岩样吸附CH4。
优选的，步骤S2中，在往三轴应力岩心夹持器中恒压注入CO2之前，降低三轴应力岩心夹持器的回压压力，使得页岩岩样解吸CH4。
优选的，步骤S4中的各个参数包括三轴应力岩心夹持器围压腔、轴压腔中的压力和温度，CH4、CO2的注入压力、页岩岩样的温度、分别测得的CH4、CO2注入三轴应力岩心夹持器中的质量和通过流体采集计量测得的CO2和CH4的混合气体的质量。
一种通过CO2置换开采页岩气的实验装置，其特征在于，包括：
三轴应力岩心夹持器，用于放置页岩岩样；
地层环境模拟系统，用于控制三轴应力岩心夹持器中的环境以模拟页岩岩样处于地层环境；
抽真空系统，用于抽去三轴应力岩心夹持器中的气体；
流体注入系统，用于往三轴应力岩心夹持器注入CO2、CH4；
流体采集计量系统，用于测量从三轴应力岩心夹持器中排出的CO2和/或CH4的质量；
数据采集系统，用于收集并记录三轴应力岩心夹持器中、地层环境模拟系统、流体注入系统和流体采集计量系统中的各个参数。
优选的，所述三轴应力岩心夹持器包括夹持器筒体、橡胶套、前端堵头、后端堵头和后端密封帽；所述橡胶套设置于所述夹持器筒体中，所述夹持器筒体和橡胶套之间具有围压腔，所述前端堵头封堵橡胶套的前端，所述后端堵头可滑动插装于橡胶套的后端；所述密封帽与所述后端堵头相连，所述密封帽与所述后端堵头之间具有轴压腔，所述橡胶套具有放置页岩岩样的放置腔。
优选的，所述地层环境模拟系统包括调节三轴应力岩心夹持器的回压压力的回压加载泵、调节三轴应力岩心夹持器中轴压腔中压力的轴压加载泵、加热CO2、CH4的气体加热装置和使三轴应力岩心夹持器中处于恒温状态的恒温箱。
优选的，所述流体注入系统包括为三轴应力岩心夹持器供CO2的CO2气瓶和用于储存待注入三轴应力岩心夹持器中的CO2或CH4的气体缓冲罐；所述流体注入系统具有用于分别调节CO2气瓶、CH4气瓶的注入压力的调压阀；
所述流体采集计量系统包括用于测量系统三轴应力岩心夹持器中CO2和CH4的混合气体的质量的气体质量流量计和天平；所述天平用于称量气体缓冲罐中CO2或CH4的质量。
优选的，所述数据采集系统包括计算机、压力传感器和温度传感器；所述计算机采集压力传感器、温度传感器和天平测得的参数，所述计算机还用于采集流体采集计量系统测得的CO2和CH4的混合气体的质量。
本发明通过将页岩岩样放置于所述三轴应力岩心夹持器并使三轴应力岩心夹持器模拟地层环境，通过页岩岩样吸附CH4，利用CO2更易被吸附的特性，置换出CH4，通过采集和记录步骤中的各个参数进而计算出通过CO2置换开采页岩岩样的采收率，改变页岩岩样的渗透率或CH4的注入压力、CO2注入压力的大小，得出页岩岩样在不同的渗透率或CH4的注入压力不同、CO2的注入压力不同的情况下CH4的采收率。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明一种通过CO2置换开采页岩气的实验装置的结构示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
请参照图1-图2，本发明一种通过CO2置换开采页岩气的实验方法及实验装置；所述实验方法包括步骤：
S1，将页岩岩样放置于三轴应力岩心夹持器8中，对三轴应力岩心夹持器8加压至预设压力，加热页岩岩样并使其保持恒定温度；抽去三轴应力岩心夹持器8中的空气，使三轴应力岩心夹持器8中的真空度达到预设值；具体的说，将页岩岩样放置到三轴应力岩心夹持器8中，对三轴应力岩心夹持器8加压、加热页岩岩样均是让三轴应力岩心夹持器8模拟地层环境；为让页岩岩样保持恒温，在本次实施例中，所述三轴应力岩心夹持器8处于恒温箱中，加热恒温箱，让页岩岩样恒温保持在60℃。
S2，往三轴应力岩心夹持器8中恒压注入CH4，使页岩岩样吸附CH4；往三轴应力岩心夹持器8中恒压注入CO2，利用CO2置换被页岩岩样吸附的CH4；页岩气的主要成分是CH4，通过往三轴应力岩心夹持器8中注入CH4，通过让页岩岩样吸附CH4模拟页岩吸附有页岩气。
S3，通过流体采集计量测量系统三轴应力岩心夹持器8中CO2和CH4的混合气体的质量并过滤所述混合气体，吸收所述混合气体中的CO2，并测量出混合气体中CH4的质量；
S4，采集并记录步骤S1至S3中的各个参数进而计算出采收率；
S5，改变页岩岩样的渗透率或改变CH4的注入压力、CO2注入压力的大小，重复步骤S1至S4；
在步骤S5中，采用控制变量的方法，一一实验得出在改变页岩岩样的渗透率或改变CH4的注入压力、CO2注入压力的大小时的CH4的采收率的情况。
页岩岩样渗透率为0.002mD时，CH4产出效率为35.62％，CO2的储存效率为21.38％。
页岩岩样渗透率为0.008mD时，CH4产出效率为48.28％，CO2的储存效率为20.87％。
通过将页岩岩样放置于所述三轴应力岩心夹持器8并使三轴应力岩心夹持器8模拟地层环境，通过页岩岩样吸附CH4，利用CO2更易被吸附的特性，置换出CH4，通过采集和记录步骤中的各个参数进而计算出通过CO2置换开采页岩岩样的采收率，改变页岩岩样的渗透率或CH4的注入压力、CO2注入压力的大小，得出页岩岩样在不同的渗透率或CH4的注入压力不同、CO2的注入压力不同的情况下CH4的采收率。
进一步优选地，步骤S1中，对三轴应力岩心夹持器8加压至预设压力时，在三轴应力岩心夹持器8中的轴压腔、围压腔交替加压至预设压力；在本次实施例中，在轴压腔和围压腔交替加压至20MPa。
进一步优选地，步骤S2中，恒压往三轴应力岩心夹持器8中注入CH4时，所述三轴应力岩心夹持器8的回压压力为大气压，排出CH4，测量出排出CH4的质量并计算遗留在三轴应力岩心夹持器8中CH4的质量，保持三轴应力岩心夹持器8中温度恒定，以促进页岩岩样吸附CH4。在本次实施例中，恒压注入CH4的压力为10MPa，并持续往三轴应力岩心夹持器8注入CH424小时，此时，三轴应力岩心夹持器8的回压压力为大气压。
步骤S2中，在往三轴应力岩心夹持器8中恒压注入CO2之前，降低三轴应力岩心夹持器8的回压压力，使得页岩岩样解吸CH4。
进一步优选地，步骤S4中的各个参数包括三轴应力岩心夹持器8围压腔、轴压腔中的压力和温度，CH4、CO2的注入压力、页岩岩样的温度、分别测得的CH4、CO2注入三轴应力岩心夹持器8中的质量和通过流体采集计量测得的CO2和CH4的混合气体的质量。所述三轴应力岩心夹持器8中的参数用于模拟地层环境。
一种通过CO2置换开采页岩气提高采收率的实验装置，其特征在于，包括：
三轴应力岩心夹持器8，用于放置页岩岩样；
地层环境模拟系统，用于控制三轴应力岩心夹持器8中的环境以模拟页岩岩样处于地层环境；所述地层环境模拟系统为所述三轴应力岩心夹持器8加压、加热、为CO2和CH4加热，使得三轴应力岩心夹持器8模拟地层环境。
抽真空系统，用于抽去三轴应力岩心夹持器8中的气体；在本次实施例中，在抽三轴应力岩心夹持器8中的气体，抽真空系统抽真空8-12h。
流体注入系统，用于往三轴应力岩心夹持器8注入CO2、CH4；控制CO2和CH4注入三轴应力岩心夹持器8，在抽真空系统抽完真空后，通过流体注入系统往三轴应力岩心夹持器8中持续注入CH424h，在将CH4注入三轴应力岩心夹持器8之前，将待注入的CH4压缩进气体缓冲瓶，以便天平16称重，让页岩岩样充分吸附CH4，调节三轴应力岩心夹持器8的回压压力，使回压压力由原来的大气压调节为5MPa，打开三轴应力岩心夹持器8的出口，让页岩岩样降压解吸CH4。
流体采集计量系统，用于测量从三轴应力岩心夹持器8中排出的CO2和/或CH4的质量；打开三轴应力岩心夹持器8的出口，CH4从三轴应力岩心夹持器8中排出，通过流体采集计量系统测量出排出三轴应力岩心夹持器8外的CH4的质量。
在本次实施例中，在页岩岩样降压解吸CH4之后，将CO2的注入压力调节为10MPa，将CO2压缩进气体缓冲瓶中，通过天平16称量待注入CO2的质量。
数据采集系统，用于收集并记录三轴应力岩心夹持器8中、地层环境模拟系统、流体注入系统和流体采集计量系统中的各个参数。所述各个参数包括包括三轴应力岩心夹持器8围压腔、轴压腔中的压力和温度，CH4、CO2的注入压力、页岩岩样的温度、分别测得的CH4、CO2注入三轴应力岩心夹持器8中的质量和通过流体采集计量测得的CO2和CH4的混合气体的质量。所述三轴应力岩心夹持器8中的参数用于模拟地层环境。
一种通过CO2置换开采页岩气的实验装置，其特征在于，包括：
三轴应力岩心夹持器8，用于放置页岩岩样；
地层环境模拟系统，用于控制三轴应力岩心夹持器8中的环境以模拟页岩岩样处于地层环境；
抽真空系统，用于抽去三轴应力岩心夹持器8中的气体；
流体注入系统，用于往三轴应力岩心夹持器8注入CO2、CH4；
流体采集计量系统，用于测量从三轴应力岩心夹持器8中排出的CO2和/或CH4的质量；
数据采集系统，用于收集并记录三轴应力岩心夹持器8中、地层环境模拟系统、流体注入系统和流体采集计量系统中的各个参数。
所述三轴应力岩心夹持器8包括夹持器筒体、橡胶套、前端堵头、后端堵头和后端密封帽；所述橡胶套设置于所述夹持器筒体中，所述夹持器筒体和橡胶套之间具有围压腔，所述前端堵头封堵橡胶套的前端，所述后端堵头可滑动插装于橡胶套的后端；所述密封帽与所述后端堵头相连，所述密封帽与所述后端堵头之间具有轴压腔，所述橡胶套具有放置页岩岩样的放置腔。
所述地层环境模拟系统包括调节三轴应力岩心夹持器8的回压压力的回压加载泵10、调节三轴应力岩心夹持器8中轴压腔中压力的轴压加载泵13、加热CO2、CH4的气体加热装置5和使三轴应力岩心夹持器8中处于恒温状态的恒温箱。
所述流体注入系统包括为三轴应力岩心夹持器8供CO2的CO2气瓶18、为三轴应力岩心夹持器8供CH4的CH4气瓶17和储存待注入三轴应力岩心夹持器8中的CO2或CH4的气体缓冲罐15；所述流体注入系统具有用于分别调节CO2气瓶18、CH4气瓶17的注入压力的调压阀19。
所述流体采集计量系统包括用于测量系统三轴应力岩心夹持器8中CO2和CH4的混合气体的质量的气体质量流量计9和天平16；所述天平16用于称量气体缓冲罐15中CO2或CH4的质量，所述流体采集计量系统包括NaOH溶液11，所述NaOH溶液11吸收掉从三轴应力岩心夹持器8中排出的CO2。
所述数据采集系统包括计算机12、压力传感器7和温度传感器6；所述计算机12采集压力传感器7、温度传感器6和天平16测得的参数，所述计算机12还用于采集流体采集计量系统测得的CO2和CH4的混合气体的质量。
通过所述实验装置做实验的过程，将所述三轴应力岩心夹持器8放置到所述恒温箱中，所述地层环境模拟系统中控制所述三轴应力岩心夹持器8中的内部环境，所述地层环境模拟系统具有回压加载泵10、轴压加载泵13和围压加载泵14、气体加热装置5和恒温箱，所述回压加载泵10调节用于三轴应力岩心夹持器8中的回油压力，所述轴压加载泵13用于调节三轴应力岩心夹持器8中的轴压腔中的气压，所述围压加载泵14用于调节三轴应力岩心夹持器8中围压腔中的气压；所述气体加热装置5用于加热待注入三轴应力岩心夹持器8的气体。
所述流体注入系统中的CO2气瓶18、CH4气瓶17为所述三轴应力岩心夹持器8供气，通过调压阀19调节CO2气瓶18、CH4气瓶17注入三轴应力岩心夹持器8的注入压力。CO2气瓶18、CH4气瓶17上均装有精密压力表4，所述CO2气瓶18、CH4气瓶17还安装有二通开关3。气体缓冲罐15与CO2气瓶18、CH4气瓶17连通，CO2气瓶18或CH4气瓶17中的气体在注入三轴应力岩心夹持器8之前，需先进入气体缓冲罐15，所述气体缓冲罐15下具有称量气体缓冲罐15中气体重量的天平16，气体从所述气体缓冲罐15中注入三轴应力岩心夹持器8中，在注入过程中，通过所述调压阀19调节所述气体的注入压力；所述气体加热装置5可在注入过程中加热所述气体。
抽真空系统具有真空泵1、抽真空干燥罐3和精密压力表4；通过真空泵1抽去三轴应力岩心夹持器8中的气体，所述精密压力表4用于测量正空干燥罐中的气压。
流体采集计量系统通过天平16测量待注入三轴应力岩心夹持器8的CO2、CH4的质量，所述天平16处于所述气体缓冲罐15之下，所述气体质量流量计9测量从三轴应力岩心夹持器8中输出的CH4的质量。
数据采集系统具有多个压力传感器7和多个温度传感器6；压力传感器7用于测量三轴应力岩心夹持器8内围压腔、轴压腔和放置腔的压力，还用于测量CO2、CH4在注入三轴应力岩心夹持器8之前的压力，多个温度传感器6用于检测气体加热装置5的温度和检测三轴应力岩心夹持器8中的温度。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种通过CO2置换开采页岩气的实验方法，其特征在于，包括步骤：
S1，将页岩岩样放置于三轴应力岩心夹持器中，对三轴应力岩心夹持器加压至预设压力，加热页岩岩样并使其保持恒定温度；抽去三轴应力岩心夹持器中的空气，使三轴应力岩心夹持器中的真空度达到预设值；
S2，往三轴应力岩心夹持器中恒压注入CH4，使页岩岩样吸附CH4；往三轴应力岩心夹持器中恒压注入CO2，利用CO2置换被页岩岩样吸附的CH4；
S3，通过流体采集计量测量系统测量三轴应力岩心夹持器中CO2和CH4的混合气体的质量并过滤所述混合气体，吸收所述混合气体中的CO2，并测量出混合气体中CH4的质量；
S4，采集并记录步骤S1至S3中的各个参数进而计算出采收率；
S5，改变页岩岩样的渗透率或改变CH4的注入压力、CO2注入压力的大小，重复步骤S1至S4。
2.根据权利要求1所述的一种通过CO2置换开采页岩气的实验方法，其特征在于：步骤S1中，对三轴应力岩心夹持器加压至预设压力时，在三轴应力岩心夹持器中的轴压腔、围压腔交替加压至预设压力。
3.根据权利要求1所述的一种通过CO2置换开采页岩气的实验方法，其特征在于：步骤S2中，恒压往三轴应力岩心夹持器中注入CH4时，所述三轴应力岩心夹持器的回压压力为大气压，排出CH4，测量出排出CH4的质量并计算遗留在三轴应力岩心夹持器中CH4的质量，保持三轴应力岩心夹持器中温度恒定，以促进页岩岩样吸附CH4。
4.根据权利要求3所述的一种通过CO2置换开采页岩气的实验方法，其特征在于：步骤S2中，在往三轴应力岩心夹持器中恒压注入CO2之前，降低三轴应力岩心夹持器的回压压力，使得页岩岩样解吸CH4。
5.根据权利要求2或4所述的一种通过CO2置换开采页岩气的实验方法，其特征在于：步骤S4中的各个参数包括三轴应力岩心夹持器围压腔、轴压腔中的压力和温度，CH4、CO2的注入压力、页岩岩样的温度、分别测得的CH4、CO2注入三轴应力岩心夹持器中的质量和通过流体采集计量测得的CO2和CH4的混合气体的质量。
6.一种通过CO2置换开采页岩气的实验装置，其特征在于，包括：
三轴应力岩心夹持器，用于放置页岩岩样；
地层环境模拟系统，用于控制三轴应力岩心夹持器中的环境以模拟页岩岩样处于地层环境；
抽真空系统，用于抽去三轴应力岩心夹持器中的气体；
流体注入系统，用于往三轴应力岩心夹持器注入CO2、CH4；
流体采集计量系统，用于测量从三轴应力岩心夹持器中排出的CO2和/或CH4的质量；
数据采集系统，用于收集并记录三轴应力岩心夹持器中、地层环境模拟系统、流体注入系统和流体采集计量系统中的各个参数。
7.根据权利要求6所述的一种通过CO2置换开采页岩气的实验装置，其特征在于：所述三轴应力岩心夹持器包括夹持器筒体、橡胶套、前端堵头、后端堵头和后端密封帽；所述橡胶套设置于所述夹持器筒体中，所述夹持器筒体和橡胶套之间具有围压腔，所述前端堵头封堵橡胶套的前端，所述后端堵头可滑动插装于橡胶套的后端；所述密封帽与所述后端堵头相连，所述密封帽与所述后端堵头之间具有轴压腔，所述橡胶套具有放置页岩岩样的放置腔。
8.根据权利要求7所述的一种通过CO2置换开采页岩气的实验装置，其特征在于：所述地层环境模拟系统包括调节三轴应力岩心夹持器的回压压力的回压加载泵、调节三轴应力岩心夹持器中轴压腔中压力的轴压加载泵、加热CO2、CH4的气体加热装置和使三轴应力岩心夹持器中处于恒温状态的恒温箱。
9.根据权利要求8所述的一种通过CO2置换开采页岩气的实验装置，其特征在于：所述流体注入系统包括为三轴应力岩心夹持器供CO2的CO2气瓶和用于储存待注入三轴应力岩心夹持器中的CO2或CH4的气体缓冲罐；所述流体注入系统具有用于分别调节CO2气瓶、CH4气瓶的注入压力的调压阀；
所述流体采集计量系统包括用于测量系统三轴应力岩心夹持器中CO2和CH4的混合气体的质量的气体质量流量计和天平；所述天平用于称量气体缓冲罐中CO2或CH4的质量。
10.根据权利要求9所述的一种通过CO2置换开采页岩气的实验装置，其特征在于：所述数据采集系统包括计算机、压力传感器和温度传感器；所述计算机采集压力传感器、温度传感器和天平测得的参数，所述计算机还用于采集流体采集计量系统测得的CO2和CH4的混合气体的质量。
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