CN109270165A - 页岩介质结构变化流固耦合作用在线检测实验装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种页岩介质结构变化流固耦合作用在线检测实验装置和方法，属于页岩气勘探技术领域。该装置包括岩心夹持系统、声发射检测系统、流体注入系统、数据采集系统及出液计量系统，具体包括高压注入泵、水力增压器、高压阀门、高压水中间容器、压力水调节阀、高精度柱塞驱替泵、液体定量分离器、岩芯夹持器、声发射探头、声发射检测仪、回压阀和回压泵。该方法首先测定页岩岩芯的渗透率，再进行水力压裂，同时利用声发射检测系统实时计算压裂液在压裂过程中的渗透率；得出页岩压裂过程中流体流场与固体应力场之间关系；本发明可以准确的测定压裂过程中压裂液在微裂缝中渗流规律，操作简单，对于页岩气的勘探开发有着重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及页岩气勘探技术领域，特别是指一种页岩介质结构变化流固耦合作用在线检测实验装置和方法。
背景技术
水平井分段压裂技术是页岩气高效开采的关键技术，大规模改造形成体积压裂。压裂技术的实质是通过注入流体改变地下储层应力，使页岩中产生人工裂缝，进而改善页岩气储层的渗透能力。流体在岩体中渗流的过程中，流体与岩体之间存在着十分复杂的相互作用。一方面岩体应力的变化改变地下水渗流的特性，另一方面渗流特性的变化又进一步改造岩体的应力场，岩体与渗流之间这种相互联系相互制约的关系被称为流固耦合效应，有效应力系数是评价流固耦合作用的重要参数。页岩气的开采过程中，随着地层压力下降，岩石物性参数会随之变化，从而影响气体的产能，因此，研究页岩介质结构变化储层流固耦合作用对流体流动的影响具有重要意义。
在页岩气藏开采过程中，地层压力逐渐下降，作用在岩石颗粒上的有效应力增加，这种效应有可能产生岩石形变，产生应力敏感，使得岩石物性参数孔隙度、渗透率减小，从而影响到气井产能。基于页岩储层的特殊性，使用常规实验测试方法进行页岩物性分析时面临一定的问题，实验效率较低或实验结果误差较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种页岩介质结构变化流固耦合作用在线检测实验装置和方法。
该实验装置包括岩芯夹持系统、声发射检测系统、流体注入系统、数据采集系统以及出液计量系统，岩芯夹持系统包括岩芯夹持器和外部连接传力板，声发射检测系统包括应变片检测仪和声发射检测仪，应变片检测仪的应力片设置在岩芯的外壁上，流体注入系统包括高压水、水力增压器、高压水中间容器、注入泵、高压阀门和压力水调节阀，出液计量系统包括回压泵、回压阀和液体定量分离器，注入泵连接水力增压器，水力增压器与高压水中间容器之间设置高压阀门，压力水调节阀控制高压水中间容器中的高压水进入岩芯夹持器，高精度柱塞驱替泵连接岩芯夹持器进行围压加载，岩芯夹持系统出口通过回压阀与回压泵相连，液体定量分离器连接在回压阀上，数据采集系统对声发射检测系统以及出液计量系统的数据进行采集。
其中，岩芯夹持系统能够在前、后、左、右四个方向轴向加载独立加压，四个方向最大载荷为50Mpa。
岩芯夹持器为圆柱型，内径为100mm×200mm，注入口位于岩芯夹持器左侧中心。
声发射检测仪连接八支声发射探头，声发射探头工作频率为10～60kHz，中心频率为35kHz，声发射探头设置在岩芯上下两端，声发射探头安装在岩芯夹持器的金属堵头凹式结构中，既能承受高压又配合紧密不影响声波的检测，金属堵头凹式结构的内表面通过激光打孔，加工出环形槽，保证高压水从声波探头周围进入岩芯。将八支声发射探头连接相应的放大器以提高监测效果，声发射探头与岩芯通过耦合剂黏结，以便有效监测内部裂缝起裂信息。
回压阀控制岩芯夹持系统出口压力，回压阀使用美国公司生产的BP-100空气弹簧回压阀。
压裂用水通过水力增压器增压后成为高压水，经过高压管线进入岩芯进行水力压裂，通过压力水调节阀控制高压水恒压或恒速流动。
通过岩芯渗流过出来的高压水通过岩芯夹持系统的出液口，经回压阀流入液体定量分离器，并且测量出岩芯渗流通过的气体流量；回压阀设置在岩芯夹持系统的出液口和液体定量分离器之间，回压泵将驱替水泵入到回压阀的胶垫腔中，通过胶垫作用到通过回压阀的气体上，通过回压泵与回压阀的作用保持岩芯夹持器出气口处的回压与围压的压力数值相一致。
采用该页岩介质结构变化流固耦合作用在线检测实验装置进行检测的方法，是对岩芯夹持系统中的页岩岩芯在压裂过程中裂缝扩展程度以及裂缝形态进行检测；测定压裂液在变化裂缝中的渗透率；将测得页岩裂缝扩展情况和压裂液在裂缝中的渗透曲线进行耦合，得出页岩压裂过程中流体流场与固体应力场之间关系。具体包括步骤如下：
(一)连接实验装置仪器管线，检查管线气体的密闭性；
(二)把现场采集页岩经切割后形成100mm×200mm圆柱形压裂岩芯放入岩芯夹持器，加有效围压至30MPa；
(三)启动水力增压器和声发射检测仪，通过数据采集系统记录数据；
(四)采用自来水作为压裂液，利用恒压法测定渗流规律，在恒定压力下通入高压水，在出口端测量高压水的流速，直到流速稳定为止，记录稳定的流量以及对应的压力；
(五)将压力依次提高一倍注入，重复步骤(三)，直至测定完成所有设定的压力点，结束实验；
(六)用不同类型的页岩岩芯重复以上过程，直到测定完所有岩芯的渗流规律曲线，分析裂缝的宽度和长度对气体渗流的影响；
(七)打开气体中间容器及气体中间容器的阀门，按照0.1MPa的压力梯度增加岩芯夹持器的进气口压力值，并随着进气口压力变化调节围压压力和回压压力；每次进气口压力增加0.1MPa，都需要等待气体稳定渗流，等待时间为半个小时，直到进气口压力值不再变化，再通过皂泡流量计记录当前压力状态下单位时间内的气体流量；
(八)停止流体注入系统和声发射检测系统，将岩芯夹持器进出口压力平稳卸载至0。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明通过流-固耦合物理模拟实验，模拟水力压裂过程中页岩基质及裂缝形态变化规律，以及对渗流场(流量、渗透率)变化规律，对直接了解压裂过程中页岩渗透率的变化具有重要意义；此外，本发明的实验装置可以实时监测流体渗流过程中岩心裂缝-微裂缝的扩展以及结构变化。
附图说明
图1为本发明的页岩介质结构变化流固耦合作用在线检测实验装置结构示意图；
图2为本发明实施例中不同压力水压裂过程岩芯渗透率对比。
其中：1-注入泵；2-水力增压器；3-高压阀门；4-高压水中间容器；5-压力水调节阀；6-高精度柱塞驱替泵；7-液体定量分离器；8-岩芯夹持器；9-声发射探头；10-声发射检测仪；11-回压阀；12-回压泵；13-皂泡流量计；14-气体中间容器。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种页岩介质结构变化流固耦合作用在线检测实验装置和方法。
如图1所示，该装置包括岩芯夹持系统、声发射检测系统、流体注入系统、数据采集系统以及出液计量系统，岩芯夹持系统包括岩芯夹持器8和外部连接传力板，声发射检测系统包括应变片检测仪和声发射检测仪10，应变片检测仪的应力片设置在岩芯的外壁上，流体注入系统包括高压水、水力增压器2、高压水中间容器4、注入泵1、高压阀门3和压力水调节阀5，出液计量系统包括回压泵12、回压阀11和液体定量分离器7，注入泵1连接水力增压器2，水力增压器2与高压水中间容器4之间设置高压阀门3，压力水调节阀5控制高压水中间容器4中的高压水进入岩芯夹持器8，高精度柱塞驱替泵6连接岩芯夹持器8进行围压加载，岩芯夹持系统出口通过回压阀11与回压泵12相连，液体定量分离器7连接在回压阀11上，数据采集系统对声发射检测系统以及出液计量系统的数据进行采集。
其中，岩芯夹持器8为圆柱型，内径为100mm×200mm，注入口位于岩芯夹持器8左侧中心；声发射检测仪10连接八支声发射探头9，声发射探头9工作频率为10～60kHz，中心频率为35kHz，声发射探头9设置在岩芯上下两端，声发射探头9安装在岩芯夹持器8的金属堵头凹式结构中，金属堵头凹式结构的内表面通过激光打孔，加工出环形槽。
该装置的具体使用实施例如下：
实施例1：
使用上述试验装置测量水力压裂过程中裂缝扩展程度的方法如下：
第一步：将切割后圆柱形页岩岩芯在烘箱恒温70℃下烘干50h，测定长度、直径、重量及孔隙度、渗透率等基础数据；
第二步：打开岩芯夹持系统，将页岩岩芯装入岩芯夹持器中，利用围压泵加载围压至2MPa以上，设定回压1MPa；
第三步：先测定页岩岩芯渗透能力，调节进口高压水压力达到0.2MPa，用出口定量分液器测量当前压力下单位时间内的流体流量；
第四步：打开声发射检测系统，用以检测岩芯内部裂缝变化；
第五步：采用自来水作为压裂液，通过入口泵调节高压水压力为2MPa并向岩芯内部注入压裂液，并观察声发射检测仪的显示器所得到的累计曲线，判定岩芯开裂程度；
第六步：增大入口高压水压力的同时通过围压泵增加围压压力，使围压压力高于高压水1-2MPa；
第七步：压裂过程中同时记录出口液体流量数据，计算实时岩芯渗透率；
第八步：重复步骤4-6，测定不同压力水压裂过程中页岩岩芯压裂缝扩展程度；
第九步：关闭试验装置，将未进行人工压裂裂缝的岩芯压裂过程中渗透率绘制成压裂液注入体积-渗透率曲线。从图2曲线中可以看出，随着压裂水注入体积越多，渗透率越大，说明岩芯中裂缝扩展程度逐渐增大；此外，压裂水压力越高人造裂缝扩展速度越快。
实施例2：
利用上述实验装置，测量以不同压力梯度降压开采页岩气渗流过程中岩心渗透率变化及岩样内部裂纹/微裂缝的扩展程度，具体方法如下：
第一步：将切割后圆柱形页岩岩芯在烘箱恒温70℃下烘干50h，测定长度、直径、重量及孔隙度、渗透率等基础数据；
第二步：打开岩芯夹持系统，将页岩岩芯装入岩芯夹持器中，利用围压泵加载围压至2MPa以上，设定回压1MPa；
第三步：打开进气口压力阀门调节进口高压气压力达到10MPa，增压过程中同时增大围压高于进口压力1-2MPa，回压低于进口压力0.5-2.5MPa，用出口定量分液器测量当前压力下单位时间内的流体流量；
第四步：打开声发射检测系统，观察声发射检测仪的显示器所得到的累计曲线用以检测岩芯内部裂缝变化；
第五步：打开岩心夹持系统出口压力阀门，以0.5MPa/m压力梯度进行页岩气渗流实验，计算实时岩芯渗透率；
第六步：重复步骤1-5，测定不同压力梯度页岩气渗流过程中岩心渗透率变化及页岩岩芯压裂缝扩展程度；
第七步：关闭试验装置，将不同压力梯度下页岩气渗透率及声发射能量数绘制成曲线。可以看出，在页岩气渗流过程中的大多数时间内，声发射活动能量数保持较小水平，声发射活动相对平静。在渗流过程中岩样内部发生了微裂缝的扩展，以及微裂缝之间发生的相对滑移和岩石颗粒间摩擦，导致能量数有较小规模变动但没有明显能量数峰值。渗透率在较小范围内有小幅升高。本发明验证了声发射信号、渗透率与应力–应变曲线的相关性，即页岩气降压渗流过程中导致渗透率、声发射活动的变化的一些内在联系。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种页岩介质结构变化流固耦合作用在线检测实验装置，其特征在于：包括岩芯夹持系统、声发射检测系统、流体注入系统、数据采集系统以及出液计量系统，岩芯夹持系统包括岩芯夹持器(8)和外部连接传力板，声发射检测系统包括应变片检测仪和声发射检测仪(10)，应变片检测仪的应力片设置在岩芯的外壁上，流体注入系统包括高压水、水力增压器(2)、高压水中间容器(4)、注入泵(1)、高压阀门(3)和压力水调节阀(5)，出液计量系统包括回压泵(12)、回压阀(11)和液体定量分离器(7)，注入泵(1)连接水力增压器(2)，水力增压器(2)与高压水中间容器(4)之间设置高压阀门(3)，压力水调节阀(5)控制高压水中间容器(4)中的高压水进入岩芯夹持器(8)，高精度柱塞驱替泵(6)连接岩芯夹持器(8)进行围压加载，气体中间容器(14)通过阀门连接岩芯夹持器(8)，岩芯夹持系统出口通过回压阀(11)与回压泵(12)相连，液体定量分离器(7)连接在回压阀(11)上，液体定量分离器(7)后接皂泡流量计(13)，数据采集系统对声发射检测系统以及出液计量系统的数据进行采集。
2.根据权利要求1所述的页岩介质结构变化流固耦合作用在线检测实验装置，其特征在于：所述岩芯夹持系统能够在前、后、左、右四个方向轴向加载独立加压，四个方向最大载荷为50Mpa。
3.根据权利要求1所述的页岩介质结构变化流固耦合作用在线检测实验装置，其特征在于：所述岩芯夹持器(8)为圆柱型，内径为100mm×200mm，注入口位于岩芯夹持器(8)左侧中心。
4.根据权利要求1所述的页岩介质结构变化流固耦合作用在线检测实验装置，其特征在于：所述声发射检测仪(10)连接八支声发射探头(9)，声发射探头(9)工作频率为10～60kHz，中心频率为35kHz，声发射探头(9)设置在岩芯上下两端，声发射探头(9)安装在岩芯夹持器(8)的金属堵头凹式结构中，金属堵头凹式结构的内表面通过激光打孔，加工出环形槽。
5.根据权利要求4所述的页岩介质结构变化流固耦合作用在线检测实验装置，其特征在于：所述声发射探头(9)与岩芯通过耦合剂黏结。
6.根据权利要求1所述的页岩介质结构变化流固耦合作用在线检测实验装置，其特征在于：所述回压阀(11)控制岩芯夹持系统出口压力。
7.根据权利要求1所述的页岩介质结构变化流固耦合作用在线检测实验装置，其特征在于：通过岩芯渗流过出来的高压水通过岩芯夹持系统的出液口，经回压阀(11)流入液体定量分离器(7)，并且测量出岩芯渗流通过的气体流量；回压阀(11)设置在岩芯夹持系统的出液口和液体定量分离器(7)之间，回压泵(12)将驱替水泵入到回压阀(11)的胶垫腔中，通过胶垫作用到通过回压阀(11)的气体上，通过回压泵(12)与回压阀(11)的作用保持岩芯夹持器(8)出气口处的回压与围压的压力数值相一致。
8.根据权利要求1所述的页岩介质结构变化流固耦合作用在线检测实验装置进行检测的方法，其特征在于：包括步骤如下：
(一)连接实验装置仪器管线，检查管线气体的密闭性；
(二)把现场采集页岩经切割后形成100mm×200mm圆柱形压裂岩芯放入岩芯夹持器(8)，加有效围压至30MPa；
(三)启动水力增压器(2)和声发射检测仪(10)，通过数据采集系统记录数据；
(四)采用自来水作为压裂液，利用恒压法测定渗流规律，在恒定压力下通入高压水，在出口端测量高压水的流速，直到流速稳定为止，记录稳定的流量以及对应的压力；
(五)将压力依次提高一倍注入，重复步骤(三)，直至测定完成所有设定的压力点，结束实验；
(六)用不同类型的页岩岩芯重复以上过程，直到测定完所有岩芯的渗流规律曲线，分析裂缝的宽度和长度对气体渗流的影响；
(七)打开气体中间容器(14)及气体中间容器的阀门，按照0.1MPa的压力梯度增加岩芯夹持器(8)的进气口压力值，并随着进气口压力变化调节围压压力和回压压力；每次进气口压力增加0.1MPa，都需要等待气体稳定渗流，等待时间为半个小时，直到进气口压力值不再变化，再通过皂泡流量计(13)记录当前压力状态下单位时间内的气体流量；
(八)停止流体注入系统和声发射检测系统，将岩芯夹持器(8)进出口压力平稳卸载至0。
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