CN109374495A - 一种页岩强制渗吸能力的实验测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种页岩强制渗吸能力的实验测试装置及方法，测试装置主要包括夹持器、压力机、恒温箱、恒速恒压泵、中间容器、恒速恒压泵出口阀、三通、平行层理方向流体入口阀、垂直层理方向流体入口阀，测试方法包括步骤1)岩样加工、2)孔隙度测试、3)试验参数确定、4)压裂液配制、5)试验测试、6)渗析能力计算，本发明能够考虑地层应力、地层温度、流体注入压力、页岩各向异性等多种影响因素下的页岩强制渗吸能力实验测试方法，能够对页岩不同层理方向强制渗吸能力进行定量化表征，能够真实反映并定量测试不同地层条件下的页岩强制渗吸量随时间的变化规律，对认识页岩渗吸规律和对页岩体积压后返排制度优化有很好的指导作用。

Description

一种页岩强制渗吸能力的实验测试装置及方法

技术领域

本发明涉及石油天然气开发领域，尤其是页岩水力压裂过程中一种页岩强制渗吸能力的实验测试装置及方法。

背景技术

目前，页岩气已成为全球非常规能源勘探与开发热点，水平井多级压裂技术是北美实现页岩气革命的关键技术，近年来，国内各大油气田借鉴国外体积改造成功经验，开展了对页岩气的探索与现场试验，取得良好的增产效果。然而，页岩储层压裂过程中压裂液返排率极低，大量压裂液滞留于储层中，但关井一段时间后，产能增加，出现了“低返排、高产量”的现象，引起了业界人士的广泛关注。页岩组分复杂、微观结构特殊，尤其是粘土含量高、粘土孔缝和层理发育,水相吸入对微观结构会产生特殊的影响从而影响页岩气井产能。页岩压裂液低返排率的控制因素主要包括：页岩强制渗吸效应、压裂裂缝中气水两相的不稳定驱替和重力分异、次级裂缝中水相滞留。其中强制渗吸效应是页岩压裂后返排规律不同于常规储层的主要因素。强制渗吸是多孔介质在驱替压力和毛管压力驱动下吸入某种润湿液体的过程。要解释页岩特殊的压后返排现象，首先需要研究的就是页岩强制渗吸机制。因此利用室内实验方法准确测定并量化压裂液在地层条件下的强制渗吸能力对页岩体积压后返排制度优化和提高页岩气井产能尤为重要。研究表明，页岩层理、地层温度、地层应力、注入压力等都对渗吸量有影响，但目前的实验研究并未同时考虑这些因素。目前页岩渗吸能力测试的方法主要有以下几种：

(1)杨柳等(杨柳,葛洪魁,申颍浩.一种评价页岩储层压裂液吸收的新方法[J].科学与技术工程,2016,16(24):48-53)该方法利用实验手段，针对渝东北下寒武统鲁家坪组典型页岩和三种不同的致密储层岩石开展自发渗吸对比实验，采用自吸能力、初期自吸速率和后期自吸速率三参数对压裂液的吸收进行定量表征。该方法通过天平计量页岩自吸后质量随时间的变化，但没有考虑地层温度、地层围压、水力压裂闷井时流体净压力对页岩渗吸的影响。

(2)蒙冕模等(蒙冕模,葛洪魁,纪文明.基于核磁共振技术研究页岩自发渗吸过程[J].特种油气藏,2015,22(5):137-140)该方法基于核磁共振技术并结合页岩自发渗吸实验，研究压裂液在页岩自发渗吸过程中的分布特征。该方法同样是页岩与压裂液自发渗吸，而没有考虑地层条件下页岩强制渗吸规律。

(3)Wang,J.and Rahman,S.S.(Wang,J.and Rahman,S.S.Investigation ofwater leak off considering the component variation and gas entrapment inshale during hydraulic-fracturing stimulation[J].SPE Reservoir Evaluation&Engineering 2016)该方法将页岩孔隙分为粘土孔隙、有机质孔隙和脆性矿物孔隙三种，并建立考虑流体压力、毛管压力、渗透压三种孔隙自吸模型，利用模型计算不同时间下页岩自吸量。该方法考虑了流体压力等因素，但数值求解假设条件较多，模拟结果误差较大，同时没有考虑地层温度和围压等因素对页岩渗吸的影响。

(4)Makhanov,K(Makhanov,K.,Dehghanpour,H.,Kuru,E.An Experimental Studyof Spontaneous Imbibition in Horn River Shales[J].SPE Reservoir Evaluation&Engineering 2012)该方法利用实验的方法，研究了页岩平行层理和垂直层理对页岩自吸能力的影响，研究表明平行层理自吸速率高于垂直层理。该方法同样是页岩与压裂液自发渗吸，而没有考虑地层条件下页岩强制渗吸规律。

上述4种方法都没有综合考虑不同围压、地层温度、流体注入压力、页岩各向异性等因素对页岩渗吸能力的影响，目前尚无方法同时考虑这些因素并定量化表征，因此有必要研究页岩在真实地层条件下渗吸能力的测试方法，为认识页岩与压裂液作用机理和返排制度优化提供理论依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种页岩强制渗吸能力的实验测试装置及方法。

为达上述目的，本发明的一个实施例中提供了一种页岩强制渗吸能力的实验测试装置，其特征在于，测试装置包括夹持器、压力机、恒温箱、恒速恒压泵、中间容器、恒速恒压泵出口阀、三通、平行层理方向流体入口阀、垂直层理方向流体入口阀，其中所述夹持器包括上盖板、下盖板、前盖板、后盖板、侧盖板，其中上盖板、下盖板、前盖板、后盖板与岩样接触面上设有导流槽，盖板边沿设有密封胶圈，上盖板和下盖板上分别设有岩样垂直层理方向流体注入口及岩样垂直层理方向流体出口，前盖板、后盖板上分别设有岩样平行层理方向流体注入口及岩样平行层理方向流体出口，实验时将页岩强制渗吸装置夹持器放置于恒温箱中并利用压力机通过夹持器向岩样加载三向应力。

一种页岩强制渗吸能力的实验测试方法，依次包括以下步骤：

(1)岩样制备：将页岩储层段的井下岩心或同层位露头岩石制成边长为7cm±1mm的立方体岩样，并放置100℃烘箱内干燥至恒重；

(2)页岩物性参数测试：利用孔隙度测定仪以氦气作为工作介质测试步骤(1)中所述干燥后岩样的孔隙度；

(3)根据储层应力、地层温度、水力压裂施工参数确定实验加载条件，其中由表达式(1)～(3)分别确定实验加载三向有效应力，储层温度确定实验温度，实验流体注入压力由表达式(4)确定；

σ'_z＝σ_z-αP_p (1)

σ'_H＝σ_H-αP_p (2)

σ'_h＝σ_h-αP_p (3)

P_inj＝P_ISI-P_p (4)

式中：σ'_z为垂向有效应力，MPa；σ'_H为最大水平有效主应力，MPa；σ'_h为最小水平有效主应力，MPa；σ_z为垂向应力，MPa；σ_H为最大水平主应力，MPa；σ_h为最小水平主应力，MPa；α为有效应力系数，小数；P_inj为实验注入压力，MPa；P_ISI为水力压裂后瞬时关井井底压力，MPa；P_P为地层孔隙压力，MPa；

(4)根据施工现场的压裂液配方配置压裂液，并将压裂液倒入恒速恒压泵的中间容器中；

(5)将步骤(2)中所述孔隙度测试后的页岩岩样放入强制渗吸能力实验测试装置的夹持器中，根据步骤(3)中确定的实验加载应力利用压力机对岩样加载三向应力，并将岩样加热至步骤(3)中确定的实验温度；

(6)根据步骤(3)中确定的注入压力设置恒速恒压泵的泵注压力，并利用恒速恒压泵通过中间容器向页岩强制渗吸能力实验测试装置的夹持器平行层理的入口端注入压裂液，同时通过控制电脑记录不同时间所对应的注入液量，每隔五分钟记录一次，每个时间节点对应的累积流量为页岩在该时间点的强制渗吸量，测试时间为72小时，得到测试时间段对应的页岩平行层理方向强制渗吸量；

(7)重复步骤(1)～(5)，并根据步骤(3)中确定的注入压力设置恒速恒压泵的泵注压力，利用恒速恒压泵向页岩强制渗吸能力实验测试装置的夹持器垂直层理的入口端注入压裂液，同时通过控制电脑记录不同时间所对应的注入液量，每隔五分钟记录一次，每个时间节点对应的累积流量为页岩在该时间点的强制渗吸量，测试时间为72小时，得到测试时间段对应的页岩垂直层理方向强制渗吸量；

(8)根据步骤(6)和(7)实验测试的强制渗吸量随时间的变化曲线，对渗吸量进行归一化处理，即引入渗吸体积与岩样样品孔隙体积的比值R，采用R随时间的平方根的变化曲线表征渗吸实验数据表征岩石的渗吸能力，表达式如下：

式中：R为单位孔隙体积渗吸量即强制渗吸能力，无因次；V_imb为渗吸液体体积，cm³；A_c为渗吸截面积，cm²；t为渗吸时间，s；L为岩样长度，cm；k为强制渗吸系数；为有效孔隙度，％。

综上所述，本发明具有以下优点：

(1)本发明创新的提出了一种考虑地层应力、地层温度、流体注入压力、页岩各向异性等多种影响因素下的页岩强制渗吸能力实验测试方法，能够对页岩不同层理方向强制渗吸能力进行定量化表征。

(2)本发明能够真实反映并定量测试不同地层条件下的页岩强制渗吸量随时间的变化规律，同时结合表达式(5)将渗吸测试数据归一化，处理成单位孔隙体积渗吸量与时间的平方根的关系，能够清楚的表征页岩最大渗吸能力，对认识地层真实条件下页岩渗吸规律和对页岩体积压后返排制度优化有很好的指导作用。

附图说明

图1为本发明页岩立方体岩样示意图。

图2为本发明页岩强制渗吸装置夹持器示意图。

图3为本发明页岩强制渗吸实验装置示意图。

图4为本发明页岩平行层里方向单位孔隙体积强制渗吸量与时间关系曲线图。

图5为本发明页岩垂直层里方向单位孔隙体积强制渗吸量与时间关系曲线图。

其中，1、岩样；2、夹持器；3、压力机3；4、恒温箱；5、恒速恒压泵；6、中间容器；7、恒速恒压泵出口阀；8、三通；9、平行层理方向流体入口阀；10、垂直层理方向流体入口阀10；2-1上盖板、2-2下盖板、2-3前盖板、2-4后盖板、2-5侧盖板、2-6岩样平行层理方向流体注入口、2-7岩样平行层理方向流体出口、2-8岩样垂直层理方向流体注入口、2-9岩样垂直层理方向流体出口、2-10密封胶圈、2-11导流槽。

具体实施方式

本发明提供了一种页岩强制渗吸能力的实验测试装置，其特征在于，测试装置包括夹持器、压力机、恒温箱、恒速恒压泵、中间容器、恒速恒压泵出口阀、三通、平行层理方向流体入口阀、垂直层理方向流体入口阀，其中所述夹持器包括上盖板、下盖板、前盖板、后盖板、侧盖板，其中上盖板、下盖板、前盖板、后盖板与岩样接触面上设有导流槽，盖板边沿设有密封胶圈，上盖板和下盖板上分别设有岩样垂直层理方向流体注入口及岩样垂直层理方向流体出口，前盖板、后盖板上分别设有岩样平行层理方向流体注入口及岩样平行层理方向流体出口，实验时将页岩强制渗吸装置夹持器放置于恒温箱中并利用压力机通过夹持器向岩样加载三向应力。

下面根据附图和实施例进一步说明本发明。

实施例1

下面根据附图和四川地区一口页岩井为实例详细描述本发明的具体实施方式。具体如下：

①、岩样制备：取自Y1井2415～2460m储层段实际井下岩心，并制成边长为7cm±1mm的立方体岩样2块，分别为岩样A和岩样B，将岩样放置于100℃烘箱内干燥至恒重，并根据岩心尺寸计算两块岩样的渗吸面积A_c和长度L分别为49cm²和7cm；

②、页岩物性参数测试：利用孔隙度测定仪以氦气作为工作介质测试步骤①中所述干燥后岩样A平行层理方向的有效孔隙度为6.95％，岩样B垂直层理方向的有效孔隙度为1.55％；

③、Y1井页岩储层温度87℃、地层孔隙压力46MPa，最大水平井主应力52MPa，最小水平主应力40MPa，垂向应力50MPa，瞬时停泵井底压力52MPa，有效应力系数为0.5。利用公式(1)～(3)可确定实验最大水平井有效主应力29MPa，最小水平有效主应力17MPa，垂向有效应力为27MPa，利用公式(4)可确定实验注入流体压力为6MPa；

④、配置施工现场的压裂液，并将压裂液倒入恒速恒压泵的中间容器6中；

⑤、将步骤②中所述孔隙度测试后的页岩岩样A放入页岩强制渗吸能力实验测试装置的夹持器2中，根据步骤③中确定的实验加载应力利用压力机对岩样加载三向应力。其中前后盖板加载最小水平主应力，侧盖板加载最大水平主应力，上下盖板加载垂向应力，并将岩样加热至步骤③中确定的实验温度；

⑥、用管线连接恒速恒压泵5、中间容器6及页岩强制渗吸能力实验测试装置的夹持器2平行层理方向入口端2-6，根据步骤③中确定的注入压力设置恒速恒压泵的泵注压力，并利用恒速恒压泵5通过中间容器6向页岩强制渗吸能力实验测试装置的夹持器入口端2-6注入压裂液，同时通过控制电脑记录不同时间所对应的注入液量，每个五分钟记录一次，每个时间节点对应的累积流量为页岩在该时间点的强制渗吸量，测试时间为72小时；

⑦、测试岩样B的强制渗吸量，重复步骤1～5，用管线连接恒速恒压泵5、中间容器6及页岩强制渗吸能力实验测试装置的夹持器2垂直层理方向入口端2-8，并根据步骤③中确定的注入压力设置恒速恒压泵的泵注压力，利用恒速恒压泵向页岩强制渗吸能力实验测试装置的夹持器入口端2-8注入压裂液，同时通过控制电脑记录不同时间所对应的注入液量，每个五分钟记录一次，每个时间节点对应流量为页岩在该时间点的强制渗吸量，测试时间为72小时；

⑧、根据步骤②测试的页岩孔隙度以及步骤⑥和⑦测试的强制渗吸量随时间的变化曲线，结合式(5)进行计算将页岩强制渗吸量与时间的关系曲线处理为单位孔隙体积渗吸量与时间平方根的关系，如图4及图5所示，并得到岩样A平行层理方向和岩样B垂直层理方向72小时的单位孔隙体积强制渗吸量(即强制渗吸能力)分别为0.8475cm³和0.4486cm³。

以上通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是，本实施例仅是本发明的优选实施例，并非对本发明作任何限制，也并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除。而本领域人员所进行的改动和简单变化不脱离本发明技术思想和范围，则均属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种页岩强制渗吸能力的实验测试装置，其特征在于，测试装置包括夹持器、压力机、恒温箱、恒速恒压泵、中间容器、恒速恒压泵出口阀、三通、平行层理方向流体入口阀、垂直层理方向流体入口阀。

2.如权利要求1所述的一种页岩强制渗吸能力的实验测试装置，其中所述夹持器由上盖板、下盖板、前盖板、后盖板、侧盖板组成。

3.如权利要求1所述的一种页岩强制渗吸能力的实验测试装置，其中所述盖板边沿设有密封胶圈，上盖板和下盖板上分别设有岩样垂直层理方向流体注入口及岩样垂直层理方向流体出口，前盖板、后盖板上分别设有岩样平行层理方向流体注入口及岩样平行层理方向流体出口，实验时将夹持器放置于恒温箱中并利用压力机通过夹持器向岩样加载三向应力。

4.一种页岩强制渗吸能力的实验测试方法，依次包括以下步骤：

(1)岩样制备：将页岩储层段的井下岩心或同层位露头岩石制成立方体岩样，并放置100℃烘箱内干燥至恒重；

(2)页岩物性参数测试：利用孔隙度测定仪以氦气作为工作介质测试步骤(1)中所述干燥后岩样的孔隙度；

(3)根据储层应力、地层温度、水力压裂施工参数确定实验加载条件，其具体确定方法为：由表达式(1)～(3)分别确定实验加载三向有效应力，储层温度即为实验温度，实验流体注入压力由表达式(4)确定；

σ'_z＝σ_z-αP_p (1)

σ'_H＝σ_H-αP_p (2)

σ'_h＝σ_h-αP_p (3)

P_inj＝P_ISI-P_p (4)

式中：σ'_z为垂向有效应力，MPa；σ'_H为最大水平有效主应力，MPa；σ'_h为最小水平有效主应力，MPa；σ_z为垂向应力，MPa；σ_H为最大水平主应力，MPa；σ_h为最小水平主应力，MPa；α为有效应力系数，小数；P_inj为实验注入压力，MPa；P_ISI为水力压裂后瞬时关井井底压力，MPa；P_P为地层孔隙压力，MPa；

(4)根据施工现场的压裂液配方配置压裂液，并将压裂液倒入恒速恒压泵的中间容器中；

(5)将步骤(2)中所述孔隙度测试后的页岩岩样放入强制渗吸能力实验测试装置的夹持器中，根据步骤(3)中确定的实验加载应力利用压力机对岩样加载三向应力，并将岩样加热至步骤(3)中确定的实验温度；

(6)根据步骤(3)中确定的注入压力设置恒速恒压泵的泵注压力，并利用恒速恒压泵通过中间容器向页岩强制渗吸能力实验测试装置的夹持器平行层理的入口端注入压裂液，同时通过控制电脑记录不同时间所对应的注入液量，每隔五分钟记录一次，每个时间节点对应的累积流量为页岩在该时间点的强制渗吸量，测试时间为72小时，即可得到测试时间段对应的页岩平行层理方向强制渗吸量；

(7)重复步骤(1)～(5)，并根据步骤(3)中确定的注入压力设置恒速恒压泵的泵注压力，利用恒速恒压泵向页岩强制渗吸能力实验测试装置的夹持器垂直层理的入口端注入压裂液，同时通过控制电脑记录不同时间所对应的注入液量，每隔五分钟记录一次，每个时间节点对应的累积流量为页岩在该时间点的强制渗吸量，测试时间为72小时，即可得到测试时间段对应的页岩垂直层理方向强制渗吸量；

(8)根据步骤(6)和(7)实验测试的强制渗吸量随时间的变化曲线，对渗吸量进行归一化处理，即引入渗吸体积与岩样样品孔隙体积的比值R，采用R随时间的平方根的变化曲线表征渗吸实验数据表征岩石的渗吸能力，表达式如下：

式中：R为单位孔隙体积渗吸量即强制渗吸能力，无因次；V_imb为渗吸液体体积，cm³；A_c为渗吸截面积，cm²；t为渗吸时间，s；L为岩样长度，cm；k为强制渗吸系数；为有效孔隙度，％。

5.如权利要求4所述的一种页岩强制渗吸能力的实验测试方法，其中所述立方体岩样边长为7cm±1mm。