CN109838218A - 一种模拟多段压裂水平气井闷井后开采的实验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟多段压裂水平气井闷井后开采的实验装置和方法，该实验装置主要由左右端注入装置、岩心夹持器部分、出口端测量装置组成，所述的岩心夹持器部分使用特制岩心，该特制岩心由偶数个等尺寸、且圆心处有相同孔道的较短岩心串联组成。首先取两组物性接近的特制岩心，其中一组特制岩心注入氮气至设定条件后进行衰竭性开采实验，氮气全部排完后，注入甲烷重复该实验；实验结束后，将两组特制岩心分别在静压、动压条件下饱和实验流体，且随时测量两组特制岩心自吸情况，并通过该实验装置注入甲烷重复衰竭性开采实验；最后对比每组实验结果。本发明能模拟多段压裂水平致密气/页岩气井在不同含水饱和度或闷井条件下的衰竭性开采情况。

Description

一种模拟多段压裂水平气井闷井后开采的实验装置和方法

技术领域

本发明涉及一种模拟多段压裂水平气井闷井后开采的实验装置和方法，属于油气田开发的技术领域。

背景技术

页岩气以吸附态、游离态及溶解态赋存于富含有机质的泥页岩或其夹层中，其中吸附态气体约占页岩气总储量的20％～85％，占比大；另外，页岩储层基质属于超低孔和超低渗的致密多孔介质，必须经过压裂改造形成有效渗流裂缝才能产生工业气流。页岩气井的这几种特点使其产量递减规律与常规气井、致密气井有一定的区别：(1)气井初始产量较高，但在很短的时间内快速递减，此时递减率很大；(2)递减到一定程度后，会以较稳定的产量持续很长时间，此时递减率非常小。

另外，页岩区别于常规砂岩，具有孔喉尺度小、低孔致密、比表面大等地质特征，又因为页岩压裂过程中使用大量的低粘度滑溜水，在压裂作用过程中，会有大量的压裂液进入页岩基质当中，且难以返排，造成页岩气井压裂液返排率低。目前，部分学者认为页岩自吸作用会额外促进微裂缝的产生，且一定程度上置换孔隙表面的吸附气，达到提产的效果，因此建议水力压裂作业后不要立刻进行返排，而是闷井一段时间后再返排；但部分学者持相反的意见，他们认为水相进入页岩当中，因为页岩孔隙尺寸属于纳米级，会产生很大的水锁效应，阻碍自由气的产出，对页岩气的生产造成很大的负面效应，因此建议水力压裂作业后快速返排。总的来说，闷井对页岩气井的产能影响认识并不清晰，是否闷井存在很大争议。

因此，开展页岩气井的产量递减规律及闷井正负效应研究，对于指导现场动态生产制度安排，具有至关重要的作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种能真实模拟多段压裂水平页岩气井或致密气井开采方式的实验装置，以及基于该装置模拟在不同含水饱和度条件下或经过不同闷井时长影响后的页岩气井的产量递减动态的实验方法。

本发明的实验装置如下：

一种模拟多段压裂水平气井闷井后开采的实验装置，其特征在于，其主要由左右端注入装置、岩心夹持器部分、出口端测量装置组成；所述的岩心夹持器部分使用特制岩心，该特制岩心由偶数个等尺寸、且圆心处有相同孔道的较短岩心串联组成，较短岩心之间装有薄纱网，且特制岩心的圆心孔道处固定一根与孔道等径的金属筛管；左右端注入装置各安装一套相同的气相、液相泵入系统，用于注入单相气或不同类型流体；出口端测量装置设置有两条支路，其中一条用于测量单相气的流量，另外一条用于分离气液两相混合流体、且测量分离后的气体和液体流量。

根据本发明优选的，所述的金属筛管用来模拟水平井筒，且能在岩心夹持器部分施加围压后起到保护岩心的作用。

根据本发明优选的，所述的薄纱网用来模拟页岩气井水力压裂形成的主缝间的填充支撑剂，也是为了避免较短岩心之间的表面过于光滑而出现贴合紧密、无法提供流体正常渗流通道的情况。

根据本发明优选的，所述的左右端注入装置各安装一套相同的气相、液相泵入系统，为了使串联组成的特制岩心的两端都能均匀饱和流体，而且能缩短饱和实验的时长。

根据本发明优选的，所述的岩心夹持器的中间位置、中间位置左端10cm处、中间位置左端5cm处、中间位置右端5cm处、中间位置右端10cm处各装有一个压差传感器，这5个压差传感器的末端安装在岩心夹持器的右端。

根据本发明优选的，所述的出口端测量装置中装有干燥器，用来干燥实验装置中的水蒸气以及气液两相分离不充分后气相中的水蒸气。

本发明的实验方法如下：

(1)首先取同区块两组物性接近的特制岩心，两组岩心为偶数个等尺寸、且圆心处有相同孔道的较短岩心串联组成，较短岩心之间装有薄纱网，将金属筛管塞入任意一组岩心的圆心处，接着装入橡胶套筒并安装好岩心夹持器部分，装置密封性检测无误后方可进行实验；

(2)将左端注入装置及出口端测量装置全部打开，泵入实验气体排出装置中的空气，结束后关闭双向阀27，打开右端注入装置，排出右端注入装置内的空气；

(3)关闭双向阀28，同时打开左右端注入装置向岩心夹持器内注入氮气，并调节压力、温度控制箱26加热，直至特制岩心处的监测温度及压力达到设定值，且温度及压力能保持恒定至少12小时左右；

(4)关闭左右端注入装置，打开出口端测量装置进行衰竭性开采实验，并随时记录流量、温度及压力数据；

(5)岩心加持器内部的氮气彻底排空后，将单相气源换成甲烷，重复上述步骤2至4，并对比上述两组实验的结果区别，以模拟页岩气吸附气对页岩气井生产动态的影响；

(6)单相气实验结束后，将其中一组特制岩心在常温、常压条件下进行自吸实验，且随时测量两组特制岩心自吸情况；另外一组特制岩心装入岩心夹持器，先后打开左右端注入装置的液体恒速恒压泵，泵入液体以排出全部装置内的空气，空气排空完后同时打开左右端注入装置、以设定的泵入压力及时长持续泵入该实验液体，并及时泄压取出特制岩心，快速测量特制岩心的重量，继续将该特制岩心装入岩心夹持器重复该组实验，得到特制岩心在设定压力、温度条件下不同自吸时长的自吸液量；

(7)静压、动压条件下的自吸实验完成后，将两组特制岩心都饱和甲烷以进行衰竭性开采实验，具体步骤是2至4，并随时记录流量、温度及压力数据；

(8)最后对比每组实验结果，获取静压、动压条件下的页岩自吸区别以及吸附气、不同含水饱和度对页岩气井产能的影响。

根据本发明优选的，所述的每组特制岩心由偶数个较短岩心串联组成，为了适应不同实验要求，较短岩心个数可以是2个、4个或6个，是为了使较短岩心串联时形成的缝的位置恰好能对应压差传感器的固定位置。

根据本发明优选的，所述的步骤(6)中的静压自吸实验设计最大时长为7天，所述的动压自吸实验设计最大时长为1天。

根据本发明优选的，其特征在于，所述的步骤(6)中的液体泵入压力依据于现场目标井的水力压裂作业的泵入压力，且由岩石破裂压力逐渐降为地层压力。

根据本发明优选的，其特征在于，所述的单相气源是氮气、甲烷，氮气用来模拟不存在吸附气的致密气井中的气体，甲烷用来模拟页岩气井中的吸附气及自由气。

根据本发明优选的，其特征在于，所述的步骤(3)中的设定特制岩心处的监测温度及压力，其压力必须达到20MPa以上，其温度必须达到60摄氏度以上。

根据本发明优选的，其特征在于，所述的静压、动压自吸实验对比，用于判断不同条件下的页岩自吸概况，进一步判断页岩自吸是否会产生额外裂缝。

本发明的有益效果如下：

1.该实验装置通过特制岩心处理能模拟多段压裂水平井。特制岩心中注入氮气至设定温度、压力后，能模拟多段压裂水平致密气井，通过出口端测量装置处理能模拟多段压裂水平致密气井的衰竭性开采方式；特制岩心中注入甲烷至设定温度、压力后，能模拟多段压裂水平页岩气井，通过出口端测量装置处理能模拟多段压裂水平页岩气井的衰竭性开采方式。

2.该实验装置通过静压、动压自吸实验对比，能判断不同条件下的页岩自吸及页岩气井返排概况，进一步判断页岩自吸是否会产生额外裂缝。

3.该实验装置通过静压自吸实验后的衰竭性开采方式模拟实验，能模拟不同含水饱和度下的页岩气井衰竭性开采；该装置通过动压自吸实验后的衰竭性开采方式模拟实验，能模拟闷井后的页岩气井衰竭性开采，进一步判断闷井能否对页岩气井产能造成影响。

附图说明

图1为一种模拟多段压裂水平气井闷井后开采的实验装置的流程示意图；

图2为本发明中实验装置的岩心夹持器的剖面示意图；

图3为本发明中实验装置的特制岩心的组成示意图。

图中，1-气体压缩机，2、9、16、27、28、29、34、37-双向阀，3-气体增压泵，4、14、 18-压力表，5-气体中间容器，6、13-安全阀，7、12-排空阀，8、30、35-干燥器，10-液体恒速恒压泵，11、17、32-单向阀，15-液体中间容器，19、39-计算机，20-压力传感器，21、 22、23、24、25-压差传感器，26-压力、温度控制箱，31、36-气体流量计，33-气液两相分离器，38-液体流量计。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此：

实施例1：

一种模拟多段压裂水平气井闷井后开采的实验装置，其主要由左右端注入装置、岩心夹持器部分、出口端测量装置组成，具体参考图1；左右端注入装置各安装一套相同的气相、液相泵入装置用于注入单相气或不同类型流体，是为了使串联组成的特制岩心的两端都能均匀饱和流体，而且能缩短饱和实验时长；出口端测量装置设置有两条支路，其中一条用于测量单相气的流量，另外一条用于分离气液两相混合流体、且测量分离后的气体和液体流量。

所述的岩心夹持器部分使用特制岩心，具体参考图3；该特制岩心由偶数个等尺寸、且圆心处有相同孔道的较短岩心串联组成；且特制岩心的圆心孔道处固定一根与孔道等径的金属筛管，所述的金属筛管用来模拟水平井筒，且在岩心夹持器部分施加围压后起到保护岩心的作用；偶数个较短岩心之间装有薄纱网，所述的薄纱网用来模拟页岩气井水力压裂形成的主缝间的填充支撑剂，也是为了避免较短岩心之间的表面过于光滑而出现贴合紧密、无法提供流体正常渗流通道的情况。

所述的岩心夹持器的中间位置、中间位置左端10cm处、中间位置左端5cm处、中间位置右端5cm处、中间位置右端10cm处各装有一个压差传感器，这5个压差传感器的末端安装在岩心夹持器的右端，具体参考图2。

该实验装置通过特制岩心处理能模拟多段压裂水平井；当特制岩心中注入氮气至设定温度、压力后，能模拟多段压裂水平致密气井，且通过出口端测量装置的处理后能模拟多段压裂水平致密气井的衰竭性开采方式；当特制岩心中注入甲烷至设定温度、压力后，能模拟多段压裂水平页岩气井，通过出口端测量装置的处理后能模拟多段压裂水平页岩气井的衰竭性开采方式。

实施例2：

基于本发明的实验装置，按下述步骤能实现不同含水饱和度下或闷井后的页岩气井衰竭性开采。

(1)首先取同区块两组物性接近的特制岩心，两组岩心为偶数个等尺寸、且圆心处有相同孔道的较短岩心串联组成，较短岩心之间装有薄纱网，将金属筛管塞入任意一组岩心的圆心处，接着装入橡胶套筒并安装好岩心夹持器部分，装置密封性检测无误后方可进行实验；

(2)将左端注入装置及出口端测量装置全部打开，泵入实验气体排出装置中的空气，结束后关闭双向阀27，打开右端注入装置，排出右端注入装置内的空气；

(3)关闭双向阀28，同时打开左右端注入装置向岩心夹持器内注入氮气，并调节压力、温度控制箱26加热，直至特制岩心处的监测温度及压力达到设定值，且温度及压力能保持恒定至少12小时左右；

(4)关闭左右端注入装置，打开出口端测量装置进行衰竭性开采实验，并随时记录流量、温度及压力数据；

(5)岩心加持器内部的氮气彻底排空后，将单相气源换成甲烷，重复上述步骤2至4，并对比上述两组实验的结果区别，以模拟页岩气吸附气对页岩气井生产动态的影响；

(6)单相气实验结束后，将其中一组特制岩心在常温、常压条件下进行自吸实验，且随时测量两组特制岩心自吸情况；另外一组特制岩心装入岩心夹持器，先后打开左右端注入装置的液体恒速恒压泵，泵入液体以排出全部装置内的空气，空气排空完后同时打开左右端注入装置、以设定的泵入压力及时长持续泵入该实验液体，并及时泄压取出特制岩心，快速测量特制岩心的重量，继续将该特制岩心装入岩心夹持器重复该组实验，得到特制岩心在设定压力、温度条件下不同自吸时长的自吸液量；

(7)静压、动压条件下的自吸实验完成后，将两组特制岩心都饱和甲烷以进行衰竭性开采实验，具体步骤是2至4，并随时记录流量、温度及压力数据；

(8)最后对比每组实验结果，获取静压、动压条件下的页岩自吸区别以及吸附气、不同含水饱和度对页岩气井产能的影响。

在本实施方式中，每组串联的较短岩心的个数必须是偶数个，可以是2个、4个或6个，是为了使较短岩心串联时候形成的缝的位置恰好能对应压差传感器的固定位置；所述的步骤 (6)中的静压自吸实验设计最大时长为7天；所述的动压自吸实验设计最大时长为1天，液体泵入压力依据于现场目标井的水力压裂作业的泵入压力，且由岩石破裂压力逐渐降为地层压力。

以上仅为本发明的几个实施例，本领域技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种模拟多段压裂水平气井闷井后开采的实验装置，其特征在于，其主要由左右端注入装置、岩心夹持器部分、出口端测量装置组成；所述的岩心夹持器部分使用特制岩心，该特制岩心由偶数个等尺寸、且圆心处有相同孔道的较短岩心串联组成，较短岩心之间装有薄纱网，且特制岩心的圆心孔道处固定一根与孔道等径的金属筛管；左右端注入装置各安装一套相同的气相、液相泵入系统，用于注入单相气或不同类型流体；出口端测量装置设置有两条支路，其中一条用于测量单相气的流量，另外一条用于分离气液两相混合流体、且测量分离后的气体和液体流量。

2.根据权利要求1所述的一种模拟多段压裂水平气井闷井后开采的实验装置，其特征在于，所述的金属筛管用来模拟水平井筒，且能在岩心夹持器部分施加围压后起到保护岩心的作用。

3.根据权利要求1所述的一种模拟多段压裂水平气井闷井后开采的实验装置，其特征在于，所述的薄纱网用来模拟页岩气井水力压裂形成的主缝间的填充支撑剂，也是为了避免较短岩心之间的表面过于光滑而出现贴合紧密、无法提供流体正常渗流通道的情况。

4.根据权利要求1所述的一种模拟多段压裂水平气井闷井后开采的实验装置，其特征在于，所述的左右端注入装置各安装一套相同的气相、液相泵入系统，为了使串联组成的特制岩心的两端都能均匀饱和流体，而且能缩短饱和实验的时长。

5.根据权利要求1所述的一种模拟多段压裂水平气井闷井后开采的实验装置，其特征在于，所述的岩心夹持器的中间位置、中间位置左端10cm处、中间位置左端5cm处、中间位置右端5cm处、中间位置右端10cm处各装有一个压差传感器，这5个压差传感器的末端安装在岩心夹持器的右端。

6.一种模拟多段压裂水平气井闷井后开采的实验方法，其特征在于，其包括步骤如下：

(1)首先取同区块两组物性接近的特制岩心，两组岩心为偶数个等尺寸、且圆心处有相同孔道的较短岩心串联组成，较短岩心之间装有薄纱网，将金属筛管塞入任意一组岩心的圆心处，接着装入橡胶套筒并安装好岩心夹持器部分，装置密封性检测无误后方可进行实验；

(2)将左端注入装置及出口端测量装置全部打开，泵入实验气体排出装置中的空气，结束后关闭双向阀27，打开右端注入装置，排出右端注入装置内的空气；

(3)关闭双向阀28，同时打开左右端注入装置向岩心夹持器内注入氮气，并调节压力、温度控制箱26加热，直至特制岩心处的监测温度及压力达到设定值，且温度及压力能保持恒定至少12小时左右；

(4)关闭左右端注入装置，打开出口端测量装置进行衰竭性开采实验，并随时记录流量、温度及压力数据；

(5)岩心加持器内部的氮气彻底排空后，将单相气源换成甲烷，重复上述步骤2至4，并对比上述两组实验的结果区别，以模拟页岩气吸附气对页岩气井生产动态的影响；

(6)单相气实验结束后，将其中一组特制岩心在常温、常压条件下进行自吸实验，且随时测量两组特制岩心自吸情况；另外一组特制岩心装入岩心夹持器，先后打开左右端注入装置的液体恒速恒压泵，泵入液体以排出全部装置内的空气，空气排空完后同时打开左右端注入装置、以设定的泵入压力及时长持续泵入该实验液体，并及时泄压取出特制岩心，快速测量特制岩心的重量，继续将该特制岩心装入岩心夹持器重复该组实验，得到特制岩心在设定压力、温度条件下不同自吸时长的自吸液量；

(7)静压、动压条件下的自吸实验完成后，将两组特制岩心都饱和甲烷以进行衰竭性开采实验，具体步骤是2至4，并随时记录流量、温度及压力数据；

(8)最后对比每组实验结果，获取静压、动压条件下的页岩自吸区别以及吸附气、不同含水饱和度对页岩气井产能的影响。

7.根据权利要求1所述的一种模拟多段压裂水平气井闷井后开采的实验方法，其特征在于，所述的每组特制岩心由偶数个较短岩心串联组成，为了适应不同实验要求，较短岩心个数可以是2个、4个或6个，是为了使较短岩心串联时形成的缝的位置恰好能对应压差传感器的固定位置。

8.根据权利要求1所述的一种模拟多段压裂水平气井闷井后开采的实验方法，其特征在于，所述的步骤(6)中的静压自吸实验设计最大时长为7天，所述的动压自吸实验设计最大时长为1天。

9.根据权利要求1所述的一种模拟多段压裂水平气井闷井后开采的实验方法，其特征在于，所述的步骤(6)中的液体泵入压力依据于现场目标井的水力压裂作业的泵入压力，且由岩石破裂压力逐渐降为地层压力。