CN110331968A - 模拟二氧化碳干法压裂的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟二氧化碳干法压裂的装置及方法，包括：液态CO2制备模块，用于制备液态CO2；液态CO2泵注模块，其连接于液态CO2制备模块，用于泵注液态CO2；CO2加热模块，其连接于液态CO2泵注模块，用于调节液态CO2的温度；拟三轴加载模块，包括拟三轴加载框架、轴压泵、围压泵和岩心夹持套筒，岩心夹持套筒设置于加载底盘上，用于盛装岩心，围压泵和轴压泵用于对岩心施压；岩心加热模块，岩心加热模块设置于围压筒外，用于加热岩心；液态CO2泵注模块和CO2加热模块分别连接于加载底盘处的流体注入端。采用本发明提供的模拟二氧化碳干法压裂的装置及方法，能够获得影响裂缝形态的最优注入参数。
Description
技术领域
本发明属于页岩油气开发过程中的无水压裂技术领域，更具体地，涉及一种模拟二氧化碳干法压裂的装置及方法。
背景技术
由于CO2具有独特的物理性质和热力学特性，CO2压裂有望成为开发非常规油气的有效方式。该技术既能形成人工缝网、增大改造体积，又能实现增加地层能量、降粘助排、置换驱油等作用，将成为未来压裂技术主要发展方向之一。在CO2裂缝延伸机理及压裂优化设计方面，目前国内仍处于起步探索阶段，主要体现在对CO2压裂岩石起裂和延伸机制认识不清，现场压裂工艺参数优化缺少依据。而压裂机理的认识和工艺参数的优化必须借助室内实验来得到。
专利“一种超临界二氧化碳压裂模拟实验装置(CN2016109724239)”，对岩石及人造试件进行饱和孔隙压力条件下超临界二氧化碳压裂模拟实验，实时监测压裂过程中压裂液的注入压力、温度、排量等参数，获取裂缝扩展规律；专利“超临界二氧化碳岩石压裂试验系统(CN2015102874599)”，实现了岩石样品在地应力条件下被超临界二氧化碳致裂的岩石力学试验系统；专利“超临界二氧化碳压裂页岩损伤定位监测装置及方法(CN2014108426021)”，该装置包括真三轴加载系统、声发射监测系统、超临界CO2压裂系统、温度控制系统和变形测试系统，能够物理模拟真三轴受力条件下大尺寸页岩在超临界CO2作用下的破裂机理，分析超临界二氧化碳压裂页岩裂纹扩展的声发射特征；专利“超临界二氧化碳压裂方法及系统(2013102205393)”，实现了压裂介质的循环使用；专利“一种基于超临界二氧化碳的压裂液体系及其用途(2013105156219)”，该压裂液体系具有携砂性能好、易返排、无残渣、无水相、完全消除水锁水敏伤害、有效降低原油粘度、有效抑制粘土膨胀、改善储层渗透率、大幅节约水资源等特点，可实现高效环保绿色施工的目的。
文献“超临界二氧化碳无水压裂新技术实验研究展望，天然气勘探与开发，2016，39(2)”实验研究表明，超临界二氧化碳压裂的破裂压力比清水和液态二氧化碳压裂的破裂压力低，并且其分形维数和声发射源到平面(源到该平面距离平方和最小)的平均距离大，更容易产生波状的裂缝和裂缝分支，有利于形成复杂的网络裂缝，特别适合页岩气的增产改造和有效开发。
页岩气储层水力压裂过程会消耗大量的水资源，超临界CO2由于其兼具气体的流动性和液体的高密度特性，能够代替清水实施压裂，文献“页岩气藏超临界CO2致裂增渗实验装置研制，西南石油大学学报(自然科学版)，2015/6”，提出了超临界CO2致裂页岩增加储层渗透性的思路，并自主研制了相应的实验装置，对CO2相态进行精确控制。
文献“超临界CO2致裂页岩实验研究，煤炭学报，2017，47(3)”，采用实验室自主研制的超临界CO2致裂增渗实验装置，研究了页岩气超临界CO2压裂的裂纹扩展和延伸机理；文献“超临界CO2压裂起裂压力模型与参数敏感性研究，岩土力学，2015(S2)”，其通过建立流体在井筒内的增压速率模型，得到了考虑超临界CO2流体黏度、压缩性及增压速率的裂缝起裂压力预测模型，并与水力压裂、液态CO2压裂起裂压力进行了对比分析。结果表明，超临界CO2流体的起裂压力比液态CO2流体低20.5％，比常规水力压裂起裂压力低75.5％；超临界CO2流体的黏度、压缩性及增压速率对裂缝起裂压力影响显著。
关于CO2致裂规律，前人主要针对超临界CO2的致裂机理和规律研制了实验模拟装置，开展了一定的实验研究并获得了超临界CO2起裂和裂缝延伸机理的初步认识。但是目前所研制的这些实验装置均存在一定的局限性，目前已有的实验装置仅能考虑在高压高温状态下向岩心内注入超临界CO2，不能实现在高压低温状态下向岩心内注入液态CO2，无法模拟液态CO2在浅井压裂中的破裂特征；已有的实验装置不能实现CO2与增稠剂的均匀混合；已有的实验装置不能实现对岩心的加热，无法模拟CO2在地温条件下对岩石的致裂；已有的实验装置不能模拟在拟三轴条件下实现对CO2致裂的声发射监测。
因此有必要提供一种模拟二氧化碳干法压裂的装置及方法，解决上述出现的问题。
发明内容
本发明针对目前CO2压裂模拟存在的不足，通过提供一种模拟二氧化碳干法压裂的装置及方法，模拟现场施工条件下的二氧化碳干法压裂，研究包括CO2注入排量、体积、相态、粘度、岩心温度和地应力水平等因素对CO2致裂和裂缝延伸的影响，获得影响裂缝形态的最优注入参数，为CO2压裂优化设计提供方法。
根据本发明的一方面，提出了一种模拟二氧化碳干法压裂的装置，该装置包括：
液态CO2制备模块，用于制备液态CO2；
液态CO2泵注模块，所述液态CO2泵注模块连接于所述液态CO2制备模块，用于泵注液态CO2；
CO2加热模块，所述CO2加热模块连接于所述液态CO2泵注模块，用于调节液态CO2的温度；
拟三轴加载模块，包括拟三轴加载框架、轴压泵、围压泵和岩心夹持器，所述拟三轴加载框架包括围压筒和设置在围压筒内部的顶部活塞和加载底盘；所述岩心夹持器设置于所述加载底盘上，用于盛装岩心，并且在所述加载底盘处具有流体注入端；所述围压泵用于向所述岩心夹持器与所述围压筒的环形空间内注入液压油，以对岩心施加围压；所述轴压泵驱替顶部活塞向下运动，对岩心施加轴压；
岩心加热模块，所述岩心加热模块设置于所述围压筒的表面，用于加热岩心；
所述液态CO2泵注模块和所述CO2加热模块分别连接于所述加载底盘处的流体注入端。
优选地，所述液态CO2制备模块包括钢瓶、增压泵和储液罐，气态CO2从所述钢瓶出来后经所述增压泵加压后进入储液罐，成为液态CO2。
优选地，还包括比例泵，所述比例泵连接于所述储液罐的底部，通过所述比例泵向所述储液罐注入增稠剂，提高液态CO2的黏度。
优选地，所述CO2加热模块包括螺旋双层同心管，
液态CO2注入所述螺旋双层同心管的内层螺旋管，
所述螺旋双层同心管的外层螺旋管通过电加热的方式提高内层螺旋管的温度，改变CO2的相态。
优选地，还包括监测模块，所述监测模块包括声发射探头、温度传感器和电脑采集卡，
所述声发射探头和温度传感器设置于所述岩心的表面，并通过多通道出口连接于电脑采集卡。
优选地，所述多通道出口设置于所述加载底盘上。
优选地，所述储液罐的表面设置有制冷和保温层。
优选地，所述液态CO2泵注模块为ISCO双缸计量泵。
根据本发明的另一方面，提出了一种模拟二氧化碳干法压裂的方法，该方法包括：
1)利用所述轴压泵和所述围压泵，对岩心施加轴向力和径向力；利用所述岩心加热模块，将岩心加热至设定温度；
2)通过液态CO2制备模块制备液态CO2；
3)液态CO2直接注入岩心，或者液态CO2经过CO2加热模块后注入岩心。
优选地，利用所述监测模块采集CO2的注入流量、注入体积、注入压力、注入温度和声发射信号。
本发明的有益效果在于：
1、提供一种模拟二氧化碳干法压裂的装置，该装置具备不同相态CO2的制备与泵注、增稠剂的泵注和混合、拟三轴条件下CO2的致裂及监测等功能，其能够在高压低温状态下向岩心内注入液态CO2，模拟液态CO2在浅井压裂中的破裂特征，同时实现了对岩心的加热，模拟CO2在地温条件下对岩石的致裂；并在拟三轴条件下实现对CO2致裂的声发射监测；
2、利用模拟二氧化碳干法压裂的装置，提供了一种模拟二氧化碳干法压裂的方法，该模拟方法的特色在于从现场工艺流程出发，能够从CO2注入相态、注入温度、注入排量和体积、流体粘度、岩心温度和地应力状态等多方面对CO2致裂和裂缝延伸规律开展研究，对推动CO2压裂机理的研究和现场施工设计优化都具有一定的理论意义和实用价值。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明的模拟二氧化碳干法压裂的装置的示意性结构图。
图2示出了根据本发明的低温储液罐的俯视图。
图3示出了根据本发明的岩心夹持器的示意性结构图。
图4示出了根据本发明的模拟二氧化碳干法压裂的方法的流程图。
附图标记说明
1、钢瓶；2、增压泵；3、储液罐；4、液态CO2泵注模块；5、比例泵；6、CO2加热模块；7、拟三轴加载框架；8、制冷和保温层；9、围压泵；10、流体注入端；11、岩心加热模块；12、监测模块；13、围压筒；14、顶部活塞；15、声发射探头；16、温度传感器；17、多通道出口；18、岩心夹持器。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
实施例1
图1示出了根据本发明的模拟二氧化碳干法压裂的装置的示意性结构图。图2示出了根据本发明的低温储液罐的俯视图。图3示出了根据本发明的岩心夹持器的示意性结构图。
如图1至图3所示，在该实施例中，根据本发明的模拟二氧化碳干法压裂的装置，该装置包括：
液态CO2制备模块，用于制备液态CO2；
液态CO2泵注模块4，液态CO2泵注模块4连接于液态CO2制备模块，用于泵注液态CO2；
CO2加热模块6，CO2加热模块6连接于液态CO2泵注模块4，用于调节液态CO2的温度；
拟三轴加载模块，包括拟三轴加载框架7、轴压泵、围压泵9和岩心夹持器18，拟三轴加载框架7包括围压筒13和设置在围压筒13内部的顶部活塞14和加载底盘；岩心夹持器18设置于加载底盘上，用于盛装岩心，并且在加载底盘处具有流体注入端10；围压泵9用于向岩心夹持器18与围压筒13的环形空间内注入液压油，以对岩心施加围压；轴压泵驱替顶部活塞14向下运动，对岩心施加轴压；
岩心加热模块11，岩心加热模块11设置于围压筒外，用于加热岩心；
液态CO2泵注模块4和CO2加热模块6分别连接于加载底盘处的流体注入端10。
其中，围压泵9具备压力自动跟踪功能以保证围压恒定。
该实施例针对目前CO2压裂模拟存在的不足，通过提供一种模拟二氧化碳干法压裂的装置及方法，模拟现场施工条件下的二氧化碳干法压裂，研究包括CO2注入排量、体积、相态、粘度、岩心温度和地应力水平等因素对CO2致裂和裂缝延伸的影响，获得影响裂缝形态的最优注入参数，为CO2压裂优化设计提供方法。
在一个示例中，液态CO2制备模块包括钢瓶1、增压泵2和储液罐3，气态CO2从钢瓶1出来后经增压泵2加压后进入储液罐3，成为液态CO2。
在一个示例中，还包括比例泵5，比例泵5连接于储液罐3的底部，通过比例泵5向储液罐3底端注入增稠剂，通过在封闭管线内循环的方式保证液态CO2与增稠剂均匀混合，提高液态CO2的黏度。
具体地，关闭CO2加热模块6的阀门和流体注入端10的阀门，通过比例泵5向储液罐3底端注入增稠剂，液态CO2泵注模块4将储液罐3内含有增稠剂的液态CO2泵出，由于CO2加热模块6的阀门和流体注入端10的阀门已关闭，所以含有增稠剂的液态CO2又流回储液罐3，这样，通过在封闭管线内的循环，使得液态CO2与增稠剂均匀混合。
在一个示例中，CO2加热模块6包括螺旋双层同心管，
液态CO2注入螺旋双层同心管的内层螺旋管，
螺旋双层同心管的外层螺旋管通过电加热的方式提高内层螺旋管的温度，改变CO2的相态。
具体地，CO2加热模块6采用螺旋双层同心管实现对液态CO2温度的调节，外层螺旋管为黄铜管，通过电加热的方式将内层螺旋管温度升高，当液态CO2流经内层螺旋管温度升高到31℃以上时将有可能转变为超临界态。为使流经内层螺旋管内液态CO2温度快速升高至31℃以上时，可提高外层螺旋管的温度或者增加一级螺旋双层同心管，通过调节外层螺旋管的温度可改变CO2相态，实现不同相态的CO2注入。
在一个示例中，还包括监测模块12，监测模块12包括声发射探头15、温度传感器16和电脑采集卡，
声发射探头15和温度传感器16设置于岩心的表面，并通过多通道17出口连接于电脑采集卡。
具体地，监测模块12用于监测起裂压力和裂缝扩展形态，岩心加热模块11采用环形电加热片，固定在围压筒13外对岩心加热，温度传感器16与岩心表面接触以监测岩心温度，声发射探头15置于岩心夹持器18内保证与岩心表面接触，声发射探头15和温度传感器16的连接线通过底盘上的多通道出口17与电脑采集卡相连。
在一个示例中，多通道出口17设置于加载底盘上。
在一个示例中，储液罐3的表面设置有制冷和保温层8，可以作为低温储液罐。
具体地，储液罐3上的制冷和保温层8与制冷装置相连接，由制冷装置提供冷源，保证储液罐3内CO2温度能够处于低温状态。另外，增压泵2是具有压力自动跟踪功能的，保持储液罐3内CO2压力稳定在2.0MPa，通过增压降温处理后储液罐3内CO2始终处于液体状态，为CO2泵注提供条件。
在一个示例中，液态CO2泵注模块4为ISCO双缸计量泵。
具体地，液态CO2泵注模块4采用ISCO双缸计量泵实现液态CO2的泵注，ISCO泵与CO2低温储液罐3相连接，具备恒流和恒压的连续泵注模式，能够计量液态CO2的注入排量和体积。
本实施例通过提供一种模拟二氧化碳干法压裂的装置，该装置具备不同相态CO2的制备与泵注、增稠剂的泵注和混合、拟三轴条件下CO2的致裂及监测等功能，其能够在高压低温状态下向岩心内注入液态CO2，模拟液态CO2在浅井压裂中的破裂特征，同时实现了对岩心的加热，模拟CO2在地温条件下对岩石的致裂；并在拟三轴条件下实现对CO2致裂的声发射监测，对推动CO2压裂机理的研究和现场施工设计优化都具有一定的理论意义和实用价值。
应用示例
为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。
首先，将声发射传感器和温度传感器放置于岩心夹持器内，数据采集接头通过拟三轴加载框架加载底盘的多通道出口与声发射传感器和温度传感器相连。将岩心送入岩心夹持器内，保证各传感器能够与岩心表面相接触；
其次，将岩心夹持器与拟三轴加载框架上的CO2注入端(即流体注入端)相连，开启轴压泵驱替顶部活塞对岩心施加轴向力，开启围压泵对岩心围压；并开启岩心加热装置，将岩心温度逐渐升高到实验温度设定温度；再利用CO2钢瓶内的气体将管线、储液罐和泵内的空气排出；
再次，在室温条件下利用气体增压泵将气态CO2增压使其液化并储存在储液罐内，开启制冷装置对储液罐进行循环降温；
然后，当储液罐内的温度压力稳定后开启计量泵，通过循环储液罐内部低温流体对计量泵进行预冷，防止正式泵注过程中液态CO2气化造成计量泵的抽空；若需提高液态CO2黏度，在循环预冷计量泵的过程中开启比例泵，以一定比例将增稠剂注入储液罐内，通过循环方式达到液态CO2和增稠剂均匀混合的目的；
最后，若仅研究液态CO2的致裂规律，则利用计量泵将低温液态CO2直接注入到岩心；若研究超临界CO2的致裂规律，则从计量泵出来的液态CO2需进入加热装置内，使CO2温度高于31℃；实验过程中采集注入流量、注入体积、注入压力、注入温度、声发射信号等数据，研究CO2致裂岩石和裂缝延伸形态特征。
本应用示例通过提供一种模拟二氧化碳干法压裂的装置及方法，该装置具备不同相态CO2的制备与泵注、增稠剂的泵注和混合、拟三轴条件下CO2的致裂及监测等功能，该模拟方法的特色在于从现场工艺流程出发，能够从CO2注入相态、注入温度、注入排量和体积、流体粘度、岩心温度和地应力状态等多方面对CO2致裂和裂缝延伸规律开展研究，对推动CO2压裂机理的研究和现场施工设计优化都具有一定的理论意义和实用价值。
实施例2
图4示出了根据本发明的模拟二氧化碳干法压裂的方法的流程图。
如图4所示，根据本发明的实施例，提供了一种模拟二氧化碳干法压裂的方法，该方法包括：
步骤401，利用轴压泵和围压泵，对岩心施加轴向力和径向力；利用岩心加热模块，将岩心加热至设定温度；
步骤402，通过液态CO2制备模块制备液态CO2；
步骤403，液态CO2直接注入岩心，或者液态CO2经过CO2加热模块后注入岩心。
在一个示例中，利用监测模块采集CO2的注入流量、注入体积、注入压力、注入温度和声发射信号，研究CO2致裂岩石和裂缝延伸形态特征。
本实施例利用模拟二氧化碳干法压裂的装置，提供了一种模拟二氧化碳干法压裂的方法，该模拟方法的特色在于从现场工艺流程出发，能够从CO2注入相态、注入温度、注入排量和体积、流体粘度、岩心温度和地应力状态等多方面对CO2致裂和裂缝延伸规律开展研究，对推动CO2压裂机理的研究和现场施工设计优化都具有一定的理论意义和实用价值。
本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (10)
1.一种模拟二氧化碳干法压裂的装置，其特征在于，该装置包括：
液态CO2制备模块，用于制备液态CO2；
液态CO2泵注模块，所述液态CO2泵注模块连接于所述液态CO2制备模块，用于泵注液态CO2；
CO2加热模块，所述CO2加热模块连接于所述液态CO2泵注模块，用于调节液态CO2的温度；
拟三轴加载模块，包括拟三轴加载框架、轴压泵、围压泵和岩心夹持器，所述拟三轴加载框架包括围压筒和设置在围压筒内部的顶部活塞和加载底盘；所述岩心夹持器设置于所述加载底盘上，用于盛装岩心，并且在所述加载底盘处具有流体注入端；所述围压泵用于向所述岩心夹持器与所述围压筒的环形空间内注入液压油，以对岩心施加围压；所述轴压泵驱替顶部活塞向下运动，对岩心施加轴压；
岩心加热模块，所述岩心加热模块设置于所述围压筒的表面，用于加热岩心；
所述液态CO2泵注模块和所述CO2加热模块分别连接于所述加载底盘处的流体注入端。
2.根据权利要求1所述的模拟二氧化碳干法压裂的装置，其中，所述液态CO2制备模块包括钢瓶、增压泵和储液罐，气态CO2从所述钢瓶出来后经所述增压泵加压后进入储液罐，成为液态CO2。
3.根据权利要求1所述的模拟二氧化碳干法压裂的装置，其中，还包括比例泵，所述比例泵连接于所述储液罐的底部，通过所述比例泵向所述储液罐注入增稠剂，提高液态CO2的黏度。
4.根据权利要求1所述的模拟二氧化碳干法压裂的装置，其中，所述CO2加热模块包括螺旋双层同心管，
液态CO2注入所述螺旋双层同心管的内层螺旋管，
所述螺旋双层同心管的外层螺旋管通过电加热的方式提高内层螺旋管的温度，改变CO2的相态。
5.根据权利要求1所述的模拟二氧化碳干法压裂的装置，还包括监测模块，所述监测模块包括声发射探头、温度传感器和电脑采集卡，
所述声发射探头和温度传感器设置于所述岩心的表面，并通过多通道出口连接于电脑采集卡。
6.根据权利要求5所述的模拟二氧化碳干法压裂的装置，其中，所述多通道出口设置于所述加载底盘上。
7.根据权利要求1所述的模拟二氧化碳干法压裂的装置，其中，所述储液罐的表面设置有制冷和保温层。
8.根据权利要求1所述的模拟二氧化碳干法压裂的装置，其中，所述液态CO2泵注模块为ISCO双缸计量泵。
9.一种模拟二氧化碳干法压裂的方法，其中，利用权利要求1-8任一所述的模拟二氧化碳干法压裂的装置，该方法包括：
1)利用所述轴压泵和所述围压泵，对岩心施加轴向力和径向力；利用所述岩心加热模块，将岩心加热至设定温度；
2)通过液态CO2制备模块制备液态CO2；
3)液态CO2直接注入岩心，或者液态CO2经过CO2加热模块后注入岩心。
10.根据权利要求9所述的模拟二氧化碳干法压裂的方法，其中，利用所述监测模块采集CO2的注入流量、注入体积、注入压力、注入温度和声发射信号。
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