CN110374585A - 一种模拟泥浆在油页岩压裂地层中扩散的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及油页岩原位开采领域，具体是一种可模拟泥浆在不同油页岩压裂地层中扩散效果的装置及方法。该装置由泥浆搅拌罐、温度传感器、注浆泵、压力传感器、泥浆流量计、裂隙模型、水箱、水泵、水泵流量计、气体流量计、空压机、限压阀、天平、摄像头、控制柜以及连接各部分的管线组成。利用该装置，可以通过改变裂隙模型的倾角来实现不同裂隙倾角地层的模拟，通过改变水泵的流量和限压阀的压力实现不同地下水流速、不同地下水压力的模拟，通过改变空压机的流量实现不用开采区注气井的干扰模拟，最终得出在不同油页岩压裂地层中泥浆的流动规律，以便优选出合适的堵漏浆液。
Description
技术领域
本发明涉及油页岩原位开采领域，具体是提供一种模拟泥浆在油页岩压裂地层中扩散的实验装置及方法。
背景技术
油页岩（又称油母页岩）是一种高灰分的含可燃有机质的沉积岩。油页岩作为非常规油气资源，因其储量丰富且具有开发利用的可行性而被列为21世纪非常重要的一种接替能源。据不完全统计世界油页岩资源量约有10万亿吨，折算成页岩油约5000亿吨分布非常广泛，在33个国家发现了数百个油页岩矿，主要分布在美国、中国、巴西、以色列、俄罗斯、约旦、爱沙尼亚、摩洛哥等国。其中美国页岩油储量约3000亿吨，占世界总资源量的60%，中国油页岩资源储量约7199亿吨，折算成页岩油约476亿吨。
考虑到油页岩地下原位转化技术需要通过水力压裂的方式为热载体及油页岩裂解产生的页岩油气提供可以运移的通道，而油页岩所处的位置常伴有地下水，在油页岩地下原位裂解工艺中，地下水会通过油页岩压裂产生的裂隙进入到反应区域，从而阻断油气的生成与流出，造成大量的热损耗，同时还有可能造成地下水的污染。
针对该问题，吉林大学在农安开展的TS-A法油页岩原位转化工艺中提出了一种有效的注浆止水方法，该方法既能阻断反应区域外地下水的涌入，提高热源能量的使用效率，降低对地下水的污染，同时具有工程耗时短、止水见效快、工程费用低等适合油页岩原位开采的优点。然而以往油页岩原位开采工程中的止水注浆多采用传统的浆液渗透半径公式，没有将油页岩地层压裂后的实际条件引入到考虑范围之内，其中地层裂隙倾角、地下水压以及开采区注气井注气等因素对泥浆扩散的限制作用都有可能造成传统公式计算的不准确，导致注浆孔的孔距设置不能满足工程的止水需求，进而使地下水持续渗流到反应区，影响油页岩原位热解的进行而造成大量的热源能量浪费，同时油气产物还会随着渗流的地下水泄露到开采区之外而造成地下水环境的污染。另外浆液的扩散也不能是无限制的，如果浆液大量进入油页岩压裂地层的核心区，势必会堵塞原位转化区的裂缝，故要考虑采取开采区注气的方式限制浆液向反应区的扩散。
发明内容
本发明的目的在于一种提供模拟泥浆在油页岩压裂地层中扩散的实验装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种模拟泥浆在油页岩压裂地层中扩散的实验装置，包括泥浆搅拌罐、温度传感器、注浆泵、压力传感器、泥浆流量计、裂隙模型、水箱、水泵、水泵流量计、气体流量计、空压机、限压阀、天平、摄像头、控制柜、数据线和支架，所述裂隙模型的底部通过不锈钢管线与注浆泵、压力传感器、泥浆流量计及泥浆搅拌罐相连，泥浆搅拌罐上设置有温度传感器，裂隙模型通过注浆孔和注水软管与水泵及水泵流量计相连，水泵通过注水软管与水箱连接，裂隙模型通过注气软管与空压机及气体流量计相连，裂隙模型通过外环孔连接有限压阀和天平，裂隙模型通过测压孔与压力传感器相连；裂隙模型安装在支架上，摄像头放置于裂隙模型顶部，温度传感器、注浆泵、压力传感器、泥浆流量计、裂隙模型、水泵、水泵流量计、气体流量计、空压机、限压阀和摄像头均通过数据线与控制柜电性连接，空压机与裂隙模型之间设置有气体单向阀和缓冲罐，泥浆流量计与裂隙模型之间设置有泥浆单向阀，水泵流量计与裂隙模型之间设置有液体单向阀，裂隙模型的外环孔上连接有一个安全泄压阀。
作为本发明进一步的方案：所述裂隙模型包括顶盖和底座，所述顶盖的外周与底座之间设置有橡胶圈，顶盖的上端通过有机玻璃紧固螺栓安装有顶盖固定圈，所述顶盖固定圈通过定位螺栓与底座连接，顶盖固定圈上还设置有模型紧固螺栓。
作为本发明进一步的方案：裂隙模型与支架的连接处为转轴连接，支架上设置有对裂隙模型的角度进行调节的齿轮传动装置。
作为本发明进一步的方案：所述裂隙模型的顶盖为利用钢骨架支撑的有机玻璃板，有机玻璃板上设有刻度尺。
一种使用上述装置进行模拟的方法，步骤如下：
（1）在裂隙模型的顶盖安装至裂隙模型的底座内后，根据要模拟的地层条件调节限压阀的限定压力，通过在水泵注水过程中的限压实现所需模拟的地下水压力和流量；
（2）根据要模拟的油页岩开采区的注气条件调节空压机的排量，实现所需模拟的气体流量；（3）根据所设置的裂隙高度选取水泥和外加剂，通过天平将选取的水泥、外加剂及水放入泥浆搅拌罐中，搅拌5分钟后，开启注浆泵进行注浆；
（4）通过控制柜上的无纸记录仪对浆液的压力和流量、水和空气的流量进行实时记录；
（5）通过有机玻璃板顶部的摄像头对浆液扩散进行实时记录，通过浆液扩散的边界曲线和裂隙的高度、泥浆压力和流量、水的压力和流量、空气的流量以及泥浆的性质得到浆液扩散的边界方程。
作为本发明进一步的方案：根据所要模拟的地层深度确定地下水压力，利用公式p=ρgh确定所述的地层压力，其中，p为限压阀预设压力，ρ为地下水的密度，g为重力加速度，h为地下水水深。
作为本发明进一步的方案：通过天车将裂隙模型的顶盖吊至裂隙模型的底座内，两者之间通过顶盖有机玻璃板侧壁的橡胶圈与底座内侧壁的挤压实现密封，之后通过定位螺栓调节两者之间缝隙的高度，通过齿轮传动装置调节模型的角度，进而实现不同裂隙高度、不同裂隙角度的地层的模拟。
作为本发明进一步的方案：根据计算出的要模拟的地下水压力，设置限压阀预设压力，根据模型裂隙的高度选取粒径合适的水泥浆液配方。
作为本发明进一步的方案：有机玻璃板表面带有刻度尺，可准确测量泥浆扩散的距离；裂隙模型的转轴带有刻度盘，可准确测量裂隙的倾斜角；通过顶部的摄像头可实时记录有机玻璃下浆液的扩散情况，得到泥浆扩散边界的精确曲线。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过该装置和方法可模拟浆液在不同油页岩压裂地层条件、开采区注气条件和浆液性质条件下的浆液扩散范围，研究不同注浆工艺在三种关键因素影响下浆液的扩散规律，选择合适的注浆工艺，使浆液扩散更加稳定且更少地对开采区造成干扰，提高注浆止水效果，为油页岩压裂地层的注浆止水工程的设计和优化提供理论依据。可以通过改变裂隙模型的倾角来实现不同裂隙倾角地层的模拟，通过改变水泵的流量和限压阀的压力实现不同地下水流速、不同地下水压力的模拟，通过改变空压机的流量实现不用开采区注气井的干扰模拟，最终得出在不同油页岩压裂地层中泥浆的流动规律，以便优选出合适的堵漏浆液。
附图说明
图1为本发明的基本原理图。
图2为裂隙底座的孔位布置图。
图3为定位螺栓定位示意图。
图4为通过定位螺栓下放顶盖示意图。
图5为模型紧固螺栓示意图。
图6为有机玻璃板的结构示意图。
图7为图6的A-A向剖视图。
图8为图7的II处放大图。
图9为顶盖的结构示意图。
图10为图9的A-A向剖视图。
图11为图9的仰视图。
其中：1—泥浆搅拌罐；2—温度传感器：3—注浆泵；4—压力传感器；5—泥浆流量计；6—裂隙模型；7—水箱；8—水泵；9—水泵流量计；10—气体流量计；11—空压机；12—限压阀；13—天平；14—摄像头；15—控制柜；16—数据线；17—注浆孔；18—测压孔；19—外环孔；20—顶盖固定圈：21—定位螺栓；22—橡胶圈；23—有机玻璃紧固螺栓；24—有机玻璃板；25—底座；26—模型紧固螺栓；27—泥浆单向阀；28—液体单向阀；29—气体单向阀；30—缓冲罐。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例一
请参阅图1-5，本发明实施例中，一种模拟泥浆在油页岩压裂地层中扩散的实验装置，包括泥浆搅拌罐1、温度传感器2、注浆泵3、压力传感器4、泥浆流量计5、裂隙模型6、水箱7、水泵8、水泵流量计9、气体流量计10、空压机11、限压阀12、天平13、摄像头14、控制柜15、数据线16和支架，所述裂隙模型6的底部通过不锈钢管线与注浆泵3、压力传感器4、泥浆流量计5及泥浆搅拌罐1相连，泥浆搅拌罐1上设置有温度传感器2，裂隙模型6通过注浆孔17和注水软管与水泵8及水泵流量计9相连，水泵8通过注水软管与水箱7连接，裂隙模型6通过注气软管与空压机11及气体流量计10相连，裂隙模型6通过外环孔19连接有限压阀12和天平13，裂隙模型6通过测压孔18与压力传感器4相连；裂隙模型6安装在支架上，摄像头14放置于裂隙模型6顶部，温度传感器2、注浆泵3、压力传感器4、泥浆流量计5、裂隙模型6、水泵8、水泵流量计9、气体流量计10、空压机11、限压阀12和摄像头14均通过数据线26与控制柜15电性连接，，空压机11与裂隙模型6之间设置有气体单向阀29和缓冲罐30，气体单向阀29可以防止在模型注水加压完毕后直接开启空压机11，可能发生高压水倒流进空压机的现象，缓冲罐30用来提供相对平稳的注气；泥浆流量计5与裂隙模型6之间设置有泥浆单向阀27，水泵流量计9与裂隙模型6之间设置有液体单向阀28，裂隙模型6的外环孔19上连接有一个安全泄压阀，当裂隙模型6内部的压力超过裂隙模型6的安全上限后自动泄压保证实验的安全，同时通过底座上的测压孔18的压力传感器4在控制柜15进行压力报警。
所述裂隙模型6包括顶盖和底座25，所述顶盖的外周与底座25之间设置有橡胶圈22，顶盖的上端通过有机玻璃紧固螺栓23安装有顶盖固定圈20，所述顶盖固定圈20通过定位螺栓21与底座连接，顶盖固定圈上还设置有模型紧固螺栓26，裂隙模型6与支架的连接处为转轴连接，支架上设置有对裂隙模型6的角度进行调节的齿轮传动装置，所述裂隙模型6的顶盖为利用钢骨架支撑的有机玻璃板24，有机玻璃板24上设有刻度尺。
实施例二
一种使用实施例的装置进行模拟的方法，步骤如下：
（1）在裂隙模型6的顶盖安装至裂隙模型6的底座25内后，根据要模拟的地层条件调节限压阀12的限定压力，通过在水泵8注水过程中的限压实现所需模拟的地下水压力和流量；（2）根据要模拟的油页岩开采区的注气条件调节空压机11的排量，实现所需模拟的气体流量；
（3）根据所设置的裂隙高度选取水泥和外加剂，通过天平13将选取的水泥、外加剂及水放入泥浆搅拌罐1中，搅拌5分钟后，开启注浆泵3进行注浆；
（4）通过控制柜上15的无纸记录仪对浆液的压力和流量、水和空气的流量进行实时记录；（5）通过有机玻璃板24顶部的摄像头14对浆液扩散进行实时记录，通过浆液扩散的边界曲线和裂隙的高度、泥浆压力和流量、水的压力和流量、空气的流量以及泥浆的性质得到浆液扩散的边界方程。
根据所要模拟的地层深度确定地下水压力，利用公式p=ρgh确定所述的地层压力，其中，p为限压阀预设压力，ρ为地下水的密度，g为重力加速度，h为地下水水深，通过天车将裂隙模型6的顶盖吊至裂隙模型6的底座25内，两者之间通过顶盖有机玻璃板24侧壁的橡胶圈22与底座25内侧壁的挤压实现密封，之后通过定位螺栓21调节两者之间缝隙的高度，通过齿轮传动装置调节模型的角度，进而实现不同裂隙高度、不同裂隙角度的地层的模拟，根据计算出的要模拟的地下水压力，设置限压阀12预设压力，根据模型裂隙的高度选取粒径合适的水泥浆液配方，有机玻璃板24表面带有刻度尺，可准确测量泥浆扩散的距离；裂隙模型6的转轴带有刻度盘，可准确测量裂隙的倾斜角；通过顶部的摄像头14可实时记录有机玻璃下浆液的扩散情况，得到泥浆扩散边界的精确曲线。
其中模型顶盖为顶部附有加强筋保护框架的有机玻璃板24，两者通过对称分布的8个螺栓相连，有机玻璃板24的侧壁被切削出一圈凹槽并放入橡胶圈22，有机玻璃板24的外径略小于底座25的底部钢板槽的内径，两者通过密封圈的挤压进行密封；顶盖外环布置有一组内螺纹孔，底座外环与螺纹孔对应的位置布置有一组光滑定位孔，并配有一组定位螺栓21，当定位螺栓21与顶盖螺纹拧紧时，有机玻璃板24被完全抬离底座，且稍高于底座外环，防止顶盖在起吊的过程中发生磕碰，起到保护作用；通过调节定位螺栓21的松紧可以间接实现有机玻璃24板的升降；顶盖外环还布置有一组光滑通孔，底座外环与之对应的位置布置有一组内螺纹孔，并配备一组模型紧固螺栓26，模型紧固螺栓26与底座压到最紧时，有机玻璃板24底面与底座相距0.2mm。
注浆泵3的吸液端通过软管与泥浆搅拌罐1相连，温度传感器2安装于泥浆搅拌罐1内部，用于检测泥浆搅拌罐1内浆液的温度；注浆泵3的排液端经由压力传感器4和泥浆流量5计，通过不锈钢管线与底座中心的注浆孔17相连；水泵8的吸水端通过抽水软管与水箱7相连；水泵8的注水端通过注水软管与底座边缘的注浆孔17相连；空压机11通过注气软管与底座另一侧边缘的注浆孔17相连；摄像头14通过支架装置悬置于顶盖上部，利用笔记本安装的记录软件对可视化顶盖下的浆液的扩散进行实时记录；压力传感器4的测试端通过螺纹与底座的传感器预留孔相连接，数据传输端通过数据线与控制柜15中的无纸记录仪相连接，实时记录模型裂隙中的压力变化。
利用前述装置进行模拟的方法，该方法由如下步骤构成：
第一步，将放置于保护垫上的顶盖的定位螺栓21拧到最紧，利用天车将模型顶盖吊到底座25上，利用定位孔和定位螺栓21的对接完成顶盖与底座25间的定位，通过松紧定位螺栓21调节有机玻璃板24与底座25的距离，直至达到实验需要的裂隙高度，之后利用模型紧固螺栓26将顶盖压紧，防止注浆和注水造成的顶盖抬升；通过模型的旋转传动装置将模型旋转到实验所需角度，并将摄像头14架好并调整好拍摄角度。
第二步，根据要模拟的地层条件，在底座25选择合适的水泵和空压机注入孔，将水泵8和空压机11与选定的注入孔相连接，将注浆泵3与中心注入孔相连接；打开水泵8向裂隙模型6中注水，待模型充满水后，通过调节排水口的限压阀12将裂隙模型6中的水压调到所需值；打开空压机11向裂隙模型中注气，根据所需注气量对空压机11进行调节。
第三步，启动泥浆搅拌罐1，并向泥浆搅拌罐1中加入称量好的浆液配料，搅拌5分钟后，开启注浆泵3，同时利用摄像头14开始连续拍照；待浆液扩散停止后，关闭注浆泵3、水泵8和空压机11并结束拍照；打开限压阀12将模型内部压力排空，对注浆管线和裂隙模型6进行拆卸和清洗。
第四步，对拍摄的浆液扩散照片进行处理，得到浆液扩散边界随时间的变化的边界曲线，将无纸记录仪对压力传感器4和泥浆流量计5检测得到的压力和流量曲线进行汇总，结合设定的水压和注气量，对浆液扩散的边界曲线进行拟合，得到适用于油页岩压裂地层条件下的浆液扩散边界方程。通过该装置和方法可模拟浆液在不同油页岩压裂地层条件、开采区注气条件和浆液性质条件下的浆液扩散范围，研究不同注浆工艺在三种关键因素影响下浆液的扩散规律，选择合适的注浆工艺，使浆液扩散更加稳定且更少地对开采区造成干扰，提高注浆止水效果，为油页岩压裂地层的注浆止水工程的设计和优化提供理论依据。可以通过改变裂隙模型的倾角来实现不同裂隙倾角地层的模拟，通过改变水泵的流量和限压阀的压力实现不同地下水流速、不同地下水压力的模拟，通过改变空压机的流量实现不用开采区注气井的干扰模拟，最终得出在不同油页岩压裂地层中泥浆的流动规律，以便优选出合适的堵漏浆液。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种模拟泥浆在油页岩压裂地层中扩散的实验装置，包括泥浆搅拌罐（1）、温度传感器（2）、注浆泵（3）、压力传感器（4）、泥浆流量计（5）、裂隙模型（6）、水箱（7）、水泵（8）、水泵流量计（9）、气体流量计（10）、空压机（11）、限压阀（12）、天平（13）、摄像头（14）、控制柜（15）、数据线（16）和支架，其特征在于，所述裂隙模型（6）的底部通过不锈钢管线与注浆泵（3）、压力传感器（4）、泥浆流量计（5）及泥浆搅拌罐（1）相连，泥浆搅拌罐（1）上设置有温度传感器（2），裂隙模型（6）通过注浆孔（17）和注水软管与水泵（8）及水泵流量计（9）相连，水泵（8）通过注水软管与水箱（7）连接，裂隙模型（6）通过注气软管与空压机（11）及气体流量计（10）相连，裂隙模型（6）通过外环孔（19）连接有限压阀（12）和天平（13），裂隙模型（6）通过测压孔（18）与压力传感器（4）相连；裂隙模型（6）安装在支架上，摄像头（14）放置于裂隙模型（6）顶部，温度传感器（2）、注浆泵（3）、压力传感器（4）、泥浆流量计（5）、裂隙模型（6）、水泵（8）、水泵流量计（9）、气体流量计（10）、空压机（11）、限压阀（12）和摄像头（14）均通过数据线（26）与控制柜（15）电性连接，空压机（11）与裂隙模型（6）之间设置有气体单向阀（29）和缓冲罐（30），泥浆流量计（5）与裂隙模型（6）之间设置有泥浆单向阀（27），水泵流量计（9）与裂隙模型（6）之间设置有液体单向阀（28），裂隙模型（6）的外环孔（19）上连接有一个安全泄压阀。
2.根据权利要求1所述的一种模拟泥浆在油页岩压裂地层中扩散的实验装置，其特征在于，所述裂隙模型（6）包括顶盖和底座（25），所述顶盖的外周与底座（25）之间设置有橡胶圈（22），顶盖的上端通过有机玻璃紧固螺栓（23）安装有顶盖固定圈（20），所述顶盖固定圈（20）通过定位螺栓（21）与底座连接，顶盖固定圈上还设置有模型紧固螺栓（26）。
3.根据权利要求1所述的一种模拟泥浆在油页岩压裂地层中扩散的实验装置，其特征在于，裂隙模型（6）与支架的连接处为转轴连接，支架上设置有对裂隙模型（6）的角度进行调节的齿轮传动装置。
4.根据权利要求1所述的一种模拟泥浆在油页岩压裂地层中扩散的实验装置，其特征在于，所述裂隙模型（6）的顶盖为利用钢骨架支撑的有机玻璃板（24），有机玻璃板（24）上设有刻度尺。
5.一种使用如权利要求1-4中任一项所述的装置进行模拟的方法，其特征在于，步骤如下：（1）在裂隙模型（6）的顶盖安装至裂隙模型（6）的底座（25）内后，根据要模拟的地层条件调节限压阀（12）的限定压力，通过在水泵（8）注水过程中的限压实现所需模拟的地下水压力和流量；
（2）根据要模拟的油页岩开采区的注气条件调节空压机（11）的排量，实现所需模拟的气体流量；
（3）根据所设置的裂隙高度选取水泥和外加剂，通过天平（13）将选取的水泥、外加剂及水放入泥浆搅拌罐（1）中，搅拌5分钟后，开启注浆泵（3）进行注浆；
（4）通过控制柜上（15）的无纸记录仪对浆液的压力和流量、水和空气的流量进行实时记录；
（5）通过有机玻璃板（24）顶部的摄像头（14）对浆液扩散进行实时记录，通过浆液扩散的边界曲线和裂隙的高度、泥浆压力和流量、水的压力和流量、空气的流量以及泥浆的性质得到浆液扩散的边界方程。
6.根据权利要求4所述的进行模拟的方法，其特征在于，根据所要模拟的地层深度确定地下水压力，利用公式p=ρgh确定所述的地层压力，其中，p为限压阀预设压力，ρ为地下水的密度，g为重力加速度，h为地下水水深。
7.根据权利要求1所述的进行模拟的方法，其特征在于，通过天车将裂隙模型（6）的顶盖吊至裂隙模型（6）的底座（25）内，两者之间通过顶盖有机玻璃板（24）侧壁的橡胶圈（22）与底座（25）内侧壁的挤压实现密封，之后通过定位螺栓（21）调节两者之间缝隙的高度，通过齿轮传动装置调节模型的角度，进而实现不同裂隙高度、不同裂隙角度的地层的模拟。
8.根据权利要求1所述的进行模拟的方法，其特征在于，根据计算出的要模拟的地下水压力，设置限压阀（12）预设压力，根据模型裂隙的高度选取粒径合适的水泥浆液配方。
9.根据权利要求1所述的进行模拟的方法，其特征在于，有机玻璃板（24）表面带有刻度尺，可准确测量泥浆扩散的距离；裂隙模型（6）的转轴带有刻度盘，可准确测量裂隙的倾斜角；通过顶部的摄像头（14）可实时记录有机玻璃下浆液的扩散情况，得到泥浆扩散边界的精确曲线。
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