CN111272576A - 一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法，属于岩石力学及油气藏开采领域，其特征主要由模型系统（1）、水力压裂系统（2）、三轴应力加载及控制系统（3）、压力测量系统（4）、温控系统（5）、渗流‑增压系统（6）、管阀件系统（7）、数据采集处理系统（8）、声发射系统（9）、操作台（10）及复合相态流体监测系统（11）等部分组成。该实验装置可模拟原位条件下不同压裂介质压裂含孔隙压力多孔岩石的真三轴压裂过程，可考虑地层流体与压裂介质相互作用影响，并能模拟含天然气储层压裂过程，解决现有设备只能压裂零孔隙压力多孔岩石的问题。此外，此压裂渗流设备通过分别计量不同方向的流量并结合上下游压力差实现各向异性渗透率测量，进而对比压裂前后渗透率值确定不同压裂介质的各向异性压裂效果。

Description

一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法
技术领域
本发明一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法，属于岩石力学与油气藏开发领域，主要适用于原位条件下不同压裂介质真三轴压裂含孔隙压力多孔岩石并测量各向异性渗透率的研究，重点揭示不同压裂介质的含孔隙压力多孔岩石的裂缝起裂扩展规律、各向异性压裂效果特征，实现压裂介质与地层流体相互作用下的压裂试验模拟。
背景技术
我国非常规油气资源十分丰富，但由于其低渗特性储层需要压裂才能实现经济开采。除了已广泛应用的水力压裂技术，无水（干法）压裂技术（液态CO2，液氮，超临界CO2（ScCO2），LPG）也备受关注。此外，随着油气储层埋藏深度的增加，孔隙（地层）压力逐渐增加，其压裂过程不能忽略地层原始孔隙压力对地层压裂效果的影响。此外，不同压裂介质可能与地层孔隙流体发生作用进而影响其压裂效果，例如ScCO2会与地层水结合生成碳酸溶蚀地层。
目前随着油气资源的开采技术的不断革新与发展，在压裂装置与方法近年来取得了需要重要的研究成果，涉及的压裂渗流的装置与方法的专利也已经取得了重要的突破，但其专利基本只对零孔隙压力岩石试件开展压裂试验，针对含孔隙压力岩石的真三轴压裂渗流装置与方法方面的专利极为缺少。针对压裂渗流装置与方法的专利能够获得如现有的公开号为：成都理工大学的“一种保持岩石应力实现不同方向渗流的真三轴夹持装置（CN108362622 A）”属于油气实验技术领域，该试验装置通过测量同一方向岩石试件两壁面的流量与压力差，实现真三轴地应力条件下的各向异性渗透率测量。本发明装置与上述发明不同之处在于本装置通过井眼注入流体后同时测量岩石试件不同方向流量确定渗透率的各向异性。中国石油大学（北京）的“一种超临界二氧化碳压裂模拟试验装置（CN106404549 A）”可开展饱和孔隙压力条件下的ScCO2压裂试验，装置无密封胶套，孔隙压力加载的实现方式是围压腔流体通过应力加载面缝隙向岩石时间加孔隙压力，且不能实现渗透率的测量。本发明装置与之相比含有三维密封胶套，并通过多孔槽板的应力加载面实现孔隙压力加载，且能测量各向异性渗透率。东北大学的“一种模拟页岩气压压裂过程的实验装置及实验方法（CN201410235314.X）”，中国科学院武汉岩土力学研究所的“一种可实现水压致裂试验的真三轴压力装置（CN201210084189.8）”，太原理工大学的“一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置与试验方法（CN104655495B）”均是针对零孔隙压力多孔岩石，且未加密封胶套实现真正的压裂前后的渗透率评价。
综上，急需研发一种不同压裂介质真三轴压裂含孔隙压力多孔岩石压裂及渗流测量装置与试验方法，进而探究不同压裂介质与地层流体相互作用下的多孔岩石裂缝起裂扩展规律，评价压裂前后的各向异性渗透率的变化，综合评估不同施工参数下的压裂介质的压裂效果。
发明内容
本发明一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法，解决现有装置不能压裂含孔隙压力多孔岩石试件的弊端，且真正实现原位条件下压裂前后各向异性渗透率测量。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下方式实现：
本发明的一种新的真三轴压裂渗流试验装置主要由模型系统（1）、水力压裂系统（2）、三轴应力加载及控制系统（3）、压力测量系统（4）、温控系统（5）、渗流-增压系统（6）、管阀件系统（7）、数据采集处理系统（8）、声发射系统（9）、操作台（10）及压裂介质相态监测系统（11）等部分组成。
所述的三轴应力加载及控制系统（3）是通过X、Y、Z三个方向的外置-内置油缸对岩石试件应力加载，内置油缸位于密封腔内，内置油缸结合密封胶套整体密封岩石试件，此外，5个外置液压油缸带有独立伺服控制系统，可实现压裂全过程三轴应力的恒定，外部油缸布置有三个方向的位移传感器，测量压裂全过程各个方向位移变化；此系统包含1套应力加载泵，分别5个外置油缸和内置油缸（Z方向下部无油缸），XYZ方向三套伺服控制系统，三个位移传感器。
所述的温控系统（5）可实现试件的整体加热/保温，最高温度可至100℃，采用围压腔流体循环加热及内置电热插管的复合加热/保温方式保证实验过程岩石试件温度恒定，且带压循环流体对密封胶套施加围压进而密封试件，需保证循环流体压力要高于试件孔隙压力。所述的渗流-增压系统（6）通过分别计量水力压裂系统（2）经井眼向岩石试件注入压力后的试件壁面XYZ方向的流量计算各向异性渗透率，对比压裂前后渗透率变化确定压裂效果。此外，渗流-增压系统（6）可通过渗流管线向试件6个壁面注入流体增压，实现岩石试件孔隙压力的加载。
所述的流体相态（CO2等）监测系统（11）通过压裂管线的压力传感器和注入井井底的温度传感器分别测量井口处压裂介质的压力、温度，进而根据其相态图确定其相态。此外，压裂管线和渗流管线分别装有可视窗，可实时观测压裂过程中试件上下游CO2相态变化。
上述的一种不同压裂介质真三轴压裂带孔隙压力岩石及渗流测量装置与试验方法，所述的岩石试件尺寸为200×200×200mm立方体，三轴应力最高达50MPa，孔隙压力最高达10Mpa（围压腔循环流体压力最多10MPa，孔隙压力低于围压），可模拟储层埋藏深度达2000m和最高温度达100℃的地质环境条件下的真三轴压裂过程。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明装置三维密封胶套与带压循环流体有效实现试件全密封，通过岩石试件壁面加压实现岩石试件的孔隙压力加载，首次实现含孔隙压力多孔岩石的真三轴压裂，并可测量其三个不同方向的渗透率。
附图说明
图1：真三轴压裂装置整体流程示意图；
图2：真三轴压裂夹持器模型主视图结构示意图；
图3：真三轴压裂装置组装完成后结构示意图；
图中标号：
1—X方向液压油缸；2—Z方向液压油缸；3—压裂井筒；4—压裂试件；5—X方向内置加载油缸；6—Y、Z方向内置加载油缸；7—磁致伸缩位移传感器；8—压裂腔；9—底部支架；10—手动摇杆；11—高速摄像机；12—压裂观测窗；13—外部冷光源；14—压力传感器；15—温度传感器；16—压裂管线；17—渗流容器；18—预热系统；19—恒流恒压泵；20—磁力搅拌器；21—异性四通；22—液态二氧化碳活塞釜；23—低温浴槽；24—气瓶；25—Y方向液压油缸；26—电子天平；27—气体流量计。
实施方式1：
下面结合附图对本发明进一步说明。
一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法，包括如下具体实施步骤：
本实施示例中以200×200×200 mm立方体试件为例，压裂方式为超临界二氧化碳压裂，外部载荷25 MPa，煤岩饱和水，孔隙压力5MPa，温度40℃。
步骤一：将200×200×200 mm立方体用固定台钻钻取一个直径为Φ12 mm、深度为100 mm的钻孔，将直径Φ10 mm的压裂井筒3至于钻孔内，并用高强度树脂胶对压裂井筒3进行封孔，钻孔底部留设5 mm的裸眼压裂段；将岩石试件抽真空1h后饱和水；
步骤二：通过手动摇杆10将X方向内置加载油缸5、Y与Z方向内置加载油缸6移出；
步骤三：将步骤一中加工好的试件4置于保温箱内，箱体温度设置40℃，提前预热烘干，48h后将试件从试件中取出，并将耐高压的温度传感器从压裂井筒3内布置于钻孔底部；
步骤四：进一步地，将步骤三中的试件4置于密封胶套内，并将其整体置于内置油缸内，并将X方向内置加载油缸5、Y与Z方向内置加载油缸6与密封胶套紧密贴合，试件与内置油缸之间布置有多孔槽板；
步骤五：将安装好的试件通过手动摇杆10将其整体移动至压裂腔8内，并在多孔槽板上两个侧面布置8个声发射探头，并将压裂管线与压裂井筒3相互连接，此后，通过X方向液压油缸1、Z方向液压油缸2、Y方向液压油缸25进行应力加载至25MPa，并开启压裂腔内的温控系统，将温度设定在40℃；此后向围压腔注入8MPa循环流体，确保岩石试件与密封胶套的密封性；通过压裂管线向井眼注入1MPa氮气/水，测定XYZ方向的流量，确定压裂前不同方向渗透率值。
步骤六：压裂管线换用纯水注入岩石试件直至渗流管线不再冒出气泡，可认为无氮气/空气存在；
步骤七：当岩石渗透率高时，关闭渗流管线并监测其压力值，当XYZ三方向管线压力达到5MPa时可视为岩石试件孔隙压力加载完成；当岩石渗透率低时，通过恒速恒压泵经渗流管线向试件XYZ6个壁面增压，监测注入井井眼处的压力传感器示数14直至5MPa，可认为岩石试件孔隙压力加载完成；稳压30min，确定三轴应力、围压腔循环流体和井眼压力表压力恒定，可视为岩石试件初始条件加载完成；
步骤八：开启低温浴槽23，打开气瓶24阀门，将气瓶24内的气态二氧化碳迅速冷却液化，将液态的二氧化碳存储于液态二氧化碳活塞釜22内，打开异性四通21阀门及预热系统18，将液态二氧化碳持续加热至40℃，并通过压力传感器14、温度传感器15监测异性四通21的温度与压力值，进一步地的将液态二氧化碳进行增压，打开高速摄像机11，外部冷光源13，通过压裂观测窗12，采用打开高速摄像机11、压力传感器14、温度传感器15测量液态二氧化碳向超临界二氧化碳的转换过程及其温度压力值；
步骤八：开启声发射监测系统，打开恒流恒压泵19，将超临界二氧化碳注入压裂试件4内，同时借助压力传感器14、温度传感器15监测压裂井筒3底部的压力与温度，并全程监测采集注液压力，声发射动态响应特征；
步骤九：对压裂后的岩石试件泄压直至渗流管线压力传感器示数14为大气压，流体无溢出。打开渗流容器17，对压裂后的试件注入1MPa氮气/水，当采用氮气测量压裂试件的渗透率时，通过压裂井筒3持续注入氮气，打开X、Y、Z方向的多孔槽板上的渗流通道，通过气体流量计27分别收集不同方向的氮气，并实时记录，进而完成渗流测量过程；当采用水测量渗透率时，通过压裂井眼3持续注入，打开X、Y、Z方向的多孔槽板上的渗流通道，此时打开电子天平26，采用三个高精度电子天平分别采集不同方向上的水流量随时间的变化情况，进而完成渗透率的测量。最后，对比压裂前渗透率值，分析超临界二氧化碳不同方向的压裂效果
最后说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的实施方式已经对本发明进行了描述，但本领域的科研技术人员应当明白，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。
具体实施方式
上述的一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法，该装置首先通过手动摇杆将内置压裂腔整体移出，并将已经钻取压裂井筒的饱和流体的立方体试件装入压裂密封胶套内，随后将试件至于压裂腔体内部，并通过手动摇杆将试件移动至压裂整体框架的压力室内；其次，将压力传感器布置于压力管线、温度传感器布置于压裂井筒底部，并测定仪器的工作状态，保证仪器的运行状态；将多孔加载钢板至于内置油缸与试件之间，并布置8个声发射探头分别置于试件的边缘位置，并通过外置油缸逐级施加载荷，进而压缩内部油缸对试件整体施加应力，同时围压腔循环流体逐步增压，直到应力、循环流体压力增至预定值，注入井管线注入定压流体（水/气）测量各方向渗流管线的流量确定渗透率；通过渗流管线反向向岩石试件6个壁面注入流体排气增压，当井眼压力值稳定达到孔隙压力预定值（为保证密封，此值低于围压腔循环流体压力），稳定30min后可视为试件孔隙压力加载完成；通过温控系统对围压腔循环流体保温，并且稳定时间30min，并接通压裂管线；开启声发射监测系统，并不断注入压裂介质，直至试件起裂，待试件起裂稳定后，再向井内注入定压流体，开启渗流测量系统，当流出流体为单相且渗流管线压力恒定时测量流量，确定压裂后的渗透率。对比压裂前后的渗透率值，进而评价压裂效果。

Claims (8)

1.一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法，其特征在于是可模拟原位条件下不同压裂介质真三轴压裂含孔隙压力多孔岩石的压裂过程，并可测量压裂前后岩体不同方向渗透率；该装置主要由模型系统（1）、水力压裂系统（2）、三轴应力加载及控制系统（3）、压力测量系统（4）、温控系统（5）、渗流-增压系统（6）、管阀件系统（7）、数据采集处理系统（8）、声发射系统（9）、操作台（10）及复合相态流体（CO2等）监测系统（11）等部分组成；
所述的三轴应力加载及控制系统（3）通过X、Y、Z三个方向的液压油缸分别推动围压腔内的内置油缸对岩石试件联动加载，液压油缸用于施加约束应力等地应力状态，内置油缸结合三维密封胶套实现压裂试件的密封，进而保证压裂前的岩石试件孔隙压力稳定加载和压裂前后的渗流试验；
此外，5个外置液压油缸分别通过独立的伺服控制阀控制，保证压裂过程中的地应力状态保持恒定并互不影响；所述的温控系统（5）可实现试件的整体加热/保温，最高温度可至100℃，采用围压腔流体循环加热及内置电热插管的复合加热/保温方式保证实验全过程试件温度恒定，且带压循环流体对密封胶套施加围压密封试件，需保证循环流体压力要高于试件孔隙压力；所述的渗流-增压系统（6）通过分别计量水力压裂系统（2）经井眼向试件注入压力后的试件壁面XYZ方向的流量计算各向异性渗透率，从而确定体积压裂效果；
此外，渗流-增压系统（6）可通过渗流管线向试件6个壁面注入流体增压，实现岩石试件孔隙压力的加载；
所述的操作台（10）可通过省力减速机构及伺服丝杠移动机构实现岩石试件的拉出和推进；
所述的流体相态（CO2等）监测系统（11）通过压裂管线的压力传感器和注入井井底的热电偶测量压裂介质的温度、压力，进而根据其相态图确定注入流体相态；
此外，压裂管线和渗流管线分别布置有可视窗，可实时监测岩石试件上下游压裂介质相态变化。
2.根据权利要求1所述的一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法，其特征在于，所述的压裂介质（CO2等）相态监测是通过压裂管线上的压力传感器与注入井井底的温度传感器确定温度、压力值，并结合相态图确定注入井井底处压裂介质的相态；此外，压裂管线和渗流管线分别布置有可视窗，可观测岩石试件上下游CO2实时相态监测。
3.根据权利要求1所述的一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法，其特征在于，所述的压裂试件尺寸为（200×200×200mm）立方体，且是通过外置与内置油缸联动传动等方式实现岩石试件的三轴应力加载。
4.根据权利要求1所述的一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法，其特征在于，所述的含孔隙压力多孔岩石试件的密封是通过内置油缸、全封闭胶套及带压循环流体实现，且围压腔循环流体压力值要始终高于岩石试件孔隙压力加载值，防止岩石内孔隙流体通过内置油缸与密封套界面泄露至围压腔。
5.根据权利要求1所述的一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法，其特征在于，所述的岩石试件孔隙压力的加载有两种方法，一是通过渗流管线反向向试件6个壁面注入流体加压实现，岩石试件可提前饱和减少加压时间，监测注入井段的压力值达到岩石试件的孔隙压力设定值并保持30min，即可认为试件孔隙压裂加载完成；二是当岩石试件渗透率较高时，可通过压裂管线和井眼向岩石试件注入流体增压，当渗流管线流出注入流体无气泡，关闭渗流管线并观察其压力值，当其压力值稳定达到岩石试件的孔隙压力设定值并保持30min，可认为试件孔隙压力加载完成。
6.根据权利要求1所述的一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法，其特征在于，所述的含孔隙压力多孔岩石的复合相态CO2压裂试验是预先向岩石试件注入相应地层流体（水/CH4等）后开展压裂试验，可模拟压裂过程中CO2与地层流体的相互作用。
7.根据权利要求1所述的一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法，其特征在于，所述的含天然气储层压裂试验是预先向岩石试件注入目标气体直至气体压力达到孔隙压力设定值后开展压裂试验。
8.根据权利要求1所述的一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法，其特征在于，所述的各向异性渗透率测量是通过分别计量井眼注入岩石试件后XYZ三个方向的流量与岩石试件上下游压力差计算得到，进而通过压裂前后的渗透率值变化评价不同压裂介质压裂效果的各向异性。
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