CN111999183A - 一种硬脆性泥页岩破裂实验装置及评价方法 - Google Patents

一种硬脆性泥页岩破裂实验装置及评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硬脆性泥页岩破裂实验装置及评价方法，该方法包括以下步骤：1)样品制备；将页岩岩心用线切割方法制成不同长度、不同面积的柱状岩心；2)单轴压裂实验；将烘干的页岩样品装入三轴向岩心夹持器中，首先打开环压阀门，将压力升至5MPa，关闭环压，然后将轴压加至2MPa，加入口压力至2MPa，打开接岩心夹持器入口的阀门，开始用氮气驱替，待流量稳定后测试出口流量，记录时间、入口压力、出口流量、环压；然后依次改变轴压，进行不同轴压下的氮气驱，轴压间隔为5MPa，直至最高升至55MPa；3)页岩岩样的破裂程度评价；根据实验数据绘制岩样轴压应力与应变的关系曲线、轴压与渗透率关系曲线，获得页岩岩样的破裂程度评价结果。

Description

一种硬脆性泥页岩破裂实验装置及评价方法
技术领域
本发明涉及页岩气开采技术，尤其涉及一种硬脆性泥页岩破裂实验装置及评价方法。
背景技术
目前较为有效的页岩气田开采模式是水力多段压裂改造地层的方式，通过向地层中灌入高压流体(水)，使地层岩石中出现大面积裂缝网，增加气体的流通通道，增大产气量。岩石力学参数在压裂改造时还不适应，不能完全表示压裂后的岩石的破碎程度；压裂改造的目的是改造流体在岩石中渗流能力，因此，用渗透率参数来表征不同压力条件下的储层改造能力，从而更好评价页岩储层压裂改造程度。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种硬脆性泥页岩破裂实验装置及评价方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种硬脆性泥页岩破裂实验装置，包括：三轴向岩心夹持器、环压加压泵、轴向加压泵、压力传感器、气体流量计、激光同轴位移计和高纯氮气；所述三轴向岩心夹持器分别与轴向加压泵和环压加压泵相连；三轴向岩心夹持器入口端连接压力传感器和高纯氮气，三轴向岩心夹持器出口端连接气体流量计，所述激光同轴位移计设置在三轴向岩心夹持器入口管线上。
按上述方案，所述三轴向岩心夹持器内部装入圆柱形页岩样品，通过轴向注液孔与轴向加压泵相连、环压注液孔与环压加压泵相连。
一种硬脆性泥页岩破裂程度实验评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)样品制备；将页岩岩心用线切割方法制成不同长度、不同面积的柱状岩心；将选好的样品放入恒温干燥箱中，在120℃的温度条件下烘干24小时，然后取出放入干燥器中降至常温待用，并测试页岩样品长度、直径、孔隙度、渗透率参数；
2)单轴压裂实验；
单轴压裂实验采用的单轴压裂实验装置，主要包括三轴向岩心夹持器，激光同轴位移计，环压加压泵和轴向加压控制系统，高精度压力传感器，气体流量计；
其中，用于装入页岩样品的三轴向岩心夹持器分别与轴向加压控制系统和环压加压泵相连，之间设有控制阀门和高精度压力传感器，所述激光同轴位移计设置在三轴向岩心夹持器上，所述气体流量计与三轴向岩心夹持器的出口阀相连；
将烘干的页岩样品装入三轴向岩心夹持器中，首先打开环压阀门，将压力升至5MPa,关闭环压，然后将轴压加至2MPa，加入口压力至2MPa，打开接岩心夹持器入口的阀门，开始用氮气驱替，待流量稳定后测试出口流量，记录时间、入口压力、出口流量、环压；然后依次改变轴压，进行不同轴压下的氮气驱，轴压间隔为5MPa，直至最高升至55MPa；其中，一个环压完成后改变环压，升至下一个压力点，环压间隔为5MPa，最大环压升至55MPa，在实验过程中每个压力点稳定时间不少于30分钟；
3)页岩岩样的破裂程度评价；根据实验数据绘制岩样轴压应力与应变的关系曲线、轴压与渗透率关系曲线，获得页岩岩样的破裂程度评价结果。
按上述方案，所述步骤1)中样品加工为直径25.4mm、高为50mm的圆柱形样品。
按上述方案，所述步骤3)中还包括以下参数计算：根据实验温度下气体粘度μ、压力P、流量Q参数，计算任一轴压下的岩石渗透率Ki，根据轴向压力、岩石受力面积计算轴向应力σ；根据样品长度和位移量计算轴向应变参数ε。
按上述方案，所述步骤3)中通过渗透率与轴压关系曲线，由渗透率变化判断岩石破裂程度，通过轴向应力与应变关系曲线，分析岩石的抗压强度。
本发明产生的有益效果是：
1、页岩样品保形。采用线切割方法保证岩石样品的完整性、真实性。
2、单轴应力下岩样破裂时渗透率参数。通过测量岩样不同压裂条件下气体的压力、流量，计算岩样的渗透率，用渗透率参数更准确、直观表征岩样的压裂改造程度。根据轴压与渗透率关系曲线，结合现场实际压力，可以判断储层的改造程度。
3、不同单轴应力下应变测量更准确。采用激光同轴位移计的测量精度可以达到微米级、压力传感器的测压精度0.001MPa，更准确测量应力、应变量，绘制应力应变关系曲线。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例的渗透率与轴压关系曲线示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
焦石坝页岩气田是中国第一个商业化开采的页岩气田，地质储量达到6000亿方。目前较为有效的开采模式是水力多段压裂改造地层的方式，通过向地层中灌入高压流体(水)，使地层岩石中出现大面积裂缝网，增加气体的流通通道，增大产气量。岩石力学参数在压裂改造时还不适应，不能完全表示压裂后的岩石的破碎程度；压裂改造的目的是改造流体在岩石中渗流能力，因此，用渗透率参数来表征不同压力条件下的储层改造能力，从而更好评价页岩储层压裂改造程度。
实施例1：不同渗透率干燥页岩破裂压力实验
如图1所示，本实验采用的单轴压裂实验采用的单轴压裂实验装置，主要包括三轴向岩心夹持器，激光同轴位移计，环压加压泵和轴向加压控制系统，高精度压力传感器，气体流量计；
其中，用于装入页岩样品的三轴向岩心夹持器分别与轴向加压控制系统和环压加压泵相连，之间设有控制阀门和高精度压力传感器，所述激光同轴位移计设置在三轴向岩心夹持器上，所述气体流量计与三轴向岩心夹持器的出口阀相连；
实验步骤：
1)用线切割方法将页岩岩心制成不同长度、直径为2.5cm左右的柱状岩心。
2)在120℃条件下岩心烘干24小时后取出放入干燥器降至常温，将岩心用热塑胶带部分包裹。然后测试页岩样品长度、直径、孔隙度、渗透率等参数。
3)将烘干的页岩样品装入三轴向岩心夹持器中，首先打开环压阀门，将压力升至5MPa,关闭环压。然后将轴压加至2MPa，加入口压力至2MPa，打开接岩心夹持器入口的阀门，开始用氮气驱替，每个压力点稳定30min以上，待流量稳定后测试出口流量，记录时间、入口压力、出口流量、轴压和环压。然后依次改变轴压，进行不同轴压下的氮气驱，轴压间隔为5MPa，最高升至55MPa。
4)一个环压完成后改变环压，升至下一个压力点10MPa，环压间隔为5MPa，重复步骤3)进行不同轴压的驱替实验，环压最高升至55MPa。
5)实验结束后绘制流量与轴压关系曲线，计算破裂压力。
实验结果：
图2为页岩岩心不同轴压下渗透率与轴压关系曲线，从实验结果来看，在压力低于30MPa时岩心渗透率上下波动，无大的变化，当压力增至40MPa时渗透率从35MPa的0.168×10-3μm2增至0.305×10-3μm2，增大了0.8倍，说明岩心内发生了破裂，渗流通道增加，也即裂缝增加，40MPa为岩心的破裂压力。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种硬脆性泥页岩破裂实验装置，其特征在于，包括：三轴向岩心夹持器、环压加压泵、轴向加压泵、压力传感器、气体流量计、激光同轴位移计和高纯氮气；所述三轴向岩心夹持器分别与轴向加压泵和环压加压泵相连；三轴向岩心夹持器入口端连接压力传感器和高纯氮气，三轴向岩心夹持器出口端连接气体流量计，所述激光同轴位移计设置在三轴向岩心夹持器入口管线上。
2.根据权利要求1所述的页岩破裂实验装置，其特征在于，所述三轴向岩心夹持器内部装入圆柱形页岩样品，通过轴向注液孔与轴向加压泵相连、环压注液孔与环压加压泵相连。
3.一种硬脆性泥页岩破裂程度实验评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)样品制备；将页岩岩心用线切割方法制成不同长度、不同面积的柱状岩心；将选好的样品放入恒温干燥箱中，在120℃的温度条件下烘干24小时，然后取出放入干燥器中降至常温待用，并测试页岩样品长度、直径、孔隙度、渗透率参数；
2)单轴压裂实验；
单轴压裂实验采用的单轴压裂实验装置，主要包括三轴向岩心夹持器，激光同轴位移计，环压加压泵和轴向加压控制系统，高精度压力传感器，气体流量计；
其中，用于装入页岩样品的三轴向岩心夹持器分别与轴向加压控制系统和环压加压泵相连，之间设有控制阀门和高精度压力传感器，所述激光同轴位移计设置在三轴向岩心夹持器上，所述气体流量计与三轴向岩心夹持器的出口阀相连；
将烘干的页岩样品装入三轴向岩心夹持器中，首先打开环压阀门，将压力升至5MPa,关闭环压，然后将轴压加至2MPa，加入口压力至2MPa，打开接岩心夹持器入口的阀门，开始用氮气驱替，待流量稳定后测试出口流量，记录时间、入口压力、出口流量、环压；然后依次改变轴压，进行不同轴压下的氮气驱，轴压间隔为5MPa，直至最高升至55MPa；其中，一个环压完成后改变环压，升至下一个压力点，环压间隔为5MPa，最大环压升至55MPa，在实验过程中每个压力点稳定时间不少于30分钟；
3)页岩岩样的破裂程度评价；根据实验数据绘制岩样轴压应力与应变的关系曲线、轴压与渗透率关系曲线，获得页岩岩样的破裂程度评价结果。
4.根据权利要求3所述的硬脆性泥页岩破裂程度实验评价方法，其特征在于，所述步骤1)中样品加工为直径25.4mm、高为50mm的圆柱形样品。
5.根据权利要求3所述的硬脆性泥页岩破裂程度实验评价方法，其特征在于，所述步骤3)中还包括以下参数计算：根据实验温度下气体粘度μ、压力P、流量Q参数，计算任一轴压下的岩石渗透率Ki，根据轴向压力、岩石受力面积计算轴向应力σ；根据样品长度和位移量计算轴向应变参数ε。
6.根据权利要求3所述的硬脆性泥页岩破裂程度实验评价方法，其特征在于，所述步骤3)中通过渗透率与轴压关系曲线，由渗透率变化判断岩石破裂程度，通过轴向应力与应变关系曲线，分析岩石的抗压强度。
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