CN112943233A - 一种模拟储层条件下支撑剂传输的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于非常规天然气开采技术领域，具体涉及一种模拟储层条件下支撑剂传输的方法。该方法用于获得复层试样软弱层理面与主裂缝角度对微纳米支撑剂传输特性的影响，包括如下步骤：将水泥、石英砂、石子、水的混合物倒入两砂岩薄板之间，养护成型后进行拆模，即可以得到中间层为人造岩心的模拟复层试样，在砂岩薄板的中心位置上钻取模拟井眼，并在模拟井眼内粘固模拟井筒；利用模拟装置进行真三轴压裂实验，借助CT扫描检测微纳米支撑剂的传输及在应力条件下的嵌入变形等特征，考虑和研究储层软弱层理面与主裂缝的不同角度对微纳米支撑剂传输的影响，进而掌握储层软弱层理面和主裂缝之间的相关特性对于微纳米支撑剂传输特性的影响机理。
Description
技术领域
本发明属于非常规天然气开采技术领域，具体涉及一种模拟储层条件下支撑剂传输的方法。
背景技术
与常规天然气相比，非常规天然气资源储量更高且勘探开发潜力无限。在当前能源需求不断高涨的情况下，天然气成为了一种相对清洁的燃料，其中非常规天然气占据重要地位。它同时由于分布较广和储量大而有利于国家的开采和资源安全。非常规天然气资源具有低碳、洁净、绿色、低污染的特性，开发利用技术也日趋成熟，是我国新能源发展的重要方向。
在非常规天然气的开采过程中，由于储层具有低孔低渗的特点，所以需要用高压泵将混合着压裂砂的液体加压后注入到井底，把岩层挤压破碎，然后天然气就会顺着井筒流出地面。岩层被压裂之后，会形成压裂裂缝，需要使用支撑剂支撑裂缝，不让裂缝由于地应力的影响而闭合，使得天然气源源不断的出来。在开采过程中，微裂缝对产量有着重要的影响，这时需要用到微纳米支撑剂来支撑微裂缝。可见，非常规天然气的采收率依赖于支撑剂，而实际操作过程中岩层的软弱层理面与主裂隙角度对微纳米支撑剂的传输特性会产生影响。因此，研究复层试样软弱层理面与主裂缝角度对微纳米支撑剂传输特性的影响对实现更高效的开采具有很重要的意义。
已有学者建立了一套室内页岩水力压裂大型物理模拟实验方法，并结合CT扫描初步探讨了页岩水力压裂网状裂缝的形成机理。目前的一些研究较少涉及储层软弱层理面对于支撑剂的传输特性影响的研究，因此，尚无获得研究复层试样软弱层理面与主裂缝角度对微纳米支撑剂传输特性样本的针对性装置与方法。
发明内容
为了阐明复层试样软弱层理面与主裂缝角度对微纳米支撑剂传输特性的影响机理，将所得到的研究结果用到实际非常规天然气开采过程中，解决现有技术中存在的问题，从而实现更加高效的开采，需要在实验室中在真三轴模拟压裂装置条件下进行试验。
为达到上述实验目的，本发明的技术方案是模拟微纳米支撑剂传输的方法，用于获得复层试样软弱层理面与主裂缝角度对微纳米支撑剂传输特性的影响，包括如下如步骤：
a、试样的制备：砂岩加工成两块尺寸相同的薄板放置在钢制混凝土模具两侧，将搅拌好的水泥、石英砂、石子、水的混合物倒入两砂岩薄板之间；养护成型后进行拆模，即可以得到中间层为人造岩心的模拟复层试样，砂岩薄板与人造岩心之间的接触面即为模拟复层试样的软弱层理面；在砂岩薄板的中心位置上钻取模拟井眼，并在模拟井眼内粘固模拟井筒；
b、真三轴压裂实验，具体操作如下：
①通过控制砂岩薄板的切割角度来改变软弱层理面的倾斜程度，制得复层试样，将制备好的模拟复层试样放置于恒温水浴系统中的应力加载装置的内部；
②将支撑剂装入支撑剂存储灌，使支撑剂体积占罐体积的5～24％；
③启动千斤顶装置，设置模拟复层试样的应力加载围压；
④打开CO2气阀，启动增压泵，通过流量计调节频率至所需排量，启动加热管和保温管，使得CO2转化为超临界状态，通过传输管道泵入模拟井筒，在模拟复层试样内部形成高压使试样致裂，形成一定角度的主裂缝；
⑤观察计算机导出的模拟复层试样压力变化曲线，根据曲线走势判断试样是否致裂；
⑥试样压裂后，打开加热器与支撑剂存储装置之间的阀门，使超临界CO2进入支撑剂存储装置，与支撑剂混合形成混合液后，启动电机组，使混合液流入模拟井筒，同时通过计算机给增压泵提供周期性的交变应力，支撑剂通过扩散进入模拟复层试样内的裂缝中；
⑦对所制备的模拟复层试样，使试样内部形成的主裂缝角度与复层试样层理面的角度范围为45°～90°，重复步骤②～⑥，模拟压裂过程；
⑧实验结束后，取出模拟复层试样，观察压裂裂缝扩展形态与角度，借助CT扫描检测微纳米支撑剂在裂缝中的传输情况，数据分析。优选的，步骤a中，所述水泥为硅酸盐水泥，强度等级为62.5R；石英砂粒度为80～120目，石子的粒度为4～6目；水泥、石英砂、石子、水的质量比为1.0∶3.0∶4.5，水灰比＝0.5。
具体的，步骤a中制备得到的模拟复层试样为正方体，边长为200mm，内部安装有穿过应力加载系统的上盖与传输管道连接的模拟井筒；模拟井筒插设在模拟复层试样的中心部位，模拟井筒的长度90cm，同时留有20cm的裸眼段。
具体的，所述的支撑剂为微纳米支撑剂，径粒为200～400目的粉煤灰。
进一步的，粉煤灰粒径为325目，其球度和圆度均大于0.8。
优选的，设置模拟复层试样前后、左右与上下方向的围压分别为8、10、12MPa。
具体的，将恒温水浴系统和加热器温度设置为45℃。
具体的，支撑剂与压裂液混合并传输至模拟复层试样中，控制砂比为15％，同时将排量设置为30mL/min。
具体的，流量计流速调节为3m/s。
具体的，步骤b中真三轴压裂实验的装置包括通过管道依次连接的压裂液罐、增压泵、支撑剂存储罐和压裂模拟组件，所述支撑剂存储罐并联有可控制连通与切断的管路；所述压裂液罐为CO2储气罐；所述支撑剂存储罐和压裂模拟组件之间的管道长度为20～50cm；
所述压裂模拟组件包括应力加载系统；所述压裂模拟组件置于恒温水浴系统中；
所述装置还包括设置在管道上的温度传感器和压力传感器；温度传感器和压力传感器通过传输线分别与数据采集系统连接；
所述管道上还设置有电机组使压裂液与支撑剂混合形成混砂液；
所述管道上还设置有加热器，加热器与压裂模拟组件之间的管道外增加保温管。
其中，所述应力加载系统由尺寸为300mm×300mm×300mm的加载腔体、最大压力为60MPa的手摇泵和液压千斤顶组成；加载腔体的3个面上加工有孔，方便连入管路，管路与孔之间使用密封圈密封，保证整个加载腔体密封性良好。
其中，所述恒温水浴系统中的水浴槽工作尺寸为600mm×600mm×600mm，使用的温度范围为25～100℃。实验时将应力加载系统放置于恒温水浴系统中，保证实验过程中温度恒定。
进一步的，所述管道上在增压泵和加热器之间还设置有流量计，用于收集压裂液泵入应力加载系统的流量。
优选的，所述流量计为电磁流量计。
具体的，支撑剂存储装置为高度为40cm，底面直径为70cm的圆柱形存储罐，上部设置支撑剂入料口，下部设置出料口，出料口与模拟井筒的顶端相连接。
具体的，所述增压泵为双柱塞增压泵，其容积为266ml，所能提供的最大压力为51.7MPa。
其中，压力传感器测压范围为0～34.5MPa，精度为4kPa。
优选的，温度传感器测温范围为0～200℃，精度为0.1℃。
具体的，所述数据采集系统包括计算机和CT分析设备。
优选的，CT分析设备空间分辨率为2.5LP/mm，最大成像像素为4096×4096，尺寸测量精度为0.02～0.05。
具体的，压裂液罐和增压泵之间设置第一阀门；支撑剂存储灌的两侧的主管道和并联管道上分别设置第二阀门和第三阀门；支撑剂存储罐和压裂模拟组件之间设置有截止阀。
首先利用单轴抗压强度实验和巴西劈裂实验确定储层页岩试件的单轴抗压强度和抗拉强度，然后选择满足强度标号要求的水泥。步骤a中利用水切割技术将砂岩加工成薄板。
微纳米支撑剂更加适用于以超临界CO2作为压裂液的开采方式，低粘度的超临界CO2具有低携砂特性，若使用其他非微纳米支撑剂，例如石英砂，则容易导致岩层缝网中支撑剂的密度过低或分布不均匀等问题，而微纳米支撑剂的使用恰好能缓解这种情况的发生，微纳米支撑剂的颗粒较小、质量较轻，在低粘度超临界CO2中具有高传输特性，易于传输至岩层的微缝隙中，进而支撑缝隙并保证天然气的流出。
本发明制备的复层试样，视复层结合面为软弱层理面，其在使用超临界CO2压裂过程中会形成主裂缝，而主裂缝与软弱层理面的角度对微纳米支撑剂的传输有着重要影响，故需要对其进行研究。
本发明的有益效果：本发明在真三轴条件下进行超临界CO2压裂，同时借助CT扫描检测微纳米支撑剂的传输及在应力条件下的嵌入变形等特征，考虑和研究储层软弱层理面与主裂缝的不同角度对微纳米支撑剂传输的影响，进而掌握储层软弱层理面和主裂缝之间的相关特性对于微纳米支撑剂传输特性的影响机理，从而解决目前非常规天然气开采过程中的一些关键问题，实现更加高效的开采。本发明的装置和方法可以用于模拟支撑剂的传输，适于研究并阐明复层试样软弱层理面与主裂隙角度对微纳米支撑剂传输特性的影响。
附图说明
图1、本发明所用到的模拟复层试样的结构示意图；
图2、本发明所用到的模拟复层试样的剖面图；σv-垂直方向；σH-水平方向；σh-前进方向；
图3、本发明所述真三轴压裂模拟系统的整体结构示意图；
图4、增压泵的交变应力图
图5、显微镜下微裂缝(左)和微纳米支撑剂(右照片(800X)
图中各标号列示如下：
1-砂岩薄板；2-人造岩芯；3-层理面；4-模拟井筒；5-裸眼段；6-主裂缝；7-压裂液罐；8-传输管道；9-第一阀门；10-增压泵；11-流量计；12-加热器；13-保温管；14-第二阀门；15-第三阀门；16-支撑剂存储装置；17-电机组；18-截止阀；20-模拟复层试样；21-恒温水浴系统；22-压力传感器；23-温度传感器；24-计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细的说明。
实施例1试样的制备
步骤一：首先利用单轴抗压强度实验和巴西劈裂实验确定储层页岩试件的单轴抗压强度和抗拉强度，然后选择满足强度标号要求的水泥。
步骤二：利用水切割技术将砂岩加工成两块尺寸相同的长方体薄板放置在钢制混凝土模具两侧，将搅拌好的水泥、石英砂、石子、水的混合物按一定比例(所述水泥为硅酸盐水泥，根据储层页岩的物性选择强度等级为62.5R的水泥，水泥、石英砂和石子的质量比为1.0∶3.0∶4.5，水灰比＝0.5，所述石英砂粒度为80～120目，石子的粒度为4～6目；倒入两砂岩薄板1之间。)
步骤三：待中间层混凝土养护成型后进行拆模，即可以得到中间层为人造岩心2的模拟复层试样，长方体砂岩薄板与人造岩心之间的接触面即为该模拟复层试样的层理面3。
然后对模拟复层试样进行层理面剪切强度试验，确定其剪切强度。
步骤四：在砂岩薄板2的中心位置上钻取模拟井眼，并在模拟井眼内粘固模拟井筒4，得到具有模拟井筒的复层试样。
按照上述步骤制备出200mm×200mm×200mm的模拟复层试样，将该试样用于以下实验，进行研究。
所制备得到的模拟复层试样的结构如图1和图2所述。
实施例2支撑剂运输模拟实验
如图3所示，模拟微纳米支撑剂传输的装置，包括通过管道8依次连接的压裂液罐7、增压泵10、支撑剂存储罐16和压裂模拟组件，所述支撑剂存储罐并联有可控制连通与切断的管路；所述压裂液罐7为CO2储气罐；所述支撑剂存储罐16和压裂模拟组件之间的管道长度为20～50cm；
所述压裂模拟组件包括应力加载系统；所述压裂模拟组件置于恒温水浴系统21中；
所述装置还包括设置在管道8上的温度传感器23和压力传感器22；温度传感器23和压力传感器22通过传输线分别与数据采集系统连接；所述数据采集系统包括计算机24和CT分析设备；
所述管道8上还设置有电机组17使压裂液与支撑剂混合形成混砂液；
所述管道8上还设置有加热器12，加热器12与压裂模拟组件之间的管道外增加保温管13。
所述增压泵10选用美国Teledyne公司的ISCO260D双柱塞增压泵，其容积为266ml，所能提供的最大压力为51.7MPa，本发明中实验所需设置的压力为8～12MPa。
所述增压泵10与支撑剂存储装置16之间设置第二阀门15，可以用以控制传输管道与支撑剂存储装置之间的连通与断开。
所述流量计11选用电磁流量计，用于收集压裂液泵入应力加载系统的流量，本实验中，将电磁流量计流速调节为3m/s。
所述加热器12最高温度可达200℃，控温精度为0.1℃，本实施例中将温度设置为45℃。
所述加热器12与应力加载装置之间设置第二阀门14，当第二阀门14打开，而第三阀门15关闭时，压裂泵直接与应力加载装置连通，将压裂液单独泵入井筒中，使模拟复层试样压开形成裂缝；当第三阀门15打开，第二阀门14关闭时，压裂液进入支撑剂存储装置16，打开电机组17使压裂液与支撑剂混合形成混砂液，泵入模拟井筒4，进入复层试样的裂缝中。
所述支撑剂存储装置16为高度为40cm，底面直径为70cm的圆柱形存储罐，上部设置支撑剂入料口，下部设置出料口，出料口与模拟井筒4的顶端相连接。所述支撑剂选用微纳米支撑剂，本实施例中实验选用粒径为325目的粉煤灰，其球度和圆度均大于0.8。底部设置电机组17，使得支撑剂与压裂液之间充分混合并传输至模拟复层试样中，控制砂比为15％，同时将排量设置为30mL/min。通过缩短支撑剂存储装置16与复式试样20之间的的距离(20～50cm)来减少传输过程中的能量损失，使得支撑剂更加深入地冲入试样裂缝。
如图2所示，模拟井筒4插设在模拟复层试样20中人造岩心的轴心部位，同时留20cm长度的裸眼段5。
所述模拟复层试样20为正方体，边长为200mm；实验过程中模拟复层试样内部安装有穿过应力加载系统的上盖与传输管道连接的模拟井筒19。实验过程中模拟复层试样20放置于应力加载系统内部，应力加载系统由尺寸为300mm×300mm×300mm的加载腔体、最大压力为60MPa的手摇泵和液压千斤顶组成。其中加载腔体的3个面上加工有孔，方便连入管路，管路与孔之间使用密封圈密封，保证整个加载腔体密封性良好。
所述恒温水浴系统21中的水浴槽工作尺寸为600mm×600mm×600mm,使用的温度范围为25～100℃，本实施例中控制恒温45℃。实验时将应力加载系统放置于恒温水浴系统中，保证实验过程中温度恒定。
具体操作方法如下：
(1)准备制备模拟复层试样20所需的原材料，按照上述步骤制备多个如图1所示的模拟复层试样20；
(2)将制备好的模拟复层试样20放置于应力加载系统的内部；
(3)将试样与应力加载装置一同放置于准备好的恒温水浴系统21中；
(4)准备所需的微纳米支撑剂，将微纳米支撑剂材料装入支撑剂存储装置16，使支撑剂体积占罐体积的5～24％；
(5)连接设备之间的传输管道8，并检查传输管道8的密封性；
(6)连接计算机24与装置之间的传输线，通过压力传感器22、温度传感器23将实验过程中的数据传输给计算机24；
(7)启动千斤顶装置，设置模拟复层试样20前后、左右与上下方向的围压大小(分别为8、10、12MPa)；
(8)打开CO2气阀，启动增压泵10，如图4所示，以30s为一个周期进行应力的加卸载，卸载过程中应力瞬间降为0，有利于支撑剂冲入试样裂缝中，通过流量计11调节频率至所需排量，启动加热管12和保温管13，使得CO2转化为超临界状态，通过传输管道8泵入模拟井筒4，在模拟复层试样20内部形成高压使试样致裂，形成一定角度的主裂缝6；
(9)观察计算机导出的模拟复层试样20压力变化曲线，根据曲线走势判断试样是否致裂；
(10)试样压裂后，打开加热器12与支撑剂存储装置16之间的阀门15，使超临界CO2进入支撑剂存储装置16，与支撑剂混合形成混合液后，启动电机组17，使混合液流入模拟井筒4，通过扩散进入模拟复层试样20内的裂缝，支撑剂进入裂缝中；
(11)对所制备的模拟复层试样20，控制软弱层理面3的倾斜程度，使试样内部形成的主裂缝6角度与复层试样层理面3的角度分别为45°、60°和90°，重复步骤(2)～(10)，模拟压裂过程；
(12)实验结束后，关闭增压泵10、流量计11、加热器12，卸载千斤顶，将模拟复层试样20及加载装置从恒温水浴系统21中取出；
(13)保存实验数据并拷贝，关闭计算机24；
(14)取出模拟复层试样20，观察压裂裂缝扩展形态与角度，使用数码电子扫描镜扫描压裂裂缝，如图5所示，(a)是压裂裂缝，(b)、(c)是支撑剂充填裂缝。借助CT扫描检测微纳米支撑剂在裂缝中的传输情况，记录实验数据，整理实验仪器与材料，清理打扫实验室。
以上所述仅为示例，并不用以限制本发明。凡在本方面的基础上做出的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种模拟微纳米支撑剂传输的方法，用于获得复层试样软弱层理面与主裂缝角度对微纳米支撑剂传输特性的影响，其特征在于，包括如下如步骤：
a、试样的制备：砂岩加工成两块尺寸相同的薄板放置在钢制混凝土模具两侧，将搅拌好的水泥、石英砂、石子、水的混合物倒入两砂岩薄板之间；养护成型后进行拆模，即可以得到中间层为人造岩心的模拟复层试样，砂岩薄板与人造岩心之间的接触面即为模拟复层试样的软弱层理面；在砂岩薄板的中心位置上钻取模拟井眼，并在模拟井眼内粘固模拟井筒；
b、真三轴压裂实验，具体操作如下：
①通过控制砂岩薄板的切割角度来改变软弱层理面的倾斜程度，制得复层试样，将制备好的模拟复层试样放置于恒温水浴系统中的应力加载装置的内部；
②将支撑剂装入支撑剂存储灌，使支撑剂体积占罐体积的5～24％；
③启动千斤顶装置，设置模拟复层试样的应力加载围压；
④打开CO2气阀，启动增压泵，通过流量计调节频率至所需排量，启动加热管和保温管，使得CO2转化为超临界状态，通过传输管道泵入模拟井筒，在模拟复层试样内部形成高压使试样致裂，形成一定角度的主裂缝；
⑤观察计算机导出的模拟复层试样压力变化曲线，根据曲线走势判断试样是否致裂；
⑥试样压裂后，打开加热器与支撑剂存储装置之间的阀门，使超临界CO2进入支撑剂存储装置，与支撑剂混合形成混合液后，启动电机组，使混合液流入模拟井筒，同时通过计算机给增压泵提供周期性的交变应力，支撑剂通过扩散进入模拟复层试样内的裂缝中；
⑦对所制备的模拟复层试样，使试样内部形成的主裂缝角度与复层试样层理面的角度范围为45°～90°，重复步骤②～⑥，模拟压裂过程；
⑧实验结束后，取出模拟复层试样，观察压裂裂缝扩展形态与角度，借助CT扫描检测微纳米支撑剂在裂缝中的传输情况，数据分析。
2.如权利要求1所述的模拟微纳米支撑剂传输的方法，其特征在于，步骤a中，所述水泥为硅酸盐水泥，强度等级为62.5R；石英砂粒度为80～120目，石子的粒度为4～6目；水泥、石英砂、石子、水的质量比为1.0∶3.0∶4.5，水灰比＝0.5。
3.如权利要求1所述的模拟微纳米支撑剂传输的方法，其特征在于，步骤a中制备得到的模拟复层试样为正方体，边长为200mm，钻井深度为110cm，内部安装有穿过应力加载系统的上盖与传输管道连接的模拟井筒；模拟井筒插设在模拟复层试样的中心部位，模拟井筒的长度90cm，同时留有20cm的裸眼段。
4.如权利要求1所述的模拟微纳米支撑剂传输的方法，其特征在于，所述的支撑剂为微纳米支撑剂，径粒为200～400目的粉煤灰；
优选的，粉煤灰粒径为325目，其球度和圆度均大于0.8。
5.如权利要求1所述的模拟微纳米支撑剂传输的方法，其特征在于，设置模拟复层试样前后、左右与上下方向的围压分别为8、10、12MPa；
优选的，将恒温水浴系统和加热器温度设置为45℃；
优选的，流量计流速调节为3m/s；
优选的，支撑剂与压裂液混合并传输至模拟复层试样中，控制砂比为15％，同时将排量设置为30mL/min。
6.如权利要求1所述的模拟微纳米支撑剂传输的方法，其特征在于，真三轴压裂实验所用的装置包括通过管道(8)依次连接的压裂液罐(7)、增压泵(10)、支撑剂存储罐(16)和压裂模拟组件，所述支撑剂存储罐并联有可控制连通与切断的管路；所述压裂液罐(7)为CO2储气罐；所述支撑剂存储罐(16)和压裂模拟组件之间的管道长度为20～50cm；
所述压裂模拟组件包括应力加载装置；所述压裂模拟组件置于恒温水浴系统(21)中；
所述装置还包括设置在管道(8)上的温度传感器(23)和压力传感器(22)；温度传感器(23)和压力传感器(22)通过传输线分别与数据采集系统连接；
所述管道(8)上还设置有电机组(17)使压裂液与支撑剂混合形成混砂液；
所述管道(8)上还设置有加热器(12)，加热器(12)与压裂模拟组件之间的管道外增加保温管(13)。
7.如权利要求6所述的模拟储层条件下支撑剂传输的方法，其特征在于，所述应力加载系统由尺寸为300mm×300mm×300mm的加载腔体、最大压力为60MPa的手摇泵和液压千斤顶组成；加载腔体的3个面上加工有孔，方便连入管路，管路与孔之间使用密封圈密封，保证整个加载腔体密封性良好。
8.如权利要求6所述的模拟储层条件下支撑剂传输的方法，其特征在于，所述恒温水浴系统(21)中的水浴槽工作尺寸为600mm×600mm×600mm，使用的温度范围为25～100℃。
9.如权利要求6所述的模拟储层条件下支撑剂传输的方法，其特征在于，所述管道(8)上在增压泵(10)和加热器(12)之间还设置有流量计(11)，用于收集压裂液泵入应力加载系统的流量；
优选的，所述流量计(11)为电磁流量计。
10.如权利要求6所述的模拟储层条件下支撑剂传输的方法，其特征在于，支撑剂存储装置(16)为高度为40cm，底面直径为70cm的圆柱形存储罐，上部设置支撑剂入料口，下部设置出料口，出料口与模拟井筒(4)的顶端相连接；
优选的，所述增压泵(10)为双柱塞增压泵，其容积为266mL，所能提供的最大压力为51.7MPa；
优选的，压力传感器测压范围为0～34.5MPa，精度为4kPa；优选的，温度传感器测温范围为0～200℃，精度为0.1℃；优选的，所述数据采集系统包括计算机(24)和CT分析设备；优选的，CT分析设备空间分辨率为2.5LP/mm，最大成像像素为4096×4096，尺寸测量精度为0.02～0.05；
优选的，压裂液罐(7)和增压泵(10)之间设置第一阀门(9)；支撑剂存储灌(16)的两侧的主管道和并联管道上分别设置第二阀门(14)和第三阀门(15)；支撑剂存储罐(16)和压裂模拟组件之间设置有截止阀(18)。
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