CN113006759B - 页岩油压裂同步增能模拟实验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油气田开发技术领域，公开了一种页岩油压裂同步增能模拟实验装置与方法，所述页岩油压裂同步增能模拟实验装置包括供液系统、围压加载系统、压裂系统、增能系统和采出系统，供液系统用于储存流体且能够将流体注入到压裂系统中；压裂系统能够承载试件，接受供液系统注入的流体并作为流体的渗流空间；围压加载系统用于对试件提供模拟的围压；增能系统用于模拟压裂液注入后对地层的增能效应；采出系统用于收集排出的液体，并将排出的液体进行分离、计量。本发明提供的实验装置，能够实现页岩油压裂和开采的一体化模拟，通过同一套实验装置实现压裂同步增能以及后续衰竭式开采和注水吞吐过程的模拟，并评估不同开采方式的采收率。

Description

页岩油压裂同步增能模拟实验装置与方法

技术领域

本发明涉及油气田开发技术领域，具体地涉及一种页岩油压裂同步增能模拟实验装置与方法。

背景技术

近年来，页岩(致密)油藏已成为非常规油气发展的重要领域。由于页岩油藏的储集空间主体为微纳米孔隙-裂隙系统，渗透率极低，因此采用水力压裂的方式提高储层的渗流能力成为页岩(致密)油藏开发的有效途径。水力压裂过程中，数万方的压裂液被注入地层以形成复杂的人工裂缝网络，从而达到储层改造目的。压裂施工完成后，矿场一般首先进行焖井，使储层中的压裂液与原油发生充分的置换作用，同时注入的压裂液还具有较高的压力，因此也能够为地层补充能量；随后油井开始以衰竭开采的方式进行生产，后续还可以通过注入化学剂吞吐等方式进一步提高油藏的采收率。合理的压裂液注入参数能够达到压裂同步增能的效果，从而有效改善页岩(致密)油藏的开发效果。因此压裂同步增能和后续生产过程的一体化模拟对阐明该技术的内在机理，提高页岩(致密)油藏的开发效果具有重要的意义。

CN109113692A公开了一种基质-裂缝双重介质吞吐物理模拟装置及评价吞吐过程采收率的方法。所述物理模拟装置包括注入系统、基质-裂缝双重介质系统、恒压边界系统、采出系统和压力采集系统。能够较好地模拟低渗透、致密储层基质-裂缝双重介质，储层远端-双重介质周围储层-双重介质的渗流过程，以及现场吞吐实际工况。

CN109025939A提供了一种超声波致密油渗吸实验装置，包括岩石固定箱，岩石固定箱的一侧密封穿设有能穿设于含致密油岩内的压裂管，压裂管的另一端能开闭地连接压裂液注入结构，压裂管内密封滑动穿设推送结构，推送结构上设有多个超声波探头；设定岩石固定箱穿设压裂管的侧壁为第一固定箱侧壁，岩石固定箱上与第一固定箱侧壁相邻的各侧壁上设置能伸缩的电位电阻渗吸测试结构；超声波致密油渗吸实验装置还包括控制部，控制部能控制压裂液注入结构、推送结构和电位电阻渗吸测试结构的工作状态。

CN109856030A提供了一种渗吸实验装置以及渗吸采出程度的确定方法，实验装置包括：渗吸瓶，渗吸瓶内装有水和岩心样品，渗吸瓶具有开口端，开口端设置有试管，试管自上端至下端标有刻度线，渗吸瓶中的水位不低于试管最下端的刻度线；微压泵，微压泵用于向渗吸瓶内提供预定压强的水；悬挂岩心样品的吊架，吊架放置在重力感应装置上，重力感应装置电性连接数据采集系统；其中，渗吸瓶设置有进水口，进水口与微压泵通过连接装置连接，连接装置包括：液压控制阀，当液压控制阀检测到两侧的压强不相等时，呈打开状态；当液压控制阀检测到两侧的压强相等时，呈关闭状态。

CN110208105A公开了一种三轴煤岩多场多相耦合压裂实验装置及实验方法，其中，该实验装置包括：气液耦合溶液供液系统、应力加载系统、温度控制系统、回收系统和压裂过程监测系统，其中，气液耦合溶液供液系统包括：供气管路、供液管路和气液混合装置，供气管路和供液管路分别与气液混合装置的进气口、进液口连接。

目前针对页岩油水力压裂和开采的实验装置和方法，存在以下问题：

(1)水力压裂装置能够模拟传统的压裂过程，但由于压裂同步增能需要将压裂过程中多余压裂液所携带的能量储存起来，以满足后续生产过程中补充能量的需要，现有的水力压裂实验装置无法模拟该过程；

(2)目前的页岩油开采实验装置不能实现压裂与开采的一体化模拟。开采实验中岩心样品上的裂缝不是实际压裂得到的，而是人为通过线切割或拼接方式得到，不能反映实际储层内压裂缝网的复杂形态；

因此，亟需一种能够同时模拟页岩油压裂同步增能和后续开采过程(衰竭式开采、注水吞吐)的实验装置和方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的没有一种能够同时模拟页岩油压裂同步增能和后续开采过程(衰竭式开采、注水吞吐)的实验装置的问题，提供一种页岩油压裂同步增能模拟实验装置。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种页岩油压裂同步增能模拟实验装置，所述页岩油压裂同步增能模拟实验装置包括供液系统、围压加载系统、压裂系统、增能系统和采出系统，所述供液系统用于储存流体且能够将流体注入到所述压裂系统中；所述压裂系统能够承载试件，且所述压裂系统用于模拟致密储层岩石介质及其周围边界条件，接受所述供液系统注入的所述流体并作为所述流体的渗流空间，所述压裂系统配置为能够维持自身的温度；所述围压加载系统连接所述压裂系统并用于对所述试件提供模拟的围压，且所述围压加载系统能够维持对所述试件的稳定的水平和垂直方向的应力条件；所述增能系统连接所述压裂系统并用于模拟压裂液注入后的对地层的能量补充作用；所述采出系统用于收集来自所述压裂系统排出的液体，所述采出系统能够控制所述压裂系统的压力并将排出的液体进行分离、计量。

利用本发明提供的实验装置，能够实现页岩油压裂和开采的一体化模拟，通过同一套实验装置实现压裂同步增能以及后续衰竭式开采和注水吞吐过程的模拟，并评估不同开采方式的采收率。开采过程模拟时样品上的裂缝是实际压裂得到的，而不是人为设置的，因此能够更加准确地模拟储层实际条件，这对于非常规油藏的压裂同步增能机理和提高采收率技术研究提供了有效手段；另外利用本申请提供的实验装置还可以模拟真实储层条件下页岩油的压裂同步增能过程。压裂过程中通过增能系统将压裂液多余的能量储存起来并在后续生产过程中予以释放，降低试件压力的衰减速度，有效体现压裂同步增能的效果。

优选地，所述供液系统包括多个储液容器，多个所述储液容器分别用于存放不同类型流体，多个所述储液容器流体连通所述压裂系统。

优选地，至少一个所述储液容器配置为能够控制储液容器的内部压力，所述供液系统和所述压裂系统之间的管道上设置有流量计。

优选地，所述压裂系统包括能够运动的加载板，所述加载板环绕所述试件设置，所述围压加载系统连接所述加载板以对所述试件提供围压。

优选地，所述围压加载系统包括大型真三轴加载伺服增压器、真三轴加载仪器液压源和真三轴加载仪器控制器，所述真三轴加载仪器液压源流体连接所述大型真三轴加载伺服增压器以向所述大型真三轴加载伺服增压器提供液压源，所述真三轴加载仪器控制器连接所述大型真三轴加载伺服增压器，所述大型真三轴加载伺服增压器连接所述加载板以对所述试件提供围压。

优选地，所述试件为页岩油藏岩心，所述页岩油藏岩心设置在所述压裂系统中以模拟页岩油藏页岩介质和所述页岩油藏页岩介质的周围边界条件。

优选地，所述压裂系统包括加温器和声发射探头，所述加温器连接所述试件以控制所述试件的温度，多个所述声发射探头围绕所述试件设置以监测所述试件的损伤状况。

优选地，所述增能系统包括高压储能罐，所述高压储能罐中包括位于上部的恒压介质和位于下部的增能流体，所述高压储能罐在下部连接所述压裂系统以模拟压裂液注入后的增能效应。

优选地，所述采出系统包括回压阀、回压泵、缓冲罐和油水分离计量器，所述回压阀连接所述压裂系统的输出端，所述油水分离计量器连接所述回压阀以对从所述压裂系统采出的液体进行收集、分离和计量；所述回压泵通过缓冲罐与回压阀连接以控制生产过程中的井底流压。

本发明第二方面提供一种页岩油压裂同步增能模拟实验方法，所述方法使用如上所述的页岩油压裂同步增能模拟实验装置，所述方法包括：准备阶段：向所述压裂系统中的所述试件注入原油，使所述压裂系统内部压力达到预设压力P1，记录注入原油的体积V1；将用于模拟页岩油藏页岩介质和页岩油藏页岩介质的周围边界条件的页岩油藏岩心加热到预设温度T1，稳定所述试件一段时间t1；压裂阶段：通过供液系统向所述压裂系统注入压裂液进行压裂实验，压裂液注入时间t2，计量注入压裂液体积V2；焖井阶段：开启所述增能系统以将所述压裂系统的压力维持在P1，并保持所述压裂系统维持在温度T1，使所述页岩油压裂同步增能模拟实验装置稳定时间t3，以将所述试件中的原油与压裂液充分作用形成混合流体；采出阶段：通过所述采出系统控制压裂系统的压力为P2，并通过所述采出系统对所述混合流体进行分离、计量，得到一次采出原油和压裂液；计量一次采出原油的体积为V3，采出压裂液的体积为V4；注水吞吐阶段：关闭所述采出系统，利用所述供液系统向所述压裂系统中注入水，进行注水吞吐，使压裂系统中压力达到P3，使所述页岩油压裂同步增能模拟实验装置稳定时间t4；打开所述采出系统，降低压裂系统的压力至P4，收集所述压裂系统内液体至所述采出系统；通过所述采出系统分离采出液体，得到二次采出原油和采油剂；计量二次采出原油体积为V5以及采油剂体积为V6。

优选地，所述页岩油藏岩心为立方体型试件，井孔内安装井筒为带孔井筒，用以模拟真实开采过程中的射孔压裂过程，准备阶段的所述页岩油藏岩心准备步骤包括：为了进行压裂同步增能实验，所制备岩心为立方体型试件；钻孔后对试件进行预加温实验，通过温度传感器测量井孔温度到达T1所用的时间，以此来确定正式实验过程的加热时间。

优选地，20MPa≤P1≤70MPa，40℃≤T1≤150℃，15天≤t1≤30天；30秒≤t2≤900秒；3天≤t3≤10天；5MPa≤P2＝P4≤20Mpa；15MPa≤P3≤50MPa。

附图说明

图1是本发明优选实施方式所提供的页岩油压裂同步增能模拟实验装置结构示意图；

图2是本发明优选实施方式的压裂系统装置结构示意图；

图3是本发明优选实施方式的试件周围装置结构示意图；

图4是本发明优选实施方式的试件被施压板施加围压的示意图；

图5是本发明优选实施方式的带孔井筒的示意图；

图6是本发明实施例1的采出程度变化曲线；

图7是本发明实施例1的含水率变化曲线；

图8是本发明实施例2的采出程度变化曲线；

图9是本发明实施例2的含水率变化曲线。

附图标记说明

Ⅰ——供液系统 Ⅱ——围压加载系统

Ⅲ——压裂系统 Ⅳ——增能系统

Ⅴ——采出系统

1——微机(a) 2——泵压系统控制器

3——液压源伺服阀 4——驱替泵(a)

5——驱替泵(b) 6——活塞容器(a)

7——活塞容器(b) 8——活塞容器(c)

9——活塞容器(d) 10——阀门(a)

11——流量计(a) 12——流量计(b)

13——流量计(c) 14——流量计(d)

15——阀门(b) 16——阀门(c)

17——阀门(d) 18——三通阀门

19——微机(b) 20——真三轴加载仪器控制器

21——真三轴加载仪器液压源 22——大型真三轴加载伺服增压器

23——密封井口 24——上压板

25——顶盖 26——阀门(e)

27——密封板 28——加载板

29——稳定器 30——底座

31——声发射探头 32——加温器

33——下压板 34——带孔井筒

35——试件 36——微机(c)

37——差分式前置放大器组 38——温度控制器

39——阀门(f) 40——压力表(a)

41——高压储能罐 42——氮气瓶

43——阀门(g) 44——压力表(b)

45——回压阀 46——缓冲罐

47——回压泵 48——油水分离计量器

49——管路(a) 50——管路(b)

51——管路(c) 52——管路(d)

53——管路(e) 54——管路(f)

55——管路(g) 151——精密压力传感器(a)

161——精密压力传感器(b) 171——精密压力传感器(c)

281——固定器 282——液压活塞

283——施压板 391——阀门(h)

401——阀门(I)

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

在本发明中，所述的“连接”，既包括两个部件之间直接连接，也包括两个部件之间通过至少一个中间部件连接。

供液系统Ⅰ

供液系统Ⅰ包括四个储液容器：活塞容器(a)6、活塞容器(b)7、活塞容器(c)8和活塞容器(d)9。

其中，所述活塞容器(a)6用于盛装压裂液，并与液压源伺服阀3、泵压系统控制器2和微机(a)1依次连接，构成压裂液供应管路；活塞容器(a)6的上端通过管路与压裂系统Ⅲ的进液口连接，并在该连接管路上布置有流量计(a)11、阀门(b)15、精密压力传感器(a)151，用于采集和记录压裂过程中泵入的压裂液总量和压力变化情况。

所述活塞容器(b)7用于盛装蒸馏水、活塞容器(c)8用于盛装化学剂溶液；驱替泵4和活塞容器(b)7、活塞容器(c)8连接，且活塞容器(b)7和活塞容器(c)8通过导管连接压裂系统Ⅲ的进液管，用于向试件35中注入采油剂；所述压裂系统Ⅲ与储液罐间管路安装有流量计(b)12、流量计(c)13和精密压力传感器(b)161，用于监测注入采油剂的体积和注入压力变化情况。其中，采油剂可以为纯水或水与其他化学剂的混合液。其中化学剂可以为表面活性剂溶液、无机盐溶液、颗粒悬浮液或不同化学剂的组合液，从而将岩心中的原油置换出来。此外由于水与原油之间有渗吸作用，因此具有一定的置换效果，但效果并不是十分理想，因此可以在水中加入一些化学剂，如表面活性剂，降低油水界面张力或改变储层润湿性，使油更容易被采出。

所述活塞容器(d)9用于盛装原油，且下端通过管线与驱替泵(b)5连接，上端连接至压裂系统Ⅲ的进油管，用于对压裂试件进行饱和原油；所述压裂系统Ⅲ与活塞容器(d)9间的导管安装有阀门(d)17、流量计(d)14和精密压力传感器(c)171，用于监测注入原油的体积和压力。优选的，对压裂试件饱和原油时采用抽真空加压饱和法。

具体地，本申请提供的供液系统Ⅰ由微机(a)1、泵压系统控制器2、液压源伺服阀3、驱替泵(a)4、驱替泵(b)5、活塞容器(a)6、活塞容器(b)7、活塞容器(c)8、活塞容器(d)9、阀门(a)10、阀门(b)15、阀门(c)16、阀门(d)17、三通阀门18、流量计(a)11、流量计(b)12、流量计(c)13、流量计(d)14、精密压力传感器(a)151、精密压力传感器(b)161、精密压力传感器(c)171通过耐高压管线连接。微机(a)1、泵压系统控制器2、液压源伺服阀3、活塞容器(a)6、流量计(a)11、阀门(b)15、精密压力传感器(a)151通过耐高压管线依次串联连接至压裂系统Ⅲ的进液管。驱替泵(a)4、活塞容器(b)7、活塞容器(c)8通过耐高压管线和三通阀门18连接，活塞容器(b)7、流量计(b)12、活塞容器(c)8和流量计(c)13通过耐高压管线并联连接至压裂系统Ⅴ的进液管。阀门(c)16安装于注水管线处。驱替泵(b)5、阀门(a)10、活塞容器(d)9、流量计(d)14、阀门(d)17、精密压力传感器(c)171通过耐高压管线依次串联连接至压裂系统Ⅲ的进油管。

围压加载系统Ⅱ

如图1所示，在本申请的一种优选实施方式中，所述围压加载系统Ⅱ包括大型真三轴加载伺服增压器22、真三轴加载仪器液压源21、真三轴加载仪器控制器20和微机(b)19；所述大型真三轴加载伺服增压器22分别与真三轴加载仪器液压源21和真三轴加载仪器控制器20连接；微机(b)19与真三轴加载仪器控制器20连接，所述大型真三轴加载伺服增压器22连接压裂系统，且能够利用真三轴加载仪器液压源21提供的液压向压裂系统中的试件35施加围压，模拟地层条件并监测应力状态，并维持应力稳定。

具体地，围压加载系统Ⅱ由大型真三轴加载伺服增压器22、微机(b)19、真三轴加载仪器控制器20、真三轴加载仪器液压源21组成。真三轴加载仪器液压源21和真三轴加载仪器控制器20分别连接于大型真三轴加载伺服增压器22。微机(b)19连接于真三轴加载仪器控制器20用于监测并控制围压。围压加载系统Ⅱ通过导线与压裂系统Ⅲ中若干加载板28相连。

压裂系统Ⅲ

如图1和图2所示，在本申请的一种优选实施方式中，所述压裂系统Ⅲ包括阀门(d)26、试件35、密封井口23和井筒34；井筒34安装于井孔内部，井筒34四周布置有孔洞，用于模拟射孔后的压裂过程；密封井口23安装于试件35钻孔处，密封井口23安装有进液管、进油管和采出管，其中进液管与活塞容器(a)6、活塞容器(b)7、活塞容器(c)8连接，进油管与活塞容器(d)9连接，阀门(d)26安装于上述进液管处，采出管连接至采出系统Ⅴ。

可选地，如图1、图2所示，所述试件35四周安装多个加载板28，加载板28连接至围压加载系统Ⅱ中大型真三轴加载伺服增压器22，用于给试件35施加围压。

具体地，如图4所示，所属加载板28通过液压活塞282为试件施加围压，液压活塞282外侧通过固定器281固定至密封板27上，通过大型真三轴加载伺服增压器22控制液压活塞282为施压板283施压，施压板283和岩心接触且施压板283面积与岩心侧面积相同，通过6个液压活塞282对其施压，达到控制试件四周围压的目的。

可选地，如图1和图2所示，所述试件35四周布置有用于监测压裂过程中试件的实时损伤状况的声发射探头31，声发射探头31连接至差分式前置放大器组37以放大声发射探头31监测的内容，前置放大器组37连接至声发射仪36以收集声发射探头31监测的内容。

可选地，如图1和图2所示，在试件外层安装有加温器32，加温器32连接至温度控制器38以用于对试件35进行升温，从而模拟实际储层的温度条件并维持压裂系统Ⅲ中试件温度恒定。

参考图3所示的结构，在试件35周围布置有6个加载板28，8个声发射探头31以及多个加温器32。

压裂系统可以选用适当的结构，在图1和图2所示出的实施方式中，压裂系统包括顶盖25、上压板24、下压板33和底座30；将试件35安装好上述监测设备后，将下压板33密封连接至试件底端并固定于底座30上，试件35上端密封安装上压板24及顶盖25。

可选地，所述压裂系统Ⅲ还包括密封板27和稳定器29；固定于底座30上的试件35以及上述监测设备的四周密封安装密封板27，并通过四根稳定器29将顶盖25、底座30及中间部分固定，用于模拟实际的封闭地层环境，四个稳定器29和底面接触且稳定器29的底端横截面积较大，从而和地面的接触面积较大，起到稳定支撑的作用。

具体地，压裂系统Ⅲ包括密封井口23、上压板24、顶盖25、阀门(e)26、密封板27、加载板28、稳定器29、底座30、声发射探头31、加温器32、下压板33、带孔井筒34、试件35、微机(c)36、差分式前置放大器组37和温度控制器38。如图2、3所示，加载板28布置于试件35四周并外接围压加载系统Ⅱ的大型真三轴加载伺服增压器22，并在试件四周安装声发射探头31、加温器32。声发射探头31和加温器32分别外接差分式前置放大器组37和温度控制器38，其中温度控制器38具有监测温度的功能，且连接微机(c)36以向其反馈温度，微机(c)36能够向温度控制器38发出指令，温度控制器38能够根据指令控制加温器32进行相应的工作从而模拟实际储层的温度条件并维持压裂系统Ⅲ中试件35的温度恒定。密封井口23与试件钻孔密封连接，将顶盖25、上压板24、试件35、下压板33和底座30由上至下依次密封连接。将密封板27固定于底座30和顶盖25之间并包围试件35四周形成密闭空间。顶盖25与底座30通过四根稳定器29固定。其中，如图5所示，带孔井筒上沿轴向方向设置有两排通孔，每排有5个通孔。但是带孔井筒不限定于上述的具体结构，通孔的排数和数量可以根据实际需求进行选择。

如图2所示，压裂系统Ⅲ通过管路(a)49连接至供液系统Ⅰ中活塞容器(d)9，通过管路(b)50连接至供液系统Ⅰ中活塞容器6(a)、活塞容器(b)7和活塞容器(c)8，通过管路(c)51连接至采出系统Ⅴ中的回压阀45，通过管路(d)52连接至围压加载系统Ⅱ中大型真三轴加载伺服增压器22，通过管路(e)53连接至温度控制器38，通过管路(f)54连接至差分式前置放大器组37。其中管路(a)49即为进油管，管路(b)50为进液管，管路(c)51为采出管。

增能系统Ⅳ

在本申请的一种优选实施方式中，如图1所示，所述增能系统Ⅳ包括高压储能罐41和氮气瓶42；高压储能罐41上部为恒压介质，下部为增能流体；所述增能流体为压裂液，所述恒压介质为惰性气体，可以为氮气、氦气等。

其中，所述高压储能罐41下端与压裂系统Ⅲ下端相连，为压裂系统Ⅲ提供远端恒压边界条件，并在压裂过程中将压裂液的多余能量储存起来，这些储存的能量在后续开采模拟中释放出来，达到模拟压裂同步增能效果的目的；高压储能罐41上端连接有压力表40，用于监测增能系统所提供的压力，上端连接氮气瓶42。在氮气瓶42和高压储能罐41之间设置有阀门(I)401，在高压储能罐41和压裂系统之间的管路上设置有用于外接真空泵的阀门(h)391。

增能系统Ⅳ由阀门(f)39、阀门(h)391、阀门(I)401、高压储能罐41、压力表(a)40、氮气瓶42通过耐高压管线串联连接，增能系统Ⅳ中高压储能罐41与压裂系统Ⅲ通过耐高压管线(g)55连接。

采出系统Ⅴ

在本申请的一种优选实施方式中，如图1所示，所述采出系统Ⅴ包括回压阀45、缓冲罐46、回压泵47、油水分离计量器48。回压阀45连接至通过管道连接至压裂系统的密封井口23上设置的采出管，油水分离计量器48连接至回压阀45以对压裂系统Ⅲ中采出的液体进行收集、分离和计量；所述回压泵47通过缓冲罐46与回压阀45连接，用于控制生产过程中的回压；回压阀45和压裂系统的采出管之间的管道上设有阀门(g)43和压力表(b)44，用于监测采出系统Ⅴ的压力。

采出系统Ⅴ包括阀门(g)43、压力表(b)44、回压阀45、缓冲罐46、回压泵47以及油水分离计量器48。油水分离计量器48和回压泵47分别与回压阀45和缓冲罐46通过管线连接，缓冲罐46布置于回压泵47左端管口。回压阀45、阀门(g)43通过耐高压管线与压裂系统Ⅲ连接，压力表(b)44安装于回压阀与阀门(g)43之间。其中，油水分离计量器48能够对从压裂系统采出的液体进行收集、分离和计量，回压泵47通过缓冲罐46与回压阀45连接以控制生产过程中的井底流压，即模拟实际生产过程中的井底流压。

需要说明的是，在本申请的优选实施方式中，所述致密油(页岩油)压裂同步增能模拟实验装置内可根据需要设置多个阀门、三通阀、耐高压管线等部件。

本申请第二方面提供一种致密油(页岩油)压裂同步增能模拟实验装置的使用方法，该方法包括：

准备阶段：通过供液系统Ⅰ向压裂系统Ⅲ中试件注入原油，使压裂系统内部压力达到预设压力P1，记录注入原油体积V1；通过加温系统将岩心加热到预设温度T1，并恒温一段时间t1；

压裂阶段：通过供液系统Ⅰ向压裂系统Ⅲ中注入压裂液进行压裂实验，压裂液注入时间t2，计量注入压裂液体积V2，期间维持压裂系统Ⅲ围压及温度恒定；

焖井阶段：打开增能系统Ⅳ维持压裂系统Ⅲ的压力为P1，保持压裂系统Ⅲ恒温T1，使实验装置稳定时间t3，将试件中的原油与压裂液充分作用形成混合流体；

采出阶段：打开采出系统Ⅳ，通过回压泵调节采出压力P2，收集混合流体至采出系统Ⅴ，得到一次采出原油和压裂液；计量一次采出原油的体积为V3以及采出压裂液的体积为V4；

注水吞吐阶段：关闭采出系统Ⅳ，利用供液系统Ⅰ向压裂系统Ⅲ中注入水，进行注水吞吐，使压裂系统Ⅲ中压力达到P3，使实验装置稳定时间t4；打开采出系统Ⅴ，降低压裂系统Ⅲ压力至P4，收集压裂系统Ⅲ内液体至采出系统Ⅴ；分离采出液体，得到二次采出原油和采油剂；计量二次采出原油体积为V5以及采油剂体积为V6；

由所述准备阶段的注入原油的体积V1、所述采出阶段的一次采出原油的体积V3以及所述注水吞吐阶段的二次采出原油体积V5，得到压裂同步增能过程的采收率R1和注水吞吐阶段采收率R2，评价压裂同步增能后衰竭式开采和注水吞吐过程的采收率。

其中，压裂同步增能过程的采收率为R1＝V3/V1×100％；注水吞吐过程的采收率为R2＝V5/V1×100％。

根据本发明，在所述准备阶段，为了更好的模拟致密油藏(页岩油藏)开采现场实际，优选地，岩心试件准备步骤包括：

为了进行压裂同步增能实验，所制备岩心为立方体型试件；

钻孔后对试件进行预加温实验，通过温度传感器测量井孔温度到达T1所用的时间，以此来确定正式实验过程的加热时间；

井孔内安装井筒为带孔井筒，用以模拟真实开采过程中的射孔压裂过程。

需要说明的是，所述准备阶段注入原油的体积、压裂阶段压裂液体积、采出阶段一次采出原油的体积和采出压裂液的体积、注水吞吐阶段二次采出原油的体积和采出采油剂体积的计量方式为本领域常规体积计量方式。在本发明中可以测量管路体积对上述体积测量值进行校准。

其中，可选地，在准备阶段向压裂系统注入原油的方法为抽真空加压饱和法，且通过流量计(d)14计量注入原油的体积。

利用上述的方法，在所述压裂阶段，压裂液通过压裂系统Ⅲ的进液管进入并在高压条件下将试件35压裂开，形成复杂的压裂缝网络，压裂液的多余能量通过增能系统储存起来；压裂液可以为清水、滑溜水、胍胶压裂液或泡沫压裂液等。

在所述焖井阶段，压裂液可通过渗吸作用将试样中饱和的原油置换出来，并在采出阶段将压裂液和原油的混合流体采出，同时增能系统所储存的能量开始向试件提供，进一步改善采出效果。

在所述采出阶段，为了更好的模拟实际开采过程中的井底压力变化特征，可选地，所述采出阶段降低采出系统压力的方式为恒速降压，即通过回压泵调节采出压力P2。

在所述注水吞吐阶段，通过供液系统向压裂系统中注入的液体可以为水或化学剂，所述化学剂可以为表面活性剂溶液、无机盐溶液、颗粒悬浮液或不同化学剂的组合液，通过控制活塞容器(b)7和活塞容器(c)8的流量实现不同组分注入液体的混合。

其中，在本发明的优选实施方式的方法中，所述压裂同步增能实验的各个阶段的压力由管路所安装的精密压力传感器实时采集并记录压力变化，各流量计实时采集并计量流量变化。

另外，所述致密油(页岩油)压裂同步增能模拟实验方法的参数可根据实际研究需要进行调整。优选地，所述准备阶段中，地层压力P1为20-70MPa，恒温T1为40-150℃，稳定时间t1为15-30天；所述压裂阶段中，压裂液注入时间t2为30-900秒；所述焖井阶段中，恒温稳定时间t2为5-20天；所述采出阶段和注水吞吐阶段中，设定采出压力P2、P4为5-20MPa；所述注水吞吐阶段中，压裂系统压力P3为15-50MPa。

以下将通过实施例详细描述采用本发明提供的致密油(页岩油)压裂同步增能模拟实验装置评价压裂增能和注水吞吐采收率的方法，各实施例中所采用的模拟实验装置如图1所示。

实施例1

准备阶段：按照常规方法制备出页岩岩心试件后，沿岩心试件轴心处钻取压裂钻孔。将岩心安装于压裂系统Ⅲ中，通过围压加载系统Ⅱ对试件施加水平应力为20MPa，垂直应力为20MPa。通过温度控制器38对试件进行加温至85℃，并通过温度控制器38和大型真三轴加载伺服增压器22监测系统温度和应力，维持稳定30min。阀门(h)391外接真空泵，打开阀门(h)391，利用阀门(h)391外界的真空泵对试件抽真空，同时打开阀门(c)17，通过驱替泵(b)5向压裂系统中注入原油，观测精密压力传感器(c)171的压力变化，当压力达到接近预设地层压力20MPa的1.2倍时，关闭驱替泵1-2天，使注入的原油慢慢渗入试件中，重复该过程5-7次，当关闭驱替泵2天后而精密压力传感器(c)171所显示的压力数值基本不变时，移除真空泵，继续用驱替泵(b)5向压裂系统中注入原油，直到耐高压管线(g)即将流出原油时停泵，通过流量计(d)14记录饱和原油体积为1040ml。

压裂阶段：关闭阀门(d)17，打开阀门(b)15和阀门(e)26向压裂系统内注入压裂液模拟水力压裂过程。通过泵压系统控制器2和液压源伺服阀3以60ml/min的速度维持恒压注入6min后，关闭阀门(b)15和微机(b)19，通过精密压力传感器(a)151读取压力为34MPa，通过流量计11计量注入压裂液体积为360ml。关闭阀门(f)39，打开阀门(I)401，依次向高压储能罐41中注入压裂液和氮气，当高压储能罐41内压力达到34MPa时关闭阀门(I)401保持高压储能罐压力不变。

焖井阶段：打开增能系统Ⅳ中阀门(f)39，保持压裂系统Ⅲ恒温85℃，使实验装置恒温稳定3天；

衰竭式开采阶段：打开采出系统Ⅴ的阀门(g)43，调节回压泵47控制采出压力，通过回压泵调节回压阀45使采出压力恒速降至10MPa，收集混合流体至油水分离计量器48，生产0.3小时得到一次采出原油体积为219.6ml、采出压裂液体积为154.3ml。

实验结果如图6和图7所示。图6中，采出程度为从生产开始到某时间点油水分离计量器中所收集的原油的体积与注入原油体积之比。图7中，含水率为某段时间油水分离计量器中所收集水的体积与总收集液体体积之比。实验阶段所得出最终常规压裂(不考虑压裂同步增能的影响)采出程度为12.05％，压裂增能开采采出程度为21.11％，说明压裂同步增能技术能够将压裂液多余的能量储存起来，并对储层的能量进行有效补充，从而缓解储层压力降落速度，有效改善致密油(页岩油)的开发效果。

实施例2

准备阶段：按照常规方法制备出页岩岩心试件后，沿岩心试件轴心处钻取压裂钻孔。将岩心安装于压裂系统Ⅲ中，通过围压加载系统Ⅱ对试件施加水平应力为30MPa，垂直应力为30MPa。通过温度控制器38对试件进行加温至90℃，并通过温度控制器38和大型真三轴加载伺服增压器22监测系统温度和应力，维持稳定30min。阀门(h)391外接真空泵，打开阀门(h)391和真空泵对试件抽真空，同时打开阀门(c)17，通过驱替泵(b)5向压裂系统中注入原油，观测精密压力传感器(c)171的压力变化，当压力达到接近预设地层压力30MPa的1.2倍时，关闭驱替泵1-2天，使注入的原油慢慢渗入试件中，重复该过程5-7次，当关闭驱替泵2天后而精密压力传感器(c)171所显示的压力数值基本不变时，移除真空泵，继续用驱替泵(b)5向压裂系统中注入原油，直到耐高压管线(g)即将流出原油时停泵，通过流量计(d)14记录饱和原油体积为983.5ml。

压裂阶段：关闭阀门(d)17，打开阀门(b)15和阀门(e)26向压裂系统内注入压裂液模拟水力压裂过程。通过泵压系统控制器2和液压源伺服阀3调节压裂液注入压力为50MPa，维持恒压注入20min后，关闭阀门(b)15和微机(b)19，通过精密压力传感器(a)151读取压力为45MPa，通过流量计11计量注入压裂液体积为285.4ml。关闭阀门(f)39，打开阀门(I)401，依次向高压储能罐41中注入模拟地层水和氮气，当高压储能罐41内压力达到45MPa时关闭阀门401保持高压储能罐压力不变。

焖井阶段：打开增能系统Ⅳ中阀门(f)39，保持压裂系统Ⅲ恒温90℃，使实验装置恒温稳定5天。

衰竭式开采阶段：打开采出系统Ⅴ的阀门(g)43，调节回压泵47控制采出压力，通过回压泵调节回压阀使采出压力恒速降至15MPa生产0.3h。生产过程中收集混合流体至油水分离计量器48，得到一次采出原油体积为176.6ml、采出压裂液和模拟地层水体积为102.8ml；

吞入阶段：关闭采出系统Ⅴ中阀门(g)43、增能系统Ⅳ中阀门(f)39，调节供液系统Ⅰ的三通阀18使驱替泵(a)4对活塞容器(b)7、活塞容器(c)8进行驱替，向压裂系统Ⅲ中注入表面活性剂溶液至精密压力传感器(b)161显示的压力为30MPa，然后恒速向压裂系统注入表面活性剂溶液0.2h，通过流量计(c)13、流量计(d)14计量注入表面活性剂溶液的体积120.0ml；

焖井阶段：保持恒温90℃，使实验装置恒温稳定5天；

吐出阶段：打开采出系统阀门(g)43，调节回压泵47控制采出压力，通过回压泵47调节回压阀45使采出压力恒速度降为15MPa，收集混合流体至油水分离计量器48，得到二次采出原油体积为84.5ml，采出水体积为67.9ml。

实验结果如图8和图9所示。图8中，采出程度为从生产开始到某时间点油水分离计量器中所收集的原油的体积与注入原油体积之比。实验过程中测出压裂后衰竭式开采阶段的采出程度为17.96％，进行表面活性剂溶液吞吐措施后采出程度达到26.55％，采收率增值为8.59％。图9中，含水率为某段时间油水分离计量器中所收集水的体积与总收集液体体积之比，衰竭式开采过程中含水率首先迅速下降，随后下降速度减缓，吞入焖井阶段无水产出，吐出阶段由于水的注入因此初期产水较高，后期含水率降低至27.16％。说明在页岩油开采过程中，压裂同步增能后，可以通过注入表面活性剂溶液等采油剂进一步提高采收率。

利用本发明提供的实验装置，能够实现页岩油压裂和开采的一体化模拟，通过同一套实验装置实现压裂同步增能以及后续衰竭式开采和注水吞吐过程的模拟，并评估不同开采方式的采收率。开采过程模拟时样品上的裂缝是实际压裂得到的，而不是人为设置的，因此能够更加准确地模拟储层实际条件，这对于非常规油藏的压裂同步增能机理和提高采收率技术研究提供了有效手段；另外利用本申请提供的实验装置还可以模拟真实储层条件下页岩油的压裂同步增能过程。压裂过程中通过增能系统将压裂液多余的能量储存起来并在后续生产过程中予以释放，降低试件压力的衰减速度，有效体现压裂同步增能的效果。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型。包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种页岩油压裂同步增能模拟实验装置，其特征在于，所述页岩油压裂同步增能模拟实验装置包括供液系统(Ⅰ)、围压加载系统(Ⅱ)、压裂系统(Ⅲ)、增能系统(Ⅳ)和采出系统(Ⅴ)，

所述供液系统(Ⅰ)用于储存流体且能够将流体注入到所述压裂系统(Ⅲ)中；

压裂系统(Ⅲ)包括安装在试件(35)四周的多个加载板(28)，加载板(28)连接至围压加载系统Ⅱ中大型真三轴加载伺服增压器(22)用于给试件(35)施加围压，所述压裂系统(Ⅲ)能够承载试件(35)，且所述压裂系统(Ⅲ)用于模拟致密储层岩石介质及其周围边界条件，接受所述供液系统(Ⅰ)注入的所述流体并作为所述流体的渗流空间，所述压裂系统配置为能够维持自身的温度，所述加载板(28)包括液压活塞(282)、固定器(281)和施压板(283)，所述施压板(283)与所述试件(35)接触；

所述围压加载系统(Ⅱ)连接所述压裂系统(Ⅲ)并用于对所述试件(35)提供模拟的围压，且所述围压加载系统(Ⅱ)能够维持对所述试件(35)的稳定的水平和垂直方向的应力条件；

所述增能系统(Ⅳ)连接所述压裂系统(Ⅲ)并用于模拟压裂液注入后的对地层的能量补充作用；所述采出系统(Ⅴ)用于收集来自所述压裂系统(Ⅲ)排出的液体，所述采出系统(Ⅴ)能够控制所述压裂系统(Ⅲ)的压力并将排出的液体进行分离、计量；

所述围压加载系统(Ⅱ)包括大型真三轴加载伺服增压器(22)、真三轴加载仪器液压源(21)和真三轴加载仪器控制器(20)，所述真三轴加载仪器液压源(21)流体连接所述大型真三轴加载伺服增压器(22)以向所述大型真三轴加载伺服增压器(22)提供液压源，

所述真三轴加载仪器控制器(20)连接所述大型真三轴加载伺服增压器(22)，

所述大型真三轴加载伺服增压器(22)连接所述加载板(28)以对所述试件(35)提供围压；

所述增能系统(Ⅳ)包括高压储能罐(41)，所述高压储能罐(41)中包括位于上部的恒压介质和位于下部的增能流体，所述高压储能罐(41)在下部连接所述压裂系统(Ⅲ)以模拟压裂液注入后的增能效应。

2.根据权利要求1所述的页岩油压裂同步增能模拟实验装置，其特征在于，所述供液系统(Ⅰ)包括多个储液容器，多个所述储液容器分别用于存放不同类型流体多个所述储液容器流体连通所述压裂系统(Ⅲ)。

3.根据权利要求2所述的页岩油压裂同步增能模拟实验装置，其特征在于，至少一个所述储液容器配置为能够控制储液容器的内部压力，所述供液系统(Ⅰ)和所述压裂系统(Ⅲ)之间的管道上设置有流量计。

4.根据权利要求1所述的页岩油压裂同步增能模拟实验装置，其特征在于，所述压裂系统(Ⅲ)包括能够运动的加载板(28)，所述加载板(28)环绕所述试件(35)设置，所述围压加载系统(Ⅱ)连接所述加载板(28)以对所述试件(35)提供围压。

5.根据权利要求1所述的页岩油压裂同步增能模拟实验装置，其特征在于，所述试件(35)为页岩油藏岩心，所述页岩油藏岩心设置在所述压裂系统中以模拟页岩油藏页岩介质和所述页岩油藏页岩介质的周围边界条件。

6.根据权利要求1所述的页岩油压裂同步增能模拟实验装置，其特征在于，所述压裂系统(Ⅲ)包括加温器(32)和声发射探头(31)，所述加温器(32)连接所述试件(35)以控制所述试件(35)的温度，多个所述声发射探头(31)围绕所述试件(35)设置以监测所述试件(35)的损伤状况。

7.根据权利要求1所述的页岩油压裂同步增能模拟实验装置，其特征在于，所述采出系统(Ⅴ)包括回压阀(45)、回压泵(47)、缓冲罐(46)和油水分离计量器(48)，所述回压阀(45)连接所述压裂系统(Ⅲ)的输出端，所述油水分离计量器(48)连接所述回压阀(45)以对从所述压裂系统(Ⅲ)采出的液体进行收集、分离和计量；所述回压泵(47)通过缓冲罐(46)与回压阀(45)连接以控制生产过程中的井底流压。

8.一种页岩油压裂同步增能模拟实验方法，其特征在于，所述方法使用权利要求1-7中任意一项所述的页岩油压裂同步增能模拟实验装置，所述方法包括：

准备阶段：向所述压裂系统中的所述试件注入原油，使所述压裂系统内部压力达到预设压力P1，记录注入原油的体积V1；将用于模拟页岩油藏页岩介质和页岩油藏页岩介质的周围边界条件的页岩油藏岩心加热到预设温度T1，稳定所述试件一段时间t1；

压裂阶段：通过供液系统向所述压裂系统注入压裂液进行压裂实验，压裂液注入时间t2，计量注入压裂液体积V2；

焖井阶段：开启所述增能系统(Ⅳ)以将所述压裂系统的压力维持在P1，并保持所述压裂系统维持在温度T1，使所述页岩油压裂同步增能模拟实验装置稳定时间t3，以将所述试件(35)中的原油与压裂液充分作用形成混合流体；

采出阶段：通过所述采出系统(Ⅴ)控制压裂系统的压力为P2，并通过所述采出系统对所述混合流体进行分离、计量，得到一次采出原油和压裂液；计量一次采出原油的体积为V3，采出压裂液的体积为V4；

注水吞吐阶段：关闭所述采出系统(Ⅳ)，利用所述供液系统(Ⅰ)向所述压裂系统(Ⅲ)中注入水，进行注水吞吐，使压裂系统(Ⅲ)中压力达到P3，使所述页岩油压裂同步增能模拟实验装置稳定时间t4；打开所述采出系统(Ⅴ)，降低压裂系统(Ⅲ)的压力至P4，收集所述压裂系统(Ⅲ)内液体至所述采出系统(Ⅴ)；通过所述采出系统(Ⅴ)分离采出液体，得到二次采出原油和采油剂；计量二次采出原油体积为V5以及采油剂体积为V6。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述页岩油藏岩心为立方体型试件，井孔内安装井筒为带孔井筒，用以模拟真实开采过程中的射孔压裂过程，准备阶段的所述页岩油藏岩心准备步骤包括：

钻孔后对试件进行预加温实验，通过温度传感器测量井孔温度到达T1所用的时间，以此来确定正式实验过程的加热时间。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

20MPa≤P1≤70MPa，40℃≤T1≤150℃，15天≤t1≤30天；

30秒≤t2≤900秒；

5MPa≤P2＝P4≤20MPa；

15MPa≤P3≤50MPa。

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