CN113008682A - 天然气水合物储层真三轴水力压裂模拟试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种天然气水合物储层真三轴水力压裂模拟试验装置及方法，涉及岩土工程和测试技术领域，实现了含水合物沉积物破裂过程以及压裂液流动过程的监测。该装置包括：真三轴水力压裂系统为试件提供高密封条件，并在三个方向施加主应力，还可以注入压裂液模拟水力压裂过程；温度控制系统控制试验温度，维持压裂试验时水合物的状态；气液采集系统收集试验中产出的气体和水并进行测量；中子摄像监测系统监测水合物中的碳、氢、氧元素含量，分析客体分子在水笼中的无序分布，监测真三轴水力压裂时试件中含水量的演化情况和孔隙介质中水合物相变过程的热力学和动力学过程；压裂控制和数据采集系统用于调节三向压力并采集数据，并且试验操作简便。

Description

天然气水合物储层真三轴水力压裂模拟试验装置及方法

技术领域

本发明涉及岩土工程和测试技术领域，尤其是一种天然气水合物储层真三轴水力压裂模拟试验装置，以及利用该装置进行模拟试验的方法。

背景技术

天然气水合物又称可燃冰，是一种热值极高的绿色能源，其在同等条件下完全燃烧放出的热量可达到煤气的数十倍。现已勘查探明的天然气水合物中的含碳量相当于已探明化石能源(石油、天然气和煤)含碳量总和的2倍，可满足人类未来1000年的能源需求。因此，天然气水合物被认为是具有替代石油、煤和天然气等传统能源巨大潜力的新型能源。

天然气水合物往往分布于水深大于300米以上的海底沉积物或寒冷的永久冻土中，其所赋存的储层的渗透率往往较低，储层中气体和水的流动能力较弱，这导致天然气水合物的开发难以实现高产高效。水力压裂是增强非常规能源储层渗透能力的有效手段之一，被广泛应用于石油天然气工程中，其在天然气水合物开发工程中也具有良好的应用前景。室内试验是研究水力压裂效果的有效手段，但目前的水力压裂试验大多是针对致密岩石储层来开展的，而针对天然气水合物沉积物却少有报道。这主要是由于：(1)相对于致密岩石储层而言，只有在低温和高压条件下才可维持天然气水合物储层的赋存状态；(2)真三轴加载设备的6个表面位置均有压头且需要布置生产井，水合物生成及分解过程中的密封问题尚未有效解决；(3)天然气水合物储层的内部结构复杂，现有的声发射探测技术等手段难以监测水力压裂过程压裂液的流动，以及储层内部的响应特征。

发明内容

为了模拟含水合物沉积物破裂过程，并对压裂液的流动过程进行监测，施加真三向应力状态，注入压裂液使含水合物沉积物破裂，并对压裂过程进行监测，本发明提供了一种天然气水合物储层真三轴水力压裂模拟试验装置及方法，具体的技术方案如下。

一种天然气水合物储层真三轴水力压裂模拟试验装置，包括温度控制系统、真三轴水力压裂系统、气液采集系统、中子摄像监测系统，以及压裂控制和数据采集系统；所述温度控制系统包括冷库设备，用于控制试验温度，维持压裂试验过程中水合物的状态；所述真三轴水力压裂系统包括压力试验机、试件和加载机构，压力试验机和加载结构配合对放置在加载机构上的试件施加三个方向的主应力，试件上还设置模拟井筒，加载机构上的通孔和模拟井筒相连，注入压裂液模拟水力压裂过程；气液采集系统和真三轴水力压裂系统相连；所述中子摄像监测系统监测试件中水合物中的碳、氢、氧元素含量，分析客体分子在水笼中的无序分布，监测真三轴水力压裂时试件中含水量的演化情况和孔隙介质中水合物相变的热力学和动力学过程；压裂控制和数据采集系统控制压力试验机和加载机构加载，并记录监测数据。

优选的是，温度控制系统的冷库设备配置有制冷机，冷库内的电线管路均使用保温材料包裹。

优选的是，真三轴水力压裂系统的加载机构包括压头、垫片，压头压设在垫片上，垫片对试件施加载荷；所述试件放置在加载机构上，试件在上、下、左、右、前、后各侧均设置垫片，在上侧垫片和左侧垫片上开设有通孔，注液泵与通孔相连；所述压头均与压力伺服装置相连。

还优选的是，试件上开设有模拟井筒，模拟井筒包括垂直开采井筒和水平开采井筒；所述垂直开采井筒和上垫片上的通孔相连通，水平开采井筒和下左侧垫片上的通孔连通。

还优选的是，气液采集系统包括背压阀、背压容器、出口阀门、气液分离装置、电子天平和气体流量计，模拟井筒依次连接背压阀和背压容器，背压阀还连接气液分离装置，气液分离装置分别连接电子天平和气体流量计。

进一步优选的是，中子摄像监测系统包括光源、平行光管、探测器和中子摄像机，光源和平行光管放置在试件的一侧，探测器放置在平行光管的对侧，探测器和中子摄像机及计算机相连。

进一步优选的是，压裂控制和数据采集系统包括压力传感器和数据采集仪，真三轴水力压裂系统布置有多个压力传感器，数据采集仪采集并记录压力传感器的监测数据。

一种天然气水合物储层真三轴水力压裂模拟试验方法，利用上述的一种天然气水合物储层真三轴水力压裂模拟试验装置，步骤包括：

S1.在注液泵配置压裂液，压裂液中添加染色剂；

S2.开启温度控制系统，在冷库内制备沉积物试件，将压裂液降温至1℃；

S3.将沉积物试件放置在加载机构上，并利用通孔向试件内通入甲烷气，得到水合物沉积物试件；

S4.通过压力试验机和加载机构对水合物沉积物试件施加水平方向的载荷和竖直方向上的载荷；

S5.开启中子摄像监测系统，监测试件中水合物中的碳、氢、氧元素含量，分析客体分子在水笼中的无序分布，监测真三轴水力压裂时试件中含水量的演化情况和孔隙介质中水合物相变的热力学和动力学过程；

S6.设置气液采集系统中背压阀的压力，连通背压阀和垫片上的通孔，收集并监测产出的甲烷气和水；

S7.模拟井筒停止产气和产水时，打开注液泵，向模拟井筒注入压裂液，监测压裂液的压力变化，当持续加压直至压力稳定，气液采集系统监测加压过程中的产水和产气情况；

S8.停止试验，取出压裂后的水合物沉积物试件，利用中子摄像监测系统监测得到的含水量演化情况以及水合物相变过程、含水合物沉积物试件表面的裂纹形态和含水合物沉积物试件内部的染色情况确定含水合物沉积物试件内部压裂液的流动情况以及水压致裂的裂隙分布情况；

S9.对比步骤S6和步骤S7中的监测数据，确定真三轴应力状态下，水力压裂对天然气水合物开采的影响。

还进一步优选的是，沉积物试件的步骤包括：A.混合石英砂、黏土和水并充填在模具的外层，制作防渗透层下部；b.将多层乳胶膜放在模具内，并且紧贴防渗透层的内侧；其中乳胶膜夹层中间还包裹有锡箔纸层；C.混合石英砂和水充填如乳胶膜层内并夯实，模拟水合物的骨架；D.制作防渗透层上部，拆卸模拟井筒模具，形成模拟井筒。

本发明提供的天然气水合物储层真三轴水力压裂模拟试验装置及方法有益效果包括：

(1)通过该装置可以开展真三向应力状态下含水合物沉积物的水力压裂模拟试验，进行天然气水合物储层在真三向应力状态下的水力压裂特性的研究，确定真三向应力状态下的水力压裂在天然气水合物开采中所起到的作用。

(2)真三轴水力压裂系统用于为试件提供高压密封条件，还可以提供与真实储层相近的三个方向主应力各不相同的真三向应力状态，并向其中注入压裂液达到水力压裂的目的；温控系统控制整个试验过程中压力室内的温度以便于形成水合物以及维持压裂试验中水合物相；气液采集系统能够对试验过程中产出的气体和水进行收集和测量；中子摄像监测系统能够很好地确定水合物中的碳、氢、氧元素，分析客体分子在水笼中的无序分布，监测真三轴水力压裂时试件中含水量的演化情况和孔隙介质中水合物相变过程的热力学和动力学过程；压力控制及数据采集系统通过控制压力伺服装置来调节三个轴向压力的大小，采集压力等相关数据。

(3)利用该装置可以进行真三向应力状态下天然气水合物储层水力压裂模拟试验，且其试验方法简单，主要是通过制备含水合物沉积物试件模拟天然气水合物储层，并利用该装置对含水合物沉积物试件进行真三向应力状态下的水力压裂，模拟天然气水合物储层在真三向应力状态下的水力压裂特性，从而方便研究真三向应力状态下的水力压裂在天然气水合物开采中所起到的作用。

附图说明

图1是天然气水合物储层真三轴水力压裂模拟试验装置示意图；

图2是中子摄像监测系统的示意图；

图3是试件和垫片的结构示意图；

图4是真三轴水力压裂系统的示意图；

图5是真三轴水力压裂系统的侧面示意图；

图6是模拟井筒的垂直开采井筒示意图；

图7是模拟井筒的水平开采井筒示意图；

图8是试件的正面示意图；

图9是试件的侧面示意图；

图中：1.冷库设备；2.真三轴水力压裂系统；3.背压阀；4.背压容器；5.出口阀门；6.气液分离装置；7.电子天平；8.气体流量计；9.压力控制和数据采集系统；10.中子摄像监测系统；11.压力试验机；12.加载机构；13.光源；14.平行光管；15.探测器；16.试件；17.注液泵；18.垫片；19.压头；20.模拟井筒；21.压力伺服装置；22-通孔；23-模拟水合物沉积物；24-防渗透层。

具体实施方式

结合图1至图9所示，对本发明提供的一种天然气水合物储层真三轴水力压裂模拟试验装置及方法的具体实施方式进行说明。

一种天然气水合物储层真三轴水力压裂模拟试验装置，包括温度控制系统、真三轴水力压裂系统、气液采集系统、中子摄像监测系统，以及压裂控制和数据采集系统。通过该装置可以开展真三向应力状态下含水合物沉积物的水力压裂模拟试验，进行天然气水合物储层在真三向应力状态下的水力压裂特性的研究，确定真三向应力状态下的水力压裂在天然气水合物开采中所起到的作用。

其中，温控系统控制整个试验过程中压力室内的温度以便于形成水合物以及维持压裂试验中水合物相。温度控制系统包括冷库设备1，用于控制试验温度，维持压裂试验过程中水合物的状态；整个试验在冷库中进行，从而可以保证试验温度的稳定。温度控制系统的冷库设备配置有制冷机，制冷机能够对冷库的温度进行监测和控制，使冷库内温度保持恒定，冷库内的电线管路均使用保温材料包裹，进一步的控制温度。

真三轴水力压裂系统2用于为试件提供高压密封条件，还可以提供与真实储层相近的三个方向主应力各不相同的真三向应力状态，并向其中注入压裂液达到水力压裂的目的真三轴水力压裂系统2包括压力试验机11、试件16和加载机构12，压力试验机11和加载结构12配合对放置在加载机构上的试件16施加三个方向的主应力，试件16上还设置模拟井筒，加载机构12上的通孔22和模拟井筒20相连，注入压裂液模拟水力压裂过程。真三轴水力压裂系统2的加载机构包括压头19、垫片18，各个压头19压设在垫片18上，垫片18对试件16施加载荷。试件放置在加载机构上，试件16在上、下、左、右、前、后各侧均设置有垫片18，每个垫片18与压头19相连，通过压头19向垫片18施加载荷，垫片18将载荷传递至试件16上，在上侧垫片和左侧垫片上开设有通孔22，注液泵17与通孔22相连。压头19均与压力伺服装置相连，压力伺服装置21可以实时控制施加载荷的大小。试件16上开设有模拟井筒，模拟井筒20包括垂直开采井筒和水平开采井筒，分别模拟井筒的开采。垂直开采井筒和上垫片上的通孔相连通，水平开采井筒和下左侧垫片上的通孔连通，从而可以通过该注入高压压裂液，模拟水合物的压裂过程，。

中子摄像监测系统10监测试件中水合物中的碳、氢、氧元素含量，分析客体分子在水笼中的无序分布，监测真三轴水力压裂时试件中含水量的演化情况和孔隙介质中水合物相变的热力学和动力学过程；即水合物物质间热能的转移和热能与其他能量的转换问题，以及低数状态下水合物的运动状态。中子摄像监测系统10包括光源13、平行光管14、探测器15和中子摄像机，光源13和平行光管14放置在试件的一侧，平行光管14对光源13发出的光进行整光，探测器15放置在平行光管的对侧，探测器15和中子摄像机及计算机相连；探测器15和中子摄像机对被囚禁在包合剂结构的空穴或孔道中的化合物进行分析。

气液采集系统能够对试验过程中产出的气体和水进行收集和测量。气液采集系统与真三轴水力压裂系统相连，气液采集系统包括背压阀3、背压容器4、出口阀门5、气液分离装置6、电子天平7和气体流量计8，模拟井筒依次连接背压阀和背压容器，背压阀3还连接气液分离装置，气液分离装置6分别连接电子天平和气体流量计，电子天平7记录水的流量，气体流量计8确定气体的流量。

压力控制及数据采集系统9通过控制压力伺服装置来调节三个轴向压力的大小，采集压力等相关数据。压裂控制和数据采集系统控制压力试验机和加载机构加载，并记录监测数据。压裂控制和数据采集系统9包括压力传感器和数据采集仪，真三轴水力压裂系统布置有多个压力传感器，分别对注液泵注入液体的压力进行测定，对压力伺服装置的加载进行测定，数据采集仪采集并记录压力传感器的监测数据。

一种天然气水合物储层真三轴水力压裂模拟试验方法，利用上述的一种天然气水合物储层真三轴水力压裂模拟试验装置，步骤包括：

S1.在注液泵配置压裂液，压裂液中添加染色剂。其中压裂液主要原料为水，可以在水中添加红色或蓝色的染色剂。

S2.开启温度控制系统，在冷库内制备沉积物试件，将压裂液降温至1℃。

沉积物试件的制备需要的材料包括不同粒径的石英砂、黏土和水等，试件整体可以模拟水合物储层，其中沉积物试件的步骤包括：A.混合石英砂、黏土和水并充填在模具的外层，制作防渗透层下部，防渗透层包裹在试件的最外层，并且不会渗透；b.将多层乳胶膜放在模具内，一般可以使用2层乳胶膜，并且紧贴防渗透层的内侧，放置压裂液等高压液体流出；其中乳胶膜夹层中间还包裹有锡箔纸层，从而可以避免高压气体外溢流出；C.混合石英砂和水充填如乳胶膜层内并夯实，模拟水合物的骨架，其高度略低于乳胶膜层；D.制作防渗透层上部，在试件外部形成完整包裹的防渗透层，拆卸模拟井筒模具，形成模拟井筒。

S3.将沉积物试件放置在加载机构上，并利用通孔向试件内通入甲烷气，得到水合物沉积物试件；水合物骨架、甲烷气和水在特定的温度下形成天然气水合物。

S4.通过压力试验机和加载机构对水合物沉积物试件施加水平方向的载荷和竖直方向上的载荷。接着安装所有垫片并分别通过左右压力伺服装置和前后压力伺服装置在试件的左右面和前后面上施加压力，直至为试件提供2个大小为1MPa的应力；然后，再通过压力试验机施加垂直方向的压力，大小为1MPa；根据试验方案可以调整三个方向上的加载应力的大小。

S5.开启中子摄像监测系统，监测试件中水合物中的碳、氢、氧元素含量，分析客体分子在水笼中的无序分布，监测真三轴水力压裂时试件中含水量的演化情况和孔隙介质中水合物相变的热力学和动力学过程。

S6.设置气液采集系统中背压阀的压力，连通背压阀和垫片上的通孔，收集并监测产出的甲烷气和水。

S7.模拟井筒停止产气和产水时，打开注液泵，向模拟井筒注入压裂液，监测压裂液的压力变化，当持续加压直至压力稳定，气液采集系统监测加压过程中的产水和产气情况。

其中注液泵缓慢注入压裂液，观察计算机上压裂液压力的变化，当含水合物的沉积物试件内部出现压裂即压裂液压力出现突降之后，继续向含水合物沉积物试件内部注入压裂液使压力升高，重复压裂降压和注液升压过程，直至压力保持稳定，并且压力值较低不再上升，表示裂隙已经局部或全部贯穿含水合物沉积物试件；在此过程中需要持续监测产气产水情况。

S8.停止试验，取出压裂后的水合物沉积物试件，利用中子摄像监测系统监测得到的含水量演化情况以及水合物相变过程、含水合物沉积物试件表面的裂纹形态和含水合物沉积物试件内部的染色情况确定含水合物沉积物试件内部压裂液的流动情况以及水压致裂的裂隙分布情况。

S9.对比步骤S6和步骤S7中的监测数据，确定真三轴应力状态下，水力压裂对天然气水合物开采的影响。

天然气水合物储层真三轴水力压裂模拟试验装置可以开展真三向应力状态下含水合物沉积物的水力压裂模拟试验，进行天然气水合物储层在真三向应力状态下的水力压裂特性的研究，确定真三向应力状态下的水力压裂在天然气水合物开采中所起到的作用。利用该装置可以进行真三向应力状态下天然气水合物储层水力压裂模拟试验，且其试验方法简单，主要是通过制备含水合物沉积物试件模拟天然气水合物储层，并利用该装置对含水合物沉积物试件进行真三向应力状态下的水力压裂，模拟天然气水合物储层在真三向应力状态下的水力压裂特性，从而方便研究真三向应力状态下的水力压裂在天然气水合物开采中所起到的作用。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种天然气水合物储层真三轴水力压裂模拟试验装置，其特征在于，包括温度控制系统、真三轴水力压裂系统、气液采集系统、中子摄像监测系统，以及压裂控制和数据采集系统；所述温度控制系统包括冷库设备，用于控制试验温度，维持压裂试验过程中水合物的状态；所述真三轴水力压裂系统包括压力试验机、试件和加载机构，压力试验机和加载结构配合对放置在加载机构上的试件施加三个方向的主应力，试件上还设置模拟井筒，加载机构上的通孔和模拟井筒相连，注入压裂液模拟水力压裂过程；所述气液采集系统和真三轴水力压裂系统相连；所述中子摄像监测系统监测试件中水合物中的碳、氢、氧元素含量，分析客体分子在水笼中的无序分布，监测真三轴水力压裂时试件中含水量的演化情况和孔隙介质中水合物相变的热力学和动力学过程；所述压裂控制和数据采集系统控制压力试验机和加载机构加载，并记录监测数据。

2.根据权利要求1所述的一种天然气水合物储层真三轴水力压裂模拟试验装置，其特征在于，所述温度控制系统的冷库设备配置有制冷机，冷库内的电线管路使用保温材料包裹。

3.根据权利要求1所述的一种天然气水合物储层真三轴水力压裂模拟试验装置，其特征在于，所述真三轴水力压裂系统的加载机构包括压头、垫片，压头压设在垫片上，垫片对试件施加载荷；所述试件放置在加载机构上，试件在上、下、左、右、前、后各侧均设置有垫片，在上侧垫片和左侧垫片上开设有通孔，注液泵与通孔相连；所述压头均与压力伺服装置相连。

4.根据权利要求3所述的一种天然气水合物储层真三轴水力压裂模拟试验装置，其特征在于，所述试件上开设有模拟井筒，模拟井筒包括垂直开采井筒和水平开采井筒；所述垂直开采井筒和上垫片上的通孔相连通，水平开采井筒和下左侧垫片上的通孔连通。

5.根据权利要求1所述的一种天然气水合物储层真三轴水力压裂模拟试验装置，其特征在于，所述气液采集系统包括背压阀、背压容器、出口阀门、气液分离装置、电子天平和气体流量计，模拟井筒依次连接背压阀和背压容器，背压阀还连接气液分离装置，气液分离装置分别连接电子天平和气体流量计。

6.根据权利要求1所述的一种天然气水合物储层真三轴水力压裂模拟试验装置，其特征在于，所述中子摄像监测系统包括光源、平行光管、探测器和中子摄像机，光源和平行光管放置在试件的一侧，探测器放置在平行光管的对侧，探测器和中子摄像机及计算机相连。

7.根据权利要求1所述的一种天然气水合物储层真三轴水力压裂模拟试验装置，其特征在于，所述压裂控制和数据采集系统包括压力传感器和数据采集仪，真三轴水力压裂系统布置有多个压力传感器，数据采集仪采集并记录压力传感器的监测数据。

8.一种天然气水合物储层真三轴水力压裂模拟试验方法，其特征在于，利用权利要求1至7任一项所述的一种天然气水合物储层真三轴水力压裂模拟试验装置，步骤包括：

S1.在注液泵配置压裂液，压裂液中添加染色剂；

S2.开启温度控制系统，在冷库内制备沉积物试件，将压裂液降温至1℃；

S3.将沉积物试件放置在加载机构上，并利用通孔向试件内通入甲烷气，得到水合物沉积物试件；

S4.通过压力试验机和加载机构对水合物沉积物试件施加水平方向的载荷和竖直方向上的载荷；

S5.开启中子摄像监测系统，监测试件中水合物中的碳、氢、氧元素含量，分析客体分子在水笼中的无序分布，监测真三轴水力压裂时试件中含水量的演化情况和孔隙介质中水合物相变的热力学和动力学过程；

S6.设置气液采集系统中背压阀的压力，连通背压阀和垫片上的通孔，收集并监测产出的甲烷气和水；

S7.模拟井筒停止产气和产水时，打开注液泵，向模拟井筒注入压裂液，监测压裂液的压力变化，当持续加压直至压力稳定，气液采集系统监测加压过程中的产水和产气情况；

S8.停止试验，取出压裂后的水合物沉积物试件，利用中子摄像监测系统监测得到的含水量演化情况以及水合物相变过程、含水合物沉积物试件表面的裂纹形态和含水合物沉积物试件内部的染色情况确定含水合物沉积物试件内部压裂液的流动情况以及水压致裂的裂隙分布情况；

S9.对比步骤S6和步骤S7中的监测数据，确定真三轴应力状态下，水力压裂对天然气水合物开采的影响。

9.根据权利要求8所述的一种天然气水合物储层真三轴水力压裂模拟试验方法，其特征在于，所述沉积物试件的步骤包括：A.混合石英砂、黏土和水并充填在模具的外层，制作防渗透层下部；b.将多层乳胶膜放在模具内，并且紧贴防渗透层的内侧；其中乳胶膜夹层中间还包裹有锡箔纸层；C.混合石英砂和水充填如乳胶膜层内并夯实，模拟水合物的骨架；D.制作防渗透层上部，拆卸模拟井筒模具，形成模拟井筒。

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