CN113029792B - 基于纳米颗粒流体的页岩纳米孔隙封堵实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纳米颗粒流体的页岩纳米孔隙封堵实验装置及方法，实验装置包括三轴模块、水力及气体注压模块、纳米颗粒流体流动模块、流体封堵页岩孔隙模块及其控制装置，三轴模块包括三轴试验舱、圆形压块以及上游、下游压力岩心输入和输出通道和围压施压胶管；水力及气体注压模块包括高压注入泵，三轴试验舱中的溶液通过管道与圆形压块的通道接口连接；纳米颗粒流体流动模块包括相连的两通纳米颗粒流体容器以及第三液压装置，第三液压装置包括三并联上游压力罐体、压力传感器、纳米颗粒流体、第二四联通阀、恒流泵、第一流体储液罐和磁力搅拌装置。本发明能模拟不同地层应力条件下和不同纳米颗粒物理参数条件下的页岩纳米孔隙封堵实验。
Description
技术领域
本发明涉及非常规开采和纳米钻井液封堵技术领域，尤其涉及一种基于纳米颗粒流体的页岩纳米孔隙封堵的物理模拟实验装置及方法。
背景技术
页岩气作为重要的非常规能源之一，储量丰富。目前，页岩气在中国已进入快速发展阶段，这将有效缓解我国天然气供需矛盾，有利于国家能源结构的调整。但是，页岩是典型的低渗透性沉积岩，其井壁稳定问题始终是国内外页岩气(油)勘探开发中的难点和热点，页岩气钻井过程中所钻遇75％以上的地层是页岩地层，而由它引起的井眼失稳问题超过90％。抑制页岩水化和封堵页岩纳米孔隙，是页岩气水平井能否维持井壁稳定以及页岩气能否高效持续开采的基础。
由于纳米材料在物理尺度上与页岩纳米孔隙匹配，当纳米颗粒运移至页岩孔隙深部时，颗粒堆积并阻滞水分的再次侵入。纳米颗粒可以封堵页岩裂缝和裂隙已经得到了学界和工业界的认可。然而，目前的纳米颗粒流体封堵页岩孔隙物理模拟的发展也存在诸多瓶颈，比如页岩孔隙为纳米级，渗透过程缓慢，上游压力和围压无法维持7日以上的稳定，因此出现使用人工模拟页岩进行纳米颗粒封堵实验，但人工模拟页岩难以通过设备制得具有纳米孔隙的页岩试样，同时，纳米颗粒在溶液中会长时间聚集，纳米颗粒由于表面能会发生聚集，生成颗粒团，无法正确评测纳米颗粒的实际封堵效果。因此，大多数情况下，采用纳米颗粒流体通过人工孔隙生成的泥饼来反向推测纳米颗粒流体对页岩孔隙的封堵效率。
发明内容
本发明旨在提供一种基于纳米颗粒流体的页岩纳米孔隙封堵实验装置及方法，用于模拟不同地层应力条件下和不同纳米颗粒物理参数条件下的真实页岩孔隙封堵实验。
具体来说，本发明的技术方案如下：
基于纳米颗粒流体的页岩纳米孔隙封堵实验装置，包括三轴模块、水力及气体注压模块、纳米颗粒流体流动模块、流体封堵页岩孔隙控制模块以及控制装置，其中，
所述三轴模块包括置于第一恒温箱中的三轴实验舱，三轴实验舱内设置有一个对试样施加围压的围压施压胶管和两个用于对试样进行轴向加压的圆形压块，围压施压胶管包裹在试样的周向表面，两个圆形压块分别设置在试样的上端和下端，且位于上端的圆形压块内部设置有上游压力岩心输入和输出通道，位于下端的圆形压块内部设置有回压通道以及下游压力岩心输入和输出通道,回压通道和下游压力岩心输入和输出通道是两条独立的通道,上游、下游压力岩心输入和输出通道作为流体流动通道,其中的输入和输出是指该通道具有输入接口和输出接口；
所述水力及气体注压模块包括与三轴实验舱连接的水力注压模块和气体注压模块，其中水力注压模块包括用于施加围压压力的第二柱塞泵和施加轴压压力第三柱塞泵，气体注压模块包括用于输入压力的氮气瓶或空压机；
所述纳米颗粒流体流动模块包括置于第二恒温箱中并用于控制纳米颗粒流体进入三轴实验舱的上游压力罐体和下游压力罐体，上游压力罐体中填充有纳米颗粒流体且配置有磁力搅拌装置，上游压力罐体的输出端与上游压力岩心输入和输出通道连接，上游压力罐体的输入端经恒流泵与第一流体储液罐连接，下游压力罐体的输入端与第一柱塞泵连接，下游压力罐体的输出端与下游压力岩心输入和输出通道连接；
所述流体封堵页岩孔隙控制模块包括第一变送器及压力传感器、第二变送器及压力传感器、第三变送器及压力传感器、第四变送器及压力传感器，以及依次连接的第四柱塞泵、第四流体储液罐和回压阀，其中，第一变送器及压力传感器与上游压力岩心输入和输出通道连接，第二变送器及压力传感器与下游压力岩心输入和输出通道连接，第三变送器及压力传感器与第三柱塞泵连接，第四变送器及压力传感器与第四流体储液罐连接；
所述控制装置包括计算机记录及计算系统，所述计算机记录及计算系统与第一变送器及压力传感器、第二变送器及压力传感器、第三变送器及压力传感器、第四变送器及压力传感器连接并记录压力数据，控制装置还与水力及气体注压模块、纳米颗粒流体流动模块连接。
进一步，所述上游压力罐体由相互并联的第一上游压力罐体、第二上游压力罐体和第三上游压力罐体组成，且第一上游压力罐体、第二上游压力罐体和第三上游压力罐体的输出端分别通过第一上游压力开关、第二上游压力开关和第三上游压力开关与第一四联通阀的输入端连接，第一四联通阀的输出端与上游压力岩心输入和输出通道连接，第一上游压力罐体、第二上游压力罐体和第三上游压力罐体的输入端均与第二四联通阀的输出端连接，第二四联通阀的输入端经恒流泵与第一流体储液罐连接。
进一步，所述第一柱塞泵、第二柱塞泵、第三柱塞泵和第四柱塞泵的输出端管路上至少设置有一个单向阀，作为一种选择，高压柱塞泵与试样上连接的管道上中都安装有单向阀。
进一步，所述磁力搅拌装置包括设置在第一上游压力罐体、第二上游压力罐体和第三上游压力罐体侧壁上的磁子搅拌定子线圈，以及安装在第一上游压力罐体、第二上游压力罐体和第三上游压力罐体腔室中的磁子搅拌转子，磁子搅拌转子在磁子搅拌定子线圈的作用下旋转以搅拌罐体中的纳米颗粒流体。每个罐体有独立开关，分别通过独立管线与恒流泵连接，每个压力罐体的出口都与封堵实验区域连通。
进一步，所述三轴实验舱上安装有用于检测试样变形的位移传感器，所有数据可通过控制系统存入计算机记录及计算系统。
进一步，所述三轴模块还包括轴压顶端圆盘和轴压底端圆盘，围压施压胶管上端与轴压顶端圆盘固定连接，下端与轴压底端圆盘固定连接。
进一步，所述第一柱塞泵、第二柱塞泵、第三柱塞泵和第四柱塞泵分别与控制装置电连接。
进一步，基于纳米颗粒流体的页岩纳米孔隙封堵实验装置还包括纳米颗粒流体流动压力调整管路，所述纳米颗粒流体流动压力调整管路的一端与上游压力岩心输入和输出通道连接，另一端与下游压力岩心输入与输出通道连接，且纳米颗粒流体流动压力调整管路设置有上游压力和下游压力连接阀。
三轴模块中的围压施压胶管应依据试样的高度进行选配，保证围压施加且不发生溢流，围压施压胶管与试样两端圆盘固定连接。高压柱塞泵与所述的控制装置电连接，电子操控高压柱塞泵自动加压和吸液。通过设置上游压力和下游压力连接阀能够快速调整试样两端压力值相等和稳定。
基于纳米颗粒流体的页岩纳米孔隙封堵实验方法，包括以下步骤：
S1，制备试样，试样分为人工试样和天然试样，人工试样采用标准直径的岩心压制机压制而成，天然试样则是将取回的现场原岩采用标准岩心钻取机钻取；
S2，试样安装与调整，将试样放入三轴实验舱中，试样包裹在围压施压胶管中，两个圆形压块内部的上游压力岩心输入和输出通道和下游压力岩心输入和输出通道分别连接上游压力罐体和下游压力罐体；
S3，对试样施加压力，设置试样周围和两端的压力，在施加压力过程中，三向压力应逐步均匀的增加，且始终保持第二变送器及压力传感器显示压力比第一变送器及压力传感器显示压力高；
S4，通过设置磁力搅拌装置搅拌上游压力罐体中的纳米颗粒流体，保证纳米颗粒流体处于流动状态；
S5，纳米颗粒流体填充试样孔隙，打开恒流泵，使纳米颗粒流体进入试样孔隙；
S6，当第五变送器及压力传感器数据开始上升时，打开第四柱塞泵提供回压，但需保证第五变送器及压力传感器压力值低于第一变送器及压力传感器压力值；
S7，打开计算机记录及计算系统，开始进行信号和数据采集；
S8，待计算机显示第一变送器及压力传感器和第五变送器及压力传感器压力值一致且趋于稳定时，表明试样已被纳米颗粒流体贯穿，此时关闭恒流泵，关闭上游压力罐体对应的开关，关闭计算机记录及计算系统。
进一步，所述S3之前，将第一恒温箱和第二恒温箱加热到相同的指定温度，保证纳米颗粒流体在后续实验过程中无热量增加和热量损失。
本发明提出的基于纳米颗粒流体的页岩纳米孔隙封堵的物理模拟实验系统，能够模拟纳米颗粒流体封堵页岩纳米孔隙过程，并可实现对纳米封堵过程过程进行监控，进行大量的实验可指导实际生产，避免实际生产的盲目操作，提高了生产效率。另外，本页岩纳米孔隙封堵的物理模拟实验系统具有模块化操作，集成控制的优点，同时，本页岩纳米孔隙封堵的物理模拟实验系统能够保持上游压力和围压维持7日以上的稳定，且纳米颗粒可以保持纳米尺度进入页岩孔隙，三并联纳米颗粒流体压力罐可保证不同纳米颗粒对同一页岩试样进行不间断不同物理参数实验等优势。
附图说明
图1为本发明基于纳米颗粒流体的页岩纳米孔隙封堵实验装置结构示意图；
图中，1-第一恒温箱、2-三轴实验舱、3-岩心固定装置、4-围压施压胶管、5-上游压力岩心输入和输出通道、6-下游压力岩心输入和输出通道、7-页岩岩心、8-轴压顶端圆盘、9-轴压底端圆盘、10-回压通道、11-第二恒温箱、12-第一四联通阀、13-第一上游压力开关、14-第二上游压力开关、15-第三上游压力开关、16-第一上游压力罐体、17-第二上游压力罐体、18-第三上游压力罐体、19-纳米颗粒流体、20-第二四联通阀、21-恒流泵、22-第一流体储液罐、23-磁力搅拌装置、24-第一变送器及压力传感器、25-上游压力和下游压力连接阀、26-第五变送器及压力传感器、27-下游压力开关、28-下游压力罐体、29-第一柱塞泵、30-第二变送器及压力传感器、31-第二柱塞泵、32-第二流体储液罐、33-总储液罐、34-第三变送器及压力传感器、35-第三流体储液罐、36-第三柱塞泵、37-第四变送器及压力传感器、38-氮气瓶或空压机、39-第四柱塞泵、40-第四流体储液罐、41-回压阀、42-计算机记录及计算系统。
具体实施方式
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
参照图1，本优选实施例中，一种基于纳米颗粒流体的页岩纳米孔隙封堵的物理模拟实验系统，包括：三轴模块1、水力及气体注压模块、纳米颗粒流体流动模块11、流体封堵页岩孔隙模块及其控制装置(计算机记录及计算系统42)，其中：
三轴模块1包括三轴实验舱2、用于对放入试样放置室中的试样进行加压的圆形压块8，以及与圆形压块连接以驱动其对试样进行加压的第一液压装置，圆形压块设有两个，连接上游压力和下游压力，围压通过围压施压胶管4施加压力(在本实施例中，压力范围为0～60MPa)；圆形压块中通道连接上游压力系统和下游压力系统，两个系统单独控制互不影响；下端的圆形压块与轴压底端圆盘9焊接在一起，并且通过下端的圆形压块的内部回压通道10建立回压腔体，围压施压胶管4通过上、下两端与上、下端的圆形压块连接，围压施压胶管4长度可包裹试样以及上、下端的圆形压块，且直径与上、下端的圆形压块一致。下端的圆形压块焊接在轴压底端圆盘9上，轴压顶端圆盘8作为岩心固定装置3的一个部分，岩心固定装置3不包含两侧的金属连杆，两个圆形压块内部有流体流动通道，围压施压胶管4通过胶管外径包裹轴压底端圆盘9和轴压顶端圆盘8；岩心固定装置3有两根金属连杆，可插入三轴实验舱2下方孔道内，且使用三个串联胶套和螺丝拧紧加固，防止液体渗漏。三轴实验舱2的下方和岩心固定装置3上方均有和围压施压胶管4直径相同的凸起(轴压底端圆盘9和轴压顶端圆盘8)，高约7cm，通过此凸起与围压施压胶管4连接；位移传感器安装在三轴实验舱2的外侧和最上方，通过线缆传输信号至计算机记录及计算系统42，位移传感器为两根长条金属探针；两个圆形压块连接驱动其对试样进行加压的上游和下游压力系统；
水力及气体注压模块包括连接三轴实验舱的所有压力管线及其加压装置，水力注压模块通过第二柱塞泵31、第三柱塞泵36施加压力，气体注压模块通过氮气瓶或空压机38输入压力；
纳米颗粒流体流动模块11包括第一四联通阀12、第一上游压力开关13、第二上游压力开关14、第三上游压力开关15控制纳米颗粒流体进入三轴实验舱体1，第一上游压力罐体16、第二上游压力罐体17、第三上游压力罐体18为三并联压力罐相互联通，且与第一四联通阀12链接，保证测试不间断进行，纳米颗粒流体、第二四联通阀20、恒流泵21、第一流体储液罐22和磁力搅拌装置23通过管道和第二四联通阀20与试样中的上游压力岩心输入和输出通道5连接；第二四联通阀20另一端通过管线与恒流泵21连接，保证三个并联的上游压力罐体下方无液体时及时补充提供压力；
流体封堵页岩孔隙控制模块包括与纳米颗粒流体流动模块管道联通的变送器及其压力传感器，以及保证回压稳定的第四柱塞泵39、第四流体储液罐40、回压阀41，第四柱塞泵39、第四流体储液罐40和回压阀41形成的压力管路通过管线和圆形压块内部回压通道10与试样底面连通；变送器及其压力传感器包括第一变送器及其压力传感器24、第二变送器及其压力传感器26、第三变送器及其压力传感器34和第四变送器及其压力传感器37；回压阀41处有压力传感器，当回压降低于标准值时，自动补压。回压阀41处压力主要由第四柱塞泵39推动第四流体储液罐40中液体给予，由于实验时间长，会出现压力下降，此时氮气瓶或空压机38自动给压至标准回压；
实验装置中的上游压力和下游压力连接阀25是一个双向联通阀。正常实验状况下，上游压力与下游压力之间隔着试样(页岩岩心)，无法联通。在上游压力和下游压力管路上接入上游压力和下游压力连接阀25，当上游压力和下游压力连通阀25打开时，上游压力和下游压力可快速相同，此时关闭上游压力和下游压力连通阀25，可任意增大上游压力或者下游压力，维持试样两端压力差。
控制装置还与水力及气体注压模块和纳米颗粒流体流动模块11电连接，从而实现通过控制装置控制压力注入模式、速度，以及纳米颗粒流体的流量。气体注压模块主要为保证实验安全，由于管道内压力值高，且实验时间长，难免出现液体渗透，导致回压降低。空压机38可在压力降低后自动补气，维持回压值稳定。
具体地，本实施例中，作为试样放置室的三轴实验舱2的外形尺寸为100×450mm(半径×高)，立体空间内含有试样固定装置，试样(页岩岩心7)直径为25mm，高度可调，极限不超过50mm，剩余空间为围压液体包裹空间。试样(页岩岩心7)上、下两端为圆形固定压块，压块中心含有通道，分别对应上游压力岩心输入和输出通道5和下游压力岩心输入和输出通道6，保证流体与试样(页岩岩心7)岩心表面充分接触。轴压顶端圆盘8和轴压底端圆盘9通过第三变送器及压力传感器34连接第三柱塞泵36，还原试样岩心真实地层压力，压力范围为0～40MPa，加压通过计算机记录及计算系统42实现远程自动加压(第三柱塞泵36驱动轴压底端圆盘9移动，配合轴压顶端圆盘8实现轴向加载)。本实施例中的试验所采用的纳米颗粒流体为纳米SiO2流体，粒径20nm，纳米颗粒的质量分数为5％、10％和20％。纳米颗粒流体管线内径为2mm，另一端通过上游压力控制开关(第一上游压力开关13、第二上游压力开关14、第三上游压力开关15)和第一变送器及压力传感器24与试样上端圆形固定压块通道相连。纳米颗粒流体流速可调，范围为0.01～9.99mL/min，可实现超小流量精准控制。
本实施例中，第一上游压力罐体16、第二上游压力罐体17、第三上游压力罐体18为三个并联压力罐，相互联通且与第一四联通阀连接12。实验测试过程中，只打开一组上游压力罐体及其开关，保证实验时输入管线中只有一种类型的纳米颗粒流体。第一四联通阀连接12又可保证纳米颗粒流体封堵测试不间断进行。
水力及气体注压模块设有两个储液罐，即第二流体储液罐32和总储液罐33，以及高压注入泵，即第二柱塞泵31，第二柱塞泵31与控制装置中的计算机记录及计算系统42电连接，组成注入管道。第二柱塞泵31的出口通过独立的管线与三轴实验舱2上的围压出入孔道连接。第二柱塞泵31和第三柱塞泵36压力范围不同，第二柱塞泵31压力范围为0～60MPa，第三柱塞泵36压力范围为0～40MPa，两个柱塞泵能够长时间连续不断的提供稳定的压力。与之相连的高压管线可承压同样为60MPa。第二流体储液罐32是给第二柱塞泵31本身吸液然后加压的，总储液罐33是围压所需的大量液体储存罐，实现快速增压目的。
进一步，由于第二柱塞泵31提供的压力大于第一柱塞泵29提供的压力，试样上方的溶液不能从试样两侧流入试样底端，纳米颗粒流体必须经过页岩岩心的纳米孔隙才能进入试样底端，此举可保证实验结果的可靠性。纳米颗粒流体19从试样下端面流出后进入下游压力罐体28中，下游压力罐体28在实验开始时填装有去离子水。
本实施例中，所有高压柱塞泵以及恒流泵都通过单独的支路进行控制，支路之间互不影响，从而使基于纳米颗粒流体的页岩纳米孔隙封堵的物理模拟实验系统能够单独或同时给试样加压，避免一方压力过大导致岩心试样破碎的问题。
进一步，第四柱塞泵39与试样底端连接的管道上安装有回压阀41。
具体地，四个高压柱塞泵(第一柱塞泵29、第二柱塞泵31、第三柱塞泵36和第四柱塞泵39)与四个变送器及压力传感器(第一变送器及压力传感器24、第二变送器及压力传感器30、第三变送器及压力传感器34和第四变送器及压力传感器37)位于整台仪器下方，并安装与其配合的电路，使其可进行手动和电动控制。电路连接另一端为压力显示屏，显示目前各柱塞泵及其管线中的压力数值。实验过程中，首先打开第二柱塞泵31，给予1MPa压力，然后再打开恒流泵21，始终保持第二变送器及压力传感器30显示压力比第一变送器及压力传感器24显示压力高1～2MPa，此设置可保证纳米颗粒流体经由页岩纳米孔隙进入试样底端，而非从试样两侧流入底端，保证实验结果可靠性。
进一步，当第五变送器及压力传感器26数据开始上升时，打开第四柱塞泵39提供回压，但需保证第五变送器及压力传感器26压力值低于第一变送器及压力传感器24压力值，既保证实验安全，又保持流体顶端与底端压差。打开第四柱塞泵39提供回压是为使得整个实验装置具有回压，防止压力过大击穿岩心后压力突然释放，保证实验安全。下游压力改变只能通过第一柱塞泵29来调节。
本实施例中，通过设置磁力搅拌装置23，使得磁子搅拌位于第一上游压力罐体16、第二上游压力罐体17和第三上游压力罐体18中的纳米颗粒流体19，转速为100～800RPM，一方面解决了纳米颗粒很难压入试样之中的情况，另一方面还解决了现有技术中存在的纳米颗粒聚集和沉降的现象。
进一步，第一恒温箱1和第二恒温箱11温度控制在常温至120℃，在进行高温纳米颗粒封堵页岩纳米孔隙实验前，需将第二恒温箱11中的纳米颗粒流体19预热到指定温度，待第一恒温箱1中的三轴实验舱2安装完成后，再将第一恒温箱1中仪器预热到指定温度，此时，打开上游压力开关(第一上游压力开关13、第二上游压力开关14、第三上游压力开关15)，保证纳米颗粒流体流动过程中无热量增加和热量损失。
实际应用时，可以利用本发明提供的基于纳米颗粒流体的页岩纳米孔隙封堵的物理模拟实验系统通过以下步骤进行实验。
步骤1，按照试验设计加工页岩试样(页岩岩心7)，试样分为人工试样和天然试样，人工试样以钠土、页岩岩粉及各种添加剂为原料，采用标准直径为25mm的岩心压制机压制而成，然后放置48h成型，天然试样则是将取回的现场原岩采用标准岩心钻取机钻取，岩心直径同样为25mm。
步骤2，在按照试验要求准备试样之后，将试样放入三轴实验舱2中，试样围压通过围压施压胶管4施加压力，围压增大到预设值时停止增压；圆形压块中的通道(上游压力岩心输入和输出通道5和下游压力岩心输入和输出通道6)连接上游压力系统和下游压力系统，打开相应开关，保证上游压力纳米流体和下游压力去离子水能够接触试样顶端和底端。
步骤3，按照试验设计的需要，设置试样周围和两端的压力，在施加压力过程中，注意三向压力应逐步均匀的增加，同时，打开第二柱塞泵31，给予1MPa压力，避免单向压力增加得过快而使试样发生破坏，始终保持第二变送器及压力传感器30显示压力比第一变送器及压力传感器24显示压力高1～2MPa。
步骤4，通过设置磁力搅拌装置23，使得磁子搅拌位于第一上游压力罐体16、第二上游压力罐体17和第三上游压力罐体18中的纳米颗粒流体19，转速为100～800RPM之间调节，保证纳米颗粒流动状态。
步骤5，打开恒流泵21，对试样施加压力，使纳米颗粒流体进入试样孔隙；施加压力时保证先快后慢，最后逐渐保持在0.01mL/min。
步骤6，当第五变送器及压力传感器26数据开始上升时，打开第四柱塞泵39提供回压，但需保证第五变送器及压力传感器26压力值低于第一变送器及压力传感器24压力值。
步骤7，打开计算机记录及计算系统42，开始进行信号和数据采集。
步骤8，待计算机显示第一变送器及压力传感器24和第五变送器及压力传感器26压力值相同且趋于稳定时，表明试样已被纳米颗粒流体贯穿。关闭恒流泵21，关闭上游压力开关13，关闭计算机记录及计算系统42。
步骤9，如果实验测试两种纳米颗粒流体的封堵性能，在第一上游压力罐体16和第二上游压力罐体17中分别配置不同物理参数的纳米颗粒流体，可同时打开第一上游压力开关13和第二上游压力开关14，经过第一四联通阀12，进入三轴实验舱1，其它测试步骤不变。
步骤10，计算机记录及计算系统42记录的数据，可实时绘制纳米颗粒封堵过程和效果。
影响纳米颗粒封堵页岩纳米孔隙物理实验的主要因素有：
(1)地层岩体特征，它主要包括岩石的岩块力学性质、裂隙及层理面发育状况等；
(2)纳米颗粒的物理特性，包括纳米颗粒尺寸、纳米颗粒浓度和纳米颗粒种类等；
(3)流体的物理特性，包括流体密度、流体粘度和流体动切力等。
因此，在物理模拟试验设计的过程中考虑上述因素的影响，通过调节纳米颗粒物理参数，改变模拟地应力大小以及流体流量等，针对不同的试样进行纳米颗粒封堵页岩纳米孔隙物理实验，从室内物理模拟切入，探讨纳米颗粒特性和流体特征对页岩孔隙封堵效率的影响规律，评价封堵效果并优化纳米颗粒参数，最后推广至现场实际生产条件，指导现场纳米颗粒钻井液封堵，从而维持页岩井壁稳定性。
通过本纳米颗粒流体的页岩纳米孔隙封堵的物理模拟实验系统以探索纳米颗粒特性和流体特征对页岩孔隙封堵效率的影响规律和机理，试验过程中需要考虑现场原型和试验模型之间的相似性，否则会削弱模拟试验的价值和可信度。
本发明提出的基于纳米颗粒流体的页岩纳米孔隙封堵的物理模拟实验系统，能够模拟不同纳米颗粒特性和流体特征下的页岩纳米孔隙封堵效果，并可全程监控该封堵过程，进行大量的实验可指导实际生产，避免实际生产的盲目操作，提高了生产效率。另外，本物理模拟实验系统具有模块化操作，集成控制的优点，同时，能够保持上游压力和围压维持7日以上的稳定，且纳米颗粒可以保持纳米尺度进入页岩孔隙，三并联纳米颗粒流体压力罐可保证不同纳米颗粒对同一页岩试样进行不间断不同物理参数实验等优势。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.基于纳米颗粒流体的页岩纳米孔隙封堵实验方法，其特征在于：采用的页岩纳米孔隙封堵实验装置包括三轴模块、水力及气体注压模块、纳米颗粒流体流动模块、流体封堵页岩孔隙控制模块以及控制装置，其中，
所述三轴模块包括置于第一恒温箱(1)中的三轴实验舱(2)，三轴实验舱(2)内设置有一个对试样施加围压的围压施压胶管(4)和两个用于对试样进行轴向加压的圆形压块，围压施压胶管(4)包裹在试样的周向表面，两个圆形压块分别设置在试样的上端和下端，且位于上端的圆形压块内部设置有上游压力岩心输入和输出通道(5)，位于下端的圆形压块内部设置有回压通道(10)以及下游压力岩心输入和输出通道(6)；
所述水力及气体注压模块包括与三轴实验舱(2)连接的水力注压模块和气体注压模块，其中水力注压模块包括用于施加围压压力的第二柱塞泵(31)和施加轴压压力第三柱塞泵(36)，气体注压模块包括用于输入压力的氮气瓶或空压机(38)；
所述纳米颗粒流体流动模块包括置于第二恒温箱(11)中并用于控制纳米颗粒流体(19)进入三轴实验舱(2)的上游压力罐体和下游压力罐体(28)，上游压力罐体中填充有纳米颗粒流体(19)且配置有磁力搅拌装置(23)，上游压力罐体的输出端与上游压力岩心输入和输出通道(5)连接，上游压力罐体的输入端经恒流泵(21)与第一流体储液罐(22)连接，下游压力罐体(28)的输入端与第一柱塞泵(29)连接，下游压力罐体(28)的输出端与下游压力岩心输入和输出通道(6)连接；
所述流体封堵页岩孔隙控制模块包括第一变送器及压力传感器(24)、第二变送器及压力传感器(26)、第三变送器及压力传感器(34)、第四变送器及压力传感器(37)，以及依次连接的第四柱塞泵(39)、第四流体储液罐(40)和回压阀(41)，其中，第一变送器及压力传感器(24)与上游压力岩心输入和输出通道(5)连接，第二变送器及压力传感器(26)与下游压力岩心输入和输出通道(6)连接，第三变送器及压力传感器(34)与第三柱塞泵(36)连接，第四变送器及压力传感器(37)与第四流体储液罐(40)连接；
所述控制装置包括计算机记录及计算系统(42)，所述计算机记录及计算系统(42)与第一变送器及压力传感器(24)、第二变送器及压力传感器(26)、第三变送器及压力传感器(34)、第四变送器及压力传感器(37)连接并记录压力数据，控制装置还与水力及气体注压模块、纳米颗粒流体流动模块连接；
页岩纳米孔隙封堵实验方法包括以下步骤：
S1，制备试样，试样分为人工试样和天然试样，人工试样采用标准直径的岩心压制机压制而成，天然试样则是将取回的现场原岩采用标准岩心钻取机钻取；
S2，试样安装与调整，将试样放入三轴实验舱(2)中，试样包裹在围压施压胶管(4)中，两个圆形压块内部的上游压力岩心输入和输出通道(5)和下游压力岩心输入和输出通道(6)分别连接上游压力罐体和下游压力罐体(28)，将第一恒温箱(1)和第二恒温箱(11)加热到相同的指定温度，保证纳米颗粒流体(19)在后续实验过程中无热量增加和热量损失；
S3，对试样施加压力，设置试样周围和两端的压力，在施加压力过程中，三向压力应逐步均匀的增加，且始终保持第二变送器及压力传感器(26 )显示压力比第一变送器及压力传感器(24)显示压力高；
S4，通过设置磁力搅拌装置(23)搅拌上游压力罐体中的纳米颗粒流体(19)，保证纳米颗粒流体(19)处于流动状态；
S5，纳米颗粒流体(19)填充试样孔隙，打开恒流泵(21)，使纳米颗粒流体(19)进入试样孔隙；
S6，当第二 变送器及压力传感器(26)数据开始上升时，打开第四柱塞泵(39)提供回压，但需保证第二 变送器及压力传感器(26)压力值低于第一变送器及压力传感器(24)压力值；
S7，打开计算机记录及计算系统(42)，开始进行信号和数据采集；
S8，待计算机显示第一变送器及压力传感器(24)和第二 变送器及压力传感器(26)压力值相同且趋于稳定时，表明试样已被纳米颗粒流体贯穿，此时关闭恒流泵(21)，关闭上游压力罐体对应的开关，关闭计算机记录及计算系统(42)。
2.根据权利要求1所述的基于纳米颗粒流体的页岩纳米孔隙封堵实验方法，其特征在于：所述上游压力罐体由相互并联的第一上游压力罐体(16)、第二上游压力罐体(17)和第三上游压力罐体(18)组成，且第一上游压力罐体(16)、第二上游压力罐体(17)和第三上游压力罐体(18)的输出端分别通过第一上游压力开关(13)、第二上游压力开关(14)和第三上游压力开关(15)与第一四联通阀(12)的输入端连接，第一四联通阀(12)的输出端与上游压力岩心输入和输出通道(5)连接，第一上游压力罐体(16)、第二上游压力罐体(17)和第三上游压力罐体(18)的输入端均与第二四联通阀(20)的输出端连接，第二四联通阀(20)的输入端经恒流泵(21)与第一流体储液罐(22)连接。
3.根据权利要求1所述的基于纳米颗粒流体的页岩纳米孔隙封堵实验方法，其特征在于：所述第一柱塞泵(29)、第二柱塞泵(31)、第三柱塞泵(36)和第四柱塞泵(39)的输出端管路上至少设置有一个单向阀。
4.根据权利要求1所述的基于纳米颗粒流体的页岩纳米孔隙封堵实验方法，其特征在于：所述磁力搅拌装置(23)包括设置在第一上游压力罐体(16)、第二上游压力罐体(17)和第三上游压力罐体(18)侧壁上的磁子搅拌定子线圈，以及安装在第一上游压力罐体(16)、第二上游压力罐体(17)和第三上游压力罐体(18)腔室中的磁子搅拌转子，磁子搅拌转子在磁子搅拌定子线圈的作用下旋转以搅拌罐体中的纳米颗粒流体(19)。
5.根据权利要求1所述的基于纳米颗粒流体的页岩纳米孔隙封堵实验方法，其特征在于：所述三轴实验舱(2)上安装有用于检测试样变形的位移传感器。
6.根据权利要求1所述的基于纳米颗粒流体的页岩纳米孔隙封堵实验方法，其特征在于：所述三轴模块还包括轴压顶端圆盘(8)和轴压底端圆盘(9)，围压施压胶管(4)上端与轴压顶端圆盘(8)固定连接，下端与轴压底端圆盘(9)固定连接。
7.根据权利要求1所述的基于纳米颗粒流体的页岩纳米孔隙封堵实验方法，其特征在于：所述第一柱塞泵(29)、第二柱塞泵(31)、第三柱塞泵(36)和第四柱塞泵(39)分别与控制装置电连接。
8.根据权利要求1所述的基于纳米颗粒流体的页岩纳米孔隙封堵实验方法，其特征在于：还包括纳米颗粒流体流动压力调整管路，所述纳米颗粒流体流动压力调整管路的一端与上游压力岩心输入和输出通道(5)连接，另一端与下游压力岩心输入与输出通道(6)连接，且纳米颗粒流体流动压力调整管路设置有上游压力和下游压力连接阀(25)。
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Application publication date: 20210625 Assignee: YUNNAN ENERGY RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd. Assignor: CHINA University OF GEOSCIENCES (WUHAN CITY) Contract record no.: X2023530000002 Denomination of invention: Experimental device and method of shale nanopore plugging based on nanoparticle fluid Granted publication date: 20220614 License type: Common License Record date: 20230302 |
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