CN113281191A - 一种高低温压裂试验装置及基于其的试验方法 - Google Patents

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Abstract

一种高低温压裂试验装置及基于其的试验方法，所述装置包括：固定组件，用于固定试验试样；所述固定组件与岩石力学试验机连接；试验试样，用于进行高低温压裂试验；所述试验试样与所述固定组件连接；支撑组件，用于支撑加热组件；加热组件，用于加热所述试验试样；所述加热组件支撑于所述支撑组件上，且与所述试验试样相对；冷却组件，用于冷却所述固定组件；所述冷却组件与所述固定组件连接；快速降温组件，用于快速降温所述试验试样；所述快速降温组件与所述试验试样连接；流体施加组件，用于向所述试验试样施加流体；所述流体施加组件与所述试验式样连接。本申请可对深层超深层致密岩体在高温及高温储层冷处理后压裂成缝进行研究。

Description

一种高低温压裂试验装置及基于其的试验方法
技术领域
本发明属于非常规致密储层改造技术领域，具体涉及一种高低温压裂试验装置及基于其的试验方法。
背景技术
目前，在“蓝天保卫战”行动计划全力推进的情况下，我国对天然气的需求急剧增长，但国内天然气产量严重不足，我国天然气对外依存度已超过40％，供需矛盾日益突出，能源安全形势越发严峻，我国正在采取积极措施加快页岩气等非常规天然气的开发。
目前，我国已基本实现了中浅层页岩气(深度<3500m)的商业开发，除3500m以浅的浅海相页岩气资源得到了有效动用外，海相深层、陆相、海陆过渡相等页岩层系中页岩气资源量仍然巨大，川南地区3500m以深的页岩气资源占整个川南地区总资源量的比例更是高达86.5％，深层页岩气资源的开发对提高天然气供给意义重大。
但深层超深层页岩储层埋深大，地层层序增多，构造强烈，压力体系更加复杂，地层温度高(150-200℃)，页岩塑性增强，裂缝起裂难度增加，缝宽变窄，地层闭合压力增加，闭合应力高(90-100MPa)，给页岩有效压裂带来系列重大理论与技术难题，因此需要探索新型的压裂模式和复杂缝成缝新技术。
目前国内外相关研究多集中于在室内采用真三轴物模试验开展水力裂缝扩展研究，这些试验系统的研究对象基本是针对中浅层油气藏储层应力特征而设计，难以考虑高温及温度交变等特殊环境条件，也缺乏能够开展高温及高低温交替的试验系统，难以获取针对高温储层特征有效开展压裂试验的基础数据。
因此，在高温作用以及冷热循环交变作用下，如何定量研究页岩水力主压裂缝扩展动态演化及与天然裂缝、弱面缝相互干扰力学机制，进而有效进行深部页岩储层压裂缝扩展与定量化评价是一个技术难点。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种高低温压裂试验装置及基于其的试验方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种高低温压裂试验装置，包括：
固定组件，用于固定试验试样；所述固定组件与岩石力学试验机连接；
试验试样，用于进行高低温压裂试验；所述试验试样与所述固定组件连接；
支撑组件，用于支撑加热组件；
加热组件，用于加热所述试验试样；所述加热组件支撑于所述支撑组件上，且与所述试验试样相对；
冷却组件，用于冷却所述固定组件；所述冷却组件与所述固定组件连接；
快速降温组件，用于快速降温所述试验试样；所述快速降温组件与所述试验试样连接；
流体施加组件，用于向所述试验试样施加流体；所述流体施加组件与所述试验式样连接。
优选地，所述固定组件包括：下压头、上压头和传力压头，其中，所述下压头与所述岩石力学试验机的固定端连接，且与所述试验试样的底端抵紧，所述上压头与所述岩石力学试验机的移动端连接，所述传力压头与所述上压头连接，且位于所述下压头的正上方，并与所述试验试样的顶端抵紧，所述流体施加组件依次穿过所述上压头和所述传力压头并伸入所述试验试样中。
优选地，所述支撑组件包括：支架，所述支架沿所述试验试样布置，且顶端支撑所述加热组件。
优选地，所述加热组件包括：加热套筒和电加热线，其中，所述加热套筒的底端支撑于所述支撑组件中支架的顶端，所述试验试样位于所述加热套筒中，所述电加热线布置于所述加热套筒的内壁上，且与所述试验试样相对。
优选地，所述加热套筒的底端设置有下隔热板，所述下隔热板位于所述电加热线的下方，且完全封闭所述加热套筒的底端敞口。
优选地，所述加热套筒的顶端设置有上隔热板，所述上隔热板位于所述电加热线的上方，且完全封闭所述加热套筒的顶端敞口。
优选地，所述冷却组件包括：下冷却水管线和上冷却水管线，其中，所述下冷却水管线布置于所述固定组件中下压头的周身，所述上冷却水管线布置于所述固定组件中传力压头的周身。
优选地，所述快速降温组件包括：液氮注入管，所述液氮注入管呈螺旋形布置于所述试验试样的周身。
优选地，所述流体施加组件包括：高压流体注入管，所述高压流体注入管依次穿过所述固定组件中上压头和传力压头并伸入所述试验试样中。
本发明还提供了一种基于高低温压裂试验装置的试验方法，所述高低温压裂试验装置包括如上述中任一所述的高低温压裂试验装置，所述方法包括步骤：
利用井下全直径岩心制备试验试样；
通过固定组件将所述试验试样固定于岩石力学试验机上；
通过支撑组件将加热组件与所述试验试样相对设置；
将冷却组件与所述固定组件连接；
将快速降温组件与所述试验试样连接；
将流体施加组件与所述试验试样连接；
通过所述加热组件和所述快速降温组件对所述试验试样进行若干次高低温循环；
通过所述岩石力学试验机向所述试验试样轴向加载预设轴向应力；
通过所述流体施加组件向所述试验试样施加预设排量模拟压裂液；
在达到预设条件时停止所述流体施加组件向所述试验试样施加所述模拟压裂液；
对所述试验试样上形成的压裂缝进行三维成像分析；
分析处理所述试验试样压裂过程中获得数据并定量评价所述压裂缝的复杂程度。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本申请提供的一种高低温压裂试验装置及基于其的试验方法，可对深层超深层致密岩体在高温及高温储层冷处理后压裂成缝进行研究，本发明为研究高温储层压裂缝扩展机理提供了一种技术手段，同时该试验装置及方法可以推广到深部干热岩压裂缝扩展模拟中，对推动非常规储层复杂缝形成机制与技术都具有一定的实际意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的一种高低温压裂试验装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种高低温压裂试验装置的结构示意图。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
如图1-2，在本申请实施例中，本发明提供了一种高低温压裂试验装置，包括：
固定组件10，用于固定试验试样20；所述固定组件10与岩石力学试验机连接；
试验试样20，用于进行高低温压裂试验；所述试验试样20与所述固定组件10连接；
支撑组件30，用于支撑加热组件40；
加热组件40，用于加热所述试验试样20；所述加热组件40支撑于所述支撑组件30上，且与所述试验试样20相对；
冷却组件50，用于冷却所述固定组件10；所述冷却组件50与所述固定组件10连接；
快速降温组件60，用于快速降温所述试验试样20；所述快速降温组件60与所述试验试样20连接；
流体施加组件70，用于向所述试验试样20施加流体；所述流体施加组件70与所述试验式样连接。
在本申请实施例中，当使用此高低温压裂试验装置进行试验时，首先利用井下全直径岩心制备试验试样20，然后通过固定组件10将所述试验试样20固定于岩石力学试验机上，接着通过支撑组件30将加热组件40与所述试验试样20相对设置，并将冷却组件50与所述固定组件10连接，接着将快速降温组件60与所述试验试样20连接，将流体施加组件70与所述试验试样20连接，通过所述加热组件40和所述快速降温组件60对所述试验试样20进行若干次高低温循环，通过所述岩石力学试验机向所述试验试样20轴向加载预设轴向应力，通过所述流体施加组件70向所述试验试样20施加预设排量模拟压裂液，在达到预设条件时停止所述流体施加组件70向所述试验试样20施加所述模拟压裂液；对所述试验试样上形成的压裂缝进行三维成像分析；分析处理所述试验试样压裂过程中获得数据并定量评价所述压裂缝的复杂程度。
如图1-2，在本申请实施例中，所述固定组件10包括：下压头11、上压头12和传力压头13，其中，所述下压头11与所述岩石力学试验机的固定端连接，且与所述试验试样20的底端抵紧，所述上压头12与所述岩石力学试验机的移动端连接，所述传力压头13与所述上压头12连接，且位于所述下压头11的正上方，并与所述试验试样20的顶端抵紧，所述流体施加组件70依次穿过所述上压头12和所述传力压头13并伸入所述试验试样20中。
在本申请实施例中，下压头11固定于岩石力学试验机的底盘上，且支撑试验试样20的底端，上压头12与岩石力学试验机的压力施加器件连接，且与传力压头13连接，传力压头13与试验试样20的顶端抵紧。下压头11和传力压头13共同将试验试样20牢固地夹紧在岩石力学试验机上。
如图1-2，在本申请实施例中，所述支撑组件30包括：支架31，所述支架31沿所述试验试样20布置，且顶端支撑所述加热组件40。
在本申请实施例中，支架31呈环形的布置在岩石力学试验机周围，可以用于支撑加热组件40。支架31的高度可以调整，用于满足加热组件40与试验试样20之间的高度要求。
如图1-2，在本申请实施例中，所述加热组件40包括：加热套筒41和电加热线42，其中，所述加热套筒41的底端支撑于所述支撑组件30中支架31的顶端，所述试验试样20位于所述加热套筒41中，所述电加热线42布置于所述加热套筒41的内壁上，且与所述试验试样20相对。
在本申请实施例中，加热套筒41固定于支架31上，且呈环形布置于试验试样20周围，将试验试样20的周面包裹，电加热线42布置于加热套筒41的内壁上，且与试验试样20的周面相对，并且与外界电源连接，可以利用外界电源发热而作用于试验试样20上。
如图1-2，在本申请实施例中，所述加热套筒41的底端设置有下隔热板43，所述下隔热板43位于所述电加热线42的下方，且完全封闭所述加热套筒41的底端敞口。
在本申请实施例中，电加热线42在发热时热量会向下传导而作用于岩石力学试验机的下部，如果电加热线42与岩石力学试验机之间的距离较短，电加热线42的发热持续时间较长，热量可能会损坏岩石力学试验机，此时需要在加热套筒41的底端设置下隔热板43，下隔热板43完全封闭所述加热套筒41的底端敞口，只允许岩石力学试验机的下压头11及底盘等必须部分进入加热套筒41中，下隔热板43可用于阻隔电加热线42的热量。
如图1-2，在本申请实施例中，所述加热套筒41的顶端设置有上隔热板44，所述上隔热板44位于所述电加热线42的上方，且完全封闭所述加热套筒41的顶端敞口。
在本申请实施例中，电加热线42在发热时热量会向上传导而作用于岩石力学试验机的上部，如果电加热线42与岩石力学试验机之间的距离较短，电加热线42的发热持续时间较长，热量可能会损坏岩石力学试验机，此时需要在加热套筒41的顶端设置上隔热板44，上隔热板44完全封闭所述加热套筒41的顶端敞口，只允许岩石力学试验机的上压头12和传力压头13等必须部分进入加热套筒41中，上隔热板44可用于阻隔电加热线42的热量。
如图1-2，在本申请实施例中，所述冷却组件50包括：下冷却水管线51和上冷却水管线52，其中，所述下冷却水管线51布置于所述固定组件10中下压头11的周身，所述上冷却水管线52布置于所述固定组件10中传力压头13的周身。
在本申请实施例中，下冷却水管线51和上冷却水管线52与外界冷水系统连接，外界冷水系统中的冷却水可以进入下冷却水管线51和上冷却水管线52中，下冷却水管线51中的冷却水可以对下压头11进行冷却，上冷却水管线52中的冷却水可以对传力压头13进行冷却。
如图1-2，在本申请实施例中，所述快速降温组件60包括：液氮注入管61，所述液氮注入管61呈螺旋形布置于所述试验试样20的周身。
在本申请实施例中，液氮注入管61与外界液氮管路连接，外界液氮管路中的液氮进入液氮注入管61中，并可对试验试样20进行快速降温。
如图1-2，在本申请实施例中，所述流体施加组件70包括：高压流体注入管71，所述高压流体注入管71依次穿过所述固定组件10中上压头12和传力压头13并伸入所述试验试样20中。
在本申请实施例中，高压流体注入管71与外界高压流体管路连接，外界高压流体中的高压流体进入高压流体注入管71中，并可对试验试样20进行压裂试验。
在本申请实施例中，本发明还提供了一种基于高低温压裂试验装置的试验方法，所述高低温压裂试验装置包括如上述中所述的高低温压裂试验装置，所述方法包括步骤：
S1：利用井下全直径岩心制备试验试样20；
在本申请实施例中，步骤S1的具体过程为：首先采集页岩气非常规致密储层井下全直径岩心，得到直径为100mm圆柱体，然后采用卧式钻床将页岩气非常规致密储层井下全直径岩心加工成直径为100mm、高度为200mm的圆柱体试样，保证两端面的平行度；然后采用直金刚石钻头在圆柱体试样的一个圆形端面钻直径为8mm、深度为130mm的中心孔作为模拟井筒；在模拟井筒内填充长度为60mm的食盐段，在充填食盐段的上部紧密放置一层橡皮泥，防止采用环氧树脂密封上部模拟套管与模拟井筒环空时环氧树脂进入到食盐段而堵塞预留压裂通道；接着在上部模拟井筒居中位置放置模拟套管，模拟套管与模拟井筒内壁环空采用环氧树脂密封，静置48小时，令环氧树脂达到最高强度；采用医用针筒注射器通过模拟套管端部向充填食盐段注入蒸馏水，待食盐完全溶解后抽出混合溶液，最后可以得到试验试样20。
S2：通过固定组件10将所述试验试样20固定于岩石力学试验机上；
在本申请实施例中，步骤S2的具体过程为：将直径100mm、高度80mm的圆柱体下压头11安装于岩石力学试验机的底盘上，将直径100mm、高度60mm的圆柱体上压头12安装于岩石力学试验机的压力施加器件上，将直径100mm、高度80mm的圆柱体传力压头13安装于上压头12上，在下压头11与传力压头13的周围各焊接多圈直径为4mm的钢管，在上压头12的下端面及侧面预留直径为8mm的孔，在传力压头13的中心位置钻好直径8mm的通孔，然后将试验试样20底端居中放置于下压头11上，同时调整岩石力学试验机使其传力压头13抵紧试验试样20的顶端。
S3：通过支撑组件30将加热组件40与所述试验试样20相对设置；
在本申请实施例中，步骤S3的具体过程为：在岩石力学试验机周围布置高度可调的支架31，然后将陶瓷加热套筒41支撑于支架31上，且环形布置于试验试样20周围，在加热套筒41的内壁布置电加热线42。
S4：将冷却组件50与所述固定组件10连接；
在本申请实施例中，步骤S4的具体过程为：将下冷却水管线51和上冷却水管线52与外界冷水系统连接，将下冷却水管线51缠绕设置于下压头11的周面上，将上冷却水管线52缠绕设置于传力压头13的周面上。
S5：将快速降温组件60与所述试验试样20连接；
在本申请实施例中，步骤S5的具体过程为：将液氮注入管61与外界液氮管路连接，将液氮注入管61缠绕于试验试样20的周面上。
S6：将流体施加组件70与所述试验试样20连接；
在本申请实施例中，步骤S6的具体过程为：将高压流体注入管71与外界高压流体管路连接，接着将高压流体注入管71依次穿入上压头12的侧面预留孔、下端面预留孔和传力压头13的中心位置预留孔，再进入试验试样20的模拟井筒中。
S7：通过所述加热组件40和所述快速降温组件60对所述试验试样20进行若干次高低温循环；
在本申请实施例中，步骤S7的具体过程为：设定加热组件40的加温温度为200℃，加温速率5℃/min，通过加热组件40按照设定的加温速率将试验试样20加温到预设值，并保持温度恒定2小时，使试验试样20内部温度受热均匀；然后将液氮由快速降温组件60注入到试验试样20中，使试验试样20快速由高温转变为低温，实现温度骤降的过程，持续注入20分钟。
S8：通过所述岩石力学试验机向所述试验试样20轴向加载预设轴向应力；
在本申请实施例中，步骤S8的具体过程为：采用岩石力学试验机沿试验试样20轴向加载预设的5MPa的轴向应力，并保持轴向应力相对稳定，波动范围小于0.5MPa。
S9：通过所述流体施加组件70向所述试验试样20施加预设排量模拟压裂液；
在本申请实施例中，步骤S9的具体过程为：启动伺服泵压控制系统，采用滑溜水压裂液，按照排量1ml/min通过流体施加组件70向试验试样20泵注压裂液。
S10：在达到预设条件时停止所述流体施加组件70向所述试验试样20施加所述模拟压裂液；
在本申请实施例中，步骤S10的具体过程为：随着泵入压裂液的增加，泵压快速增加，到泵压曲线出现明显的由上升到快速跌落点时，停止伺服泵压控制系统，获得非常规储层经历高温及高低温交替后试样压裂复杂缝，完成水力压裂试验。
S11：对所述试验试样20上形成的压裂缝进行三维成像分析；
在本申请实施例中，步骤S11的具体过程为：将完成三轴压裂试验的试验试样20放入大型岩心加持器中，温度设定为200℃，压力为60MPa环境，测定反映储层条件下的流体渗流特征，得到不同温度、压力下的渗透规律；在高温高压驱替过程中，成像扫描岩心内部水空间分布特征，并根据岩心内部水的分布比例，定量化分析压裂缝的三维空间信息及压裂缝大小规模特征；采用工业CT对压裂试样整体无损扫描，获得压裂缝三维空间展布特征。
S12：分析处理所述试验试样20压裂过程中获得数据并定量评价所述压裂缝的复杂程度。
在本申请实施例中，步骤S12的具体过程为：将不同高温及高低温交替下压裂试样对应的压裂缝特征数据根据裂缝的长度、宽度、数量进行定量化的统计与分析，得到高温作用后的裂缝复杂度影响因素分析结果，应用于深层超深层高温储层复杂缝成缝优化工艺中。
本申请提供的一种高低温压裂试验装置及基于其的试验方法，可对深层超深层致密岩体在高温及高温储层冷处理后压裂成缝进行研究，本发明为研究高温储层压裂缝扩展机理提供了一种技术手段，同时该试验装置及方法可以推广到深部干热岩压裂缝扩展模拟中，对推动非常规储层复杂缝形成机制与技术都具有一定的实际意义。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
总之，以上所述仅为本发明技术方案的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高低温压裂试验装置，其特征在于，包括：
固定组件，用于固定试验试样；所述固定组件与岩石力学试验机连接；
试验试样，用于进行高低温压裂试验；所述试验试样与所述固定组件连接；
支撑组件，用于支撑加热组件；
加热组件，用于加热所述试验试样；所述加热组件支撑于所述支撑组件上，且与所述试验试样相对；
冷却组件，用于冷却所述固定组件；所述冷却组件与所述固定组件连接；
快速降温组件，用于快速降温所述试验试样；所述快速降温组件与所述试验试样连接；
流体施加组件，用于向所述试验试样施加流体；所述流体施加组件与所述试验式样连接。
2.根据权利要求1所述的高低温压裂试验装置，其特征在于，所述固定组件包括：下压头、上压头和传力压头，其中，所述下压头与所述岩石力学试验机的固定端连接，且与所述试验试样的底端抵紧，所述上压头与所述岩石力学试验机的移动端连接，所述传力压头与所述上压头连接，且位于所述下压头的正上方，并与所述试验试样的顶端抵紧，所述流体施加组件依次穿过所述上压头和所述传力压头并伸入所述试验试样中。
3.根据权利要求1所述的高低温压裂试验装置，其特征在于，所述支撑组件包括：支架，所述支架沿所述试验试样布置，且顶端支撑所述加热组件。
4.根据权利要求1所述的高低温压裂试验装置，其特征在于，所述加热组件包括：加热套筒和电加热线，其中，所述加热套筒的底端支撑于所述支撑组件中支架的顶端，所述试验试样位于所述加热套筒中，所述电加热线布置于所述加热套筒的内壁上，且与所述试验试样相对。
5.根据权利要求4所述的高低温压裂试验装置，其特征在于，所述加热套筒的底端设置有下隔热板，所述下隔热板位于所述电加热线的下方，且完全封闭所述加热套筒的底端敞口。
6.根据权利要求4或5所述的高低温压裂试验装置，其特征在于，所述加热套筒的顶端设置有上隔热板，所述上隔热板位于所述电加热线的上方，且完全封闭所述加热套筒的顶端敞口。
7.根据权利要求1所述的高低温压裂试验装置，其特征在于，所述冷却组件包括：下冷却水管线和上冷却水管线，其中，所述下冷却水管线布置于所述固定组件中下压头的周身，所述上冷却水管线布置于所述固定组件中传力压头的周身。
8.根据权利要求1所述的高低温压裂试验装置，其特征在于，所述快速降温组件包括：液氮注入管，所述液氮注入管呈螺旋形布置于所述试验试样的周身。
9.根据权利要求1所述的高低温压裂试验装置，其特征在于，所述流体施加组件包括：高压流体注入管，所述高压流体注入管依次穿过所述固定组件中上压头和传力压头并伸入所述试验试样中。
10.一种基于高低温压裂试验装置的试验方法，其特征在于，所述高低温压裂试验装置包括如权利要求1-9中任一所述的高低温压裂试验装置，所述方法包括步骤：
利用井下全直径岩心制备试验试样；
通过固定组件将所述试验试样固定于岩石力学试验机上；
通过支撑组件将加热组件与所述试验试样相对设置；
将冷却组件与所述固定组件连接；
将快速降温组件与所述试验试样连接；
将流体施加组件与所述试验试样连接；
通过所述加热组件和所述快速降温组件对所述试验试样进行若干次高低温循环；
通过所述岩石力学试验机向所述试验试样轴向加载预设轴向应力；
通过所述流体施加组件向所述试验试样施加预设排量模拟压裂液；
在达到预设条件时停止所述流体施加组件向所述试验试样施加所述模拟压裂液；
对所述试验试样上形成的压裂缝进行三维成像分析；
分析处理所述试验试样压裂过程中获得数据并定量评价所述压裂缝的复杂程度。
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