CN114166649B - 模拟原位深层页岩钻进与水力压裂的实验装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟原位深层页岩钻进与水力压裂的实验装置及实验方法，其实验装置包括用于存放页岩试样并对其进行围压及轴压双加载的三轴应力室组件、用于控制页岩试样所处环境温度的高温环境组件、用于对页岩试样进行钻进实验的钻进模拟组件、用于对页岩试样进行水力压裂实验的水力压裂模拟组件、用于测定页岩试样在各实验过程中对应特性的实时监测组件。本发明可在实验室完成对深层页岩储层在高温高应力的原位状态下依次开展钻进和水力压裂的模拟研究，可更好地了解深层页岩气储层的钻进和水力压裂特征；可通过声发射事件特征的统计分析和时空演化，对页岩试样的钻进和水力压裂过程进行实时监测。
Description
技术领域
本发明涉及页岩气开采相关技术领域，尤其涉及一种模拟原位深层页岩钻进与水力压裂的实验装置及实验方法。
背景技术
目前，全球煤炭和石油能源枯竭不断加剧，开采成本也逐渐变得高昂，为缓解和最终解决能源短缺、生态环境恶化和全球气候变暖等问题，亟需在全球范围内推广使用清洁替代能源。
页岩气，是附着在致密页岩层中的可燃气体，是理想的替代能源。随着水平井和水力压裂技术的不断进步，人类对页岩气的勘探开发正逐步形成热潮，页岩气很可能在全球一次能源消费结构中占据主要地位。
我国页岩气储量约为100万亿m3，其中可开采资源量为36万亿m3，居全球第一。其中，四川盆地页岩气资源丰富，且中浅层地区已实现规模化商业开采，储层埋藏深度超过3500m的深层页岩气勘探和开采也取得了一定进展，但深层页岩气的商业化开采仍面临着相诸多技术挑战。
相较浅层页岩气储层而言，原位深层页岩气储层埋藏深，高地温高地应力是其突出的特征。因此，规模化开采前需要深入开展深层页岩储层在高温高应力的原位状态下的钻进特征和水力压裂成缝机理等相关基础研究。
目前，相关实验室能对页岩储层开展原位状态下相关研究的试验设备十分紧缺，且无法做到在高温高应力条件下对页岩储层依次开展钻进和水水力压裂研究的试验设备，这一研究设备的空白严重地制约了我国页岩气开采迈向深层的步伐。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种可在高温高应力条件下对页岩储层依次开展钻进和水水力压裂的实验装置及实验方法。
本发明提供的这种模拟原位深层页岩钻进与水力压裂的实验装置，包括用于存放页岩试样并对其进行围压及轴压双加载的三轴应力室组件、用于控制页岩试样所处环境温度的高温环境组件、用于对页岩试样进行钻进实验的钻进模拟组件、用于对页岩试样进行水力压裂实验的水力压裂模拟组件、用于测定页岩试样在各实验过程中对应特性的实时监测组件，
所述三轴应力室组件包括压力室、置于压力室顶部的轴向压板、与轴向压板相连并用于驱动轴向压板上下移动的压力机，所述页岩试样承装在压力室内，所述轴向压板由压力机驱动下移挤压压力室内的页岩试样，在轴向压板上垂直开有与压力室内部相连通布置的实验孔；
所述高温环境组件包括紧贴压力室内壁布置的环形加热板和与该环形加热板电连接的温度控制器；
所述钻进模拟组件包括架设在轴向压板上方的支撑座和安装在该支撑座上的钻机，在钻机底部安装有与实验孔同轴布置的钻具，所述钻具由钻机驱动下移经实验孔垂直插入压力室内的页岩试样中进行钻进实验；
所述水力压裂组件包括高压泵、柔性水力压裂管和刚性水力压裂管，所述刚性水力压裂管的输入端通过柔性水力压裂管与高压泵相连，所述刚性水力压裂管的输出端密封插装在实验孔内，所述高压泵内的压裂液由刚性水力压裂管输出对压力室内的页岩试样进行水力压裂实验；
所述实时监测组件包括依次电连接的控制主机、信号基站和内置式声发射传感器，所述内置式声发射传感器有多个并均匀嵌装在环形加热板内。
所述三轴应力室组件还包括设在轴向压板与页岩试样间、页岩试样与承压台间的垫块。
所述压力室由承压台及固接于承压台上的围压筒合围而成。
所述刚性水力压裂管通过螺纹与实验孔固定连接。
所述刚性水力压裂管包括与实验孔配合连接的螺纹段和位于该螺纹段顶部的限位头，在限位头下方的螺纹段上套装有用于与轴向压板上表面紧密连接的密封圈。
所述环形加热板采用钛合金材质，可在0.5-10℃/min的升温速率范围内实现800℃以内的温度环境控制。
为更大程度上削弱尺寸效应的影响，使实验室研究结果的工程意义增加，所述页岩试样由取自页岩气开采目标区域任意层理倾角的页岩岩块，经过线切割方式加工形成的直径为100-500mm、高度为200-1000mm的圆柱形试样。
一种用于上述实验装置的实验方法，包括以下步骤：
S1、选择需要研究的目标储层页岩岩块，采用线切割的方式将其加工成直径为100-500mm、高度为200-1000mm的圆柱形的页岩试样；
S2、将页岩试样置于内部设有环形加热板及内置式声发射传感器的压力室中，将环形加热板与温度控制器电连接，将内置式声发射传感器与信号基站电连接；
S3、将轴向压板安装在压力室顶部；
S4、开启压力机，按照图谱加载方式施加三轴应力室组件的围压与轴压，并同步开启温度控制器，根据储层温度梯度规律开展有序升温；
S5、当页岩试样的温度与应力状态达到所研究目标储层的原位状态时，保持应力状态和温度条件不变；
S6、将钻具安装于钻机底部，设置钻机钻速，将钻具经实验孔与原位状态下的页岩试样端面垂直接触；
S7、开启钻机和实时监测组件的控制主机，开始钻进和钻进特征的实时监测；
S8、待钻机进尺到预定深度时退钻，关闭钻机和控制主机并保存钻进过程的实时监测数据；
S9、将刚性水力压裂管竖直插装于实验孔中，通过柔性水力压裂管将刚性水力压裂管输入端与高压泵相连接；
S10、开启高压泵和控制主机，开始水力压裂和实时监测；压裂过程中，页岩试样内部的裂纹不断扩展，反映储层原位状态下的水力裂缝扩展的声发射信号将通过内置式声发射传感器传输至控制主机，并由储存和分析模块处理；
S11、压裂结束后，由分析计算机分析钻进和水力压裂数据，分析储层原位状态下钻进特征，得到水力裂缝扩展过程以及最终形态的水力压裂特征。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明统筹了深层页岩储层高地温高应力的原位状态下钻进与水力压裂两种主要的施工要素，可以在实验室完成对深层页岩储层在高温高应力的原位状态下依次开展钻进和水力压裂的模拟研究，从而很好地了解深层页岩气储层的钻进和水力压裂特征，能最大程度贴合工程实际，研究结果具有重要的工程意义。
2、本发明可通过声发射事件特征的统计分析和时空演化，对页岩试样的钻进和水力压裂过程进行实时监测，对钻进特征、钻具匹配、水力裂纹形成、演化过程以及最终形态给出量化数据和相关描述模型，为我国深层页岩储层压裂提供有益的研究手段，为工程现场的钻进和水力压裂设计施工提供科学指导。
附图说明
图1为本发明中实验装置在进行钻进实验时的结构示意图。
图2为本发明中实验装置在进行水力压裂实验时的结构示意图。
图中示出的标记及所对应的构件名称为：
1、页岩试样；
2、三轴应力室组件；21、压力室；22、轴向压板；23、压力机；24、垫块；211、承压台；212、围压筒；221、实验孔；
3、高温环境组件；31、环形加热板；32、温度控制器；
4、钻进模拟组件；41、支撑座；42、钻机；43、钻具；421、钻井液入口；
5、水力压裂模拟组件；51、高压泵；52、柔性水力压裂管；53、刚性水力压裂管；54、密封圈；531、螺纹段；532、限位头；
6、实时监测组件；61、控制主机；62、信号基站；63、内置式声发射传感器。
具体实施方式
从图1和图2可以看出，本发明这种模拟原位深层页岩钻进与水力压裂的实验装置，包括用于存放页岩试样1并对其进行围压及轴压双加载的三轴应力室组件2、用于控制三轴应力室组件2内页岩试样1所处环境温度的高温环境组件3、用于对三轴应力室组件2内页岩试样1进行钻进实验的钻进模拟组件4、用于对三轴应力室组件2内页岩试样1进行水力压裂实验的水力压裂模拟组件5、用于测定页岩试样1在各实验过程中对应特性的实时监测组件6，
页岩试样1采用取自页岩气开采目标区域任意层理倾角的页岩岩块，经过线切割方式加工形成的直径为100-500mm、高度为200-1000mm的圆柱形试样；
三轴应力室组件2包括压力室21、轴向压板22、压力机23和垫块24，高温环境组件3包括环形加热板31和温度控制器32，其中，压力室21包括承压台211和围压筒212，围压筒212置于承压台211上并通过螺纹组件与承压台211可拆卸的连接成一体合围成压力室21；轴向压板22布置在围压筒212顶部，在轴向压板22上垂直开有与压力室21内部相连通布置的实验孔221；压力机23安装在轴向压板22顶部并与轴向压板22上下对接；环形加热板31套装在压力室21内并与围压筒212内壁紧密贴合布置，温度控制器32置于压力室21外并通过导线与环形加热板31电连接；垫块24有两个，一垫块24布置在围压筒212内侧底部与承压台211上表面上下对接，一垫块24布置在围压筒212内侧顶部与轴向压板22下表面上下对接，两垫块24的侧面均与环形加热板31内壁紧密套接；页岩试样1承装由在环形加热板31和两垫块24合围形成的空腔内；压力机23启动，驱动轴向压板22下移，轴向压板22通过垫块24向压力室21内的页岩试样1施加轴向的挤压力；页岩试样1受轴压会产生径向变形，该径向变形在围压筒212的反作用下化为对页岩试样1的径向围压；
钻进模拟组件4包括支撑座41、钻机42和钻具43，支撑座41由竖直安装在围压筒212上的支架及通过螺钉可拆卸连接在该支架上的固定平台组成，固定平台通过支架架设在轴向压板22上方；钻机42通过螺钉可拆卸的固定在实验孔212正上方的固定平台上，在钻机42一侧设有钻井液入口421；钻具43可拆卸的连接在钻机42底部，且钻具43与实验孔212同轴布置；钻机42启动，驱动钻具43上下移动；钻具43下移，带动其底部的钻头穿过实验孔221垂直插入压力室21内的页岩试样1中；钻具43上移，带动其底部的钻头退出实验孔221；
水力压裂组件5包括高压泵51、柔性水力压裂管52和刚性水力压裂管53，柔性水力压裂管52连接于刚性水力压裂管53的输入端与高压泵51的输出端间，刚性水力压裂管53的输出端密封插装在钻具43退出后的实验孔221内；
实时监测组件6包括通过电线依次电连接的控制主机61、信号基站62和内置式声发射传感器63，内置式声发射传感器63有多个并均匀嵌装在环形加热板31内。
在本发明中，环形加热板31采用钛合金材质，可在0.5-10℃/min的升温速率范围内实现800℃以内的温度环境控制。
在本发明中，内置式声发射传感器63共有8个，其耐温极限为1000℃。
在本发明中，钻机42与支撑座41采用可拆卸的连接模式，可根据页岩储层的原位特征更换不同类型钻具43。
从图2可以看出，在本发明中，实验孔221为内螺纹孔，刚性水力压裂管53由与实验孔221相匹配的螺纹段531和位于该螺纹段531顶部的限位头532组成，限位头532的外径大于实验孔221的孔径，在限位头532下方的螺纹段531上套装有一密封圈54，刚性水力压裂管53通过螺纹段531与实验孔221螺纹连接，限位头532底面通过密封圈54与轴向压板22上表面紧密连接，从而实现刚性水力压裂管53与实验孔221间的固定和密封的作用。
本发明这种模拟原位深层页岩钻进与水力压裂的实验方法，包括以下步骤：
S1、选择需要研究的目标储层页岩岩块，采用线切割的方式将其加工成直径为100-500mm、高度为200-1000mm的圆柱形的页岩试样1；
S2、将围压筒212固定在承压台211上形成压力室21，将8个内置式声发射传感器63均匀嵌装在环形加热板31的内壁上，将环形加热板31紧密套装在围压筒212内，将垫块24、页岩试样1、垫块24由上至下依次置于环形加热板31内，通过导线将环形加热板31与温度控制器32、信号基站62与控制主机61一一对应连接，通过无线传输信号或导线将内置式声发射传感器63与信号基站62电连接；
S3、将轴向压板22置于压力室21顶部并保证轴向压板22下表面与位于上方的垫块24上表面紧密连接，将轴向压板22与压力机23固定连接；
S4、开启压力机23，按照图谱加载方式施加三轴应力室组件1的围压与轴压，并同步开启温度控制器32，根据储层温度梯度规律开展有序升温；
S5、当页岩试样1的温度与应力状态达到所研究目标储层的原位状态时，保持应力状态和温度条件不变；
S6、将安装有钻机42的支撑座41架设在轴向压板22上，将钻具43安装于钻机42底部，设置钻机42钻速，将钻具43经实验孔221与原位状态下的页岩试样1端面垂直接触；
S7、开启钻机42和控制主机61，开始钻进和钻进特征的实时监测；
S8、待钻机42进尺到预定深度时退钻，关闭钻机42和控制主机61并保存钻进过程的实时监测数据；
S9、将刚性水力压裂管53竖直插装于钻具43退出后的实验孔221中，通过柔性水力压裂管52将刚性水力压裂管53输入端与高压泵51相连接；
S10、开启高压泵51和控制主机61，开始水力压裂和实时监测；压裂过程中，页岩试样1内部的裂纹不断扩展，反映储层原位状态下的水力裂缝扩展的声发射信号将通过内置式声发射传感器63传输至控制主机61，并由储存和分析模块处理；
S11、压裂结束后，由分析计算机分析钻进和水力压裂数据，分析储层原位状态下钻进特征，得到水力裂缝扩展过程以及最终形态的水力压裂特征。
在本发明的使用过程中，实验孔221还可以作为其他辅助压裂手段联合水力压裂工况下的实验室研究，如：微波照射、液氮预注、热力喷射。
本发明能够为深层页岩气开采提供可靠的钻进和水力压裂方案，最大限度地提高目标储层的钻进和水力压裂效果，对我国深层页岩气开发和保障国家能源安全具有重要现实意义。
本发明能够对原位高温高应力页岩储层的钻进和水力压裂依次开展室内模拟研究，深入了解深层页岩储层的钻进特征、钻具匹配、水力裂缝扩展、演化规律以及最终形态进行深入研究，同时可结合其他辅助压裂手段综合研究，对我国深层页岩气资源商业化开采的技术进展具有重要的意义。
Claims (7)
1.一种用于模拟原位深层页岩钻进与水力压裂的实验装置的实验方法，其特征在于：
所述实验装置包括用于存放页岩试样（1）并对其进行围压及轴压双加载的三轴应力室组件（2）、用于控制页岩试样所处环境温度的高温环境组件（3）、用于对页岩试样进行钻进实验的钻进模拟组件（4）、用于对页岩试样进行水力压裂实验的水力压裂模拟组件（5）、用于测定页岩试样在各实验过程中对应特性的实时监测组件（6），所述三轴应力室组件包括压力室（21）、置于压力室顶部的轴向压板（22）、与轴向压板相连并用于驱动轴向压板上下移动的压力机（23），所述页岩试样承装在压力室内，所述轴向压板由压力机（23）驱动下移挤压压力室内的页岩试样，在轴向压板上垂直开有与压力室内部相连通布置的实验孔（221）；所述高温环境组件包括紧贴压力室内壁布置的环形加热板（31）和与该环形加热板电连接的温度控制器（32）；所述钻进模拟组件包括架设在轴向压板上方的支撑座（41）和安装在该支撑座上的钻机（42），在钻机底部安装有与实验孔同轴布置的钻具（43），所述钻具由钻机驱动下移经实验孔垂直插入压力室内的页岩试样中进行钻进实验；水力压裂组件包括高压泵（51）、柔性水力压裂管（52）和刚性水力压裂管（53），所述刚性水力压裂管的输入端通过柔性水力压裂管与高压泵相连，所述刚性水力压裂管的输出端密封插装在实验孔内，所述高压泵内的压裂液由刚性水力压裂管输出对压力室内的页岩试样进行水力压裂实验；所述实时监测组件包括依次电连接的控制主机（61）、信号基站（62）和内置式声发射传感器（63），所述内置式声发射传感器有多个并均匀嵌装在环形加热板内；
所述实验方法包括以下步骤：
S1、选择需要研究的目标储层页岩岩块，采用线切割的方式将其加工成直径为100-500mm、高度为200-1000mm的圆柱形的页岩试样（1）；
S2、将页岩试样置于内部设有环形加热板（31）及内置式声发射传感器（63）的压力室（21）中，将环形加热板与温度控制器（32）电连接，将内置式声发射传感器（63）与信号基站（62）电连接；
S3、将轴向压板（22）安装在压力室顶部；
S4、开启压力机（23），按照图谱加载方式施加三轴应力室组件的围压与轴压，并同步开启温度控制器，根据储层温度梯度规律开展有序升温；
S5、当页岩试样的温度与应力状态达到所研究目标储层的原位状态时，保持应力状态和温度条件不变；
S6、将钻具（43）安装于钻机（42）底部，设置钻机钻速，将钻具经实验孔（221）与原位状态下的页岩试样端面垂直接触；
S7、开启钻机和实时监测组件的控制主机（61），开始钻进和钻进特征的实时监测；
S8、待钻机进尺到预定深度时退钻，关闭钻机和控制主机并保存钻进过程的实时监测数据；
S9、将刚性水力压裂管（53）竖直插装于实验孔中，通过柔性水力压裂管（52）将刚性水力压裂管输入端与高压泵（51）相连接；
S10、开启高压泵和控制主机，开始水力压裂和实时监测；压裂过程中，页岩试样内部的裂纹不断扩展，反映储层原位状态下的水力裂缝扩展的声发射信号将通过内置式声发射传感器（63）传输至控制主机，并由储存和分析模块处理；
S11、压裂结束后，由分析计算机分析钻进和水力压裂数据，分析储层原位状态下钻进特征，得到水力裂缝扩展过程以及最终形态的水力压裂特征。
2.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于：所述三轴应力室组件还包括设在轴向压板与页岩试样间、页岩试样与承压台间的垫块（24）。
3.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于：所述压力室由承压台（211）及固接于承压台上的围压筒（212）合围而成。
4.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于：所述刚性水力压裂管通过螺纹与实验孔固定连接。
5.根据权利要求4所述的实验方法，其特征在于：所述刚性水力压裂管包括与实验孔配合连接的螺纹段（531）和位于该螺纹段顶部的限位头（532），在限位头下方的螺纹段上套装有用于与轴向压板上表面紧密连接的密封圈（54）。
6.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于：所述环形加热板采用钛合金材质，可在0.5-10℃/min的升温速率范围内实现800℃以内的温度环境控制。
7.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于：所述页岩试样由取自页岩气开采目标区域任意层理倾角的页岩岩块，经过线切割方式加工形成的直径为100-500mm、高度为200-1000mm的圆柱形试样。
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