CN115639115A - 一种泥页岩的压裂液渗吸及滞留能力评价实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种泥页岩的压裂液渗吸及滞留能力评价实验装置及方法，实验装置包括高压气源、盛水器、岩心夹持器和精密天平，高压气源、盛水器分别通过进气管、进水管及入口三通阀与岩心夹持器的入口管相连，岩心夹持器的出口管通过出口三通阀与排水管和排气管相连，岩心夹持器上还连接有环压加压泵、精密天平用以测量排水量，本发明能考虑地层上覆压力下的强制渗汲能力测试方法，以及模拟气驱水后压裂液滞留量测试方法，能够真实反映并定量测试页岩强制渗吸能力和滞留率，对认识页岩渗吸规律、确定焖井时间和压后返排制度优化有很好的指导作用。

Description

一种泥页岩的压裂液渗吸及滞留能力评价实验装置及方法

技术领域

本申请涉及页岩气勘探与开发领域，具体而言，涉及一种泥页岩的压裂液渗吸及滞留能力评价实验装置及方法。

背景技术

页岩气在非常规油气资源中占有至关重要的地位，并逐步成为油气资源开采的热点，据估计中国页岩气资源量十分巨大，能够极大的缓解国内能源紧张问题。页岩由于其低孔特低渗的特点，必须采用水平井加分段压裂的开采技术，国内各大油气田借鉴国外体积改造成功经验，通过向地层中灌入高压流体(水)，使地层岩石中出现大面积裂缝网，增加气体的流通通道，增大产气量。页岩气藏原始含水饱和度30％左右，在改造过程中，大量流体会自发渗入地层的岩石中，未被吸入的流体在工程后期会返排到地面。常规油气藏，由于粘土含量较低，缝网中的流体不会被吸入岩石中，所以压裂改造返排率越高，越有利于疏通油气流动通道，改造效果越好。页岩气储层由于流体的自发渗吸，可以滞留大量压裂液，关井一段时间后，产能增加，出现了“低返排、高产量”的现象。目前焦石坝页岩气田储层压裂改造时平均返排率10.7％，主体区返排率更低，而西南部返排率高(平均达18.5％)、产水量大。为搞清页岩气藏对压裂液的渗吸能力、液体滞留量，优化焖井时间，分析页岩气产气产水规律，有必要详细研究页岩的吸水特性，从而了解页岩吸水的物理现象、页岩吸水能力、滞留能力。

国内外针对页岩、致密砂岩的不同层理、不同时间等条件下渗吸机理及规律开展了大量研究，但针对压裂液滞留率的研究报道基本没有。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种泥页岩的压裂液渗吸及滞留能力评价实验装置及方法，能同时开展压裂液的渗吸与滞留实验。

本申请的实施例是这样实现的：

本申请实施例提供一种泥页岩的压裂液渗吸及滞留能力评价实验装置，其特征在于，包括高压气源、盛水器、岩心夹持器和精密天平，所述高压气源、盛水器分别通过进气管、进水管及入口三通阀与所述岩心夹持器的入口管相连，岩心夹持器的出口管通过出口三通阀与排水管和排气管相连，岩心夹持器上还连接有环压加压泵，所述精密天平用以测量排水量。

在一些可选的实施方案中，所述的进气管上设有减压阀和进气阀，所述的进水管上设有恒压恒速泵和进水阀，所述的岩心夹持器的入口管上设有压力传感器。

在一些可选的实施方案中，所述的排水管上设有排水阀，所述的排气管上设有气体流量计。

在一些可选的实施方案中，所述的高压气源为高压氮气，所述的盛水器中盛有压裂液。

一种泥页岩的压裂液渗吸及滞留能力评价实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)样品制备：将泥页岩岩心加工成直径圆柱形样品，将选好的样品放入恒温干燥箱中烘干，取出样品后放入干燥器中降至常温待用，测试页岩样品长度、直径、孔隙度、渗透率参数；

S2)连接实验流程：将干燥后的页岩样品装入岩心夹持器中，固定岩心夹持器两端承压体；然后连通环压加压泵，将环压升至某一压力P₁，即储层有效应力；岩心夹持器入口端连接好高精度压力传感器、盛水器、恒压恒速泵、三通阀，页岩样品在有效应力P₁作用下稳定一定时长，恢复地层应力作用；根据施工现场的压裂液配方配置压裂液，并将压裂液倒入恒速恒压泵的盛水器里；

S3)页岩强制渗吸实验：打开接岩心夹持器入口的阀门，将恒压恒速泵设置为恒压驱替模式，吸入盛水器中压裂液，并注入页岩样品中；当压力传感器达到一定压力时，由恒压恒速泵记录不同时间下渗吸的压裂液体积；在出口出现第一滴液体结束实验，或者页岩渗吸压裂液数天后强制停止渗吸实验，记录总渗汲液量V_吸；

S4)压裂液滞留测试：页岩渗吸实验停止后，关闭恒压恒速泵，导通高压氮气、减压阀，将氮气接入夹持器入口端，控制一定压力进行气驱液，同时，出口端接收产出液体；当出口端无液体产出时，再继续驱替并产出气体一定体积，然后结束实验，记录总产出液量V_产；

S5)压裂液渗吸能力及滞留率计算：绘制渗吸液量与时间关系曲线，进行数据处理，页岩渗吸方程表达式：

根据气驱总渗吸液量、总产出液量，计算滞留率

式中：A_C为岩心渗吸面积，cm²；φ孔隙度，％；L为岩心长度，cm；t为渗吸时间，hour；k为渗吸系数，表示页岩渗吸能力。

在一些可选的实施方案中，步骤S1中所述的恒温干燥箱中烘干温度为110°～130°，烘干时长为22～26h。

在一些可选的实施方案中，步骤S2中所述的页岩样品在有效应力P₁作用下的稳定时长为1.5～2.5h。

在一些可选的实施方案中，步骤S3中所述的恒压恒速泵的记录频率为30min记录一次，所述的页岩样品渗吸压裂液的天数为6～9天。

在一些可选的实施方案中，步骤S4中所述的驱替的气体体积为1800ml～2200ml。

本申请的有益效果是：本申请提供的一种泥页岩的压裂液渗吸及滞留能力评价实验装置及方法，可实现模拟地层上覆压力下强制性渗吸实验和模拟页岩气生产过程的气驱水实验，一个装置实现两个目的，表征泥页岩的压裂液渗吸能力与滞留能力，认识真实地层围压作用下页岩强制渗吸能力，以指导压裂方案设计和压裂液返排方案的优化，分析焖井时间制定试气方案，以及预测压裂改造效果、产气产液规律；实验装置流程简单、组装成本低，具有一定推广应用价值，且操作费用低、使用方便、测试周期短的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。

图1为本申请实施例的实验装置的示意图；

图2为本申请实施例的页岩样品强制渗吸体积与时间关系曲线图；

图3为本申请实施例的页岩样品强制渗吸体积与时间双对数曲线图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明提供一种泥页岩的压裂液渗吸及滞留能力评价实验装置，包括高压气源1、盛水器2、岩心夹持器3和精密天平4，高压气源、盛水器分别通过进气管5、进水管6及入口三通阀7与岩心夹持器的入口管8相连，岩心夹持器的出口管9通过出口三通阀10与排水管11和排气管12相连，岩心夹持器上还连接有环压加压泵13，岩心夹持器用于装入页岩样品，与环压加压泵相连控制围压，精密天平用以测量排水量。

进气管上设有减压阀14和进气阀15，进水管上设有恒压恒速泵16和进水阀17，岩心夹持器的入口管上设有压力传感器18。恒压恒速泵将压裂液恒压注入岩心，提供强制渗吸的流体并记录不同时刻渗吸量。

排水管上设有排水阀19，排气管上设有气体流量计20。

高压气源为高压氮气，盛水器中盛有压裂液。

一种泥页岩的压裂液渗吸及滞留能力评价实验方法，包括如下步骤：

S1)样品制备：将泥页岩岩心加工成直径圆柱形样品，将选好的样品放入恒温干燥箱中烘干，恒温干燥箱中烘干温度为110°～130°，烘干时长为22～26h，取出样品后放入干燥器中降至常温待用，测试页岩样品长度、直径、孔隙度、渗透率参数；

S2)连接实验流程：将干燥后的页岩样品装入岩心夹持器中，固定岩心夹持器两端承压体；然后连通环压加压泵，将环压升至某一压力P₁，即储层有效应力；岩心夹持器入口端连接好高精度压力传感器、盛水器、恒压恒速泵、三通阀，页岩样品在有效应力P₁作用下稳定1.5～2.5h，恢复地层应力作用；根据施工现场的压裂液配方配置压裂液，并将压裂液倒入恒速恒压泵的盛水器里；

S3)页岩强制渗吸实验：打开接岩心夹持器入口的阀门，将恒压恒速泵设置为恒压驱替模式(恒定压力20MPa)，吸入盛水器中压裂液，并注入页岩样品中；当压力传感器达到一定压力时，由恒压恒速泵记录不同时间下渗吸的压裂液体积，频率为30min一次；在出口出现第一滴液体结束实验，或者页岩渗吸压裂液6～9天后强制停止渗吸实验，记录总渗汲液量V_吸；

S4)压裂液滞留测试：页岩渗吸实验停止后，关闭恒压恒速泵，导通高压氮气、减压阀，将氮气接入夹持器入口端，控制一定压力进行气驱液，同时，出口端接收产出液体；当出口端无液体产出时，再继续驱替并产出气体1800ml～2200ml，然后结束实验，记录总产出液量V_产；

S5)压裂液渗吸能力及滞留率计算：绘制渗吸液量与时间关系曲线，进行数据处理，页岩渗吸方程表达式：

根据气驱总渗吸液量、总产出液量，计算滞留率

式中：A_C为岩心渗吸面积，cm²；φ孔隙度，％；L为岩心长度，cm；t为渗吸时间，hour；k为渗吸系数，表示页岩渗吸能力。

实施例1

以一口页岩井为实例详细描述本发明的具体实施方式。具体如下：

①、样品制备：取制A1井2450～2455m天然页岩岩心，沿微裂缝发育方向将岩心加工成直径25.4mm、长为50mm左右的圆柱形样品；将选好的样品放入恒温干燥箱中，在120℃下烘干24小时后取出样品放入干燥器中降至常温；然后测得页岩样品长度50.2mm、直径25.2mm、孔隙度4.56％、渗透率2.45×10-3μm²；计算岩样渗吸面积Ac为4.987cm²。

②、实验流程连接：将步骤①中烘干的页岩样品装入岩心夹持器，固定夹持器两端承压体；然后连通环压加压泵，将环压升至25MPa压力(近似储层有效应力)；岩心夹持器入口端连接好高精度压力传感器、盛水器、恒压恒速泵、三通阀等。岩石样品在25MPa围压作用下至少稳定2小时，恢复地层应力作用；配置施工现场的压裂液，并将压裂液倒入盛水器中。

③、页岩强制渗吸实验：打开接岩心夹持器入口的阀门，将恒压恒速泵设置为恒压驱替模式(恒定压力20MPa)，吸入盛水器中压裂液，并注入岩心中；当压力传感器达到20MPa压力时，恒压恒速泵记录泵体积数作为初始值，然后每30min记录一个泵体积，减去初始值，得到不同时间下渗吸的压裂液体积；在出口出现第一滴液体结束实验，或者页岩渗吸压裂液7天后强制停止渗吸实验，记录总渗汲液量V吸＝1.604ml。

④、压裂液滞留测试：页岩渗吸实验停止后，关闭恒压恒速泵，导通高压氮气、减压阀，将氮气接入夹持器入口端，控制入口5MPa压力进行气驱液，同时，出口端接收产出液体；当出口端无液体产出时，再继续驱替并产出气体2000ml，然后结束实验，记录总产出液量V产＝0.45ml。

⑤、压裂液渗吸系数及滞留率计算：根据步骤③测试实验数据，绘制强制渗吸量随时间的变化曲线(见图2)，第一阶段为强制渗吸阶段，第二阶段为渗吸平衡阶段，不再吸液；进一步将页岩强制渗吸量与时间的关系曲线处理为双对数曲线(见图3)，第一个直线段与纵轴交点可表示为渗吸能力。根据气驱总渗吸液量、总产出液量，计算滞留率R为71.9％。

本发明能考虑地层上覆压力下的强制渗汲能力测试方法，以及模拟气驱水后压裂液滞留量测试方法，能够真实反映并定量测试页岩强制渗吸能力和滞留率，对认识页岩渗吸规律、确定焖井时间和压后返排制度优化有很好的指导作用。

以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (9)

1.一种泥页岩的压裂液渗吸及滞留能力评价实验装置，其特征在于，包括高压气源、盛水器、岩心夹持器和精密天平，所述高压气源、盛水器分别通过进气管、进水管及入口三通阀与所述岩心夹持器的入口管相连，岩心夹持器的出口管通过出口三通阀与排水管和排气管相连，岩心夹持器上还连接有环压加压泵，所述精密天平用以测量排水量。

2.根据上述权利要求1所述的一种泥页岩的压裂液渗吸及滞留能力评价实验装置，其特征在于，所述的进气管上设有减压阀和进气阀，所述的进水管上设有恒压恒速泵和进水阀，所述的岩心夹持器的入口管上设有压力传感器。

3.根据上述权利要求2所述的一种泥页岩的压裂液渗吸及滞留能力评价实验装置，其特征在于，所述的排水管上设有排水阀，所述的排气管上设有气体流量计。

4.根据上述权利要求3所述的一种泥页岩的压裂液渗吸及滞留能力评价实验装置，其特征在于，所述的高压气源为高压氮气，所述的盛水器中盛有压裂液。

5.一种泥页岩的压裂液渗吸及滞留能力评价实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)样品制备：将泥页岩岩心加工成直径圆柱形样品，将选好的样品放入恒温干燥箱中烘干，取出样品后放入干燥器中降至常温待用，测试页岩样品长度、直径、孔隙度、渗透率参数；

S2)连接实验流程：将干燥后的页岩样品装入岩心夹持器中，固定岩心夹持器两端承压体；然后连通环压加压泵，将环压升至某一压力P₁，即储层有效应力；岩心夹持器入口端连接好高精度压力传感器、盛水器、恒压恒速泵、三通阀，页岩样品在有效应力P₁作用下稳定一定时长，恢复地层应力作用；根据施工现场的压裂液配方配置压裂液，并将压裂液倒入恒速恒压泵的盛水器里；

S3)页岩强制渗吸实验：打开接岩心夹持器入口的阀门，将恒压恒速泵设置为恒压驱替模式，吸入盛水器中压裂液，并注入页岩样品中；当压力传感器达到一定压力时，由恒压恒速泵记录不同时间下渗吸的压裂液体积；在出口出现第一滴液体结束实验，或者页岩渗吸压裂液数天后强制停止渗吸实验，记录总渗汲液量V_吸；

S4)压裂液滞留测试：页岩渗吸实验停止后，关闭恒压恒速泵，导通高压氮气、减压阀，将氮气接入夹持器入口端，控制一定压力进行气驱液，同时，出口端接收产出液体；当出口端无液体产出时，再继续驱替并产出气体一定体积，然后结束实验，记录总产出液量V_产；

S5)压裂液渗吸能力及滞留率计算：绘制渗吸液量与时间关系曲线，进行数据处理，页岩渗吸方程表达式：

根据气驱总渗吸液量、总产出液量，计算滞留率R：

式中：A_C为岩心渗吸面积，cm²；φ孔隙度，％；L为岩心长度，cm；t为渗吸时间，hour；k为渗吸系数，表示页岩渗吸能力。

6.根据权利要求5所述的一种泥页岩的压裂液渗吸及滞留能力评价实验方法，其特征在于，步骤S1中所述的恒温干燥箱中烘干温度为110°～130°，烘干时长为22～26h。

7.根据权利要求5所述的一种泥页岩的压裂液渗吸及滞留能力评价实验方法，其特征在于，步骤S2中所述的页岩样品在有效应力P1作用下的稳定时长为1.5～2.5h。

8.根据权利要求5所述的一种泥页岩的压裂液渗吸及滞留能力评价实验方法，其特征在于，步骤S3中所述的恒压恒速泵的记录频率为30min记录一次，所述的页岩样品渗吸压裂液的天数为6～9天。

9.根据权利要求5所述的一种泥页岩的压裂液渗吸及滞留能力评价实验方法，其特征在于，步骤S4中所述的驱替的气体体积为1800ml～2200ml。

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