CN116930462B - 用于研究压裂页岩油储层改造的实验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于研究压裂页岩油储层改造的实验装置和方法，属于油气开采工程技术领域，实验装置包括气瓶、舱体、反应釜、内筒及四周圆柱面密封的岩心，多个舱体容纳不同的酸性液体，装有岩心的内筒设于反应釜内，内筒上下分别设有活塞，舱体通过酸气输送系统分别与中岩心两端的上下酸气室连通，反应釜内设有用于对上下活塞施压的加压部件；气瓶通过气路与舱体的内腔相连，舱体内的酸性液体相变为气体酸后与气瓶输出的气驱载体混合为酸气。本发明通过高温高压的舱体来模拟储层，舱体内的酸性液体变为气相后，通过气驱载体及酸气输送系统将酸气输送至内筒的酸气室；加压部件对岩心上下方的活塞交替施压，酸气渗入岩心内实现酸化改造。

Description

用于研究压裂页岩油储层改造的实验装置和方法

技术领域

本发明属于油气开采工程技术领域，尤其涉及一种用于研究压裂页岩油储层改造的实验装置和方法。

背景技术

近年来，由于页岩油储层独特的特低孔、特低渗特征，导致其具有开发难度大、开发成本高、产量递减快的特点。上个世纪，受技术手段和开发成本限制，页岩油藏无法实现工业化开采。目前，以水平井大规模体积压裂和表面活性剂渗吸为主的页岩油开发模式取得了较好的效果，人工裂缝与天然裂缝的连通，大幅度增加了表面活性剂的渗吸面积强化了页岩油基质-裂缝的渗流机制。但页岩油基质内渗流能力较差，一次压裂之后，表面活性剂渗吸剂很难作用于地层深处，油井产量急剧下降。大规模压裂后重复压裂成本较高，增产效果有限。

因此，开展基于页岩油储层压裂开发的二次储层改造工艺研究，改善页岩油储层基质裂缝渗流能力，沟通地层深处，进一步强化表面活性剂渗吸作用，是实现页岩油储层高效开发的重要举措。但是页岩油储层渗流能力较差、黏土矿物含量较高，酸液注入能力较差，酸液作用下黏土颗粒会发生剥离、运移，并在喉道内聚集，堵塞渗流通道，单纯的液体酸化无法达到储层改造的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于研究压裂页岩油储层改造的实验装置和方法，旨在解决的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种用于研究压裂页岩油储层改造的实验装置，包括气瓶、能够模拟储层高温高压环境的舱体、反应釜、内筒及其内部四周圆柱面密封的岩心，所述舱体为多个，且多个舱体分别容纳不同的酸性液体；所述内筒设置于反应釜内，所述岩心设置于内筒的中部，所述内筒的上下分别设有活塞，所述舱体通过酸气输送系统分别与内筒中岩心两端的上下酸气室连通，所述反应釜内设有用于对上下活塞施压的加压部件；所述气瓶通过气路与舱体的内腔相连，所述舱体内的酸性液体相变为气体酸后与气瓶输出的气驱载体混合为酸气。

优选的，所述舱体的四周夹层内设有通有加热介质的围压环腔，所述舱体内部设有摇杆活塞，所述摇杆活塞与手摇杆固连，所述手摇杆的另一端贯穿舱体端部的摇杆固定器并延伸至舱体的外部。

优选的，所述舱体的侧壁上设有视窗，所述视窗安装设有蓝宝石玻璃；所述手摇杆的末端设有手轮。

优选的，所述气瓶与舱体之间的气路上设有气阀、气体净化与控制仪器和真空泵，所述气瓶内的气驱载体为二氧化碳或氮气，所述真空泵能够对气路及舱体内腔抽真空，所述气体净化与控制仪器能够净化气驱载体并控制流量；多个舱体并联在气路上，且气路上设有多个与舱体相对应的控制阀。

优选的，所述酸气输送系统包括气体输出管道、干燥室、汇流室和恒压注入泵，所述气体输出管道的一端与控制阀相连、另一端通过干燥室与汇流室相连，所述汇流室通过恒压注入泵及输送管分别与内筒的上下酸气室连通。

优选的，所述岩心为天然岩心，所述岩心的四周圆柱面包裹树脂，用于对岩心的两端柱面进行密封。

优选的，所述内筒的两端设有限位端盖，所述限位端盖的中部设有供液压油通过的通孔，所述限位端盖用于对岩心两侧的活塞进行限位，避免活塞从内筒滑脱。

优选的，所述加压部件为设置于反应釜外侧的往复泵，所述往复泵能够制造岩心上下两端的酸气室的压力差。

优选的，还包括数据采集分析系统，所述数据采集分析系统包括摄像头、温度传感器、压力传感器和计算机，所述舱体上设有温度传感器、压力传感器和摄像头，所述气路及酸气输送系统的输气管均设有压力传感器；所述摄像头、温度传感器、压力传感器均与计算机相连；同时，往复泵、气体净化与控制仪器和真空泵均与计算机相连。

本发明还提供一种用于研究压裂页岩油储层改造的实验方法，包括以下步骤：

组装上述用于研究压裂页岩油储层改造的实验装置；

取岩心、并将其四周圆柱面密封，将密封好的岩心放入反应釜的内筒中，测试加压部件备用；

取盐酸、氢氟酸、氟硼酸、多聚磷酸四种酸性液体分别加入四个舱体内，利用真空泵将舱体内的空气抽出，使舱体内处于真空环境，开启计算机，通过调整内部摇杆活塞位置改变舱体内的压强，关注计算机参数变化；

开启气瓶，气瓶内的气驱载体进入舱体，待舱体气体酸浓度达到一定条件，开启酸气输送系统及不同舱体的控制阀，将混合的酸气通过气体输出管道以恒定压力进入反应釜的酸气室内；

开启加压部件并控制内筒两端的活塞移动，使岩心上下酸气室压力改变，在反应釜中，在上侧活塞的推动下，酸气通过岩心到达其下侧；随后在下侧活塞的推动下，酸气再次通过岩心到达其上侧；使酸气重复上述过程；

反应釜内酸气作用时间越长，岩石渗透率越大；根据公式计算岩心的渗透率，式中：μ为液体的粘度，由流量Q、岩心长度L、截面A及两端压差△P求出任意时间的渗透率，进而做出渗透率随时间的变化趋势。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本发明通过高温高压的舱体来模拟储层，并将酸性液体放置在舱体内由液相转变为气相，再通过气瓶内的气驱载体及酸气输送系统将舱体内的气体酸输送至反应釜的内筒的酸气室，利用加压部件对岩心上下方的活塞交替施压，能够将酸气室内的酸气渗入岩心内，实现对岩心的酸化改造。采用本发明能够对岩心进行气体酸化改造，并判断各因素对各方案对岩心酸化改造的增渗效果，以便初步分析得到增渗效果达到预期后，可以采用覆压孔渗等方法测量更为精确的岩石渗透率和孔隙度的变化效果，以探究增渗原理开展其他研究。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例提供的一种用于研究压裂页岩油储层改造的实验装置的结构示意图；

图2是在实验过程中反应釜内压力随时间变化规律；

图3是本发明实验过程中增渗效果效预测图；

图中：1-真空泵，2-控制阀，3-舱体，4-摇杆活塞，5-摇杆固定器，6-手摇杆，7-气体净化与控制仪器，8-计算机，9-干燥室，10-汇流室，11-蓝宝石玻璃，12-气阀，13-气瓶，14-内筒，15-活塞，16-树脂，17-岩心，18-往复泵，19-酸气室，20-反应釜，21-恒压注入泵。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明提供的一种用于研究压裂页岩油储层改造的实验装置，包括气瓶13、能够模拟储层高温高压环境的舱体3、反应釜20、内筒14及其内部四周圆柱面密封的岩心17，所述舱体3为多个，且多个舱体3分别容纳不同的酸性液体；所述内筒14设置于反应釜20内，所述岩心17设置于内筒14的中部，所述内筒14的上下分别设有活塞15，所述舱体3通过酸气输送系统分别与内筒14中岩心17两端的上下酸气室19连通，所述反应釜20内设有用于对上下活塞15施压的加压部件；所述气瓶13通过气路与舱体3的内腔相连，所述舱体内的酸性液体相变为气体酸后与气瓶输出的气驱载体混合为酸气。其中，气驱载体可采用二氧化碳或氮气。

作为一种优选结构，所述舱体3的四周夹层内设有通有加热介质的围压环腔，加热介质可采用水或导热油，围压环腔内的加热介质通过加热管道与温度控制器相连，利用加热介质对舱体内部的气体进行加热。其中，围压环腔与围压监测管道相连接，在围压监测管道上设置有温度传感器、压力传感器和压力跟踪泵，温度传感器、压力跟踪泵及压力传感器均与计算机相连，方便进行智能控制。

具体应用时，舱体的加热装置采用恒温水浴或恒温油浴，恒温浴的控制精度在0.01℃。二氧化碳或氮气对舱体内气体酸的驱替压力为100MPa，压力测试精度为0.25%F·S。

同时，所述舱体3内部设有摇杆活塞4，所述摇杆活塞4与手摇杆6固连，所述手摇杆6的另一端贯穿舱体3端部的摇杆固定器5并延伸至舱体3的外部，且手摇杆6的末端设有手轮。具体制作时，手摇杆与摇杆固定器可采用螺纹配合，通过转动手摇杆，基坑驱动摇杆活塞在舱体内向上移动，进而实现对内部气体的压缩，使舱体内保持高温高压状态，能够真实模拟储层内的高温高压环境。

具体制作时，所述舱体3的侧壁上设有视窗，所述视窗安装设有能够耐高温高压的蓝宝石玻璃11。采用平面和周边环形密封相结合的方法，将蓝宝石玻璃镶在舱体上部，借助视窗能够观察舱体内的酸性液体变为气体酸的相变过程。

为了方便控制气驱载体的气体流量，所述气瓶13与舱体3之间的气路上设有气阀12、气体净化与控制仪器7和真空泵1，所述气瓶内的气驱载体为二氧化碳或氮气，所述真空泵1能够对气路及舱体3内腔抽真空，所述气体净化与控制仪器7能够净化气驱载体并控制流量；多个舱体3并联在气路上，且气路上设有多个与舱体3相对应的控制阀2，每个舱体都能独立实现加温加压过程。利用真空泵能够对气路及舱体的内腔抽真空，保证实验的准确性。

其中，气体净化与控制仪器7包括过滤器和流量控制器，能够对气驱载体进行过滤净化，并对其流量进行精确控制。

在本发明的一个具体实施例中，如图1所示，所述酸气输送系统包括气体输出管道、干燥室9、汇流室10和恒压注入泵21，所述气体输出管道的一端与控制阀2相连、另一端通过干燥室9与汇流室10相连，所述汇流室10通过恒压注入泵21及输送管分别与内筒14的上下酸气室19连通。

同时，气体输出管道上还设有与计算机相连的稳压泵，能够形成智能稳压控制系统，用于提供高精度二氧化碳气体或氮气流量，控制气体酸浓度并携带相应气体酸进入反应釜。

具体制作时，所述岩心17为天然岩心，所述岩心17的四周圆柱面包裹树脂16，用于对岩心17的四周圆柱面进行密封，将岩心放置在内筒内，同时岩心四周与内筒紧配合，确保酸气能够从岩心的一端渗入、从另一端排出。

为了避免活塞从内筒滑脱，所述内筒14的两端设有限位端盖，所述限位端盖的中部设有供液压油通过的通孔，所述限位端盖用于对岩心两侧的活塞15进行限位。

作为一种优选方案，所述加压部件为设置于反应釜20外侧的往复泵18，所述往复泵18能够制造岩心17上下两端的酸气室19的压力差。其中，内筒的上下两端与反应釜内壁之间容纳液压油，在往复泵的往复运动作用下，液压油交替对上下活塞及酸气室施加朝向岩心方向的压力，通过活塞对酸气室内的酸气加压使其渗入岩心内。

进一步优化上述方案，还包括数据采集分析系统，所述数据采集分析系统包括摄像头、温度传感器、压力传感器和计算机8，所述舱体3上设有温度传感器、压力传感器和摄像头，所述气路及酸气输送系统的输气管均设有压力传感器；所述摄像头、温度传感器、压力传感器均与计算机8相连，摄像头、温度传感器和压力传感器采集的数据储存在计算机内并进行分析。其中，摄像头、温度传感器和压力传感器在图中均未画出。同时，往复泵18、气体净化与控制仪器7和真空泵1均与计算机8相连，能够实现自动控制。

本发明还提供一种用于研究压裂页岩油储层改造的实验方法，利用上述用于研究压裂页岩油储层改造的实验装置进行实验，气驱载体采用二氧化碳气体，包括以下步骤：

（1）取四周圆柱面密封的岩心17放入反应釜20的内筒14中，确保岩心上下两酸气室密封；测试往复泵18备用。

（2）取盐酸、氢氟酸、氟硼酸、多聚磷酸四种酸性液体分别加入四个舱体3内，利用真空泵1将舱体3内的空气抽出，使舱体3内处于真空环境。

（3）开启计算机8，通过调整内部摇杆活塞14位置改变舱体3内的压强，关注计算机参数变化。通过手摇杆控制活塞使舱体内达到一定压力，通过计算机控制舱体的温度及压力，使得酸性液体可以达到相变条件完成液相到气相的转变。

（4）等待舱体3内气体的量到达指定要求时，打开盐酸气体所对应的舱体3出口端控制阀和气瓶13的气阀12，观察计算机8，调节恒压注入泵18压力，气瓶13内的气驱载体二氧化碳携带盐酸气体的酸气通过气体输出管道以恒定压力进入内筒14的酸气室19内。

（5）开启往复泵18，并控制内筒14两端的活塞15移动，使岩心17上下酸气室19压力改变；在反应釜20中，在上侧活塞15的推动下，酸气通过岩心17到达其下侧；随后在下侧活塞15的推动下，酸气再次通过岩心17到达其上侧；过往复泵的带动，使酸气重复上述过程。利用盐酸气体反复通过岩心对岩心进行改造。观察计算机数据曲线推测岩心情况。

（6）改造完成，取出岩心进行其他特性分析。

对于氢氟酸、氟硼酸、多聚磷酸或其它不同种类的酸，实施方法一致，重复上述步骤完成对应岩心的改造，并对比改造情况，以求得到最合适的改造方案。

在步骤5的岩心改造过程中，反应釜20内酸气作用时间越长，岩石渗透率越大，具体表现为反应釜内压力变化，如图2所示。根据公式计算岩心的渗透率，式中：μ为液体的粘度，由流量Q、岩心长度L、截面A及两端压差△P求出任意时间的渗透率，进而做出渗透率随时间的变化趋势。

进一步优化上述技术方案，在步骤4中，对于舱体3内的气液相变，通过理想气体方程PV=nRT可以控制和计算舱体3内气体的量，对于方程PV=nRT，式中P表示压强，V表示气体体积，n表示物质的量，T表示舱体内温度，R表示气体常数（取值为8.314）。此过程，由计算机可以实时观测舱体内的温度和压力，通过上式求出气体的量。

根据达西公式得知渗透率，式中K表示岩心渗透率大小，Q表示流量大小，L表示岩心长度，A表示岩心的横截面积，/>表示岩心两端的压差。岩心数据已知，流量和压差可由计算机8读出；利用K值变化可以表现装置的增渗效果，其预测效果如图3所示。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明克服了酸性液体到气体转变后浓度过大，导致在改造地层的过程中对地层有溶蚀甚至溶塌的情况，针对这一问题，本发明采用二氧化碳气体进行浓度调整，并实现气驱。一方面，二氧化碳可以驱动气体酸进入岩心；另一方面，二氧化碳改变气体酸浓度，使其控制在对地层接受的范围内，保证可行性。同时二氧化碳可以用氮气等气体代替，舱体内对于任意酸都适用。

2、本发明可以实现以二氧化碳和氮气为气驱载体，以盐酸、氢氟酸、氟硼酸、乙酸、多聚磷酸等气体酸为储层改造剂，开展气体酸酸化实验，得到酸化后页岩储层岩石孔隙度、渗透率、孔喉尺寸和孔隙连通性的变化，分析气体酸类型、用量、溶蚀时间、酸蚀作用距离对气体酸酸化效果的影响。

以盐酸为例，液态盐酸经高温高压容器作用转换为气态，跟随二氧化碳经干燥后通过恒压注入泵以一定压力进入反应釜的两个酸气室。在反应釜中，上下酸气室的压差在往复泵对活塞的作用下变化，在上侧活塞的推动下，通过岩心到达反应釜下侧，当上下酸气室压差达到一定值时，往复泵作用方向改变，推动下侧活塞开始推动，使气体酸再次通过岩心到达上侧，上述往复泵的运行过程为气体酸对岩心改造的一个周期。通过往复泵的带动，使气体酸重复上述过程，持续一定时间后，反应釜内压强趋于平衡，代表岩心经气体酸化达到最大程度。期间可以通过计算机实时观测反应釜内压强变化及岩心两侧压差，得到反应釜内压力随时间的变化曲线，由达西公式即可求出任意时刻岩心的渗透率，对应得到岩石渗透率随酸化时间的变化趋势。

通过调整恒压注入泵的压力改变气体酸用量和改变岩心长度重复实验即可探究气体酸用量及溶蚀作用距离对气体酸化效果的影响。

通过释放不同舱体内的气体酸进入反应釜，重复以上过程即可分析气体酸类型对酸化效果的影响。

3、本发明的作用主要是对岩心进行气体酸化改造，并判断各因素对各方案对岩心酸化改造的增渗效果。以便初步分析得到增渗效果达到预期后，可以采用覆压孔渗等方法测量更为精确的岩石渗透率和孔隙度的变化效果，以探究增渗原理开展其他研究。

4、对不同的气体酸类型，例如盐酸，氢氟酸，氟硼酸等，它们对酸化效果的影响根据气体酸进入岩心的时间周期变化及压力变化特点进行比较。对于气体酸的用量和溶蚀时间，不同浓度的气体酸和相应溶蚀时间的不同都会使岩石渗透率发生改变，初步表现为气体酸通过岩心的周期缩短，压强降低，转而对岩心进行具体分析，而酸蚀作用距离则是使用不同长度的岩心来研究压裂页岩油储层改造的实验装置和方法作用距离。岩心改造完成后，测量岩心的孔喉尺寸和渗透率得到不同作用方式下的岩石内部变化。实验过程中能够通过计算机实时观测反应釜内温度，压力及作用周期的变化，分析易知岩石孔隙度增大渗透率增加。

上述方式中未涉及的部分采取或借鉴已有技术即可实现，在此不再赘述。

在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受上面公开的具体实施例的限制。

Claims (8)

1.一种用于研究压裂页岩油储层改造的实验装置，其特征在于：包括气瓶、能够模拟储层高温高压环境的舱体、反应釜、内筒及其内部四周圆柱面密封的岩心，所述舱体为多个，且多个舱体分别容纳不同的酸性液体；所述内筒设置于反应釜内，所述岩心设置于内筒的中部，所述内筒的上下分别设有活塞，所述舱体通过酸气输送系统分别与内筒中岩心两端的上下酸气室连通，所述反应釜内设有用于对上下活塞施压的加压部件；所述气瓶通过气路与舱体的内腔相连，所述舱体内的酸性液体相变为气体酸后与气瓶输出的气驱载体混合为酸气；

所述舱体的四周夹层内设有通有加热介质的围压环腔，所述舱体内部设有摇杆活塞，所述摇杆活塞与手摇杆固连，所述手摇杆的另一端贯穿舱体端部的摇杆固定器并延伸至舱体的外部；

所述加压部件为设置于反应釜外侧的往复泵，所述往复泵能够制造岩心上下两端的酸气室的压力差。

2.根据权利要求1所述的用于研究压裂页岩油储层改造的实验装置，其特征在于：所述舱体的侧壁上设有视窗，所述视窗安装设有蓝宝石玻璃；所述手摇杆的末端设有手轮。

3.根据权利要求1所述的用于研究压裂页岩油储层改造的实验装置，其特征在于：所述气瓶与舱体之间的气路上设有气阀、气体净化与控制仪器和真空泵，所述气瓶内的气驱载体为二氧化碳或氮气，所述真空泵能够对气路及舱体内腔抽真空，所述气体净化与控制仪器能够净化气驱载体并控制流量；多个舱体并联在气路上，且气路上设有多个与舱体相对应的控制阀。

4.根据权利要求1所述的用于研究压裂页岩油储层改造的实验装置，其特征在于：所述酸气输送系统包括气体输出管道、干燥室、汇流室和恒压注入泵，所述气体输出管道的一端与控制阀相连、另一端通过干燥室与汇流室相连，所述汇流室通过恒压注入泵及输送管分别与内筒的上下酸气室连通。

5.根据权利要求1所述的用于研究压裂页岩油储层改造的实验装置，其特征在于：所述岩心为天然岩心，所述岩心的四周圆柱面包裹树脂，用于对岩心的两端柱面进行密封。

6.根据权利要求1所述的用于研究压裂页岩油储层改造的实验装置，其特征在于：所述内筒的两端设有限位端盖，所述限位端盖的中部设有供液压油通过的通孔，所述限位端盖用于对岩心两侧的活塞进行限位。

7.根据权利要求1所述的用于研究压裂页岩油储层改造的实验装置，其特征在于：还包括数据采集分析系统，所述数据采集分析系统包括摄像头、温度传感器、压力传感器和计算机，所述舱体上设有温度传感器、压力传感器和摄像头，所述气路及酸气输送系统的输气管均设有压力传感器；所述摄像头、温度传感器、压力传感器均与计算机相连。

8.一种用于研究压裂页岩油储层改造的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

组装如权利要求1-7任一项所述的用于研究压裂页岩油储层改造的实验装置；

取岩心、并将其四周圆柱面密封，将密封好的岩心放入反应釜的内筒中，测试加压部件备用；

取四种酸性液体分别加入四个舱体内，利用真空泵将舱体内的空气抽出，使舱体内处于真空环境，开启计算机，通过调整内部摇杆活塞位置改变舱体内的压强；

开启气瓶，气瓶内的气驱载体进入舱体，待舱体气体酸浓度达到一定条件，开启酸气输送系统及不同舱体的控制阀，将混合的酸气通过气体输出管道以恒定压力进入反应釜的酸气室内；

开启加压部件并控制内筒两端的活塞移动，使岩心上下酸气室压力改变，在反应釜中，在上侧活塞的推动下，酸气通过岩心到达其下侧；随后在下侧活塞的推动下，酸气再次通过岩心到达其上侧；使酸气重复上述过程；

反应釜内酸气作用时间越长，岩石渗透率越大；根据公式计算岩心的渗透率，式中：μ为液体的粘度，由流量Q、岩心长度L、截面A及两端压差△P求出任意时间的渗透率，进而做出渗透率随时间的变化趋势。