CN209342720U - 一种定量分析页岩各向异性的装置 - Google Patents

Abstract

一种定量分析页岩各向异性的装置，包括CO₂储气罐，储气罐依次通过第一导管、阀门、第二导管与注气泵相接，注气泵通过第三导管连接缓冲室，缓冲室通过第四导管接入质量流量计入口，质量流量计出口则通过注气管伸入立方页岩样品中心，页岩样品三个面分别被固定板覆盖并固定，而其余三个面则分别被吸收板覆盖，各吸收板中心均设置吸收孔：吸收板由吸收孔经第五导管、阀门、第九导管与盛有CO₂吸收剂的吸收瓶相连，并外接干燥管；使用时，分别测量不同页岩样品截面上CO₂的吸收量，进而计算页岩样品的各向异性系数；本实用新型具有可以同时分析页岩不同方向上的渗透性能、在实验室内定量分析页岩各向异性、不对页岩样品造成明显破坏、测试结果可信度高等优点。

Description

一种定量分析页岩各向异性的装置

技术领域

本实用新型涉及油气勘探开发技术领域，特别涉及一种定量分析页岩各向异性的装置。

背景技术

页岩气是一种自生自储的非常规天然气，烃源岩、储层和盖层等油气关键要素均统一为同一套页岩层。由于页岩层理发育，沿水平层理方向的渗透性会显著提高，因此易导致页岩气发生顺层逸散，严重制约地下页岩气藏的形成。

众多学者已针对页岩储层的各向异性开展研究，目前最主要的研究手段是实验测试分析。实验测试主要是采用测试同一页岩样品或不同页岩样品、不同方向渗透率的方法，以渗透率为基础研究页岩的各向异性。但是，若针对同一样品开展实验，第一次渗透率测试会对页岩样品产生不可逆破坏，从而直接影响第二次渗透率测试结果的可靠性；而若针对相邻不同样品开展测试，尽管避免了测试过程对样品的损坏，但样品间的差异性会对结果的可对比性造成负面影响。

由于页岩各向异性的定向分析目前主要是基于渗透率测量仪器进行开展，尚未形成专门的页岩气各向异性测量系统；少数学者已提出实验测试系统的设想，但尚未形成实际的测试系统，也未详细描述具体的系统组合。鉴于页岩储层各向异性分析对页岩气保存条件研究的重要意义，十分有必要设计一套可用于定量分析页岩各向异性、且不会对样品造成明显破坏的测试系统，以满足页岩气前期勘探的迫切需求。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种定量分析页岩各向异性的装置，能够通过测量CO₂气体在页岩不同截面的逸散量，以达到计算页岩各向异性系数的目的。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种定量分析页岩各向异性的装置，包括CO₂储气罐1，储气罐1依次通过第一导管2、阀门3、第二导管4与注气泵5相接，注气泵5通过第三导管6连接缓冲室 7，缓冲室7通过第四导管8接入质量流量计9入口，质量流量计9出口则通过注气管10伸入立方页岩样品中心，所述的页岩样品后面、下面和侧面三个面分别被第一固定板11、第二固定板12和第三固定板13覆盖并固定，而其余三个面则分别被第一吸收板14、第二吸收板15和第三吸收板16覆盖，各吸收板中心均设置吸收孔，第一吸收板14由第一吸收孔经第五导管17、第一阀门18、第九导管19与盛有CO₂吸收剂的第一吸收瓶20相连，并外接第一干燥管21；第二吸收板15由第二吸收孔经第六导管22、第二阀门23、第十导管24与盛有CO₂吸收剂的第二吸收瓶25相连，并外接第二干燥管26；第三吸收板16由第三吸收孔经第七导管27、第三阀门28、第八导管29与盛有CO₂吸收剂的第三吸收瓶30相连，并外接第三干燥管31。

所述的CO₂储气罐1可储存1L以上的CO₂气体。

所述的注气泵5能提供0-1.0MPa的注气动力，调节精度为0.01MPa。

所述的质量流量计9的流量测试范围为0-100ml/min，耐压1.0Mpa。

所述的注气管10长度至少为20cm。

所述的第一固定板11、第二固定板12与第三固定板13面板大小均为30cm× 30cm，且密封性良好。

所述的第一吸收板14、第二吸收板15与第三吸收板16大小均为30cm×30cm，且密封性良好。

所述的第一吸收瓶20、第二吸收瓶25与第三吸收瓶30内CO₂吸收剂浓度与体积以可以完全吸收系统中的CO₂气体为宜。建议选用Ca(OH)₂溶液作为CO₂吸收剂，将Ca(OH)₂溶液浓度控制在1mol/L左右，各吸收瓶内溶液体积约为200ml。

所述的第一干燥管21、第二干燥管26和第三干燥管31内建议盛放碱石灰，以吸收空气中的CO₂与水蒸气。

系统中所述的所有仪器设备、导管、阀门以及部件连接部位均气密性良好。

一种定量分析页岩各向异性装置的使用方法，其步骤为：

步骤一、制备满足系统要求的页岩样品；

根据系统尺寸，将页岩原样切割为立方体样品，同时须自样品某一截面中心至样品中心钻通细长通道，用以伸入注气管10；

步骤二、配置CO₂吸收剂，并将等量CO₂吸收剂分别注入3个吸收瓶内，分别测量并记录吸收瓶与CO₂吸收剂总质量；

配置CO₂吸收剂并均分为三等份，分别注入完全相同的第一吸收瓶20、第二吸收瓶25和第三吸收瓶30内，注入后，分别称量吸收瓶与吸收剂总质量m₁、m₂和 m₃，并记录；

步骤三、利用实验仪器，组装实验系统，放入制备好的页岩样品；

根据实验系统图组装实验仪器，并放入制备好的页岩样品。注气管10沿预先钻好的注气通道伸入页岩样品中心，将装有等量CO₂吸收剂的第一吸收瓶20、第二吸收瓶25和第三吸收瓶30通过导管和阀门分别连至页岩样品前面、上面和侧面的第一吸收板14、第二吸收板15和第三吸收板16中心，静置系统一段时间后，关闭系统中所有阀门；

步骤四、启动实验系统，开启注气泵，缓慢注入CO₂；

打开系统中所有阀门，将注气泵5的工作动力调至最低值后，开启注气泵5和质量流量计9，保持CO₂气体缓慢平稳注入页岩样品，并随时监测质量流量计9示数是否出现明显异常；

步骤五、通入CO₂一段时间后，取下3个吸收瓶，分别称量反应后的吸收瓶总质量，计算不同截面CO₂吸收量；

通入CO₂一段时间t₁后，依次关闭注气泵5与阀门3，并同时关闭第一阀门18、第二阀门23与第三阀门28，待系统完全稳定后，取下第一吸收瓶20、第二吸收瓶 25与第三吸收瓶30，分别称量各吸收瓶及内部吸收剂的总质量m₁’、m₂’和m₃’，依次计算各瓶内所吸收CO₂气体的质量，分别为(m₁-m₁’)、(m₂-m₂’)和(m₃-m₃’)。

步骤六、基于各截面CO₂吸收量，定量计算该页岩样品各向异性系数；

水平(层理)方向与垂直方向的各向异性系数可通过公式：

a_h/z-1＝(m₃-m₃’)/(m₂-m₂’)

或a’_h/z-1＝(m₁-m₁’)/(m₂-m₂’)

进行计算；

而不同水平方向上的各向异性系数则可表示为：

a_h/h-1＝(m₁-m₁’)/(m₃-m₃’)。

步骤七、更换页岩样品，调整注入CO₂时间，研究时间对各向异性系数的影响规律；

将在同一地区和层系所采集的页岩样品制成相同规格，逐步延长CO₂注入时间，注入时间分别为t₂、t₃、t₄、t₅等，依次测量不同CO₂注入量条件下的水平/垂直各向异性系数(a_h/z-2、a_h/z-3、a_h/z-4、a_h/z-5)与水平/水平各向异性系数(a_h/h-2、a_h/h-3、a_h/h-4、 a_h/h-5)，研究不同时间条件下各向异性系数的变化规律；

步骤八、实验后处理，清洗仪器设备；

待所有样品测试完成且系统稳定后，关闭系统中所有阀门，取下页岩样品，拆卸各设备与连接管路，清洗各仪器，CO₂储气瓶1置于专门位置保存以备下次使用。

本实用新型的有益效果：

(1)能够提供一种实验室定量分析页岩各向异性的系统，并设计一种新的定量表征各向异性的参数，为页岩储层的定量描述提供可靠的实验室数据；

(2)尽可能降低测试手段对页岩样品的伤害，提高了所测量各向异性系数的可靠性；

(3)能够通过调整注水泵动力与注入气体时间，研究不同注气参数对页岩各向异性系数的影响规律。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

参照图1，一种定量分析页岩各向异性的装置，包括CO₂储气罐1，储气罐1依次通过第一导管2、阀门3、第二导管4与注气泵5相接，注气泵5通过第三导管6 连接缓冲室7，缓冲室7通过第四导管8接入质量流量计9入口，质量流量计9出口则通过注气管10伸入立方页岩样品中心。页岩样品三个面分别被第一固定板11、第二固定板12和第三固定板13覆盖并固定，而其余三个面则分别被第一吸收板14、第二吸收板15和第三吸收板16覆盖。各吸收板中心均设置吸收孔：第一吸收板14 由第一吸收孔经第五导管17、第一阀门18、第九导管19与盛有CO₂吸收剂的第一吸收瓶20相连，并外接第一干燥管21；第二吸收板15由吸收孔经第六导管22、第二阀门23、第十导管24与盛有CO₂吸收剂的第二吸收瓶25相连，并外接第二干燥管26；第三吸收板16由吸收孔经第七导管27、第三阀门28、第八导管29与盛有 CO₂吸收剂的第三吸收瓶30相连，并外接第三干燥管31。

所述的CO₂储气罐1可储存1L以上的CO₂气体；

所述的注气泵5能提供0-1.0MPa的注气动力，调节精度为0.01MPa；

所述的质量流量计9的流量测试范围为0-100ml/min，耐压1.0MPa；

所述的注气管10长度至少为20cm；

所述的第一固定板11、第二固定板12与第三固定板13面板大小均为30cm× 30cm，且密封性良好；

所述的第一吸收板14、第二吸收板15与第三吸收板16大小均为30cm×30cm，且密封性良好；

所述的第一吸收瓶20、第二吸收瓶25与第三吸收瓶30内CO₂吸收剂浓度与体积以可以完全吸收系统中的CO₂气体为宜。建议选用Ca(OH)₂溶液作为CO₂吸收剂，将Ca(OH)₂溶液浓度控制在1mol/L左右，各吸收瓶内溶液体积约为200ml。

所述的第一干燥管21、第二干燥管26和第三干燥管31内建议盛放碱石灰，以吸收空气中的CO₂与水蒸气。

系统中所述的所有仪器设备、导管与阀门均气密性良好。

一种定量分析页岩各向异性装置的使用方法，其步骤为：

步骤一、制备满足系统要求的页岩样品；

根据系统尺寸，将页岩原样切割为30cm×30cm×30cm的立方体样品。为使得实验结果能更好地反映页岩层理方向和垂直方向的差异性，在切割时须保证页岩层理与立方体样品的某一截面平行。同时，须自某一截面中心至样品中心钻通细长通道，以刚好可伸入注气管10为佳。

步骤二、配置CO₂吸收剂，并将等量CO₂吸收剂分别注入3个吸收瓶内，分别测量并记录吸收瓶与CO₂吸收剂总质量；

本专利建议将Ca(OH)₂溶液作为CO₂气体吸收剂，所需Ca(OH)₂溶液浓度与质量以足以吸收系统中注入的CO₂气体、且不具有显著腐蚀性为佳。将Ca(OH)₂溶液均分为三等份，各份依次注入完全相同的第一吸收瓶20、第二吸收瓶25和第三吸收瓶30内。注入后，分别称量吸收瓶与Ca(OH)₂溶液的总质量m₁、m₂和m₃，并记录。

步骤三、利用仪器设备，组装实验系统，放入制备好的页岩样品；

根据实验系统图组装实验设备，并放入制备好的页岩样品。其中，页岩样品的层理面应水平放置，所钻的注气通道与地面平行。质量流量计9内流向与CO₂气流流向一致。注气管10沿预先钻好的注气通道伸入页岩样品中心。将装有等量Ca(OH)₂溶液的第一吸收瓶20、第二吸收瓶25和第三吸收瓶30通过导管和阀门分别连至页岩样品前面、上面和侧面的第一吸收板14、第二吸收板15和第三吸收板16中心，用以吸收从样品不同面吸收的CO₂气体。在静置系统一段时间后，关闭系统中所有阀门。

步骤四、启动实验系统，开启注气泵，缓慢注入CO₂；

打开系统中所有阀门，将注气泵5的工作动力调至最低值后，开启注气泵5和质量流量计9，并随时监测质量流量计9示数是否出现明显异常。若质量流量计9示数显著降低或出现明显波动，应立即停止注气泵5，关闭所有阀门，检测各仪器与页岩样品内是否出现封堵或破损情况。待解决封堵或破损情况后，重复步骤二至步骤四相关操作，保持CO₂气体缓慢平稳注入页岩样品。

步骤五、通入CO₂一段时间后，取下3个吸收瓶，分别称量反应后的吸收瓶总质量，计算不同截面CO₂吸收量；

通入CO₂一段时间t₁后，依次关闭注气泵5与阀门3，并同时关闭第一阀门18、第二阀门23与第三阀门28。待系统完全稳定后，取下第一吸收瓶20、第二吸收瓶 25与第三吸收瓶30，分别称量各吸收瓶及内部液体的总质量m₁’、m₂’和m₃’，依次计算各瓶内所吸收CO₂气体的质量，分别为(m₁-m₁’)、(m₂-m₂’)和(m₃-m₃’)。若各瓶内吸收CO₂质量差异较小，可考虑延长CO₂注入时间或小幅度调整注气泵5工作动力，但注入速率以不会导致页岩样品发生明显破裂为宜。

步骤六、基于各截面CO₂吸收量，定量计算页岩样品各向异性系数；

基于步骤五数据，(m₂-m₂’)可反映垂直方向上的渗透能力，而(m₁-m₁’)与(m₃-m₃’)则可代表水平(层理)方向上的渗透能力。因此，水平(层理)方向与垂直方向的各向异性系数可通过公式：

a_h/z-1＝(m₃-m₃’)/(m₂-m₂’)

或a’_h/z-1＝(m₁-m₁’)/(m₂-m₂’)

进行表示。由于CO₂注入方向可能对(m₃-m₃’)方向的渗透能力影响较大，因此a_h/z-1可更好地反映实际水平(层理)方向与垂直方向的各向异性。

不同水平方向上的各向异性系数则可表示为：

a_h/h-1＝(m₁-m₁’)/(m₃-m₃’)。

步骤七、更换页岩样品，调整注入CO₂时间，研究时间对各向异性系数的影响规律；

将在同一地区和层系所采集的页岩样品制成相同规格(30cm×30cm×30cm)，逐渐延长CO₂注入时间，注入时间分别为t₂、t₃、t₄、t₅等，依次测量不同CO₂注入时间条件下的水平/垂直各向异性系数(a_h/z-2、a_h/z-3、a_h/z-4、a_h/z-5)与水平/水平各向异性系数(a_h/h-2、a_h/h-3、a_h/h-4、a_h/h-5)，研究不同时间条件下各向异性系数的变化规律。

步骤八、实验后处理，清洗仪器设备。

待所有样品测试完成且系统停止稳定后，关闭系统中所有阀门，取下页岩样品，并以此拆卸各仪器设备与连接管路。第一吸收瓶20、第二吸收瓶25与第三吸收瓶 30内的残余Ca(OH)₂溶液倒入专门废液烧杯以进行后续处理，吸收瓶则用清水刷洗干净。CO₂储气瓶1置于专门位置保存以备下次使用。

Claims (8)

1.一种定量分析页岩各向异性的装置，其特征在于，包括CO₂储气罐(1)，储气罐(1)依次通过第一导管(2)、阀门(3)、第二导管(4)与注气泵(5)相接，注气泵(5)通过第三导管(6)连接缓冲室(7)，缓冲室(7)通过第四导管(8)接入质量流量计(9)入口，质量流量计(9)出口则通过注气管(10)伸入立方页岩样品中心，所述的页岩样品后面、下面和侧面三个面分别被第一固定板(11)、第二固定板(12)和第三固定板(13)覆盖并固定，而其余三个面则分别被第一吸收板(14)、第二吸收板(15)和第三吸收板(16)覆盖，各吸收板中心均设置吸收孔，第一吸收板(14)由第一吸收孔经第五导管(17)、第一阀门(18)、第九导管(19)与盛有CO₂吸收剂的第一吸收瓶(20)相连，并外接第一干燥管(21)；第二吸收板(15)由第二吸收孔经第六导管(22)、第二阀门(23)、第十导管(24)与盛有CO₂吸收剂的第二吸收瓶(25)相连，并外接第二干燥管(26)；第三吸收板(16)由第三吸收孔经第七导管(27)、第三阀门(28)、第八导管(29)与盛有CO₂吸收剂的第三吸收瓶(30)相连，并外接第三干燥管(31)。

2.根据权利要求1所述的一种定量分析页岩各向异性的装置，其特征在于，所述的CO₂储气罐(1)可储存1L以上的CO₂气体。

3.根据权利要求1所述的一种定量分析页岩各向异性的装置，其特征在于，所述的注气泵(5)能提供0-1.0MPa的注气动力，调节精度为0.01MPa。

4.根据权利要求1所述的一种定量分析页岩各向异性的装置，其特征在于，所述的质量流量计(9)的流量测试范围为0-100ml/min，耐压1.0Mpa。

5.根据权利要求1所述的一种定量分析页岩各向异性的装置，其特征在于，所述的注气管(10)长度至少为20cm。

6.根据权利要求1所述的一种定量分析页岩各向异性的装置，其特征在于，所述的第一固定板(11)、第二固定板(12)与第三固定板(13)面板大小均为30cm×30cm；

所述的第一吸收板(14)、第二吸收板(15)与第三吸收板(16)大小均为30cm×30cm。

7.根据权利要求1所述的一种定量分析页岩各向异性的装置，其特征在于，所述的第一吸收瓶(20)、第二吸收瓶(25)与第三吸收瓶(30)内CO₂吸收剂浓度与体积以可以完全吸收系统中的CO₂气体为宜，Ca(OH)₂溶液作为CO₂吸收剂，将Ca(OH)₂溶液浓度控制在1mol/L，各吸收瓶内溶液体积约为200ml。

8.根据权利要求1所述的一种定量分析页岩各向异性的装置，其特征在于，所述的第一干燥管(21)、第二干燥管(26)和第三干燥管(31)内为碱石灰。