CN210982136U - 一种页岩盐离子扩散能力实验测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种页岩盐离子扩散能力实验测试装置，由恒速恒压泵、恒速恒压泵出口阀、中间容器、中间容器出口阀、真空泵、真空泵入口阀、电动机、转子、转子叶片、反应釜、加热器、岩心夹持器、圆柱形垫块、岩心夹持器出口阀、围压泵、取样器进口阀、取样器、取样器出口阀组成；其中，加热器用于给实验测试装置加热；围压泵通过岩心夹持器向岩心施加地层围压；叶片带动流体流动。本实用新型能够测试流体流动、储层围压、储层温度、流体压力对页岩盐离子扩散能力的影响。

Description

一种页岩盐离子扩散能力实验测试装置

技术领域

本实用新型涉及石油天然气工程领域，尤其是页岩水力压裂过程中一种页岩盐离子扩散能力实验测试装置。

背景技术

借鉴北美页岩气开发经验中国对页岩气勘探开发技术进行持续攻关研究，取得突破性进展，通过水平井多段多簇体积压裂改造，实现了页岩气商业化开发。区别与常规储层，页岩在储层特征、压裂工艺、裂缝面积等方面具有显著的差异，页岩气井压裂焖井后表现出截然不同的返排特征，通常呈现出“低返排率、高矿化度、高产能”等特征。

美国Eagle Ford盆地低于20％，Barnett盆地低于50％，中国涪陵页岩气储层压裂后返排率甚至低于3％(张涛,李相方,杨立峰.关井时机对页岩气井返排率和产能的影响[J].天然气工业,2017,37(8):48-58)，Haluszczak等测试了北美页岩气井3个月返排液矿化度高度170000mg/L(Haluszczak等.宾夕法尼亚州Marcellus气井返排盐水的地球化学评价,[J].应用地球科学2013,28:55-61)。研究发现页岩盐离子扩散浓度是评价页岩气井体积压裂效果的关键因素，而页岩盐离子扩散浓度主要由页岩盐离子扩散能力及页岩压裂后裂缝复杂程度决定，因此准确的测试页岩盐离子扩散能力对评价页岩体积改造效果至关重要。

研究表明，页岩储层温度、储层围压、压裂液流动、焖井时间等都对页岩盐离子扩散能力有重要影响，但目前的实验研究大多数是在常温常压下开展页岩盐离子扩散浓度测试实验，测试实验液体中电导率随渗吸时间的变化，来间接的评价页岩盐离子扩散浓度，研究得出盐离子扩散与页岩渗吸同步进行，压裂液渗吸进入基质为盐离子扩散提供了通道与条件。

基于现有技术中没有综合考虑页岩压裂过程中液体在水力裂缝中的流动、储层围压、储层温度、焖井时间等因素对页岩盐离子扩散能力的影响，因此有必要研究一种页岩储层条件下压裂与焖井全过程页岩盐离子扩散能力测试装置，为认识压裂液在页岩储层渗吸能力与压裂效果评价等提供科学依据。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种页岩盐离子扩散能力实验测试装置，实验测试装置由恒速恒压泵，恒速恒压泵出口阀，中间容器，中间容器出口阀，真空泵，真空泵入口阀，电动机，转子，转子叶片，反应釜，加热器，岩心，岩心夹持器，圆柱形垫块，岩心夹持器出口阀，围压泵，取样器进口阀，取样器，取样器出口阀，烧杯组成；

其中，加热器用于给实验测试装置加热，以模拟地层温度；

围压泵通过岩心夹持器向岩心施加地层围压，以模拟井下岩石所受到的地层围压；

恒速恒压泵、恒速恒压泵出口阀、中间容器、中间容器出口阀依次连接至反应釜，真空泵、真空泵入口阀依次连接至反应釜；

电动机通过转子驱动转子叶片转动，转子叶片置于反应釜中，通过转子叶片搅动反应釜中液体运动，以模拟流体流动对页岩盐离子扩散能力的影响；

反应釜的出口依次连接取样器进口阀、取样器、取样器出口阀。

进一步地，岩心放置在岩心夹持器中，岩心的一个端面与反应釜中的流动流体接触，另一端面接触圆柱形垫块。

进一步地，圆柱形垫块与岩心接触面设有导流槽，垫块中心处有供流体流动的孔眼。

进一步地，反应釜内腔为圆柱形。

进一步地，转子叶片的高度与岩心的轴线对齐。

与现有技术相比，本实用新型具有的有益效果：

(1)本实用新型设计了一种模拟页岩气井压裂与焖井全过程，同时能够测试液体流动、储层围压、储层温度、流体压力多种因素影响结果的页岩盐离子扩散能力实验装置。

(2)本实用新型能够定量测试不同储层及施工条件下的页岩盐离子扩散浓度随时间的动态变化规律。

附图说明

图1为本实用新型页岩盐离子扩散能力测试装置示意图。

其中，1、恒速恒压泵；2、恒速恒压泵出口阀；3、中间容器；4、中间容器出口阀；5、真空泵；6、真空泵入口阀；7、电动机；8、转子；8-1、转子叶片；9、反应釜；10、加热器；11、岩心；12、岩心夹持器；13、圆柱形垫块；14、岩心夹持器出口阀；15、围压泵；16、取样器进口阀；17、取样器；18、取样器出口阀；19、烧杯。

具体实施方式

结合附图和本实用新型具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本实用新型的细节。但是，在此描述的本实用新型的具体实施方式，仅用于解释本实用新型的目的，而不能以任何方式理成是对本实用新型的限制。在本实用新型的教导下，技术人员可以构想基于本实用新型的任意可能的变形，这些都应被视为属于本实用新型的范围。

页岩盐离子扩散能力实验测试装置由恒速恒压泵1，恒速恒压泵出口阀2，中间容器3，中间容器出口阀4，真空泵5，真空泵入口阀6，电动机7，转子8，转子叶片8-1，反应釜9，加热器10，岩心11，岩心夹持器12，圆柱形垫块13，岩心夹持器出口阀14，围压泵15，取样器进口阀16，取样器17，取样器出口阀18，烧杯19组成。

其中，加热器10用于给实验测试装置加热，以模拟地层温度。

围压泵15通过岩心夹持器12向岩心11施加地层围压，以模拟井下岩石所受到的地层围压。

恒速恒压泵1、恒速恒压泵出口阀2、中间容器3、中间容器出口阀4依次连接至反应釜9，真空泵5、真空泵入口阀6依次连接至反应釜9。

电动机7通过转子8驱动转子叶片8-1转动，转子叶片8-1置于反应釜9中，通过转子叶片8-1搅动反应釜9中液体运动，以模拟流体流动对页岩盐离子扩散能力的影响。

反应釜9的出口依次连接取样器进口阀16、取样器17、取样器出口阀18，在反应釜的取样器出口阀18，每隔一定时间通过烧杯19取样，进行离子扩散浓度测试.。

岩心11放置在岩心夹持器12中，岩心的一个端面与反应釜9中的流动流体接触，另一端面接触圆柱形垫块13。圆柱形垫块13与岩心接触面设有导流槽，垫块13中心处有供流体流动的孔眼13-1，流体可经该孔眼流到岩心夹持器出口阀14。

为了便于测试，取样器17容积可优选为10mL，反应釜9容积可优选为1000mL。反应釜内腔可优选为圆柱形，其内腔直径可优选为7.6cm；转子叶片8-1半长为3.6cm，厚0.2cm，宽3cm。转子叶片8-1的高度应与岩心11的轴线对齐。

使用上述实验装置进行页岩盐离子浓度与扩散能力的实验测试方法，依次包括以下步骤：

(1)岩心制备：将页岩储层段的井下岩心或同层位露头岩石制成直径为2.5cm，长度为5cm的标准岩心，根据岩心端面尺寸计算渗吸面积为A，岩心长度即为实验测量长度L，将岩心放置在100℃烘箱内干燥至恒重；

(2)根据储层应力、储层温度、水力压裂施工参数确定实验条件，其具体确定方法为：由表达式是(1)～(4)确定实验加载围压，储层温度即为实验温度，实验流体注入压力由表达式(5)确定。

σ'_z＝σ_z-αP_p (1)

σ'_H＝σ_H-αP_p (2)

σ'_h＝σ_h-αP_p (3)

σ_围＝(σ'_z+σ'_H+σ'_h)/3 (4)

P_inj＝P_ISI-P_p (5)

式中：σ'_z为垂向有效应力，MPa；σ'_H为最大水平有效主应力，MPa；σ'_h为最小水平有效主应力，MPa；σ_z为垂向应力，MPa；σ_H为最大水平主应力，MPa；σ_h为最小水平主应力，MPa；α为有效应力系数，小数；σ_围为实验围压，MPa；P_inj为实验注入压力，MPa；P_ISI为水力压裂瞬时停泵井底压力，MPa；P_P为地层孔隙压力，MPa。

(3)将实验液体倒入恒速恒压泵的中间容器中，将步骤(1)中所述干燥后的标准岩心装入岩心夹持器中，并利用围压泵给岩心加载初始围压5MPa；

(4)利用加热器将反应釜、岩心及岩心夹持器加热至步骤(2)中确定的实验温度；

(5)用真空泵排空管线及反应釜中的空气，排空完成后关闭真空泵入口阀并利用恒速恒压泵将中间容器中的实验液体泵入反应釜中；

(6)根据现场页岩气井施工排量、页岩储层厚度、水力裂缝宽度求取液体在裂缝壁面的线速度，由表达式(6)计算，进一步由线速度和转速的关系，计算实验加载转速，由表达式(7)计算。

式中：v为线速度，m/s；Q为页岩气井压裂施工排量，m³/min；h为页岩气井所在储层厚度，m；w为水力裂缝宽度，m；n为转子转速，rad/min；r为转子半径，m。

(7)根据步骤(2)中确定的围压设置围压泵的加载压力和确定的注入压力设置恒速恒压泵的泵注压力，根据步骤(6)确定的反应釜转子转速，开启电动机将转子加载到设定转速，搅动反应釜中液体，电动机搅动时间为页岩气井平均单段压裂施工时间，电动机停止搅动后继续开展实验，进一步测试页岩气井焖井过程中液体盐离子扩散浓度变化，从反应釜下部的取样口，每隔一定时间取样进行离子扩散浓度测试。

(8)根据步骤(7)获得不同时间离子浓度变化规律曲线。定义单位时间单位体积盐离子扩散浓度来表征页岩盐离子扩散能力S_ion。表达式如下：

式中：S_ion为测试液体盐离子扩散能力，mg/L/cm³/d；C_ion为测试液体盐离子扩散浓度，mg/L；A为渗吸面积，cm²；L为岩心长度，cm；t为盐离子扩散时间，d。

以上通过实施例对本实用新型进行具体描述，有必要在此指出的是，本实施例仅是本实用新型的优选实施例，并非对本实用新型作任何限制，也并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除。而本领域人员所进行的改动和简单变化不脱离本实用新型技术思想和范围，则均属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种页岩盐离子扩散能力实验测试装置，其特征是，实验测试装置由恒速恒压泵、恒速恒压泵出口阀、中间容器、中间容器出口阀、真空泵、真空泵入口阀、电动机、转子、转子叶片、反应釜、加热器、岩心夹持器、圆柱形垫块、岩心夹持器出口阀、围压泵、取样器进口阀、取样器、取样器出口阀组成；其中，加热器用于给实验测试装置加热，以模拟地层温度；围压泵通过岩心夹持器向岩心施加地层围压，以模拟井下岩石所受到的地层围压；恒速恒压泵、恒速恒压泵出口阀、中间容器、中间容器出口阀依次连接至反应釜，真空泵、真空泵入口阀依次连接至反应釜；电动机通过转子驱动转子叶片转动，转子叶片置于反应釜中，通过转子叶片搅动反应釜中液体运动，以模拟流体流动对页岩盐离子扩散能力的影响；反应釜的出口依次连接取样器进口阀、取样器、取样器出口阀。

2.根据权利要求1所述的页岩盐离子扩散能力实验测试装置，其特征是，岩心放置在岩心夹持器中，岩心的一个端面与反应釜中的流动流体接触，另一端面接触圆柱形垫块。

3.根据权利要求2所述的页岩盐离子扩散能力实验测试装置，其特征是，圆柱形垫块与岩心接触面设有导流槽，垫块中心处有供流体流动的孔眼。

4.根据权利要求1所述的页岩盐离子扩散能力实验测试装置，其特征是，反应釜内腔为圆柱形。

5.根据权利要求1所述的页岩盐离子扩散能力实验测试装置，其特征是，转子叶片的高度与岩心的轴线对齐。

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