一種考慮頁(yè)巖吸附及壓裂過(guò)程的滲透演化實(shí)驗(yàn)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于頁(yè)巖氣開(kāi)采工程技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種考慮頁(yè)巖吸附及壓裂過(guò)程的滲透演化實(shí)驗(yàn)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]頁(yè)巖氣作為一種非常規(guī)天然氣，以吸附和游離狀態(tài)賦存于致密頁(yè)巖層中，其主要成分為甲烷，頁(yè)巖氣的開(kāi)采已對(duì)全球能源戰(zhàn)略格局產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。
[0003]由于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層處于三維地應(yīng)力及恒定低溫條件下，并且完整頁(yè)巖基質(zhì)具有致密低滲特性，工業(yè)化開(kāi)采必須采用儲(chǔ)層壓裂改造技術(shù)，且主要包括水壓壓裂技術(shù)和氣壓壓裂技術(shù)，其中的水壓壓裂技術(shù)最為成熟，現(xiàn)已應(yīng)用于頁(yè)巖氣開(kāi)采，但是水壓壓裂技術(shù)需要耗費(fèi)大量的水資源，且水中還需要加入大量的化學(xué)制劑，從而導(dǎo)致了地下水的污染，因此從環(huán)境保護(hù)角度來(lái)看，水壓壓裂技術(shù)并不環(huán)保。
[0004]而氣壓壓裂技術(shù)作為一種最新的開(kāi)采技術(shù)，具有節(jié)水和環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，并且該技術(shù)已經(jīng)在加拿大頁(yè)巖試驗(yàn)氣田中進(jìn)行了工業(yè)實(shí)驗(yàn)，且達(dá)到了理想的試驗(yàn)效果。
[0005]目前，為了進(jìn)一步研究氣壓壓裂技術(shù)，開(kāi)展室內(nèi)壓裂模擬實(shí)驗(yàn)是必不可少的，盡管用于模擬頁(yè)巖氣壓壓裂過(guò)程的實(shí)驗(yàn)裝置已成功研發(fā)，且通過(guò)該實(shí)驗(yàn)裝置可以有效進(jìn)行室內(nèi)氣壓壓裂實(shí)驗(yàn)。但是，上述實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有考慮吸附平衡在建過(guò)程，也沒(méi)有將頁(yè)巖氣壓壓裂前后的滲透率演化考慮在內(nèi)，而吸附平衡在建過(guò)程會(huì)直接影響到壓裂前后的滲透率，且缺少了滲透率演化的氣壓壓裂實(shí)驗(yàn)也是不完整的，滲透率作為頁(yè)巖氣工業(yè)產(chǎn)量參數(shù)預(yù)測(cè)的一種直接指標(biāo)，滲透率演化對(duì)壓裂效果的評(píng)價(jià)具有非常重要的意義。因此，非常有必要將吸附平衡在建過(guò)程和滲透率演化考慮在內(nèi)，并建立一套用于測(cè)定頁(yè)巖氣壓壓裂前后滲透率演化的實(shí)驗(yàn)裝置，以便更好的幫助實(shí)驗(yàn)人員來(lái)研究頁(yè)巖裂紋破裂機(jī)理，并最終幫助實(shí)驗(yàn)人員基于滲透率演化進(jìn)行壓裂效果的評(píng)估。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種考慮頁(yè)巖吸附及壓裂過(guò)程的滲透演化實(shí)驗(yàn)裝置及方法，能夠有效模擬吸附平衡在建過(guò)程，準(zhǔn)確測(cè)定頁(yè)巖氣壓壓裂前后的滲透率，并幫助實(shí)驗(yàn)人員基于滲透率演化進(jìn)行壓裂效果的評(píng)估。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種考慮頁(yè)巖吸附及壓裂過(guò)程的滲透演化實(shí)驗(yàn)裝置，包括氣壓壓裂系統(tǒng)單元和滲透率測(cè)量系統(tǒng)單元，所述氣壓壓裂系統(tǒng)單元包括第一高壓氣瓶、調(diào)壓閥、第一高壓計(jì)量栗、增壓器、壓力傳感器、第一開(kāi)關(guān)閥、第二開(kāi)關(guān)閥、第三開(kāi)關(guān)閥、第四開(kāi)關(guān)閥及第五開(kāi)關(guān)閥，所述第一高壓氣瓶與調(diào)壓閥相連通，調(diào)壓閥與第一開(kāi)關(guān)閥相連通，第一開(kāi)關(guān)閥一路與第一高壓計(jì)量栗相連通，第一開(kāi)關(guān)閥另一路與第二開(kāi)關(guān)閥相連通，第一高壓計(jì)量栗及第二開(kāi)關(guān)閥均與增壓器相連通，增壓器與第三開(kāi)關(guān)閥相連通，第三開(kāi)關(guān)閥與第四開(kāi)關(guān)閥相連通，第四開(kāi)關(guān)閥與第五開(kāi)關(guān)閥相連通，第五開(kāi)關(guān)閥與頁(yè)巖試樣內(nèi)部相連通；所述壓力傳感器設(shè)置在第四開(kāi)關(guān)閥與第五開(kāi)關(guān)閥之間的管路上；
[0008]所述滲透率測(cè)量系統(tǒng)單元包括第二高壓氣瓶、第二高壓計(jì)量栗、第三高壓計(jì)量栗、第一儲(chǔ)氣瓶、第二儲(chǔ)氣瓶、真空栗、壓差傳感器、第六開(kāi)關(guān)閥、第七開(kāi)關(guān)閥、第八開(kāi)關(guān)閥、第九開(kāi)關(guān)閥、第十開(kāi)關(guān)閥、第十一開(kāi)關(guān)閥、第十二開(kāi)關(guān)閥、第十三開(kāi)關(guān)閥及第十四開(kāi)關(guān)閥，所述第二高壓氣瓶一路與第二高壓計(jì)量栗相連通，第二高壓氣瓶另一路與第三高壓計(jì)量栗相連通；所述第二高壓計(jì)量栗與第六開(kāi)關(guān)閥相連通，第六開(kāi)關(guān)閥一路與第七開(kāi)關(guān)閥相連通，第七開(kāi)關(guān)閥與第一儲(chǔ)氣瓶相連通；所述第六開(kāi)關(guān)閥第二路與第八開(kāi)關(guān)閥相連通，第八開(kāi)關(guān)閥與壓差傳感器一端相連通；所述第六開(kāi)關(guān)閥第三路與第九開(kāi)關(guān)閥相連通，第九開(kāi)關(guān)閥與頁(yè)巖試樣內(nèi)部相連通；所述第三高壓計(jì)量栗與第十開(kāi)關(guān)閥相連通，第十開(kāi)關(guān)閥一路與第十一開(kāi)關(guān)閥相連通，第十一開(kāi)關(guān)閥與第二儲(chǔ)氣瓶相連通；所述第十開(kāi)關(guān)閥第二路與第十二開(kāi)關(guān)閥相連通，第十二開(kāi)關(guān)閥與壓差傳感器另一端相連通；所述第十開(kāi)關(guān)閥第三路與第十三開(kāi)關(guān)閥相連通，第十三開(kāi)關(guān)閥與頁(yè)巖試樣表面相連通；所述第十開(kāi)關(guān)閥第四路與第十四開(kāi)關(guān)閥相連通，第十四開(kāi)關(guān)閥與真空栗相連通。
[0009]采用所述的考慮頁(yè)巖吸附及壓裂過(guò)程的滲透演化實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法，包括如下步驟:
[0010]步驟一:實(shí)驗(yàn)前，對(duì)頁(yè)巖試樣鉆削加工壓裂孔，壓裂孔經(jīng)過(guò)頁(yè)巖試樣的幾何中心；
[0011]步驟二:將頁(yè)巖試樣與承壓墊塊進(jìn)行裝夾，頁(yè)巖試樣壓裂孔孔口一側(cè)的承壓墊塊已事先加工有壓裂孔道，壓裂孔通過(guò)壓裂孔道與外部相連通，在頁(yè)巖試樣另三側(cè)的承壓墊塊上事先加工有滲透孔道，頁(yè)巖試樣三側(cè)外表面分別通過(guò)三個(gè)滲透孔道與外部相連通；再對(duì)裝夾后的頁(yè)巖試樣與承壓墊塊進(jìn)行密封處理，密封完成后安裝體變測(cè)量傳感器，構(gòu)成試樣組合體；
[0012]步驟三:將試樣組合體送入真三軸試驗(yàn)機(jī)的壓力室內(nèi)，首先將體變測(cè)量傳感器的數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)與壓力室內(nèi)的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)端口相連，然后將氣壓壓裂系統(tǒng)單元與頁(yè)巖試樣壓裂孔相接通，選定帶有滲透孔道的三個(gè)承壓墊塊中的一個(gè)，并將滲透率測(cè)量系統(tǒng)單元與選定的承壓墊塊滲透孔道相接通，通過(guò)選定不同的承壓墊塊，以滿(mǎn)足不同方向滲透率的測(cè)定；最后封閉壓力室，充油加壓并加溫至恒定溫度，然后加載大主應(yīng)力、中主應(yīng)力及小主應(yīng)力方向的真三軸應(yīng)力，并保持真三軸應(yīng)力水平不變；
[0013]步驟四:開(kāi)始吸附平衡實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)前，第一高壓氣瓶、第二高壓氣瓶、第一開(kāi)關(guān)閥、第八開(kāi)關(guān)閥及第十二開(kāi)關(guān)閥處于關(guān)閉狀態(tài)，其余開(kāi)關(guān)閥開(kāi)啟，啟動(dòng)真空栗，排除管路內(nèi)、頁(yè)巖試樣壓裂孔內(nèi)及承壓墊塊滲透孔道內(nèi)的空氣；
[0014]步驟五:首先關(guān)閉真空栗和第十四開(kāi)關(guān)閥，然后關(guān)閉第五開(kāi)關(guān)閥、第六開(kāi)關(guān)閥及第十開(kāi)關(guān)閥，最后打開(kāi)第二高壓氣瓶，使高壓氣體注入第二高壓計(jì)量栗和第三高壓計(jì)量栗內(nèi)；
[0015]步驟六:首先關(guān)閉第二高壓氣瓶，然后關(guān)閉第七開(kāi)關(guān)閥和第十一開(kāi)關(guān)閥，再打開(kāi)第六開(kāi)關(guān)閥和第十開(kāi)關(guān)閥，將第二高壓計(jì)量栗和第三高壓計(jì)量栗設(shè)置到目標(biāo)壓力，待第二高壓計(jì)量栗和第三高壓計(jì)量栗內(nèi)的氣壓不再變化時(shí)，吸附平衡實(shí)驗(yàn)結(jié)束，最后關(guān)閉第九開(kāi)關(guān)閥和第十三開(kāi)關(guān)閥；
[0016]步驟七:開(kāi)始?xì)鈮簤毫褜?shí)驗(yàn)，首先關(guān)閉第三開(kāi)關(guān)閥，然后打開(kāi)第一高壓氣瓶和第一開(kāi)關(guān)閥，使高壓氣體經(jīng)調(diào)壓閥注入第一高壓計(jì)量栗和和增壓器內(nèi)；
[0017]步驟八:首先關(guān)閉第一高壓氣瓶、第一開(kāi)關(guān)閥及第二開(kāi)關(guān)閥，然后打開(kāi)第三開(kāi)關(guān)閥和第五開(kāi)關(guān)閥，將第一高壓計(jì)量栗加載至目標(biāo)壓力，且加載速率恒定，直至頁(yè)巖試樣完成初次壓裂；在壓裂期間，通過(guò)第一高壓計(jì)量栗采集注入高壓氣體的流量及壓力數(shù)據(jù)，通過(guò)壓力傳感器記錄壓裂過(guò)程中管路內(nèi)的壓裂壓力，通過(guò)體變測(cè)量傳感器測(cè)量頁(yè)巖試樣的變形數(shù)據(jù)；
[0018]步驟九:進(jìn)行滲透率測(cè)定實(shí)驗(yàn)，在壓裂前期，頁(yè)巖試樣滲透性較小時(shí)，采用瞬態(tài)法測(cè)定頁(yè)巖試樣的滲透率，在壓裂后期，頁(yè)巖試樣滲透性較大時(shí)，采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)定頁(yè)巖試樣的滲透率；
[0019]步驟十:重復(fù)步驟七?步驟九，對(duì)頁(yè)巖試樣進(jìn)行逐級(jí)加壓壓裂，并測(cè)定頁(yè)巖試樣每級(jí)的滲透率演化。
[0020]采用瞬態(tài)法測(cè)定頁(yè)巖試樣滲透率的方法，包括如下步驟:
[0021]步驟①:首先打開(kāi)第七開(kāi)關(guān)閥和第十一開(kāi)關(guān)閥，由第二高壓計(jì)量栗向第一儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)注入壓力為P1的高壓氣體，由第三高壓計(jì)量栗向第二儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)注入壓力為P 4勺高壓氣體，然后打開(kāi)第八開(kāi)關(guān)閥、第九開(kāi)關(guān)閥、第十二開(kāi)關(guān)閥和第十三開(kāi)關(guān)閥，保證頁(yè)巖試樣上游管路中的壓力和下游管路中的壓力均為P1，當(dāng)壓差傳感器示數(shù)為O時(shí)，關(guān)閉第六開(kāi)關(guān)閥和第十開(kāi)關(guān)閥；
[0022]步驟②:首先關(guān)閉第九開(kāi)關(guān)閥和第十三開(kāi)關(guān)閥，然后打開(kāi)第六開(kāi)關(guān)閥，將第一儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)的壓力提升至匕后，再關(guān)閉第六開(kāi)關(guān)閥，并讀取此時(shí)壓差傳感器示數(shù)為Λ P C，Λ Pc記為初始?jí)翰钪担?br>[0023]步驟③:打開(kāi)第九開(kāi)關(guān)閥和第十三開(kāi)關(guān)閥，然后記錄下壓差傳感器實(shí)時(shí)示數(shù)為AP(t)，AP(t)記為實(shí)時(shí)壓差值，壓差傳感器示數(shù)由Λ P。變到Λ P (t)所用的時(shí)間為t，直到壓差傳感器示數(shù)穩(wěn)定且不再變化；
[0024]步驟④:計(jì)算頁(yè)巖試樣的滲透率k，計(jì)算公式如下:
[0025]Δ P(t)/ Δ P0= e at
[0026]a = kA/yL(l/Su+l/Sd)
[0027]式中，Λ P (t)為實(shí)時(shí)壓差值，Λ P。為初始?jí)翰钪?，e為自然底數(shù)，a為衰減系數(shù)，t為時(shí)間，k為滲透率，A為頁(yè)巖試樣的截面積，μ為粘滯系數(shù)，L為滲透長(zhǎng)度，Su為第一儲(chǔ)氣瓶的容水量，Sd為第二儲(chǔ)氣瓶的容水量。
[0028]采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)定頁(yè)巖試樣滲透率的方法，包括如下步驟:
[0029]步驟①:將第二高壓計(jì)量栗設(shè)置到目標(biāo)壓力P1，將第三高壓計(jì)量栗設(shè)置到目標(biāo)壓力P2，然后打開(kāi)第九開(kāi)關(guān)閥和第十三開(kāi)關(guān)閥，待第二高壓計(jì)量栗的流量穩(wěn)定時(shí)，記錄時(shí)間t內(nèi)第二高壓計(jì)量栗內(nèi)的流量Q ;
[0030]步驟②:計(jì)算頁(yè)巖試樣的滲透率k，計(jì)算公式如下:
[0031]k = μ QL/A (P1-P2) t
[0032]式中，k為滲透率，