一種含氣頁巖裂隙演化與滲流特征測試裝置及方法
【專利摘要】一種含氣頁巖裂隙演化與滲流特征測試裝置及方法，屬于巖石工程和非常規天然氣工程領域，包括三軸壓力室、偏壓加載系統、靜水壓力加載系統、上端流體系統、下端流體系統、抽真空系統、恒溫系統和數據控制采集系統；本發明測試方法，以位移傳感器代替應變片，解決應變片導線引起的油、氣泄露問題；在試樣上、中、下三個部位分別布置環向位移傳感器，以監測試樣不同部位的裂隙發育情況，利用軸向位移傳感器，監測整個試樣的變形；根據含氣頁巖試樣破裂過程中裂隙演化與滲流特征的參考標準和含氣頁巖試樣破裂過程整體裂隙演化的參考標準，分析含氣頁巖試樣破裂過程中裂隙演化狀態，并對含氣頁巖試樣破裂過程中整體裂隙的變化趨勢加以判斷。
【專利說明】一種含氣頁巖裂隙演化與滲流特征測試裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于巖石工程和非常規天然氣工程領域，主要涉及一種含氣頁巖裂隙演化與滲流特征測試裝置及方法。
【背景技術】
[0002]含氣頁巖儲層非常致密，依靠儲層自然降壓開采產量低、衰減快，要達到商業開發的目的，必須利用壓裂技術增加產量。含氣頁巖粘土含量高，采用高壓水進行壓裂，會使得含氣頁巖中粘土吸水膨脹，水分子包裹粘土顆粒，導致被水包裹的粘土顆粒內氣體難以解吸和運移，致使增產效果不佳。采用氣體壓裂則不存在上述問題，氣體粘度小，且二氧化碳等氣體的吸附性大于甲烷氣體，至裂后還可以利用其競爭吸附的性能使吸附態甲烷分子變為游離態，進一步增加含氣頁巖產氣量，氣體壓裂成為頁巖氣開發中的一項關鍵增產技術。
[0003]含氣頁巖氣體壓裂技術中，增產的關鍵問題在于破壞過程中含氣頁巖裂隙的發育、擴展和貫通程度，及其對含氣頁巖滲透性能的影響。目前利用已有設備進行的含氣頁巖破裂過程裂隙演化規律測試，均在測試結束后利用掃描電鏡等設備進行裂隙觀察和統計，這種測試方法不能監測含氣頁巖破裂過程中裂隙的動態發育和擴展規律。CT可以實現含氣頁巖破裂過程中裂隙發育的動態監測，但是無法為測試提供注氣條件。
[0004]壓裂的主要目的是提高含氣頁巖儲層滲透性能、以增加產氣量，研究氣體壓裂不僅需要監測含氣頁巖的破裂演化過程，更需要測試裂隙演化過程中的氣體流量和滲透性能變化。目前，含氣頁巖破裂過程中滲透性能的測試多采用MTS展開，具體方法為:加載試樣外部偏壓，達到指定值后保持偏壓不變，利用瞬態法進行該級偏壓下的含氣頁巖滲透性能。現有測試方法存在以下幾點問題:(I)采用的流體為蒸餾水，而實際儲層中的滲透介質為氣體，研究氣體壓裂過程中的滲透性能必須利用氣體作為滲透介質；(2)只能用滲透性能反映不同偏壓下含氣頁巖裂隙最終的擴展情況，無法實時反映含氣頁巖在偏應力下的裂隙動態演化；(3)因采用的滲透性能測試方法為瞬態法，不能反應含氣頁巖破裂過程中流量變化。
[0005]中國含氣頁巖儲層埋深500-3500m，含氣頁巖和儲存于其中的氣體分子均處于一定的溫度環境中，測試中需考慮不同溫度對含氣頁巖破裂和氣體滲流的影響。目前對巖石破裂過程滲透性能變化的測試只對試樣加溫，未對測試氣體加溫，不符合工程實際。原有高、中滲透巖石多采用流量計人工記錄巖石破裂過程中的流量，誤差大，且難以及時記錄，無法獲取實時動態的完整流量信息。致密含氣頁巖測試過程中流量小至10_2ml/min，溫度的影響不可忽略，流量計測定流量無法提供收集氣體的恒溫環境，測試誤差大，含氣頁巖致密流量測定必須提供滿足一定精度的恒溫環境。
[0006]含氣頁巖由于埋深大，致使井筒內存在很高一段氣柱，井底氣體壓力不為零；同時，壓裂后，裂隙通道存在一定氣體壓力，基質向裂隙的氣體流動是在一定背壓下進行的。現有測試中，流量收集端均連入大氣，導致偏離了工程實際。
[0007]由于沉積成巖過程、地質改造、地應力、壓裂改造等綜合作用，使得含氣頁巖存在非均質各向異性的特征，測試過程中試樣不同部位裂隙發育不同，必須對試樣多部位進行變形特征監測，而現有的測試裝置和方法均只對試樣中部變形進行監測，不足以代表試樣整體變形。現有的變形測試多采用應變片進行，應變片導線常引起漏油、漏氣問題，導致測試不準確。
[0008]本發明含氣頁巖裂隙演化與滲流特征測試裝置和方法中的關鍵技術難點為:
[0009]1.如何實時測試和表征含氣頁巖動態的裂隙發育特征。
[0010]2.如何提供背壓、恒溫的條件，準確實時測得破裂過程中流入和流出致密含氣頁巖的動態氣體流量和滲透率變化。
[0011]3.如何解決測試過程中的漏油漏氣問題。
【發明內容】
[0012]針對現有測試方法存在的不足，本發明的目的在于提供一種含氣頁巖裂隙演化與滲流特征測試裝置及方法。
[0013]本發明含氣頁巖裂隙演化與滲流特征測試裝置，包括三軸壓力室、偏壓加載系統、靜水壓力加載系統、上端流體系統、下端流體系統、抽真空系統、恒溫系統和數據控制采集系統；
[0014]三軸壓力室包括軸壓室、圍壓室、軸向位移傳感器、上部環向位移傳感器、中部環向位移傳感器、下部環向位移傳感器和試樣加溫裝置；軸壓室設置在圍壓室之上，軸向位傳感器豎直設置在圍壓室底部，分立兩側，上部環向位移傳感器環繞在試樣上部，中部環向位移傳感器環繞在試樣中部，下部環向位移傳感器環繞在試樣下部；試樣加溫裝置設置在圍壓室內。
[0015]偏壓加載系統設置在三軸壓力室的軸壓室內；
[0016]靜水壓力加載系統設置在三軸壓力室的圍壓室內；
[0017]上端流體系統，包括高精度柱塞泵，上端流體系統通過三軸壓力室圍壓室底部穿孔與試樣上部相連通；
[0018]下端流體系統，包括高精度柱塞泵，下端流體系統通過三軸壓力室圍壓室底部穿孔與試樣下部相連通；
[0019]抽真空系統，分別與上端流體系統及下端流體系統相連通；
[0020]恒溫系統，分別與上端流體系統的高精度柱塞泵及下端流體系統的高精度柱塞泵相連接；
[0021]數據控制采集系統，與三軸壓力室的數據控制端、偏壓加載系統數據控制端、靜水壓力加載系統數據控制端、上端流體系統數據控制和下端流體系統數據控制端相連接。
[0022]其中:
[0023]上端流體系統包括壓力傳感器、高精度柱塞泵、減壓閥、高壓氣瓶和截止閥；高壓氣瓶與減壓閥的一端相連通，減壓閥的另一端與高精度柱塞泵的進氣端相連通，高精度柱塞泵的出氣端通過圍壓室底部穿孔與三軸壓力室的試樣上部相連通，在高壓氣瓶與減壓閥之間、減壓閥與高精度柱塞泵之間、高精度柱塞泵與三軸壓力室的試樣之間設置有截止閥，靠近三軸壓力室的截止閥與三軸壓力室的試樣之間設置有壓力傳感器。
[0024]下端流體系統包括壓力傳感器、高精度柱塞泵、減壓閥、高壓氣瓶和截止閥；高壓氣瓶與減壓閥的一端相連通，減壓閥的另一端與高精度柱塞泵的進氣端相連通，高精度柱塞泵的出氣端通過圍壓室底部穿孔與三軸壓力室的試樣下部相連通，在高壓氣瓶與減壓閥之間、減壓閥與高精度柱塞泵之間、高精度柱塞泵與三軸壓力室的試樣之間設置有截止閥，靠近三軸壓力室的截止閥與三軸壓力室的試樣之間設置有壓力傳感器。
[0025]試樣加溫裝置包括試樣表面溫度傳感器、測壓力室油溫傳感器和加熱線圈；試樣表面溫度傳感器緊貼試樣放置，測壓力室油溫傳感器豎直放置于圍壓室底部，加熱線圈緊貼圍壓室的側壁放置。
[0026]軸向位移傳感器為壓彈式移傳感器，上部環向位移傳感器、中部環向位移傳感器和下部環向位移傳感器均為鏈條式位移傳感器。
[0027]偏壓加載系統、靜水壓力加載系統、上端流體系統、下端流體系統、抽真空系統、恒溫系統和數據控制采集系統的管路為不銹鋼耐壓管線。偏壓加載系統、靜水壓力加載系統、上端流體系統、下端流體系統、抽真空系統、恒溫系統的不銹鋼耐壓管線外包裹保溫夾套。偏壓加載系統和靜水壓力加載系統均設置有壓力傳感器，壓力傳感器數據輸出端與數據控制采集系統相連接。
[0028]本發明的含氣頁巖裂隙演化與滲流特征測試方法的是，以位移傳感器代替應變片，解決應變片導線引起的油、氣泄露問題。在試樣上、中、下三個部位分別布置環向位移傳感器，以監測試樣不同部位的裂隙發育情況，利用軸向位移傳感器，監測整個試樣的變形。實時采集上端流體系統精度柱塞泵和下端流體系統精度柱塞泵泵內體積變化，根據含氣頁巖試樣破裂過程中裂隙演化與滲流特征的參考，分析含氣頁巖試樣破裂過程中裂隙演化狀態，同時整體上利用含氣頁巖試樣破裂過程整體裂隙演化的參考標準對含氣頁巖試樣破裂過程中整體裂隙的變化趨勢加以判斷。
[0029]本發明測試方法中所采用的測試氣體為氦氣、氮氣、甲烷或二氧化碳。
[0030]采用本發明的含氣頁巖裂隙演化與滲流特征測試裝置，進行含氣頁巖裂隙演化與滲流特征測試的方法，包括以下步驟:
[0031]步驟1:將試樣表面溫度傳感器緊貼含氣頁巖試樣上固定，將軸向位移傳感器固定于試樣外部，上部環向位移傳感器、中部環向位移傳感器、下部環向位移傳感器環繞試樣的上、中、下部固定；
[0032]步驟2:利用偏壓加載系統，將三軸壓力室的軸壓室充滿油；利用靜水壓力加載系統，將三軸壓力室的圍壓室充滿油；
[0033]步驟3:利用抽真空系統將含氣頁巖試樣、上端流體系統和下端流體系統管閥內氣體抽真空，達到所需真空狀態時，關閉三軸壓力室與上端流體系統的高精度柱塞泵之間靠近三軸壓力室端的截止閥，關閉三軸壓力室與下端流體系統的高精度柱塞泵之間靠近三軸壓力室端的截止閥；
[0034]利用上端流體系統將上端流體系統的高精度柱塞泵在壓力P1下充滿測試氣體，利用下端流體系統將下端流體系統的高精度柱塞泵在壓力P2下充滿測試氣體，P2 > P1，運行上端流體系統的聞精度柱塞栗和下端流體系統的聞精度柱塞栗；
[0035]步驟4:利用三軸壓力室的試樣加溫裝置對試樣加溫，使試樣達到恒定溫度T1，待軸向位移傳感器數值、上部環向位移傳感器數值、中部環向位移傳感器數值和下部環向位移傳感器的數值不再變化時，讀取此時的軸向位移傳感器數值HshalH、上部環向傳感器數值L—n、中部環向傳感器數值Lshale;+b和下部環向傳感器數值LshaleH ；
[0036]步驟5:利用恒溫系統使上端流體系統的高精度柱塞泵和下端流體系統的高精度柱塞泵的泵內氣體達到恒定溫度T1，氣體溫度恒定的標準為上端流體系統的高精度柱塞泵和下端流體系統的高精度柱塞泵泵內氣體的體積和壓力穩定不再變化，此刻記為時間
[0037]從tQ時刻，同時進行以下①至③操作:
[0038]①.開始持續采集軸向位移傳感器數值Hshale_1、上部環向傳感器數值Lshale+a、中部環向傳感器數值Lshale+b、下部環向傳感器數值Lshale+。；并利用以下公式將軸向位移傳感器數值、上部環向傳感器數值、中部環向傳感器數值和下部環向傳感器數值轉化為軸向應變axial-shale上部環向應變circle-shale-a、中部環向應變 circle-shale-b和下部環向應變
^ circle-shale-c.
【權利要求】
1.一種含氣頁巖裂隙演化與滲流特征測試裝置，其特征在于，所述的測試裝置包括三軸壓力室、偏壓加載系統、靜水壓力加載系統、上端流體系統、下端流體系統、抽真空系統、恒溫系統和數據控制采集系統； 所述的三軸壓力室包括軸壓室、圍壓室、軸向位移傳感器、上部環向位移傳感器、中部環向位移傳感器、下部環向位移傳感器和試樣加溫裝置；軸壓室設置在圍壓室之上，軸向位傳感器豎直設置在圍壓室底部，分立兩側，上部環向位移傳感器環繞在試樣上部，中部環向位移傳感器環繞在試樣中部，下部環向位移傳感器環繞在試樣下部；試樣加溫裝置設置在圍壓室內。 所述的偏壓加載系統設置在三軸壓力室的軸壓室內； 所述的靜水壓力加載系統設置在三軸壓力室的圍壓室內； 所述的上端流體系統，包括高精度柱塞泵，上端流體系統通過三軸壓力室圍壓室底部穿孔與試樣上部相連通； 所述的下端流體系統，包括高精度柱塞泵，下端流體系統通過三軸壓力室圍壓室底部穿孔與試樣下部相連通； 所述的抽真空系統，分別與上端流體系統及下端流體系統相連通； 所述的恒溫系統，分別與上端流體系統的高精度柱塞泵及下端流體系統的高精度柱塞泵相連接； 所述的數據控制采集系統，與三軸壓力室的數據控制端、偏壓加載系統數據控制端、靜水壓力加載系統數據控制端、上端流體系統數據控制和下端流體系統數據控制端相連接。
2.如權利要求1所述的含氣頁巖裂隙演化與滲流特征測試裝置，其特征在于，所述的上端流體系統包括壓力傳感器、高精度柱塞泵、減壓閥、高壓氣瓶和截止閥；高壓氣瓶與減壓閥的一端相連通，減壓閥的另一端與高精度柱塞泵的進氣端相連通，高精度柱塞泵的出氣端通過圍壓室底部穿孔與三軸壓力室的試樣上部相連通，在高壓氣瓶與減壓閥之間、減壓閥與高精度柱塞泵之間、高精度柱塞泵與三軸壓力室的試樣之間設置有截止閥，靠近三軸壓力室的截止閥與三軸壓力室的試樣之間設置有壓力傳感器。
3.如權利要求1所述的含氣頁巖裂隙演化與滲流特征測試裝置，其特征在于，所述的下端流體系統包括壓力傳感器、高精度柱塞泵、減壓閥、高壓氣瓶和截止閥；高壓氣瓶與減壓閥的一端相連通，減壓閥的另一端與高精度柱塞泵的進氣端相連通，高精度柱塞泵的出氣端通過圍壓室底部穿孔與三軸壓力室的試樣下部相連通，在高壓氣瓶與減壓閥之間、減壓閥與高精度柱塞泵之間、高精度柱塞泵與三軸壓力室的試樣之間設置有截止閥，靠近三軸壓力室的截止閥與三軸壓力室的試樣之間設置有壓力傳感器。
4.如權利要求1所述的含氣頁巖裂隙演化與滲流特征測試裝置，其特征在于，所述的試樣加溫裝置包括試樣表面溫度傳感器、測壓力室油溫傳感器和加熱線圈；試樣表面溫度傳感器緊貼試樣放置，測壓力室油溫傳感器豎直放置于圍壓室底部，加熱線圈緊貼圍壓室的側壁放置。
5.如權利要求1所述的含氣頁巖裂隙演化與滲流特征測試裝置，其特征在于，所述的軸向位移傳感器為壓彈式移傳感器，上部環向位移傳感器、中部環向位移傳感器和下部環向位移傳感器均為鏈條式位移傳感器。
6.如權利要求1所述的含氣頁巖裂隙演化與滲流特征測試裝置，其特征在于，所述的偏壓加載系統、靜水壓力加載系統、上端流體系統、下端流體系統、抽真空系統、恒溫系統和數據控制采集系統的管路為不銹鋼耐壓管線。
7.如權利要求6所述的含氣頁巖裂隙演化與滲流特征測試裝置，其特征在于，所述的偏壓加載系統、靜水壓力加載系統、上端流體系統、下端流體系統、抽真空系統、恒溫系統的不銹鋼耐壓管線外包裹保溫夾套。
8.如權利要求1所述的含氣頁巖裂隙演化與滲流特征測試裝置，其特征在于，所述的偏壓加載系統和靜水壓力加載系統均設置有壓力傳感器，壓力傳感器數據輸出端與數據控制采集系 統相連接。
9.采用權利要求1所述的含氣頁巖裂隙演化與滲流特征測試裝置，進行含氣頁巖裂隙演化與滲流特征測試的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:將試樣表面溫度傳感器緊貼含氣頁巖試樣上固定，將軸向位移傳感器固定于試樣外部，上部環向位移傳感器、中部環向位移傳感器、下部環向位移傳感器分別環繞試樣的上、中、下部固定； 步驟2:利用偏壓加載系統，將三軸壓力室的軸壓室充滿油；利用靜水壓力加載系統，將三軸壓力室的圍壓室充滿油； 步驟3:利用抽真空系統將含氣頁巖試樣、上端流體系統和下端流體系統管閥內氣體抽真空，達到所需真空狀態時，關閉三軸壓力室與上端流體系統的高精度柱塞泵之間靠近三軸壓力室端的截止閥，關閉三軸壓力室與下端流體系統的高精度柱塞泵之間靠近三軸壓力室端的截止閥； 利用上端流體系統將上端流體系統的高精度柱塞泵在壓力P1下充滿測試氣體，利用下端流體系統將下端流體系統的高精度柱塞泵在壓力P2下充滿測試氣體，P2 > P1,運行上端流體系統的聞精度柱塞栗和下端流體系統的聞精度柱塞栗； 步驟4:利用三軸壓力室的試樣加溫裝置對試樣加溫，使試樣達到恒定溫度T1，待軸向位移傳感器數值、上部環向位移傳感器數值、中部環向位移傳感器數值和下部環向位移傳感器的數值不再變化時，讀取此時的軸向位移傳感器數值Hshale-P上部環向傳感器數值L—n、中部環向傳感器數值Lshale;+b和下部環向傳感器數值LshaleH ； 步驟5:利用恒溫系統使上端流體系統的高精度柱塞泵和下端流體系統的高精度柱塞泵的泵內氣體達到恒定溫度T1，氣體溫度恒定的標準為上端流體系統的高精度柱塞泵和下端流體系統的高精度柱塞泵泵內氣體的體積和壓力穩定不再變化，此刻記為時間h ； 從h時刻，同時進行以下①至③操作: ①.開始持續采集軸向位移傳感器數值Hshale_1、上部環向傳感器數值Lshale+a、中部環向傳感器數值Lshale+b、下部環向傳感器數值Lshale+。；并利用以下公式將軸向位移傳感器數值、上部環向傳感器數值、中部環向傳感器數值和下部環向傳感器數值轉化為軸向應變
^ axial-shale、
上部環向應變
^ circle-shale-a、
中部環向應變
^ circle-shale-b和下部環向應變^ circle-shale-c.^"axial-shale _，其中，Hshale為含氣頁巖試樣高度；
-tlShale
10.如權利要求9所述的含氣頁巖裂隙演化與滲流特征測試的方法，其特征在于，所述的測試氣體為氦氣、氮氣、甲烷或二氧化碳中的一種。
【文檔編號】G01N7/00GK103983533SQ201410182105
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年4月30日 優先權日:2014年4月30日
【發明者】馮夏庭, 陳天宇, 張希巍, 李元輝, 楊成祥, 曹衛東 申請人:東北大學
專業數控銑床產品供應商
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