[發明專利]一種脈沖水力壓裂改造頁巖氣儲層的實驗裝置及方法

有效

• 申請號: 201310147687.7
• 申請日: 2013-04-25
• 公開（公告）號: CN103196762A
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發明（設計）人: 陸朝暉;賀培;程禮軍;劉俊峰;曾春林;張義;黃帥
• 申請（專利權）人: 重慶地質礦產研究院
• 主分類號: G01N3/36
• 分類號: G01N3/36;G01N13/04
• 代理公司: 重慶華科專利事務所 50123
• 代理人: 康海燕

技術領域

本發明涉及一種模擬不同地層壓力環境、不同脈沖壓力及頻率下，脈沖水力壓裂改造頁巖儲層的實驗以及實時監測裂縫類型和發展情況、測定巖心壓裂前后滲透率的實驗裝置及方法。

背景技術

我國頁巖氣儲量豐富、開發潛力大，但地質條件復雜、埋藏深，不易開采。水力壓裂技術是高效低成本開發頁巖氣的關鍵技術之一，獲得較好應用的同時也存在壓裂液用量大、能量利用率低、體積壓裂效果不明顯等瓶頸問題。脈沖水力壓裂是一種新的改造頁巖儲層的方法，能有效運用水力的脈沖效應和循環加載方式提高頁巖氣儲層的改造效果。由于缺乏較為系統的科學研究，相關脈沖水力壓裂機理匱乏，主要參數對壓裂效果影響難以給予量化確定，從而限制了該項技術在天然氣儲層改造領域的應用與發展。因此，建立科學的頁巖氣儲層脈沖水力壓裂實驗測試系統，深入探索脈沖水力作用下頁巖的斷裂損傷及增滲機理，對該技術的研發與推廣具有重要意義。

常規水力壓裂主要是在穩定高泵壓下致裂巖石，然后維持一定壓力，使裂縫延伸。使用脈沖水力壓裂改造頁巖氣儲層是一種新的改造儲層方法，采用一定脈沖頻率的壓力致裂巖石，能節約壓裂用水，降低能量消耗。還能提高水力壓裂改造頁巖氣儲層的效果，增加裂縫延伸長度和復雜程度。

目前，國內外還沒有在三軸應力下專門研究脈沖水力壓裂改造頁巖氣儲層的實驗裝置，缺乏對脈沖水力壓裂改造頁巖氣儲層的實驗研究。國內外研究水力壓裂改造儲層的實驗裝置存在以下缺點:

1.只能在恒定水力壓力下、無脈沖頻率、無三軸應力，不能進行模擬地層的脈沖水力壓裂改造儲層實驗。或者只能在脈沖壓力，但無三軸應力下模擬水力壓裂改造儲層。

2.對于裂縫的監測只能經過實驗壓裂改造后，肉眼觀察，缺乏實時監測裂縫發展規律的能力。

3.原來的實驗裝置只能模擬水力能量模擬直接沖擊巖石的情況，不能模擬在充滿液體的井筒內，脈沖水力能量從徑向壓裂巖石的狀態。

4.原來同類實驗裝置不能同時測得壓裂前后滲透率變化，如需測定滲透率，需取出巖心在另外的實驗設備上進行。

發明內容

本發明提供一種脈沖水力壓裂改造頁巖氣儲層的實驗裝置及方法，能夠模擬儲層巖石在不同三軸應力、脈沖壓力和脈沖頻率下的水力壓裂狀態，并實時監測壓裂致裂巖石裂縫發展情況和類型，測定巖心壓裂前后滲透率，評價脈沖水力壓裂效果。

??本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

本發明首先提出一種脈沖水力壓裂改造頁巖氣儲層的實驗裝置，其包括脈沖發生與控制系統、三軸應力加載裝置、裂縫監測裝置和滲透率測定系統；其中：

所述三軸應力加載裝置由上鋼座、下鋼座、巖心夾持器、軸向壓力和徑向壓力加載系統組成；所述巖心夾持器圍成筒狀，向夾持于筒內巖心試件傳遞徑向力，上鋼座和下鋼座分別位于巖心夾持器上下兩端，緊貼巖心試件的上下兩端，傳遞軸向力；所述上鋼座和下鋼座均有中心孔，一端與巖心試件的巖心中心孔位置對應，相互連通；所述軸向壓力和徑向壓力加載系統通過加載終端作用于巖心夾持器和上鋼座、下鋼座，提供加載的圍壓和軸向壓力。采用該三軸應力加載裝置，巖石試件在整個脈沖壓裂過程中處于三軸應力情況下，裝配方便，可組裝于常規三軸應力加載系統或現有的三軸強度測試裝置中。

所述脈沖發生與控制系統包括壓裂液池、高壓泵、節流閥、溢流閥、水力脈沖生成裝置、壓力傳感器、數據采集系統；所述上鋼座和下鋼座的中心孔另一端分別通過管道連接節流閥和溢流閥，進液管從壓裂液池接出，通過高壓泵、第一開關閥連接節流閥進口，出液管從溢流閥出口接至壓裂液池，形成液流循環；從壓裂液池接有一分支管路至高壓泵和第一開關閥之間的管路，并在所述分支管路上安裝第二開關閥；所述水力脈沖生成裝置安裝在上鋼座的中心孔出口位置；所述壓力傳感器內置于下鋼座中，通過信號線連接外部的數據采集系統。

????工作時，使用水力脈沖生成裝置產生自動產生具有脈沖性能的壓裂液，利用節流閥調節流量、溢流閥調節脈沖壓力，高壓泵提供高壓流體。壓力傳感器傳輸壓裂液壓力和脈沖頻率數據給數據采集記錄系統，利用記錄的數據反饋，調節節流閥、溢流閥，使脈沖壓力和頻率達到實驗要求。節流閥、溢流閥、高壓泵、壓力傳感器和數據采集記錄系統之間的配合調節，能產生不同壓力、頻率的脈沖壓裂液，用于研究各種脈沖水力壓裂改造頁巖氣儲層的狀況和與常規水力壓裂對比。