[發明專利]一種水力壓裂和微波致裂聯合增透頁巖的實驗裝置及方法

在審

• 申請號: 202110463648.2
• 申請日: 2021-04-26
• 公開（公告）號: CN113075112A
• 公開（公告）日: 2021-07-06
• 發明（設計）人: 陳天宇;付彥吉;李福棟;孫子涵;鄭旭;王文芳;郝巖嶼;宋海國
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08;G01N22/00;G01N3/12;G01N33/24;G09B23/40
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

一種水力壓裂和微波致裂聯合增透頁巖的實驗裝置及方法，裝置包括三軸壓力室單元、圍壓與軸壓控制單元、水力壓裂控制單元、微波致裂控制單元及滲透控制單元。方法為：利用標準鋼樣替代頁巖試樣進行體積標定，通過三軸壓力室單元、圍壓與軸壓控制單元及滲透控制單元配合，完成上滲透參考體積和下滲透參考體積的測量；拆除標準鋼樣，將頁巖試樣安裝到三軸壓力室單元內并完成裝置連接；通過圍壓與軸壓控制單元以及三軸壓力室單元內的加熱器完成地應力和地層溫度環境的模擬；通過水力壓裂控制單元完成頁巖試樣的水力壓裂；通過微波致裂控制單元完成頁巖試樣的微波致裂；通過滲透控制單元完成頁巖試樣的滲透，最后計算得到頁巖試樣的滲透率。

技術領域

本發明屬于頁巖油氣開采技術領域，特別是涉及一種水力壓裂和微波致裂聯合增透頁巖的實驗裝置及方法。

背景技術

隨著能源的日益枯竭，非常規油氣藏資源的勘探和開采變得尤為重要。頁巖油與頁巖氣是典型的非常油氣儲層，我國頁巖油儲量與常規石油儲量相當，頁巖氣儲量居世界首位。盡管我國頁巖油氣資源豐富，但是頁巖油氣儲層致密、低滲，其內部孔隙不發育，導致頁巖內部油氣難以流動。此外，頁巖油儲層多為中、低成熟度的富有機質巖石，中成熟度頁巖內原油具有流動性，但是低成熟頁巖內的油母質需要經過高溫的作用才能轉化為具有流動能力的原油。

目前，頁巖油氣開采方法主要為水力壓裂法，但水力壓裂法需要消耗大量的水資源，中國頁巖油氣儲層多賦存于缺水地區。此外，水力壓裂后壓裂液返排率較低，頁巖油氣儲層中含有大量的粘土礦物，粘土礦物吸水后易膨脹，膨脹后堵塞油氣的運移通道，導致頁巖滲透率降低，最終使得頁巖油氣產量快速降低。

微波輻射是一種新型的巖石致裂增產措施，微波具有穿透力強、選擇性加熱、易于控制等優點，通過巖石內部分子內摩擦產生高溫，不需要任何傳導介質就可以使巖石內外同時加熱。頁巖內礦物非均質性強，不同礦物對微波的吸收能力不同，進而在不同礦物間產生溫度應力差，最終使頁巖內部產生復雜的裂紋。此外，微波產生的高溫可以使低成熟和中成熟頁巖中的油母質轉化為流動原油，提高頁巖油的產能。水壓致裂裂隙延展范圍較廣、微波致裂影響范圍相對較小，頁巖油氣開采可利用水壓致裂和微波致裂交替結合的方式，儲層中滯留的壓裂液可快速吸收微波轉化為氣體狀態，產生高壓氣體破巖的效果。綜上，水壓致裂與微波致裂聯用的方式可減少用水量、提高壓裂破巖效率、增加裂網復雜性、提高產量。

目前，微波致裂技術在非常規油氣增產中并未應用和推廣，其根本原因在于微波致裂增產技術的機理研究仍非常薄弱。實際頁巖油氣儲層處于深部地層中，頁巖油氣儲層承受著較高的地應力，微波產生的熱應力與周圍應力相互作用，最終使得頁巖油氣地層產生裂紋。再有，實際頁巖油氣儲層處于一定的溫度環境中，溫度使得流體流動性增強，但也會使得頁巖骨架膨脹，導致孔隙壓縮，微波產生的高溫會在原有儲層溫度上疊加。綜上，考慮地應力和溫度的微波試驗研究才能真實的反映實際頁巖油氣儲層的破裂特征。受試驗裝置與方法的限制，目前的微波致裂研究大多將試樣從地層取出后直接置于微波爐中進行微波處理，處理后對試樣施加以應力和流體壓力進行力學或者滲流試驗研究，這類試驗方法的問題在于微波前試樣上的地應力解除、溫度也降為常溫狀態，而微波試驗后再安裝試樣進行力學和滲透率測試，微波后的應力和溫度也會被破壞，因此，這種試驗方法并不能真實地反映地應力狀態下裂隙實際發育的情況，測試得到的滲透率也并非致裂增透后地層的實際滲透率。此外，現有的壓裂實驗裝置通常只能進行單一的水力壓裂實驗，無法滿足水力壓裂和微波致裂同時作用下的頁巖致裂增透實驗研究。考慮地層實際應力與溫度條件的微波致裂前后滲透率測試裝置與方法的難點之一在于：微波后，試樣溫度隨微波時間和功率快速增加，其溫度可達到500℃以上，常規的滲透率測試試驗裝置最高耐溫程度多為150℃，如何有效屏蔽微波產生的高溫效應是原位微波致裂增滲裝置面臨的關鍵問題。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種水力壓裂和微波致裂聯合增透頁巖的實驗裝置及方法，能夠有效模擬地應力和地層溫度環境，準確測定頁巖在水力壓裂和微波致裂同時作用前后的滲透率，從而通過滲透率演化對水力壓裂和微波致裂聯合增透效果進行評估。