专利名称：一种测试页岩气裂缝网络导流能力的装置及其工作方法
技术领域：
本发明涉及一种测试页岩气裂缝网络导流能力的装置及其工作方法，属于油气田开发的技术领域。
背景技术：
我国传统油气田已进入中后期开发，产能递减明显，因此寻找新的接替能源势在必行。页岩气是常规油气资源的重要接替资源之一。页岩气作为新兴的非常规能源，其储量巨大，在缓解能源供给压力、发展低碳经济和调整优化能源结构等方面具有不可忽视的作用。与常规天然气相比，页岩气开发具有开采寿命长、生产周期长、产能稳定等优点，近年、来国家对页岩气的开发尤为重视，政策上、资金上给予了重要支持。因此，加强对页岩气开采技术的研究，对于保持发展经济、缓解能源压力具有重要的意义。页岩储层自然压力低、渗透率低(小于0. 001 X 10_3 U m2)，通常无自然产能，往往需要采取压裂措施才能有效开采。页岩气压裂通常采用滑溜水或清水，使用高排量、低粘度的方式将支撑剂携带进地层，以达到沟通天然裂缝，在地层内形成复杂裂缝网络(缝网)的作用。页岩气压裂设计的根本出发点在于如何形成有效的网络裂缝。页岩气能否有效产出，很大程度上取决于压裂裂缝和压裂过程中诱导天然裂缝开启而形成的相互交错的网络裂缝面积大小，裂缝网络的导流能力直接影响页岩气井的生产指数。因此，研究页岩气储层裂缝网络导流能力对于提高压裂增产效果具有重要意义。传统的水力压裂方式采用高粘压裂液将支撑剂携带进地层，在地层内形成一条具有高导流能力的填砂裂缝，针对一条充填支撑剂的裂缝的导流能力可采用裂缝导流仪对导流能力进行评价，此技术已经较为成熟；针对采用酸化措施所形成的酸蚀裂缝的导流能力的研究方法也已经较为成熟，并形成了系统化的理论和评级体系。上述两种传统的裂缝导流能力的评价方法对地层中的一条裂缝进行评价，而裂缝网络是在地层中形成的相互沟通、形态复杂、宽度不一、纵横交错的裂缝体系，故不能将传统的评价方法直接应用于页岩气压裂所形成的裂缝网络。目前，对页岩气压裂所形成裂缝网络的导流能力多是进行定性的描述，缺乏合适的实验设备及方法对此进行定量的分析。卢占国等人进行了正交裂缝网络中的渗流特征实验研究，研究正交裂缝网络模型中渗流特征和模型结构对渗透率的影响，利用大理石和不锈钢垫片组建了不同结构的正交裂缝网络模型，并通过物理模拟研究了水相和油水两相的渗流特征。但其研究的对象是裂缝油藏，并且考虑的是裂缝网络对液相的渗流速度的影响。现有的一些对裂缝网络导流能力评价的理论方法，其结果得不到实验的验证，其准确性得不到保证。在页岩气压裂所成网络裂缝内常常填有支撑剂，针对这种复杂的网络填砂裂缝，目前没有实验设备及方法来定量的研究。评价方法的落后影响了页岩气压裂技术的进步及页岩油气藏的高效开发
发明内容
针对以上的技术不足，本发明提供一种测试页岩气裂缝网络导流能力的装置，以模拟和测定页岩储层通过压裂所产生的裂缝网络的导流能力。本发明还提供一种上述装置的工作方法。本发明的技术方案如下一种测试页岩气裂缝网络导流能力的装置，其包括矩形导流室、气体流量计、压差计和位移计；所述导流室包括侧壁、在导流室内设置有上活塞和下活塞，所述侧壁、上活塞和下活塞封闭围成的导流腔、在上活塞上安装有上盖板、在下活塞下安装有下盖板，在导流腔内、且在所述上活塞和下活塞之间设置有模拟页岩裂缝的大理石，在所述侧壁的上边缘和下边缘分别设置有胶圈；所述胶圈的目的是用来密封导流室；在导流室的左右两端的侧壁上分别设置有进气口和出气口，所述进气口通过管道与气源相连，在所述的管道上设置有气体流量计； 所述的导流室安装在压机之上，在导流室的左右两端、且在所述上盖板和下盖板之间设置有位移计a和位移计b ;所述的压机为导流室提供的压力来模拟地层中裂缝的闭合压力；当所述压机对所述导流室进行施压时，所述的位移计实时显示导流室内裂缝网络有效缝宽，分别记录每个闭合压力下的裂缝网路的有效缝宽。在导流室的前端的侧壁的上设置有进气压力检测口和出气压力检测口，进气压力检测口和出气压力检测口之间设置有压差计。根据本发明优选的，在所述大理石外部覆盖设置有支撑剂防流网。所述支撑剂防流网是用来防止支撑剂从模拟页岩裂缝网络中流出。根据本发明优选的，所述的气源为瓶装氮气。根据本发明优选的，所述的上盖板和下盖板均为钢板。根据本发明优选的，所述测试页岩气裂缝网络导流能力的装置还包括数据采集与控制系统和计算机，所述的气体流量计、压差计、位移计a和位移计b分别通过所述数据采集与控制系统与计算机相连。根据本发明优选的，所述模拟页岩裂缝的大理石是由整块大理石按照以下加工方法制备(I)选取长度为178mm、宽度为37mm、厚度范围是0. 4mm I. 5mm的整块大理石，所述整块大理石润湿性与要模拟的页岩相同；(2)按照要模拟的页岩裂缝网络尺寸，将步骤(I)所述的整块大理石进行横向切割和纵向切割，然后装入导流室中。一种利用上述装置测试页岩气裂缝网络导流能力的方法，包括步骤如下(I)按一定的铺砂浓度向导流室内加入支撑剂，实现不同裂缝网络的有效缝宽，力口入的支撑剂总量除以导流室的横截面积即为裂缝网络的初始有效缝宽；(2)打开数据采集与控制系统；(3)启动压机，设定所述压机的压力，向导流室施压，所施压力范围是O-IOOMPa ；(4)打开气源向导流室内通气，待所述压差计保持稳定后开始实验；(5)打开计算机，通过数据采集与控制系统将采集到的气体流量Q、压差数据AP和位移数据h传输到计算机中；(6)计算机根据实时采集到的气体流量Q、压差数据AP和位移数据h带入公式①计算出有效缝宽和固定压力下的模拟页岩气裂缝网络导流能力kfWfkfWf -
f AAP公式①中的Wf—有效缝宽，所述有效缝宽为模拟裂缝网络中实际裂缝的总体积与导流室的横截面积的比值，kf-模拟页岩裂缝网络的渗透率；Q_气体流经导流室的流量，由气体流量计读出；U -常温下N2的粘度；A L-导流室的长度；A-大理石块的过流断面面积由导流室的宽度乘以模拟页岩裂缝大理石裂缝网络有效缝宽求得；A P-气体流经导流室的压差，由所述压差计读出；(7)改变所述压机的压力，重复步骤(3) (6);该步骤的目的在于在相同的初始有效缝宽下，测试地层中裂缝的不同闭合压力下的模拟页岩气裂缝网络导流能力；(8)改变加入支撑剂的量或铺砂浓度，重复步骤(I) (7);该步骤的目的在于在 不同的初始有效缝宽下，测试地层中裂缝不同的闭合压力下的模拟页岩气裂缝网络导流能力。本发明的有益效果I.本发明填补了无法通过实验手段测量页岩气裂缝网络导流能力的空白，能够测得不同裂缝网络模型下的导流能力；本发明所述的导流室不同于传统的API标准导流室传统的API标准导流室端部为弧形，而本发明的导流室端部为方形，其体积是传统API标准导流室的6倍，能够进行复杂裂缝网络导流能力的研究；2.本发明提出了使用大理石板来模拟页岩，克服了现场页岩取芯困难和成本高的缺点，大大降低了实验难度和成本；3.本发明通过对大理石的自由切割，能够组装大理块板得到多种裂缝网络的模型，增加实验的可人工调节性；4、本发明所述装置结构简便、易于操作，提供的实验方法切实可行，成功的测取了页岩气藏裂缝网络的导流能力。
图I是本发明所述测试页岩气缝网导流能力的装置的结构示意图；图2是本发明的导流室的结构示意图；图3是本发明的模拟页岩裂缝网络的大理石的结构示意图；在图1-3中，I、气源；2、气体流量计；3、位移计a ;4、位移计b、5、压差计；6、数据采集与控制系统；7、计算机；8、压机；9、导流室；10、支撑剂防流网；11、上盖板；12、下盖板；
13、上活塞；14、下活塞；15、模拟页岩裂缝的大理石；16、进气压力检测口 ；17、出气压力检测口 ；18、进气口 ；19、出气口 ；20、胶圈；21、支撑剂；22、裂缝；23、被切块后的大理石块。
具体实施例方式下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。实施例I、一种测试页岩气裂缝网络导流能力的装置，其包括矩形导流室9、气体流量计2、压差计5位移计a和位移计b ;所述导流室9包括侧壁、在导流室内设置有上活塞13和下活塞14，所述侧壁、上活塞13和下活塞14封闭围成的导流腔、在上活塞13上安装有上盖板11、在下活塞14下安装有下盖板12，在导流腔内、且在所述上活塞13和下活塞14之间设置有模拟页岩裂缝的大理石23，在所述侧壁的上边缘和下边缘分别设置有胶圈20 ；在导流室9的左右两端的侧壁上分别设置有进气口 18和出气口 19，所述进气口18通过管道与气源I相连，在所述的管道上设置有气体流量计2 ；所述的导流室9安装在压机8之上，在导流室9的左右两端、且在所述上盖板11和下盖板12之间设置有位移计a和位移计b ;所述的压机8为导流室9提供的压力来模拟地层中裂缝的闭合压力；当所述压机8对所述导流室9进行施压时，所述的位移计实时显示导流室内裂缝网络有效缝宽，分别记录每个闭合压力下的裂缝网路的有效缝宽。在导流室的前端的侧壁的上设置有进气压力检测口 16和出气压力检测口 17，进 气压力检测口 16和出气压力检测口 17之间设置有压差计5。所述模拟页岩裂缝的大理石23是由整块大理石按照以下加工方法制备(I)选取长度为178mm、宽度为37mm、厚度范围是0. 4mm I. 5mm的整块大理石，所述整块大理石润湿性与要模拟的页岩相同；(2)按照要模拟的页岩裂缝网络尺寸，将步骤(I)所述的整块大理石进行横向切割和纵向切割，然后装入导流室9中。实施例2、如图1-3所示。如实施例I所述的一种测试页岩气裂缝网络导流能力的装置，其区别在于，所述测试页岩气裂缝网络导流能力的装置还包括数据采集与控制系统和计算机，所述的气体流量计、压差计、位移计a和位移计b分别通过所述数据采集与控制系统与计算机相连。在所述大理石外部覆盖设置有支撑剂防流网10。所述的气源I为瓶装氮气。所述的上盖板11和下盖板12均为钢板。实施例3、一种利用如实施例2所述装置测试页岩气裂缝网络导流能力的方法，包括步骤如下一种利用上述装置测试页岩气裂缝网络导流能力的方法，包括步骤如下(I)按一定的铺砂浓度向导流室内加入支撑剂，实现不同裂缝网络的有效缝宽，力口入的支撑剂总量除以导流室的横截面积即为裂缝网络的初始有效缝宽；(2)打开数据采集与控制系统；(3)启动压机，设定所述压机的压力，向导流室施压，所施压力范围是O-IOOMPa ；(4)打开气源向导流室内通气，待所述压差计保持稳定后开始实验；(5)打开计算机，通过数据采集与控制系统将采集到的气体流量Q、压差数据AP和位移数据h传输到计算机中；(6)计算机根据实时采集到的气体流量Q、压差数据AP和位移数据h带入公式①计算出有效缝宽和固定压力下的模拟页岩气裂缝网络导流能力kfWfkfWf =—①
/ / AAp W
I Si公式①中的Wf—有效缝宽，所述有效缝宽为模拟裂缝网络中实际裂缝的总体积与导流室的横截面积的比值，kf—模拟页岩裂缝网络的渗透率；Q—气体流经导流室的流量，
由气体流量计读出—常温下队的粘度；A L—导流室的长度；A—大理石块的过流断面
面积由导流室的宽度乘以模拟页岩裂缝大理石裂缝网络有效缝宽求得；AP—气体流经
导流室的压差，由所述压差计读出；(7)改变所述压机的压力，重复步骤(3) (6);
(8)改变加入支撑剂的量或铺砂浓度，重复步骤(I) (7);进行以上步骤(I) (8)，分别记录模拟页岩气裂缝网络的初始有效缝宽尺寸、压
机模拟是层中裂缝的闭合压力数值，根据实测数据按照公式①计算出对应的模拟页岩气裂
缝网络导流能力kfwf,如表I所示表I :不同初始有效缝宽(I. 2mm、l. 6mm和2. 0mm)、不同地层压力条件下模拟页岩裂缝
大理石裂缝网络的导流能力
Hi机所施Hi力裂缝Pl络导ft能力(^im2Cm)
(MPa)缝宽为I. 2mm缝宽为I. 6_ 缝宽为2. 0_
ae11. 3519. 372-1.47
IsTs12.3016.3020.0027^6R7212.3M.80 4L67J)39.3910.71 55: 26: 026. 497. 23 69^04 785.025.20 8183^564. OI4.2696. 5I 3.213.483. 6权利要求
1.一种测试页岩气裂缝网络导流能力的装置，其特征在于，其包括矩形导流室、气体流量计、压差计和位移计；所述导流室包括侧壁、在导流室内设置有上活塞和下活塞，所述侧壁、上活塞和下活塞封闭围成的导流腔、在上活塞上安装有上盖板、在下活塞下安装有下盖板，在导流腔内、且在所述上活塞和下活塞之间设置有模拟页岩裂缝的大理石，在所述侧壁的上边缘和下边缘分别设置有胶圈； 在导流室的左右两端的侧壁上分别设置有进气口和出气口，所述进气口通过管道与气源相连，在所述的管道上设置有气体流量计； 所述的导流室安装在压机之上，在导流室的左右两端、且在所述上盖板和下盖板之间设置有位移计a和位移计b; 在导流室的前端的侧壁的上设置有进气压力检测口和出气压力检测口，进气压力检测口和出气压力检测口之间设置有压差计。
2.根据权利要求I所述一种测试页岩气裂缝网络导流能力的装置，其特征在于，在所述大理石外部覆盖设置有支撑剂防流网。
3.根据权利要求I所述一种测试页岩气裂缝网络导流能力的装置，其特征在于，所述的气源为瓶装氮气。
4.根据权利要求I所述一种测试页岩气裂缝网络导流能力的装置，其特征在于，所述的上盖板和下盖板均为钢板。
5.根据权利要求I所述一种测试页岩气裂缝网络导流能力的装置，其特征在于，所述测试页岩气裂缝网络导流能力的装置还包括数据采集与控制系统和计算机，所述的气体流量计、压差计、位移计a和位移计b分别通过所述数据采集与控制系统与计算机相连。
6.根据权利要求I所述一种测试页岩气裂缝网络导流能力的装置，其特征在于，所述模拟页岩裂缝的大理石是由整块大理石按照以下加工方法制备 (1)选取长度为178_、宽度为37_、厚度范围是0.4_ I. 5_的整块大理石，所述整块大理石润湿性与要模拟的页岩相同； (2)按照要模拟的页岩裂缝网络尺寸，将步骤(I)所述的整块大理石进行横向切割和纵向切割，然后装入导流室中。
7.一种利用如权利要求I述装置测试页岩气裂缝网络导流能力的方法，其特征在于，其包括步骤如下 (1)按一定的铺砂浓度向导流室内加入支撑剂，实现不同裂缝网络的有效缝宽，加入的支撑剂总量除以导流室的横截面积即为裂缝网络的初始有效缝宽； (2)打开数据采集与控制系统； (3)启动压机，设定所述压机的压力，向导流室施压，所施压力范围是O-IOOMPa； (4)打开气源向导流室内通气，待所述压差计保持稳定后开始实验； (5)打开计算机，通过数据采集与控制系统将采集到的气体流量Q、压差数据AP和位移数据h传输到计算机中； (6)计算机根据实时采集到的气体流量Q、压差数据AP和位移数据h带入公式①计算出有效缝宽和固定压力下的模拟页岩气裂缝网络导流能力kfWf
全文摘要
本发明涉及一种测试页岩气裂缝网络导流能力的装置，其包括矩形导流室、气体流量计、压差计和位移计；所述导流室包括侧壁、在导流室内设置有上活塞和下活塞，所述侧壁、上活塞和下活塞封闭围成的导流腔、在上活塞上安装有上盖板、在下活塞下安装有下盖板，在导流腔内、且在所述上活塞和下活塞之间设置有模拟页岩裂缝的大理石。本发明填补了无法通过实验手段测量页岩气裂缝网络导流能力的空白，能够测得不同裂缝网络模型下的导流能力；本发明所述的导流室不同于传统的API标准导流室传统的API标准导流室端部为弧形，而本发明的导流室端部为方形，其体积是传统API标准导流室的6倍，能够进行复杂裂缝网络导流能力的研究。
文档编号E21B49/00GK102720486SQ20121021823
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月28日 优先权日2012年6月28日
发明者徐希, 李杨, 李海鹏, 温庆志, 罗明良, 翟学宁, 胡蓝霄, 黄越 申请人:中国石油大学(华东)