压裂井二氧化碳气驱诱发破裂的模拟实验装置及方法与流程

本发明涉及油藏开发，特别是涉及到一种压裂井二氧化碳气驱诱发破裂的模拟实验装置及方法。

背景技术：

1、ccus技术(carbon capture,utilization and storage)中捕集的co2通过液化注入到地下深层常见岩石的微观孔隙空间而安全存放，既实现了温室气体快速大规模减排，又可增产原油产量提高经济效益。低渗透油藏水力压裂井开发后期转注co2驱油，可实现开发方式转化，解决“注不进、采不出”的开发难题。

2、压裂井注二氧化碳驱油时，需要重点考虑二氧化碳注入对裂缝扩展的影响。地层压力条件下，二氧化碳会由注入时的液态转化为超临界态(sc-co2)，相对于液态co2，超临界态sc-co2的密度接近液体、黏度接近气体、扩散系数比液体大。超临界态二氧化碳破岩的门限压力较低，更易于在裂缝区形成致密缝网，从而破坏水力压裂井的原有结构，使驱油过程中更易于发生指进现象使二氧化碳过早突破储层沿微裂缝逸散导致油井减产和封存泄露。

3、目前国内外低渗透油藏co2气驱研究主要针对co2混相注入机理、co2驱提高采收率等问题，缺乏针对水力压裂井液态二氧化碳、超临界二氧化碳气驱诱发储层破裂评价的模拟实验装置及方法。

4、在申请号：cn201810291699.x的中国专利申请中，涉及到一种模拟二氧化碳干法压裂的装置及方法，包括：液态co2制备模块，用于制备液态co2；液态co2泵注模块，其连接于液态co2制备模块，用于泵注液态co2；co2加热模块，其连接于液态co2泵注模块，用于调节液态co2的温度；拟三轴加载模块，包括拟三轴加载框架、轴压泵、围压泵和岩心夹持套筒，岩心夹持套筒设置于加载底盘上，用于盛装岩心，围压泵和轴压泵用于对岩心施压；岩心加热模块，岩心加热模块设置于围压筒外，用于加热岩心；液态co2泵注模块和co2加热模块分别连接于加载底盘处的流体注入端。采用该发明提供的模拟二氧化碳干法压裂的装置及方法，能够获得影响裂缝形态的最优注入参数。

5、在申请号：cn201610972423.9的中国专利申请中，涉及到一种超临界二氧化碳压裂模拟实验装置，其特征包括压力室、真空饱和系统和二氧化碳相态转换系统。压力室包括密闭腔体，扁千斤和加热棒。密闭腔体由上盖板，围压筒和压力室底座组成，并通过密封圈密封。围压筒侧壁均布四个扁千斤，上盖板和压力室底座各固定一个扁千斤，加热棒固定在压力室底座上。真空饱和系统包括真空泵和饱和液站。二氧化碳相态转化系统包括二氧化碳气源，冷却装置和注入泵，将二氧化碳降温液化后加压升温转换为超临界状态。该发明对岩石及人造试件进行饱和孔隙压力条件下超临界二氧化碳压裂模拟实验，实时监测压裂过程中压裂液的注入压力、温度、排量等参数，获取裂缝扩展规律，是研究超临界二氧化碳压裂机理的实验平台。

6、在申请号：cn201810755321.0的中国专利申请中，涉及到一种可视化超临界二氧化碳压裂物理模拟试验方法，包括，制备岩石试样，对岩石试样钻中心孔、制作预制裂缝；在岩石试样的表面粘贴上pvc膜和下pvc膜，将岩石试样进行养护；养护后的岩石试样固定于可视化二维水力裂缝模拟实验装置的围压腔体内，对岩石试样施加设定的三向围压和孔隙压力；开启高速相机，向中心孔注入超临界二氧化碳压裂液，持续记录注液压力和岩石试样测试表面图像信息直至试验结束；依次撤除注液压力、孔隙压力以及三向围压，取出岩石试样，对岩石试样进行剖切并观察内部的水力裂缝。通过该方法可获得超临界二氧化碳压裂时人工裂缝的起裂及延伸的全过程图像，以及岩石试样表面的应力、应变和孔隙压力等参数的分布规律。

7、在申请号：cn202010514034.8的中国专利申请中，涉及到一种相态连续变化的二氧化碳驱油封存与压裂的装置，同时模拟二氧化碳的驱油封存、压裂以及支撑剂运移过程；并在二氧化碳注入之前就对相态进行了区分，三个可视化二氧化碳腔组成了二氧化碳相变系统，腔内贮存的超临界态、液态、气态的二氧化碳对于不同温压条件的状态以及相变过程可以实时观测到，进而能够研究二氧化碳细微的相态变化以及这些状态下二氧化碳对于驱油、压裂以及支撑剂运移过程的影响。

8、以上现有技术均与本发明有较大区别，未能解决我们想要解决的技术问题，为此我们发明了一种新的压裂井二氧化碳气驱诱发破裂的模拟实验装置及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种操作方便、实用性强的压裂井二氧化碳气驱诱发破裂的模拟实验装置及方法。

2、本发明的目的可通过如下技术措施来实现：压裂井二氧化碳气驱诱发破裂的模拟实验装置，该压裂井二氧化碳气驱诱发破裂评价的模拟实验装置包括实验岩样、真三轴应力加载系统、二氧化碳注入系统、声发射监测系统和气体浓度检测系统，该实验岩样位于该真三轴应力加载系统中，由顶面中心向下设置二氧化碳注入井和多口气体浓度监测井，注入井筒局部设置预定方位、预定长度的水力裂缝，该真三轴应力加载系统向该实验岩样外侧的空间三个方向施加压力，该二氧化碳注入系统向该实验岩样中注入二氧化碳，该气体浓度检测系统采集二氧化碳气驱过程中监测井二氧化碳气体浓度变化，该声发射监测系统检测该实验岩样的破裂信息和裂缝扩展过程。

3、本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

4、该压裂井二氧化碳气驱诱发破裂的模拟实验装置还包括温度加载控制系统，该温度加载控制系统模拟并记录二氧化碳注入过程中该实验岩样的温热条件。

5、该温度加载控制系统包括加热电阻丝、热电偶温度传感器和温度采集控制仪，该加热电阻丝连接于该温度采集控制仪，并加热该实验岩样，该热电偶温度传感器的探头设置于该实验岩样井筒内壁，连接于该温度采集控制仪，采集该实验岩样近井筒壁处的温度，并将温度信息传输给该温度采集控制仪，该温度采集控制仪显示温度信息，当近井筒壁温度达到设定温度值时，通过该温度采集仪器给该加热电阻丝断电。

6、该热电偶温度传感器的温度测量范围为-50℃～500℃。

7、该实验岩样由水泥砂浆浇筑制备，其外形尺寸为300mm×300mm×300mm；该实验岩样顶面中心开有一直径10mm、长200mm的竖向中心孔，用作模拟二氧化碳驱注入井筒；该实验岩样四周设置多个直径10mm、长200mm的竖向中心孔，用作模拟气体浓度监测井，以监测实验过程中井组二氧化碳浓度变化。

8、多口气体浓度监测井分别位于预制裂缝延伸线方位、裂缝垂直方位及与裂缝呈预设角度方位。

9、该真三轴应力加载系统包括多通道液压伺服控制器、液压注入管线、高压承压缸、高压缸顶盖、液压侧顶板、液压底顶板、刚性上顶板和刚性侧垫板构成，该实验岩样位于该高压承压缸，该刚性垫板位于该实验岩样与该液压侧顶板之间，用于固定该实验岩样水平位置；该液压侧顶板、该液压底顶板用于向该实验岩样的侧面和底面施加真三轴应力载荷；该刚性上顶板位于该实验岩样与该高压缸顶盖之间，用于固定该实验岩样垂直位置；该液压侧顶版、该液压底顶板通过该液压注入管线与该多通道液压伺服控制器连接，该多通道液压伺服控制器用于设定并控制三轴应力载荷。

10、该声发射监测系统包括声发射探头、声发射信号线、信号放大器和声发射仪，该声发射探头设置在该实验岩样两个相对水平侧面，监测二氧化碳注入参数对应的该实验岩样声发射振铃率和能量率；该声发射探头通过该声发射信号线与该信号放大器连接，该信号放大器将声发射信号放大后通过该声发射信号线与该声发射仪连接，该声发射仪对放大的声发射信号处理解释并定位破裂点的空间位置，分析该实验岩样破裂事件及裂缝扩展规律。

11、该气体浓度检测系统包括浓度检测探头和浓度检测仪组成，该气体浓度检测探头置于监测井中，通过信号线与该浓度检测仪连接，通过该浓度检测仪动态记录不同监测井中二氧化碳浓度变化，结合该声发射仪分析的该实验岩样破裂时间和裂缝扩展规律，分析沿压裂井不同方位二氧化碳气驱诱发破裂及气窜的变化规律。

12、该二氧化碳注入系统包括二氧化碳钢瓶、低温浴槽、增压泵、冷却伴管、二氧化碳预热系统和安全阀门，该二氧化碳钢瓶用于提供实验用二氧化碳气体，通过该冷却伴管与该低温浴槽连接，通过控制该低温浴槽的温度，调节该二氧化碳注入系统管线的温度；该低温浴槽通过该冷却伴管与该增压泵连接，该增压泵用于控制提高管线内的压力，使该二氧化碳钢瓶流出的二氧化碳由气态转换为液态，模拟不同相态二氧化碳注入影响；该增压泵通过该冷却伴管与该二氧化碳预热系统连接，用于控制注入前二氧化碳温度，实现二氧化碳由液态变为超临界态的转变；该二氧化碳预热系统与该安全阀门连接，通过该安全阀门控制注入二氧化碳的排量。

13、本发明的目的也可通过如下技术措施来实现：压裂井液态二氧化碳气驱诱发破裂的模拟实验方法，该压裂井液态二氧化碳气驱诱发破裂的模拟实验方法采用了压裂井二氧化碳气驱诱发破裂的模拟实验装置，包括：

14、步骤1，启动真三轴应力加载系统，向实验岩样外侧的空间三个方向分别施加恒定压力；

15、步骤2，打开二氧化碳注入系统，向实验岩样注入液态二氧化碳；

16、步骤3，打开声发射监测系统，收集液态二氧化碳注入过程中岩样破裂信号；

17、步骤4，打开气体浓度检测系统，收集液态二氧化碳注入过程中监测井二氧化碳浓度变化；

18、步骤5，变化注入参数，直到监测井二氧化碳浓度变化达到临界值，停止实验。

19、本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：压裂井超临界二氧化碳气驱诱发破裂的模拟实验方法，该压裂井超临界二氧化碳气驱诱发破裂的模拟实验方法采用了压裂井二氧化碳气驱诱发破裂的模拟实验装置，包括：

20、步骤1，启动真三轴应力加载系统，向实验岩样外侧的空间三个方向分别施加恒定压力；

21、步骤2，打开温度加载控制系统给实验岩样加热，采集实验岩样近井筒壁处的温度，当温度达到设定温度时，断开温度采集控制仪开关；

22、步骤3，打开二氧化碳注入系统，向实验岩样注入液态二氧化碳；

23、步骤4，通过二氧化碳注入系统使液态二氧化碳转换为超临界态注入；

24、步骤5，打开声发射监测系统，收集超临界二氧化碳注入过程中岩样破裂信号；

25、步骤6，打开气体浓度检测系统，收集液态二氧化碳注入过程中监测井二氧化碳浓度变化；

26、步骤7，变化注入参数，直到监测井二氧化碳浓度变化达到临界值，停止实验。

27、本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：压裂井超临界二氧化碳气驱诱发破裂的模拟实验方法还包括，在步骤7之后，取出实验岩样，沿井筒局部及加载实验过程中声发射信号明显的区域剖切试样，观察近井筒及典型破裂位置裂缝变化特征。

28、本发明中的压裂井二氧化碳气驱诱发破裂的模拟实验装置及方法，考虑地应力、油藏温度等井下载荷环境，综合声发射破裂信号与二氧化碳浓度检测两方面监测二氧化碳气驱对实验井组破裂特征的影响，对提高二氧化碳驱开发效果，实现二氧化碳驱油藏科学管理具有重要意义。本发明的有益效果在于：采用真三轴应力加载系统真实的模拟实际油藏的地应力状态；采用温度加载控制系统模拟实际浅部、深部不同层位油藏温度；通过二氧化碳注入系统控制二氧化碳液态、超临界态注入相态变化；采用声发射监测分析地应力载荷、油藏温度与二氧化碳注入参数、注入相态复合作用下油藏破裂及裂缝扩展特征；采用二氧化碳气体浓度检测装置分析沿水力裂缝不同方位二氧化碳浓度变化，分析油藏破裂与二氧化碳气窜之间的联系。该试验装置操作方便、实用性强，为压裂井二氧化碳气驱诱发储层破裂机理研究提供了可靠的研究手段。