超临界二氧化碳复合压裂实验装置及实验方法

文档序号:33505452发布日期:2023-03-18 00:07阅读:352来源:国知局
超临界二氧化碳复合压裂实验装置及实验方法

1.本发明涉及非常规油气开采技术领域,尤其涉及一种超临界二氧化碳复合压裂实验装置及实验方法。


背景技术:

2.压裂改造是低渗、特低渗透储层经济开发的重要方法,对于页岩油储层的开发,压裂改造是必要手段,但是目前页岩油的压裂存在水敏问题、消耗大量水资源和压裂后导致的相关污染等缺点。co2无水压裂技术可以实现低压敏感性油气藏的高效开发,其中,超临界co2压裂作为无水压裂的一种,可以应用于页岩油、页岩气和煤层气的开发。与其它常规压裂液相比,超临界co2具有更强的溶解、扩散和渗透能力,破裂压力是使用其它压裂液的30%-80%,破岩所需比能是其它方法的20%-50%。超临界co2用于压裂页岩,具有比较大的优势。
3.结合超临界co2压裂和水力压裂的优势,超临界co2复合压裂在前置液阶段,利用超临界co2低表面张力、低黏度、高扩散系数及压裂液伤害率低的特点,造分支缝网、增能增效;利用水力压裂造主缝、提高缝网导流能力,实现增大改造体积、提高原油流度及近井地层压力,有效动用页岩油,实现储层增产。超临界co2前置注入可有效降低储层岩石单轴抗压和抗拉强度,并产生新的微孔隙和微裂缝。在超临界co2注入过程中,co2在地层水的存在下与某些矿物发生反应,形成大尺寸的腐蚀孔。此外,由于长期的腐蚀作用,原有的裂缝逐渐扩散,产生更多新裂缝,导致岩石强度的急剧下降。
4.超临界co2复合压裂中,先注入超临界co2,再注入水基压裂液进行压裂,目前在研发过程中,存在实验室尺度下难以完全模拟实际油田开发的技术问题。


技术实现要素:

5.本发明的目的是提供一种超临界二氧化碳复合压裂实验装置及实验方法,以缓解实验室尺度下难以完全模拟超临界co2复合压裂的技术问题。
6.本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现:
7.本发明提供一种超临界二氧化碳复合压裂实验装置,包括:岩心夹持器和二氧化碳供应装置,所述岩心夹持器包括夹持机构和施压机构,所述夹持机构包括左岩心室和右岩心室,所述夹持机构能够将岩石样品固定到所述左岩心室与所述右岩心室之间,所述施压机构用于对所述左岩心室与所述右岩心室之间的岩石样品施加压力;
8.所述右岩心室的左端面设置有前置液注入端口,所述二氧化碳供应装置与所述前置液注入端口连通;所述左岩心室的右端面设置有前置液排出端口,所述左岩心室还设置有压裂液注入端口,所述左岩心室与所述右岩心室之间的空间与所述压裂液注入端口相连通,所述压裂液注入端口能够将压裂液注入所述左岩心室与所述右岩心室之间的空间。
9.在优选的实施方式中,所述施压机构包括外筒体和胶套,所述胶套的两端分别套设于所述左岩心室外和所述右岩心室外,并且,所述胶套设置于所述外筒体内,所述胶套的
外壁与所述外筒体之间设置有围压环空。
10.在优选的实施方式中,所述左岩心室和所述右岩心室外分别套设有锥度套;所述胶套包括中心部和端部,所述端部的外径大于所述中心部外径,所述端部套设于所述锥度套外,所述中心部套设于所述左岩心室外和所述右岩心室外。
11.在优选的实施方式中,所述施压机构包括限位机构、轴压筒体和轴压活塞,所述限位机构与所述左岩心室连接以阻止所述左岩心室向左活动,所述轴压活塞安装于所述轴压筒体且与所述右岩心室连接,用于驱使所述右岩心室向左移动。
12.在优选的实施方式中,所述前置液注入端口设置于所述右岩心室的中心,所述前置液排出端口偏离所述左岩心室的中心。
13.在优选的实施方式中,所述压裂液注入端口包括压裂液注入通道和压裂管,所述压裂液注入通道与所述压裂管连通,所述压裂管安装于所述左岩心室的右端面,所述压裂管至少部分延伸至所述左岩心室与所述右岩心室之间的空间。
14.在优选的实施方式中,所述压裂管设置于所述左岩心室的中心。
15.在优选的实施方式中,所述岩心夹持器包括堵头,所述堵头设置有压裂孔、渗流孔和放射槽。
16.在优选的实施方式中,所述二氧化碳供应装置包括二氧化碳气瓶、增压泵和恒温水浴锅。
17.本发明提供一种超临界二氧化碳复合压裂实验方法,采用上述的超临界二氧化碳复合压裂实验装置,所述实验方法包括:通过所述前置液注入端口向岩石样品注入超临界二氧化碳;通过所述压裂液注入端口向岩石样品注入压裂液。
18.本发明的特点及优点是:
19.实验时,通过施压机构模拟地层应力条件。通过前置液注入端口向岩石样品注入超临界二氧化碳,并从前置液排出端口排出,实现超临界二氧化碳前置注入;压裂液注入端口进行后置水基压裂液的注入,可两端注入流体,实现前置超临界co2注入+后置水基压裂液压裂,模拟油气藏前置超临界co2注入—压裂一体化工艺,实验过程中模拟的地层真实状态不会发生改变。前置液注入端口可在模拟地层状态下进行前置超临界co2注入,研究超临界co2对储层物性的影响;压裂液注入端口及前置液排出端口,可在前置超临界co2注入结束后,在相同模拟地层状态下原位进行水力压裂,模拟油气藏前置超临界co2注入—压裂一体化工艺,符合实际油气田开发的操作条件,从而使实验结果更为真实、准确。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明提供的超临界二氧化碳复合压裂实验装置的结构示意图;
22.图2为本发明提供的超临界二氧化碳复合压裂实验装置中夹持机构的示意图;
23.图3为本发明提供的超临界二氧化碳复合压裂实验装置中堵头的结构示意图;
24.图4为本发明提供的超临界二氧化碳复合压裂实验装置中二氧化碳供应装置的示
意图。
25.附图标号说明:
26.10、岩心夹持器;11、加热瓦;
27.21、左岩心室;22、右岩心室;
28.311、前置液注入端口;312、前置液排出管道;
29.32、压裂液注入端口;321、压裂液注入通道;322、压裂管;
30.41、外筒体;411、围压环空;
31.42、胶套;421、中心部;422、端部;423、锥形部;
32.43、锥度套;
33.50、限位机构;51、左压帽;52、垫块;
34.61、轴压筒体;611、活塞腔;62、轴压活塞;
35.71、第一o型圈;73、第二o型圈;
36.72、堵头;721、压裂孔;722、渗流孔;723、放射槽;
37.80、二氧化碳供应装置;81、二氧化碳气瓶;82、增压泵;83、恒温水浴锅;
38.84、回压阀。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
40.前置超临界co2复合压裂储层改造机理包括:首先向地层注入超临界co2用以影响储层及形成复杂缝网;再依次向缝网注入不同类型的携带支撑剂的压裂液进行水力携砂压裂以扩大、支撑缝网,实现地层,尤其是页岩储层的复杂缝网体积改造、缝网有效支撑、地层增能等效果。
41.为了对超临界co2复合压裂的特点做进一步研究,发明人研发了一种超临界二氧化碳复合压裂实验装置和超临界二氧化碳复合压裂实验方法。
42.方案一
43.本发明提供了一种超临界二氧化碳复合压裂实验装置,如图1-图2所示,该实验装置包括:岩心夹持器10和二氧化碳供应装置80,岩心夹持器10包括夹持机构和施压机构,夹持机构包括左岩心室21和右岩心室22,夹持机构能够将岩石样品固定到左岩心室21与右岩心室22之间,施压机构用于对左岩心室21与右岩心室22之间的岩石样品施加压力;右岩心室22的左端面设置有前置液注入端口311,二氧化碳供应装置80与前置液注入端口311连通;左岩心室21的右端面设置有前置液排出端口,左岩心室21还设置有压裂液注入端口32,左岩心室21与右岩心室22之间的空间与压裂液注入端口32相连通,压裂液注入端口32能够将压裂液注入左岩心室21与右岩心室22之间的空间。
44.实验时,将岩石样品安装到左岩心室21与右岩心室22之间,通过施压机构模拟地层应力条件。通过前置液注入端口311向岩石样品注入超临界二氧化碳,并从前置液排出端口排出,实现超临界二氧化碳前置注入;压裂液注入端口32进行后置水基压裂液的注入,可
两端注入流体,实现前置超临界co2注入+后置水基压裂液压裂,模拟油气藏前置超临界co2注入—压裂一体化工艺,实验过程中模拟的地层真实状态不会发生改变,从而使实验结果更为真实、准确。
45.通过该超临界二氧化碳复合压裂实验装置,前置液注入端口311可在模拟地层状态下进行前置超临界co2注入,研究超临界co2对储层物性的影响;压裂液注入端口32及前置液排出端口,可在前置超临界co2注入结束后,在相同模拟地层状态下原位进行水力压裂,模拟油气藏前置超临界co2注入—压裂一体化工艺,符合实际油气田开发的操作条件。
46.岩心夹持器10的一端设置前置液注入端口311,另一端设置压裂液注入端口32及前置液排出端口,可两端注入流体,实现前置超临界co2注入+后置水基压裂液压裂,模拟油气藏前置超临界co2注入—压裂一体化工艺。
47.如图1和图2所示,施压机构包括外筒体41和胶套42,胶套42的两端分别套设于左岩心室21外和右岩心室22外,并且,胶套42设置于外筒体41内,胶套42的外壁与外筒体41之间设置有围压环空411。岩石样品被安装到左岩心室21和右岩心室22之间,胶套42包围岩石样品,向围压环空411注入高压流体,胶套42对岩石样品围压,模拟地层的围压条件。
48.进一步地,左岩心室21和右岩心室22外分别套设有锥度套43;胶套42包括中心部421和端部422,端部422的外径大于中心部421外径,端部422套设于锥度套43外,中心部421套设于左岩心室21外和右岩心室22外。锥度套43与胶套42之间密封配合,保障围压环空411的密封性。如图1所示,位于左侧的锥度套43的右端面沿径向向内朝右倾斜,胶套42的中心部421与端部422之间设有与该右端面相配合的锥形部423;位于右侧的锥度套43的左端面沿径向向内朝左倾斜,胶套42的中心部421与端部422之间设有与该左端面相配合的锥形部423。
49.在一些实施方式中,施压机构包括限位机构50、轴压筒体61和轴压活塞62,限位机构50与左岩心室21连接以阻止左岩心室21向左活动,轴压活塞62安装于轴压筒体61且与右岩心室22连接,用于驱使右岩心室22向左移动。轴压筒体61设置有活塞腔611,轴压活塞62向右运动并驱使右岩心室22对岩石样品施加轴压,模拟地层的轴压条件。
50.该岩心夹持器10还设置有环绕加热瓦11,模拟真实储层高温高压环境,以更准确地模拟实际油田开发储层条件。
51.如图2所示,前置液注入端口311设置于右岩心室22的中心,前置液排出端口偏离左岩心室21的中心。压裂液注入端口32包括压裂液注入通道321和压裂管322,压裂液注入通道321与压裂管322连通,压裂管322安装于左岩心室21的右端面,压裂管322至少部分延伸至左岩心室21与右岩心室22之间的空间。进一步地,压裂管322设置于左岩心室21的中心。压裂管322模拟压裂井,提高了实验结果的准确度。
52.具体地,岩心夹持器10主要通过左压帽51、垫块52和第一o型圈71进行密封。在一实施例中,岩心夹持器10整体长度不大于600mm,体积较小,易于转移及放置。
53.通过该超临界二氧化碳复合压裂实验装置,向岩心夹持器10内部注入超临界co2,将岩石样品在岩心夹持器10内部的超临界co2环境中浸泡预定时间。具体地,将co2加热至第一预设温度,以及增压至第一预设压力之后,注入岩心夹持器10中;实时监测围压环空411处的温度,在实际温度低于第二预设温度的差值超过预设温度阈值时,对岩心夹持器10内部空间进行加热使温度维持在第二预设温度的预设温度阈值内;实时监测岩心夹持器10内
部空间的压力,在实际压力低于第二预设压力的差值超过预设压力阈值时,向岩心夹持器10内部空间注入co2使压力维持在第二预设压力的预设压力阈值内。
54.如图3所示,堵头72设置有压裂孔721、渗流孔722和放射槽723。压裂管322通过第二o型圈73与压裂孔721相密封接触。放射槽723作为前置液在岩样左侧的流动通道,渗流孔722与放射槽723连通并作为前置液排出端口,前置液排出管道312与渗流孔722连通。
55.在一些实施方式中,二氧化碳供应装置80包括二氧化碳气瓶81、增压泵82和恒温水浴锅83。如图4所示,前置液注入端口311与增压泵82相连,用于前置超临界co2注入;前置液排出管道312与回压阀84相连,用于控制注入排量。增压泵82结合恒温水浴锅83将co2在进入岩心夹持器10之前加温加压,使其达到超临界状态。具体地,增压泵82包括气体增压器、空气压缩机、空气干燥机、增压控制器、co2监测报警器和气体减压器。
56.二氧化碳供应装置80的操作步骤:(1)起动空气压缩机,确保为系统气动元件提供充足动力;(2)打开恒温水浴锅83,将温度调至实验要求温度;(3)打开二氧化碳气瓶81阀门,向系统内充气3~5mpa,检查管路的密封性,打开co2浓度监测与报警系统;(4)安装岩石样品并施加围压至设计值,连接压裂管322与输送管线,检查密封性;(5)调节增压指针至设计值,开启增压开关,检查压力表工作是否正常;(6)缓慢打开增压阀门,保证实验管路畅通;(7)持续增压co2压力直至压裂岩石样品,关闭增压阀门及设备开关,卸载岩样围压;(8)待围压筒压力指示为0时,卸掉围压盖,取出岩样,记录数据,完成实验。为保证实验安全,系统增压值不可超过设计值的60%,即最高增压压力不超过60mpa(设计值为100mpa)。
57.该超临界二氧化碳复合压裂实验装置的工作步骤包括:
58.(1)拧下夹持器左压帽51,将左压帽51、垫块52从左岩心室21取出,将准备好的岩石样品装入岩心夹持器10,然后再将垫块52装入左岩心室21,左压帽51装入拧紧;
59.(2)打开与围压环空411连通的环压放空口和环压进液阀门,将液体注入到夹持器围压环空411内,当围压环空411内空气完全排出后,将环压放空孔丝堵拧紧;
60.(3)打开环绕加热瓦11的控制箱电源开关,在控温仪表上设定所需加热温度,打开加热开关开始加热;加热时由于温度升高,液体膨胀,压力会不断升高,这属于正常现象;若压力升高过快,超过工作压力,此时要及时打开环压放空口放空,保证围压环空411内压力不超过工作压力;
61.(4)根据实验要求,如加热升温至所需温度时,压力不能满足实验要求所需值时,可通过高压注入泵向围压环空411内增压至所需压力值,然后关闭环压进液阀门,再加热升温至所需实验温度压力值;
62.(5)打开与轴压筒体61的活塞腔611连通的轴压进口阀门,向岩石样品端面施加轴压,根据实验要求施加轴向压力;
63.(6)打开岩心夹持器10的前置进出口阀门,通过前置液注入端口311向岩心内注入超临界二氧化碳,实时记录进出口压力,及出口流量,从而求得渗透率等实验数据;
64.(7)打开压裂控制系统和压裂阀门,将压裂液通过压裂液管注入压裂管322内,通过压裂控制系统控制注入压力,以对岩石样品进行压裂,在压裂完成后关闭压裂阀门;
65.(8)实验反应结束后,关闭加热开关;等控温仪表温度降低至常温后,拆卸下垫块52、左压帽51,取出岩石样品,再装上垫块52、左压帽51,恢复实验初始状态。
66.在一实施例中,施加轴向压力过程中,轴压加载面积与岩石样品端面面积比
1.1856:1,即表压42.17mpa时,φ50岩心端面应力50mpa。
67.使用该该超临界二氧化碳复合压裂实验装置进行实验时,注入前置超临界co2;将岩石样品在岩心夹持器10内部的超临界co2环境中动态浸泡预定时间;后对岩石样品进行水力压裂实验;根据实验数据,获得岩石样品的压裂参数。具体地,将岩石样品放置在岩心夹持器10内部;在岩石样品上施加一定围压和轴压,对岩石样品进行固定,模拟地层真实应力状态;对岩心夹持器10内部进行抽真空;对夹持器内部岩心进行饱和水,达到储层真实饱和水状态;对岩心夹持器10内部进行加热至预设温度,达到目标储层真实温度条件,并维持一定时间。
68.利用该该超临界二氧化碳复合压裂实验装置,模拟地层真实温度、地应力等条件,整体注入—压裂实验过程中,岩石样品保持原位模拟地层状态,可进行高效精确的注入—压裂实验,模拟油气藏前置超临界co2注入—压裂一体化工艺。具有以下优点:
69.(1)在岩心夹持器10一端有前置液注入端口311,可在模拟地层温度、应力状态下,进行前置超临界co2注入,研究对超临界co
2-水-岩相互作用对储层物性的影响;
70.(2)在岩心夹持器10另一端有压裂液注入端口32及前置液排出端口,可不取出前置超临界二氧化碳注入后的岩样,直接原位在相同的模拟地层状态下,进行二次水力压裂,符合真实实际油田开发的工艺操作流程及条件;
71.(3)整个实验过程岩石样品都在一个岩心夹持器10中,保持相同的温度及应力条件,实验进行过程中无需拆卸及调整,在模拟地层状态下原位开展系列前置注入压裂实验,有利于保证实验有效的进行。
72.方案二
73.本发明提供了一种超临界二氧化碳复合压裂实验方法,采用上述的超临界二氧化碳复合压裂实验装置,该实验方法包括:通过前置液注入端口311向岩石样品注入超临界二氧化碳;通过压裂液注入端口32向岩石样品注入压裂液。
74.实验时,通过施压机构模拟地层应力条件。通过前置液注入端口311向岩石样品注入超临界二氧化碳,并从前置液排出端口排出,实现前置超临界二氧化碳注入;压裂液注入端口32进行后置水基压裂液的注入,可两端注入流体,实现前置超临界co2注入+后置水基压裂液压裂,模拟油气藏前置超临界co2注入—压裂一体化工艺,实验过程中模拟的地层真实状态不会发生改变。前置液注入端口311可在模拟地层状态下进行前置超临界co2注入,研究超临界co2对储层物性的影响;压裂液注入端口32及前置液排出端口,可在前置超临界co2注入结束后,在相同模拟地层状态下原位进行水力压裂,模拟油气藏前置超临界co2注入—压裂一体化工艺,符合实际油气田开发的操作条件,从而使实验结果更为真实、准确。
75.以上所述仅为本发明的几个实施例,本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。
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