非规则岩样压裂及渗透率测试装置、系统及方法

本技术属于非常规天然气开发，具体涉及一种非规则岩样压裂及渗透率测试装置、系统及方法。

背景技术：

1、非常规天然气资源是重要的接替能源，以致密砂岩气、页岩气、煤层气为代表，非常规天然气资源往往具有地质结构复杂、储层渗透率偏低等特点，需要通过压裂增产手段才能实现商业化开采。以水、超临界二氧化碳、氮气为主要压裂液组分的压裂技术是对储层进行压裂改造的有效途径。室内物理模拟试验是研究储层压裂增产机理的关键环节。然而，现有室内压裂或渗透率测试试验往往需要将岩石样品加工成圆柱体或立方体等规则形状，加工精度要求高，加工过程费时费力；尤其对于软弱煤岩体，例如原生结构受构造应力破坏、但含气量高的构造煤层，其力学强度较低、孔裂隙结构复杂和完整性较差，难以将其加工成规则的圆柱体或立方体开展室内压裂或渗流实验，对于揭示软弱储层的压裂改造机理及效果仍然是一个难点问题，严重阻碍了软弱储层非常规天然气资源高效开发。另外，在压裂增产过程中，压裂效果评价是一个重要的环节，渗透率和驱替采收率是评价压裂效果的关键参数，通过对压裂前后储层渗透率及驱替采收率的定量化表征，可以更好地了解不同的压裂工艺的适用性，并优化压裂施工方案。然而现有室内装置往往只满足模拟压裂或驱替独立过程，无法对非规则岩样进行不同方式的压裂试验以及压裂前后渗透率和驱替采收率一体化测试，因而不能全面的模拟原位储层状态及压裂效果，极大地限制了压裂技术的深入探究。

技术实现思路

1、本技术旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

2、第一方面，本技术提供了一种非规则岩样压裂及渗透率测试固定装置，包括：容纳腔、固定组件、压裂管组件、渗流探针组件和探测组件。容纳腔包括腔体和堵头。腔体上设有开口。堵头密封设置于腔体的开口上。固定组件位于腔体中。固定组件用于固定非规则岩样。压裂管组件的一端伸入腔体中。压裂管组件的一端能够插装于非规则岩样上的压裂孔中。渗流探针组件的一端伸入腔体中。渗流探针组件的一端能够与非规则岩样的表面密封连接。探测组件位于容纳腔中。用于获取容纳腔内的压力及获取非规则岩样的压裂程度。

3、可选地，堵头上包括一对第一安装孔。一对第一安装孔的轴线相互平行。一对第一安装孔由堵头的朝向腔体内侧的表面贯通至堵头的朝向腔体外侧的表面上。固定组件包括：固定架和一对调节螺母。固定架包括压板和一对连接杆。压板位于腔体中。一对连接杆分别由一对第一安装孔伸入腔体中，并连接于压板上。压板的朝向堵头的板面上设有柔性垫层。一对连接杆设有外螺纹。每个调节螺母设置于一个连接杆上且位于腔体之外。通过转动一对调节螺母，能够改变压板与堵头之间距离，以将非规则岩样固定于压板与堵头之间。

4、可选地，堵头上包括第二安装孔。压裂管组件包括：压裂管和第一固定结构。压裂管通过第二安装孔伸入腔体中。压裂管上包括第一温度传感器和第一压力传感器，用于监测压裂管内部的流体温度及压力。第一固定结构用于将压裂管固定于堵头上。

5、可选地，堵头上包括第三安装孔。渗流探针组件包括：探针管体、密封结构和第二固定结构。探针管体通过第三安装孔伸入腔体中。探针管体上包括第二压力传感器及流量计，分别用于监测探针管体内的流体压力及流量。密封结构包括密封圈。密封结构位于腔体中，且密封结构设置于探针管体的端面上。第二固定结构用于将探针管体固定于堵头上。

6、可选地，探测组件包括：多个安装槽、多个声发射探头、多个弹性组件及第二温度传感器。多个安装槽位于堵头的朝向腔体内侧的表面上。每个声发射探头设置于一个安装槽中。每个弹性组件设置于一个安装槽中，且连接于安装槽的底部与声发射探头之间，以使声发射探头能够与非规则岩样的表面紧密接触。第二温度传感器用于获取腔体内的温度。

7、第二方面，本技术还提供了一种非规则岩样压裂及渗透率测试的实验系统，包括：上述的非规则岩样固定装置、原位环境模拟模块、甲烷赋存状态模拟模块、压裂模块、渗透率测试模块、驱替模块和控制模块。非规则岩样固定装置用于固定非规则岩样。原位环境模拟模块连接于非规则岩样固定装置的容纳腔。原位环境模拟模块用于模拟非规则岩样所处的储层的地温及地应力环境。原位环境模拟模块包括地应力模拟单元和地温模拟单元。甲烷赋存状态模拟模块连接于非规则岩样固定装置的压裂管组件。甲烷赋存状态模拟模块用于向非规则岩样中注入甲烷，以模拟地下储层原位甲烷赋存状态。压裂模块连接于非规则岩样固定装置的压裂管组件。压裂模块用于压裂非规则岩样。压裂模块包括气压致裂单元和水压致裂单元。渗透率测试模块连接于非规则岩样固定装置的渗流探针组件。渗透率测试模块用于测试非规则岩样的渗透率。驱替模块连接于非规则岩样固定装置的压裂管组件。驱替模块用于获取从非规则岩样中驱替出的甲烷含量。控制模块连接于非规则岩样固定装置、原位环境模拟模块、甲烷赋存状态模拟模块、压裂模块、渗透率测试模块及驱替模块。

8、可选地，甲烷赋存状态模拟模块包括：甲烷气源及气动增压器。甲烷气源通过第一连接管连接于气动增压器。第一连接管上设有气源减压阀。气动增压器通过第二连接管连接于压裂管组件。第二连接管上设有气源压力传感器和气源截止阀。气源截止阀靠近压裂管组件。气压致裂单元包括：压裂气源、耐高压中间容器及液压泵。压裂气源与甲烷气源并联于第一连接管上。耐高压中间容器中设有活塞。活塞将耐高压中间容器分隔为第一腔体和第二腔体。第一腔体连接于第二连接管，用于存储压裂气源中输出的压裂气体。液压泵的输出端连接于第二腔体，用于将第一腔体中的压裂气体注入压裂管组件中。水压致裂单元包括水压管路。水压管路连接于液压泵的输出端与压裂管组件之间。水压管路上设有水压截止阀。

9、可选地，渗透率测试模块包括：渗流气瓶和真空泵。渗流气瓶通过第三连接管连接于渗流探针组件。第三连接管设有渗流减压阀，渗流减压阀靠近渗流气瓶。真空泵连接于第三连接管。真空泵用于对容纳腔抽真空。

10、可选地，驱替模块包括：冷凝管、气液分相管、第一称重单元、干燥器、第二称重单元、流量检测单元及浓度检测单元。冷凝管的输入端通过第四连接管连接于压裂管组件。气液分相管的输入端连接于冷凝管的输出端。气液分相管包括气相输出端和液相输出端。第一称重单元连接于液相输出端。干燥器的输入端连接于气相输出端。第二称重单元通过第五连接管连接于干燥器的输出端。流量检测单元设置于第五连接管上。流量检测单元用于检测干燥器输出的气相流体的流量。浓度检测单元设置于第五连接管上，用于获取气相流体的成分及含量。

11、第三方面，本技术又提供了一种非规则岩样压裂及渗透率测试的实验方法，利用上述的实验系统，方法包括如下步骤：

12、制备非规则岩样，并将非规则岩样放置于非规则岩样固定装置中；

13、启动原位环境模拟模块，使非规则岩样处于预设的地温及地应力环境中；

14、启动渗透率测试模块，获取非规则岩样的初始渗透率；

15、启动甲烷赋存状态模拟模块，向非规则岩样中注入甲烷，以模拟地下储层原位甲烷赋存状态；

16、启动压裂模块，直至非规则岩样破裂；

17、启动驱替模块，获取非规则岩样压裂过程中驱替出来的甲烷量；

18、启动渗透率测试模块，获取非规则岩样的压裂后的渗透率。

19、有益效果

20、1、本发明的实施例中所提供的非规则岩样压裂及渗透率测试固定装置包括容纳腔、固定组件、压裂管组件、渗流探针组件和探测组件，通过固定组件能够将非规则岩样固定在容纳腔中，容纳腔为非规则岩样提供了一个密闭空间，与外部环境隔离，能够便于模拟地下的真实环境。通过在容纳腔上设置压裂管组件、渗流探针组件和探测组件，能够用于对容纳腔内部的非规则岩样进行压裂实验和渗流实验，并实时探测容纳腔内的环境变化及获取非规则岩样的压裂情况。利用本发明的非规则岩样固定装置能够对现场获取的非规则岩样直接进行压裂实验，无需加工，简化了实验流程。

21、2、本发明的实施例中所提供的非规则岩样压裂及渗透率测试的实验系统包括上述的非规则岩样固定装置、原位环境模拟模块、甲烷赋存状态模拟模块、压裂模块、渗透率测试模块、驱替模块和控制模块。打破了压裂试验对岩石试样形状限制，并同时能原位开展压裂前后的非规则岩石试样渗透率和采收率测试，克服了软弱岩石难以开展压裂及其效果评价的困难，为探究岩石压裂机理提供有力保障，并且通过原位环境模拟能够更为逼真的模拟了现场工作条件，从而使测量结果更为真实、准确。

22、3、本发明的实施例中所提供的非规则岩样压裂及渗透率测试的实验方法，利用了上述的实验系统，克服了压裂试验对试样形状的限制，为深入探索软弱岩石压裂机理提供可能，同时实现了定量测试原位压裂前后的渗透率变化以及监测压裂后驱替采收率，为评价不同压裂方案下的压裂效果提供了新的思路和技术手段，相对于传统实验方法具有操作方便、功能独特等优点。