煤层气压裂过程中冰冻暂堵性能评价装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及石油天然气开发领域，特别涉及一种低温气体压裂/辅助压裂煤层气 过程中冰冻暂堵性能评价装置及方法。
【背景技术】
[0002] 水力压裂是煤层气增产的主要措施。目前常用活性水压裂存在压裂液滤失严重、 返排率低、压裂裂缝短而复杂等问题，采用新型压裂液和有效暂堵技术是改善压裂效果的 关键。利用液氮/液态CO2压裂/辅助压裂煤层气，具有增能助排、降滤失、对地层伤害小 等优点，上世纪九十年代，在北美页岩气新井压裂和煤层气老井重复压裂中，曾选用液氮作 为压裂液；近年来，我国液氮/液态CO 2压裂/辅助压裂工艺也从石油行业成功应用到安徽 淮北、河南焦作、华北油田和陕西韩城等煤层气压裂中。这些现场实践都取得了不同程度的 增产效果。对于液氮/液态CO 2压裂/辅助压裂煤层气，人们更多地还是关注其常规机理， 而对于液氮/液态CO2等低温气体注入煤层后产生的冷冲击作用以及可能实现的冰冻暂堵 降滤失等机理提及较少，缺乏理论认识、室内评价和现场验证。
[0003] 压裂过程中，注入液氮/液态CO2对煤层产生冷冲击，可以初步改善近井煤层的裂 缝系统和岩石力学性质，同时为后续冰冻暂堵降低压裂液漏失提供一个孔隙水结冰和维持 一定热力学稳定时间的低温环境。煤岩具有较小的导热系数和敏感的热胀冷缩特性，当近 井煤层短时间内与大量低温气体接触时，会导致煤岩基质剧烈收缩，当产生的收缩应力超 过煤岩的抗拉强度时，会在煤层内部形成许多热应力裂缝，致使煤岩强度降低，有利于压裂 裂缝延伸至更深地层。而在冷冲击作用形成的低温环境下，煤层裂缝中的地层水/注入的 活性水会结冰，或与注入的低温气体（如液态CO 2)/原生甲烷形成气体水合物。地层水结 冰或形成水合物都会堵塞煤层的高渗通道，起到降低压裂液漏失的作用。而随着煤层温度 升高，形成的冰堵又会融化，不会对煤层造成伤害。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的就是针对低温气体压裂/辅助压裂煤层气过程中的冰冻暂堵降滤 失机理缺乏室内研究手段的问题，提供一种评价煤层气压裂过程中冰冻暂堵性能的实验装 置及方法。该实验装置主要由增压泵、中间容器组、高压小容器瓶、岩心夹持器、真空泵、恒 温箱、压力传感器、温度传感器、数据采集箱、控制电脑等组成，如附图1。
[0005] 实验步骤主要包括：（1)将煤心放入岩心夹持器，连接好设备、管线；（2)采用压降 法气测煤心渗透率；（3)向煤心中通入气体和水，达到设定的含气、含水饱和度；(4)开启恒 温箱降温至-20°C，待煤心中的水结冰或形成水合物（煤心孔隙中只存在气固两相）；(5) 再采用压降法气测煤心渗透率，评价冰冻封堵效果；(6)将恒温箱迅速加热至某一温度，记 录岩心夹持器温度以及前端压降变化。
[0006] 其中：
[0007] 步骤（1):所采用干燥煤心尺寸直径2. 5cm，长度5cm ;所采用煤心种类包括原始煤 心、液氮冷冲击煤心或压裂煤心；将煤心放置于液氮中浸泡lOmin，产生大量热应力裂缝， 待煤心与液氮接触表面不再有大量气泡产生，表明煤心已经冷却均匀，取出恢复至常温，可 得到冷冲击煤心；在保持煤心相对完整的前提下，通过向煤心两端施加一定应力，使煤心产 生一条或多条长裂缝，可得到压裂煤心。（说明：所用岩心并不局限于煤心，还包括页岩、致 密砂岩等低渗、特低渗岩心）
[0008] 步骤（2):采用N2进行压降法气测煤心原始渗透率，即煤心前端接入装有高压N 2 的小气瓶（5ml)，煤心后端放空，随着N2通过煤心，记录煤心前端的压力下降曲线，采用气测 渗透率原理，计算煤心的渗透率（具体计算步骤见后文）。
[0009] 步骤（3):通过增压泵和中间容器，先向煤心中注水饱和，然后设定煤心后端背压 阀压力，继续注水至设定压力，再注入气体达到所设定的含水饱和度；注入的气体可以是 C0 2、N2和CH4等气体中的一种或几种；注入的水可以是蒸馏水、地层水、活性水、压裂液等水 基流体中的一种或几种。
[0010] 步骤（4):恒温箱控温范围在-20~60°C ;将恒温箱温度控制在-20°c，并保持足 够长的时间，使所有或绝大多数水结冰或形成气体水合物，此时煤心孔隙中主要存在气固 两相。
[0011] 步骤（5):再采用压降法测量结冰或形成水合物煤心的渗透率，步骤如步骤2,但 此时煤心后端存在背压；评价结冰或水合物对煤心渗透率的影响。
[0012] 步骤（6):用于评价当环境温度升高时，结冰或水合物对煤层封堵能力的维持能 力。
[0013] 本发明的有益效果为：
[0014] 通过本发明的装置和方法，可以模拟低温环境下结冰或形成的水合物对煤层的封 堵能力，以及随着环境温度升高后，结冰或水合物溶解对煤层封堵能力的影响，对于评价低 温气体压裂/辅助压裂煤层气过程中的冰冻暂堵降漏失性能具有重要意义。
【附图说明】
[0015] 附图1为本发明【具体实施方式】的工作原理图
[0016] 图中：1、供水烧杯，2-增压泵，3、中间容器（用于装入蒸馏水），4、中间容器（用 于装入高压N 2)，5、中间容器（用于装入蒸馏水/地层水/活性水/压裂液等水基流体）， 6、中间容器（用于装入队/0)2/014等高压气体），7、高压小气瓶（51111)，8、岩心夹持器及煤 心，9、背压阀，10、接液量筒，11、真空泵，12、恒温箱（控温范围-20~60°C )，13、压力传感 器，14、岩心夹持器温度传感器，15、恒温箱温度传感器，16、数据采集箱，17、控制电脑，18、 气瓶，19-22、阀门19-22(自左向右），23-26、阀门23-26(自左向右），27-35、阀门。
[0017] 附图2为岩心夹持器入口段压降曲线
【具体实施方式】
[0018] 结合附图1，对本发明做进一步的描述。
[0019] 具体步骤如下：
[0020] ⑴将干燥煤心放入岩心夹持器8中，并按照附图将设备和管线连接好，初始所有 阀门全部关闭。（做好准备工作）
[0021] (2)打开阀门19、23、29，启动增压泵2，通过中间容器3注入蒸馏水，对岩心加持器 施加围压至P s(8MPa)，然后关闭阀门19、23、29。（对岩心夹持器加围压）
[0022] (3)打开阀门34,启动真空泵11，对高压小气瓶7 (Vbtl = 5ml)抽真空1-2小时，然 后停止真空泵11，并关闭阀门34。（对高压小气瓶抽真空）
[0023] (4)打开阀门20、24、27、33，启动增压泵2，通过中间容器4向高压小气瓶7中注入 高压吧，至？ 1(610^)，然后关闭阀门20、24、27、33。（向高压小气瓶充入高压氮气）
[0024] (5)打开阀门35、28,启动真空泵11，对岩心夹持器8中的煤心及相关管线抽真空 3-4小时，然后停止真空泵11，关闭阀门35