一种裂缝动态导流能力、基岩供气能力的测试装置及方法

1.本发明涉及油气开发技术领域，特别涉及一种裂缝动态导流能力、基岩供气能力的测试装置及方法。


背景技术：

2.页岩气含量主要以ch4为主，是一种极其理想的天然气，页岩气的开采受到了人们的广泛关注，其开发过程通常要进行压裂，裂缝的形成增大了促使页岩气从基质向裂缝流动的动力，使得页岩气首先流向裂缝再到井筒进而被采出。
3.目前，普遍认为页岩气井的产能主要取决于支撑剂充填层裂缝和储层剪切滑移形成的自支撑裂缝提供的导流能力。然而本发明人在产能影响因素研究过程中发现，这种说法具有一定的局限性。由于受应力敏感因素的影响，过多的考虑了裂缝的导流能力对产能的影响，而忽视了基质供气作用对产能的贡献所扮演的重要角色。本发明人在研究过程中发现，基岩的供气能力远远小于裂缝的导流能力，因此页岩气井的产能主要是由基质的供气能力来决定，裂缝只是提供了页岩气的流动通道，能保证页岩气的正常流动即可。现阶段关于基岩供气能力的测试装置及测试方法研究处于空缺，导致对页岩气的开发认识具有一定的盲区。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明旨在提供一种裂缝动态导流能力、基岩供气能力的测试装置及方法，通过对页岩气开采过程进行合理的假设，测量应力条件下基岩的供气能力、裂缝的应力敏感以及裂缝的导流能力，通过对基岩供气能力的测试结果分析基质供气能力与裂缝导流能力的匹配关系。
5.本发明的技术方案如下：
6.一方面，提供一种裂缝动态导流能力、基岩供气能力的测试装置，包括岩心夹持器、供气装置、供液装置、回压装置、以及流量检测装置；
7.所述岩心夹持器包括容纳方形岩心的方形壳体、与所述方形壳体的左右两端相连的左端盖和右端盖；所述左端盖与所述方形岩心的左端面之间设有左堵头，所述左堵头的左端贯穿所述左端盖的中心，所述左堵头的右端与所述方形岩心的左端面抵接且大小完全覆盖所述方形岩心的左端面；所述右端盖与所述方形岩心的右端面之间设有右堵头，所述右堵头的右端贯穿所述右端盖的中心，所述右堵头的左端与所述方形岩心的右端面抵接且大小完全覆盖所述方形岩心的右端面；所述方形壳体的上壁设有上开口一，所述方形壳体的上壁外表面设有覆盖所述上开口一的上钢板，所述上钢板上设有上开口二，所述上钢板的外表面设有覆盖所述上开口二的上堵头；所述方形壳体的下壁设有与所述上开口一对称的下开口一，所述方形壳体的下壁外表面设有覆盖所述下开口一的下钢板，所述下钢板上设有与所述上开口二对称的下开口二，所述下钢板的外表面设有覆盖所述下开口二的下堵头；所述左堵头、右堵头、上堵头、下堵头的中心均设有贯穿各堵头中轴线的流体主通道；所
述方形岩心的上端面和所述方形岩心的下端面设有与所述方形岩心上下端面匹配的不渗透隔板或渗透隔板一，所述不渗透隔板或渗透隔板一与所述方形壳体之间形成供气腔；所述方形壳体的前壁内表面和后壁内表面均设有与所述方形岩心前后侧壁匹配的凹槽，所述凹槽内设有与所述凹槽匹配的橡胶层，所述方形壳体的前壁和后壁上分别设有与所述凹槽相连通的围压加压孔；
8.所述供气装置包括相连的高压加压泵和高压供气箱，所述高压供气箱的输出端通过管线一与左堵头流体主通道的输入端相连，且所述管线一上依次设有压力调节阀一、压力传感器一、阀门一；所述高压供气箱的输出端通过管线二与上堵头流体主通道的输入端相连，且所述管线二上依次设有压力调节阀二、压力传感器二、阀门二；所述高压供气箱的输出端通过管线三与下堵头流体主通道的输入端相连，且所述管线三上依次设有压力调节阀三、压力传感器三、阀门三；
9.所述供液装置通过管线四与所述围压加压孔相连；所述回压装置包括回压增压泵，所述回压增压泵通过管线五与所述右堵头流体主通道的输出端相连，且所述管线五上依次设有回压阀、阀门四；所述流量检测装置通过管线六与回压阀和阀门四之间的管线四相连。
10.作为优选，所述上开口一的尺寸大于所述方形岩心左端面的尺寸，所述上开口二的尺寸小于所述方形岩心左端面的尺寸。
11.作为优选，所述上钢板与所述方形壳体上壁之间、所述下钢板与所述方形壳体下壁之间均设有橡胶垫片，所述上钢板和所述下钢板通过螺栓固定在所述方形壳体的外表面。
12.作为优选，所述管线三与所述管线二共用同一个压力调节阀，所述管线三通过三通阀一与压力调节阀二和压力传感器二之间的管线二相连。
13.作为优选，所述回压阀为三通阀二，所述管线六与所述三通阀二的其中一个接口相连。
14.作为优选，所述回压阀与所述流量检测装置之间还设有气体缓冲罐。
15.作为优选，所述左堵头、右堵头、上堵头、下堵头的内表面均设有与所述流体主通道相通的线性凹槽一。
16.作为优选，所述左堵头和所述右堵头的内表面还均设有与所述线性凹槽一相通的环形凹槽；所述上堵头和所述下堵头的内表面还均设有与所述线性凹槽一相通的线性凹槽二。
17.作为优选，所述左堵头、右堵头、上堵头、下堵头与所述方形壳体之间均设有密封圈。
18.作为优选，所述左堵头与所述方形岩心左端面之间、所述右堵头与所述方形岩心右端面之间均设有与渗透隔板二，所述渗透隔板二的大小与所述左堵头的右端面或所述右堵头的左端面相匹配。
19.作为优选，所述渗透隔板二的左右端面涂有凡士林。
20.另一方面，还提供一种裂缝动态导流能力的测试方法，采用上述任意一项所述的测试装置进行测试，且所述测试装置中方形岩心的上端面和下端面的隔板为不渗透隔板，所述裂缝动态导流能力包括裂缝导流能力及应力敏感，包括以下步骤：
21.将待测方形岩心装入所述岩心夹持器中，进行裂缝导流能力及应力敏感测试，具体的：
22.通过供气装置、管线二、管线三向所述供气腔内注入加压介质，使压力升高至预设压力值一作为轴向应力；同时，通过供液装置、管线四向方形壳体前壁内表面与橡胶层之间、后壁内表面与橡胶层之间注入水或液压油，使压力升高至预设压力值二作为围压；
23.通过供气装置、管线一向所述左堵头的流体主通道注入气体并记录注入气体压力，打开阀门四，待所述流量检测装置检测到有流量时，稳定20
‑
40min，然后通过所述流量检测装置测量出口流量并记录；
24.根据实验记录参数计算裂缝渗透率，并根据所述裂缝渗透率计算应力敏感指数与裂缝导流能力，根据所述应力敏感指数评价裂缝的应力敏感性能。
25.作为优选，所述裂缝渗透率的计算方法为：
[0026][0027]
式中：k
f
为裂缝渗透率，μm2；q0为通过岩心的流量，cm3/s；p0为大气压，mpa；μ为气体粘度，mpa
·
s；l为岩心长度，cm；a为岩心端面面积，cm2；p1为入口段压力，mpa；
[0028]
所述应力敏感指数的计算方法为：
[0029][0030]
式中：si为应力敏感指数，无因次；k
i
为原始地层条件下渗透率，μm2；
[0031]
所述裂缝导流能力的计算方法为：
[0032]
c
f
＝k
f
w
f
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0033]
式中：c
f
为裂缝导流能力，μm2·
cm；w
f
为裂缝宽度，cm。
[0034]
作为优选，根据所述应力敏感指数评价裂缝应力敏感性能的标准为：当si≤5时，损害程度为无；当5＜si≤30时，损害程度为弱；当30＜si≤50时，损害程度为中等偏弱；当50＜si≤70时，损害程度为中等偏强；当70＜si≤90时，损害程度为强；当si＞90时，损害程度为极强。
[0035]
另一方面，还提供一种基岩供气能力的测试方法，采用上述任意一项所述的测试装置进行测试，且所述测试装置中方形岩心的上端面和下端面的隔板为渗透隔板一，包括以下步骤：
[0036]
将待测方形岩心装入所述岩心夹持器中，进行基岩供气能力测试，具体的：
[0037]
通过供液装置、管线四向方形壳体前壁内表面与橡胶层之间、后壁内表面与橡胶层之间注入水或液压油，使压力升高至预设压力值三作为围压；
[0038]
通过供气装置、管线二、管线三向所述供气腔内注入气体，并逐渐升高供气压力，打开阀门四，当流量检测装置检测到流量时，打开回压阀，通过回压增压泵提高回压；每次升高供气压力稳定20
‑
40min，记录该供气压力下的回压及出口流量，计算不同供气压力下基岩供气能力；供气压力升高过程中，所述预设压力值三大于所述供气压力3
‑
5mpa。
[0039]
作为优选，所述基岩供气能力的计算方法为：
[0040][0041]
式中：q
mf
为基质向裂缝的供气能力，m3/d；t
a
为标准状态下温度，k；z为气体偏差系数，无量纲；pa为标况下压力，mpa；t
f
为气层温度，k；k
m
为基质渗透率，10
‑3μm2；a
mf
基质向裂缝供气面积，m2；p
e
为供气压力，mpa；p
w
为回压，mpa；μ为气体粘度，mpa
·
s；l为裂缝长度，m。
[0042]
本发明的有益效果是：
[0043]
本发明的实验装置可以在同一条件下同时测得待测方形岩心的应力敏感及裂缝导流能力，还可以用于测试基岩的供气能力；装置中方岩心夹持器的方形壳体前后内表面设有橡胶层，能够有效避免供气腔内的气体窜流而影响实验评价结果；设置有四个堵头，其中上堵头和下堵头可在设置不渗透隔板时加载轴向应力，进行裂缝的应力敏感及裂缝导流能力的测试，也可在设置渗透隔板一时，利用渗透隔板一与钢板之间形成的供气腔提供供气通道，进行基岩供气能力的测试，通过该测试能够获得基岩供气能力与裂缝导流能力的匹配关系，为页岩气的开发过程中产能评价提供实验支撑。
附图说明
[0044]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0045]
图1为本发明装置的结构示意图；
[0046]
图2为本发明装置岩心夹持器的结构示意图；
[0047]
图3为本发明装置岩心夹持器左堵头右端面的结构示意图；
[0048]
图4为本发明装置岩心夹持器上堵头下端面的结构示意图；
[0049]
图5为本发明装置岩心夹持器的俯视结构示意图；
[0050]
图6为一个实施例裂缝导流能力与基岩供气能力随应力变化的示意图。
[0051]
图中标号：1
‑
岩心夹持器、101
‑
方形岩心、102
‑
方形壳体、103
‑
左端盖、104
‑
右端盖、105
‑
左堵头、106
‑
右堵头、107
‑
上开口一、108
‑
上钢板、109
‑
上堵头、110
‑
下开口一、111
‑
下钢板、112
‑
下堵头、113
‑
流体主通道、114
‑
供气腔、115
‑
限位槽、116
‑
线性凹槽一、117
‑
环形凹槽、118
‑
线性凹槽二、119
‑
密封圈、2
‑
流量检测装置、3
‑
高压加压泵、4
‑
高压供气箱、5
‑
压力调节阀一、6
‑
压力传感器一或压力表一、7
‑
阀门一、8
‑
压力调节阀二、9
‑
压力传感器二或压力表二、10
‑
阀门二、11
‑
压力传感器三或压力表三、12
‑
阀门三、13
‑
回压增压泵、14
‑
回压阀、15
‑
阀门四、16
‑
气体缓冲罐。
具体实施方式
[0052]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0053]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。
[0054]
需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0055]
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语；使用的术语中“上”、“下”、“左”、“右”等通常是针对附图所示的方向而言，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言；同样地，为便于理解和描述，“内”、“外”等是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。但上述方位词并不用于限制本发明。
[0056]
如图1
‑
5所示，一方面，本发明提供一种裂缝动态导流能力、基岩供气能力的测试装置，包括岩心夹持器1、供气装置、供液装置、回压装置、以及流量检测装置2；
[0057]
所述岩心夹持器1包括容纳方形岩心101的方形壳体102、与所述方形壳体102的左右两端相连的左端盖103和右端盖104；所述左端盖103与所述方形岩心101的左端面之间设有左堵头105，所述左堵头105的左端贯穿所述左端盖103的中心，所述左堵头105的右端与所述方形岩心101的左端面抵接且大小完全覆盖所述方形岩心101的左端面；所述右端盖104与所述方形岩心101的右端面之间设有右堵头106，所述右堵头106的右端贯穿所述右端盖104的中心，所述右堵头106的左端与所述方形岩心101的右端面抵接且大小完全覆盖所述方形岩心101的右端面；所述方形壳体102的上壁设有上开口一107，所述方形壳体102的上壁外表面设有覆盖所述上开口一107的上钢板108，所述上钢板108上设有上开口二(图中未示出)，所述上钢板108的外表面设有覆盖所述上开口二的上堵头109；所述方形壳体102的下壁设有与所述上开口一107对称的下开口一110，所述方形壳体102的下壁外表面设有覆盖所述下开口一110的下钢板111，所述下钢板111上设有与所述上开口二对称的下开口二(图中未示出)，所述下钢板111的外表面设有覆盖所述下开口二的下堵头112；所述左堵头105、右堵头106、上堵头109、下堵头112的中心均设有贯穿各堵头中轴线的流体主通道113；所述方形岩心101的上端面和所述方形岩心101的下端面设有与所述方形岩心101上下端面匹配的不渗透隔板或渗透隔板一(图中未示出)，所述不渗透隔板或渗透隔板一与所述方形壳体102之间形成供气腔114；所述方形壳体102的前壁内表面和后壁内表面均设有与所述方形岩心前后侧壁匹配的凹槽(图中未示出)，所述凹槽内设有与所述凹槽匹配的橡胶层(图中未示出)，所述方形壳体102的前壁和后壁上分别设有与所述凹槽相连通的围压加压孔(图中未示出)；
[0058]
所述供气装置包括相连的高压加压泵3和高压供气箱4，所述高压供气箱4的输出端通过管线一与左堵头105流体主通道的输入端相连，且所述管线一上依次设有压力调节阀一5、压力传感器一或压力表一6、阀门一7；所述高压供气箱4的输出端通过管线二与上堵头109流体主通道的输入端相连，且所述管线二上依次设有压力调节阀二8、压力传感器二或压力表二9、阀门二10；所述高压供气箱4的输出端通过管线三与下堵头112流体主通道的输入端相连，且所述管线三上依次设有压力调节阀三、压力传感器三或压力表三11、阀门三12；
[0059]
所述供液装置通过管线四与所述围压加压孔相连；所述回压装置包括回压增压泵13，所述回压增压泵13通过管线五与所述右堵头106流体主通道的输出端相连，且所述管线五上依次设有回压阀14、阀门四15；所述流量检测装置2通过管线六与回压阀14和阀门四15之间的管线四相连。
[0060]
在一个具体的实施例中，所述方形岩心101的左右端面为正方形，所述左堵头105的右端面和所述右堵头106的左端面均为正方形，且面积比方形岩心101左右端面的面积
大，所述左堵头105的右端面和所述右堵头106的左端面设有与所述方形岩心101匹配的限位槽115，能够方便固定方形岩心101，并使方形岩心101上端面与方形壳体102之间的供气腔114与方形岩心101下端面与方形壳体102之间的供气腔114大小相同。
[0061]
在一个具体的实施例中，所述上开口一110的尺寸大于所述方形岩心101左端面的尺寸，所述上开口二的尺寸小于所述方形岩心101左端面的尺寸。
[0062]
为了提高密封性能，可选地，所述上钢板108与所述方形壳体102上壁之间、所述下钢板111与所述方形壳体102下壁之间均设有橡胶垫片(图中未示出)，所述上钢板108和所述下钢板111通过螺栓固定在所述方形壳体102的外表面。
[0063]
在一个具体的实施例中，所述管线三与所述管线二共用同一个压力调节阀，所述管线三通过三通阀一与压力调节阀二8和压力传感器二或压力表二9之间的管线二相连。所述回压阀14为三通阀二，所述管线六与所述三通阀二的其中一个接口相连。所述回压阀14与所述流量检测装置2之间还设有气体缓冲罐16。
[0064]
为了增加流体注入时与方形岩心的接触面积，分散气流，可选地，所述左堵头105和所述右堵头106的内表面均设有与所述流体主通道113相通的线性凹槽一116；所述左堵头105和所述右堵头106的内表面还均设有与所述线性凹槽一116相通的环形凹槽117。为了分散气流，降低供气腔的压力波动，可选地，所述上堵头109和所述下堵头112的内表面也均设有与所述流体主通道113相通的线性凹槽一116；所述上堵头109和所述下堵头112的内表面还均设有与所述线性凹槽一116相通的线性凹槽二118。
[0065]
可选地，所述左堵头105与所述方形岩心101左端面之间、所述右堵头106与所述方形岩心101右端面之间均设有与渗透隔板二(图中未示出)，所述渗透隔板二的大小与所述左堵头105的右端面或所述右堵头106的左端面相匹配。可选地，所述渗透隔板二的左右端面涂有凡士林。
[0066]
在一个具体的实施例中，所述左堵头105、右堵头106、上堵头109、下堵头112与所述方形壳体102之间均设有密封圈119。
[0067]
需要说明的是，上述提及的流量检测装置、压力传感器或压力表、高压加压泵、高压供气箱、压力调节阀一、回压增压泵等均为现有技术，具体结构在此不再赘述。
[0068]
另一方面，本发明还提供一种裂缝动态导流能力的测试方法，采用上述任意一项所述的装置进行测量，且所述装置中方形岩心101的上端面和下端面的隔板为不渗透隔板，所述裂缝动态导流能力包括裂缝导流能力及应力敏感，包括以下步骤：
[0069]
将待测方形岩心101装入所述岩心夹持器1中，进行裂缝导流能力及应力敏感测试，具体的：
[0070]
通过供气装置、管线二、管线三向所述供气腔114内注入加压介质，使压力升高至预设压力值一作为轴向应力；同时，通过供液装置、管线四向方形壳体102前壁内表面与橡胶层之间、后壁内表面与橡胶层之间注入水或液压油，使压力升高至预设压力值二作为围压；
[0071]
通过供气装置、管线一向所述左堵头105的流体主通道注入气体并记录注入气体压力，打开阀门四15，待所述流量检测装置2检测到有流量时，稳定20
‑
40min，然后通过所述流量检测装置2测量出口流量并记录；
[0072]
根据实验记录参数计算裂缝渗透率，所述裂缝渗透率的计算方法为：
[0073][0074]
式中：k
f
为裂缝渗透率，μm2；q0为通过岩心的流量，cm3/s；p0为大气压，mpa；μ为气体粘度，mpa
·
s；l为岩心长度，cm；a为岩心端面面积，cm2；p1为入口段压力，mpa；
[0075]
根据所述裂缝渗透率计算应力敏感指数与裂缝导流能力，所述应力敏感指数的计算方法为：
[0076][0077]
式中：si为应力敏感指数，无因次；k
i
为原始地层条件下渗透率，μm2；
[0078]
所述裂缝导流能力的计算方法为：
[0079]
c
f
＝k
f
w
f
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0080]
式中：c
f
为裂缝导流能力，μm2·
cm；w
f
为裂缝宽度，cm；
[0081]
根据所述应力敏感指数评价裂缝的应力敏感性能，评价标准为：当si≤5时，损害程度为无；当5＜si≤30时，损害程度为弱；当30＜si≤50时，损害程度为中等偏弱；当50＜si≤70时，损害程度为中等偏强；当70＜si≤90时，损害程度为强；当si＞90时，损害程度为极强。
[0082]
在一个具体的实施例中，所述预设压力值一与所述预设压力值二相差0
‑
1mpa。
[0083]
另一方面，本发明还提供一种基岩供气能力的测试方法，采用上述任意一项所述的装置进行测量，且所述装置中方形岩心101的上端面和下端面的隔板为渗透隔板一，包括以下步骤：
[0084]
将待测方形岩心101装入所述岩心夹持器1中，进行基岩供气能力测试，具体的：
[0085]
通过供液装置、管线四向方形壳体102前壁内表面与橡胶层之间、后壁内表面与橡胶层之间注入水或液压油，使压力升高至预设压力值三作为围压；
[0086]
通过供气装置、管线二、管线三向所述供气腔114内注入气体，并逐渐升高供气压力，打开阀门四15，当流量检测装置2检测到流量时，打开回压阀14，通过回压增压泵13提高回压；每次升高供气压力稳定20
‑
40min，记录该供气压力下的回压及出口流量，计算不同供气压力下基岩供气能力，所述基岩供气能力的计算方法为：
[0087][0088]
式中：q
mf
为基质向裂缝的供气能力，m3/d；t
a
为标准状态下温度，k；z为气体偏差系数，无量纲；pa为标况下压力，mpa；t
f
为气层温度，k；k
m
为基质渗透率，10
‑3μm2；a
mf
基质向裂缝供气面积，m2；p
e
为供气压力，mpa；p
w
为回压，mpa；μ为气体粘度，mpa
·
s；l为裂缝长度，m。
[0089]
供气压力升高过程中，所述预设压力值三大于所述供气压力3
‑
5mpa，如此能够防止供气腔中的气体通过岩心与橡皮层接触面进入裂缝而影响实验评价结果。
[0090]
使用本发明的同时测量裂缝导流能力及应力敏感的方法可以获得不同应力下的裂缝导流能力；使用本发明的测量基岩供气能力的方法可以获得不同应力下的基岩供气能力；然后可将不同应力条件下的裂缝导流能力与基岩供气能力绘制在同一坐标系下，根据能力随应力变化曲线图(如图6所示)，可以找到匹配点p0(即随应力变化的基质供气能力发
生转折的点所对应的裂缝的导流能力值)。当应力小于所述匹配点时，裂缝的导流能力不会对页岩气井的产能造成影响，这个过程中决定页岩气井产能的主要是基岩的供气能力而不是裂缝的导流能力。此点所对应的裂缝渗透率即为不对产能造成影响的最小裂缝渗透率。
[0091]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。