一种含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置及方法
【专利摘要】一种含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置及方法，属于岩石工程和非常规天然气工程领域，包括三轴压力室、偏压加载系统、静水压力加载系统、上端流体系统、下端流体系统、抽真空系统、恒温系统和数据控制采集系统；本发明测试方法，以位移传感器代替应变片，解决应变片导线引起的油、气泄露问题；在试样上、中、下三个部位分别布置环向位移传感器，以监测试样不同部位的裂隙发育情况，利用轴向位移传感器，监测整个试样的变形；根据含气页岩试样破裂过程中裂隙演化与渗流特征的参考标准和含气页岩试样破裂过程整体裂隙演化的参考标准，分析含气页岩试样破裂过程中裂隙演化状态，并对含气页岩试样破裂过程中整体裂隙的变化趋势加以判断。
【专利说明】一种含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于岩石工程和非常规天然气工程领域，主要涉及一种含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置及方法。
【背景技术】
[0002]含气页岩储层非常致密，依靠储层自然降压开采产量低、衰减快，要达到商业开发的目的，必须利用压裂技术增加产量。含气页岩粘土含量高，采用高压水进行压裂，会使得含气页岩中粘土吸水膨胀，水分子包裹粘土颗粒，导致被水包裹的粘土颗粒内气体难以解吸和运移，致使增产效果不佳。采用气体压裂则不存在上述问题，气体粘度小，且二氧化碳等气体的吸附性大于甲烷气体，至裂后还可以利用其竞争吸附的性能使吸附态甲烷分子变为游离态，进一步增加含气页岩产气量，气体压裂成为页岩气开发中的一项关键增产技术。
[0003]含气页岩气体压裂技术中，增产的关键问题在于破坏过程中含气页岩裂隙的发育、扩展和贯通程度，及其对含气页岩渗透性能的影响。目前利用已有设备进行的含气页岩破裂过程裂隙演化规律测试，均在测试结束后利用扫描电镜等设备进行裂隙观察和统计，这种测试方法不能监测含气页岩破裂过程中裂隙的动态发育和扩展规律。CT可以实现含气页岩破裂过程中裂隙发育的动态监测，但是无法为测试提供注气条件。
[0004]压裂的主要目的是提高含气页岩储层渗透性能、以增加产气量，研究气体压裂不仅需要监测含气页岩的破裂演化过程，更需要测试裂隙演化过程中的气体流量和渗透性能变化。目前，含气页岩破裂过程中渗透性能的测试多采用MTS展开，具体方法为:加载试样外部偏压，达到指定值后保持偏压不变，利用瞬态法进行该级偏压下的含气页岩渗透性能。现有测试方法存在以下几点问题:(I)采用的流体为蒸馏水，而实际储层中的渗透介质为气体，研究气体压裂过程中的渗透性能必须利用气体作为渗透介质；(2)只能用渗透性能反映不同偏压下含气页岩裂隙最终的扩展情况，无法实时反映含气页岩在偏应力下的裂隙动态演化；(3)因采用的渗透性能测试方法为瞬态法，不能反应含气页岩破裂过程中流量变化。
[0005]中国含气页岩储层埋深500-3500m，含气页岩和储存于其中的气体分子均处于一定的温度环境中，测试中需考虑不同温度对含气页岩破裂和气体渗流的影响。目前对岩石破裂过程渗透性能变化的测试只对试样加温，未对测试气体加温，不符合工程实际。原有高、中渗透岩石多采用流量计人工记录岩石破裂过程中的流量，误差大，且难以及时记录，无法获取实时动态的完整流量信息。致密含气页岩测试过程中流量小至10_2ml/min，温度的影响不可忽略，流量计测定流量无法提供收集气体的恒温环境，测试误差大，含气页岩致密流量测定必须提供满足一定精度的恒温环境。
[0006]含气页岩由于埋深大，致使井筒内存在很高一段气柱，井底气体压力不为零；同时，压裂后，裂隙通道存在一定气体压力，基质向裂隙的气体流动是在一定背压下进行的。现有测试中，流量收集端均连入大气，导致偏离了工程实际。
[0007]由于沉积成岩过程、地质改造、地应力、压裂改造等综合作用，使得含气页岩存在非均质各向异性的特征，测试过程中试样不同部位裂隙发育不同，必须对试样多部位进行变形特征监测，而现有的测试装置和方法均只对试样中部变形进行监测，不足以代表试样整体变形。现有的变形测试多采用应变片进行，应变片导线常引起漏油、漏气问题，导致测试不准确。
[0008]本发明含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置和方法中的关键技术难点为:
[0009]1.如何实时测试和表征含气页岩动态的裂隙发育特征。
[0010]2.如何提供背压、恒温的条件，准确实时测得破裂过程中流入和流出致密含气页岩的动态气体流量和渗透率变化。
[0011]3.如何解决测试过程中的漏油漏气问题。

【发明内容】

[0012]针对现有测试方法存在的不足，本发明的目的在于提供一种含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置及方法。
[0013]本发明含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置，包括三轴压力室、偏压加载系统、静水压力加载系统、上端流体系统、下端流体系统、抽真空系统、恒温系统和数据控制采集系统；
[0014]三轴压力室包括轴压室、围压室、轴向位移传感器、上部环向位移传感器、中部环向位移传感器、下部环向位移传感器和试样加温装置；轴压室设置在围压室之上，轴向位传感器竖直设置在围压室底部，分立两侧，上部环向位移传感器环绕在试样上部，中部环向位移传感器环绕在试样中部，下部环向位移传感器环绕在试样下部；试样加温装置设置在围压室内。
[0015]偏压加载系统设置在三轴压力室的轴压室内；
[0016]静水压力加载系统设置在三轴压力室的围压室内；
[0017]上端流体系统，包括高精度柱塞泵，上端流体系统通过三轴压力室围压室底部穿孔与试样上部相连通；
[0018]下端流体系统，包括高精度柱塞泵，下端流体系统通过三轴压力室围压室底部穿孔与试样下部相连通；
[0019]抽真空系统，分别与上端流体系统及下端流体系统相连通；
[0020]恒温系统，分别与上端流体系统的高精度柱塞泵及下端流体系统的高精度柱塞泵相连接；
[0021]数据控制采集系统，与三轴压力室的数据控制端、偏压加载系统数据控制端、静水压力加载系统数据控制端、上端流体系统数据控制和下端流体系统数据控制端相连接。
[0022]其中:
[0023]上端流体系统包括压力传感器、高精度柱塞泵、减压阀、高压气瓶和截止阀；高压气瓶与减压阀的一端相连通，减压阀的另一端与高精度柱塞泵的进气端相连通，高精度柱塞泵的出气端通过围压室底部穿孔与三轴压力室的试样上部相连通，在高压气瓶与减压阀之间、减压阀与高精度柱塞泵之间、高精度柱塞泵与三轴压力室的试样之间设置有截止阀，靠近三轴压力室的截止阀与三轴压力室的试样之间设置有压力传感器。
[0024]下端流体系统包括压力传感器、高精度柱塞泵、减压阀、高压气瓶和截止阀；高压气瓶与减压阀的一端相连通，减压阀的另一端与高精度柱塞泵的进气端相连通，高精度柱塞泵的出气端通过围压室底部穿孔与三轴压力室的试样下部相连通，在高压气瓶与减压阀之间、减压阀与高精度柱塞泵之间、高精度柱塞泵与三轴压力室的试样之间设置有截止阀，靠近三轴压力室的截止阀与三轴压力室的试样之间设置有压力传感器。
[0025]试样加温装置包括试样表面温度传感器、测压力室油温传感器和加热线圈；试样表面温度传感器紧贴试样放置，测压力室油温传感器竖直放置于围压室底部，加热线圈紧贴围压室的侧壁放置。
[0026]轴向位移传感器为压弹式移传感器，上部环向位移传感器、中部环向位移传感器和下部环向位移传感器均为链条式位移传感器。
[0027]偏压加载系统、静水压力加载系统、上端流体系统、下端流体系统、抽真空系统、恒温系统和数据控制采集系统的管路为不锈钢耐压管线。偏压加载系统、静水压力加载系统、上端流体系统、下端流体系统、抽真空系统、恒温系统的不锈钢耐压管线外包裹保温夹套。偏压加载系统和静水压力加载系统均设置有压力传感器，压力传感器数据输出端与数据控制采集系统相连接。
[0028]本发明的含气页岩裂隙演化与渗流特征测试方法的是，以位移传感器代替应变片，解决应变片导线引起的油、气泄露问题。在试样上、中、下三个部位分别布置环向位移传感器，以监测试样不同部位的裂隙发育情况，利用轴向位移传感器，监测整个试样的变形。实时采集上端流体系统精度柱塞泵和下端流体系统精度柱塞泵泵内体积变化，根据含气页岩试样破裂过程中裂隙演化与渗流特征的参考，分析含气页岩试样破裂过程中裂隙演化状态，同时整体上利用含气页岩试样破裂过程整体裂隙演化的参考标准对含气页岩试样破裂过程中整体裂隙的变化趋势加以判断。
[0029]本发明测试方法中所采用的测试气体为氦气、氮气、甲烷或二氧化碳。
[0030]采用本发明的含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置，进行含气页岩裂隙演化与渗流特征测试的方法，包括以下步骤:
[0031]步骤1:将试样表面温度传感器紧贴含气页岩试样上固定，将轴向位移传感器固定于试样外部，上部环向位移传感器、中部环向位移传感器、下部环向位移传感器环绕试样的上、中、下部固定；
[0032]步骤2:利用偏压加载系统，将三轴压力室的轴压室充满油；利用静水压力加载系统，将三轴压力室的围压室充满油；
[0033]步骤3:利用抽真空系统将含气页岩试样、上端流体系统和下端流体系统管阀内气体抽真空，达到所需真空状态时，关闭三轴压力室与上端流体系统的高精度柱塞泵之间靠近三轴压力室端的截止阀，关闭三轴压力室与下端流体系统的高精度柱塞泵之间靠近三轴压力室端的截止阀；
[0034]利用上端流体系统将上端流体系统的高精度柱塞泵在压力P1下充满测试气体，利用下端流体系统将下端流体系统的高精度柱塞泵在压力P2下充满测试气体，P2 > P1，运行上端流体系统的闻精度柱塞栗和下端流体系统的闻精度柱塞栗；
[0035]步骤4:利用三轴压力室的试样加温装置对试样加温，使试样达到恒定温度T1，待轴向位移传感器数值、上部环向位移传感器数值、中部环向位移传感器数值和下部环向位移传感器的数值不再变化时，读取此时的轴向位移传感器数值HshalH、上部环向传感器数值L—n、中部环向传感器数值Lshale;+b和下部环向传感器数值LshaleH ；
[0036]步骤5:利用恒温系统使上端流体系统的高精度柱塞泵和下端流体系统的高精度柱塞泵的泵内气体达到恒定温度T1，气体温度恒定的标准为上端流体系统的高精度柱塞泵和下端流体系统的高精度柱塞泵泵内气体的体积和压力稳定不再变化，此刻记为时间
[0037]从tQ时刻，同时进行以下①至③操作:
[0038]①.开始持续采集轴向位移传感器数值Hshale_1、上部环向传感器数值Lshale+a、中部环向传感器数值Lshale+b、下部环向传感器数值Lshale+。；并利用以下公式将轴向位移传感器数值、上部环向传感器数值、中部环向传感器数值和下部环向传感器数值转化为轴向应变axial-shale上部环向应变circle-shale-a、中部环向应变 circle-shale-b和下部环向应变
^ circle-shale-c.
【权利要求】
1.一种含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置，其特征在于，所述的测试装置包括三轴压力室、偏压加载系统、静水压力加载系统、上端流体系统、下端流体系统、抽真空系统、恒温系统和数据控制采集系统； 所述的三轴压力室包括轴压室、围压室、轴向位移传感器、上部环向位移传感器、中部环向位移传感器、下部环向位移传感器和试样加温装置；轴压室设置在围压室之上，轴向位传感器竖直设置在围压室底部，分立两侧，上部环向位移传感器环绕在试样上部，中部环向位移传感器环绕在试样中部，下部环向位移传感器环绕在试样下部；试样加温装置设置在围压室内。 所述的偏压加载系统设置在三轴压力室的轴压室内； 所述的静水压力加载系统设置在三轴压力室的围压室内； 所述的上端流体系统，包括高精度柱塞泵，上端流体系统通过三轴压力室围压室底部穿孔与试样上部相连通； 所述的下端流体系统，包括高精度柱塞泵，下端流体系统通过三轴压力室围压室底部穿孔与试样下部相连通； 所述的抽真空系统，分别与上端流体系统及下端流体系统相连通； 所述的恒温系统，分别与上端流体系统的高精度柱塞泵及下端流体系统的高精度柱塞泵相连接； 所述的数据控制采集系统，与三轴压力室的数据控制端、偏压加载系统数据控制端、静水压力加载系统数据控制端、上端流体系统数据控制和下端流体系统数据控制端相连接。
2.如权利要求1所述的含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置，其特征在于，所述的上端流体系统包括压力传感器、高精度柱塞泵、减压阀、高压气瓶和截止阀；高压气瓶与减压阀的一端相连通，减压阀的另一端与高精度柱塞泵的进气端相连通，高精度柱塞泵的出气端通过围压室底部穿孔与三轴压力室的试样上部相连通，在高压气瓶与减压阀之间、减压阀与高精度柱塞泵之间、高精度柱塞泵与三轴压力室的试样之间设置有截止阀，靠近三轴压力室的截止阀与三轴压力室的试样之间设置有压力传感器。
3.如权利要求1所述的含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置，其特征在于，所述的下端流体系统包括压力传感器、高精度柱塞泵、减压阀、高压气瓶和截止阀；高压气瓶与减压阀的一端相连通，减压阀的另一端与高精度柱塞泵的进气端相连通，高精度柱塞泵的出气端通过围压室底部穿孔与三轴压力室的试样下部相连通，在高压气瓶与减压阀之间、减压阀与高精度柱塞泵之间、高精度柱塞泵与三轴压力室的试样之间设置有截止阀，靠近三轴压力室的截止阀与三轴压力室的试样之间设置有压力传感器。
4.如权利要求1所述的含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置，其特征在于，所述的试样加温装置包括试样表面温度传感器、测压力室油温传感器和加热线圈；试样表面温度传感器紧贴试样放置，测压力室油温传感器竖直放置于围压室底部，加热线圈紧贴围压室的侧壁放置。
5.如权利要求1所述的含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置，其特征在于，所述的轴向位移传感器为压弹式移传感器，上部环向位移传感器、中部环向位移传感器和下部环向位移传感器均为链条式位移传感器。
6.如权利要求1所述的含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置，其特征在于，所述的偏压加载系统、静水压力加载系统、上端流体系统、下端流体系统、抽真空系统、恒温系统和数据控制采集系统的管路为不锈钢耐压管线。
7.如权利要求6所述的含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置，其特征在于，所述的偏压加载系统、静水压力加载系统、上端流体系统、下端流体系统、抽真空系统、恒温系统的不锈钢耐压管线外包裹保温夹套。
8.如权利要求1所述的含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置，其特征在于，所述的偏压加载系统和静水压力加载系统均设置有压力传感器，压力传感器数据输出端与数据控制采集系 统相连接。
9.采用权利要求1所述的含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置，进行含气页岩裂隙演化与渗流特征测试的方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1:将试样表面温度传感器紧贴含气页岩试样上固定，将轴向位移传感器固定于试样外部，上部环向位移传感器、中部环向位移传感器、下部环向位移传感器分别环绕试样的上、中、下部固定； 步骤2:利用偏压加载系统，将三轴压力室的轴压室充满油；利用静水压力加载系统，将三轴压力室的围压室充满油； 步骤3:利用抽真空系统将含气页岩试样、上端流体系统和下端流体系统管阀内气体抽真空，达到所需真空状态时，关闭三轴压力室与上端流体系统的高精度柱塞泵之间靠近三轴压力室端的截止阀，关闭三轴压力室与下端流体系统的高精度柱塞泵之间靠近三轴压力室端的截止阀； 利用上端流体系统将上端流体系统的高精度柱塞泵在压力P1下充满测试气体，利用下端流体系统将下端流体系统的高精度柱塞泵在压力P2下充满测试气体，P2 > P1,运行上端流体系统的闻精度柱塞栗和下端流体系统的闻精度柱塞栗； 步骤4:利用三轴压力室的试样加温装置对试样加温，使试样达到恒定温度T1，待轴向位移传感器数值、上部环向位移传感器数值、中部环向位移传感器数值和下部环向位移传感器的数值不再变化时，读取此时的轴向位移传感器数值Hshale-P上部环向传感器数值L—n、中部环向传感器数值Lshale;+b和下部环向传感器数值LshaleH ； 步骤5:利用恒温系统使上端流体系统的高精度柱塞泵和下端流体系统的高精度柱塞泵的泵内气体达到恒定温度T1，气体温度恒定的标准为上端流体系统的高精度柱塞泵和下端流体系统的高精度柱塞泵泵内气体的体积和压力稳定不再变化，此刻记为时间h ； 从h时刻，同时进行以下①至③操作: ①.开始持续采集轴向位移传感器数值Hshale_1、上部环向传感器数值Lshale+a、中部环向传感器数值Lshale+b、下部环向传感器数值Lshale+。；并利用以下公式将轴向位移传感器数值、上部环向传感器数值、中部环向传感器数值和下部环向传感器数值转化为轴向应变
^ axial-shale、
上部环向应变


^ circle-shale-a、
中部环向应变





^ circle-shale-b和下部环向应变^ circle-shale-c.^"axial-shale _，其中，Hshale为含气页岩试样高度；

-tlShale
10.如权利要求9所述的含气页岩裂隙演化与渗流特征测试的方法，其特征在于，所述的测试气体为氦气、氮气、甲烷或二氧化碳中的一种。
【文档编号】G01N7/00GK103983533SQ201410182105
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年4月30日 优先权日:2014年4月30日
【发明者】冯夏庭, 陈天宇, 张希巍, 李元辉, 杨成祥, 曹卫东 申请人:东北大学