页岩气井体积压裂后压裂液返排率的实验测试装置及方法

摘要

本发明公开了一种页岩气井体积压裂后压裂液返排率的实验测试装置及方法，该装置主要包括夹持器、压力机、恒温箱、恒速恒压泵、中间容器、恒速恒压泵出口阀、流体入口阀、流体出口阀、氮气瓶出口阀、氮气瓶、出口阀，测试方法主要包括步骤：1)岩样制备；2)页岩物性参数测试；3)测试参数计算；4)压裂液配制及压裂液密度测试；5)试验参数测试；6)页岩返排率计算；本发明综合考虑地层温度、地层应力、流体压力对页岩返排率的影响，并将影响因素因素定量化表征，能够反映页岩在真实地层条件下返排率的测试方法，为页岩返排制度优化提供理论依据。

说明书

技术领域

本发明涉及石油天然气开发领域，尤其是页岩水力压裂过程中一种页岩气井体积压裂后压裂液返排率的实验测试装置及方法。

背景技术

页岩气作为非常规油气资源的重要组成部分，由于其资源量的巨大以及能源的清洁特性得到了人们的广泛重视与开发。因其储层具有脆性高、渗透性差、天然微裂缝发育等特点，水平井大规模多段体积压裂技术，已成为页岩气等非常规油气藏经济有效开发的一种普遍采用的开发方式。在页岩气藏水力压裂的过程中，上万方的压裂液被注入到储层中，但是矿场统计的结果却表明压裂液的返排率极低且差异较大，大部分页岩气井返排率小于50％，同一页岩气藏，同一井组的不同气井在压裂后的返排率差异较大。和常规砂岩不同，页岩气井出现了低返排率，高产量的现象，由此可见准确的预测页岩气井返排率对页岩气井产能尤为重要。但影响返排率的因素众多，包括储层物性、压裂施工、生产动态等参数，且不同因素有干扰，使得页岩气井压后返排率预测十分困难。研究表明，页岩地层温度、地层应力、流体压力等都对返排率有影响，但目前的研究并未同时考虑这些因素。因此定量的表征真实地层条件页岩气井压后返排率，对页岩气井返排制度优化和提高单井产能具有重要的指导作用。目前页岩气井返排率预测方法主要有数值模拟方法和实验方法，具体内容如下：

(1)张涛等(张涛,李相方,杨立峰.关井时机对页岩气井返排率和产能的影响[J].天然气工艺,2017,37(8):48-59)该方法根据页岩气井的实际生产数据，建立典型的油藏数值模型，研究不同生产制度对页岩气井返排率和产能的影响。该方法有效的考虑了流体压力等因素，但没有考虑地层温度，同时模型简化因素较多。

(2)王飞等(王飞,潘子晴.化学势差驱动下的页岩储层压裂液返排数值模拟[J].石油勘探与开发,2016,43(6):971-977)该方法建立了考虑黏性力、毛细管力及渗透压的基质和裂缝气水两相流动数学模型，模拟了化学势差驱动下的压裂液返排动态，对页岩气井压后返排率进行了预测和影响因素分析。该方法考虑了流体压力等因素，但数值求解假设条件较多，模拟结果误差较大，同时没有考虑地层温度等因素对页岩返排率的影响。

(3)康毅力等(康毅力,张晓怡,游利军.页岩气藏自然返排缓解水相圈闭损害实验研究[J].天然气地球科学,2017,28(6):819-826)该方法采用实验的手段，利用川东龙马溪组页岩样品，在岩心柱尺度上实验模拟增产改造时压裂液自吸和返排过程，讨论了孔隙结构、裂缝发育情况、返排压差及时间影响自吸—返排效果的机理。该方法利用返排装置考虑了驱替压差和地层围压对返排率的影响，但该实验返排是在自发渗吸之后开展岩样返排，而没有模拟页岩真实的自吸和返排的动态过程，同时地层温度也没有考虑。

上述3种方法都没有综合考虑地层温度、地层应力、流体压力等因素对页岩返排率的影响，目前尚无方法同时考虑这些因素并定量化表征，因此有必要研究页岩在真实地层条件下返排率的测试方法，为页岩返排制度优化提供理论依据。

发明内容

本发明的目的是综合考虑地层温度、地层应力、流体压力对页岩返排率的影响，并将影响因素因素定量化表征。

为达上述目的，本发明的一个实施例中提供了一种页岩气井体积压裂后压裂液返排率的实验测试装置，其特征在于，测试装置包括夹持器、压力机、恒温箱、恒速恒压泵、中间容器、恒速恒压泵出口阀、流体入口阀、流体出口阀、氮气瓶出口阀、氮气瓶、出口阀，其中夹持器包括上下盖板、前盖板、后盖板、侧盖板、流体注入口、流体出口、导流槽、密封胶圈，其中所述前盖板及后盖板与岩样得接触面上设有导流槽，盖板边沿设有密封胶圈，前盖板及后盖板上分别设有流体注入口及流体出口，实验时将岩样放置于恒温箱中并利用压力机通过夹持器向岩样加载三向应力。

本发明的一个实施例中提供了一种页岩气井体积压裂后压裂液返排率的实验测试方法，具体包括以下步骤：

1)岩样制备：将页岩储层段的井下岩心或同层位露头岩石制成边长为7cm±1mm的立方体岩样，并放置100℃烘箱内干燥至恒重，并称量干燥后岩样质量记为m₀；

2)页岩物性参数测试：利用孔隙度测定仪以氦气作为工作介质测试步骤1)中所述干燥后岩样的孔隙度；

3)实验参数确定：根据储层应力、地层温度、水力压裂施工参数确定实验加载条件，其中实验加载三向有效应力由表达式(1)～(3)确定，实验温度为岩样所在储层深度对应的温度，实验流体注入压力由表达式(4)确定，实验返排压差由矿场井实际返排压差确定；

σ'_z＝σ_z-αP_p(1)

σ'_H＝σ_H-αP_p(2)

σ'_h＝σ_h-αP_p(3)

P_inj＝P_ISI-P_p(4)

式中：σ'_z为垂向有效应力，MPa；σ'_H为最大水平有效主应力，MPa；σ'_h为最小水平有效主应力，MPa；σ_z为垂向应力，MPa；σ_H为最大水平主应力，MPa；σ_h为最小水平主应力，MPa；α为有效应力系数，小数；P_inj为实验注入压力，MPa；P_ISI为水力压裂后瞬时关井井底压力，MPa；P_P为地层孔隙压力，MPa；

4)根据施工现场的压裂液配方配置压裂液，测试压裂液密度，并将压裂液倒入恒速恒压泵的中间容器中；

5)将步骤2)中所述孔隙度测试后的页岩岩样放入页岩返排率实验测试装置的夹持器中，根据步骤3)中确定的实验加载应力利用压力机对岩样加载三向应力，并将岩样加热至步骤3)中确定的实验温度；

6)根据步骤3)中确定的注入压力设置恒速恒压泵的泵注压力，并利用恒速恒压泵通过中间容器向页岩返排率实验测试装置的夹持器平行层理入口端注入步骤4)配制的压裂液，同时通过控制电脑记录不同时间所对应的注入液量，每隔10分钟记录一次，每个时间节点对应的累计流量为页岩在该时间点的渗吸量，测试时间以为3天，即可得到渗吸时间段对应累计的渗吸量，记为V_imb；

7)在步骤6)的基础之上，设定返排压差，拆除页岩返排率实验测试装置的夹持器入口端管线，利用氮气瓶向夹持器出口端反向注入氮气，反向驱替时间以3天为例，并取出称重记为m₁；

8)页岩返排率计算：根据步骤6)页岩渗吸阶段渗吸量随时间的变化曲线，渗吸后累计的流量即为渗吸量V_imb；在页岩返排阶段，页岩返排后质量m₁与实验测试前干燥岩样质量m₀之差与压裂液密度的比值即为在该实验条件下压裂液在页岩中的滞留量，由表示式(5)计算；压裂液在地层条件下实验测试的返排率，由表示式(6)计算，进一步可以得到压裂液在页岩单位孔隙体积的返排率E，由表达式(7)计算；

式中：V_f为返排阶段压裂液在页岩中的滞留量，cm³；V_imb为渗吸阶段对应的累计渗吸量，cm³；m₀为实验前干燥岩样的重量，g；m₁为返排实验后岩样的重量，g；ρ为实验压裂液的密度，g/cm³；为干燥后页岩孔隙度，％；A_c为渗吸截面积，cm²；L为岩样长度，cm；F为压裂液在地层条件下实验测试的返排率，％；E为压裂液在页岩单位孔隙体积的返排率，1/cm³。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明创新的提出了一种考虑地层三向应力、地层温度、注入压力、返向驱替压力多种影响因素下的页岩气井体积压裂后压裂液返排率的实验测试方法，可以对返排率定量化表征，同时实验样品为页岩气井真实岩样，实验结果真实可靠，对认识地层真实条件下页岩返排规律和页岩气井返排制度优化有很好的指导作用。

附图说明

图1为本发明页岩立方体岩样示意图。

图2为本发明页岩返排率测试装置夹持器示意图。

图3为本发明页岩返排率测试装置示意图。

图4为本发明页岩累计渗吸量与时间的关系曲线图。

其中，岩样1、夹持器2、压力机3、恒温箱4、恒速恒压泵5、中间容器6、恒速恒压泵出口阀7、流体入口阀8、流体出口阀9、氮气瓶出口阀10、氮气瓶11、出口阀12；上下盖板2-1、前盖板2-2、后盖板2-3、侧盖板2-4、流体注入口2-5、流体出口2-6、导流槽2-7、密封胶圈2-8。

具体实施方式

本发明提供了一种页岩气井体积压裂后压裂液返排率的实验测试装置，其特征在于，测试装置包括夹持器2、压力机3、恒温箱4、恒速恒压泵5、中间容器6、恒速恒压泵出口阀7、流体入口阀8、流体出口阀9、氮气瓶出口阀10、氮气瓶11、出口阀12，其中夹持器包括上下盖板2-1、前盖板2-2、后盖板2-3、侧盖板2-4，其中前盖板2-2及后盖板2-3与岩样接触面上设有导流槽2-7，盖板边沿设有密封胶圈2-8，前盖板2-2及后盖板2-3上分别设有流体注入口2-5和流体出口2-6，实验时将岩样放置于恒温箱4中并利用压力机3通过夹持器2向岩样加载三向应力。

下面根据附图和实施例进一步说明本发明的方法。

实施例1

下面根据附图和四川地区一口井为实例详细描述本发明的具体实施方式。具体如下：

①、岩样制备：取自W1井2015～2060m储层段实际井下岩心，将岩心加工为边长成7cm±1mm的立方体岩样，并将岩样放置于100℃烘箱内干燥至恒重，并称取质量m₀为850.5g。

②、页岩物性参数测试：利用孔隙度测定仪以氦气作为工作介质测试步骤①中所述干燥后岩样1的孔隙度为7.31％。

③、W1井页岩储层温度75℃、地层孔隙压力42MPa，最大水平井主应力46MPa，最小水平主应力38MPa，垂向应力44MPa，瞬时停泵井底压力47MPa，有效应力系数为0.5。利用公式(1)～(3)可确定实验最大水平有效主应力25MPa，最小水平有效主应力17MPa，垂向有效应力为23MPa；利用公式(4)可确定实验注入流体压力为5MPa；实例井体积压后初期返排压差为3MPa，故确定实验返排驱替压力为3MPa。

④、配置施工现场的压裂液，测试压裂液密度ρ为1.12g/cm³，并将压裂液倒入恒速恒压泵的中间容器中。

⑤、将步骤②中所述孔隙度测试后的页岩岩样1放入页岩返排率的实验测试装置的夹持器2中，根据步骤③中确定的实验加载应力利用压力机对岩样加载三向应力。其中前后盖板加载最小水平主应力，侧盖板加载最大水平主应力，上下盖板加载垂向应力，并利用恒温箱4将岩样1加热至步骤③中确定的实验温度。

⑥、用管线连接恒速恒压泵5、中间容器6及页岩返排率实验测试装置的夹持器2流体注入口2-5，根据步骤③中确定的注入压力设置恒速恒压泵的泵注压力，并利用恒速恒压泵5通过中间容器6向页岩返排率实验测试装置的夹持器流体注入口2-5注入压裂液，同时通过控制电脑记录不同时间所对应的注入液量，每隔10分钟记录一次，每个时间节点对应的累计流量为页岩在该时间点的强制渗吸量，测试时间为3天，如图(4)所示，即可得到渗吸时间段对应的累计渗吸量V_imb为24.37cm³。

⑦、在步骤6的基础之上，设定返排压差3MPa，拆除连接恒速恒压泵5、中间容器6及页岩返排率实验测试装置的夹持器2流体注入口2-5的管线，用管线连接氮气瓶及页岩返排率实验测试装置的夹持器2流体出口端2-6，并利用氮气瓶向岩心1反向驱替氮气，返排时间以3天为例，返排结束后取出岩心并称取质量m₁为872.8g。

⑧、页岩返排率计算：由表达式(5)计算返排阶段压裂液在页岩中的滞留量V_f为19.9cm³，并结合表达式(6)可得到压裂液在地层条件下实验测试的返排率F为18.3％，进而由表达式(7)得到压裂液在页岩对应返排时间下的在页岩单位孔隙体积中的返排率E为0.73/cm³。

以上通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是，本实施例仅是本发明的优选实施例，并非对本发明作任何限制，也并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除。而本领域人员所进行的改动和简单变化不脱离本发明技术思想和范围，则均属于本发明技术方案的保护范围内。