一种液氮无水压裂模拟实验装置及方法

摘要

本发明涉及一种液氮无水压裂模拟实验装置及方法。包括气体增压系统，压力传递系统和三轴实验系统，其中，所述气体增压系统，包括氮气瓶和气体增压泵，氮气瓶通过气体增压泵连接到压力传递系统的气体储集罐；所述压力传递系统，包括气体储集罐、压裂中间仪器和自增压液氮罐，所述压裂中间仪器的顶部连接上三通接口，上三通接口的一端连接气体储集罐，另一端连接排气口；所述压裂中间仪器的下端连接下三通接口，下三通接口的一端连接自增压式液氮罐，另一端连接三轴实验系统。有益效果是：克服液氮的超低温特点和氮气气体的密封要求，实现液氮无水压裂实验；压裂中间仪器采用三通设计和自增压液氮罐注入液氮，可以实现无损失和定量注入。

说明书

技术领域

本发明涉及一种石油工程领域的页岩油气开采实验装置及方法，特别涉及一种液氮无水压裂模拟实验装置及方法。

背景技术

页岩气作为一种重要的非常规天然气资源，其开采寿命长和生产周期长的优点，有利于调整能源消费结构，缓解油气资源短缺，增加清洁能源供应，近年来倍受各国青睐。

近年来，随着我国社会经济的持续高速发展，能源的需求屡创新高，加之传统油气资源日益枯竭，导致我国石油、天然气对外依存度不断攀升。石油对外依存度由1993年的1.2%飙升到2013年的58.1%，天然气对外依存度也由2006年的0.8%迅速攀升至2013年的31.6%。据预测，到2020年中国天然气年均消费量将达3000×108m³，而届时我国天然气产量仅为2000×108m³左右，可见我国对天然气的需求与日俱增。同时，由于我国加大力度实施节能减排的政策，天然气的应用得到充分的推广，这使得我国天然气的供应受到很大的挑战。因此，加快非常规天然气资源的勘探开发，对于确保国家能源战略安全具有重要的意义。

由于我国页岩气储层具有经历的构造运动复杂，埋藏深，水平应力差大，渗透率低，孔隙度低，脆性指数低等特点，导致无自然产能，虽然单井产量高，但是初期递减快，后期产量低，生产周期较长，并且体积压裂后难以形成理想的缝网，储层改造效果差。同时，常规体积压裂液需要消耗大量的水资源，而我国页岩气藏多分布在缺水地区，这在一定程度上更加制约了常规水力压裂的实施。国外一些国家（如法国）出于资源与环境的考虑，已经立法禁止用水力压裂法开采页岩气。

为满足页岩气开采中对储层性质以及地理环境等因素高要求，解决开发效果较差的世界性难题，国内外许多机构都在进行探索，其中液氮等深冷低温流体液氮作为低温液化气体，通常具有极低温度（LN₂标准沸点-195.8℃），当与岩石接触时，会使岩石表面温度骤降，发生高速收缩变形，形成大量微裂隙，岩石“脆性”明显增强，而脆性的增强程度决定了页岩气体积压裂的控制体积。因此，开展超低温液氮条件下页岩的脆性破裂机理研究，分析页岩在超低温液氮条件下的脆性变化规律、体积裂缝扩展规律及相关影响，进而进行液氮辅助页岩体积压裂实验，为低温无水压裂技术提供理论支撑，对我国页岩气开发具有重要指导意义。

目前，利用液氮这种超低温液体进行页岩气室内无水压裂的装置或者方法几乎没有。目前已有的设备，例如申请号CN201610395924.5发明专利，基本是在常温下实验，并不能承受液氮的超低温状态。或者例如申请号201310732435.0发明专利，是对现场未压裂或者井底存在天然裂缝的煤层气井的初次压裂工艺的发明改进，对于室内尺寸的页岩液氮压裂并不适用。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种液氮无水压裂模拟实验装置及方法，该装置及方法能够针对液氮标准沸点-195.8℃的物理性质及其易挥发的特点，在耐低温的同时利用氮气和液氮实现压力传递。并利用液氮的超低温特点，在施加围压跟上覆压力模拟真实地应力环境的同时，实现页岩的液氮压裂真三轴实验。

本发明提到的一种液氮无水压裂模拟实验装置，包括气体增压系统，压力传递系统和三轴实验系统，其中，所述气体增压系统，包括氮气瓶（1）和气体增压泵（3），氮气瓶（1）通过气体增压泵（3）连接到压力传递系统的气体储集罐（6）；所述压力传递系统，包括气体储集罐（6）、压裂中间仪器（11）和自增压液氮罐（14），所述压裂中间仪器（11）的顶部连接上三通接口（8），上三通接口（8）的一端连接气体储集罐（6），另一端连接排气口（10）；所述压裂中间仪器（11）的下端连接下三通接口（12），下三通接口（12）的一端连接自增压式液氮罐（14），另一端连接三轴实验系统（18）；通过将岩心放入三轴实验系统（18），加上设定值的最大和最小水平主应力以及上覆应力后，模拟真实地应力条件进行压裂实验。

上述的压裂中间仪器（11）包括压帽（19）、筒体外保温层（20）、活塞（22）和筒体（23），所述筒体（23）的两端分别设有压帽（19），且一个压帽上设有液氮流出口（24），另一个压帽（19）上设有氮气通入口（25），外侧设有筒体外保温层（20），在筒体（23）内腔设有可以移动的活塞（22）。

上述的氮气瓶（1）上部设有氮气瓶自带阀门（2），气体增压泵（3）与气体储集罐（6）之间设有第一截止阀（5）和气体压力传感器（4）。

上述的气体储集罐（6）与压裂中间仪器（11）之间设有第二截止阀（7）。

上述的三轴实验系统（18）与下三通接口（12）之间设有压力表（15）、温度表（16）和耐低温截止阀（17）。

上述的氮气瓶（1）内装有纯度为99.99%的氮气，氮气瓶中出来的氮气其最高压力不超过10MPa，且各装置之间的连接管线采用高压金属管线。

上述的气体储集罐（6）采用耐高压钢体制成，用于暂时性存储加压后的氮气。

上述的活塞（22）和筒体（23）的内壁之间设有密封圈（21），采用高温高压石墨盘根。

上述的三轴实验系统（18），在最大、最小水平应力跟上覆应力三个方向各有一个千斤顶刚性加载。

本发明提到的一种液氮无水压裂模拟实验方法，包括以下步骤：

（1）、打开排气阀（9），关闭低温截止阀（17），准备向压裂中间仪器（11）注入液氮；

（2）、打开自增压液氮罐上方的液氮罐阀门（13），往压裂中间仪器（11）中注入定量的液氮，关闭排气阀（9）和液氮罐阀门（13）；

（3）、在三轴实验系统（18）中放入岩心并安装完毕，检查密封；

（4）、通过伺服系统加载围压与上覆压力，达到预设值后，打开第二截止阀（7），准备通氮气；

（5）、打开第一截止阀（5）和氮气瓶自带阀门（2），控制气体增压泵（3）增压，并通过气体压力传感器（4）即时显示，将氮气通过气体储集罐（6）打入压裂中间仪器（11）中；

（6）、在压裂中间仪器（11）中，带有压力的氮气通过活塞（22）将液氮推入三轴实验系统（18）中的岩心内，进行压裂模拟实验；

（7）、岩心压开保存数据后，关闭第一截止阀（5）、低温截止阀（17）和氮气瓶自带阀门（2）；

（8）、打开排气阀（9），将压裂中间仪器（11）和气体储集罐（6）中的气体安全放出，结束实验。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

（1）克服液氮的超低温特点和氮气气体的密封要求，实现液氮无水压裂实验；

（2）压裂中间仪器采用三通设计和自增压液氮罐注入液氮，可以实现无损失和定量注入，极大的改善了目前液氮粗略直接倒入方式，实现精准注入和实时监控；

（3）自增压式液氮罐的采用，实现了对注入岩心的液氮流量的即时监测，方便研究液氮流量对压裂效果的影响。

最后，本发明利用液氮低温流体辅助页岩这种压裂工艺，对页岩进行冷冲击改造，用于石油工程领域页岩油气开采时采用液氮压裂的机理研究及其效果评价。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图；

附图2是压裂中间仪器结构示意图；

上图中：氮气瓶1、氮气瓶自带阀门2、气体增压泵3、气体压力传感器4、第一截止阀5、气体储集罐6、第二截止阀7、上三通接口8、排气阀9、排气口10、压裂中间仪器11、下三通接口12、液氮罐阀门13、自增压式液氮罐14、压力表15、温度表16、耐低温截止阀17、三轴实验系统18、压帽19、筒体外保温层20、密封圈21、活塞22、筒体23、液氮流出口24、氮气通入口25。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提到的一种液氮无水压裂模拟实验装置，包括气体增压系统，压力传递系统和三轴实验系统，其中，所述气体增压系统，包括氮气瓶1和气体增压泵3，氮气瓶1通过气体增压泵3连接到压力传递系统的气体储集罐6；所述压力传递系统，包括气体储集罐6、压裂中间仪器11和自增压液氮罐14，所述压裂中间仪器11的顶部连接上三通接口8，上三通接口8的一端连接气体储集罐6，另一端连接排气口10；所述压裂中间仪器11的下端连接下三通接口12，下三通接口12的一端连接自增压式液氮罐14，另一端连接三轴实验系统18；通过将岩心放入三轴实验系统18，加上设定值的最大和最小水平主应力以及上覆应力后，模拟真实地应力条件进行压裂实验。

其中，压裂中间仪器11包括压帽19、筒体外保温层20、活塞22和筒体23，所述筒体23的两端分别设有压帽19，且一个压帽上设有液氮流出口24，另一个压帽19上设有氮气通入口25，外侧设有筒体外保温层20，在筒体23内腔设有可以移动的活塞22。

另外，氮气瓶1上部设有氮气瓶自带阀门2，气体增压泵3与气体储集罐6之间设有第一截止阀5和气体压力传感器4；上述的气体储集罐6与压裂中间仪器11之间设有第二截止阀7；上述的三轴实验系统18与下三通接口12之间设有压力表15、温度表16和耐低温截止阀17。

再者，氮气瓶1内装有纯度为99.99%的氮气，氮气瓶中出来的氮气其最高压力不超过10MPa，且各装置之间的连接管线采用高压金属管线。

上述的气体储集罐6采用耐高压钢体制成，用于暂时性存储加压后的氮气；上述的活塞22和筒体23的内壁之间设有密封圈21，采用高温高压石墨盘根。

上述的三轴实验系统（18），在最大、最小水平应力跟上覆应力三个方向各有一个千斤顶刚性加载。

本发明提到的一种液氮无水压裂模拟实验方法，包括以下步骤：

（1）、打开排气阀9，关闭低温截止阀17，准备向压裂中间仪器11注入液氮；

（2）、打开自增压液氮罐上方的液氮罐阀门13，往压裂中间仪器11中注入定量的液氮，关闭排气阀9和液氮罐阀门13；

（3）、在三轴实验系统18中放入岩心并安装完毕，检查密封；

（4）、通过伺服系统加载围压与上覆压力，达到预设值后，打开第二截止阀（7），准备通氮气；

（5）、打开第一截止阀5和氮气瓶自带阀门2，控制气体增压泵3增压，并通过气体压力传感器4即时显示，将氮气通过气体储集罐（6）打入压裂中间仪器（11）中；

（6）、在压裂中间仪器11中，带有压力的氮气通过活塞22将液氮推入三轴实验系统18中的岩心内，进行压裂模拟实验；

（7）、岩心压开保存数据后，关闭第一截止阀5、低温截止阀17和氮气瓶自带阀门2；

（8）、打开排气阀9，将压裂中间仪器11和气体储集罐6中的气体安全放出，结束实验。

其中，步骤3中的岩心的制备方法是：利用绳线切割机切割页岩的岩样，切割成长度10.5cm的标准尺寸后，打磨端面，并钻井眼孔加装套管。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。