三轴围压条件下的分支裂缝导流能力测试系统与方法

摘要

本发明属于石油与天然气工程领域，涉及一种三轴围压条件下的分支裂缝导流能力测试装置与方法。所述系统包括主体装置、位移监测系、温度控制系统、流体泵入及监测系统、及围压油泵。采用本发明系统及方法可简便快捷地完成分支裂缝导流能力的测定，在当下快节奏的油气开采开发环境下及时为工程实际提供大量可靠的数据支撑。

说明书

技术领域

本发明属于石油与天然气工程领域，涉及一种三轴围压条件下的分支裂缝导流能力测试装置与方法。

背景技术

随着我国能源的不断开发，常规油气资源开发殆尽，已不能满足国内能源需求。作为缓解国内油气供需压力的重要战略，以页岩气为代表的非常规油气资源已成为勘探开发的重点。

页岩气藏储层具有低孔、低渗的物性特征，需实施水力压裂改造，以形成大规模的裂缝网络带，为页岩气的充分流动提供通道，不然将无法获得理想的产量和采收率。

水力压裂追求的是在地层中形成与地层特性相适应、并具有一定导流能力的裂缝，支撑剂作为形成支撑裂缝的关键材料，在水力压裂中的作用尤为重要。支撑剂裂缝的导流能力是评价水力压裂裂缝效果的一项关键指标，因此不断研究完善支撑剂裂缝导流能力测试方法具有重要意义。

网状裂缝的导流能力是决定压后效果的重要因素，室内评价页岩裂缝导流能力的裂缝形态能否模拟实际压裂裂缝，导流能力的测试是否准确，对页岩气藏压裂设计、预测压裂效果有重要作用。

中国专利申请CN104295281A公布了一种页岩气藏复杂裂缝导流能力模拟实验方法，该方法包括下列步骤：a)选取制作试件的地层页岩岩心或同层位的页岩露头，将所述页岩材料加工成17.7cm长、1.5cm厚、3.8cm宽两端半圆形的页岩岩板；b)将岩板进一步加工，符合转向缝或分支缝的要求；c)将加工好的岩板放入到测试裂缝导流能力的导流室中，岩板中间铺置一定铺砂浓度的支撑剂；d)将安置好支撑剂与页岩岩板的导流室放置到裂缝导流能力测试装置中进行导流能力实验测试。该方法利用常规的导流室进行裂缝导流能力的测试，并且需要将岩石试样加工成两端半圆形的规则岩板以适应导流室规格进行导流能力测试，岩石试样制作步骤过于复杂，实验周期长，不利于及时有效获取大量测试数据。

中国专利申请CN104747182 A公开了一种裂缝导流能力测试方法，该方法根据裂缝类型以及裂缝宽度组合，制作导流槽模型，利用导流槽模型进行导流能力测试实验。页岩气藏由压裂形成的裂缝往往较复杂，通过人工制作模型逼真地模拟天然形成的裂缝，是极为困难的；利用模型模拟裂缝，往往会造成较大的实验偏差。

中国专利申请CN 107806339 A公布了一种压裂裂缝导流能力实验方法，需要根据压裂对象目标层位岩样的岩石力学性质参数选取3D打印材料，采用3D打印技术制作标定岩板。不论是试样的规整加工，还是使用3D打印技术完成试样的制作，无疑都拖长了测试的周期，不能适应现今快节奏的油气开采开发。

综上所述，现今急需一种简便快捷、实用有效的分支裂缝导流能力测试方法。

发明内容

针对目前关于分支裂缝导流能力的研究方法还大多使用导流室作为导流能力测试装置，试样加工复杂，不利于现今快节奏的油气开采开发的现状，本发明在于提供一种三轴围压条件下的分支裂缝导流能力测试装置与方法，用局部改造的三轴试验机就可以完成对于分支裂缝导流能力的测试。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一方面，提供一种三轴围压条件下的分支裂缝导流能力测试系统，包括主体装置、流体泵入及监测系统、及围压油泵；

所述主体装置包括轴向加载柱、三轴仪机架、上压头以及下压头，上下压头用于岩样固定，轴向加载柱通过作用在上压头上方为岩样施加轴向应力；

所述流体泵入及监测系统包括出液管线、流量监测装置、注液管线以及注液装置，注液管线一端连接注液装置、一端通过下压头连接岩样底部注水口，出液管线则接收由岩样上部出水口流出的液体通过流量监测装置进行渗透率测定；

围压油泵，用以向三轴仪机架内充入围压油模拟原位地层压力。

根据本发明所述三轴围压条件下的分支裂缝导流能力测试系统，优选地，还包括位移监测系，所述位移监测系包括轴向引伸计、固定螺栓、轴向引伸计固定器、热缩套、O型圈、径向引伸计以及径向引伸计固定器；

用热缩套套住岩样，O型圈套在岩样中间，轴向引伸计通过轴向引伸计固定器、固定螺栓固定在岩样上，径向引伸计通过径向引伸计固定器、固定螺栓固定在岩样上。

根据本发明所述三轴围压条件下的分支裂缝导流能力测试系统，优选地，还包括温度控制系统，所述温度控制系统包括电磁加热丝与温度控制计算机，电磁加热丝固定在三轴仪机架内侧，一端于温度控制计算机连接。

根据本发明所述三轴围压条件下的分支裂缝导流能力测试系统，优选地，上压头、下压头与岩样中间设有金属网兜。

本发明另一方面，提供以上所述三轴围压条件下的分支裂缝导流能力测试系统的测试方法，所述方法包括以下步骤：

S1.对岩样进行预处理；

S2.将预处理后的岩样放置于下压头上，并用上压头压紧稳定住岩样且两接触面装有金属网兜；

S3.取热缩管套将试样与金属网兜结合处套住，并用热风枪加热收缩使热缩套完全密封住岩样；

S4.安装引伸计，先套入轴向引伸计，然后取一O型圈套在岩样中间位置，再套入径向引伸计，把立柱上的螺丝均匀的转动贴在岩样上，螺丝拧到刚好贴到试样上且搭在O型圈上即可，将螺母在里面向立柱分别备紧，最后将轴向引伸计找好位置用螺丝固定住，用力拧紧；

S5.将岩样装载入常规三轴试验机并连接压力、温度及位移传感器及围压加载系统、温度加载系统管线；

S6.先启动温度加载系统提升温度至原地层温度，再启动围压加载系统加载围压至原地层压力；

S7.开启物料注入系统泵入流体进行渗透率演化实验，通过出口端流量数据计算渗透率，通过位移传感器得出裂缝宽度，计算裂缝导流能力；

S8.通过多组实验求取平均值即可得出岩石分支裂缝导流能力。

根据本发明所述三轴围压条件下的分支裂缝导流能力测试系统的测试方法，优选地，步骤S1岩样预处理的步骤为：

1)将岩样加工成圆柱形岩样；

2)对圆柱形岩样的圆心进行凿裂，在保证岩心结构性完整的情况下获得随机的贯穿岩心的不规则裂缝；

3)在岩心中沿分支裂缝按照不同粒径大小分段铺置支撑剂。

根据本发明所述三轴围压条件下的分支裂缝导流能力测试系统的测试方法，优选地，所得圆柱形岩样两端面垂直于岩心轴线，轴向角偏差不超过0.05°

根据本发明所述三轴围压条件下的分支裂缝导流能力测试系统的测试方法，优选地，按照不同粒径大小分段铺置支撑剂具体为靠近缝口用大粒径，中间中等粒径，分支裂缝末端用最小的粒径；金属网兜的渗透孔直径小于最小支撑剂的粒径。优选地，三类支撑剂填充高度需保证岩样合拢后边缘缝隙不超过最大粒径尺寸。本发明所述大中小粒径视现场施工方案中粒径相对大小而定。

根据本发明所述三轴围压条件下的分支裂缝导流能力测试系统的测试方法，优选地，利用达西定律进行裂缝导流能力计算：

式中：KW

本发明取得的有益效果：

1)本发明岩样预处理步骤简单，所得裂缝为真实岩心的不规则裂缝，并且按本发明所述方法铺置支撑剂，可以更好地模拟分支裂缝导流能力对粒径大小分布的敏感程度；本发明能够有效模拟实际压裂裂缝，确保模拟效果。

2)由轴向引伸计、固定螺栓、柔性密金属网兜、轴向引伸计固定器、热缩套、O型圈、径向引伸计以及径向引伸计固定器组成的位移监测系统可以实现对裂缝宽度的精确测定；出液管线、流量监测装置、注液管线以及注液装置组成的流体泵入及监测系统可准确进行渗透率的测定；利用本发明方法对裂缝导流能力测试的准确度更高。

3)采用本发明系统及方法可简便快捷地完成分支裂缝导流能力的测定，在当下快节奏的油气开采开发环境下及时为工程实际提供大量可靠的数据支撑。

附图说明

图1为本发明实施例实验方法流程图；

图2为本发明实施例岩样模型示意图；

图3为支撑剂在裂缝不同段位分布图；

图4为本发明实施例所述三轴围压条件下的分支裂缝导流能力测试系统示意图；

图5为利用实施例所述系统检测的不同压力下裂缝宽度变化曲线图；

图6为利用实施例所述系统连续测定的不同压力下导流能力变化曲线图。

图中，40/70目表示颗粒物直径在40～70目之间；30/40目表示颗粒物直径在30～40目之间；20/40目表示颗粒物直径在20～40目之间。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。

如图4所示，一种三轴围压条件下的分支裂缝导流能力测试装置，它包括主体装置、流体泵入及监测系统、位移监测系统、温度控制系统以及围压系统；所述主体装置包括轴向加载柱(1)、三轴仪机架(2)、上压头(3)以及下压头(19)，上下压头可根据圆柱岩样直径进行更换，轴向加载柱(1)通过作用在上压头上方为岩样施加轴向应力；所述流体泵入及监测系统包括出液管线(4)、流量监测装置(5)、注液管线(8)以及注液装置(9)，注液管线(8)一端连接注液装置(9)、一端通过下压头连接岩样底部，出液管线(4)则接收由岩样上部流出的液体通过流量监测装置(5)进行渗透率测定；所述位移监测系统包括轴向引伸计(6)、固定螺栓(7)、柔性密金属网兜(11)、轴向引伸计固定器(12)、热缩套(13)、O型圈(14)、径向引伸计(17)以及径向引伸计固定器(18)，用以进行裂缝宽度的精确测定；所述温度控制系统包括电磁加热丝(10)与温度控制计算机(20)，温度控制计算机(20)可以控制安装于三轴仪机架(2)内侧的电磁加热丝(10)对围压油进行加热模拟原位温度；所述围压系统包括围压油泵(15)，用以向三轴仪机架(2)内充入围压油模拟原位地层压力。

如图1所示，一种三轴围压条件下的分支裂缝导流能力测试方法，它包括以下步骤：

S1：将获取岩样加工成适合于常规三轴试验机实验舱尺寸的一定规格的圆柱形岩心，通过磨石机磨平岩心的两端面，使两端面垂直于岩心轴线，轴向角偏差不超过0.05°；

S2：制作分支裂缝：取一定规格的凿岩锥及凿岩锤对齐圆柱岩心的圆心进行凿裂，在保证岩心结构性完整的情况下获得随机的贯穿岩心的不规则裂缝；

S3：在岩心中沿分支裂缝按照不同粒径大小分段铺置支撑剂：靠近缝口用大粒径，中间中等粒径，分支裂缝末端用最小的粒径；用来模拟分支裂缝裂缝导流能力对粒径大小分布的敏感程度；

S4：选取与圆柱形岩心规格一致的上压头(3)、下压头(19)以及柔性细密金属网兜(11)，且柔性细密金属网兜(11)的渗透孔直径小于最小支撑剂的粒径，防止进出液端部局部流速过大将支撑剂冲散，将岩心放置于下压头(19)之上，并用上压头(3)压紧稳定岩心；

S5：取热缩套(13)套住岩心及两端结合处并用300℃到500℃热风枪收缩起固定作用，用以在加载围压时隔绝围压油；

S6：安装引伸计：先套入轴向引伸计(6)以及轴向引伸计固定器(12)，然后取一O型圈(14)套在岩样中间位置，再套入径向引伸计(17)以及径向引伸计固定器(18)，把立柱上的螺丝均匀的转动贴在岩心上，螺丝拧到刚好贴到试样上且搭在O型圈(14)上即可，将固定螺栓(7)在里面向立柱分别备紧，最后将轴向引伸计(6)找好位置用固定螺栓(7)固定住，用力拧紧；

S7：将岩心装载入常规三轴试验机并连接压力、温度及位移传感器及围压加载系统、温度加载系统管线；

S8：通过温度控制计算机(20)控制电磁加热丝(10)提升温度至原位地层温度，再启动围压油泵加载围压至原位地层压力；

S9：开启注液装置(9)由注液管线(8)泵入流体，流体通过出液管线(4)流出后进入流量检测装置(5)进行渗透率计算，通过位移传感器测量裂缝宽度精确变化并得出裂缝宽度，变化曲线见图5；

S10：利用达西定律进行裂缝导流能力计算，结果见图6：

式中：KW

S11：通过多组实验求取平均值即可得出岩石分支支撑裂缝导流能力。

由图5、图6可知本方法所得到的实验结果与理论结果相符，相较于其余实验方法：实验装置易得；实验结果精确、且具有较高的真实性；步骤简便、在当下快节奏的油气开采开发环境下可及时为工程实际提供大量可靠的数据支撑。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。