一种页岩气储层中压裂液运移微观可视化实验装置及方法

摘要

一种页岩气储层中压裂液运移微观可视化实验装置及方法，属于石油天然气开采技术领域。所述实验装置包括微观可视模型、模型夹持器、驱替单元、围压单元、回压单元、温度控制单元、压力监测装置和图像采集分析单元。本发明通过复刻压裂后页岩岩心真实孔隙结构的微观可视化模型，并将其和其它各装置组合，研究压裂液在储层缝网和基质孔隙中运移分布。通过对所获取的实验图像进行色差处理，方便分出气体与液体，并且可以做定量分析。本发明能在高温高压条件下模拟水力压裂后页岩储层中压裂液的运移，根据实际储层的温度、压力条件来改变实验参数设置，模拟压裂后施工参数对压裂液运移、气体含量变化的影响，为优化压裂后施工参数提供参考和依据。

说明书

技术领域

本发明属于石油天然气开采技术领域，涉及页岩气储层中压裂液在缝网和基质中运移状态评价技术，尤其涉及一种页岩气储层中压裂液运移微观可视化实验装置及方法。

背景技术

水力压裂就是利用地面高压泵，通过井筒向储层挤注具有较高黏度的压裂液。当注入压裂液的速度超过储层的吸收能力时，则在井底储层上形成很高的压力，当这种压力超过井底附近储层岩石的破裂压力时，储层将被压开并产生裂缝。这时，继续不停地向储层挤注压裂液，裂缝就会继续向储层内部扩张。为了保持压开的裂缝处于张开状态，接着向储层挤入带有支撑剂（通常为石英砂）的携砂液，携砂液进入裂缝之后，一方面可以使裂缝继续向前延伸，另一方面可以支撑已经压开的裂缝，使其不致于闭合。再接着注入顶替液，将井筒的携砂液全部顶替进入裂缝，用石英砂将裂缝支撑起来。最后，注入的高黏度压裂液会自动降解排出井筒之外，在储层中留下一条或多条长、宽、高不等的裂缝，使储层与井筒之间建立起一条新的流体通道。压裂之后，油气井的产量一般会大幅度增长。

页岩储层孔隙结构异常复杂，具有孔喉细小、毛管压力高、渗透率低等特点，使得页岩储层两相渗流特征极其复杂。而水力压裂后，这一特性进一步改变，影响页岩气藏开发和产能提升，给储层评价带来一定的难度。针对这一现状，本发明针对水力压裂后的页岩气储层中压裂液在缝网和基质中运移状态进行研究，对页岩气藏产能的评价具有重要的意义。

申请号为201910955201X的中国发明申请，公开了一种可视化动态裂缝自支撑压裂工艺研究实验装置，设置了油浴加热控温装置，可以根据实际地层温度改变实验条件；在各组件的流入端与流出端设置管路压降压力变送器，实验过程中能够不断测定压降数据并传输至电脑进行储存；主要装置材质均为渗碳钢，且在表面进行磷化处理，防水、耐有机溶剂、耐强酸、抗强碱，可注入强酸或强碱性流体、腐蚀性有机溶剂。

申请号为202011221010X的中国发明申请，公开了一种岩石裂缝模型及岩石裂缝内支撑剂运移铺置装置和方法，模型制作按照真实岩心压裂裂缝制作，模型主体通过以下步骤制得：将岩石分裂成两半；在其中一半的裂面上用不透明硅树脂橡胶，通过铸造成型法，形成第一部分；在另一半的裂面上用透明塑料，通过铸造成型法，形成第二部分，在制作的模型中可以通过改变断裂块的大小来改变裂缝的长度；在压裂液中添加荧光剂，用紫外线光源对所述岩石裂缝模型进行照射，可以直观地观察到压裂液在裂缝中的运移情况。

申请号为2016100060228的中国发明申请，公开了一种压裂液流变支撑剂运移模拟方法及无级可调缝宽测试装置，可变缝宽透明缝板结构简单，缝宽调节过程中平稳无间隔，能够有效模拟各种裂缝尺寸；具有动态调整的特点，可以模拟压裂裂缝的扩张和闭合；整块有机玻璃板观察窗进行采集，实现了图像的无死角同步采集。

申请号为2016108231501的中国发明申请，公开了一种裂缝内支撑剂运移规律可视化实验装置及方法，模拟单元、裂缝模拟单元和地层模拟单元，模型完整，完整的模拟了支撑剂从井筒注入到流出的过程；模拟单元以三维激光扫描待测岩板裂缝；利用得到的扫描数据进行三维建模；3D打印出裂缝面模具，且透明板可以根据不同的待测裂缝表面进行重新制作，更有针对性的对具体地层进行真实裂缝支撑剂运移规律的研究。

申请号为2016109934218的中国发明申请，公开了一种压裂作业模拟实时监测系统及其模拟测试方法，采用X光线对岩样进行螺旋扫描，扫描速度快，扫描全面，得到的图样更加精确；在压裂液中加入适量、合适的造影剂，形成对比度更好的图像，压裂模拟结果更加准确；利用多台高性能的计算机，对扫描仪数据进行高速存储和处理，并经特殊算法，螺旋扫描结果进行初步处理，形成二维图像，再进行叠加形成三维图像，可快速形成三维动画，直观、实时监测压裂裂缝的形成和扩展。

申请号为2016110272891的中国发明申请，公开了一种测量压裂裂缝在岩层中分布的试验装置及其测试方法，通过在压裂液中加入铁粉末，将岩心在加入压裂液前和加入压裂液后进行磁扫描，得到的图像进行图像“减法”，很好的得到了岩心中的压裂缝隙图像，并将图像制作成模型。

申请号为2017106956328的中国发明申请，公开了一种水平井多级水力同时压裂的物理模拟实验装置及其方法，可以在井口不泄压的情况下实现多种形式的多级压裂；同时压裂至少两个岩层的操作过程简单，只需通过遥控方式控制电机即可；多级压裂只需在一个井筒内完成。

申请号为2017107927163的中国发明申请，公开了一种复杂裂缝中支撑剂运移模拟的系统及方法，对支撑剂进行特殊处理，添加与实际支撑剂具有相同密度和直径的条件下设置表面荧光材料，并集成电阻层析成像技术、颗粒成像测速技术和高清成像技术，从而得到整个支撑剂输送过程中的速度分布、浓度分布以及压力分布。

申请号为2017111401697的中国发明申请，公开了一种页岩层理内支撑剂运移模拟装置及评价方法，模型中含3条水平层理缝与3条垂直裂缝，可实现支撑剂在水平向与垂向间的流动模拟；借助实验图像扫描法，建立裂缝支撑面积函数。

申请号为2020105557977的中国发明申请，公开了一种多簇射孔压裂暂堵球可视化运移模拟实验装置，模型设计简单，将水平井定面射孔、螺旋射孔和直井定向射孔巧妙设计在了同一个模型；可以有效地模拟在高温高压条件下水力压裂后页岩储层中压裂液的运移和压裂液在页岩储层井筒区、改造区、基质区最终的波及面积。

申请号为2020100896255的中国发明申请，公开了一种可视的岩石水力压裂平面问题的物理实验系统及方法，充分考虑了压裂过程中储层对裂缝扩展的影响因素，模型可以完整的记录储层压裂破坏的过程；将压裂液加入红色示踪剂，更加便于压裂液的观察；适用不同种类且适用于页岩储层的压裂液做对照实验，观察不同种类压裂液相同密度情况下的运移和波及面积情况。

申请号为2019104498451的中国发明申请，公开了一种可视化支撑剂孔喉渗流和封堵测试装置及其使用方法，模型设置了填砂口，方便清洗，反复运用，减少了实验成本，但实验没有设置围压，无法准确模拟实际储层的地层环境；实验设计成本低廉，设计思路和原理简单却便于实现。

申请号为2019103174648的中国发明申请，公开了一种颗粒运移规律可视化的实验装置及工作方法，模型以透明树脂材料为原料，采用3D打印技术，真实还原了岩石裂缝的粗糙裂缝面，且相比于其他可视化模型裂缝形态并非理想化、固定化，可以有效的对模型丛长、宽、高三维角度进行观察；国内外对于压裂液运移机理的研究大多集中在数值模拟方面，可视化模型相对较少，可以更为有效的观测压裂液的运移，更有利于压裂液运移机理的研究，相比于数模有着不可替代的作用。

申请号为2018107553386的中国发明申请，公开了一种可视化二维水力裂缝模拟实验装置，在压力测试孔内放置了多个压力探针，对岩石样本的裂缝压力观测更为精确；构造简单、便于操作、实用性强，在压力测试孔内放置了多个压力探针，便于对页岩储层模型不同分区的压力、应力分布进行观测，为研究机构提供更多的数据支持。

申请号为2018104149761的中国发明申请，公开了一种模拟裂缝闭合与滤失的可视化裂缝装置及其工作方法，模型可用于模拟重复压裂、水力压裂后裂缝闭合、滤失和裂缝扩展，在平板的壁面的外表面上设置了应力模拟驱动装置。

然而，上述现有技术还存在以下不足和问题：（1）当水力压裂完成后，页岩储层中从缝网到基质区域，压裂液是如何运移分布，未见相关现有技术进行研究；（2）缺乏对压裂液在实验过程中不同区域，运移分布以及气体含量变化值的定量分析。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种页岩气储层中压裂液运移微观可视化实验装置，该实验装置能用于研究水力压裂后页岩气储层中压裂液运移的相关问题。本发明通过复刻压裂后页岩岩心真实孔隙结构的微观可视化模型，并将其和其它各装置组合，形成一套有效的研究压裂液在储层缝网和基质孔隙中运移分布的实验装置，对所获取的实验图像进行色差处理，生成色差对比明显的图像，能方便分出气体与液体，并且可以有效地做定量分析。具体技术方案如下。

一种页岩气储层中压裂液运移微观可视化实验装置，其特征在于，所述实验装置包括微观可视模型、夹持微观可视模型的模型夹持器、驱替单元、围压单元、回压单元、温度控制单元、压力监测装置和图像采集分析单元；

所述模型夹持器包括缸体，缸体上设有流体流入孔、流体流出孔、围压孔以及测温孔，在微观可视模型对应位置设有观察窗；

所述微观可视模型复刻压裂后页岩岩心真实孔隙结构，在孔隙两端分别设有入口和出口；所述微观可视模型位于模型夹持器缸体内部；模型夹持器的流体流入孔与微观可视模型的入口相通，模型夹持器的流体流出孔与微观可视模型的出口相通；

所述驱替单元将压裂液、气体从入口注入微观可视模型的孔隙内；

所述围压单元将流体注入模型夹持器的围压孔，模拟页岩气储层压力；

所述回压单元将流体注入模型夹持器的流体流出孔，模拟压裂液末端压力；

所述温度控制单元控制微观可视模型的温度；

所述压力监测装置监测微观可视模型入口和出口的压力差；

所述图像采集分析单元包括图像采集装置、计算机及图像分析程序，图像采集装置透过观察窗采集微观可视模型的图像，实时记录微观可视模型内压裂液的分布和形态变化。

进一步地，所述微观可视模型包括下凹板、上盖板；通过掩膜加工制成多孔介质芯片掩膜，复刻压裂后页岩岩心真实孔隙结构，由光刻机曝光将多孔介质芯片掩膜的影像呈现在匀胶铬版上，通过祛铬液处理得到孔隙去铬的玻璃薄片，再经刻蚀液浸泡制成多孔介质模板，得到下凹板；上盖板为与下凹板同等大小的抛光片，下凹板与上盖板通过高温烧结为一体。

进一步地，所述模型夹持器缸体材质为渗碳钢，进行过表面处理，防水、耐有机溶剂。

进一步地，所述驱替单元包括恒速恒压泵和中间容器，中间容器盛放压裂液，恒速恒压泵将压裂液、气体注入到微观可视模型的孔隙内。

进一步地，所述回压单元包括回压阀和恒速恒压泵，恒速恒压泵将流体注入模型夹持器的流体流出孔。

进一步地，所述围压单元包括围压手动泵和压力表，围压手动泵将流体注入模型夹持器的围压孔。

本发明的另一个目的是提供一种页岩气储层中压裂液运移微观可视化实验方法，采用本发明提供的实验装置，将可视化微观仿真模型和图像色差处理技术结合，从而定性定量分析页岩储层中压裂液的运移，该方法包括如下步骤：

（1）按照压裂后的页岩岩心孔隙结构，制备微观可视模型；

（2）将微观可视模型安装在模型夹持器内部；

（3）将气体、压裂液注入微观可视模型的孔隙内，并控制温度、围压、压裂液注入压力和回压达到设定值；

（4）图像采集装置实时采集微观可视模型的图像，记录微观可视模型内压裂液的分布和形态变化；

（5）对微观可视模型图像进行色差处理，生成色差对比明显的图像，对图像进行分析和数据处理。

进一步地，步骤（1）制备微观可视模型的具体过程为：

（1-1）绘制孔隙结构：按照压裂后页岩岩心的真实孔隙结构，绘制多孔介质的孔隙结构；

（1-2）刻蚀模板：通过掩膜加工制成多孔介质芯片掩膜，由光刻机曝光将多孔介质芯片掩膜的影像呈现在匀胶铬版上，通过祛铬液处理得到孔隙去铬的玻璃薄片，再经刻蚀液浸泡制成预期的多孔介质模板；

（1-3）烧结模型：高温条件下将制得的多孔介质模板和同等大小抛光片进行烧结，制成微观可视模型。

进一步地，步骤（3）的具体过程为：

（3-1）通过温度控制单元设定好实验温度，对微观可视模型进行加热直到设定温度；

（3-2）通过恒速恒压泵将氮气注入到微观模型中，持续注入氮气直至达到设定气压，同时关闭模型夹持器的流体流入孔和流体流出孔；

（3-3）通过围压单元的手动泵将去离子水通过围压孔注入到模型夹持器的腔体内，随着去离子水的注入，围压逐渐升高；打开回压单元的恒速恒压泵，使模型夹持器流体流出孔具有一定回压；同时打开模型夹持器的流体流入孔和流体流出孔，通过驱替单元的恒速恒压泵将压裂液注入到微观模型中；随着围压和压裂液注入压力的升高，增加回压；适时调整围压、压裂液泵入压力和回压三者的大小，保证围压大于压裂液注入压力2~3MPa，压裂液注入压力大于回压0.2~0.4MPa；直至围压、压裂液注入压力和回压达到设定值。

进一步地，调整实验参数，重复步骤（1）~（5），所述实验参数包括：不同温度、不同围压、不同压裂液注入压力、不同回压，不同粘度的压裂液，不同孔隙结构的微观可视模型。

本发明具有以下有益技术效果：

（1）本发明能在高温高压条件下模拟水力压裂后页岩储层中压裂液的运移，可以方便地根据实际储层的温度、压力条件来改变实验参数设置，模拟压裂后施工参数对压裂液运移、气体含量变化的影响，为优化压裂后施工参数提供参考和依据。

（2）本发明的实验装置技术难度低，安全性高，在可视化条件下直接观察压裂液在缝网中分布和运移状态，对页岩气藏开发具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明的页岩储层中压裂液运移微观可视化实验装置结构示意图。

其中：1-恒速恒压泵；2-第一中间容器；3-手动泵；4-压力表；5-录像仪；6-计算机；7-回压阀；8-恒速恒压泵；9-烧杯；10-微观可视模型；11-压力传感器；12-温度控制装置；13-模型夹持器；14-第二中间容器。

图2为一种微观可视模型示意图。

图3为另一种微观可视模型示意图。

图4-1为0 hour时间点整个微观可视模型的二值化图像。

图4-2为0 hour时间点微观可视模型井筒区二值化图像。

图4-3为0 hour时间点微观可视模型改造区二值化图像。

图4-4为0 hour时间点微观可视模型基质区二值化图像。

图5为微观可视模型各区含气饱和度—时间曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做 进一步说明。

如图1所示，模型夹持器13为微观可视模型10提供高温高压环境，通过其它外接装置就可以进行储层条件下的各类实验研究。模型夹持器13上下有石英玻璃的观察窗口，可以方便观察微观可视模型10中流体流动分布和形态变化等情况。

驱替单元包括恒速恒压泵1、第一中间容器2、第二中间容器14。首先对微观模型10进行饱和气操作，然后再进行压裂液注入，从而来模拟真实含气储层水力压裂。

回压单元包括回压阀7和恒速恒压泵8，与模型夹持器13的出口端相连，来保证微观模型10的出口端增压到预定压力。

围压单元由手动泵3和压力表4组成，通过手动泵3将去离子水通过围压孔注入到模型夹持器13的腔体内，来给微观模型10提供围压。

温度控制单元12为模型夹持器内部提供设定温度，来使微观模型保持一个高温环境。

微观模型示意图如图2、图3所示。微观模型孔隙结构的绘制，尽可能真实地去模拟水力压裂后的页岩储层，为此将储层颗粒粒径设置成1mm的方形，基质的孔隙设置成3μm，主通道模拟水平井宽度设置成1.5mm的矩形。水力压裂的裂缝共分为三级，一级裂缝长5mm，宽0.5mm；二级裂缝长2.5mm，宽0.2mm；三级裂缝长1.25mm，宽0.08mm。

采用该套装置进行模拟实验时，包括如下步骤：

（1）打开模型夹持器13的上盖，将微观可视模型10放入夹持器中部，注意要将微观可视模型的进、出孔和夹持器中部的进、出孔对准，然后合紧夹持器上盖，并用螺栓固定住；

（2）打开温度控制单元12，设定好实验温度对模型进行加热，直至达到设定温度。随着温度升高，通过恒速恒压泵1将氮气注入到微观模型中，持续注入氮气直至达到设定气压，同时关闭模型夹持器13的进、出口端；

（3）通过手动泵3将去离子水通过围压孔注入到模型夹持器13的腔体内，随着去离子水的注入，围压逐渐升高，同时打开夹持器的进、出口端，通过恒速恒压泵将压裂液注入到微观可视模型10中，随着围压和压裂液注入压力的升高，增加回压，适时调整围压、压裂液泵入压力和回压三者的大小，保证围压大于压裂液泵入压力2~3MPa，压裂液泵入压力大于回压0.2~0.4MPa；当回压升至预定值时，微观可视模型10的进、出口端压力值也进入预定范围；

（4）保证温度、围压、压裂液泵入压力和回压均在预定范围内，将微观可视模型10静置48小时，每隔一段时间用录像仪5记录微观可视模型10缝网中压裂液的分布和形态；

（5）调整压裂液泵入压力，来改变微观可视模型10的进、出口端压力差，当温度、围压、压裂液泵入压力和回压稳定后，重复步骤4），进行数次调整，直至完成本组实验；

（6）缓慢降低整个实验系统的温度，当温度降低到室温后再开始缓慢降压，确保微观可视模型10的围压和进出口端压力同步降低；

（7）选择不同黏度的压裂液，换用一块与前步骤中相同缝网形态的微观可视模型10，重复步骤（1）~（6）；

（8）换用不同缝网形态的微观可视模型10，重复步骤（1）~（7）；

（9）实验结束后，对实验结果进行整理和分析。

压裂液微观运移实验结果的整理和分析，包括以下步骤：

（1）图像色差处理：对实验中获取的模型图像，进行色差处理，生成色差对比明显的黑白图像。通过色彩划分，颜色深的地方代表气体，颜色浅的地方代表流体，区别出气体和流体；

（2）如图2、图3所示，将微观模型图像分成三区：基质区、改造区和井筒区，基质区为远离裂缝的区域，改造区为裂缝所在的区域，井筒区为井筒及其附近基质所在区域；

（3）对每个区的含气饱和度变化进行分析，采用图像识别的方法，判定每个区气体含量大小，并且与该区原始孔隙体积进行对比，对同组实验的多个时间点图像进行分析，进而得出在实验过程中每个区域压裂液运移分布以及气体含量的变化值；

（4）通过控制变量法得出的实验数据，分析某一变量对模型各区域气体含量变化的影响，包括压裂液浓度、温度、压力和时间等；

（5）绘制图版，直观展示在各个因素影响下，压裂液运移过程中模型内气体含量的变化情况。

采用图2所示的微观可视模型进行实验，得到的压裂液微观运移实验结果整理和分析过程如下：

1）将完成色差处理的0 hour时间点模型图像图4-1进行区域划分，分别得到：0hour时间点微观可视模型井筒区图像图4-2、改造区图像图4-3、基质区图像图4-3。利用图像识别软件，得出各个区域黑色部分占该区域整个像素的比例。

2）统计出不同时间点各区域黑色部分的像素比例数值，与初始时间点的数值（即该区原始含气饱和度）进行比较，从而得到不同时间点各区的含气饱和度变化，结果如表1所示。

表1 不同时间点模型各区含气饱和度

3）绘制曲线，同一块模型，横坐标为时间，纵坐标为相对含气饱和度，三个区域对应三条曲线，如图5所示。

尽管上面已经示出和描述了本发明的部分实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。本发明的保护范围由权利要求书及其等同技术方案限定。