一种页岩气在微裂缝中渗流规律的测定试验装置和方法.pdf

本发明公开了一种页岩气在微裂缝中渗流规律的测定试验装置和方法，装置包括渗流系统、压裂系统、数据采集处理系统和三轴岩芯夹持器；方法包括以下步骤：测定完好页岩岩芯的渗透率；利用声波检测仪和应变片检测仪对三轴岩芯夹持器中的页岩岩芯在压裂过程中的受损程度进行检测；测定页岩气在不同微裂缝中的渗透率；通过测得页岩气在完整岩芯和不同微裂缝中的渗透曲线进行对比而得出页岩气在不同微裂缝中渗流规律；该装置和方法可以准确的测定页岩气在微裂缝中渗流规律，操作简单，对于页岩气的勘探开发有着重要的意义。

1.  一种页岩气在微裂缝中渗流规律的测定试验装置，其特征在于包括渗流系统、压裂系统、 数据采集处理系统和三轴岩芯夹持器(4)；
三轴岩芯夹持器(4)由夹持器模型围成的内腔和夹持器模型外部的外腔两部分组成，内腔中 具有页岩岩芯，外腔为围压腔；夹持器模型为橡胶套的形式；夹持器模型具有进气口和出气 口；
压裂系统包括轴向压力泵(5)、轴向压力机以及围压泵(6)，其中轴向压力泵(5)连通轴向 压力机，轴向压力泵将流体泵入到轴向压力机，使轴向压力机的活塞杆作用到页岩岩芯，通 过活塞杆的轴向压力使岩芯压裂；围压泵(6)将液体泵入到围压腔，对围压腔施加压力，保 持围压压力比夹持器模型的进气口的压力大1MPa，并随着夹持器模型的进气口压力变化调节 围压压力；
数据采集处理系统包括应变片检测仪(11)、声波检测仪(12)和皂沫流量计(14)，应变片 检测(11)的应力片设置在岩芯的外壁上，声波检测仪(12)包括金属堵头和声波探头，其 中金属堵头采用凹式结构，设置在岩芯的上下两端，将声波探头装入安装在凹式结构中，既 能承受高压又配合紧密不影响声波的检测，同时采用激光打孔，把金属堵头凹式结构的内表 面加工出环形槽，保证气体从声波探头周围进入岩芯，通过声波检测仪和应变片检测仪对轴 向压力泵压裂过程中的岩芯进行实时监测，确定岩芯的压裂程度；皂沫流量计(14)用于测 量经回压阀(13)流入皂沫流量计(14)的所述岩芯渗流通过的气体流量；
渗流系统包括气源(8)、活塞容器罐(9)、注入泵(10)、进气口压力调压阀(1)、气体过 滤器(2)、气体干燥器(3)、回压泵(7)和回压阀(13)，气源(8)中的气体在注入泵(10) 的作用下通过活塞容器罐(9)、气体过滤器(2)以及气体干燥器(3)进入夹持器模型的进 气口，并且进入岩芯，活塞容器罐(9)连接注入泵(10)和气源(8)，用于控制气体恒压或 者恒速流动，进气口压力调压阀(1)可以调节进气口的气体压力，通过岩芯渗流过出来的气 体通过夹持器模型的出气口，经回压阀(13)流入皂沫流量计(14)并且测量出所述岩芯渗 流通过的气体流量；回压泵(7)与回压阀(13)连接，回压阀(13)设置在岩芯夹持器模型 的出气口和皂液流量计(14)之间，回压泵(7)将液体泵入到回压阀(13)的胶垫腔中，通 过胶垫作用到通过回压阀(13)的气体上，通过回压泵(7)与回压阀(13)的作用以保持夹 持器模型出气口处的回压与围压的压力数值相一致。

2.  一种采用权利要求1所述的试验装置测定页岩气在微裂缝中渗流规律的方法，其特征在于 包括以下步骤：
第一步：打开三轴岩芯夹持器(4)，将页岩岩芯装入三轴岩芯夹持器(4)的夹持器模型 中，封闭三轴岩芯夹持器(4)，打开注入泵(10)使活塞容器罐(9)达到2Mpa，并且将围 压升至3MPa，气源(8)中的气体在注入泵(10)的作用下通过活塞容器罐(9)、气体过滤 器(2)以及气体干燥器(3)进入夹持器模型的进气口，并且进入岩芯，并且流出夹持器模 型的出气口进入皂液流量计(14)，检验整个试验装置的气密性；
第二步：先测定没有人工压裂裂缝情况下的岩芯渗透能力,调节进口气体压力达到 0.2Mpa，用皂沫流量计(14)测量当前压力下单位时间内的气体流量；然后按照0.1MPa的压 力梯度增加夹持器模型的进气口压力值，并随着进气口压力变化调节围压压力和回压压力， 使用围压泵(6)增加围压腔的围压压力，将围压压力控制在比夹持器模型的进气口压力高出 1MPa，同时使回压泵(7)与回压阀(13)连通以保持夹持器模型出气口处的回压压力与围压 压力的数值相一致；每次进气口压力增加0.1MPa，都需要等待气体稳定渗流，等待时间约为 半个小时，直到进气口压力值不再变化，再通过皂沫流量计(14)记录当前压力状态下单位 时间内的气体流量；记录10组皂沫流量计(14)的气体流量数据；然后撤去回压，再撤去围 压，最后慢慢降低进气口压力直到0MPa；
第三步：打开声波检测仪(12)和应变片检测仪(11)，以用于监测岩芯内裂缝变化；其 中，声波检测仪(12)的显示器上生成的是累计曲线，表示单位时间步长内能检测到的声波 数量，超过阈值的有效声波数量所占的时间步长与总的开裂时间步长相比数值即为此岩芯裂 缝的开裂程度；应变片检测仪(11)的显示器生成的是岩芯随着压力增加而呈现压力与应变 之间的关系曲线，关系曲线在岩芯快要开裂或者刚开始开裂时，关系曲线发生变化，以作为 岩芯开裂的判别标准；
第四步：开始对岩芯施加轴向压力以进行压裂，用轴向压力泵(5)增加轴向压力机上的 压力，并观察声波检测仪(12)的显示器上的累计曲线，当达到岩芯开裂程度为15％时停止 压裂，撤去轴向压力机上的压力；测定岩芯开裂程度为15％情况下的的岩芯渗透能力,按照 0.1MPa的压力梯度增加夹持器模型的进气口压力值，并随着进气口压力变化调节围压压力和 回压压力，使用围压泵(6)增加围压腔的围压压力，将围压压力控制在比夹持器模型的进气 口压力高出1MPa，同时使回压泵(7)与回压阀(13)连通以保持夹持器模型出气口处的回 压压力与围压压力的数值相一致；每次进气口压力增加0.1MPa，都需要等待气体稳定渗流， 等待时间为半个小时，直到进气口压力值不再变化，再通过皂沫流量计(14)记录当前压力 状态下单位时间内的气体流量；记录10组15％开裂程度情况下的皂沫流量计(14)的气体流量 数据；撤去进气口压力时并注意降低围压和回压，保证围压压力和回压压力与进气口压力相 差在1Mpa；之后卸掉压裂后的岩芯，换上相同地质条件的新的岩芯；
第五步：重复第四步分别得到岩芯开裂程度为30％、45％、60％、75％情况下的皂沫流量计 (14)的气体流量数据，每个开裂程度下的气体流量数据记录有10组；
第六步：关闭该试验装置，将没有人工压裂裂缝情况下的所述气体流量数据和岩芯开裂 程度为15％、30％、45％、60％、75％情况下的皂沫流量计(14)的气体流量数据绘成渗透曲线， 将各条曲线进行对比从而得到气体在不同裂缝中渗流规律，从而选择合适的开裂程度对岩芯 进行压裂。

一种页岩气在微裂缝中渗流规律的测定试验装置和方法
技术领域
本发明属于页岩气勘探开发领域，具体涉及一种页岩气在微裂缝中渗流规律的测定试验装置和方法，研究岩芯不同的受损程度即微裂缝情况下页岩气的渗透规律。
背景技术
随着世界各国对能源需求的不断攀升，非常规气藏的发展正改变着世界的能源格局并成为全球开发的焦点。页岩气属于非常规天然气，其主体上以吸附和游离状态同时赋存于具有生烃能力的泥岩、页岩等地层中的天然气，具有自生自储、吸附成藏、隐蔽聚集等特点。页岩气藏的孔渗结构与常规气藏有着显著不同，页岩气藏属于特低孔、特低渗且存在吸附解吸等特性，其储渗结构属于纳微米数量级并具有很强的多尺度性。其气体产出是微观孔喉，微裂缝，宏观裂缝以及水力裂缝等渗流通道的一系列过程的耦合。
了解页岩气藏孔渗结构特征、评价方法及多尺度渗流机理，找出开发页岩气需重点研究的方向，为下一步页岩气高效开发提供相关指导。我国非常规页岩气藏储量巨大，因此研究并掌握非常规页岩微裂缝气藏的渗透规律对页岩气的开采和气藏采收率的计算至关重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种页岩气在微裂缝中渗流规律的测定方法和试验装置。该方法是页岩岩芯在三轴围压和压裂条件下的裂隙扩展与分布特征，测试不同裂缝中渗流特性，为研究微裂缝压裂和页岩气开采提供理论和试验依据。
本发明提供一种页岩气在微裂缝中渗流规律的测定试验装置，其包括渗流系统、压裂系统、数据采集处理系统和三轴岩芯夹持器(4)；
三轴岩芯夹持器(4)由夹持器模型围成的内腔和夹持器模型外部的外腔两部分组成，内腔中具有页岩岩芯，外腔为围压腔；夹持器模型优选为橡胶套的形式；夹持器模型具有进气口和出气口；
压裂系统包括轴向压力泵(5)、轴向压力机以及围压泵(6)，其中轴向压力泵(5)连通轴向压力机，其将流体泵入到轴向压力机，使轴向压力机的活塞杆作用到页岩岩芯，通过活塞杆的轴向压力使岩芯压裂；围压泵(6)将液体，比如水，泵入到围压腔，对围压腔施加压力， 保持围压压力比夹持器模型的进气口的压力大1MPa，并随着夹持器模型的进气口压力变化调节围压压力；
数据采集处理系统包括应变片检测仪(11)、声波检测仪(12)和皂沫流量计(14)，应变片检测(11)的应力片设置在岩芯的外壁上，声波检测仪(12)包括金属堵头和声波探头，其中金属堵头采用凹式结构，设置在岩芯的上下两端，将声波探头装入安装在凹式结构中，既能承受高压又配合紧密不影响声波的检测，同时采用激光打孔，把金属堵头凹式结构的内表面加工出环形槽，保证气体从声波探头周围进入岩芯，通过声波检测仪和应变片检测仪对轴向压力泵压裂过程中的岩芯进行实时监测，确定岩芯的压裂程度；皂沫流量计(14)用于测量经回压阀(13)流入皂沫流量计(14)的所述岩芯渗流通过的气体流量；
渗流系统包括气源(8)、活塞容器罐(9)、注入泵(10)、进气口压力调压阀(1)、气体过滤器(2)、气体干燥器(3)、回压泵(7)和回压阀(13)，气源(8)中的气体在注入泵(10)的作用下通过活塞容器罐(9)、气体过滤器(2)以及气体干燥器(3)进入夹持器模型的进气口，并且进入岩芯，活塞容器罐(9)连接注入泵(10)和气源(8)，用于控制气体恒压或者恒速流动，进气口压力调压阀(1)可以调节进气口的气体压力，通过岩芯渗流过出来的气体通过夹持器模型的出气口，经回压阀(13)流入皂沫流量计(14)并且测量出所述岩芯渗流通过的气体流量；回压泵(7)与回压阀(13)连接，回压阀(13)设置在岩芯夹持器模型的出气口和皂液流量计(14)之间，回压泵(7)将液体，比如水，泵入到回压阀(13)的胶垫腔中，通过胶垫作用到通过回压阀(13)的气体上，通过回压泵(7)与回压阀(13)的作用以保持夹持器模型出气口处的回压与围压的压力数值相一致。
本发明还提供一种采用上述的试验装置测定页岩气在微裂缝中渗流规律的方法，包括以下步骤：
第一步：打开三轴岩芯夹持器(4)，将页岩岩芯装入三轴岩芯夹持器(4)的夹持器模型中，封闭三轴岩芯夹持器(4)，打开注入泵(10)使活塞容器罐(9)达到2Mpa，并且将围压升至3MPa，气源(8)中的气体在注入泵(10)的作用下通过活塞容器罐(9)、气体过滤器(2)以及气体干燥器(3)进入夹持器模型的进气口，并且进入岩芯，并且流出夹持器模型的出气口进入皂液流量计(14)，检验整个试验装置的气密性；
第二步：先测定没有人工压裂裂缝情况下的岩芯渗透能力,调节进口气体压力达到0.2Mpa，用皂沫流量计(14)测量当前压力下单位时间内的气体流量；然后按照0.1MPa的压力梯度增加夹持器模型的进气口压力值，并随着进气口压力变化调节围压压力和回压压力，使用围压泵(6)增加围压腔的围压压力，将围压压力控制在比夹持器模型的进气口压力高出1MPa，同时使回压泵(7)与回压阀(13)连通以保持夹持器模型出气口处的回压压力与围压压力的 数值相一致；每次进气口压力增加0.1MPa，都需要等待气体稳定渗流，等待时间约为半个小时，直到进气口压力值不再变化，再通过皂沫流量计(14)记录当前压力状态下单位时间内的气体流量；记录10组皂沫流量计(14)的气体流量数据；然后撤去回压，再撤去围压，最后慢慢降低进气口压力直到0MPa；
第三步：打开声波检测仪(12)和应变片检测仪(11)，以用于监测岩芯内裂缝变化；其中，声波检测仪(12)的显示器上生成的是累计曲线，表示单位时间步长内能检测到的声波数量，超过阈值的有效声波数量所占的时间步长与总的开裂时间步长相比数值即为此岩芯裂缝的开裂程度；应变片检测仪(11)的显示器生成的是岩芯随着压力增加而呈现压力与应变之间的关系曲线，关系曲线在岩芯快要开裂或者刚开始开裂时，关系曲线发生变化，以作为岩芯开裂的判别标准；
第四步：开始对岩芯施加轴向压力以进行压裂，用轴向压力泵(5)增加轴向压力机上的压力，并观察声波检测仪(12)的显示器上的累计曲线，当达到岩芯开裂程度为15％时停止压裂，撤去轴向压力机上的压力；测定岩芯开裂程度为15％情况下的的岩芯渗透能力,按照0.1MPa的压力梯度增加夹持器模型的进气口压力值，并随着进气口压力变化调节围压压力和回压压力，使用围压泵(6)增加围压腔的围压压力，将围压压力控制在比夹持器模型的进气口压力高出1MPa，同时使回压泵(7)与回压阀(13)连通以保持夹持器模型出气口处的回压压力与围压压力的数值相一致；每次进气口压力增加0.1MPa，都需要等待气体稳定渗流，等待时间为半个小时，直到进气口压力值不再变化，再通过皂沫流量计(14)记录当前压力状态下单位时间内的气体流量；记录10组15％开裂程度情况下的皂沫流量计(14)的气体流量数据；撤去进气口压力时并注意降低围压和回压，保证围压压力和回压压力与进气口压力相差在1Mpa；之后卸掉压裂后的岩芯，换上相同地质条件的新的岩芯；
第五步：重复第四步分别得到岩芯开裂程度为30％、45％、60％、75％情况下的皂沫流量计(14)的气体流量数据，每个开裂程度下的气体流量数据记录有10组；
第六步：关闭该试验装置，将没有人工压裂裂缝情况下的所述气体流量数据和岩芯开裂程度为15％、30％、45％、60％、75％情况下的皂沫流量计(14)的气体流量数据绘成渗透曲线，将各条曲线进行对比从而得到气体在不同裂缝中渗流规律，从而选择合适的开裂程度对岩芯进行压裂。
附图说明
图1是本发明试验装置的结构示意图；
图2是本发明试验提供的页岩气在不同裂缝中渗透率曲线与完好岩芯中渗透率曲线的对比图；
图中，1进气口压力调压阀；2气体过滤器；3气体干燥器；4三轴岩芯夹持器(由内外两部分组成，内部是用于加持岩芯的内腔，外部为围压环境，两部分之间用硬橡胶完全隔离)；5轴向压力泵(连接到岩芯两端)；6围压泵(连接到岩芯夹持器的围压环境)；7回压泵；8气源；9活塞容器罐(连接注入泵和气源，用于控制气体恒压或者恒速流动)；10注入泵(连接到活塞容器罐)；11应变片检测仪(连接到岩芯两端)；12声波检测仪(连接到岩芯两端)；13回压阀；14皂沫流量计。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述：
如图1所示，一种页岩气在微裂缝中渗流规律的测定试验装置包括渗流系统、压裂系统、数据采集处理系统和三轴岩芯夹持器。
三轴岩芯夹持器4由夹持器模型围成的内腔和夹持器模型外部的外腔两部分组成，夹持器模型为橡胶套的形式，内腔中具有岩芯，外腔为围压腔。夹持器模型具有进气口和出气口。
压裂系统包括轴向压力泵5、轴向压力机以及围压泵6。其中轴向压力泵5连通轴向压力机，其将气体泵入到轴向压力机，使轴向压力机的活塞杆作用到岩芯，通过活塞杆的轴向压力使岩芯压裂。围压泵6将液体，比如水，泵入到围压腔，对围压腔施加压力，保持围压压力比夹持器模型的进气口的压力大1MPa。并随着夹持器模型的进气口压力变化调节围压压力。
数据采集处理系统包括应变片检测仪11、声波检测仪12和皂沫流量计14，应变片检测11的应力片设置在岩芯的外壁上，声波检测仪12包括金属堵头和声波探头，其中金属堵头采用凹式结构，设置在岩芯的上下两端，将声波探头装入安装在凹式结构中，既能承受高压又配合紧密不影响声波的检测，同时采用激光打孔，把金属堵头凹式结构的内表面加工出环形槽，保证气体从声波探头周围进入岩芯，通过声波检测仪和应变片检测仪对轴向压力泵压裂过程中的页岩岩芯进行实时监测，确定岩芯的压裂程度即受损程度；皂沫流量计14用于测量经回压阀13流入皂沫流量计14的所述岩芯渗流通过的气体流量。
渗流系统包括气源8、活塞容器罐9、注入泵10、进气口压力调压阀1、气体过滤器2、气体干燥器3、回压泵7和回压阀13，气源8中的气体在注入泵10的作用下通过活塞容器罐9、气体过滤器2以及气体干燥器3进入夹持器模型的进气口，并且进入岩芯，活塞容器罐9连接注入泵10和气源8，用于控制气体恒压或者恒速流动，进气口压力调压阀1可以调节进气口的气体压力，通过岩芯渗流过出来的气体通过夹持器模型的出气口，经回压阀13流入皂沫流量计14并且测量出所述岩芯渗流通过的气体流量。回压泵7与回压阀13连接，回压阀 13设置在岩芯夹持器模型的出气口和皂液流量计14之间，回压泵7将液体，比如水，泵入到回压阀13的胶垫腔中，通过胶垫作用到通过回压阀13的气体上，通过回压泵7与回压阀13的作用以保持夹持器模型出气口处的回压与围压的压力数值相一致。
进气口压力(指的是三轴岩芯夹持器进气口处的气体压力)的第一个数值一般是0.2MPa，第一次围压加1.2MPa左右；提高进气口压力，不改变出气口压力(指的是三轴岩芯夹持器出气口处的气体压力)。选择固定的压力梯度变化，前后两次测量进气口压力差为0.1MPa。保持围压比进气口压力大1MPa。
使用该试验装置测量页岩气在微裂缝中渗透规律的方法如下：
第一步：打开三轴岩芯夹持器4，将岩芯装入三轴岩芯夹持器4的夹持器模型中，封闭三轴岩芯夹持器4，打开注入泵10使活塞容器罐9达到2Mpa，并且将围压升至3MPa，气源8中的气体在注入泵10的作用下通过活塞容器罐9、气体过滤器2以及气体干燥器3进入夹持器模型的进气口，并且进入岩芯，并且流出夹持器模型的出气口进入皂液流量计14，检验整个试验装置的气密性；
第二步：先测定没有人工压裂裂缝情况下的岩芯渗透能力,调节进口气体压力达到0.2Mpa，用皂沫流量计14测量当前压力下单位时间内的气体流量；然后按照0.1MPa的压力梯度增加夹持器模型的进气口压力值，并随着进气口压力变化调节围压压力和回压压力，使用围压泵6增加围压腔的围压压力，将围压压力控制在比夹持器模型的进气口压力高出1MPa，同时使回压泵7与回压阀13连通以保持夹持器模型出气口处的回压压力与围压压力的数值相一致；每次进气口压力增加0.1MPa，都需要等待气体稳定渗流，等待时间为半个小时，直到进气口压力值不再变化，再通过皂沫流量计14记录当前压力状态下单位时间内的气体流量；记录10组皂沫流量计14的气体流量数据以用于后面压力—流量曲线的绘制；然后撤去回压，再撤去围压，最后慢慢降低进气口压力直到0MPa；
第三步：打开声波检测仪12和应变片检测仪11，以用于监测岩芯内裂缝变化；每一个裂缝开裂时都会因为振动产生声波，声波是有能量的，声波检测仪12将从声波探头监测到的这些声波能量信号统计下来，然后把每一个时间步长内发生的声波能量信号累计表达，形成一个实时统计表格(即累积曲线)，表示单位时间步长内能检测到的声波数量，其横坐标表示时间，纵坐标表示声波数量，当某一段时间内声波能量累计量(声波数量)突然增大，说明比较大的裂缝正在生成，说明岩芯已经裂开。可以采用阈值来判别声波信号中的有效信号，阈值是指在实时统计表格上划定的一条水平线，用来去除声波信号中的杂音，凡是超过阈值的信号才能算做有效的声波数量，然后统计有效声波数量，有效声波数量所占的时间步长与总的开裂时间步长相比数值即为此岩芯裂缝的开裂程度，可以用于判定裂缝的开裂程 度，这样就可以制得不同开裂程度岩芯；应变片检测仪11的显示器显示的是岩芯随着压力增加而呈现压力与应变之间的关系曲线，根据材料力学原理，这样的关系曲线在岩芯快要开裂或者刚开始开裂时，关系曲线会出现明显的抖动，即向下移动偏离原预定光滑曲线，可以用这个特征作为岩芯开裂的判别标准。
第四步：开始对岩芯施加轴向压力以进行压裂，用轴向压力泵5增加轴向压力机上的压力，并观察声波检测仪12的显示器上的形成一个实时统计表格(即累积曲线)，当达到岩芯开裂程度为15％时停止压裂，撤去轴向压力机上的压力；岩芯开裂程度为有效声波数量所占的时间步长与总的开裂时间步长相比数值；测定岩芯开裂程度为15％情况下的的岩芯渗透能力,按照0.1MPa的压力梯度增加夹持器模型的进气口压力值，并随着进气口压力变化调节围压压力和回压压力，使用围压泵6增加围压腔的围压压力，将围压压力控制在比夹持器模型的进气口压力高出1MPa，同时使回压泵7与回压阀13连通以保持夹持器模型出气口处的回压压力与围压压力的数值相一致；每次进气口压力增加0.1MPa，都需要等待气体稳定渗流，等待时间为半个小时，直到进气口压力值不再变化，再通过皂沫流量计14记录当前压力状态下单位时间内的气体流量；记录10组15％开裂程度情况下的皂沫流量计14的气体流量数据以用于后面的压力—流量曲线的绘制；撤去进气口压力时并注意降低围压和回压，保证围压压力和回压压力一定与进气口压力相差在1Mpa；之后卸掉压裂后的岩芯，换上相同地质条件的新的岩芯；
第五步：采用第四步的步骤分别测量当岩芯开裂程度为30％、45％、60％、75％情况下的皂沫流量计14的气体流量数据，每个开裂程度情况下的气体流量数据记录有10组；
第六步：关闭该试验装置，将没有人工压裂裂缝情况下的岩芯气体流量数据和不同开裂程度情况下的岩芯气体流量数据绘成渗透曲线，将各条曲线进行对比从而得到气体在不同裂缝中渗流规律，从而选择合适的开裂程度对岩芯进行压裂。