CN104677778A - 煤层气压裂过程中冰冻暂堵性能评价装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油天然气开发领域，针对低温气体压裂/辅助压裂煤层气过程中的冰冻暂堵降滤失机理缺乏室内研究手段的问题，提供了一种低温气体压裂/辅助压裂煤层气过程中冰冻暂堵性能评价装置及方法。该实验装置包括增压泵、中间容器组、高压小容器瓶、岩心夹持器、真空泵、恒温箱、压力传感器、温度传感器、数据采集箱和控制电脑等。通过本发明装置和方法，可模拟低温环境下结冰或形成的水合物对煤层的封堵能力，以及随着环境温度升高后，结冰或水合物溶解对煤层封堵能力的影响，对于评价低温气体压裂/辅助压裂煤层气过程中的冰冻暂堵将漏失性能具有重要意义。

Description

煤层气压裂过程中冰冻暂堵性能评价装置及方法

技术领域

本发明涉及石油天然气开发领域，特别涉及一种低温气体压裂/辅助压裂煤层气过程中冰冻暂堵性能评价装置及方法。

背景技术

水力压裂是煤层气增产的主要措施。目前常用活性水压裂存在压裂液滤失严重、返排率低、压裂裂缝短而复杂等问题，采用新型压裂液和有效暂堵技术是改善压裂效果的关键。利用液氮/液态CO₂压裂/辅助压裂煤层气，具有增能助排、降滤失、对地层伤害小等优点，上世纪九十年代，在北美页岩气新井压裂和煤层气老井重复压裂中，曾选用液氮作为压裂液；近年来，我国液氮/液态CO₂压裂/辅助压裂工艺也从石油行业成功应用到安徽淮北、河南焦作、华北油田和陕西韩城等煤层气压裂中。这些现场实践都取得了不同程度的增产效果。对于液氮/液态CO₂压裂/辅助压裂煤层气，人们更多地还是关注其常规机理，而对于液氮/液态CO₂等低温气体注入煤层后产生的冷冲击作用以及可能实现的冰冻暂堵降滤失等机理提及较少，缺乏理论认识、室内评价和现场验证。

压裂过程中，注入液氮/液态CO₂对煤层产生冷冲击，可以初步改善近井煤层的裂缝***和岩石力学性质，同时为后续冰冻暂堵降低压裂液漏失提供一个孔隙水结冰和维持一定热力学稳定时间的低温环境。煤岩具有较小的导热系数和敏感的热胀冷缩特性，当近井煤层短时间内与大量低温气体接触时，会导致煤岩基质剧烈收缩，当产生的收缩应力超过煤岩的抗拉强度时，会在煤层内部形成许多热应力裂缝，致使煤岩强度降低，有利于压裂裂缝延伸至更深地层。而在冷冲击作用形成的低温环境下，煤层裂缝中的地层水/注入的活性水会结冰，或与注入的低温气体(如液态CO₂)/原生甲烷形成气体水合物。地层水结冰或形成水合物都会堵塞煤层的高渗通道，起到降低压裂液漏失的作用。而随着煤层温度升高，形成的冰堵又会融化，不会对煤层造成伤害。

发明内容

本发明的目的就是针对低温气体压裂/辅助压裂煤层气过程中的冰冻暂堵降滤失机理缺乏室内研究手段的问题，提供一种评价煤层气压裂过程中冰冻暂堵性能的实验装置及方法。该实验装置主要由增压泵、中间容器组、高压小容器瓶、岩心夹持器、真空泵、恒温箱、压力传感器、温度传感器、数据采集箱、控制电脑等组成，如附图1。

实验步骤主要包括：(1)将煤心放入岩心夹持器，连接好设备、管线；(2)采用压降法气测煤心渗透率；(3)向煤心中通入气体和水，达到设定的含气、含水饱和度；(4)开启恒温箱降温至-20℃，待煤心中的水结冰或形成水合物(煤心孔隙中只存在气固两相)；(5)再采用压降法气测煤心渗透率，评价冰冻封堵效果；(6)将恒温箱迅速加热至某一温度，记录岩心夹持器温度以及前端压降变化。

其中：

步骤(1)：所采用干燥煤心尺寸直径2.5cm，长度5cm；所采用煤心种类包括原始煤心、液氮冷冲击煤心或压裂煤心；将煤心放置于液氮中浸泡10min，产生大量热应力裂缝，待煤心与液氮接触表面不再有大量气泡产生，表明煤心已经冷却均匀，取出恢复至常温，可得到冷冲击煤心；在保持煤心相对完整的前提下，通过向煤心两端施加一定应力，使煤心产生一条或多条长裂缝，可得到压裂煤心。(说明：所用岩心并不局限于煤心，还包括页岩、致密砂岩等低渗、特低渗岩心)

步骤(2)：采用N₂进行压降法气测煤心原始渗透率，即煤心前端接入装有高压N₂的小气瓶(5ml)，煤心后端放空，随着N₂通过煤心，记录煤心前端的压力下降曲线，采用气测渗透率原理，计算煤心的渗透率(具体计算步骤见后文)。

步骤(3)：通过增压泵和中间容器，先向煤心中注水饱和，然后设定煤心后端背压阀压力，继续注水至设定压力，再注入气体达到所设定的含水饱和度；注入的气体可以是CO₂、N₂和CH₄等气体中的一种或几种；注入的水可以是蒸馏水、地层水、活性水、压裂液等水基流体中的一种或几种。

步骤(4)：恒温箱控温范围在-20～60℃；将恒温箱温度控制在-20℃，并保持足够长的时间，使所有或绝大多数水结冰或形成气体水合物，此时煤心孔隙中主要存在气固两相。

步骤(5)：再采用压降法测量结冰或形成水合物煤心的渗透率，步骤如步骤2，但此时煤心后端存在背压；评价结冰或水合物对煤心渗透率的影响。

步骤(6)：用于评价当环境温度升高时，结冰或水合物对煤层封堵能力的维持能力。

本发明的有益效果为：

通过本发明的装置和方法，可以模拟低温环境下结冰或形成的水合物对煤层的封堵能力，以及随着环境温度升高后，结冰或水合物溶解对煤层封堵能力的影响，对于评价低温气体压裂/辅助压裂煤层气过程中的冰冻暂堵降漏失性能具有重要意义。

附图说明

附图1为本发明具体实施方式的工作原理图

图中：1、供水烧杯，2—增压泵，3、中间容器(用于装入蒸馏水)，4、中间容器(用于装入高压N₂)，5、中间容器(用于装入蒸馏水/地层水/活性水/压裂液等水基流体)，6、中间容器(用于装入N₂/CO₂/CH₄等高压气体)，7、高压小气瓶(5ml)，8、岩心夹持器及煤心，9、背压阀，10、接液量筒，11、真空泵，12、恒温箱(控温范围-20～60℃)，13、压力传感器，14、岩心夹持器温度传感器，15、恒温箱温度传感器，16、数据采集箱，17、控制电脑，18、气瓶，19-22、阀门19-22(自左向右)，23-26、阀门23-26(自左向右)，27-35、阀门。

附图2为岩心夹持器入口段压降曲线

具体实施方式

结合附图1，对本发明做进一步的描述。

具体步骤如下：

(1)将干燥煤心放入岩心夹持器8中，并按照附图将设备和管线连接好，初始所有阀门全部关闭。(做好准备工作)

(2)打开阀门19、23、29，启动增压泵2，通过中间容器3注入蒸馏水，对岩心加持器施加围压至P_s(8MPa)，然后关闭阀门19、23、29。(对岩心夹持器加围压)

(3)打开阀门34，启动真空泵11，对高压小气瓶7(V_btl＝5ml)抽真空1-2小时，然后停止真空泵11，并关闭阀门34。(对高压小气瓶抽真空)

(4)打开阀门20、24、27、33，启动增压泵2，通过中间容器4向高压小气瓶7中注入高压N2，至P₁(6MPa)，然后关闭阀门20、24、27、33。(向高压小气瓶充入高压氮气)

(5)打开阀门35、28，启动真空泵11，对岩心夹持器8中的煤心及相关管线抽真空3-4小时，然后停止真空泵11，关闭阀门35。(对煤心抽真空)

(6)打开阀门33，高压小气瓶7中的高压N2进入岩心加持器8中的煤心，等待压力平衡后，记录高压小气瓶的压力P_1eq，根据气体状态方程，计算煤心孔隙体积V_por，其中封闭空间内连接管线体积记为V_line。(根据压力变化求孔隙体积)

(7)打开阀门30，将岩心夹持器8后端放空，高压小气瓶7中的压力P₁将逐渐下降衰竭，采用压力传感器13和数据采集箱16实时监测压力变化，并将压力数据存储于控制电脑17中，待高压小气瓶7中的压力稳定不再下降时，关闭阀门33、28、30；对压降曲线进行处理，计算煤心渗透率，计算方法见后文。(采用压降法测量渗透率)

(8)打开阀门32，通过气瓶18，为背压阀9提供背压P₂(6MPa)。(开启背压)

(9)打开阀门35、27、28、31，启动真空泵11，对岩心夹持器8中的煤心及相关管线抽真空3-4小时，然后停止真空泵11，关闭阀门35。(对煤心抽真空)

(10)打开阀门21、25，启动增压泵2，通过中间容器5，向煤心中注入蒸馏水/地层水/活性水/压裂液等水基流体，至压力达到P₂(6MPa)后，突破背压阀背压P₂(6MPa)，连续注入3倍于煤心孔隙体积(3V_por)的水基流体，然后关闭阀门21、25。(高压饱和水基流体)

(11)打开阀门22、26，向煤心中注入一定体积的N₂/CH₄/CO₂等高压气体(或无需注入气体)，采用量筒10计量产出水基流体的体积V_pro，计算煤心中的气、水饱和度S_g、S_w，然后关闭阀门22、26、27、28、31。(高压饱和气体)

(12)开启恒温箱12，降温至-20℃，并保持6-12小时，等待岩心夹持器8中煤心的全部或绝大部分孔隙水结冰或形成水合物，此时煤心孔隙中只存在气固两相。(使孔隙水结冰或形成水合物)

(13)再采用类似步骤(2-7)中的方法，测量煤心渗透率，但要求岩心夹持器8围压提高至P_s ^’(14MPa)，高压小气瓶7中的初始压力提高至P₁ ^’(12MPa)，岩心夹持器后端背压阀9压力仍保持在P₂(6MPa)；分析煤心在冰冻前后的渗透率变化，评价冰冻封堵效果。(测量冰冻煤心渗透率率)

(14)再采用类似步骤(13)中的方法，将高压小气瓶中的压力提高至P₁ ^’(12MPa)；将恒温箱12的温度迅速提高至10-60℃，分别采用温度传感器14、15，记录恒温箱12和岩心夹持器8的温度变化；打开阀门33、28、31，采用压力传感器13，记录高压小气瓶7中的压力下降曲线；根据压降曲线，分析压降特征，结合恒温箱12和岩心夹持器8温度变化特征，评价当环境温度升高时，结冰或水合物对煤心封堵的维持能力。(评价封堵维持情况)

煤心孔隙度计算方法：根据气体状态方程，P₁V_btl/z₁＝P_1ep(V_por+V_btl+V_line)/z₂，求得

$V_{\mathrm{por}}=\frac{z_2{P}_1{V}_{\mathrm{btl}}}{z_1{P}_{1\mathrm{eq}}}-(V_{\mathrm{btl}}+V_{\mathrm{line}})---\left(1\right)$

煤心渗透率计算方法：气测渗透率公式如下：

$K_g=\frac{2Q_0{p}_0\mathrm{\μL}}{A(P_1^2-P_2^2)}---\left(2\right)$

其中，k_g为气体渗透率，D；P₁为进口(岩心夹持器前端)压力，10^-1MPa；P₂为出口(岩心夹持器后端)压力，10^-1MPa；P₀为大气压力，10^-1MPa；μ为气体粘度，mPa·s；Q₀为大气压下的气体体积流量，cm³/s；A为煤心样品的截面积，cm²；L为煤心品的长度，cm。

通过实验得到岩心夹持器前端(高压小气瓶)的压降曲线如图2，则在t_i～t_i+1(i在0～n之间)时间段内，岩心夹持器前端平均压力为：

P_1ia＝(P_1i+P_1i+1)/2            (3)

气体流量则可以根据状态方程以及高压小气瓶中的压力变化求得，如下：

$n_i=\frac{P_{1i}{V}_{\mathrm{btl}}}{z_i\mathrm{RT}},n_{i+1}=\frac{P_{1i+1}{V}_{\mathrm{btl}}}{z_{i+1}\mathrm{RT}}---\left(4\right)$

$Q_{0i}=\frac{22.4\×(n_i-n_{i+1})}{t_{i+1}-t_i}---\left(5\right)$

将式(3)、(5)代入式(2)，这样就可以求得任意时间段t_i～t_i+1内的煤心气测渗透率K_gi，绘制K_gi～P_1i的关系曲线，并进行指数函数拟合，其在纵轴的截距即为煤心的渗透率。

Claims (7)

1.一种评价煤层气压裂过程中冰冻暂堵性能的实验装置及方法，其特征在于：实验步骤为： 

(1)将煤心放入岩心夹持器，连接好设备、管线； 

(2)采用压降法气测煤心渗透率； 

(3)向煤心中通入气体和水，达到设定的含气、含水饱和度； 

(4)开启恒温箱降温至-20℃，待煤心中的水结冰或形成水合物(煤心孔隙中只存在气固两相)； 

(5)再采用压降法气测煤心渗透率，评价冰冻封堵效果； 

(6)将恒温箱迅速加热至某一温度，记录岩心夹持器温度以及前端压降变化。 

2.如权利要求1中所述的注超临界CO₂开采干热岩地热的预防渗漏工艺，其特征在于：步骤(1)中所采用干燥煤心尺寸直径2.5cm，长度5cm；所采用煤心种类包括原始煤心、液氮冷冲击煤心或压裂煤心；将煤心放置于液氮中浸泡10min，产生大量热应力裂缝，待煤心与液氮接触表面不再有大量气泡产生，表明煤心已经冷却均匀，取出恢复至常温，可得到冷冲击煤心；在保持煤心相对完整的前提下，通过向煤心两端施加一定应力，使煤心产生一条或多条长裂缝，可得到压裂煤心。(说明：所用岩心并不局限于煤心，还包括页岩、致密砂岩等低渗、特低渗岩心)。 

3.如权利要求1中所述的注超临界CO₂开采干热岩地热的预防渗漏工艺，其特征在于：步骤(2)中采用N₂进行压降法气测煤心原始渗透率，即煤心前端接入装有高压N₂的小气瓶(5ml)，煤心后端放空，随着N₂通过煤心，记录煤心前端的压力下降曲线，采用气测渗透率原理，计算煤心的渗透率。 

4.如权利要求1中所述的注超临界CO₂开采干热岩地热的预防渗漏工艺，其特征在于：步骤(3)中通过增压泵和中间容器，先向煤心中注水饱和，然后设定煤心后端背压阀压力，继续注水至设定压力，再注入气体达到所设定的含水饱和度；注入的气体可以是CO₂、N₂和CH₄等气体中的一种或几种；注入的水可以是蒸馏水、地层水、活性水、压裂液等水基流体中的一种或几种。 

5.如权利要求1中所述的注超临界CO₂开采干热岩地热的预防渗漏工艺，其特征在于：步骤(4)中恒温箱控温范围在-20～60℃；将恒温箱温度控制在-20℃，并保持足够长的时间，使所有或绝大多数水结冰或形成气体水合物，此时煤心孔隙中主要存在气固两相。 

6.如权利要求1中所述的注超临界CO₂开采干热岩地热的预防渗漏工艺，其特征在于：步骤(5)中再采用压降法测量结冰或形成水合物煤心的渗透率，步骤如权利要求3中表述，但此时煤心后端存在背压；通过与步骤(2)测得渗透率对比，评价结冰或水合物对煤心渗透 率的影响。 

7.如权利要求1中所述的注超临界CO₂开采干热岩地热的预防渗漏工艺，其特征在于：步骤(6)中通过记录前端压降变化，计算当环境温度升高时，结冰或水合物对煤层封堵能力的维持能力。