CN109507077A - 模拟原位条件下超临界二氧化碳煤岩压裂ct成像和评价装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种模拟原位条件下超临界二氧化碳煤岩压裂CT成像和评价装置及其使用方法，属于煤层气强化开采领域。该装置可提供试件尺寸为Φ50×100mm，试件轴压与围压可分别达50MPa，试件环境温度达100℃，模拟煤层埋藏深度达2000m的地质环境条件下的超临界二氧化碳压裂装置。该装置由原位环境模拟装置、CT扫描装置、超临界二氧化碳压裂装置、渗透率测量装置及数据采集装置组成。本发明克服了现有实验室研究过程中无法在模拟原位条件下直观观测超临界二氧化碳压裂后裂纹形态的不足，可实时观测超临界二氧化碳压裂后煤体内部的裂纹形态，并结合超临界二氧化碳压裂前后煤体的渗透性变化，综合评价超临界二氧化碳的压裂效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟原位条件下超临界二氧化碳煤岩压裂CT成像和评价装置及其使用方法，属于煤层气强化开采领域。
背景技术
我国煤层中蕴含丰富的煤层气资源，然而，我国煤层渗透率普遍较低，介于0.002×10-15~16.17×10-15m2，其中渗透率小于1×10-15m2的煤层占已探明煤碳资源总量的72%，较低的煤层渗透率严重制约我国煤层气产业的发展。水力压裂作为一种改良储层渗透性的手段，近年来被广泛运用于煤层气开采过程中。然而，传统水力压裂过程中会出现水敏现象，影响煤层渗透率，且还存在压裂液回收工艺复杂、用水量较大等问题，尤其在较为缺水的地区，这一技术存在成本高、局限性大等问题。因此，诸如超临界二氧化碳压裂技术等新型低伤害无水压裂技术的研究相继兴起。
超临界二氧化碳是指二氧化碳温度超过31.1℃，压力超过7.38MPa时流体的一种特殊状态。超临界二氧化碳具有密度高、粘度低和流动性好的优点，使用超临界二氧化碳代替水作为压裂液，不仅可以解决压裂过程中储层的水敏问题，而且由于超临界二氧化碳在煤体中具有很强的吸附性，部分吸附的二氧化碳可以置换出煤体中吸附的瓦斯，提高煤层气的产量。目前，对于原位条件下超临界二氧化碳压裂过程中裂纹的扩展机制仍存在不足，实验室研究过程中仍存在采用的监测手段无法直观测得裂纹形态，仍需卸压取出试件观测，且在压裂后不能立即在原位条件下进行压裂效果评价等问题，因此，需要建立一种模拟原位条件下超临界二氧化碳煤岩压裂成像装置及评价方法。
发明内容
本发明旨在提供一种模拟原位条件下超临界二氧化碳煤岩压裂CT成像和评价装置及其使用方法，解决了上述压裂实验过程中的问题，公开了一种能够模拟原位应力及温度条件下，超临界二氧化碳压裂后煤岩内部裂纹形态观测及压裂效果评价的试验装置。
本发明提供了一种模拟原位条件下超临界二氧化碳煤岩压裂CT成像和评价装置及其使用方法，该装置可提供试件尺寸为Φ50×100mm，试件轴压与围压可分别达50MPa，试件环境温度达100℃，模拟煤层埋藏深度达2000m的地质环境条件下的超临界二氧化碳压裂；该装置由原位环境模拟装置、CT扫描装置、超临界二氧化碳压裂装置、渗透率测量装置与数据采集装置五大装置组成；
其中原位环境模拟装置主要围绕Φ50×100mm煤样试件，施加0~50MPa与20~100℃范围的压力温度条件，具体由岩心夹持器、轴压加载泵、围压双缸循环流体加载泵及温度控制子装置构成，煤样试件置于岩心夹持器内部，夹持器置于高精度机械转台之上，轴压加载泵通过高压管线与岩心夹持器底部的轴压缸体相连，为煤样试件提供稳定的轴向压力流体，围压双缸循环流体加载泵通过高压管线分别与岩心夹持器围压缸体的上部和下部连接，形成围压流体的内部循环流动，起连接作用的高压管线置于温度控制子装置的内部，温度控制子装置由热电偶和温度传感器组成，温度控制子装置通过加热注入的围压流体实现对岩心夹持器内部环境的温度控制；
CT扫描装置主要是为原位环境模拟装置中的煤样试件提供可视化观测，具体是由X光机、X射线接收器、高精度机械转台及计算机组成，岩心夹持器位于高精度机械转台上，X光机与X射线接收器分设在岩心夹持器的两侧且二者对应设置；X光机发射锥束X射线透射煤样试件，经X射线接收器接收后将数据传输至计算机，计算机对信号进行分析重建得到煤样试件的CT图像；
超临界二氧化碳压裂装置主要是对原位环境模拟装置中的煤样试件进行恒定流量条件下的超临界二氧化碳注入，以达到压裂煤样试件的目的，主要是由液态二氧化碳储罐、二氧化碳增压泵、超临界二氧化碳储罐、二氧化碳温度控制子装置、高压恒流泵及流体压力传感器组成，二氧化碳温度控制子装置由热电偶和温度传感器构成，液态二氧化碳储罐与二氧化碳增压泵相连，二氧化碳增压泵对通入的液态二氧化碳进行增压并将增压后的液态二氧化碳泵入超临界二氧化碳储罐，超临界二氧化碳储罐外的二氧化碳温度控制子装置将液态二氧化碳加热，使液态二氧化碳变为超临界二氧化碳，再通过管线将超临界二氧化碳通入高压恒流泵，高压恒流泵以设定的流量将泵内的超临界二氧化碳注入到岩心夹持器内的煤样试件中，位于岩心夹持器上部的流体压力传感器实时监测注入超临界二氧化碳压力的变化；超临界二氧化碳储罐的出口与岩心夹持器连接；
渗透率测量装置主要是对原位环境模拟装置中的煤样试件进行稳定注入压力条件下的氦气注入，测量超临界二氧化碳压裂前后煤样试件渗透率的变化，具体由氦气气源、气体注入泵、气体流量计组成，氦气气源与气体注入泵相连，气体注入泵与岩心夹持器相连，由氦气气源通入的氦气经气体注入泵以设定的压力向夹持器内部的煤样试件注入氦气，经与岩心夹持器出口相连的气体流量计测量氦气的流量；
数据采集装置是对超临界二氧化碳的注入压力、氦气注入压力、气体流量计测量流量以及原位环境模拟装置的温度和压力进行采集；该装置是由计算机和数据采集卡组成，数据采集卡与压力传感器、气体流量计和温度传感器相连，数据采集卡将采集到的数据传输至计算机。
本发明提供了上述模拟原位条件下超临界二氧化碳煤岩压裂CT成像和评价装置的使用方法，包括以下步骤：
（1）将煤样试件置于岩心夹持器中，然后将岩心夹持器固定在高精度机械转台之上，开启轴压加载泵、围压双缸循环流体加载泵及温度控制子装置，将轴压、围压及温度加到实验设定值；
（2）打开氦气气源，开启气体注入泵，以设定的压力向夹持器内部的煤样试件注入氦气，气体流量计实时测量气体流量，待气体流量在一小时内保持不变后，关闭氦气气源、气体注入泵及第二阀门；
（3）打开X光机、X射线接收器、高精度机械转台及计算机装置，开始扫描煤样试件，经计算机装置处理后得到压裂前煤样试件的CT图像；
（4）打开液态二氧化碳储罐、二氧化碳增压泵及二氧化碳温度控制子装置，液态二氧化碳在超临界二氧化碳储罐内变成超临界二氧化碳，之后打开高压恒流泵和第一阀门，高压恒流泵以设定的流量开始向煤样试件内部注入超临界二氧化碳直至煤样试件破裂，然后关闭液态二氧化碳储罐、二氧化碳增压泵、二氧化碳温度控制子装置、高压恒流泵及第一阀门；
（5）重复步骤（3），得到超临界二氧化碳压裂后的煤样试件的CT图像；
（6）重复步骤（2），测量超临界二氧化碳压裂后气体流量，根据达西定律计算煤样试件的渗透率，达西定律计算公式如下：
式中，K为煤样渗透率；μ为氦气粘度，P1为岩心夹持器入口压力；P2为岩心夹持器出口压力； Q为氦气流量，L为煤样试件长度；A为煤样试件横截面积。
进一步地，所述煤样试件的尺寸为Φ50×100mm，试件轴压与围压分别达50MPa，试件环境温度达100℃，模拟煤层埋藏深度达2000m的地质环境条件下的超临界二氧化碳压裂；原位环境模拟装置主要围绕Φ50×100mm煤样试件，施加0~50MPa与20~100℃范围的压力、温度条件。
本发明的有益效果：
本发明一种模拟原位条件下超临界二氧化碳煤岩压裂CT成像和评价装置的优点在于：与现有的超临界二氧化碳岩石压裂装置相比，该装置通过CT扫描可观测模拟原位压力温度条件下裂缝在煤岩中的扩展演化，进一步揭示超临界二氧化碳的压裂机理，同时配套的渗透率测试装置，可评价超临界二氧化碳压裂前后煤体的渗透性变化，结合CT扫描得到的煤样试件内部的裂纹分布，综合评价超临界二氧化碳的压裂效果。本发明是超临界二氧化碳煤岩压裂试验装置的重要革新，其主要用途为超临界二氧化碳煤岩压裂机理揭示及效果评价。
附图说明
图1为一种模拟原位条件下超临界二氧化碳煤岩压裂CT成像和评价装置示意图。
图中：1——液态二氧化碳储罐；2——二氧化碳增压泵；3——超临界二氧化碳储罐；4——二氧化碳温度控制子装置; 5——高压恒流泵；6——第一阀门；7——第二阀门；8——气体注入泵；9——氦气气源；10——流体压力传感器；11——计算机；12——X射线接收器；13——岩心夹持器；14——高精度机械转台；15——X光机；16——温度控制子装置；17——轴压加载泵；18——围压双缸循环流体加载泵；19——第三阀门；20——第四阀门；21——气体流量计。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
如图1所示，一种模拟原位条件下超临界二氧化碳煤岩压裂CT成像和评价装置，其特征在于该装置可提供试件尺寸为Φ50×100mm，试件轴压与围压可分别达50MPa，试件环境温度达100℃，模拟煤层埋藏深度达2000m的地质环境条件下的超临界二氧化碳压裂，该装置由原位环境模拟装置、CT扫描装置、超临界二氧化碳压裂装置、渗透率测量装置与数据采集装置五大装置组成，其中原位环境模拟装置主要围绕Φ50×100mm煤样试件，施加0~50MPa与20~100℃范围的压力温度条件，具体由岩心夹持器13、轴压加载泵17、围压双缸循环流体加载泵18及温度控制子装置16构成，煤样试件置于岩心夹持器13内部，夹持器置于高精度机械转台14之上，轴压加载泵17通过高压管线与岩心夹持器13底部的轴压缸体相连，为煤样试件提供稳定的轴向压力流体，围压双缸循环流体加载泵18通过高压管线分别与岩心夹持器13围压缸体的上部和下部连接，形成围压流体的内部循环流动，起连接作用的高压管线置于温度控制子装置16的内部，温度控制子装置16通过加热注入的围压流体实现对岩心夹持器13内部环境的温度控制；CT扫描装置主要是为原位环境模拟装置中的煤样试件提供可视化观测，具体是由X光机15、X射线接收器12、高精度机械转台14及计算机11组成，岩心夹持器13位于高精度机械转台14上，X光机与X射线接收器分设在岩心夹持器的两侧且二者对应设置；X光机15发射锥束X射线透射煤样试件，经X射线接收器12接收后将数据传输至计算机11，计算机11对信号进行分析重建得到煤样试件的CT图像；超临界二氧化碳压裂装置主要是对原位环境模拟装置中的煤样试件进行恒定流量条件下的超临界二氧化碳注入，以达到压裂煤样试件的目的，主要是由液态二氧化碳储罐1、二氧化碳增压泵2、超临界二氧化碳储罐3、二氧化碳温度控制子装置4、高压恒流泵5及流体压力传感器10组成，液态二氧化碳储罐1与二氧化碳增压泵2相连，二氧化碳增压泵2对通入的液态二氧化碳进行增压并将增压后的液态二氧化碳泵入超临界二氧化碳储罐3，超临界二氧化碳储罐3外的二氧化碳温度控制子装置4将液态二氧化碳加热，使液态二氧化碳变为超临界二氧化碳，再通过管线将超临界二氧化碳通入高压恒流泵5，高压恒流泵5以设定的流量将泵内的超临界二氧化碳注入到岩心夹持器13内的煤样试件中，位于岩心夹持器13上部的流体压力传感器10实时监测注入超临界二氧化碳压力的变化；超临界二氧化碳储罐的出口与岩心夹持器连接；
渗透率测量装置主要是对原位环境模拟装置中的煤样试件进行稳定注入压力条件下的氦气注入，测量超临界二氧化碳压裂前后煤样试件渗透率的变化，具体由氦气气源9、气体注入泵8、气体流量计组成，氦气气源9与气体注入泵8相连，由氦气气源9通入的氦气经气体注入泵8以设定的压力向煤样试件注入氦气，位于岩心夹持器13下部的气体流量计21测量氦气的流量；氦气气源经气体注入泵调节流量后与岩心夹持器连接；
数据采集装置主要对超临界二氧化碳的注入压力、氦气注入压力、气体流量计测量流量以及原位环境模拟装置的温度和压力进行采集。该装置是由计算机11和数据采集卡组成，数据采集卡与压力传感器、气体流量计和温度传感器相连，数据采集卡将采集到的数据传输至计算机。
上述装置的具体使用方法为：
1.将煤样试件置于岩心夹持器13中，然后将岩心夹持器13固定在高精度机械转台14之上，开启轴压加载泵17、围压双缸循环流体加载泵18及温度控制子装置16，将轴压、围压及温度加到实验设定值；
2.打开氦气气源9，开启气体注入泵8，以设定的压力向夹持器13内部的煤样试件注入氦气，气体流量计21实时测量气体流量，待气体流量在一小时内保持不变后，关闭氦气气源9、气体注入泵8及第二阀门7；
3.打开X光机15、X射线接收器12、高精度机械转台14及计算机11，开始扫描煤样试件，经计算机11处理后得到压裂前煤样试件的CT图像；
4.打开液态二氧化碳储罐1、二氧化碳增压泵2及二氧化碳温度控制子装置4，液态二氧化碳在超临界二氧化碳储罐3内变成超临界二氧化碳，之后打开高压恒流泵5和第一阀门6，高压恒流泵5以设定的流量开始向煤样试件内部注入超临界二氧化碳直至煤样试件破裂，然后关闭液态二氧化碳储罐1、二氧化碳增压泵2、二氧化碳温度控制子装置4、高压恒流泵5及第一阀门6；
5.重复步骤3，得到超临界二氧化碳压裂后的煤样试件的CT图像；
6.重复步骤2，测量超临界二氧化碳压裂后气体流量，根据达西定律计算煤样试件的渗透率，达西定律计算公式如下
式中，K为煤样渗透率；μ为氦气粘度，P1为岩心夹持器入口压力；P2为岩心夹持器出口压力； Q为氦气流量，L为煤样试件长度；A为煤样试件横截面积。
所述煤样试件的尺寸为Φ50×100mm，试件轴压与围压分别达50MPa，试件环境温度达100℃，模拟煤层埋藏深度达2000m的地质环境条件下的超临界二氧化碳压裂；原位环境模拟装置主要围绕Φ50×100mm煤样试件，施加0~50MPa与20~100℃范围的压力、温度条件。
Claims (4)
1.一种模拟原位条件下超临界二氧化碳煤岩压裂CT成像和评价装置，其特征在于：该装置由原位环境模拟装置、CT扫描装置、超临界二氧化碳压裂装置、渗透率测量装置与数据采集装置五大装置组成；
所述原位环境模拟装置由岩心夹持器、轴压加载泵、围压双缸循环流体加载泵及温度控制子装置构成，煤样试件置于岩心夹持器内部，夹持器置于高精度机械转台之上，轴压加载泵通过高压管线与岩心夹持器底部的轴压缸体相连，为煤样试件提供稳定的轴向压力流体，围压双缸循环流体加载泵通过高压管线分别与岩心夹持器围压缸体的上部和下部连接，形成围压流体的内部循环流动，起连接作用的高压管线置于温度控制子装置的内部，温度控制子装置由热电偶和温度传感器组成，通过加热注入的围压流体实现对岩心夹持器内部环境的温度控制；
所述CT扫描装置为原位环境模拟装置中的煤样试件提供可视化观测，该装置由X光机、X射线接收器、高精度机械转台及计算机组成，岩心夹持器位于高精度机械转台上，X光机与X射线接收器分设在岩心夹持器的两侧且二者对应设置；X光机发射锥束X射线透射煤样试件，经X射线接收器接收后将数据传输至计算机，计算机对信号进行分析重建得到煤样试件的CT图像；
所述超临界二氧化碳压裂装置是对原位环境模拟装置中的煤样试件进行恒定流量条件下的超临界二氧化碳注入，以达到压裂煤样试件的目的；该装置是由液态二氧化碳储罐、二氧化碳增压泵、超临界二氧化碳储罐、二氧化碳温度控制子装置、高压恒流泵及流体压力传感器组成，二氧化碳温度控制子装置由热电偶和温度传感器构成，液态二氧化碳储罐与二氧化碳增压泵相连，二氧化碳增压泵对通入的液态二氧化碳进行增压并将增压后的液态二氧化碳泵入超临界二氧化碳储罐，超临界二氧化碳储罐外的二氧化碳温度控制子装置将液态二氧化碳加热，使液态二氧化碳变为超临界二氧化碳，再通过管线将超临界二氧化碳通入高压恒流泵，高压恒流泵以设定的流量将泵内的超临界二氧化碳注入到岩心夹持器内的煤样试件中，位于岩心夹持器上部的流体压力传感器实时监测注入超临界二氧化碳压力的变化；超临界二氧化碳储罐的出口与岩心夹持器连接；
所述渗透率测量装置是对原位环境模拟装置中的煤样试件进行稳定注入压力条件下的氦气注入，测量超临界二氧化碳压裂前后煤样试件渗透率的变化，该装置由氦气气源、气体注入泵、气体流量计组成，氦气气源与气体注入泵相连，气体注入泵与岩心夹持器相连，由氦气气源通入的氦气经气体注入泵以设定的压力向夹持器内部的煤样试件注入氦气，经与岩心夹持器出口相连的气体流量计测量氦气的流量；
数据采集装置是对超临界二氧化碳的注入压力、氦气注入压力、气体流量计测量流量以及原位环境模拟装置的温度和压力进行采集。
2.根据权利要求1所述的模拟原位条件下超临界二氧化碳煤岩压裂CT成像和评价装置，其特征在于：所述数据采集装置是由计算机和数据采集卡组成，数据采集卡与压力传感器、气体流量计和温度传感器相连，数据采集卡将采集到的数据传输至计算机。
3.一种权利要求1或2所述的模拟原位条件下超临界二氧化碳煤岩压裂CT成像和评价装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将煤样试件置于岩心夹持器中，然后将岩心夹持器固定在高精度机械转台之上，开启轴压加载泵、围压双缸循环流体加载泵及温度控制子装置，将轴压、围压及温度加到实验设定值；
（2）打开氦气气源，开启气体注入泵，以设定的压力向夹持器内部的煤样试件注入氦气，气体流量计实时测量气体流量，待气体流量在一小时内保持不变后，关闭氦气气源、气体注入泵及第二阀门；
（3）打开X光机、X射线接收器、高精度机械转台及计算机装置，开始扫描煤样试件，经计算机装置处理后得到压裂前煤样试件的CT图像；
（4）打开液态二氧化碳储罐、二氧化碳增压泵及二氧化碳温度控制子装置，液态二氧化碳在超临界二氧化碳储罐内变成超临界二氧化碳，之后打开高压恒流泵和第一阀门，高压恒流泵以设定的流量开始向煤样试件内部注入超临界二氧化碳直至煤样试件破裂，然后关闭液态二氧化碳储罐、二氧化碳增压泵、二氧化碳温度控制子装置、高压恒流泵及第一阀门；
（5）重复步骤（3），得到超临界二氧化碳压裂后的煤样试件的CT图像；
（6）重复步骤（2），测量超临界二氧化碳压裂后气体流量，根据达西定律计算煤样试件的渗透率，达西定律计算公式如下：
式中，K为煤样渗透率；μ为氦气粘度，P1为岩心夹持器入口压力；P2为岩心夹持器出口压力； Q为氦气流量，L为煤样试件长度；A为煤样试件横截面积。
4.根据权利要求3所述的模拟原位条件下超临界二氧化碳煤岩压裂CT成像和评价装置的使用方法，其特征在于：所述煤样试件的尺寸为Φ50×100mm，试件轴压与围压分别达50MPa，试件环境温度达100℃，模拟煤层埋藏深度达2000m的地质环境条件下的超临界二氧化碳压裂；原位环境模拟装置主要围绕Φ50×100mm煤样试件，施加0~50MPa与20~100℃范围的压力、温度条件。
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