CN109828096B - 一种煤储层压裂液滞留自吸检测装置与方法 - Google Patents
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Abstract
一种煤储层压裂液滞留自吸检测装置与方法，适用于煤层气开发地质领域使用。包括框架式机架、真三轴加载***、流体注入***、中子成像***和数据采集处理***；压裂试件制备，测定不同系列强力弹簧的弹力，并保证左右、上下和前后方向上所放置的强力弹簧的弹力大小分别一致；将制备好的标准压裂试件放置于拼装立方体Ⅱ内，使压裂液从压裂液储存器中通过流体导管从钢质注液管进入拼装立方体Ⅱ内部的标准压裂试件内；注入压裂液后实时监测压裂液在煤样中的滞留自吸行为，检测压裂液的造缝能力和标准压裂试样的损伤程度，更换不同配方的压裂液，据此以查明煤储层对不同压裂液的响应特征与敏感程度，以优选压裂液配方。其结简单，检测效果好。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤储层压裂液滞留自吸检测装置与方法，尤其适用于煤层气开发地质领域使用的一种煤储层压裂液滞留自吸检测装置与方法。
背景技术
我国煤层气资源丰富，其中埋深<2000m的地质资源量为36.81万亿立方米。煤层气主要以吸附态赋存于煤层中，煤层既是煤层气的生气源岩，又是其主要储集层，煤岩孔裂隙***是其主要储集空间。煤层气开采过程存在一个临界解吸压力，当煤层压力高于解吸压力时，煤层气呈吸附态，因此，煤层气产出需要经历降压-解吸-扩散-渗流的过程。
大规模人工压裂是煤层气高效开采的重要手段，用高压泵将大量水、化学添加剂和支撑剂混入液注入煤层，以形成复杂网络***，提高煤储层渗透性。但国内外煤储层压裂施工表明，压裂液返排率普遍较低，导致注入的压裂液滞留于煤储层内，具有污染地下水的潜在危险。
在现场实施人工压裂前，需借助实验室条件下的物理模拟以优选最佳的压裂方案。压裂物理模拟是一种认识压裂缝几何形态，分析压裂缝延伸与扩展行为的可靠方法。监测并查明煤储层压裂液的滞留自吸行为，并揭示其机理，查明煤储层对于不同配方压裂液的敏感性，可避免地下水污染，并促进煤层气清洁开采，但目前尚无有效的煤储层压裂液滞留自吸检测装置与研究方法。
申请公布号CN105004627A提供了一种表征页岩储层压裂液吸收能力的方法，通过分析浸没在压裂液中页岩样品的质量与体积随时间的变化评价其吸收能力。
申请公布号CN109001097A提出了一种可视化压裂液自发渗吸研究装置及方法，可用于分析整个水力压裂过程中压裂液的自发渗吸，以定性定量地获得压裂液自发渗吸的特征。
上述发明专利存在诸多局限性：一者，其均是在非真三轴加载条件下的实验或方法，与实际现今地应力场作用下的真实地层状态存在显著差异，不能精细逼近实际压裂条件；二者，压裂后岩石内裂缝***发育，岩石内压裂液的滞留自吸行为必然有区别于压裂前完整岩石，因而不能精细逼近实际压裂后岩石属性状态。因此，上述研究结果的可信度较低。
发明内容
针对上述技术的不足之处，提供一种结构简单，检测效果好，能够量化表征并分析煤储层压裂液的滞留与自吸行为，查明煤储层对不同配方压裂液的敏感性的煤储层压裂液滞留自吸检测装置与方法。
为实现上述技术目的，本发明的煤储层压裂液滞留自吸检测装置，其特征在于：它包括框架式机架、真三轴加载***、流体注入***、中子成像***和数据采集处理***；
所述框架式机架包括底座和设置在底座上的支架，用于承载和固定真三轴加载***；
所述真三轴加载***包括一个由铝合金板构成的拼装立方体Ⅰ和一个由应力均衡板构成的拼装立方体Ⅱ，其中拼装立方体Ⅱ设置在拼装立方体Ⅰ内，且两者之间均匀分布设有多个强力弹簧相互连接，强力弹簧在板面范围内均匀分布，其组数为n×n，n≥5，所述拼装立方体Ⅰ顶面的铝合金板和拼装立方体Ⅱ顶面应力均衡板的对应位置设有流体注入孔，拼装立方体Ⅱ内设置有标准压裂试件，标准压裂试件内设置有一根钢质注液管，钢质注液管一端在标准压裂试件内，另一端穿过流体注入孔暴露于外，标准压裂试件外层包裹有密封材料；
所述流体注入***包括流体导管、伺服增压器和压裂液储存器，伺服增压器通过流体导管与压裂液储存器相互连接，流体导管将压裂液储存器与暴露在外的钢质注液管连接；
所述中子成像***包括中子源***和像探测***，其中，中子源***与像探测***分别设置在拼装立方体Ⅰ两侧；
所述数据采集处理***包括计算机用于将记录的中子检测信号提取并转换成地质信息和图像信息，所述伺服增压器和像探测***的输出端分别与计算机相连接。
所述铝合金板与应力均衡板各有6块，6块铝合金板之间通过设置在边缘的多个铰链相互连接为整体，再通过多个锁扣连接组成拼装立方体Ⅰ，6块应力均衡板通过强力弹簧分别与对应的6块铝合金板连接。
所述框架式机架为不锈钢钢质材料，所述铝合金板的尺寸为50cm×50cm，厚10mm，所述应力均衡板的尺寸为35cm×35cm，厚5mm。
所述流体注入孔位于所拼装立方体I顶面铝合金板和拼装立方体II顶面应力均衡板的中心位置，孔径10mm，所述中子源***使用的为同位素中子源。
一种煤储层压裂液滞留自吸检测方法，包括如下步骤：
步骤1，压裂试件制备，包括如下子步骤：矿井下采集大块新鲜煤样，借助岩石切割机将其切成立方体结构；在立方体煤样某一表面的中心位置钻取垂直钻孔，并利用树脂胶将钢质注液管固结于孔内以模拟井眼；用密封材料将上述带钻孔的立方体煤样包裹，制备成标准压裂试件，带有模拟井眼的煤样立方体面作为顶面；
步骤2，测定不同系列强力弹簧的弹力，并保证左右、上下和前后方向上所放置的强力弹簧的弹力大小分别一致，强力弹簧可根据不同地质条件进行更换，但保证强力弹簧的弹力左＝右，上＝下，前＝后；
步骤3，将制备好的标准压裂试件放置于拼装立方体Ⅱ内，关闭拼装立方体I的锁扣，以左右、上下和前后方向强力弹簧的弹力作为煤岩所受的三轴地应力，将真三轴加载***放入框架式机架，启动伺服增压器，使压裂液从压裂液储存器中通过流体导管从钢质注液管进入拼装立方体Ⅱ内部的标准压裂试件内；
步骤4，注入50mL压裂液后停止流体注入，但继续保压，打开中子成像***，实时监测压裂液在煤样中的滞留自吸行为，提取中子成像***数据体，以停止流体注入后0.5min时中子成像记录作为压裂液在标准压裂试样中的初始滞留分布状态，并计算此时标准压裂试样内压裂液分布的分数维值，作为初始值，随后每隔5min成像并计算标准压裂试样内压裂液分布的分数维值，观测压裂液在标准压裂试样中由于自吸而造成的运移路径及分布特点，总观测总时间12h，统计分析分数维值与观测时间的关系，以量化表征压裂后压裂液的滞留与自吸过程；
步骤5，检测压裂液的造缝能力和标准压裂试样的损伤程度，更换不同配方的压裂液，在相同条件下重复上述步骤，基于停止流体注入后0.5min的压裂液分布的分数维值，判定压裂液的造缝能力，分数维值高者压裂液的造缝能力强，根据分数维值随观测时间的变化规律，判定压裂液对压裂试样的损伤程度，随着时间的推移，分数维值变化小者对样品损伤小，据此以查明煤储层对不同压裂液的响应特征与敏感程度，以优选压裂液配方。
所述岩石切割机的立方体煤样为300mm×300mm×300mm，垂直钻孔的直径12mm，深度为160mm，钢质注液管的尺寸为外径10mm/内径5mm/长190mm，固结深度为140mm，包裹密封材料后的立方体煤样的标准压裂试件尺寸为350mm×350mm×350mm。
有益效果：
本发明通过引入中子成像***，由于其能力高、可穿透性强以及对含有氢的物质敏感等特点，克服了传统X-衍射无法穿透高密材料的弊端，配合真三轴压裂物理模拟，可量化表征煤储层内压裂液的滞留自吸过程，查明煤储层对不同配方压裂液的响应差异，并基于计算的压裂液分布分数维值实现对压裂液的优选，对于煤层气清洁开采具重要意义。
附图说明
图1为本发明的煤储层压裂液滞留自吸检测装置结构示意图；
图2为本发明的真三轴加载***展开结构示意图；
图3为本发明的煤储层压裂液滞留自吸方法流程图。
图中：1-计算机，2-像探测***，3-铝合金板，4-铰链，5-强力弹簧，6-应力均衡板，7-密封材料，8-流体导管，9-中子源***，10-压裂液储存器，11-伺服增压器，12-锁扣，13-流体注入孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明：
如图1所示，本发明的煤储层压裂液滞留自吸检测装置，包括框架式机架、真三轴加载***、流体注入***、中子成像***和数据采集处理***；
所述框架式机架包括底座和设置在底座上的支架，用于承载和固定真三轴加载***，所述框架式机架为不锈钢钢质材料，所述铝合金板的尺寸为50cm×50cm，厚10mm，所述应力均衡板的尺寸为35cm×35cm，厚5mm；
所述真三轴加载***包括一个由铝合金板3构成的拼装立方体Ⅰ和一个由应力均衡板6构成的拼装立方体Ⅱ，其中拼装立方体Ⅱ设置在拼装立方体Ⅰ内，且两者之间均匀分布设有多个强力弹簧5相互连接，强力弹簧5在板面范围内均匀分布，其组数为n×n，n≥5，所述拼装立方体Ⅰ顶面的铝合金板3和拼装立方体Ⅱ顶面应力均衡板6的对应位置设有流体注入孔13，拼装立方体Ⅱ内设置有标准压裂试件，标准压裂试件内设置有一根钢质注液管，钢质注液管一端在标准压裂试件内，另一端穿过流体注入孔13暴露于外，标准压裂试件外层包裹有密封材料7；所述铝合金板3与应力均衡板6各有6块，6块铝合金板3之间通过设置在边缘的多个铰链4相互连接为整体，再通过多个锁扣12连接组成拼装立方体Ⅰ，6块应力均衡板6通过强力弹簧5分别与对应的6块铝合金板连接；所述流体注入孔13位于所拼装立方体I顶面铝合金板3和拼装立方体II顶面应力均衡板6的中心位置，孔径10mm，所述中子源***9使用的为同位素中子源；
所述流体注入***包括流体导管8、伺服增压器11和压裂液储存器10，伺服增压器11通过流体导管8与压裂液储存器10相互连接，流体导管8将压裂液储存器10与暴露在外的钢质注液管连接；
所述中子成像***包括中子源***9和像探测***2，其中，中子源***9与像探测***2分别设置在拼装立方体Ⅰ两侧；
所述数据采集处理***包括计算机1用于将记录的中子检测信号提取并转换成地质信息和图像信息，所述伺服增压器11和像探测***2的输出端分别与计算机1相连接。
一种煤储层压裂液滞留自吸检测方法，包括如下步骤：
步骤1，压裂试件制备，包括如下子步骤：①矿井下采集大块新鲜煤样，借助岩石切割机将其切成300mm×300mm×300mm的立方体；②在立方体煤样某一表面的中心位置，垂直于该表面钻取直径12mm/长160mm的孔，并利用树脂胶将外径10mm/内径5mm/长190mm的钢质注液管固结于孔内，固结深度140mm，以模拟井眼；③用密封材料7将上述带钻孔的立方体煤样包裹，以制备成350mm×350mm×350mm标准压裂试件，带有模拟井眼的煤样立方体面作为顶面；
步骤2，测定不同系列强力弹簧5的弹力，并保证左右、上下和前后方向上所放置的强力弹簧5的弹力大小分别一致，强力弹簧5可根据不同地质条件进行更换，但保证强力弹簧5的弹力左＝右，上＝下，前＝后；
步骤3，将制备好的标准压裂试件放置于拼装立方体Ⅱ内，关闭拼装立方体I的锁扣12，以左右、上下和前后方向强力弹簧5的弹力作为煤岩所受的三轴地应力，将真三轴加载***放入框架式机架，启动伺服增压器11，使压裂液从压裂液储存器10中通过流体导管8从钢质注液管进入拼装立方体Ⅱ内部的标准压裂试件内；
步骤4，注入50mL压裂液后停止流体注入，但继续保压，打开中子成像***，实时监测压裂液在煤样中的滞留自吸行为，提取中子成像***数据体，以停止流体注入后0.5min时中子成像记录作为压裂液在标准压裂试样中的初始滞留分布状态，并计算此时标准压裂试样内压裂液分布的分数维值，作为初始值，随后每隔5min成像并计算标准压裂试样内压裂液分布的分数维值，观测压裂液在标准压裂试样中由于自吸而造成的运移路径及分布特点，总观测总时间12h，统计分析分数维值与观测时间的关系，以量化表征压裂后压裂液的滞留与自吸过程；
步骤5，检测压裂液的造缝能力和标准压裂试样的损伤程度，更换不同配方的压裂液，在相同条件下重复上述步骤，基于停止流体注入后0.5min的压裂液分布的分数维值，判定压裂液的造缝能力，分数维值高者压裂液的造缝能力强，根据分数维值随观测时间的变化规律，判定压裂液对压裂试样的损伤程度，随着时间的推移，分数维值变化小者对样品损伤小，据此以查明煤储层对不同压裂液的响应特征与敏感程度，以优选压裂液配方。
Claims (5)
1.一种煤储层压裂液滞留自吸检测装置，其特征在于：它包括框架式机架、真三轴加载***、流体注入***、中子成像***和数据采集处理***；所述框架式机架包括底座和设置在底座上的支架，用于承载和固定真三轴加载***；所述真三轴加载***包括一个由铝合金板（3）构成的拼装立方体Ⅰ和一个由应力均衡板（6）构成的拼装立方体Ⅱ，其中拼装立方体Ⅱ设置在拼装立方体Ⅰ内，且两者之间均匀分布设有多个强力弹簧（5）相互连接，强力弹簧（5）在板面范围内均匀分布，其组数为n×n，n>5，所述拼装立方体Ⅰ顶面的铝合金板（3）和拼装立方体Ⅱ顶面应力均衡板（6）的对应位置设有流体注入孔（13），拼装立方体Ⅱ内设置有标准压裂试件，标准压裂试件内设置有一根钢质注液管，钢质注液管一端在标准压裂试件内，另一端穿过流体注入孔（13）暴露于外，标准压裂试件外层包裹有密封材料（7）：所述流体注入***包括流体导管（8）、伺服增压器（11）和压裂液储存器（10），伺服增压器（11）通过流体导管（8）与压裂液储存器（10）相互连接，流体导管（8）将压裂液储存器（10）与暴露在外的钢质注液管连接；所述中子成像***包括中子源***（9）和像探测***（2），其中，中子源***（9）与像探测***（2）分别设置在拼装立方体Ⅰ两侧：所述数据采集处理***包括计算机（1）用于将记录的中子检测信号提取并转换成地质信息和图像信息，所述伺服增压器（11）和像探测***（2）的输出端分别与计算机（1）相连接；
使用上述装置的煤储层压裂液滞留自吸检测装置的煤储层压裂液滞留自吸检测方法，包括如下步骤：
步骤1，压裂试件制备，包括如下子步骤：矿井下采集大块新鲜煤样，借助岩石切割机将其切成立方体结构；在立方体煤样某一表面的中心位置钻取垂直钻孔，并利用树脂胶将钢质注液管固结于孔内以模拟井眼；用密封材料（7）将带钻孔的立方体煤样包裹，制备成标准压裂试件，带有模拟井眼的煤样立方体面作为顶面；
步骤2，测定不同系列强力弹簧（5）的弹力，并保证左右、上下和前后方向上所放置的强力弹簧（5）的弹力大小分别一致，强力弹簧（5）可根据不同地质条件进行更换，但保证强力弹簧（5）的弹力左=右，上=下，前=后；
步骤3，将制备好的标准压裂试件放置于拼装立方体Ⅱ内，关闭拼装立方体I的锁扣（12），以左右、上下和前后方向强力弹簧（5）的弹力作为煤岩所受的三轴地应力，将真三轴加载***放入框架式机架，启动伺服增压器（11），使压裂液从压裂液储存器（10）中通过流体导管（8）从钢质注液管进入拼装立方体Ⅱ内部的标准压裂试件内；
步骤4，注入50mL压裂液后停止流体注入，但继续保压，打开中子成像***，实时监测压裂液在煤样中的滞留自吸行为，提取中子成像***数据体，以停止流体注入后0.5min时中子成像记录作为压裂液在标准压裂试样中的初始滞留分布状态，并计算此时标准压裂试样内压裂液分布的分数维值，作为初始值，随后每隔5min成像并计算标准压裂试样内压裂液分布的分数维值，观测压裂液在标准压裂试样中由于自吸而造成的运移路径及分布特点，总观测时间12h，统计分析分数维值与观测时间的关系，以量化表征压裂后压裂液的滞留与自吸过程；
步骤5，检测压裂液的造缝能力和标准压裂试样的损伤程度，更换不同配方的压裂液，在相同条件下重复上述步骤1-4，基于停止流体注入0.5min后的压裂液分布的分数维值，判定压裂液的造缝能力，分数维值高者压裂液的造缝能力强，根据分数维值随观测时间的变化规律，判定压裂液对压裂试样的损伤程度，随着时间的推移，分数维值变化小者对样品损伤小，据此以查明煤储层对不同压裂液的响应特征与敏感程度，以优选压裂液配方。
2.根据权利要求1所述的煤储层压裂液滞留自吸检测装置，其特征在于：所述铝合金板（3）与应力均衡板（6）各有6块，6块铝合金板（3）之间通过设置在边缘的多个铰链（4）相互连接为整体，再通过多个锁扣（12）连接组成拼装立方体Ⅰ，6块应力均衡板（6）通过强力弹簧（5）分别与对应的6块铝合金板连接。
3.按照权利要求1所述的煤储层压裂液滞留自吸检测装置，其特征在于：所述框架式机架为不锈钢钢质材料，所述铝合金板的尺寸为50cm ×50cm，厚10mm，所述应力均衡板的尺寸为35cm×35cm，厚5mm。
4.按照权利要求1所述的煤储层压裂液滞留自吸检测装置，其特征在于：所述流体注入孔（13）位于拼装立方体Ⅰ顶面铝合金板（3）和拼装立方体Ⅱ顶面应力均衡板（6）的中心位置，孔径10mm，所述中子源***（9）使用的为同位素中子源。
5.按照权利要求1所述的煤储层压裂液滞留自吸检测装置，其特征在于：所述岩石切割机的立方体煤样为300mm ×300mm ×300mm，垂直钻孔的直径12mm，深度为160mm，钢质注液管的尺寸为外径10mm/内径5mm/长 190mm，固结深度为140mm，包裹密封材料（7）后的立方体媒样的标准压裂试件尺寸为350mm×50mm ×50mm。
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