CN113588402B - 一种超声波检测水循环作用页岩水化微裂缝扩展实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波检测高温高压水循环作用页岩水化微裂缝扩展特性的实验装置，其特征在于该装置可一体化实时监控、模拟真实深层环境下页岩岩心水化作用内部微裂缝扩展情况，研究其扩展机理，并分析其对页岩渗透率及页岩气采收率的影响。所述装置包括高温高压水化反应釜、变温注水循环装置及移动超声波检测装置三部分，高温高压水化反应釜模拟高温、高压条件下，液态水循环流动及其与试样充分接触的水化作用环境；变温注水循环装置精确控制影响页岩微裂缝扩展特性的温度、围压、流速、注水压力及注水时间等因素；移动超声波检测装置实时检测页岩岩心内部微裂缝扩展情况，实现岩心水化作用与裂缝扩展检测的同步进行。该装置操作简单，移动方便，便于研究高温高压水循环作用页岩水化微裂缝扩展特性，对深层油气勘探开发具有重要意义。

Description

一种超声波检测水循环作用页岩水化微裂缝扩展实验装置

技术领域：

本发明涉及一种检测页岩水化微裂缝扩展的实验装置，具体涉及一种超声波检测高温高压水循环作用页岩水化微裂缝扩展特性的实验装置，属于深层油气勘探开发领域。

背景技术：

页岩油气藏具有低孔、低渗的特性，页岩油气井几乎无自然产能，往往需要进行储层改造来提高油气产能。水力压裂是页岩储层改造的一种主要方式，通过水力压裂使储层形成复杂裂缝网络来实现页岩油气产能的提升。随着油气勘探开发技术的不断进步，页岩油气探勘开发已由浅层向深层发展，而深部页岩储层所处的高温高压环境，使得深部地层温度、压力及液态水等耦合作用增加，深部储层裂隙发育与扩展情况变得更加复杂。研究表明，页岩吸水后会发生水化，页岩的水化作用可以促进页岩次生裂缝的产生，进而形成较为复杂的裂缝网络。因此，高温高压条件下页岩在液态水循环作用下水化微裂缝扩展特性的研究十分必要。

然而，目前高温高压环境下模拟页岩水化作用检测微裂缝扩展情况的实验设备存在如下缺陷和不足：

(1)页岩水化实验大多在常温常压下或较低的围压下进行，无法模拟真实的深层地层环境，无法得出深部储层页岩水化作用对水力裂缝复杂程度的影响即页岩水化微裂缝扩展特性等问题。

(2)实验方法主要有表面观察分析、核磁共振技术和CT扫描技术等方法。其中表面观察分析法只能观测页岩岩心外侧裂缝扩展情况，无法对页岩内部微裂缝扩展情况进行判断分析；核磁共振技术和CT扫描技术测定页岩水化微裂缝实验方法需要在页岩岩心水化结束，对水进行排出处理后才能进行检测，无法对裂缝扩展情况进行实时监控及模拟深层页岩高温高压的水化作用环境。此外，核磁共振技术、CT扫描技术实验设备昂贵，操作步骤复杂。

(3)高温高压釜结构局限性大，普通的高温高压釜仅能提供高温高压环境，不能提供深部岩层液态水等流体作用的环境，无法模拟真实的深部地层环境下页岩在充满液态水时内部微裂缝的扩展情况。

(4)目前的页岩水化作用实验方法，将页岩岩心试样在一定条件下浸泡若干小时，费时费工，且不能满足实时测试页岩试样微裂缝扩展的要求。

为解决常规测试页岩试样水化作用微裂缝扩展的实验装置不能模拟深层真实环境、不能实时测试页岩试样微裂缝扩展情况以及实验的费时费工问题，本发明借助高温高压水化反应釜、变温注水循环装置、超声波检测装置，发明了一种超声波检测高温高压水循环作用页岩水化微裂缝扩展特性的实验装置，形成适用于检测高温高压液态水环境下页岩水化微裂缝扩展特性的一体化实时监控实验装置。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种超声波检测高温高压水循环作用页岩水化微裂缝扩展特性的实验装置，该装置结构简单，操作方便，监测精度高，能够模拟真实深部页岩储层高温、高压环境并实时监测页岩岩心水化作用内部微裂隙扩展情况。

为达成上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种超声波检测高温高压水循环作用页岩水化微裂缝扩展特性的实验装置，可一体化实时监控、模拟真实深层环境下页岩岩心水化作用内部微裂缝扩展情况，研究其扩展特性。该装置包含高温高压水化反应釜、变温注水循环装置及超声波检测装置三部分，其中高温高压水化反应釜内设有水化反应装置，该装置由上部固定器、下部固定器固定，岩心试样位于水化反应装置中的注水套管内并由岩样左夹具及岩样右夹具固定。高温高压水化反应釜左、右侧设有水循环注水口、水循环出水口并分别与岩样左夹具、岩样右夹具连接。

本发明的一种超声波检测高温高压水循环作用页岩水化微裂缝扩展特性的实验装置，其中，高温高压水化反应釜内水化反应装置中，注水套管采用耐高温高压材料，具有传热速度快、流体流动空间大的特点，可使液态水与岩心试样充分接触作用。岩样左夹具、岩样右夹具上分别设有左侧螺栓孔、右侧螺栓孔，连接注水套管；岩样左夹具、岩样右夹具上分别设有岩样左夹具上部固定螺栓孔、岩样左夹具下部固定螺栓孔、岩样右夹具上部固定螺栓孔及岩样右夹具下部固定螺栓孔，并用螺栓与上部固定器、下部固定器固定。

本发明的一种超声波检测高温高压水循环作用页岩水化微裂缝扩展特性的实验装置，其中，岩样左夹具、岩样右夹具内设有控压注水通路，入水水流由岩样左夹具入水孔注入，后由均布四周的岩样左夹具出水孔注入注水套管内；出水水流通过均布四周的岩样右夹具出水孔，后经岩样右夹具入水孔流出。控压注水通路内设有流量计，水流返回水槽前，精确统计水流返回量，严格监控水流量。

本发明的一种超声波检测高温高压水循环作用页岩水化微裂缝扩展特性的实验装置，其中，变温注水循环装置设有水槽与高压泵连通，高压泵连接温度改变器，温度改变器下与加热装置相连后连接高温高压水化反应釜的水循环注水口；水循环出水口连接温度改变器，温度改变器上与冷却装置相连并连通背压调节器后与水槽连通。

本发明的一种超声波检测高温高压水循环作用页岩水化微裂缝扩展特性的实验装置，移动超声波检测装置设有超声波探伤仪与计算机连接，可实现岩心内部裂缝扩展情况的自动分析。

本发明的一种超声波检测高温高压水循环作用页岩水化微裂缝扩展特性的实验装置，高温高压水化反应釜进出水有水循环注水控制阀和水循环出水控制阀精确控制水流进出，保证实验准确性。

本发明的一种超声波检测高温高压水循环作用页岩水化微裂缝扩展特性的实验装置，温度改变器与加热装置、冷却装置共同连通，可以预先调节注水温度，确保实验条件准确性，减少温度过快升高对实验设备的损坏。

本发明的一种超声波检测高温高压水循环作用页岩水化微裂缝扩展特性的实验装置，装置内设有安全控制阀与背压调节器，精确调节注水压力。

与现有的实验装置相比，本发明的有益效果有：

(1)与目前的高温高压釜及普通水化实验装置相比，高温高压水化反应釜既能满足深部页岩储层的高温高压真实环境，又能使岩心进行水化作用，且高温高压水化反应釜设置循环注水通路，能够实现循环液态水与岩心充分水化作用，模拟真实深部地层环境下页岩试样与水的水化作用并对水化作用情况进行评价；

(2)该实验设有的变温注水循环装置，能够精确控制水流的不同注水温度、压力与反应时间，为研究水化作用下岩心试样内部微裂缝扩展特性影响因素提供更加可靠、稳固的实验方法；变温注水循环装置设有压力控制阀等安全控制装置，保证实验的安全性与操作简便性；变温注水循环装置还可实现液态水循环利用，节能环保。

(3)与目前的实验方法表面观察分析、核磁共振技术和CT扫描技术等相比，超声波监测微裂缝效果具有显著优势，该实验装置设有移动超声波检测装置，可对页岩内部微裂缝扩展情况进行实时监控与记录，实现了核磁共振技术、CT扫描技术所无法实现的适用于现场工况，设备轻便，操作简单的优点。

(4)超声波检测高温高压水循环作用页岩水化微裂缝扩展特性的实验装置，结构紧凑合理，操作方便，不仅可以模拟地层真实环境，还实现了一次放入岩心试样不取出情况下，精确改变温度和压力以及注液时间下的实时岩心水化作用微裂缝检测，节省了实验时间与人力、物力。

附图说明：

图1是本发明超声波检测高温高压水循环作用页岩水化微裂缝扩展特性的实验装置图；

图2是本发明高温高压水化反应釜立面图；

图3是本发明高温高压水化反应釜内水化反应装置拆分示意图；

图4是本发明高温高压水化反应釜内水化反应装置构造详图；

图5是本发明实验操作流程图。

附图序号说明：

1.水循环注水口；2.上部固定器；3.注水套管；4.岩心试样；5.水循环出水口；6.岩样右夹具；6-1.岩样右夹具下部固定螺栓孔；6-2.岩样右夹具上部固定螺栓孔；6-3.岩样右夹具入水孔；6-4.右侧螺栓孔；6-5.岩样右夹具出水孔；7.下部固定器；8.岩样左夹具；8-1.岩样左夹具下部固定螺栓孔；8-2.岩样左夹具上部固定螺栓孔；8-3.岩样左夹具入水孔；8-4.左侧螺栓孔；8-5.岩样左夹具出水孔；9.高温高压水化反应釜；10.水循环注水控制阀；11.加热装置；12.高压泵；13.水槽；14.流量计；15.背压调节器；16.冷却装置；17.温度改变器；18.安全控制阀；19.水循环出水控制阀；20.计算机；21.超声波探伤仪。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的实施例进行详述。

如图1所示，本发明的一种超声波检测高温高压水循环作用页岩水化微裂缝扩展特性的实验装置，由高温高压水化反应釜9、水循环注水控制阀10、加热装置11、高压泵12、水槽13、流量计14、背压调节器15、冷却装置16、温度改变器17、安全控制阀18、水循环出水控制阀19、计算机20和超声波探伤仪21组成。其中，水循环注水口1与高压泵12相连，由水循环注水控制阀10控制注水压力，并由温度改变器17及加热装置10控制注水温度；水循环出水口5与背压调节器15相连，由水循环出水控制阀19控制出水压力，并由温度改变器17及冷却装置16控制出水温度。以检测页岩在高温高压环境中，不同注水压力条件下的水化微裂缝扩展情况为例，对本发明的具体实施方式介绍如下：

(1)将各部件按照图1所示进行安装：连接变温注水循环装置、高温高压水化反应釜及超声波检测装置三部分。高温高压水化反应釜内将页岩试样装配于注水套管中，用螺栓进行固定，为防止液态水压力变化等因素导致注水套管产生移动，再用岩样左夹具与岩样右夹具将注水套管固定于釜体内。

(2)为保证实验装置密闭性良好，先对高温高压水化反应釜进行升温，观察水槽入水口是否有气泡冒出，后冷却高温高压水化反应釜，如果导管内有一段水柱流入，说明装置密闭性良好。

(3)实验装置连接好后，打开移动超声波检测计算机***，进行岩样超声波初测与数据提取。

(4)将高温高压反应釜升压、升温至到达规定围压及温度后对注水段温度改变器进行温度调整，并将水温加热至实验指定温度，保持高温高压水化反应釜内围压、温度及注水循环装置内温度稳定一段时间。

(5)调整高压泵压力，打开水循环注水控制阀对注水套管进行注水。套管内水注满时调整背压调节器压力，提高高压泵压力，使高压泵压力高于背压调节器并使压差保持与初始注水压力相等(注水压力差命名为：压力1)。打开水循环出水控制阀，注水套管内水流构成循环作用，由此实现了页岩岩样水化作用过程中注水压力的稳定与液态水的循环流动。

(6)注水套管内流出的液态水，通过温度改变器及冷却装置进行降温冷却后流回水槽，再次进行水循环。

(7)步骤(5)注水套管内注水稳定后打开移动超声波检测计算机***，实时检测该注水压力下页岩水化微裂缝扩展情况，进行超声波检测与数据提取。规定该实验页岩岩心水化时间为2小时，2小时后对注水压力差为压力1下的页岩水化作用微裂缝扩展情况进行标注并记录。

(8)调整高压泵压力，提高高压泵与背压调节器间的压力差(压力2)，重复执行步骤(5)。

(9)根据实验要求多次对高压泵压力进行调整，超声波检测记录不同注水压力条件下的水化微裂缝扩展情况并进行数据分析。

(10)实验要求压力改变并进行页岩水化微裂缝扩展情况超声波检测后，先关掉高压泵，调节背压调节器，将高温高压水化反应釜注水套管内液态水排空后关闭高压泵。

调整高温高压水化反应釜压力及温度，直至温度降至室温，进行超声波终测与数据提取。卸掉高温高压水化反应釜内压力及温度，打开高温高压水化反应釜，取出岩样并保存。

(11)关闭超声波探伤仪，对上述实验过程中的超声波数据进行提取与数据整理，拟合不同注水压力条件下的水化微裂缝扩展情况曲线，分析其扩展特性。

需要注意的是，本发明不但可以检测不同注水压力条件下的水化微裂缝扩展情况，还可以检测其它页岩水化微裂缝扩展情况的影响因素，如温度、围压、流速及注水时间等。步骤(7)的重复次数和实验测定页岩水化微裂缝扩展情况的影响因素有关，需要根据实际情况而定。

Claims (1)

1.一种超声波检测水循环作用页岩水化微裂缝扩展实验装置，能够一体化实时监控、模拟真实深层高温高压环境下页岩岩心水化作用内部微裂缝扩展情况，研究内部微裂纹的扩展特性；该装置包含高温高压水化反应釜、变温注水循环装置及超声波检测装置三个部分，其特征在于：

所述高温高压水化反应釜内设有水化反应装置，水化反应装置由上部固定器（2）与下部固定器（7）固定；水化反应装置内部的岩心试样（4）位于注水套管（3）内并由岩样左夹具（8）、岩样右夹具（6）固定，注水套管（3）采用耐高温高压材料，传热速度快，流体的流动空间大，能够使液态水与岩心试样（4）充分接触；岩样左夹具（8）上设有左侧螺栓孔（8-4），岩样右夹具（6）上设有右侧螺栓孔（6-4），左侧螺栓孔（8-4）和右侧螺栓孔（6-4）用于连接注水套管（3）；高温高压水化反应釜左侧设有与岩样左夹具（8）连接的水循环注水口（1），右侧设有与岩样右夹具（6）连接的水循环出水口（5）；

所述水化反应装置内设有控压注水通路，入水水流通过岩样左夹具（8）由岩样左夹具入水孔（8-3）进入，后由均布四周的岩样左夹具出水孔（8-5）注入注水套管（3）内；出水水流通过均布四周的岩样右夹具出水孔（6-5），后通过岩样右夹具（6）经岩样右夹具入水孔（6-3）流出；

所述变温注水循环装置设有水槽（13）与高压泵（12）连通，高压泵（12）连接温度改变器（17），温度改变器（17）与加热装置（11）相连后连接高温高压水化反应釜（9）的水循环注水口（1）；水循环出水口（5）连接温度改变器（17），温度改变器（17）与冷却装置（16）相连，并连通背压调节器（15）后与水槽（13）连通；水循环注水口（1）与高压泵（12）相连，由水循环注水控制阀（10）控制注水压力，由温度改变器（17）及加热装置（11）控制注水温度；水循环出水口（5）与背压调节器（15）相连，由水循环出水控制阀（19）控制出水压力，由温度改变器（17）及冷却装置（16）控制出水温度；所述实验装置内设有安全控制阀（18）与背压调节器（15）精确调节注水压力；所述变温注水循环装置内设有流量计（14），水流返回水槽（13）前，精确统计水流返回量；

所述超声波检测装置设有超声波探伤仪（21）与计算机（20）连接，实现岩心试样（4）内部裂缝扩展情况的自动分析。