CN113607620B - 一种二氧化碳定向压裂与渗透率测试的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于非常规天然气开发实验技术领域，公开了一种二氧化碳定向压裂与渗透率测试的实验装置，包括气源***、原位环境模拟***和脉冲测试***，原位环境模拟***用于为岩芯试件提供模拟真实地层温度及应力状态的实验环境，气源***用于向原位环境模拟***提供测试气源，并为压裂岩芯试件提供气源，脉冲测试***用于对岩芯试件进行脉冲测试，以获取渗透率。其实现了模拟地层条件下的超临界二氧化碳定向压裂页岩实验，同时能原位测试压裂前后的岩芯（轴向及径向）渗透率，相对于传统实验方法和实验设备具有智能化、操作方便等优点，并且通过原位环境模拟***更为逼真的模拟了现场工作条件，从而使测量结果更为真实、准确。
Description
技术领域
本发明属于非常规天然气开发实验技术领域，尤其涉及一种二氧化碳定向压裂与渗透率测试的实验装置及方法。
背景技术
页岩气在我国有着巨大的开发前景，然而常规的水压致裂对于很多页岩气储层开采效果并不理想，超临界CO2压裂技术能够克服常规水压致裂的诸多缺点，具有较好的应用前景，进一步地，通过页岩钻孔径向预制裂缝定向压裂技术可控制裂缝按照预定的方向起裂和扩展以达到储层特定区域的增透效果。然而，现有定向压裂技术主要采用水力压裂技术，超临界二氧化碳定向压裂技术对页岩储层的增透机理及效果尚不清楚；另一方面，在地层条件下，现有的试验装置无法同时准确地的进行超临界二氧化碳定向压裂实验和定向压裂前后渗透率测试。
因此，为了实现地层条件下超临界二氧化碳定向压裂实验和定向压裂前后渗透率测试，研发一种超临界二氧化碳定向压裂与渗透率测试的实验装置及方法是十分必要的。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种二氧化碳定向压裂与渗透率测试的实验装置及方法，其同时能原位测试压裂前后的岩芯（轴向及径向）渗透率，具有智能化、操作方便等优点，并更为逼真的模拟了现场工作条件，从而使测量结果更为真实、准确。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，提供一种二氧化碳定向压裂与渗透率测试的实验装置，包括气源***、原位环境模拟***和脉冲测试***，
所述原位环境模拟***用于为岩芯试件提供模拟真实地层温度及应力状态的实验环境，所述气源***用于向所述原位环境模拟***提供测试气源，并为压裂所述岩芯试件提供气源，所述脉冲测试***用于对所述岩芯试件进行脉冲测试，以获取渗透率。
作为一种二氧化碳定向压裂与渗透率测试的实验装置的优选技术方案，所述气源***包括二氧化碳气源、气源减压器、气动增压器、空气压缩机、增压端压力传感器、高压高速电动液压泵、第一活塞式耐高压中间容器和第二活塞式耐高压中间容器；
所述二氧化碳气源与所述气源减压器连接，所述气源减压器与所述气动增压器连接，所述气动增压器与所述空气压缩机连接，所述气动增压器的输出端设置有第一连接管，第一活塞式耐高压中间容器和第二活塞式耐高压中间容器均与所述第一连接管相连接，且并联设置，所述第一连接管上设置有第一截止阀，所述第一截止阀位于第一活塞式耐高压中间容器和第二活塞式耐高压中间容器之间。
作为一种二氧化碳定向压裂与渗透率测试的实验装置的优选技术方案，第一活塞式耐高压中间容器和第二活塞式耐高压中间容器均与所述高压高速电动液压泵连接，所述增压端压力传感器与所述高压高速电动液压泵连接，第一活塞式耐高压中间容器和第二活塞式耐高压中间容器均通过第二截止阀与外界环境连接，
作为一种二氧化碳定向压裂与渗透率测试的实验装置的优选技术方案，所述原位环境模拟***包括岩芯夹持器、恒温水浴槽、液压泵、第一压力传感器、第一温度传感器、温控器和岩芯温度传感器；
第一活塞式耐高压中间容器和第二活塞式耐高压中间容器均通过盘管连接于所述岩芯夹持器的入口端，第一活塞式耐高压中间容器、第二活塞式耐高压中间容器、所述岩芯夹持器均设置在所述恒温水浴槽内；
所述第一温度传感器用于测量恒温水浴槽内的温度，所述岩芯温度传感器安装在所述岩芯夹持器的入口端，用于监测所述岩芯试件内的温度；
所述温控器放置在所述恒温水浴槽中，所述第一压力传感器安装在所述岩芯夹持器的入口端，用于监测岩芯夹持器入口端的气体压力。
作为一种二氧化碳定向压裂与渗透率测试的实验装置的优选技术方案，所述原位环境模拟***还包括液压泵、第一液杯、围压***和轴压***，所述第一液杯用于储存液体，所述液压泵通过第二连接管与所述岩芯夹持器连通，所述第一液杯连接于所述第二连接管，所述液压泵能够经所述围压***和所述轴压***向岩芯夹持器中注入液体。
作为一种二氧化碳定向压裂与渗透率测试的实验装置的优选技术方案，所述岩芯夹持器上设置有围压注液孔和轴压注液孔，所述围压注液孔和所述轴压注液孔均与所述液压泵连接，所述液压泵能够为所述岩芯夹持器施加围压和轴压。
作为一种二氧化碳定向压裂与渗透率测试的实验装置的优选技术方案，所述脉冲测试***包括第二压力传感器、第三压力传感器和压差传感器；所述第二压力传感器安装设置在所述岩芯夹持器的轴向出口端，用于检测所述岩芯夹持器的轴向出口端的气体压力；所述第三压力传感器安装在所述岩芯夹持器径向出口端，用于测量岩芯夹持器的径向出口端的气体压力；所述压差传感器用于检测所述岩芯夹持器的径向进气端和径向排气端的压差。
第二方面，提供一种二氧化碳定向压裂与渗透率测试的实验方法，其采用了如上所述的二氧化碳定向压裂与渗透率测试的实验装置，包括如下步骤：
S1、在所述岩芯试件压裂裸眼段中部预制环向裂缝，用渗流网包裹所述岩芯试件压裂裸眼段侧面部分，所述岩芯试件其余侧面部分用橡胶套紧密包裹，然后将所述岩芯试件放入所述岩芯夹持器中，启动所述原位环境模拟***，使所述岩芯试件处于实验要求的温度及应力环境；
S2、打开第一截止阀，调节所述气源减压器和所述气动增压器，使所述岩芯试件的轴向渗透上下游压力达到P0，第一预设时间后，增加渗透上游压力至Pi，渗透下游压力仍保持P0不变，形成一个压力脉冲，然后关闭所述第一截止阀；
S3、记录所述第一压力传感器测得的岩芯夹持器的入口端的压力和所述第二压力传感器测得的所述岩芯夹持器的出口端的压力，形成压力变化曲线，待所述岩芯夹持器的入口端的压力与其出口端的压力稳定后，采用脉冲衰减法公式计算得到所述岩芯试件的轴向原始渗透率；
作为一种二氧化碳定向压裂与渗透率测试的实验方法的优选技术方案，还包括：
S4、对整体渗透***抽真空后，打开所述第一截止阀，调节所述气源减压器和所述气动增压器，使所述岩芯试件的径向渗透上下游压力达到Pr0，第二预设时间后，增加渗透上游压力至Pri，渗透下游压力仍保持Pr0不变，形成一个压力脉冲，然后关闭所述第一截止阀；
S5、记录所述第一压力传感器测得的所述岩芯夹持器的入口端的压力和所述第三压力传感器测得的所述岩芯夹持器的出口端的压力，形成压力变化曲线，待岩芯夹持器的入口端的压力与其出口端的压力稳定后，采用脉冲衰减法公式计算得到岩芯试件的径向原始渗透率。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明实现了模拟地层条件下的超临界二氧化碳定向压裂页岩实验，同时能原位测试压裂前后的岩芯（轴向及径向）渗透率，相对于传统实验方法和实验设备具有智能化、操作方便等优点，并且通过原位环境模拟***更为逼真的模拟了现场工作条件，从而使测量结果更为真实、准确。
附图说明
图1为本发明提供的二氧化碳定向压裂与渗透率测试的实验装置的结构示意图；
图2是本发明提供的岩芯夹持器的结构示意图。
其中，01、二氧化碳气源；02、气源减压器；03、气动增压器；04、空气压缩机；05、增压端压力传感器；06、第二液杯；07、第七截止阀；08、高压高速电动液压泵；09、液压泵；10、第一液杯；11、第八截止阀；12、第九截止阀；13、第五截止阀；14、第六截止阀；15、第三截止阀；16、第一截止阀；17、第四截止阀；18、第二截止阀；19、第一活塞式耐高压中间容器；20、第二活塞式耐高压中间容器；
21、安全阀；22、第一压力表；23、恒温水浴槽；24、盘管；25、第二压力表；26、第一压力传感器；27、岩芯温度传感器；28、围压***；29、轴压***；30、岩芯夹持器；31、第二压力传感器；32、压差传感器；33、第十二截止阀；34、第十一截止阀；35、第十截止阀；36、第三压力传感器；37、温度传感器；38、温控器；39、控制主机；
40、注液轴；41、左调节堵头；42、调节螺母；43、左端面螺套；45、密封端套；46、橡胶套；47、第十三截止阀；48、第四压力传感器；49、渗流网；51、右调节堵头；52、注入管道；53、右端面螺套；54、夹持器筒体；55、封孔器；56、围压注液孔；57、岩芯试件；58、轴压注液孔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1和2所示，本实施例公开了一种二氧化碳定向压裂与渗透率测试的实验装置，其包括气源***、原位环境模拟***和脉冲测试***，原位环境模拟***用于为岩芯试件57提供模拟真实地层温度及应力状态的实验环境，气源***用于向原位环境模拟***提供测试气源，并为压裂岩芯试件57提供气源，脉冲测试***用于对岩芯试件57进行脉冲测试，以获取渗透率。
气源***包括二氧化碳气源01、气源减压器02、气动增压器03、空气压缩机04、增压端压力传感器05、高压高速电动液压泵08、第一活塞式耐高压中间容器19、第二活塞式耐高压中间容器20、安全阀21、第一压力表22、盘管24。
第一活塞式耐高压中间容器19的容积为1升，第二活塞式耐高压中间容器20的容积为500毫升，且第一活塞式耐高压中间容器19和第二活塞式耐高压中间容器20耐二氧化碳，可浸水使用。
二氧化碳气源01为脉冲测试***提供高压的二氧化碳，二氧化碳气源01与气源减压器02连接，通过调节气源减压器02，实现气源输出压力稳定至特定压力值；气源减压器02与气动增压器03连接，实现将气源减压器02输出的二氧化碳的压力增压至某一需要的输出压力。气动增压器03与空气压缩机04连接，空气压缩机04为气动增压器03提供驱动力，以使气动增压器03可以加压。气动增压器03的输出端设置有第一连接管，第一活塞式耐高压中间容器19和第二活塞式耐高压中间容器20均与第一连接管相连接，且并联设置。第一连接管上设置有第一截止阀16，第一截止阀16位于第一活塞式耐高压中间容器19和第二活塞式耐高压中间容器20之间。气动增压器03可以将加压后的二氧化碳(7.38MPa<P<30MPa)储存至第一活塞式耐高压中间容器19和第二活塞式耐高压中间容器20。
第一活塞式耐高压中间容器19和第二活塞式耐高压中间容器20均通过第二截止阀18与外界环境连接，对第一活塞式耐高压中间容器19和第二活塞式耐高压中间容器20进行排气。在第一连接管和第一活塞式耐高压中间容器19之间设置有第三截止阀15，用于控制是否向第一活塞式耐高压中间容器19充气，及控制第一活塞式耐高压中间容器19是否放气。第一连接管上设置安全阀21，当第一活塞式耐高压中间容器19和第二活塞式耐高压中间容器20内超临界流体超过***保护压力阈值后，安全阀21自动减压，保护***。第一连接管上设置有第一压力表22，第一压力表22和第一连接管之间设置有第四截止阀17。第一压力表22用于检测第一活塞式耐高压中间容器19和第二活塞式耐高压中间容器20的压力。
第一活塞式耐高压中间容器19和第二活塞式耐高压中间容器20均与高压高速电动液压泵08连接，具体地，高压高速电动液压泵08通过第三连接管连接于第一活塞式耐高压中间容器19和第二活塞式耐高压中间容器20的压力，第三连接管和第一活塞式耐高压中间容器19之间设置有第五截止阀13，第三连接管和第二活塞式耐高压中间容器20之间设置有第六截止阀14。增压端压力传感器05与高压高速电动液压泵08连接，具体地，增压端压力传感器05设置在第三连接管上，增压端压力传感器05用于监测高压高速电动液压泵08输出的液压。
气源***还包括第二液杯06，第二液杯06设置在第三连接管上，且位于高压高速电动液压泵08和活塞式耐高压中间容器之间，在第二液杯06和第三连接管之间设置有第七截止阀07，第二液杯06用于储存液体。高压高速电动液压泵08可以将第二液杯06内的液体输送至第一活塞式耐高压中间容器19和第二活塞式耐高压中间容器20内，以使第一活塞式耐高压中间容器19和第二活塞式耐高压中间容器20内的活塞对储存在第一活塞式耐高压中间容器19和第二活塞式耐高压中间容器20内中的超临界二氧化碳进一步压缩，能够实现的气体压力范围为0～70MPa。
原位环境模拟***包括岩芯夹持器30、恒温水浴槽23、液压泵09、第一压力传感器26、第一温度传感器37、温控器38和岩芯温度传感器27。
第一活塞式耐高压中间容器19和第二活塞式耐高压中间容器20均通过盘管24连接于岩芯夹持器30的入口端，具体地，第一连接管连接于盘管24，盘管24靠近岩芯夹持器30的入口端的一端设置有第二压力表25。第一活塞式耐高压中间容器19和第二活塞式耐高压中间容器20内压缩后的超临界二氧化碳通过盘管24输送至到达岩芯夹持器30入口端。第一活塞式耐高压中间容器19、第二活塞式耐高压中间容器20、岩芯夹持器30和盘管24均设置在恒温水浴槽23内。
第一温度传感器37用于测量恒温水浴槽23内的温度，从而检测恒温水浴槽23内的水的温度。岩芯温度传感器27安装在岩芯夹持器30的入口端，用于监测岩芯试件57内的温度。温控器38放置在恒温水浴槽23中，用于精准监测恒温水浴槽23内水的温度，并控制恒温水浴槽23内水的温度。
第一压力传感器26安装在岩芯夹持器30的入口端，用于监测岩芯夹持器30入口端的气体压力。原位环境模拟***还包括液压泵09、第一液杯10、围压***28和轴压***29，围压***28和轴压***29均设置在恒温水浴槽23内。液压泵09通过第二连接管与岩芯夹持器30连通，具体地，第二连接管连接于围压***28和轴压***29。第一液杯10用于储存液体，第一液杯10连接于第二连接管，第一液杯10和第二连接管之间设置有第八截止阀11。轴压***29靠近液压泵09设置，第一液杯10位于液压泵09和轴压***29之间。第二连接管上设置有第九截止阀12，其位于第一液杯10和轴压***29之间。第二连接管和围压***28之间设置有第十截止阀35，第二连接管和轴压***29之间设置有第十一截止阀34。
液压泵09能够将第一液杯10内的液体，通过第二连接管输入至围压***28和轴压***29，从而经围压***28和轴压***29向岩芯夹持器30中注入液体，使岩芯夹持器30内的岩芯试件57处于实验要求的围压和轴压环境中。加压及实验完成之后，液压泵09可以将岩芯夹持器30内的液体经围压***28和轴压***29抽回至第一液杯10内。
恒温水浴槽23的工作温度范围为-20℃-100℃，为确保注入岩芯试件57的介质为超临界二氧化碳，第一活塞式耐高压中间容器19、第二活塞式耐高压中间容器20及其互联管路均置于恒温水浴槽23中。当恒温水浴槽23温度调至31.1℃以上时可保证活塞第一活塞式耐高压中间容器19和第二活塞式耐高压中间容器20中已储存的二氧化碳为超临界二氧化碳。岩芯夹持器30上设置有围压注液孔56和轴压注液孔58，围压注液孔56和轴压注液孔58均与液压泵09连接，液压泵09能够为岩芯夹持器30独立施加围压和轴压。其中，围压范围为0-70MPa，轴压范围为0-100MPa。
岩芯夹持器30为三轴夹持器，岩芯夹持器30的主要功能是夹持、保护岩芯试件57并密封柱面或端面，岩芯夹持器30包括左调节堵头41、右调节堵头51、夹持器筒体54、调节螺母42、左端面螺套43、右端面螺套53、第一O型密封圈环、第二O型密封圈环、第三O型密封圈环、导线槽、导线出线口、声发射探头安装槽、弹簧支架安装槽、高分子材料耦合圈、密封端套45、轴压注液孔58、围压注液孔56、注液轴40、橡胶套46、注入管道52。声发射探头安装槽与弹簧支架安装槽相对应设置，岩芯试件57为直径100mm和高200mm的圆柱。
围压注液孔56和轴压注液孔58具体设置在夹持器筒体54上，围压注液孔56位于夹持体筒体的侧壁上，轴压注液孔58位于夹持器筒体54的右端。在夹持器筒体54的侧壁上还设置有检测孔，其关于围压注液孔56对称设置。检测孔上安装有第四压力传感器48，且安装有第十三截止阀47。
夹持器筒体54左右两端面的内边缘分别有一个标记点，标记点沿筒身处于同一横向轴线；左端面螺套43和右端面螺套53圆环内外边缘上有两个标记点，标记点与中心点位于同一纵向轴线；调节螺母42侧壁有两条实基线，实基线与中心轴线两两平行且共面。
密封端套45内设有第一O型密封圈，是为了防止围压腔中介质泄露。右调节堵头51和右调节螺母42中设置第二O型密封圈，其用途是防止轴压腔中介质泄露。与岩芯试件57接触的左、右注液轴40端面中的第三O型密封圈，是为了将超临界二氧化碳限制在第三O型密封圈内的端面，保证注入超临界二氧化碳时的密封性，为岩芯试件57正常提供孔隙压力且不损坏岩芯夹持器30；注液轴40中的注入管道52用于超临界二氧化碳的注入，注液轴40(左或右)均可实现压裂介质的注入。
左调节堵头41、右调节堵头51与岩芯试件57接触的端面内设有四个均匀分布的声发射探头安装槽，相邻两个声发射探头安装槽中心与端面中心之间的夹角成90°；左调节堵头41、右调节堵头51外侧表面各有四条实基线，四条实基线分别对应于声发射探头安装槽中心点位置，每两条实基线之间等间距平行布置一条虚基线。
声发射探头安装槽中心线与调节堵头外侧面的距离为15mm-25mm，声发射探头安装槽尺寸由声发射探头规格确定，弹簧支架安装槽中心与声发射探头安装槽中心对齐，两者相通，弹簧支架安装槽尺寸为声发射探头安装槽尺寸的1/2。声发射探头安装槽内侧壁装有2mm厚的缓冲海绵。与声发射探头安装槽相通底部的弹簧支架安装槽中安有弹簧垫片，用于顶紧声发射探头使声发射探头与高分子材料耦合圈始终紧密接触。位于左调节堵头41、右调节堵头51和左、右注液轴40之间的导线槽，目的在于引出连于声发射探头上的端子及其相连的导线，导线通过导线出线口与声发射主机连接。
高分子材料耦合圈置于左调节堵头41、右调节堵头51和注液轴40形成的圆环中，其间空隙及高分材料耦合圈与岩芯试件57接触面和声发射探头接触面均全部抹上专用耦合剂。高分子材料耦合圈在三轴应力加载和高孔隙压力的试验条件下可发生一定协调变形，始终能够与岩芯试件57表面和声发射探头耦合面较为紧密地接触，保证试验过程中的声发射信号接收。
脉冲测试***包括第二压力传感器31、第三压力传感器36和压差传感器32。第二压力传感器31安装设置在岩芯夹持器30的轴向出口端，用于检测岩芯夹持器30的轴向出口端的气体压力。第三压力传感器36安装在岩芯夹持器30径向出口端，用于测量岩芯夹持器30的径向出口端的气体压力。第三压力传感器36和岩芯夹持器30之间设置有第十二截止阀33。压差传感器32用于检测岩芯夹持器30的径向进气端和径向排气端的压差。
脉冲测试***还包括控制主机39，其中第一压力传感器26、第二压力传感器31、第三压力传感器36、增压端压力传感器05、岩芯温度传感器27、第一温度传感器37和温控器38均与控制主机39电连接，控制主机39可以自动读取采集数据。
本实施例还公开了一种二氧化碳定向压裂与渗透率测试的实验方法，其采用了如上所述的二氧化碳定向压裂与渗透率测试的实验装置，实验方法包括如下步骤：
S1、在岩芯试件57压裂裸眼段中部预制环向裂缝，用渗流网49包裹岩芯试件57压裂裸眼段侧面部分，其中，渗流网4949为厚度为1cm的高强度铁丝网。岩芯试件57其余侧面部分用橡胶套46紧密包裹，然后将岩芯试件57放入岩芯夹持器30的夹持器筒体54中，启动原位环境模拟***，使岩芯试件57处于实验要求的温度及应力环境。
S2、打开第一截止阀16，调节气源减压器02和气动增压器03，使岩芯试件57的轴向渗透上下游压力达到P0，第一预设时间【第一预设时间具体为5min-10min，本实施例中优选为8min】后，增加渗透上游压力至Pi（Pi由第一压力传感器26测得），渗透下游压力仍保持P0（P0由第二压力传感器31测得）不变，形成一个压力脉冲，然后关闭第一截止阀16。
S3、控制主机39自动记录第一压力传感器26测得的岩芯夹持器30的入口端的压力和第二压力传感器31测得的岩芯夹持器30的出口端的压力，形成压力变化曲线，待岩芯夹持器30的入口端的压力与其出口端的压力稳定后，采用脉冲衰减法公式计算得到岩芯试件57的轴向原始渗透率K0。
S4、对整体渗透***抽真空后，打开第一截止阀16，调节气源减压器02和气动增压器03，使岩芯试件57的径向渗透上下游压力达到Pr0，第二预设时间（第二预设时间具体为5min-10min，本实施例中优选为8min）后，增加渗透上游压力至Pri（Pri由第一压力传感器26测得），渗透下游压力仍保持Pr0（Pr0由第三压力传感器36测得）不变，形成一个压力脉冲，然后关闭第一截止阀16。
S5、控制主机39自动记录第一压力传感器26测得的岩芯夹持器30的入口端的压力和第三压力传感器36测得的岩芯夹持器30的出口端的压力，形成压力变化曲线，待岩芯夹持器30的入口端的压力与其出口端的压力稳定后，采用脉冲衰减法公式计算得到岩芯试件57的径向原始渗透率Kr0。
以利用第二活塞式耐高压中间容器20为例，打开控制主机39内的超临界二氧化碳致裂数字化控制软件，打开二氧化碳气源01、第三截止阀15，二氧化碳经气源减压器02、气动增压器03在第二活塞式耐高压中间容器20中存储；关闭第五截止阀13，控制高压高速电动液压泵08，驱动第二活塞式耐高压中间容器20的活塞对储存在第二活塞式耐高压中间容器20中的二氧化碳形成高压超临界流体，打开第五截止阀13、第三截止阀15、第四截止阀17，使超临界流体经盘管24到达岩芯夹持器30入口端，对岩芯试件57进行定向压裂。
待压裂完成后，关闭第五截止阀13、第三截止阀15、第四截止阀17，重复S4，采用脉冲衰减法公式计算得到定向压裂后岩芯试件57的径向原始渗透率K1。
步骤S3中岩芯原始渗透率轴向方向K0通过公式(1)和公式(2)(即脉冲衰减法公式)计算得到：
式(1)为本发明方法中测轴向渗透***的上、下游压力容器的压力随时间的变化规律。式(1)中系数α可根据式(2)计算得到。
P1为经过t时间后岩芯夹持器30的入口端的稳定压力；
P2为经过t时间后岩芯夹持器30的出口端的稳定压力；
A为岩芯试件57截面面积；
L0为压裂段以下的长度；
μ为气体粘度；
β为气体压缩系数；
V1为第一截止阀16到岩芯夹持器30的入口端之间的连接管内的气体体积；
V2为岩芯夹持器30的出口端到第五截止阀13之间的连接管内的气体体积。
步骤S4中岩芯试件57原始渗透率径向方向Kr通过公式(3)和公式(4)(即脉冲衰减法公式)计算得到：
式(3)为本发明方法中测径向渗透***的上、下游压力容器的压力随时间的变化规律，式(3)中系数αr可根据式(4)计算岩芯试件57的渗透率。
式中，P1r为经过t时间后岩芯夹持器30的入口端的稳定压力，P2r为经过t时间后岩芯夹持器30的出口端的稳定压力，Lr为压裂段的高度(m)，μ为气体粘度，V1为第一截止阀16到岩芯夹持器30的入口端之间的连接管内的气体体积，V2为岩芯夹持器30的出口端到第十三截止阀47之间的连接管内的气体体积。
本发明实现了模拟地层条件下的超临界二氧化碳定向压裂页岩实验，同时能原位测试压裂前后的岩芯轴向及径向渗透率，相对于传统实验方法和实验设备具有智能化、操作方便等优点，并且通过原位环境模拟***更为逼真的模拟了现场工作条件，从而使测量结果更为真实、准确。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种二氧化碳定向压裂与渗透率测试的实验装置，其特征在于，包括气源***、原位环境模拟***和脉冲测试***，
所述原位环境模拟***用于为岩芯试件（57）提供模拟真实地层温度及应力状态的实验环境，所述气源***用于向所述原位环境模拟***提供测试气源，并为压裂所述岩芯试件（57）提供气源，所述脉冲测试***用于对所述岩芯试件（57）进行脉冲测试，以获取渗透率；
所述气源***包括二氧化碳气源（01）、气源减压器（02）、气动增压器（03）、空气压缩机（04）、增压端压力传感器（05）、高压高速电动液压泵（08）、第一活塞式耐高压中间容器（19）和第二活塞式耐高压中间容器（20）；
所述二氧化碳气源（01）与所述气源减压器（02）连接，所述气源减压器（02）与所述气动增压器（03）连接，所述气动增压器（03）与所述空气压缩机（04）连接，所述气动增压器（03）的输出端设置有第一连接管，第一活塞式耐高压中间容器（19）和第二活塞式耐高压中间容器（20）均与所述第一连接管相连接，且并联设置，所述第一连接管上设置有第一截止阀（16），所述第一截止阀（16）位于第一活塞式耐高压中间容器（19）和第二活塞式耐高压中间容器（20）之间；
所述原位环境模拟***包括岩芯夹持器（30）、恒温水浴槽（23）、液压泵（09）、第一压力传感器（26）、第一温度传感器（37）、温控器（38）和岩芯温度传感器（27）；
第一活塞式耐高压中间容器（19）和第二活塞式耐高压中间容器（20）均通过盘管（24）连接于所述岩芯夹持器（30）的入口端，第一活塞式耐高压中间容器（19）、第二活塞式耐高压中间容器（20）、所述岩芯夹持器（30）均设置在所述恒温水浴槽（23）内；
所述第一温度传感器（37）用于测量恒温水浴槽（23）内的温度，所述岩芯温度传感器（27）安装在所述岩芯夹持器（30）的入口端，用于监测所述岩芯试件（57）内的温度；
所述温控器（38）放置在所述恒温水浴槽（23）中，所述第一压力传感器（26）安装在所述岩芯夹持器（30）的入口端，用于监测岩芯夹持器（30）入口端的气体压力；
所述脉冲测试***包括第二压力传感器（31）、第三压力传感器（36）和压差传感器（32）；所述第二压力传感器（31）安装设置在所述岩芯夹持器（30）的轴向出口端，用于检测所述岩芯夹持器（30）的轴向出口端的气体压力；所述第三压力传感器（36）安装在所述岩芯夹持器（30）径向出口端，用于测量岩芯夹持器（30）的径向出口端的气体压力；所述压差传感器（32）用于检测所述岩芯夹持器（30）的径向进气端和径向排气端的压差。
2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，第一活塞式耐高压中间容器（19）和第二活塞式耐高压中间容器（20）均与所述高压高速电动液压泵（08）连接，所述增压端压力传感器（05）与所述高压高速电动液压泵（08）连接，第一活塞式耐高压中间容器（19）和第二活塞式耐高压中间容器（20）均通过第二截止阀（18）与外界环境连接。
3.根据权利要求2所述的实验装置，其特征在于，所述原位环境模拟***还包括液压泵（09）、第一液杯（10）、围压***（28）和轴压***（29），所述第一液杯（10）用于储存液体，所述液压泵（09）通过第二连接管与所述岩芯夹持器（30）连通，所述第一液杯（10）连接于所述第二连接管，所述液压泵（09）能够经所述围压***（28）和所述轴压***（29）向岩芯夹持器（30）中注入液体。
4.根据权利要求3所述的实验装置，其特征在于，所述岩芯夹持器（30）上设置有围压注液孔（56）和轴压注液孔（58），所述围压注液孔（56）和所述轴压注液孔（58）均与所述液压泵（09）连接，所述液压泵（09）能够为所述岩芯夹持器（30）施加围压和轴压。
5.一种二氧化碳定向压裂与渗透率测试的实验方法，其特征在于，其采用了如权利要求4所述的二氧化碳定向压裂与渗透率测试的实验装置，包括如下步骤：
S1、在所述岩芯试件（57）压裂裸眼段中部预制环向裂缝，用渗流网（49）包裹所述岩芯试件（57）压裂裸眼段侧面部分，所述岩芯试件（57）其余侧面部分用橡胶套（46）紧密包裹，然后将所述岩芯试件（57）放入所述岩芯夹持器（30）中，启动所述原位环境模拟***，使所述岩芯试件（57）处于实验要求的温度及应力环境；
S2、打开第一截止阀（16），调节所述气源减压器（02）和所述气动增压器（03），使所述岩芯试件（57）的轴向渗透上下游压力达到P0，第一预设时间后，增加渗透上游压力至Pi，渗透下游压力仍保持P0不变，形成一个压力脉冲，然后关闭所述第一截止阀（16）；
S3、记录所述第一压力传感器（26）测得的岩芯夹持器（30）的入口端的压力和所述第二压力传感器（31）测得的所述岩芯夹持器（30）的出口端的压力，形成压力变化曲线，待所述岩芯夹持器（30）的入口端的压力与其出口端的压力稳定后，采用脉冲衰减法公式计算得到所述岩芯试件（57）的轴向原始渗透率。
6.根据权利要求5所述的实验方法，其特征在于，还包括：
S4、对整体渗透***抽真空后，打开所述第一截止阀（16），调节所述气源减压器（02）和所述气动增压器（03），使所述岩芯试件（57）的径向渗透上下游压力达到Pr0，第二预设时间后，增加渗透上游压力至Pri，渗透下游压力仍保持Pr0不变，形成一个压力脉冲，然后关闭所述第一截止阀（16）；
S5、记录所述第一压力传感器（26）测得的所述岩芯夹持器（30）的入口端的压力和所述第三压力传感器（36）测得的所述岩芯夹持器（30）的出口端的压力，形成压力变化曲线，待岩芯夹持器（30）的入口端的压力与其出口端的压力稳定后，采用脉冲衰减法公式计算得到岩芯试件（57）的径向原始渗透率。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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