超臨界CO₂致裂增加頁巖氣儲層滲透率的實驗裝置的製作方法

2023-06-18 09:44:31

專利名稱：超臨界CO2致裂增加頁巖氣儲層滲透率的實驗裝置的製作方法
技術領域：
本發 明涉及一種超臨界CO2致裂增加頁巖氣儲層滲透率的實驗裝置，特別涉及一種能夠進行不同地應力、不同儲層壓力以及不同溫度條件下超臨界CO2致裂頁巖氣儲層機理實驗研究以及致裂過程頁巖應力-應變-滲透率變化規律研究的實驗裝置。
背景技術：
我國天然氣需求日益增長，進口天然氣量日益增加，對外依存度也越來越大，嚴重威脅我國能源安全。我國頁巖氣資源非常豐富，高效開發頁巖氣對於緩解我國能源供需矛盾、調整能源結構、保障能源安全意義重大。由於頁巖氣儲層低孔低滲，開發頁巖氣必須進行儲層壓裂和增滲。目前成功開採頁巖氣的美國主要採用水力壓裂技術，但該技術需要消耗大量的水資源而且對地下水汙染嚴重。研究發現，當CO2的溫度和壓力分別處於31. 1°C和7. 38 MPa以上時，CO2將達到超臨界狀態(簡稱SC- CO2)0超臨界CO2的性質介於氣體與液體之間，既有氣體的低粘度和易擴散性，也有液體的高密度和溶解性好的特點，具有超強的流動、滲透和傳遞性能，可以代替清水作為壓裂液。因此，結合我國頁巖氣開發以及國家CO2減排的重大需求，申請人提出採用超臨界CO2代替清水進行頁巖氣儲層壓裂增滲的技術思路，該思路在增加頁巖氣儲層滲透性的同時，還能夠實現二氧化碳在頁巖氣儲層中長期封存。具體操作過程為通過改變壓力和溫度使從工業排放源捕集到的CO2處於介於氣態與液態之間的超臨界狀態，將其用於代替頁巖氣開發過程水壓致裂儲層時所需的大量清水，進行頁巖氣儲層的壓裂，提高儲層滲透性，增強CO2可注入性，擴大CO2在頁巖層中的波及範圍，使CO2與頁巖層充分接觸，利用頁巖體對CO2和CH4吸附能力的差別將CH4置換出來，在封存CO2的同時提高頁巖氣採收率，實現CO2長期封存與高效資源化利用的最佳結合。但目前對於超臨界CO2致裂頁巖的理論和實驗方面的研究都還很少，特別是缺乏相應的實驗裝置來模擬超臨界CO2致裂過程頁巖氣儲層滲透率、應力、應變的變化規律。現有的實驗裝置只能進行水壓致裂的實驗研究，對於超臨界CO2來說存在如下不足(I)不能有效控制CO2的相態；(2)不能模擬多場(地應力、溫度、壓力)耦合條件下超臨界CO2致裂過程頁巖氣儲層滲透率動態變化。

發明內容
有鑑於此，本發明提供了一種超臨界CO2致裂增加頁巖氣儲層滲透率的實驗裝置，該裝置能夠模擬多場(地應力、溫度、壓力)耦合條件下超臨界CO2致裂過程頁巖氣儲層滲透率動態變化，並對頁巖破裂過程應力-應變關係、聲發射信號進行實時採集，為超臨界CO2致裂增加頁巖氣儲層滲透率機理的研究提供實驗平臺。本發明的超臨界CO2致裂增加頁巖氣儲層滲透率的實驗裝置，包括氣源供應系統、氣體增壓器、壓力室、溫度控制器以及數據自動採集系統，所述壓力室內設有中心鑽孔的頁巖試件，壓力室上設有進氣管和出氣管並且進氣管和出氣管與頁巖試件的中心鑽孔連通，所述氣源供應系統通過氣體增壓器與壓力室的進氣管連通，所述氣體增壓器和壓力室均置於溫度控制器內，所述數據自動採集系統包括計算機、溫度傳感器、壓力傳感器、聲發射裝置、流量計、軸向應變傳感器以及徑向應變傳感器，所述溫度傳感器、壓力傳感器和聲發射裝置分別採集壓力室的溫度、壓力和聲發射信號並實時輸入到計算機中，所述流量計採集CO2的流量信號並實時輸入到計算機中，所述軸向應變傳感器和徑向應變傳感器採集頁巖試件的形變信號並實時輸入到計算機中。進一步，所述氣源供應系統包括依次連通的CO2氣瓶、過濾器和止回閥。進一步，所述氣體增壓器為高壓CO2注射泵。進一步，所述溫度控制器為恆溫油浴槽。本發明的有益效果在於使用本發明的裝置進行超臨界CO2致裂頁巖實驗時，氣體 增壓器將CO2轉化為液態，以高於7. 38MPa的壓力注入到壓力室的頁巖試件中，通過溫度控制器對壓力室加熱，將溫度升高至大於31. 4°C的溫度，使液態CO2轉變成超臨界狀態，利用超臨界CO2致裂頁巖，同時數據自動採集系統對頁巖破裂過程應力-應變關係、壓力、溫度、聲發射信號等進行實時採集，並對超臨界CO2致裂頁巖前後的滲流特性進行測定；因此，本發明的裝置能夠模擬多場(地應力、溫度、壓力)耦合條件下超臨界CO2致裂過程頁巖氣儲層滲透率動態變化，為超臨界CO2致裂增加頁巖氣儲層滲透率機理的研究提供實驗平臺。


為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述，其中
圖I為本發明的超臨界CO2致裂增加頁巖氣儲層滲透率的實驗裝置的結構示意 圖2為頁巖試件鑽孔示意圖。
具體實施例方式以下將參照附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。圖I為本發明的超臨界CO2致裂增加頁巖氣儲層滲透率的實驗裝置的結構示意圖，如圖所示，本發明的超臨界CO2致裂增加頁巖氣儲層滲透率的實驗裝置，包括氣源供應系統、氣體增壓器2、壓力室3、溫度控制器4以及數據自動採集系統，所述壓力室3內設有中心鑽孔的頁巖試件5，壓力室3上設有進氣管6和出氣管7並且進氣管6和出氣管7與頁巖試件5的中心鑽孔連通，所述氣源供應系統通過氣體增壓器2與壓力室3的進氣管6連通，所述氣體增壓器2和壓力室3均置於溫度控制器4內，所述數據自動採集系統包括計算機8、溫度傳感器9、壓力傳感器10、聲發射裝置11、流量計12、軸向應變傳感器13以及徑向應變傳感器14，所述溫度傳感器9、壓力傳感器10和聲發射裝置11分別採集壓力室3的溫度、壓力和聲發射信號並實時輸入到計算機8中，所述流量計12採集CO2的流量信號並實時輸入到計算機8中，所述軸向應變傳感器13和徑向應變傳感器14採集頁巖試件5的形變信號並實時輸入到計算機8中。本實施例中，所述氣源供應系統包括依次連通的CO2氣瓶I、過濾器15和止回閥16。
本實施例中，所述氣體增壓器2為高壓CO2注射泵。本實施例中，所述溫度控制器4為恆溫油浴槽。使用本發明的裝置進行超臨界CO2致裂頁巖實驗時，首先根據實驗方案對頁巖試件5鑽孔，鑽孔在試件中心進行(如圖2所示)，中心鑽孔為CO2入口，然後氣體增壓器2將CO2轉化為液態，以高於7. 38MPa的壓力注入到壓力室3的頁巖試件5中，通過溫度控制器4對壓力室3加熱，將溫度升高至大於31. 40C的溫度，使液態CO2轉變成超臨界狀態，利用超臨界CO2致裂頁巖；同時，數據自動採集系統對頁巖破裂過程應力-應變關係、壓力、溫度、聲發射信號等進行實時採集，並對超臨界CO2致裂頁巖前後的滲流特性進行測定，在測定超臨界CO2在頁巖中的滲流特性時，為了保持CO2的相態，壓力室3的出氣管7必須關閉，不 能連通大氣壓力，且需要保持高於超臨界CO2狀態的壓力，需要採用瞬態法進行滲透率的測定，具體操作方式為採用壓力傳感器記錄試件兩端壓差隨時間的變化關係，通過計算獲得，其他氣體的滲流實驗可以通過穩態法測得；本發明裝置的工作流體壓力範圍為0-15MPa，軸壓控制範圍為O-lOOMPa，圍壓控制範圍為0-15MPa，最大流體壓力控制範圍為0_15MPa，溫度控制範圍為0-100°C，頁巖試件尺寸大小為(MOOmmX 200mm。本發明的裝置能夠模擬多場(地應力、溫度、壓力)耦合條件下超臨界CO2致裂過程頁巖氣儲層滲透率動態變化，為超臨界CO2致裂增加頁巖氣儲層滲透率機理的研究提供實驗平臺。最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管通過參照本發明的優選實施例已經對本發明進行了描述，但本領域的普通技術人員應當理解，可以在形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離所附權利要求書所限定的本發明的精神和範圍。
權利要求
1.ー種超臨界CO2致裂増加頁巖氣儲層滲透率的實驗裝置，其特徵在於包括氣源供應系統、氣體增壓器(2)、壓カ室(3)、溫度控制器(4)以及數據自動採集系統，所述壓カ室(3)內設有中心鑽孔的頁巖試件(5)，壓カ室(3)上設有進氣管(6)和出氣管(7)並且進氣管(6)和出氣管(7)與頁巖試件(5)的中心鑽孔連通，所述氣源供應系統通過氣體增壓器(2)與壓カ室(3)的進氣管(6)連通，所述氣體增壓器(2)和壓カ室(3)均置於溫度控制器(4)內，所述數據自動採集系統包括計算機(8)、溫度傳感器(9)、壓カ傳感器(10)、聲發射裝置(11)、流量計(12)、軸向應變傳感器(13)以及徑向應變傳感器(14)，所述溫度傳感器(9)、壓カ傳感器(10)和聲發射裝置(11)分別採集壓カ室(3)的溫度、壓カ和聲發射信號並實時輸入到計算機(8)中，所述流量計(12)採集CO2的流量信號並實時輸入到計算機(8)中，所述軸向應變傳感器(13)和徑向應變傳感器(14)米集頁巖試件(5)的形變信號並實時輸入到計算機(8)中。
2.根據權利要求I所述的超臨界CO2致裂増加頁巖氣儲層滲透率的實驗裝置，其特徵在於所述氣源供應系統包括依次連通的CO2氣瓶(I)、過濾器(15)和止回閥(16)。
3.根據權利要求I所述的超臨界CO2致裂増加頁巖氣儲層滲透率的實驗裝置，其特徵在於所述氣體增壓器(2)為高壓CO2注射泵。
4.根據權利要求I所述的超臨界CO2致裂増加頁巖氣儲層滲透率的實驗裝置，其特徵在於所述溫度控制器(4)為恆溫油浴槽。
全文摘要
本發明公開了一種超臨界CO2致裂增加頁巖氣儲層滲透率的實驗裝置，包括氣源供應系統、氣體增壓器、壓力室、溫度控制器以及數據自動採集系統，所述壓力室內設有中心鑽孔的頁巖試件，所述氣源供應系統通過氣體增壓器與壓力室的進氣管連通，所述氣體增壓器和壓力室均置於溫度控制器內，數據自動採集系統對頁巖破裂過程應力-應變關係、壓力、溫度、聲發射信號等進行實時採集，並對超臨界CO2致裂頁巖前後的滲流特性進行測定；本發明的裝置能夠模擬多場(地應力、溫度、壓力)耦合條件下超臨界CO2致裂過程頁巖氣儲層滲透率動態變化，為超臨界CO2致裂增加頁巖氣儲層滲透率機理的研究提供實驗平臺。
文檔編號G01N33/24GK102778554SQ20121027671
公開日2012年11月14日 申請日期2012年8月6日 優先權日2012年8月6日
發明者周軍平, 姜永東, 王維忠, 辜敏, 鮮學福 申請人:重慶大學