超臨界二氧化碳壓裂液對油氣儲層滲流影響評價裝置與方法與流程
2023-05-19 18:05:31 1
本發明屬於非常規油氣開發增產技術領域，具體地，涉及超臨界二氧化碳壓裂液對油氣儲層滲流影響評價裝置與方法。
背景技術：
隨著油氣田開發技術的進步，低滲透、緻密等非常規油氣資源的開發越來越受到重視。低滲透油氣資源是指油氣儲層滲透率低，儲量豐度低，單井產能低的油氣資源。我國低滲透油氣資源儲量豐富，分布廣泛，約佔全國已探明儲量的2/3以上，開發潛力巨大。壓裂技術作為低滲透油氣田增產的主要措施，已經在國內外得到了廣泛的應用。然而，傳統的水基壓裂液由於存在破膠不完全，返排不徹底，在地層中滯留量大等問題，對地層傷害嚴重。因此，主要應用於非常規儲層增產的新一代的低傷害壓裂技術如二氧化碳壓裂技術等相繼問世。二氧化碳壓裂技術具有低傷害、易返排等優勢，目前已經得到了廣泛的關注與研究。而超臨界二氧化碳壓裂技術則是二氧化碳幹法壓裂技術的一種特殊形式。
常溫常壓下，二氧化碳為無色無味的氣體，在油藏條件下，二氧化碳通常處於超臨界狀態(臨界溫度為31.1℃，臨界壓力為7.38MPa)。超臨界二氧化碳流體密度大，溶劑化能力強，作為壓裂液能夠有效溶解近井地帶的部分原油組分，從而增加油氣通道的滲流能力；能夠抑制粘土膨脹，使粘土礦物脫水，顆粒變小，增大地層孔隙，提高滲透率；超臨界二氧化碳的表面張力幾乎為零，對頁巖層的吸附能力遠遠大於甲烷在頁巖中的吸附能力，從而能夠高效置換地層中的甲烷。因此，超臨界二氧化碳壓裂技術不僅能高效開發低滲、緻密等特殊儲層，同時也能有效緩解水力壓裂存在的水資源汙染與浪費的問題。
然而，在壓裂施工中，超臨界二氧化碳壓裂液也會在足夠高的壓力下進入地層的孔隙介質內，影響儲層流體和粘土礦物的物理和化學性質，一方面，由於二氧化碳進入地層後會與地層水發生反應生成酸，溶解部分地層礦物及雜質，提高地層滲透率；另一方面，壓裂液體系內的增粘劑也會對地層孔喉和微裂縫造成一定程度的堵塞，導致地層損害。目前，國內外在超臨界二氧化碳壓裂液的儲層物性評價特別是儲層滲流能力評價方面鮮有研究報導，因此，急需一種實現上述功能的評價裝置及方法。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種超臨界二氧化碳壓裂液對油氣儲層滲流影響評價裝置與方法，用於測量不同壓裂液體系配比、不同壓裂液體系注入量、不同回壓以及不同巖心等條件下的巖心傷害率，進而研究體系配比、體系注入量、回壓以及巖心對巖心傷害率的影響，為超臨界二氧化碳壓裂液的現場施工提供基礎理論數據和技術支撐。
為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：
超臨界二氧化碳壓裂液對油氣儲層滲流影響評價裝置，包括二氧化碳增壓及注入系統、超臨界二氧化碳壓裂液相平衡反應系統、溫度控制系統、巖心驅替及滲透率測量系統以及回壓系統；二氧化碳增壓及注入系統提供二氧化碳氣源及壓力，二氧化碳增壓及注入系統連接超臨界二氧化碳壓裂液相平衡反應系統；超臨界二氧化碳壓裂液相平衡反應系統為二氧化碳增壓及注入系統提供的高壓二氧化碳以及壓裂液添加劑提供反應場所；超臨界二氧化碳壓裂液相平衡反應系統與溫度控制系統並聯，溫度控制系統提供恆溫條件；巖心驅替及滲透率測量系統負責測量壓裂液作用前後巖心的滲透率，分別與超臨界二氧化碳壓裂液相平衡反應系統和回壓系統連接，使壓裂液對巖心進行作用；回壓系統為實驗提供必要的回壓，以模擬真實地層條件。
二氧化碳增壓及注入系統，包括二氧化碳氣體儲罐、緩衝氣罐、緩衝氣罐閥、高能氣體增壓泵、增壓氣罐以及進氣控制閥；二氧化碳氣體儲罐、緩衝氣罐、緩衝氣罐閥、高能氣體增壓泵、增壓氣罐、進氣控制閥通過耐高壓管線依次連接；進氣控制閥與超臨界二氧化碳壓裂液相平衡反應系統連接，增壓後的二氧化碳通過進氣控制閥進入超臨界二氧化碳壓裂液相平衡反應系統。
超臨界二氧化碳壓裂液相平衡反應系統，為相平衡反應釜，包括磁力攪拌器、反應釜內腔；磁力攪拌器通過螺紋連接在反應釜內腔上，形成密閉容器；通過磁力攪拌器來加速反應的進行。
溫度控制系統，包括恆溫油浴鍋、循環泵、耐高溫管線；恆溫油浴鍋、循環泵、相平衡反應釜依次使用耐高溫管線連接形成密閉循環系統；通過控制恆溫油浴鍋工作溫度來控制相平衡反應釜內溫度。
使用恆溫油浴維持系統溫度恆定，溫度上限100℃，精度0.1℃；所有耐壓元器件均可耐壓40Mpa。
巖心驅替及滲透率測量系統，包括恆速恆壓平流泵、中間容器、壓力傳感器、巖心夾持器、手動增壓泵、氮氣儲罐、兩相分離器、氣體流量計；
評價油藏時，恆速恆壓平流泵、中間容器、壓力傳感器、巖心夾持器通過耐高壓管線依次連接；手動增壓泵、壓力傳感器、巖心夾持器通過耐高壓管線依次連接；
評價氣藏時，恆速恆壓平流泵、中間容器、壓力傳感器、巖心夾持器、氮氣儲罐、兩相分離器、氣體流量計通過耐高壓管線依次連接；手動增壓泵、壓力傳感器、巖心夾持器通過耐高壓管線依次連接；巖心夾持器通過高壓管線與回壓系統連接。
回壓系統，包括手動增壓泵、緩衝容器、壓力傳感器、回壓閥；手動增壓泵、緩衝容器、壓力傳感器、回壓閥通過耐高壓管線依次連接。
評價超臨界二氧化碳壓裂液對油氣儲層滲流能力影響的方法，採用上述實驗裝置，進行超臨界二氧化碳壓裂液對巖心滲流能力評價，包括以下步驟：
步驟一：將巖心放入巖心夾持器中，油測滲透率時，用恆速恆壓平流泵以一定速率向巖心中泵入煤油；氣測滲透率時，調整氮氣儲罐出氣閥使氮氣恆速注入巖心中；觀察壓力傳感器讀數，記錄穩定時的驅替流量及壓力；
步驟二：打開恆溫油浴鍋以及循環泵，調節恆溫油浴鍋溫度至一定值，建立加熱-循環系統。
步驟三：將磁力攪拌器與反應釜內腔分離，向相平衡反應釜內加入一定量增粘劑和助溶劑，將磁力攪拌器與反應釜內腔連接好，打開磁力攪拌器；
步驟四：打開二氧化碳氣體儲罐，調節高能氣體增壓泵及相關閥門對二氧化碳進行壓縮，壓縮至一定壓力後使高壓二氧化碳進入相平衡反應釜；
步驟五：超臨界二氧化碳壓裂液對巖心進行濾失；連接相平衡反應釜、巖心夾持器以及回壓系統，其中巖心夾持器沿步驟一中驅替方向的反方向進行連接，並給巖心夾持器施加適當圍壓以及利用回壓系統施加適當的回壓，打開相平衡反應釜上的出氣控制閥，使超臨界二氧化碳與巖心進行作用。
步驟六：重複步驟一，巖心驅替方向與步驟一相同，測定被超臨界二氧化碳壓裂液作用後的巖心滲透率。
步驟七：計算巖心初始滲透率、壓裂液作用後滲透率以及巖心傷害率。
計算巖心傷害率過程為：
假設步驟一中測得煤油穩定流量為Q1，穩定壓力為P1，步驟六中測得煤油穩定流量為Q2，穩定壓力為P2，巖心長度為L，直徑為D，煤油或氮氣粘度為μ，計算巖心傷害率：
式中，
Q1—巖心傷害前穩定流量，cm3/s；
Q2—巖心傷害後穩定流量，cm3/s；
P1—巖心傷害前穩定壓力，0.1Mpa；
P2—巖心傷害後穩定壓力，0.1Mpa；
K1—巖心初始滲透率，μm2；
K2—壓裂液傷害之後的巖心滲透率，μm2；
μ—煤油(或氮氣)粘度，mPa·s；
L—巖心長度，cm；
D—巖心直徑，cm；
ηd—巖心的滲透率傷害率，％。
本發明的有益效果在於：
(1)能夠根據實驗條件改變實驗溫度、實驗壓力、壓裂液體系配比、壓裂液體系注入量、回壓以及巖心類型，從而探究不同儲層條件下壓裂液對近縫基質巖心傷害率以及不同實驗條件下各因素對巖心傷害率的影響規律；
(2)裝置操作簡便，方法易於實施，操作可行性高；
(3)測量方法科學，能夠達到較高的測量精度。
附圖說明
為了使本發明的目的、技術方案以及實施過程更加清楚明了，本發明提供如下附圖進行說明：
圖1為本發明的裝置結構示意圖；
圖2為本發明的油藏中壓裂液作用前後巖心滲透率測定裝置；
圖3為本發明的氣藏中壓裂液作用前後巖心滲透率測定裝置；
圖中：1二氧化碳增壓及注入系統，2超臨界二氧化碳壓裂液相平衡反應系統，3溫度控制系統，4巖心驅替及滲透率測量系統，5回壓系統5；
11為二氧化碳氣體儲罐，12為緩衝氣罐，13為緩衝氣罐閥，14為高能氣體增壓泵，15為增壓氣罐，16為進氣控制閥，21為磁力攪拌器，22為反應釜內腔，31為恆溫油浴鍋，32為循環泵，41為恆速恆壓平流泵，42為中間容器，43為巖心夾持器，44為手動增壓泵，51為手動增壓泵，52為緩衝容器，53為回壓閥。
具體實施方式
如圖1所示，超臨界二氧化碳壓裂液對油氣儲層滲流影響評價裝置，包括二氧化碳增壓及注入系統1、超臨界二氧化碳壓裂液相平衡反應系統2、溫度控制系統3、巖心驅替及滲透率測量系統4以及回壓系統5；二氧化碳增壓及注入系統1提供二氧化碳氣源及壓力，二氧化碳增壓及注入系統1連接超臨界二氧化碳壓裂液相平衡反應系統2；超臨界二氧化碳壓裂液相平衡反應系統2為二氧化碳增壓及注入系統1提供的高壓二氧化碳以及壓裂液添加劑提供反應場所；超臨界二氧化碳壓裂液相平衡反應系統2與溫度控制系統3並聯，溫度控制系統3提供恆溫條件；巖心驅替及滲透率測量系統4負責測量壓裂液作用前後巖心的滲透率，分別與超臨界二氧化碳壓裂液相平衡反應系統2和回壓系統5連接，使壓裂液對巖心進行作用；回壓系統5為實驗提供必要的回壓，以模擬真實地層條件。
二氧化碳增壓及注入系統1，包括二氧化碳氣體儲罐11、緩衝氣罐12、緩衝氣罐閥13、高能氣體增壓泵14、增壓氣罐15以及進氣控制閥16；二氧化碳氣體儲罐11、緩衝氣罐12、緩衝氣罐閥13、高能氣體增壓泵14、增壓氣罐15、進氣控制閥16通過耐高壓管線依次連接；進氣控制閥16與超臨界二氧化碳壓裂液相平衡反應系統2連接，增壓後的二氧化碳通過進氣控制閥16進入超臨界二氧化碳壓裂液相平衡反應系統2。
超臨界二氧化碳壓裂液相平衡反應系統2，為相平衡反應釜，包括磁力攪拌器21、反應釜內腔22；磁力攪拌器21通過螺紋連接在反應釜內腔22上，形成密閉容器；通過磁力攪拌器22來加速反應的進行。
溫度控制系統3，包括恆溫油浴鍋31、循環泵32、耐高溫管線；恆溫油浴鍋31、循環泵32、相平衡反應釜依次使用耐高溫管線連接形成密閉循環系統；通過控制恆溫油浴鍋工作溫度來控制相平衡反應釜內溫度。
巖心驅替及滲透率測量系統4，包括恆速恆壓平流泵41、中間容器42、壓力傳感器、巖心夾持器43、手動增壓泵44、氮氣儲罐45、兩相分離器46、氣體流量計；
如圖2所示，評價油藏時，恆速恆壓平流泵41、中間容器42、壓力傳感器、巖心夾持器43通過耐高壓管線依次連接；手動增壓泵44、壓力傳感器、巖心夾持器43通過耐高壓管線依次連接；
如圖3所示，評價氣藏時，恆速恆壓平流泵41、中間容器42、壓力傳感器、巖心夾持器43、氮氣儲罐45、兩相分離器46、氣體流量計通過耐高壓管線依次連接；手動增壓泵44、壓力傳感器、巖心夾持器43通過耐高壓管線依次連接；巖心夾持器43通過高壓管線與回壓系統5連接。
回壓系統5，包括手動增壓泵51、緩衝容器52、壓力傳感器、回壓閥53；手動增壓泵51、緩衝容器52、壓力傳感器、回壓閥53通過耐高壓管線依次連接。
測量超臨界二氧化碳壓裂液巖心傷害率的方法，採用上述測量超臨界二氧化碳壓裂液巖心傷害的裝置，具體操作步驟如下：
步驟一：巖心初始滲透率的測定
將巖心放入巖心夾持器43中，並使用手動增壓泵44施加一定圍壓；
油測滲透率即模擬油藏條件時，向中間容器42中加入煤油，並用恆速恆壓平流泵41將中間容器42中的煤油以一定速率穩定驅至巖心夾持器43的巖心中；
氣測滲透率即模擬氣藏條件時，調節氮氣儲罐45出氣閥，使氣體按一定流量穩定驅至巖心夾持器43的巖心中；觀察壓力傳感器讀數，直至流量以及壓力達到穩定狀態，且穩定時間需達到60min，計算巖心初始滲透率；
步驟二：調節實驗溫度
打開恆溫油浴鍋31以及循環泵32，調節恆溫油浴鍋31溫度至一定值，建立加熱-循環系統，持續2-3個小時直至相平衡反應釜內溫度達到實驗溫度並保持恆定；
步驟三：加入超臨界二氧化碳壓裂液體系添加劑
步驟二完成後，通過旋轉螺紋使磁力攪拌器21與反應釜內腔22分離，向相平衡反應釜內加入一定量增粘劑和助溶劑，將磁力攪拌器21與反應釜內腔22連接好，打開磁力攪拌器21；
步驟四：建立超臨界二氧化碳壓裂液體系
打開二氧化碳氣體儲罐11開關閥門和緩衝氣罐閥13，使二氧化碳進入緩衝氣罐12與增壓氣罐15，關閉二氧化碳氣體儲罐11開關閥門和緩衝氣罐閥13，打開高能氣體增壓泵14對增壓氣罐15中的二氧化碳進行壓縮，壓縮至一定壓力後打開進氣控制閥16，使增壓氣罐15中的高壓二氧化碳進入相平衡反應釜，相平衡反應釜與增壓氣罐15內壓力平衡後關閉進氣控制閥16；重複上述步驟直至相平衡反應釜內壓力達到實驗壓力，靜置1-2小時，直至相平衡反應釜內體系完全溶解形成單一均相體系；
步驟五：超臨界二氧化碳壓裂液通過濾失作用進入巖心
將相平衡反應釜、巖心夾持器43、回壓閥53、緩衝容器52、壓力傳感器、手動增壓泵51依次使用耐高壓管線連接；巖心夾持器43、壓力傳感器、手動增壓泵51依次使用耐高壓管線連接；
將巖心夾持器43沿步驟一中驅替方向的反方向與壓力傳感器、手動增壓泵51連接，形成密閉連通的系統，轉動手動增壓泵51給巖心夾持器43施加適當圍壓；手動轉動回壓系統上的手動增壓泵51給回壓閥53施加適當的回壓；打開相平衡反應釜上的出氣控制閥，超臨界二氧化碳以一定速率注入巖心夾持器43中，注入一定量超臨界二氧化碳壓裂液後關閉巖心夾持器43兩埠的閥門，保持巖心夾持器43密閉狀態，持續作用120min後轉動手動增壓泵51緩慢降低回壓閥壓力至大氣壓，該步驟結束；
步驟六：重複步驟一，巖心驅替方向與步驟一相同，測定與超臨界二氧化碳壓裂液作用後的巖心滲透率。
步驟七：計算巖心傷害率
假設步驟一中測得煤油穩定流量為Q1，穩定壓力為P1，步驟六中測得煤油穩定流量為Q2，穩定壓力為P2，巖心長度為L，直徑為D，煤油或氮氣粘度為μ，計算巖心傷害率：
式中，
Q1—巖心傷害前穩定流量，cm3/s；
Q2—巖心傷害後穩定流量，cm3/s；
P1—巖心傷害前穩定壓力，0.1Mpa；
P2—巖心傷害後穩定壓力，0.1Mpa；
K1—巖心初始滲透率，μm2；
K2—壓裂液傷害之後的巖心滲透率，μm2；
μ—煤油(或氮氣)粘度，mPa·s；
L—巖心長度，cm；
D—巖心直徑，cm；
ηd—巖心的滲透率傷害率，％。
本發明可通過改變壓裂液體系配比，從而研究不同壓裂液配比對巖心滲流能力的影響；改變壓裂液體系注入量，從而研究不同壓裂液體系注入量對巖心滲流能力的影響；改變實驗壓力以及回壓，從而研究不同地層壓力對巖心滲流能力的影響；使用不同種類、不同滲透率的巖心進行實驗，從而研究不同儲層中壓裂液作用後巖心滲流能力的變化。