本發(fā)明涉及一種石油工程領(lǐng)域的頁(yè)巖油氣開(kāi)采實(shí)驗(yàn)裝置及方法，特別涉及一種液氮無(wú)水壓裂模擬實(shí)驗(yàn)裝置及方法。

背景技術(shù)：

頁(yè)巖氣作為一種重要的非常規(guī)天然氣資源，其開(kāi)采壽命長(zhǎng)和生產(chǎn)周期長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，有利于調(diào)整能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，緩解油氣資源短缺，增加清潔能源供應(yīng)，近年來(lái)倍受各國(guó)青睞。

近年來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展，能源的需求屢創(chuàng)新高，加之傳統(tǒng)油氣資源日益枯竭，導(dǎo)致我國(guó)石油、天然氣對(duì)外依存度不斷攀升。石油對(duì)外依存度由1993年的1.2%飆升到2013年的58.1%，天然氣對(duì)外依存度也由2006年的0.8%迅速攀升至2013年的31.6%。據(jù)預(yù)測(cè)，到2020年中國(guó)天然氣年均消費(fèi)量將達(dá)3000×108m³，而屆時(shí)我國(guó)天然氣產(chǎn)量?jī)H為2000×108m³左右，可見(jiàn)我國(guó)對(duì)天然氣的需求與日俱增。同時(shí)，由于我國(guó)加大力度實(shí)施節(jié)能減排的政策，天然氣的應(yīng)用得到充分的推廣，這使得我國(guó)天然氣的供應(yīng)受到很大的挑戰(zhàn)。因此，加快非常規(guī)天然氣資源的勘探開(kāi)發(fā)，對(duì)于確保國(guó)家能源戰(zhàn)略安全具有重要的意義。

由于我國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有經(jīng)歷的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，埋藏深，水平應(yīng)力差大，滲透率低，孔隙度低，脆性指數(shù)低等特點(diǎn)，導(dǎo)致無(wú)自然產(chǎn)能，雖然單井產(chǎn)量高，但是初期遞減快，后期產(chǎn)量低，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，并且體積壓裂后難以形成理想的縫網(wǎng)，儲(chǔ)層改造效果差。同時(shí)，常規(guī)體積壓裂液需要消耗大量的水資源，而我國(guó)頁(yè)巖氣藏多分布在缺水地區(qū)，這在一定程度上更加制約了常規(guī)水力壓裂的實(shí)施。國(guó)外一些國(guó)家（如法國(guó)）出于資源與環(huán)境的考慮，已經(jīng)立法禁止用水力壓裂法開(kāi)采頁(yè)巖氣。

為滿足頁(yè)巖氣開(kāi)采中對(duì)儲(chǔ)層性質(zhì)以及地理環(huán)境等因素高要求，解決開(kāi)發(fā)效果較差的世界性難題，國(guó)內(nèi)外許多機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行探索，其中液氮等深冷低溫流體液氮作為低溫液化氣體，通常具有極低溫度（ln2標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)-195.8℃），當(dāng)與巖石接觸時(shí)，會(huì)使巖石表面溫度驟降，發(fā)生高速收縮變形，形成大量微裂隙，巖石“脆性”明顯增強(qiáng)，而脆性的增強(qiáng)程度決定了頁(yè)巖氣體積壓裂的控制體積。因此，開(kāi)展超低溫液氮條件下頁(yè)巖的脆性破裂機(jī)理研究，分析頁(yè)巖在超低溫液氮條件下的脆性變化規(guī)律、體積裂縫擴(kuò)展規(guī)律及相關(guān)影響，進(jìn)而進(jìn)行液氮輔助頁(yè)巖體積壓裂實(shí)驗(yàn)，為低溫?zé)o水壓裂技術(shù)提供理論支撐，對(duì)我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)具有重要指導(dǎo)意義。

目前，利用液氮這種超低溫液體進(jìn)行頁(yè)巖氣室內(nèi)無(wú)水壓裂的裝置或者方法幾乎沒(méi)有。目前已有的設(shè)備，例如申請(qǐng)?zhí)朿n201610395924.5發(fā)明專利，基本是在常溫下實(shí)驗(yàn)，并不能承受液氮的超低溫狀態(tài)?；蛘呃缟暾?qǐng)?zhí)?01310732435.0發(fā)明專利，是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)未壓裂或者井底存在天然裂縫的煤層氣井的初次壓裂工藝的發(fā)明改進(jìn)，對(duì)于室內(nèi)尺寸的頁(yè)巖液氮壓裂并不適用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種液氮無(wú)水壓裂模擬實(shí)驗(yàn)裝置及方法，該裝置及方法能夠針對(duì)液氮標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)-195.8℃的物理性質(zhì)及其易揮發(fā)的特點(diǎn)，在耐低溫的同時(shí)利用氮?dú)夂鸵旱獙?shí)現(xiàn)壓力傳遞。并利用液氮的超低溫特點(diǎn)，在施加圍壓跟上覆壓力模擬真實(shí)地應(yīng)力環(huán)境的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖的液氮壓裂真三軸實(shí)驗(yàn)。

本發(fā)明提到的一種液氮無(wú)水壓裂模擬實(shí)驗(yàn)裝置，包括氣體增壓系統(tǒng)，壓力傳遞系統(tǒng)和三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其中，所述氣體增壓系統(tǒng)，包括氮?dú)馄浚?）和氣體增壓泵（3），氮?dú)馄浚?）通過(guò)氣體增壓泵（3）連接到壓力傳遞系統(tǒng)的氣體儲(chǔ)集罐（6）；所述壓力傳遞系統(tǒng)，包括氣體儲(chǔ)集罐（6）、壓裂中間儀器（11）和自增壓液氮罐（14），所述壓裂中間儀器（11）的頂部連接上三通接口（8），上三通接口（8）的一端連接氣體儲(chǔ)集罐（6），另一端連接排氣口（10）；所述壓裂中間儀器（11）的下端連接下三通接口（12），下三通接口（12）的一端連接自增壓式液氮罐（14），另一端連接三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（18）；通過(guò)將巖心放入三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（18），加上設(shè)定值的最大和最小水平主應(yīng)力以及上覆應(yīng)力后，模擬真實(shí)地應(yīng)力條件進(jìn)行壓裂實(shí)驗(yàn)。

上述的壓裂中間儀器（11）包括壓帽（19）、筒體外保溫層（20）、活塞（22）和筒體（23），所述筒體（23）的兩端分別設(shè)有壓帽（19），且一個(gè)壓帽上設(shè)有液氮流出口（24），另一個(gè)壓帽（19）上設(shè)有氮?dú)馔ㄈ肟冢?5），外側(cè)設(shè)有筒體外保溫層（20），在筒體（23）內(nèi)腔設(shè)有可以移動(dòng)的活塞（22）。

上述的氮?dú)馄浚?）上部設(shè)有氮?dú)馄孔詭чy門（2），氣體增壓泵（3）與氣體儲(chǔ)集罐（6）之間設(shè)有第一截止閥（5）和氣體壓力傳感器（4）。

上述的氣體儲(chǔ)集罐（6）與壓裂中間儀器（11）之間設(shè)有第二截止閥（7）。

上述的三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（18）與下三通接口（12）之間設(shè)有壓力表（15）、溫度表（16）和耐低溫截止閥（17）。

上述的氮?dú)馄浚?）內(nèi)裝有純度為99.99%的氮?dú)?，氮?dú)馄恐谐鰜?lái)的氮?dú)馄渥罡邏毫Σ怀^(guò)10mpa，且各裝置之間的連接管線采用高壓金屬管線。

上述的氣體儲(chǔ)集罐（6）采用耐高壓鋼體制成，用于暫時(shí)性存儲(chǔ)加壓后的氮?dú)狻?/p>

上述的活塞（22）和筒體（23）的內(nèi)壁之間設(shè)有密封圈（21），采用高溫高壓石墨盤根。

上述的三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（18），在最大、最小水平應(yīng)力跟上覆應(yīng)力三個(gè)方向各有一個(gè)千斤頂剛性加載。

本發(fā)明提到的一種液氮無(wú)水壓裂模擬實(shí)驗(yàn)方法，包括以下步驟：

（1）、打開(kāi)排氣閥（9），關(guān)閉低溫截止閥（17），準(zhǔn)備向壓裂中間儀器（11）注入液氮；

（2）、打開(kāi)自增壓液氮罐上方的液氮罐閥門（13），往壓裂中間儀器（11）中注入定量的液氮，關(guān)閉排氣閥（9）和液氮罐閥門（13）；

（3）、在三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（18）中放入巖心并安裝完畢，檢查密封；

（4）、通過(guò)伺服系統(tǒng)加載圍壓與上覆壓力，達(dá)到預(yù)設(shè)值后，打開(kāi)第二截止閥（7），準(zhǔn)備通氮?dú)猓?/p>

（5）、打開(kāi)第一截止閥（5）和氮?dú)馄孔詭чy門（2），控制氣體增壓泵（3）增壓，并通過(guò)氣體壓力傳感器（4）即時(shí)顯示，將氮?dú)馔ㄟ^(guò)氣體儲(chǔ)集罐（6）打入壓裂中間儀器（11）中；

（6）、在壓裂中間儀器（11）中，帶有壓力的氮?dú)馔ㄟ^(guò)活塞（22）將液氮推入三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（18）中的巖心內(nèi)，進(jìn)行壓裂模擬實(shí)驗(yàn)；

（7）、巖心壓開(kāi)保存數(shù)據(jù)后，關(guān)閉第一截止閥（5）、低溫截止閥（17）和氮?dú)馄孔詭чy門（2）；

（8）、打開(kāi)排氣閥（9），將壓裂中間儀器（11）和氣體儲(chǔ)集罐（6）中的氣體安全放出，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是：

（1）克服液氮的超低溫特點(diǎn)和氮?dú)鈿怏w的密封要求，實(shí)現(xiàn)液氮無(wú)水壓裂實(shí)驗(yàn)；

（2）壓裂中間儀器采用三通設(shè)計(jì)和自增壓液氮罐注入液氮，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損失和定量注入，極大的改善了目前液氮粗略直接倒入方式，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)注入和實(shí)時(shí)監(jiān)控；

（3）自增壓式液氮罐的采用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)注入巖心的液氮流量的即時(shí)監(jiān)測(cè)，方便研究液氮流量對(duì)壓裂效果的影響。

最后，本發(fā)明利用液氮低溫流體輔助頁(yè)巖這種壓裂工藝，對(duì)頁(yè)巖進(jìn)行冷沖擊改造，用于石油工程領(lǐng)域頁(yè)巖油氣開(kāi)采時(shí)采用液氮壓裂的機(jī)理研究及其效果評(píng)價(jià)。

附圖說(shuō)明

附圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖2是壓裂中間儀器結(jié)構(gòu)示意圖；

上圖中：氮?dú)馄?、氮?dú)馄孔詭чy門2、氣體增壓泵3、氣體壓力傳感器4、第一截止閥5、氣體儲(chǔ)集罐6、第二截止閥7、上三通接口8、排氣閥9、排氣口10、壓裂中間儀器11、下三通接口12、液氮罐閥門13、自增壓式液氮罐14、壓力表15、溫度表16、耐低溫截止閥17、三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)18、壓帽19、筒體外保溫層20、密封圈21、活塞22、筒體23、液氮流出口24、氮?dú)馔ㄈ肟?5。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明提到的一種液氮無(wú)水壓裂模擬實(shí)驗(yàn)裝置，包括氣體增壓系統(tǒng)，壓力傳遞系統(tǒng)和三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其中，所述氣體增壓系統(tǒng)，包括氮?dú)馄?和氣體增壓泵3，氮?dú)馄?通過(guò)氣體增壓泵3連接到壓力傳遞系統(tǒng)的氣體儲(chǔ)集罐6；所述壓力傳遞系統(tǒng)，包括氣體儲(chǔ)集罐6、壓裂中間儀器11和自增壓液氮罐14，所述壓裂中間儀器11的頂部連接上三通接口8，上三通接口8的一端連接氣體儲(chǔ)集罐6，另一端連接排氣口10；所述壓裂中間儀器11的下端連接下三通接口12，下三通接口12的一端連接自增壓式液氮罐14，另一端連接三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)18；通過(guò)將巖心放入三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)18，加上設(shè)定值的最大和最小水平主應(yīng)力以及上覆應(yīng)力后，模擬真實(shí)地應(yīng)力條件進(jìn)行壓裂實(shí)驗(yàn)。

其中，壓裂中間儀器11包括壓帽19、筒體外保溫層20、活塞22和筒體23，所述筒體23的兩端分別設(shè)有壓帽19，且一個(gè)壓帽上設(shè)有液氮流出口24，另一個(gè)壓帽19上設(shè)有氮?dú)馔ㄈ肟?5，外側(cè)設(shè)有筒體外保溫層20，在筒體23內(nèi)腔設(shè)有可以移動(dòng)的活塞22。

另外，氮?dú)馄?上部設(shè)有氮?dú)馄孔詭чy門2，氣體增壓泵3與氣體儲(chǔ)集罐6之間設(shè)有第一截止閥5和氣體壓力傳感器4；上述的氣體儲(chǔ)集罐6與壓裂中間儀器11之間設(shè)有第二截止閥7；上述的三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)18與下三通接口12之間設(shè)有壓力表15、溫度表16和耐低溫截止閥17。

再者，氮?dú)馄?內(nèi)裝有純度為99.99%的氮?dú)?，氮?dú)馄恐谐鰜?lái)的氮?dú)馄渥罡邏毫Σ怀^(guò)10mpa，且各裝置之間的連接管線采用高壓金屬管線。

上述的氣體儲(chǔ)集罐6采用耐高壓鋼體制成，用于暫時(shí)性存儲(chǔ)加壓后的氮?dú)猓簧鲜龅幕钊?2和筒體23的內(nèi)壁之間設(shè)有密封圈21，采用高溫高壓石墨盤根。

上述的三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（18），在最大、最小水平應(yīng)力跟上覆應(yīng)力三個(gè)方向各有一個(gè)千斤頂剛性加載。

本發(fā)明提到的一種液氮無(wú)水壓裂模擬實(shí)驗(yàn)方法，包括以下步驟：

（1）、打開(kāi)排氣閥9，關(guān)閉低溫截止閥17，準(zhǔn)備向壓裂中間儀器11注入液氮；

（2）、打開(kāi)自增壓液氮罐上方的液氮罐閥門13，往壓裂中間儀器11中注入定量的液氮，關(guān)閉排氣閥9和液氮罐閥門13；

（3）、在三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)18中放入巖心并安裝完畢，檢查密封；

（4）、通過(guò)伺服系統(tǒng)加載圍壓與上覆壓力，達(dá)到預(yù)設(shè)值后，打開(kāi)第二截止閥（7），準(zhǔn)備通氮?dú)猓?/p>

（5）、打開(kāi)第一截止閥5和氮?dú)馄孔詭чy門2，控制氣體增壓泵3增壓，并通過(guò)氣體壓力傳感器4即時(shí)顯示，將氮?dú)馔ㄟ^(guò)氣體儲(chǔ)集罐（6）打入壓裂中間儀器（11）中；

（6）、在壓裂中間儀器11中，帶有壓力的氮?dú)馔ㄟ^(guò)活塞22將液氮推入三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)18中的巖心內(nèi)，進(jìn)行壓裂模擬實(shí)驗(yàn)；

（7）、巖心壓開(kāi)保存數(shù)據(jù)后，關(guān)閉第一截止閥5、低溫截止閥17和氮?dú)馄孔詭чy門2；

（8）、打開(kāi)排氣閥9，將壓裂中間儀器11和氣體儲(chǔ)集罐6中的氣體安全放出，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

其中，步驟3中的巖心的制備方法是：利用繩線切割機(jī)切割頁(yè)巖的巖樣，切割成長(zhǎng)度10.5cm的標(biāo)準(zhǔn)尺寸后，打磨端面，并鉆井眼孔加裝套管。

以上所述，僅是本發(fā)明的部分較佳實(shí)施例，任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員均可能利用上述闡述的技術(shù)方案加以修改或?qū)⑵湫薷臑榈韧募夹g(shù)方案。因此，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案所進(jìn)行的任何簡(jiǎn)單修改或等同置換，盡屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。