[发明专利]含气页岩应力-渗流-温度耦合及驱替试验的装置及方法

说明书

 

技术领域

本发明属于岩石工程领域，特别涉及含气页岩应力-渗流-温度耦合及驱替试验的装置及方法。

背景技术

含气页岩在应力、渗流、温度等多因素共同作用下的力学行为研究是中国页岩气开发的基础性研究课题之一，具有十分重要的科学意义。国家十二五规划中明确要求2015年页岩气产量65亿立方米，力争2020年产量达到600-1000亿立方米。然而中国系统、深入的页岩气基础理论研究还非常薄弱，导致页岩气开采仍处于初期勘探阶段，其根本原因在于缺乏与基础理论相配套的实验设备。

页岩气体主要成分为甲烷，页岩气主要有两种赋存状态，即游离态和吸附态，吸附状态天然气的含量为20%~85%。生成的页岩气一般情况下先满足吸附，然后为游离析出。另外，页岩气在生产过程中产生一定的水分，因此，页岩气开采实验必须要考虑页岩的预吸附气体和含水饱和度。

我国含气页岩储层多位于千米以下，含气页岩储层处于复杂地应力场、多相渗流场、温度场的共同作用之中：(1)页岩气储层位于高地应力状态下；(2) 页岩储层流包含气、水两相流体，尤其在页岩储层压裂后，使得页岩储层中含水量增加，因此气、水两相流体在页岩岩石中相互竞争流动通道；(3)随着排采的不断进行，孔隙流体压力发生变化，从而引起页岩气藏骨架有效应力的改变和页岩骨架的变形；页岩骨架变形改变了气、水的流动通道，影响着骨架的渗透规律；(4)高埋深使得储层所处温度增高，一方面促使页岩气体分子更为活跃，产生对渗透率有益的影响；另一方面又使得页岩基质膨胀，使得原本就非常微小的页岩孔隙和狭窄的页岩裂隙进一步缩小，从而引起渗透率的降低。

页岩气在开采过程中的运移是上述应力、多相渗流、温度作用下的动态耦合过程，在应力场、温度场两场耦合下的渗透性能是影响页岩气排采产能的关键参数，影响着页岩气勘探后期的井网布置和强化处理方案的实施。含气页岩应力-多相渗流-温度耦合实验是研究上述关键参数的有效手段，同时可以作为页岩气资源开发潜力评价和开发方案优化提供科学依据，对于页岩气的开采起着至关重要的作用。在中国页岩气勘探开发快速起步的今天，页岩气开采试验研究的系统开展对页岩气工业的发展具有极其重要的意义。

目前测试致密含气页岩变形和渗透性能的实验及其装置存在以下问题：页岩变形和渗透性能实验均分别展开，使得变形和渗透性能不能进行同步记录和分析，不能反映实际开采过程中页岩变形和渗透性能的动态耦合变化过程。而常规应力-渗流耦合设备因受出口处流量量程限制，无法完成低渗透率致密含气页岩的流固耦合实验。另外，目前所做的含气页岩渗透装置均未考虑原始状态下页岩的气体吸附和含水饱和：吸附气体的存在使得原有裂隙通道变得更为狭窄，不考虑预先吸附会使得到的渗透系数偏大，不符合地下页岩储层的实际条件；页岩含水使得页岩的强度发生改变，且影响气体在页岩中的流动状态，不考虑页岩的预含水饱和度，会使得所得到的页岩强度偏高。现有的含气页岩变形和渗透性能实验装置中，均未考虑温度的影响，对于中国大埋深的低渗含气页岩，温度导致的页岩孔喉变化对渗透率的影响不可忽视。综上，目前的测试手段难以对实际地层条件下的含气页岩变形和渗透性能进行准确的测量。

天然气中气、水饱和度呈一定的比例关系，以美国五套页岩气储层参数为例：安特里姆页岩中含气、含水饱和度均为4%，俄亥俄页岩含气、含水饱和度分别为2%、3%，新奥尔巴尼页岩含气、含水饱和度分别为5%、8%，因此页岩实验中必须考虑气、水两相流体的定比例混合注入。而目前的页岩渗透实验设备中均只采用单相气体测试页岩的渗透率，未实现气、水两相流体注入条件下页岩渗透性能的测试。现有可以实现其他材料气、水两相渗透率测试的仪器中，注入试样的气、水混合液体均按照等压力注入，在等压注入的条件下，便无法控制注入的混合气体比例，因此不能实现气、水两相流体定比例、等压混合注入，使得测试结果无法反应工程实际。