[发明专利]一种模拟页岩气压后单缝返排的实验装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟页岩气压后单缝返排的实验装置及方法，属于油气田开发的技术领域。

背景技术

页岩气藏是一种致密气藏，通常需要进行压裂改造才能获得有效工业气流。页岩气压裂通常采用滑溜水或清水使用高压、高排量、低粘度的方式将支撑剂携带进地层，形成有效裂缝后还要尽可能的将滤失到地层的压裂液最大限度地返排出来，减少地层的伤害，同时减少支撑剂的回流量并使支撑剂能有效沉降，以提高裂缝导流能力和近井地带油气层的渗透率，改善压裂增产效果。因此，对气井压后返排过程中返排工艺、支撑剂回流和沉降规律进行研究显得尤为重要。

国内外对页岩气压后压裂液返排工艺的研究主要停留在理论研究上，传统的全三维裂缝几何模拟器系统研究了裂缝闭合期间支撑剂的沉降规律，但并没有考虑返排过程中压降、支撑剂的回流量以及沉降规律等因素；早期狭槽模型实验是通过狭槽中间填支撑剂，实验流体从一端泵入，流经充填层，其两壁有观测装置可以观测支撑剂的回流情况，狭槽可以改变大小，此方法能模拟缝宽变化对支撑剂回流的影响，但没有考虑闭合压力的影响；圆管—射孔模型主要考察支撑剂回流的临界流量，其方法是在不锈钢管中填满支撑剂然后让不同流速流体通过，这种方法不能模拟缝宽和闭合压力变化；最经典的方法是API线性流动岩心夹持筒，此方法的优势是考虑了压力与温度变化下的支撑剂回流现象，还可以得出不同裂缝宽度和流速条件下支撑剂发生回流的临界条件，但这种方法没有考虑裂缝缝长、裂缝接触面几何形态、铺砂浓度、铺砂配比对支撑剂回流的影响以及出砂量、出砂临界速度、支撑剂嵌入程度、返排过程中压降、压裂液滤失量等因素的影响。最常用的API导流模型以及网格裂缝矩形导流模型往往只能测裂缝的导流能力，却不能动态研究页岩气压后返排过程中的影响因素。模拟页岩气压后返排技术方面的实验装置及方法目前还不能系统的考虑多方面的因素影响，因此研制一种能模拟页岩气压后返排过程的实验装置及其工作方法具有重要意义。

发明内容

针对以上的技术不足，本发明提供一种模拟页岩气压后单缝返排的实验装置，模拟和测量页岩储层通过压裂产生的单缝的导流能力及岩石物性、缝宽、缝长和返排工艺对支撑剂嵌入程度、支撑剂回流及沉降规律的影响。

本发明还提供一种上述装置的工作办法。

本发明的技术方法如下：

一种模拟页岩气压后单缝返排的实验装置，其包括泵组、装置主体、液压与温控装置、尾部监测装置、废液处理装置，装置主体主要是改进的岩心夹持器、特制裂缝岩心；改进岩心夹持器用来模拟环形导流室腔，通过液压与温控装置来控制空腔中的温度及压力，可用来模拟地层高温高压环境；侧面顶端上下两孔是位移计窗口，能监测实验过程中的缝宽变化；岩心夹持器内部封闭空腔是液压油储存空腔，腔内有电阻丝、压力与温度传感器；向内是导流室腔，导流室腔中间部位侧面包裹有橡胶圈，橡胶圈最右侧有环形突出，是控制岩心与橡胶套筒的塞入位置；橡胶圈两端是长段金属内螺纹；整个导流室腔直至外端面都有刻度。

导流室腔两端是密封夹持杆，夹持杆上有长段外螺纹，与导流室腔内螺纹配套，能起到密封的作用；各密封夹持杆内端面有环形橡胶圈包裹在端面外围，能顶住岩心起到密封的效果；夹持杆中有导流孔及压力监测窗口，入口端夹持杆有4圈呈阵列排布的导流孔，且4圈导流孔与中心导流孔在一条直径上或接近直线，这样无论密封夹持杆旋到什么角度，都会有一条直线上的7个导流孔与裂缝接触；从最外圈导流孔向圆心导流孔呈阶梯状内凹收缩，内凹程度很小，如此能增加流体与岩心的接触面积；出口端夹持杆内端面有一条螺旋状导流槽向圆心收缩成一个圆心导流孔，每一级导流槽两壁是隔挡，这是为了防止两半圆柱体岩心在高压环境下发生错位移动，整个端面也呈凹形，内凹距离很小，如此能增加液体的汇聚；出口端夹持杆与尾部监测装置相连。

所述的尾部监测装置包括流量监测装置及出砂监测装置，出砂监测装置与计算机相连，能动态检测出砂量，只要适时记录当时的流量，就能得出临界出砂流量及最大出砂流量。

裂缝主要是由两块半圆柱体岩心模拟，两半圆柱体岩心受到围压及高温就能模拟地层高温高压环境裂缝；两半圆柱岩心侧面顶端中心各有一个位移发射器，正对着位移发射器的是位移接收器，将测量的位移数据减去岩心直径长度，即为裂缝缝宽。

岩心装入夹持器之前需装进一个橡胶套筒，套筒侧面有开口及丝扣，套筒侧面上下端中心有一圆心开口；岩心是与页岩性质相近的大理石，裂缝面凹凸不平。岩心、橡胶套筒、环形导流室腔都有对应的刻度线，是为了对齐且让位移接收器、位移发射器、橡胶套筒上下侧面圆心开口也对齐。