[发明专利]煤层气压裂过程中冰冻暂堵性能评价装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及石油天然气开发领域，特别涉及一种低温气体压裂/辅助压裂煤层气过程中冰冻暂堵性能评价装置及方法。

背景技术

水力压裂是煤层气增产的主要措施。目前常用活性水压裂存在压裂液滤失严重、返排率低、压裂裂缝短而复杂等问题，采用新型压裂液和有效暂堵技术是改善压裂效果的关键。利用液氮/液态CO₂压裂/辅助压裂煤层气，具有增能助排、降滤失、对地层伤害小等优点，上世纪九十年代，在北美页岩气新井压裂和煤层气老井重复压裂中，曾选用液氮作为压裂液；近年来，我国液氮/液态CO₂压裂/辅助压裂工艺也从石油行业成功应用到安徽淮北、河南焦作、华北油田和陕西韩城等煤层气压裂中。这些现场实践都取得了不同程度的增产效果。对于液氮/液态CO₂压裂/辅助压裂煤层气，人们更多地还是关注其常规机理，而对于液氮/液态CO₂等低温气体注入煤层后产生的冷冲击作用以及可能实现的冰冻暂堵降滤失等机理提及较少，缺乏理论认识、室内评价和现场验证。

压裂过程中，注入液氮/液态CO₂对煤层产生冷冲击，可以初步改善近井煤层的裂缝系统和岩石力学性质，同时为后续冰冻暂堵降低压裂液漏失提供一个孔隙水结冰和维持一定热力学稳定时间的低温环境。煤岩具有较小的导热系数和敏感的热胀冷缩特性，当近井煤层短时间内与大量低温气体接触时，会导致煤岩基质剧烈收缩，当产生的收缩应力超过煤岩的抗拉强度时，会在煤层内部形成许多热应力裂缝，致使煤岩强度降低，有利于压裂裂缝延伸至更深地层。而在冷冲击作用形成的低温环境下，煤层裂缝中的地层水/注入的活性水会结冰，或与注入的低温气体(如液态CO₂)/原生甲烷形成气体水合物。地层水结冰或形成水合物都会堵塞煤层的高渗通道，起到降低压裂液漏失的作用。而随着煤层温度升高，形成的冰堵又会融化，不会对煤层造成伤害。

发明内容

本发明的目的就是针对低温气体压裂/辅助压裂煤层气过程中的冰冻暂堵降滤失机理缺乏室内研究手段的问题，提供一种评价煤层气压裂过程中冰冻暂堵性能的实验装置及方法。该实验装置主要由增压泵、中间容器组、高压小容器瓶、岩心夹持器、真空泵、恒温箱、压力传感器、温度传感器、数据采集箱、控制电脑等组成，如附图1。

实验步骤主要包括：(1)将煤心放入岩心夹持器，连接好设备、管线；(2)采用压降法气测煤心渗透率；(3)向煤心中通入气体和水，达到设定的含气、含水饱和度；(4)开启恒温箱降温至-20℃，待煤心中的水结冰或形成水合物(煤心孔隙中只存在气固两相)；(5)再采用压降法气测煤心渗透率，评价冰冻封堵效果；(6)将恒温箱迅速加热至某一温度，记录岩心夹持器温度以及前端压降变化。

其中：

步骤(1)：所采用干燥煤心尺寸直径2.5cm，长度5cm；所采用煤心种类包括原始煤心、液氮冷冲击煤心或压裂煤心；将煤心放置于液氮中浸泡10min，产生大量热应力裂缝，待煤心与液氮接触表面不再有大量气泡产生，表明煤心已经冷却均匀，取出恢复至常温，可得到冷冲击煤心；在保持煤心相对完整的前提下，通过向煤心两端施加一定应力，使煤心产生一条或多条长裂缝，可得到压裂煤心。(说明：所用岩心并不局限于煤心，还包括页岩、致密砂岩等低渗、特低渗岩心)

步骤(2)：采用N₂进行压降法气测煤心原始渗透率，即煤心前端接入装有高压N₂的小气瓶(5ml)，煤心后端放空，随着N₂通过煤心，记录煤心前端的压力下降曲线，采用气测渗透率原理，计算煤心的渗透率(具体计算步骤见后文)。

步骤(3)：通过增压泵和中间容器，先向煤心中注水饱和，然后设定煤心后端背压阀压力，继续注水至设定压力，再注入气体达到所设定的含水饱和度；注入的气体可以是CO₂、N₂和CH₄等气体中的一种或几种；注入的水可以是蒸馏水、地层水、活性水、压裂液等水基流体中的一种或几种。

步骤(4)：恒温箱控温范围在-20～60℃；将恒温箱温度控制在-20℃，并保持足够长的时间，使所有或绝大多数水结冰或形成气体水合物，此时煤心孔隙中主要存在气固两相。

步骤(5)：再采用压降法测量结冰或形成水合物煤心的渗透率，步骤如步骤2，但此时煤心后端存在背压；评价结冰或水合物对煤心渗透率的影响。

步骤(6)：用于评价当环境温度升高时，结冰或水合物对煤层封堵能力的维持能力。

本发明的有益效果为：