[发明专利]一种液氮控温控压冻融损伤页岩实验装置及方法

说明书

本发明涉及一种液氮控温控压冻融损伤页岩实验装置及方法，本发明的自增压液氮罐通过耐低温金属管线与控温控压装置相连，自增压液氮罐内部装有超低温液氮；所述高压氮气瓶通过高压气体管线分别与控温控压装置和冻融损伤装置上端连接，高压氮气瓶内装有高压氮气；控温控压装置的下部通过耐低温金属管线与冻融损伤装置的下部连接；所述冻融损伤装置内部设有页岩岩心，并通过低温应变片与数据采集系统连接。有益效果是：本发明可进行不同温度、压力液氮作用下的页岩冻融损伤实验，可调温度范围大，能真实模拟地层岩石与液氮接触后的损伤劣化情况，实验方法简单，实验误差小，为超低温流体压裂技术开发页岩气藏提供科学依据和理论基础。

技术领域

本发明涉及一种石油工程储层增产改造领域，特别涉及一种液氮控温控压冻融损伤页岩实验装置及方法，用于超低温液氮压裂技术开采页岩气的压裂方案设计与施工后的储层产能预测。

背景技术

能源危机和环境问题是当今世界人类发展面临的最大威胁，而环境问题在很大程度上是由能源消费结构不合理造成的。以煤为主的资源存量，决定了我国以煤为主的能源消费结构，在我国一次能源消费结构中，煤炭占到了69%，比世界平均水平高出约40%；而天然气仅占5%，远低于24%的世界平均水平。增加天然气等清洁能源在能源消费结构中的比例，对于优化我国能源结构，降低国内单位生产总值CO₂排放具有重要意义。近年来，随着我国社会经济的持续高速发展，能源的需求屡创新高，加之传统油气资源日益枯竭，导致我国石油、天然气对外依存度不断攀升。石油对外依存度由1993年的1.2%飙升到2013年的58.1%，天然气对外依存度也由2006年的0.8%迅速攀升至2013年的31.6%。据预测，到2020年中国天然气年均消费量将达3000×108m³，而届时我国天然气产量仅为2000×108m³左右。因此，加快非常规天然气资源的勘探开发，对于确保国家能源战略安全具有重要的意义。

2000年北美地区的页岩气年产量仅100×108m³，至2010年该地区页岩气年产量达到1500×108m³，10年间增长了15倍。由北美掀起的“页岩气革命”极大的撼动了全球传统能源版图，激发了各国政府以及油气/能源公司对页岩气资源超乎想象的激情。美国的成功开发经验告诉我们，只有充分暴露储层面积，大量释放吸附气储量，沟通整个储层，才能提高单井产能实现商业化开发，由此萌发了全新的页岩气压裂技术“体积压裂”。页岩气藏体积压裂是指在水力压裂的过程中，使天然裂缝不断扩张，脆性岩石不断产生剪切滑移，形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络，从而增加改造体积，提高气体产量和最终采收率。2005年以来，我国虽然相继在四川盆地南部古生界、四川盆地北部中生代、鄂尔多斯盆地三叠系等多个地区和多个时代的海相、陆相富有机质页岩中取得了页岩气探勘的突破，但是大量的矿场实践表明:我国页岩气储层很难进行大规模体积压裂，储层改造体积有限，单井产量低，使得这一产业的前景堪忧。对比中美页岩气成藏及赋存条件，发现形成这一挑战的主因如下：①储层埋深大（美国页岩埋深一般在200-2000米,而我国绝大部分页岩埋深超过3000米，部分甚至超过5000米）；②石英等脆性矿物含量低，使得页岩脆性普遍低于美国典型页岩储层；③大埋深导致温度高、围压大，使得页岩的变形明显由脆性向延性转变；层内水平地应力差大，形成缝网的能力低；⑤天然裂缝不发育。这些特征极大地限制了复杂裂缝网络的形成，严重影响着体积压裂改造效果。针对我国页岩气藏这些独特的储层地质力学特征，探索提高地层可压性，形成复杂裂缝网络的新方法，成为当前页岩气藏高效开发亟需解决的关键问题。