[发明专利]一种水力压裂和微波致裂联合增透页岩的实验装置及方法

说明书

一种水力压裂和微波致裂联合增透页岩的实验装置及方法，装置包括三轴压力室单元、围压与轴压控制单元、水力压裂控制单元、微波致裂控制单元及渗透控制单元。方法为：利用标准钢样替代页岩试样进行体积标定，通过三轴压力室单元、围压与轴压控制单元及渗透控制单元配合，完成上渗透参考体积和下渗透参考体积的测量；拆除标准钢样，将页岩试样安装到三轴压力室单元内并完成装置连接；通过围压与轴压控制单元以及三轴压力室单元内的加热器完成地应力和地层温度环境的模拟；通过水力压裂控制单元完成页岩试样的水力压裂；通过微波致裂控制单元完成页岩试样的微波致裂；通过渗透控制单元完成页岩试样的渗透，最后计算得到页岩试样的渗透率。

技术领域

本发明属于页岩油气开采技术领域，特别是涉及一种水力压裂和微波致裂联合增透页岩的实验装置及方法。

背景技术

随着能源的日益枯竭，非常规油气藏资源的勘探和开采变得尤为重要。页岩油与页岩气是典型的非常油气储层，我国页岩油储量与常规石油储量相当，页岩气储量居世界首位。尽管我国页岩油气资源丰富，但是页岩油气储层致密、低渗，其内部孔隙不发育，导致页岩内部油气难以流动。此外，页岩油储层多为中、低成熟度的富有机质岩石，中成熟度页岩内原油具有流动性，但是低成熟页岩内的油母质需要经过高温的作用才能转化为具有流动能力的原油。

目前，页岩油气开采方法主要为水力压裂法，但水力压裂法需要消耗大量的水资源，中国页岩油气储层多赋存于缺水地区。此外，水力压裂后压裂液返排率较低，页岩油气储层中含有大量的粘土矿物，粘土矿物吸水后易膨胀，膨胀后堵塞油气的运移通道，导致页岩渗透率降低，最终使得页岩油气产量快速降低。

微波辐射是一种新型的岩石致裂增产措施，微波具有穿透力强、选择性加热、易于控制等优点，通过岩石内部分子内摩擦产生高温，不需要任何传导介质就可以使岩石内外同时加热。页岩内矿物非均质性强，不同矿物对微波的吸收能力不同，进而在不同矿物间产生温度应力差，最终使页岩内部产生复杂的裂纹。此外，微波产生的高温可以使低成熟和中成熟页岩中的油母质转化为流动原油，提高页岩油的产能。水压致裂裂隙延展范围较广、微波致裂影响范围相对较小，页岩油气开采可利用水压致裂和微波致裂交替结合的方式，储层中滞留的压裂液可快速吸收微波转化为气体状态，产生高压气体破岩的效果。综上，水压致裂与微波致裂联用的方式可减少用水量、提高压裂破岩效率、增加裂网复杂性、提高产量。

目前，微波致裂技术在非常规油气增产中并未应用和推广，其根本原因在于微波致裂增产技术的机理研究仍非常薄弱。实际页岩油气储层处于深部地层中，页岩油气储层承受着较高的地应力，微波产生的热应力与周围应力相互作用，最终使得页岩油气地层产生裂纹。再有，实际页岩油气储层处于一定的温度环境中，温度使得流体流动性增强，但也会使得页岩骨架膨胀，导致孔隙压缩，微波产生的高温会在原有储层温度上叠加。综上，考虑地应力和温度的微波试验研究才能真实的反映实际页岩油气储层的破裂特征。受试验装置与方法的限制，目前的微波致裂研究大多将试样从地层取出后直接置于微波炉中进行微波处理，处理后对试样施加以应力和流体压力进行力学或者渗流试验研究，这类试验方法的问题在于微波前试样上的地应力解除、温度也降为常温状态，而微波试验后再安装试样进行力学和渗透率测试，微波后的应力和温度也会被破坏，因此，这种试验方法并不能真实地反映地应力状态下裂隙实际发育的情况，测试得到的渗透率也并非致裂增透后地层的实际渗透率。此外，现有的压裂实验装置通常只能进行单一的水力压裂实验，无法满足水力压裂和微波致裂同时作用下的页岩致裂增透实验研究。考虑地层实际应力与温度条件的微波致裂前后渗透率测试装置与方法的难点之一在于：微波后，试样温度随微波时间和功率快速增加，其温度可达到500℃以上，常规的渗透率测试试验装置最高耐温程度多为150℃，如何有效屏蔽微波产生的高温效应是原位微波致裂增渗装置面临的关键问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种水力压裂和微波致裂联合增透页岩的实验装置及方法，能够有效模拟地应力和地层温度环境，准确测定页岩在水力压裂和微波致裂同时作用前后的渗透率，从而通过渗透率演化对水力压裂和微波致裂联合增透效果进行评估。