一种气体测试致密储层缝网导流能力的导流室及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种气体测试致密储层缝网导流能力的导流室及其工作方法， 属于油气田开发领域。

背景技术

致密气是指覆压基质渗透率小于或等于0.1×10^-3μm²的砂岩气层，页岩气是 一种特殊的非常规天然气，赋存于泥岩或页岩中，具有自生自储、无气水界面、 大面积连续成藏、低孔、极低渗透率(小于0.001×10^-3μm²)等特征。致密气与 页岩气单井一般无自然产能或自然产能低于工业气流下限，但在一定经济条件和 技术措施下可获得工业天然气产量。通常情况下，这些措施包括压裂、水平井、 多分支井等。

致密气与页岩气压裂通常采用滑溜水或清水，使用高排量、低黏度的方式将 支撑剂携带进地层，以达到沟通天然裂缝，在地层内形成复杂裂缝网络(缝网) 的作用。致密气、页岩气压裂设计的根本出发点在于如何形成有效的裂缝网络， 裂缝网络的导流能力直接影响致密储层压后产量，因此，对于致密储层裂缝网络 导流能力的研究对于提高增产措施的效果具有重要意义。

传统的水力压裂方式采用高粘压裂液将支撑剂携带进地层，在地层内形成一 条具有高导流能力的填砂裂缝，针对一条充填支撑剂的裂缝的导流能力可采用裂 缝导流仪对导流能力进行评价，此技术已经较为成熟，已有相关的标准： SY/T6302-1997；针对采用酸化措施所形成的酸蚀裂缝的导流能力的研究方法也 已经较为成熟，并形成了系统化的理论和评级体系。两种传统的裂缝导流能力的 评价方法不能直接应用于体积压裂所形成的裂缝网络。

目前，对体积压裂所形成裂缝网络的导流能力多是进行定性的描述，缺乏合 适的实验设备及方法对此进行定量的分析。2010年卢占国等人进行了正交裂缝 网络中的渗流特征实验研究，研究正交裂缝网络模型中渗流特征和模型结构对渗 透率的影响，利用大理石和不锈钢垫片组建了不同结构的正交裂缝网络模型，并 通过物理模拟研究了水相和油水两相的渗流特征。但其研究的对象是裂缝油藏， 并且考虑的是裂缝网络对液相的渗流速度的影响。2013年温庆志等人提出将复 杂裂缝网络离散化为由平行于渗流方向的水平裂缝、平行于渗流方向的垂直裂缝、 垂直于渗流方向的垂直裂缝三种裂缝组成的缝网络模型，分析了不同缝网结构对 裂缝网络导流能力的影响。2014年卢强与何岩峰提出把体积压裂产生的裂缝看 作是一个矩形凹槽，利用带有不同连接方式凹槽的模板来模拟裂缝网络。国内专 利“一种测试页岩气裂缝网络导流能力的装置及其工作方法”(中国专利 CN102720486A)提出用大理石模拟页岩缝网、流动模式为线性流的全新缝网导 流能力测试系统。目前多用大理石或凹槽版模拟裂缝网络，大理石与地层岩石在 岩性上差别较大，无法模拟真实的地层岩性；忽略了高闭合压力下，支撑剂的嵌 入伤害；流型为单一线性流，无法真实模拟缝网流动状态；整个系统需重新设计， 成本较高。

发明内容

针对现有技术的不足，一种气体测试致密储层缝网导流能力的导流室，该导 流室能与API导流能力测试仪融合，节约成本；使用真实的地层页岩或致密砂 岩等岩石，较真实模拟地层岩性，考虑了支撑剂嵌入对导流能力的伤害，且裂缝 宽度、缝网结构可变；该导流室的流型不为线性流而为径向流，线性流无法保证 缝网中裂缝都有测试介质通过，径向流能提高测试介质的波及范围，提高导流能 力测试准确性。

本发明还提供一种上述导流室的工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种气体测试致密储层缝网导流能力的导流室，包括上下贯通设置测试槽、 在所述测试槽的顶部设置的密封顶板和在所述测试槽的底部设置的密封底板；测 试槽用来安置待测试的缝网结构及铺砂层，所述测试槽水平截面为正方形，所述 测试槽的内边长为250～300mm，所述测试槽厚度为25～30mm；在测试槽的每个 侧面上均设置有进气口与测压口，所述进气口与API导流能力测试仪的进气口 相连，所述测压口与API导流能力测试仪测压口相连；在所述密封底板贯通设 置有射孔的模拟井筒，所述模拟井筒的直径为8～11mm，所述模拟井筒的表面设 置有射孔，在模拟井筒顶端设置有滤网；在所述模拟井筒的底部设置有用于测试 出口压力的出气口。本发明所述的导流室，其缝网结构、铺砂浓度可变，基质为 页岩或致密砂岩等地层岩石，在构造缝网时，先加工好岩板铺设在所述测试槽内， 根据预设的缝网结构放置一层岩板，在岩板上与岩板构造的裂缝内铺置支撑剂， 再逐层放置岩板，构造缝网结构。本发明所述的导流室能够实现对进气口流量、 边界压力、位移计读取缝网结构高度的变化、出气口流量，出气口压力等参数。 所述测压口的作用是测量所述导流室的边界压力，当测得四个测压口的压力相等 时，则判断导流室达到稳定状态，开始计数；所述四个进气口是保证缝网结构中 的流型为径向流，扩大测试介质波及范围。所述模拟井筒的长度可变，井筒有孔 眼以便缝网中气体流入井筒，孔径足够小用以防止支撑剂流入井筒，在所述密封 底板上设置有出气口，与模拟井筒连接，可测试出口流量与出口压力。

根据本发明优选的，所述测压口直径与API导流能力测试仪测压口直径相 适应。

根据本发明优选的，所述测压口直径为6.35mm；所述进气口的直径为 5～8mm。

根据本发明优选的，所述密封顶板包括顶板和上密封塞，所述密封底板包括 底板和下密封塞。

根据本发明优选的，在所述密封底板的中心贯通设置有模拟井筒。

根据本发明优选的，所述密封顶板和密封底板的厚度均为10～15mm；所述 上密封塞的厚度为40～50mm；所述下密封塞的厚度为20～25mm。

根据本发明优选的，在所述上密封塞和下密封塞的表面设置有密封槽，在所 述密封槽内设置有密封胶片，所述密封胶片的厚度为5～7mm。

利用上述导流室测试致密储层裂缝网络导流能力的方法，包括以下步骤：

(1)选取地层岩石，即页岩或致密砂岩，将所述地层岩石加工成板状岩心；

(2)根据预设的缝网结构，将所述板状岩心横向和纵向切割成不同的小段， 并装入测试槽中；

(3)通过添加支撑剂，构造裂缝条数和缝网结构：即通过添加不同粒径的 支撑剂或采用不同的铺砂浓度来实现对裂缝网络缝宽的控制；

(4)安装好所述导流室，将所述四个进气口与API导流能力测试仪的进气 口相连；

(5)打开API导流测试仪的数据采集与控制系统，对所述导流室加压至预 设闭合压力，所述闭合压力是指作用在裂缝壁面上使裂缝闭合的力，通常等于最 小主应力；在所述导流室安放位移计，初始值为0；

(6)保持在预设闭合压力条件下，向所述进气口同时进气，同时测量所述 导流室内的边界压力，当四个测压口测得压力相同时，则判断所述导流室处于稳 定状态，开始实验，采集数据；

(7)打开外部计算机，实验过程中所有的数据通过数据采集装置传输到计 算机中：即获得进气口流量、测压口测得的边界压力，出气口流量，出气口压力， 位移计读数；

(8)所述气体流动状态为径向流，根据面积相等，算出矩形槽的拟半径为 根据径向流公式与导流能力公式推导出缝网导流能力计算公式，

裂缝网络导流能力的计算公式采用：

$k_f{w}_f=\frac{{\mathrm{Q\mu w}}_f\ln [a/\left(r_w\sqrt{\pi }\right)]}{2\mathrm{\pi h}(p_e-p_o)}---\left(i\right)$

w_f—有效缝宽，此有效缝宽为折算缝宽，计算出裂缝网络中裂缝的总体 积后，除以导流室的横截面积，所得即为有效缝宽；

k_f—裂缝网络的渗透率，控制气体流速，使气体在裂缝网络中渗流符 合达西渗流；

Q—流量，由气体流量计读出；

μ—黏度，取室温下N₂的黏度；

a—测试槽边长；

r_w—模拟井筒半径；

h—缝网结构高度；

p_e—测试槽边界压力；

p_o—出气口压力；

π—常数，其值为3.1415926；

(9)嵌入深度计算：

利用所述位移计测量出缝网结构高度的变化值Δw，已知水平裂缝的条数为 n，计算所述支撑剂的嵌入深度，计算公式如下：

$d=\frac{\mathrm{\Delta w}}{n}---\left(\mathrm{ii}\right)$

式中d—嵌入深度；

Δw—缝网结构高度变化值；

n—水平裂缝条数。

本发明的有益效果：

1)本发明通过改进测试缝网导流能力的导流室及方法使其能模拟不同缝网 结构及裂缝宽度，能与现有的API导流室融合，系统无需重新设计，节约成本。

2)使用储层岩石如页岩与致密砂岩，较准确模拟地层岩性，考虑了支撑剂 嵌入对导流能力的伤害，使得实验更为精准。

3)本发明能够测量不同缝网结构、不同铺砂浓度下的导流能力。

4)本发明测试介质流动形态为径向流，扩大了测试介质波及范围，提高了 导流能力测试准确性。

5)本发明所述导流室简单易用，安全方便，为缝网导流能力测试提供了新 方法；所述导流室能与API导流能力测试仪融合，气瓶、气体流量计、压差计、 位移计、数据采集与控制系统、计算机等系统基本保持不变，无需重新设计整个 系统。

附图说明：

图1是本发明所述一种气体测试致密储层缝网导流能力的导流室的拆分主 视图；

图2为本发明所述缝网结构的整体示意图；

图3是本发明所述导流室的俯视图；

在图1-3中：1—固定螺丝；2—密封顶板；3—上密封塞；4—测试槽；5— 进气口；6—测压口；7—模拟井筒；8—射孔孔眼；9—下密封塞；10—密封底板； 11—出气口；12—水平裂缝；13—横向裂缝；14—板状岩心；15—垂直裂缝。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做详细的说明，但不限于此。

如图1-3所示。

实施例1、

研究缝网结构中垂直裂缝，如图1中的垂直裂缝15的条数对裂缝网络导流 能力的影响。用切割机把页岩岩心加工成尺寸相同的板状岩心，长度为50～60mm， 宽度50～60mm，厚度为12～15mm；通过添加支撑剂与否，控制垂直裂缝条数， 对不研究的裂缝，不添加支撑剂，直接闭合；缝网中单缝缝宽、支撑剂、铺砂浓 度相同，组装成垂直裂缝条数不同的裂缝网络模型。测量不同模型的裂缝网络导 流能力，从而可以得出垂直裂缝的条数对裂缝网络导流能力的影响。

一种气体测试致密储层缝网导流能力的导流室，包括上下贯通设置测试槽4、 在所述测试槽4的顶部设置的密封顶板2和在所述测试槽的底部设置的密封底板 10；测试槽4用来安置待测试的缝网结构及铺砂层，所述测试槽4水平截面为正 方形，所述测试槽4的内边长为250～300mm，所述测试槽4厚度为25～30mm； 在测试槽4的每个侧面上均设置有进气口5与测压口6，所述进气口5与API导 流能力测试仪的进气口相连，所述测压口6与API导流能力测试仪测压口相连； 在所述密封底板10贯通设置有射孔8的模拟井筒7，所述模拟井筒7的直径为 8～11mm，所述模拟井筒7的表面设置有射孔8，在模拟井筒7顶端设置有滤网； 在所述模拟井筒7的底部设置有用于测试出口压力的出气口11。

所述测压口6直径与API导流能力测试仪测压口直径相适应。

所述测压口直径为6.35mm；所述进气口的直径为5～8mm。

所述密封顶板包括顶板和上密封塞3，所述密封底板包括底板和下密封塞9。

实施例2、

如实施例1所述的一种气体测试致密储层缝网导流能力的导流室，其区别点 在于，在所述密封底板的中心贯通设置有模拟井筒7。

所述密封顶板和密封底板的厚度均为10～15mm；所述上密封塞的厚度为 40～50mm；所述下密封塞的厚度为20～25mm。

在所述上密封塞和下密封塞的表面设置有密封槽，在所述密封槽内设置有密 封胶片，所述密封胶片的厚度为5～7mm。

实施例3、

利用如实施例1或2所述导流室测试致密储层裂缝网络导流能力的方法，包 括以下步骤：

(1)选取地层岩石，即页岩或致密砂岩，将所述地层岩石加工成板状岩心；

(2)根据预设的缝网结构，将所述板状岩心横向和纵向切割成不同的小段， 并装入测试槽中；

(3)通过添加支撑剂，构造裂缝条数和缝网结构：即通过添加不同粒径的 支撑剂或采用不同的铺砂浓度来实现对裂缝网络缝宽的控制；

(4)安装好所述导流室，将所述四个进气口与API导流能力测试仪的进气 口相连；

(5)打开API导流测试仪的数据采集与控制系统，对所述导流室加压至预 设闭合压力，所述闭合压力是指作用在裂缝壁面上使裂缝闭合的力，通常等于最 小主应力；在所述导流室安放位移计，初始值为0；

(6)保持在预设闭合压力条件下，向所述进气口同时进气，同时测量所述 导流室内的边界压力，当四个测压口测得压力相同时，则判断所述导流室处于稳 定状态，开始实验，采集数据；

(7)打开外部计算机，实验过程中所有的数据通过数据采集装置传输到计 算机中：即获得进气口流量、测压口测得的边界压力，出气口流量，出气口压力， 位移计读数；

(8)所述气体流动状态为径向流，根据面积相等，算出矩形槽的拟半径为 根据径向流公式与导流能力公式推导出缝网结构导流能力计算公式，

裂缝网络导流能力的计算公式采用：

$k_f{w}_f=\frac{{\mathrm{Q\mu w}}_f\ln [a/\left(r_w\sqrt{\pi }\right)]}{2\mathrm{\pi h}(p_e-p_o)}---\left(i\right)$

w_f—有效缝宽，此有效缝宽为折算缝宽，计算出裂缝网络中裂缝的总体 积后，除以导流室的横截面积，所得即为有效缝宽；

k_f—裂缝网络的渗透率，控制气体流速，使气体在裂缝网络中渗流符 合达西渗流；

Q—流量，由气体流量计读出；

μ—黏度，取室温下N₂的黏度；

a—测试槽边长；

r_w—模拟井筒半径；

h—缝网结构高度；

p_e—测试槽边界压力；

p_o—出气口压力；

π—常数，其值为3.1415926；

(9)嵌入深度计算：

利用所述位移计测量出缝网结构高度的变化值Δw，已知水平裂缝的条数为 n，计算所述支撑剂的嵌入深度，计算公式如下：

$d=\frac{\mathrm{\Delta w}}{n}---\left(\mathrm{ii}\right)$

式中d—嵌入深度；

Δw—缝网结构高度变化值；

n—水平裂缝条数。

计算出支撑剂嵌入深度，对比不同岩石的嵌入深度，研究支撑剂的嵌入伤害。

实施例3中改变垂直裂缝15的条数V；所述水平裂缝12条数H、横向裂缝 13条数T不变，铺砂浓度均保持不变，加载到闭合压力为60MPa，测试2h的导 流能力，实验数据如下表1、表2：

表1 垂直裂缝对缝网导流能力影响测试数据

表2 嵌入深度测试数据及对比分析

从上述表1、2可看出，本发明所述导流室可以测试不同缝网结构的导流能 力，分析其影响关系；可测试支撑剂嵌入深度，与实测的嵌入深度误差较小，能 较准确测的嵌入深度。

实施例4：

要进行裂缝网络中水平裂缝，如图1中水平裂缝12的条数对裂缝网络导流 能力的影响。采用部分水平裂缝不添加支撑剂，直接闭合的方法，改变水平裂缝 的条数，保持裂缝网络模型其他参数不变。在裂缝网络模型中分别加入支撑剂， 保证缝网中单缝的宽度均相同。分别测取不同水平裂缝条数下的裂缝网络导流能 力，从而得出水平裂缝的条数对裂缝网络导流能力的影响。

利用如实施例1或2所述导流室测试致密储层裂缝网络导流能力的方法，包 括以下步骤：

(1)选取地层岩石，即页岩或致密砂岩，将所述地层岩石加工成板状岩心；

(2)根据预设的缝网结构，将所述板状岩心横向和纵向切割成不同的小段， 并装入测试槽中；

(3)通过添加支撑剂，构造裂缝条数和缝网结构：即通过添加不同粒径的 支撑剂或采用不同的铺砂浓度来实现对裂缝网络缝宽的控制；

(4)安装好所述导流室，将所述四个进气口与API导流能力测试仪的进气 口相连；

(5)打开API导流测试仪的数据采集与控制系统，对所述导流室加压至预 设闭合压力，所述闭合压力是指作用在裂缝壁面上使裂缝闭合的力，通常等于最 小主应力；在所述导流室安放位移计，初始值为0；

(6)保持在预设闭合压力条件下，向所述进气口同时进气，同时测量所述 导流室内的边界压力，当四个测压口测得压力相同时，则判断所述导流室处于稳 定状态，开始实验，采集数据；

(7)打开外部计算机，实验过程中所有的数据通过数据采集装置传输到计 算机中：即获得进气口流量，测压口测得的边界压力，出气口流量，出气口压力， 位移计读数；

(8)所述气体流动状态为径向流，根据面积相等，算出矩形槽的拟半径为 根据径向流公式与导流能力公式推导出缝网结构导流能力计算公式，

裂缝网络导流能力的计算公式采用：

$k_f{w}_f=\frac{{\mathrm{Q\mu w}}_f\ln [a/\left(r_w\sqrt{\pi }\right)]}{2\mathrm{\pi h}(p_e-p_o)}---\left(i\right)$

w_f—有效缝宽，此有效缝宽为折算缝宽，计算出裂缝网络中裂缝的总体 积后，除以导流室的横截面积，所得即为有效缝宽；

k_f—裂缝网络的渗透率，控制气体流速，使气体在裂缝网络中渗流符 合达西渗流；

Q—流量，由气体流量计读出；

μ—黏度，取室温下N₂的黏度；

a—测试槽边长；

r_w—模拟井筒半径；

h—缝网结构高度；

p_e—测试槽边界压力；

p_o—出气口压力；

π—常数，其值为3.1415926；

(9)嵌入深度计算：

利用所述位移计测量出缝网结构高度的变化值Δw，已知水平裂缝的条数为 n，计算所述支撑剂的嵌入深度，计算公式如下：

$d=\frac{\mathrm{\Delta w}}{n}---\left(\mathrm{ii}\right)$

式中d—嵌入深度；

Δw—缝网结构高度变化值；

n—水平裂缝条数。

实施例4中改变水平裂缝的条数，垂直裂缝(V)、横向裂缝(T)条不 变，铺砂浓度均保持不变，加载到闭合压力为60MPa，测试2h的导流能力。 实验数据如下表3、4。

表3 水平裂缝对缝网导流能力影响测试数据

表4 嵌入深度测试数据及对比分析