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(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920372663.4(22)申请日 2019.03.22(73)专利权人 长江大学地址 434023 湖北省荆州市南环路1号(72)发明人 许冬进 袁旭 石善志 何小东 承宁 (74)专利代理机构 武汉智嘉联合知识产权代理事务所(普通合伙) 42231代理人 黄君军(51)Int.Cl.E21B 43/267(2006.01)E21B 49/00(2006.01)(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利(54)实用新型名称用于测量页岩气气测导流能力的装置(57)摘要本实用新型实施例提供了一种用于测量页岩气气测导流能力的装置。
其中，所述装置包括：导流室1、U形管差压传感器2、差压计连接控制阀2.1、差压计连接控制阀2.2、数据采集系统3、高压氮气瓶4、气体调压阀5、气体压力计6、气体流量计7、气体加热器8、加热器温度传感器9、进气阀10、光电位移传感器11、入口压力传感器12、导流室温度计13、出口压力传感器14、真空泵15、出气阀16和回压阀17。
本实用新型实施例提供的用于测量页岩气气测导流能力的装置，可以在测量页岩气气测导流能力的时候，获得更为精确的压差。
权利要求书2页 说明书5页 附图3页CN 209724312 U 2019.12.03C N 209724312U权 利 要 求 书1/2页CN 209724312 U1.一种用于测量页岩气气测导流能力的装置，其特征在于，包括：导流室(1)、U形管差压传感器(2)、差压计连接控制阀(2.1)、差压计连接控制阀(2.2)、数据采集系统(3)、高压氮气瓶(4)、气体调压阀(5)、气体压力计(6)、气体流量计(7)、气体加热器(8)、加热器温度传感器(9)、进气阀(10)、光电位移传感器(11)、入口压力传感器(12)、导流室温度计(13)、出口压力传感器(14)、真空泵(15)、出气阀(16)和回压阀(17)；所述导流室(1)，与所述光电位移传感器(11)、入口压力传感器(12)、导流室温度计(13)、出口压力传感器(14)、真空泵(15)、出气阀(16)、差压计连接控制阀(2.1)和差压计连接控制阀(2.2)连接；所述U形管差压传感器(2)，与所述差压计连接控制阀(2.1)和差压计连接控制阀(2.2)连接；所述数据采集系统(3)，与所述U形管差压传感器(2)、气体压力计(6)、加热器温度传感器(9)、光电位移传感器(11)、入口压力传感器(12)、导流室温度计(13)和出口压力传感器(14)连接；所述回压阀(17)，与所述出气阀(16)连接；所述气体加热器(8)，与所述气体流量计(7)、加热器温度传感器(9)和进气阀(10)连接；所述气体调压阀(5)，与所述高压氮气瓶(4)、气体压力计(6)和气体流量计(7)连接。
支撑裂缝导流能力研究摘要：裂缝导流能力的大小决定了水力压裂效果的好坏。
准确的预测出地层裂缝导流能力的大小对石油的采收率有很大的影响。
本文分别从影响地层裂缝导流的的外部环境因素，闭合压力，温度，裂缝宽度三个方面和支撑剂自生因素，支撑剂的强度，均匀度，铺砂浓度以及压裂液四个方面进行了实验研究。
关键词：裂缝导流能力；水力压裂；外部环境因素；支撑剂水力压裂是油气增产的有效措施，在油田有很广泛的应用。
对于不同的裂缝应采用不同支撑剂，支撑剂的作用在于泵注停止并且缝内液体排出后保持裂缝处于张开状态，地层内流体可以通过高导流能力的支撑带由裂缝顶端流向井底支撑剂的好坏直接影响到裂缝的长期导流能力。
对于不同的地层如何评价支撑剂的性能和选用什么类型的支撑剂就显得格外的重要。
本文对影响导流能力的环境因素和影响导流能力的支撑剂做了实验研究，对评价支撑剂的性能和选用什么类型的支撑剂具有一定的参考价值。
一、实验准备实验过程中使用FCES—100型裂缝导流仪，实验严格按照API 的程序进行操作，闭合压力按每6MPa 递增。
FCES-100型导流仪使用API标准导流室，支撑裂缝渗透率依据达西定律，通过测得不同流量下的压差计算得到。
不同闭合压力下的裂缝宽度由位移计测量。
二、实验评价与分析（一）外部环境因素1 、闭合压力因素对导流能力的影响闭合应力是裂缝闭合所产生的，由地层传递给支撑剂。
闭合应力作用的后果是引起支撑剂破碎，使支撑剂颗粒尺寸减少，圆球度变差，面积增大，粒径不均匀，这些因素都将引起支撑剂充填层渗透率降低。
闭合力的作用，还将进一步压实充填层支撑剂，使得孔隙度减小，从而降低渗透率。
另一方面闭合压力的作用，可使支撑剂嵌入地层，导致缝宽减小，渗透率降低。
对中等硬度的砂岩的研究表明，当闭合压力大达到一定的数值时，表现为渗透率下降，导流能力减小。
随着闭合压力增大，渗透率将迅速下降。
压力对地层导流能力有很大的影响。
由于油井的周期性关井，会产生交变应力，当交变的压力作用到支撑剂时，其导流能力将下降。
支撑裂缝导流能力评价及影响因素实验研究水力加砂压裂效果取决于支撑裂缝的导流能力，不同的支撑裂缝具有不同的导流能力。
通过API导流室和裂缝岩心实验，研究了闭合压力、不同流体以及支撑剂类型及粒径对主要裂缝和次要裂缝导流能力的影响。
结果表明，主要裂缝具有较好的导流能力，是主要的油水流动通道;次要裂缝是次要的油水渗流通道。
闭合压力越大，流体粘度越大，支撐剂粒径越小，支撑裂缝的导流能力越差;闭合压力是影响主要裂缝导流能力的主要因素，且相同条件下导流能力陶粒最好，石英砂次之，覆膜石英砂导流能力最差;次要裂缝的导流能力更容易受到损害，受到闭合压力和流体的粘度影响最大。
标签：支撑裂缝;导流能力;渗流通道;闭合压力;粘度引言鄂尔多斯盆地三叠系延长组广泛发育低渗透—超低渗透—致密砂岩储层，其具有物性差、孔喉结构复杂和非均质性强的特点[1]。
使得该类储层的开发往往需要压裂技术对储层进行改造，因此，大量研究学者对支撑剂性能、压裂工作液及压裂参数对支撑裂缝导流能力进行评价。
1 实验部分1.1实验材料及条件实验所用陶粒、石英砂和覆膜石英砂均为延长油田矿场目前所用支撑剂，粒径为20/40和40/70目两种规格。
实验所用蒸馏水室温条件下密度ρ=0.999g/cm3，粘度m=1.12 mPa·s;所用活性水室温下的密度为0.973g/cm3，粘度为1.35mPa·s。
实验所用破胶压裂液为胍胶破胶液，完全破胶后室温下密度ρ=0.993g/cm3，粘度3.67 mPa·s;所用滑溜水室温条件下密度ρ=0.997g/cm3，粘度为7.42 mPa·s。
实验所用岩心均取自延长油田低孔、低渗砂岩岩心，以保证劈开裂缝为岩心渗流通道;取心长度4.5 cm～5.0 cm，直径2.5 cm左右，经洗油烘干后用岩心切割机造缝，造缝前气测渗透率小于1mD，孔隙度6%～12%，造缝后铺置一定支撑剂在岩心切面，再用热塑胶带固定。
页岩支撑裂缝长期导流能力测试方法及测试装置改造韩慧芬;彭均亮;吴建;高新平;王良【摘要】常规砂岩储层加砂压裂后油气渗流通道主要依赖于支撑裂缝,而页岩气储层由于其典型的脆性特征,通过大规模体积压裂后会形成复杂的裂缝网络,页岩气渗流能力主要取决于支撑剂充填层裂缝和储层剪切滑移形成的自支撑裂缝,因此,室内页岩储层导流能力的测试应包括支撑剂充填层和自支撑裂缝的导流能力两部分.目前国内对于页岩支撑导流能力的测试方法大多还是借鉴常规支撑剂充填层导流能力测试方法,无论测试方法还是测试装备都有一定的不适应性,大部分国产支撑导流仪的闭合压力加载系统、流量控制系统不能满足页岩储层长期导流能力测试要求.文章提出了页岩支撑裂缝导流能力测试方法及支撑导流仪改进目标、改进方法、改进措施,为页岩气储层室内导流能力的实施提供了技术支撑,为页岩储层体积压裂支撑剂优选及压裂效果评价提供了保障.【期刊名称】《钻采工艺》【年(卷),期】2018(041)001【总页数】4页(P55-58)【关键词】页岩;自支撑裂缝;导流能力;复杂缝网;支撑导流仪;闭合压力【作者】韩慧芬;彭均亮;吴建;高新平;王良【作者单位】中石油西南油气田分公司工程技术研究院;页岩气评价与开采四川省重点实验室;中石油西南油气田分公司工程技术研究院;页岩气评价与开采四川省重点实验室;中石油西南油气田分公司蜀南气矿;中石油西南油气田分公司工程技术研究院;页岩气评价与开采四川省重点实验室;中石油西南油气田分公司工程技术研究院;页岩气评价与开采四川省重点实验室【正文语种】中文水力压裂是油气藏增产改造的主要技术手段，为油气田的高效开发提供了技术保障。
泵入地层中的支撑剂在储层闭合压力下形成支撑剂充填层，油气通过支撑剂充填层的渗流能力即为支撑裂缝导流能力。
支撑裂缝导流能力是决定水力压裂效果的参数之一，对加砂压裂改造效果具有重要作用，而长期裂缝导流能力更制约了增产有效期的长短，页岩加砂压裂后储层的导流能力的影响因素以及形成的裂缝导流能力大小备受瞩目，因此，从室内开展页岩气井加砂压裂支撑裂缝长期导流能力的测试研究非常必要。
利用长期导流能力实验结果优选支撑剂和优化加砂压裂设计，从而为加砂压裂改造取得较好的增产效果提供了保障。
鉴于页岩气储层的脆性特征，需采用“大排量、大液量、小粒径、低砂比”的大规模水力压裂作业，形成复杂的裂缝网络，实现页岩气的工业开采。
与常规砂岩储层的加砂压裂工艺相比，页岩气加砂压裂从施工工艺、缝网形成机理、施工参数等多方面均发生了很大的变化。
目前国内对于页岩支撑导流能力的测试方法大多还是借鉴常规支撑剂充填层导流能力测试方法，无论测试方法还是测试装备都有一定的不适应性。
一、页岩储层体积压裂复杂缝网模式对室内导流能力测试新要求常规砂岩储层压裂目的是以抑制天然裂缝扩展而形成主缝为主，而页岩储层通过“大排量、大液量、大砂量、小粒径、低砂比” 大规模水力压裂作业，使天然裂缝不断扩张和脆性岩石产生剪切滑移，形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的复杂裂缝网络，增加储层改造体积和裂缝复杂度，达到提高初始产量和最终采收率的目的。
目前页岩气井体积压裂多采用滑溜水携砂进行改造，由于滑溜水携砂能力有限，支撑剂不能在大规模裂缝网络中均匀分布，主要以砂堤、断续的支柱或单层局部分布等形式分布[1]。
并随着缝网复杂性的增加，支撑剂的平均支撑浓度小于0.5kg/m2或者支撑面积小于10%[2]。
大部分裂缝没有支撑剂充填，但非支撑裂缝闭合后仍有导流能力，主要机理是剪切裂缝面的凸起能够有效的支撑裂缝[3]。
页岩储层体积压裂后油气渗流通道主要为支撑剂充填层裂缝和储层剪切滑移形成的自支撑裂缝，因此，在室内需要对支撑剂充填层裂缝和自支撑裂缝的导流能力进行评价。
二、页岩储层体积压裂复杂缝网导流能力测试方法1.页岩储层导流能力测试方法之前页岩支撑剂充填层长期导流能力无统一测试方法，主要参照常规储层支撑剂导流能力测试方法，造成测试结果不能真实反映页岩储层导流能力。
为了改变这一现状，中石化勘研院、中石油西南油气田分公司工程院、中石油廊坊分院等联合编制了NB/T 14023-2017《页岩支撑剂充填层长期导流能力测定推荐方法》行业标准，规定了页岩支撑剂充填层长期导流能力测定具体做法：页岩支撑剂将页岩岩板或同层位露头岩板加工成与测试设备相匹配、两端为弧形的岩板(长17.74±0.04 cm、宽3.76±0.05 cm、厚度大于 0.90 cm)，在储层温度及储层闭合压力下，以2～4 mL/min流量将2%KCl泵入导流室，设定回压在 2.07～3.45 MPa 之间，稳定条件下持续测定导流能力50±2 h。
该标准将于2017年8月1日正式实施。
而国内对于页岩自支撑裂缝导流能力测试开展的工作较少，且目前尚无统一的标准做法。
西南油气田分公司工程院、西南石油大学等根据页岩特性和体积压裂形成缝网机理，并经过大量室内实验摸索，在室内从页岩体积压裂自支撑裂缝的形成方式、错动距离、压力加载、流速控制等都有了自己的经验做法：①在页岩岩板中部沿劈裂方向预制划痕，将页岩岩板沿预制划痕劈裂成不规则的上下两块岩板；②将页岩岩板沿长度方向错动1～2 mm，形成剪切滑移自支撑裂缝，岩板端点高度差不大于0.2 mm；③将岩板多余部分切掉确保实验用页岩岩板尺寸与支撑导流仪导流室匹配；④在储层温度及储层闭合压力下，采用氮气以200～300 mL/min流速测定页岩自支撑裂缝导流能力，驱替系统流量采用氮气瓶及流量控制阀控制；⑤连续测定页岩自支撑裂缝导流能力的时间为50 h或者更长。
2.页岩储层导流能力测定流体介质对于页岩储层导流能力测定的流体介质，这方面存在一些争论。
一些研究学者提出了采用氮气进行页岩储层导流能力测试[4]，国内很多文献报道页岩储层导流能力测试仍然采用2%KCl水[5～6]。
纪国法等人在文献[7] 中通过大量调研文献得出结论是关于页岩气体积压裂支撑裂缝长期导流能力的研究尚未形成统一认识。
鉴于页岩含有大量的黏土矿物，遇水容易吸水膨胀，液测导流能力并不能真实反映页岩气在地层裂缝中的渗流能力。
因此，笔者建议室内采用氮气模拟储层闭合压力下天然气在页岩岩板夹持下的气相流动，尤其推荐采用氮气进行页岩自支撑裂缝导流能力测定，如果单纯评价支撑剂性能进行材料优选可以采用2%KCl水进行导流能力测试。
3.页岩支撑导流能力测试闭合压力加载方式根据采用设计的压力试验机开展了地层应力波动对页岩储层支撑裂缝导流能力影响的实验，结果表明，地层应力波动对页岩储层导流能力的影响较大,循环加载次数增加,裂缝宽度降低,支撑剂破碎率开始上升明显,后来趋于平缓。
因此，闭合压力加载速度的变化对于导流能力测试结果是有一定影响的，在页岩储层长期导流能力室内测试中，为了更真实模拟地下情况，改变常规储层支撑剂导流能力测试中闭合压力台阶式加载方式和加载过程中不考虑裂缝闭合时间的做法，考虑了实际储层闭合压力及裂缝闭合时间，有别于行业标准SY/T 6302-2009《压裂支撑剂充填层短期导流能力评价推荐方法》中闭合压力加载方式。
具体做法为：不固定实验闭合压力，主要根据现场实际闭合压力及闭合时间来确定实验目标压力和压力增加速率，加载速率具体计算公式为：v=p/t(1)式中：V—压力加载速率，MPa/min；p—实验压力，MPa；t—闭合时间，min。
三、页岩储层导流能力测试装置适应性分析压力加载、流量及供液系统是导流能力测试的重要组成部分。
NB/T 14023-2017《页岩支撑剂充填层长期导流能力测定推荐方法》和SY/T 6302-2009《压裂支撑剂充填层短期导流能力评价推荐方法》相比，对导流能力测试中的闭合压力加载方式、流量控制及测试时间进行了新的要求，主要体现在以下三个方面：①闭合压力为一恒定值，闭合压力加载时间为现场裂缝闭合时间；②测试流量由10 mL/min降为2～4 mL/min，流量误差小于5%；③测试时间由30 min增加为50 h以上。
对于页岩自支撑裂缝导流能力测试，除了和以上闭合压力要求线性加载以及连续测试50 h以上外，还要求测试流体介质为氮气。
国内支撑剂导流能力的室内测试均采用的是支撑裂缝导流仪，如中石油西南油气田分公司工程院采用的是海安生产的DLY-2型支撑裂缝导流仪，其测试流程见图1。
页岩气支撑剂充填层及自支撑裂缝导流能力测试方法与常规的支撑剂导流能力测试方法发生了改变，那么，对采用支撑导流仪开展页岩气支撑剂充填层及自支撑裂缝导流能力测试的适应性分析就非常必要。
图1 支撑裂缝导流能力测试示意图1.闭合压力加载系统适应性分析大部分石油高校以及油田研究院所采用国产支撑裂缝导流仪开展页岩支撑裂缝导流能力测试，其闭合压力加载系统存在的主要问题是：闭合压力通过油压泵进行加载，油压泵为柱塞泵，以脉冲方式供油进行闭合压力加载，全通过人工操作阀门开关控制，难以精确调节流量大小，造成输出压力不稳，增压时间也无法准确控制，以非线性方式加载闭合压力(图2)，不能实现页岩支撑剂和自支撑裂缝导流能力测试要求闭合压力线性加载方式。
图2 注射泵压力加载情况示意图2.流量控制系统适应性分析支撑导流仪大多都具备液测和气体测试功能，且采用平流泵替代柱塞泵实现平稳供液。
平流泵与柱塞泵相比，改进了供油方式，使用非圆齿轮曲柄连杆结构，减小了脉冲，但仍然存在流量波动大，流量误差超过10%，不能满足2 mL/min注入流速下误差不大于5%的要求。
3.供液系统适应性分析国产支撑导流仪多为2～3个1 L的储液缸，按照2 mL/min注入流速计算，只需向备用储液缸添加1～2次液体即可满足连续测试50 h的要求。
四、页岩储层导流能力测试装置改进目标鉴于页岩支撑剂充填层导流能力及自支撑裂缝导流能力测试要求及目前国产支撑导流仪设备性能现状，需对支撑导流仪设备的闭合压力加载系统和流量控制系统进行改造，改进后的设备能达到以下目标：1.实现闭合压力连续加载(1)能进行闭合压力值及闭合时间的设定。
(2)在给定的闭合时间内实现闭合压力近线性速率的控制。
2.实现回压下低流量控制(1)流量泵可接受计算机指令实现不同流量的自由切换。
(2)使流量泵在高低闭合压力下，不同流量时，都能实现稳定工作，达到API线性流要求。
(3)注入流速能满足2～4 mL/min，且稳定性好，要求固定流速下的流量误差不大于5%。
五、页岩支撑导流能力测试装置优化1.支撑导流仪闭合压力加载系统改进措施实现闭合压力线性加载且闭合时间可控有两种措施。
第一种方式是采用直接购买国产或者进口恒速恒压泵更换供油泵，确保供液平稳、加载压力时无脉冲、压力增加速度可控，但是费用较高；第二种方式是在原有机械人工操作的方式升级为通过软件来控制，提高自动化程度，实现闭合压力近线性加载，能满足测试需要。
