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CN110618080B - 致密砂岩异层水锁形成与解除的物理模拟系统与测试方法 - Google Patents

致密砂岩异层水锁形成与解除的物理模拟系统与测试方法 Download PDF

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CN110618080B CN201910906530.5A CN201910906530A CN110618080B CN 110618080 B CN110618080 B CN 110618080B CN 201910906530 A CN201910906530 A CN 201910906530A CN 110618080 B CN110618080 B CN 110618080B
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Abstract

本发明公开了一种致密砂岩异层水锁形成与解除的物理模拟系统与测试方法，所述物理模拟系统包括气体流动模拟系统、围压模拟系统、异层水锁模拟系统、气体流速测量系统，所述异层水锁模拟系统包括气液导流管和密封容器，所述气液导流管的一端与所述长岩心夹持器的出口端相连，所述气液导流管的另一端与所述密封容器的下端相连，所述密封容器还分别与储液瓶和液体回收装置相连；所述测试方法包括围压加载过程、产气模拟过程、异层水锁形成过程、异层水锁解除过程。本发明能针对非常规气藏中致密砂岩异层水锁的特殊机理，测试致密砂岩异层水锁的形成与解除特征，测试过程科学，测试结果准确，为致密气的有效开发创造了良好的条件。

Description

致密砂岩异层水锁形成与解除的物理模拟系统与测试方法
技术领域
本发明属于石油天然气开采技术领域，涉及致密气藏的开发技术领域，特别涉及致密砂岩异层水锁形成与解除的物理模拟系统与测试方法。
背景技术
由于地质储量巨大，致密气的有效开发可以改善我国能源结构并补充常规天然气在我国地域分布和供给量上的不足。与常规天然气藏不同，致密气投产需要进行水力压裂，而且水力压裂过程通常穿层，因此致密气的生产过程通过伴随井底积液，进一步带来异层水的水锁问题，导致致密砂岩物性的伤害。因此，异层水的水锁与解除是进行致密气开发设计的关键问题。
目前关于致密气的异层水锁特征的研究国内外学者都做了大量工作，推测了异层水锁与解除动态。然而，异层水的水锁过程是一个渗流与渗吸的逆向耦合传质过程，传统实验研究难以直接获得致密砂岩的水锁形成特征。目前，致密砂岩的异层水锁形成与解除的物理模拟研究尚停留在理论方面，没有能够对致密砂岩的异层水锁问题进行物理模拟的系统与方法。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种致密砂岩异层水锁形成与解除的物理模拟系统与测试方法，所述物理模拟系统适用于研究致密砂岩异层水锁形成特征，异层水锁的解除特征，所述测试方法采用所述物理模拟系统对煤层气临界解吸特征进行测试。
本发明的技术方案如下：
一方面，提供一种致密砂岩异层水锁形成与解除的物理模拟系统，包括：
气体流动模拟系统，所述气体流动模拟系统包括依次通过管线相连的高压气瓶、第一阀门、长岩心夹持器，所述第一阀门的出口端与所述长岩心夹持器的进口端相连，且所述第一阀门与所述长岩心夹持器相连的管线上设有第一压力计；
围压模拟系统，所述围压模拟系统包括通过管线相连的围压泵和第二阀门，所述围压泵与所述第二阀门相连的管线上设有第二压力计，所述第二阀门的另一端通过管线与所述长岩心夹持器相连；
异层水锁模拟系统，所述异层水锁模拟系统包括气液导流管和密封容器，所述气液导流管的一端与所述长岩心夹持器的出口端相连，所述气液导流管的另一端与所述密封容器的下端相连，所述密封容器的顶端通过管线和第四阀门与储液瓶相连，所述密封容器的底端通过管线和第五阀门与液体回收装置相连；
气体流速测量系统，所述气体流速测量系统包括依次通过管线相连的第三阀门、气体流量计以及气体回收装置，所述第三阀门的另一端通过管线与所述密封容器顶端相连，所述第三阀门与所述密封容器相连的管线上设有第三压力计。
作为优选，所述第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门均为针型阀。
作为优选，所述密封容器采用透明材质制作而成。
作为优选，所述气液导流管的内径大于等于1cm。
作为优选，所述高压气瓶与所述第一阀门相连的管线、所述第一阀门与所述长岩心夹持器相连的管线、所述长岩心夹持器与所述第二阀门相连的管线、所述第二阀门与所述围压泵相连的管线、所述密封容器与所述储液瓶相连的管线、所述密封容器与所述液体回收装置相连的管线、所述密封容器与所述第三阀门相连的管线、所述第三阀门与所述气体流量计相连的管线、所述气体流量计与所述气体回收装置相连的管线均为耐压管线。
另一方面，提供一种致密砂岩异层水锁形成与解除的测试方法，利用上述任意一项所述的致密砂岩异层水锁形成与解除的物理模拟系统，进行致密砂岩异层水锁形成与解除的特征测试，包括如下过程：
围压加载过程；
产气模拟过程；
异层水锁形成过程；
异层水锁解除过程。
作为优选，所述围压加载过程包括：将长岩心装入所述长岩心夹持器中，通过所述围压泵向所述长岩心夹持器中加载围压。
作为优选，所述产气模拟过程包括：通过所述高压气瓶向所述长岩心夹持器充入高压气体，通过所述第一压力计测量所述长岩心夹持器进口端的压力，通过所述第三压力计测量所述长岩心夹持器出口端的压力，通过所述气体流量计测量气体流量，通过所述气体回收装置回收气体，通过所述长岩心夹持器进口端和出口端的压力以及所述气体流量计测得的流量，计算所述长岩心的有效渗透率。
作为优选，所述异层水锁形成过程包括：通过所述储液瓶向所述密封容器中加入液体，然后继续进行产气模拟步骤，计算所述异层水锁形成过程中所述长岩心的有效渗透率。
作为优选，所述异层水锁解除过程包括：通过所述液体回收装置排除所述密封容器中的液体，然后继续进行模拟产气步骤，计算所述异层水锁解除过程中所述长岩心的有效渗透率。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明能针对致密气的异层水锁形成与解除特点，测试致密砂岩异层水锁形成与解除过程中的有效渗透率变化特征，测试过程科学，测试结果准确，为煤层气的有效开发创造了良好的条件。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明致密砂岩异层水锁形成与解除的物理模拟系统的结构示意图；
图2为本发明致密砂岩异层水锁形成与解除的测试方法的异层水锁形成过程中长岩心的有效渗透率变化图；
图3为本发明致密砂岩异层水锁形成与解除的测试方法的异层水锁解除过程中长岩心的有效渗透率变化图。
图中标号：
1-高压气瓶、21-第一阀门、22-第二阀门、23-第三阀门、24-第四阀门、25-第五阀门、31-第一压力计、32-第二压力计、33-第三压力计、4-长岩心夹持器、5-气液导流管、6-密封容器、7-气体流量计、8-气体回收装置、9-围压泵、10-储液瓶、11-液体回收装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明提供一种致密砂岩异层水锁形成与解除的物理模拟系统，包括：
气体流动模拟系统，所述气体流动模拟系统包括依次通过管线相连的高压气瓶1、第一阀门21、长岩心夹持器4，所述第一阀门21的出口端与所述长岩心夹持器4的进口端相连，且所述第一阀门21与所述长岩心夹持器4相连的管线上设有第一压力计31。
在一个具体的实施例中，所述高压气瓶1为所述物理模拟系统提供一定压力的气体，将所述高压气瓶1中的气体通入所述长岩心夹持器4即可进行气体在致密砂岩中的流动模拟，所述长岩心夹持器4可以加持20cm长度的小岩心，可承压60MPa，通过第一阀门21可以封闭所述长岩心夹持器4中的气体，通过所述第一压力计31可以测量所述长岩心夹持器4进口端的压力变化。
围压模拟系统，所述围压模拟系统包括通过管线相连的围压泵9和第二阀门22，所述围压泵9与所述第二阀门22相连的管线上设有第二压力计32，所述第二阀门22的另一端通过管线与所述长岩心夹持器4相连。
在一个具体的实施例中，通过所述围压泵9可以向所述长岩心夹持器4中提供围压，所述第二压力计32可以测量所述长岩心夹持器4的围压大小，通过关闭所述第二阀门22可以封闭所述长岩心夹持器4中的围压供给。
异层水锁模拟系统，所述异层水锁模拟系统包括气液导流管5和密封容器6，所述气液导流管5的一端与所述长岩心夹持器4的出口端相连，所述气液导流管5的另一端与所述密封容器6的下端相连，所述密封容器6的顶端通过管线和第四阀门24与储液瓶10相连，所述密封容器6的底端通过管线和第五阀门25与液体回收装置11相连。
可选地，所述液体回收装置11上设有刻度线。
可选地，所述液体回收装置11与所述储液瓶10为同一容器。
在一个具体的实施例中，所述气液导流管5的内径为1cm，可承压16MPa，可以将所述密封容器中的水导入所述长岩心夹持器4中，实现实验中的气体渗流与水渗吸的逆向耦合传质过程，所述密封容器6的内径为5cm，高度为120cm，可承压3MPa，为致密砂岩的渗吸提供水源，模拟异层水源的水锁形成过程。
气体流速测量系统，所述气体流速测量系统包括依次通过管线相连的第三阀门23、气体流量计7以及气体回收装置8，所述第三阀门23的另一端通过管线与所述密封容器6顶端相连，所述第三阀门23与所述密封容器6相连的管线上设有第三压力计33。
在一个具体的实施例中，当气体流动模拟系统开始产气时，通过所述第三压力计33可以测量密封容器中的压力，即流动过程的出口端压力，通过所述第三阀门23可以封闭密封容器6，通过所述气体流量计7测量气体流量，通过所述气体回收装置8回收排出的气体。
在一个具体的实施例中，所述第一阀门21、第二阀门22、第三阀门23、第四阀门24、第五阀门25均为针型阀。
在一个具体的实施例中，所述密封容器6采用透明材质制作而成。
可选地，所述密封容器6为密封有机玻璃瓶。
可选地，所述密封容器6为密封聚碳酸酯塑料瓶。
在一个具体的实施例中，所述气液导流管5的内径大于等于1cm。
可选地，所述气液导流管5的内径为3cm或5cm或8cm。
可选地，所述气液导流管5为承压大于等于0.2MPa的四氟管。
在一个具体的实施例中，所述高压气瓶1与所述第一阀门21相连的管线、所述第一阀门21与所述长岩心夹持器4相连的管线、所述长岩心夹持器4与所述第二阀门22相连的管线、所述第二阀门22与所述围压泵9相连的管线、所述密封容器6与所述储液瓶10相连的管线、所述密封容器6与所述液体回收装置11相连的管线、所述密封容器6与所述第三阀门23相连的管线、所述第三阀门23与所述气体流量计7相连的管线、所述气体流量计7与所述气体回收装置8相连的管线均为耐压管线。
可选地，所述耐压管线为承压大于等于16MPa的钢制管。
本发明还提供一种致密砂岩异层水锁形成与解除的测试方法，利用上述的致密砂岩异层水锁形成与解除的物理模拟系统，进行致密砂岩异层水锁形成与解除的特征测试，整个测试过程分为四个部分完成，包括四个过程：包括围压加载过程、产气模拟过程、异层水锁形成过程以及异层水锁解除过程，其中：
所述围压加载过程包括：
1、关闭第一阀门21、第二阀门22、第三阀门23、第四阀门24和第五阀门25，将烘干的长岩心装入所述长岩心夹持器4中；
2、打开所述第二阀门22和所述第三阀门23，通过所述围压泵9向所述长岩心夹持器4中加载围压，通过所述第二压力计32测量所述长岩心夹持器4中的围压数值。
所述产气模拟过程包括：
1、打开所述第一阀门21，通过所述高压气瓶1向所述长岩心夹持器4中充入高压气体；
2、通过所述第一压力计31测量所述长岩心夹持4进口端的压力，通过所述第三压力33计测量所述长岩心夹持器出口端的压力；
3、通过所述气体流量计7测量气体流量，通过所述气体回收装置8回收气体；
4、通过所述长岩心夹持器进口端和出口端的压力以及所述气体流量计测得的流量，根据气体流动Darcy公式计算所述长岩心的有效渗透率。
所述气体流动Darcy公式具体为：
Figure BDA0002213440790000051
式中：
Ka为气测渗透率，mD；
q为在压差Δp下，通过岩心的流量，cm3/s；
A为岩心截面积，cm2；
L为岩心长度，cm；
μ为通过岩心的流体粘度，mPa·s；
p1为流体通过岩心前的压力，MPa；
p2为流体通过岩心后的压力，MPa；
p0为大气压力，取值为0.101MPa。
所述异层水锁形成过程包括：
1、关闭所述第一阀门21，打开所述第四阀门24，通过所述储液瓶10向所述密封容器6中加入液体；
2、关闭所述第四阀门24，打开所述第一阀门21，然后继续进行产气模拟过程；
3、通过所述产气模拟过程中的方法，计算所述异层水锁形成过程中所述长岩心的有效渗透率。
所述异层水锁解除过程包括：
1、关闭所述第一阀门21，打开所述第五阀门25，通过所述液体回收装置11排除所述密封容器6中的液体，并测量所述液体的体积；
2、关闭所述第五阀门25，打开所述第一阀门21，然后继续进行模拟产气过程；
3、通过所述产气模拟过程中的方法，计算所述异层水锁解除过程中所述长岩心的有效渗透率。
在一个具体的实施例中，所述长岩心的岩心截面积A为4.9852cm2，岩心长度L为5.23cm，通过岩心的气体粘度μ为0.0174mPa·s，所述储液瓶中液体为水，所述水的粘度为0.89mPa·s；所述围压加载过程中加载10MPa的围压，通过所述第二压力计32测量所述长岩心夹持器4中的围压数值为9.98MPa；
所述产气模拟过程中所述长岩心夹持4进口端的压力为2.2MPa，通过所述第三压力33计测量出口端的压力为0.108MPa；
所述异层水锁形成过程中通过所述储液瓶10向所述密封容器6中加入3000ml的水；
所述异层水锁解除过程中通过所述液体回收装置11回收到所述密封容器6排除的水的体积为2992ml。
异层水锁形成过程中长岩心有效渗透率变化动态以及异层水锁接触过程中岩心有效渗透率变化动态分别如图2和图3所示。
在另一个具体的实施例中，可以通过改变所述密封容器6内的加水量、所述长岩心的长度、所述长岩心夹持器4中进口端的气体压力中的一个或多个因素，研究其对致密砂岩异层水锁形成与解除的影响。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种致密砂岩异层水锁形成与解除的物理模拟系统，其特征在于，包括：
气体流动模拟系统，所述气体流动模拟系统包括依次通过管线相连的高压气瓶、第一阀门、长岩心夹持器，所述第一阀门的出口端与所述长岩心夹持器的进口端相连，且所述第一阀门与所述长岩心夹持器相连的管线上设有第一压力计；
围压模拟系统，所述围压模拟系统包括通过管线相连的围压泵和第二阀门，所述围压泵与所述第二阀门相连的管线上设有第二压力计，所述第二阀门的另一端通过管线与所述长岩心夹持器相连；
异层水锁模拟系统，所述异层水锁模拟系统包括气液导流管和密封容器，所述气液导流管的一端与所述长岩心夹持器的出口端相连，所述气液导流管的另一端与所述密封容器的下端相连，所述密封容器的顶端通过管线和第四阀门与储液瓶相连，所述密封容器的底端通过管线和第五阀门与液体回收装置相连；
气体流速测量系统，所述气体流速测量系统包括依次通过管线相连的第三阀门、气体流量计以及气体回收装置，所述第三阀门的另一端通过管线与所述密封容器顶端相连，所述第三阀门与所述密封容器相连的管线上设有第三压力计。
2.根据权利要求1所述的致密砂岩异层水锁形成与解除的物理模拟系统，其特征在于，所述第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门均为针型阀。
3.根据权利要求2所述的致密砂岩异层水锁形成与解除的物理模拟系统，其特征在于，所述密封容器采用透明材质制作而成。
4.根据权利要求2所述的致密砂岩异层水锁形成与解除的物理模拟系统，其特征在于，所述气液导流管的内径大于等于1cm。
5.根据权利要求2所述的致密砂岩异层水锁形成与解除的物理模拟系统，其特征在于，所述高压气瓶与所述第一阀门相连的管线、所述第一阀门与所述长岩心夹持器相连的管线、所述长岩心夹持器与所述第二阀门相连的管线、所述第二阀门与所述围压泵相连的管线、所述密封容器与所述储液瓶相连的管线、所述密封容器与所述液体回收装置相连的管线、所述密封容器与所述第三阀门相连的管线、所述第三阀门与所述气体流量计相连的管线、所述气体流量计与所述气体回收装置相连的管线均为耐压管线。
6.一种致密砂岩异层水锁形成与解除的测试方法，其特征在于，利用权利要求1-5中任意一项所述的致密砂岩异层水锁形成与解除的物理模拟系统，进行致密砂岩异层水锁形成与解除的特征测试，包括如下过程：
围压加载过程；所述围压加载过程包括：将长岩心装入所述长岩心夹持器中，通过所述围压泵向所述长岩心夹持器中加载围压；
产气模拟过程；所述产气模拟过程包括：通过所述高压气瓶向所述长岩心夹持器充入高压气体，通过所述第一压力计测量所述长岩心夹持器进口端的压力，通过所述第三压力计测量所述长岩心夹持器出口端的压力，通过所述气体流量计测量气体流量，通过所述气体回收装置回收气体，通过所述长岩心夹持器进口端和出口端的压力以及所述气体流量计测得的流量，计算所述长岩心的有效渗透率；
异层水锁形成过程；所述异层水锁形成过程包括：通过所述储液瓶向所述密封容器中加入液体，然后继续进行产气模拟过程，计算所述异层水锁形成过程中所述长岩心的有效渗透率；
异层水锁解除过程；所述异层水锁解除过程包括：通过所述液体回收装置排除所述密封容器中的液体，然后继续进行产气模拟过程，计算所述异层水锁解除过程中所述长岩心的有效渗透率。
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