三軸應(yīng)力下超臨界二氧化碳致裂頁(yè)巖實(shí)驗(yàn)試件制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于CO2致裂強(qiáng)化頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)涉及的測(cè)試方法領(lǐng)域，具體涉及一種能夠模擬儲(chǔ)層溫度、壓力條件下不同工藝參數(shù)對(duì)超臨界二氧化碳致裂頁(yè)巖效果影響的壓裂實(shí)驗(yàn)試件制作方法。該方法可以應(yīng)用于超臨界CO2致裂強(qiáng)化頁(yè)巖氣高效開(kāi)發(fā)以及CO2地質(zhì)封存領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]我國(guó)天然氣需求日益增長(zhǎng)，天然氣進(jìn)口量日益增加，對(duì)外依存度越來(lái)越高，嚴(yán)重威脅我國(guó)能源安全。頁(yè)巖氣作為重要的接替資源，在我國(guó)可采資源量達(dá)25萬(wàn)億方。國(guó)家《頁(yè)巖氣十二五發(fā)展規(guī)劃》中提出，2020年力爭(zhēng)頁(yè)巖氣產(chǎn)量達(dá)到600到1000億方。國(guó)務(wù)院《能源發(fā)展十二五規(guī)劃(2013)》也提出:大力開(kāi)發(fā)非常規(guī)天然氣資源，重點(diǎn)加大頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)力度；國(guó)務(wù)院《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃(2014-2020年)》提出:重點(diǎn)突破頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)，著力提高重慶涪陵、四川長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)等國(guó)家級(jí)示范區(qū)儲(chǔ)量和產(chǎn)量。高效開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣是緩解我國(guó)能源供需矛盾、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全的重大戰(zhàn)略需求。
[0003]由于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的低孔低滲特征，開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣必須進(jìn)行儲(chǔ)層壓裂增滲改造。美國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)采技術(shù)主要采用水平井+多段壓裂，但該技術(shù)目前面臨如下挑戰(zhàn):一是耗水量巨大，單口頁(yè)巖氣井需要“千方砂萬(wàn)方水”(1.5萬(wàn)-3.0萬(wàn)噸水)，美國(guó)一個(gè)典型的頁(yè)巖氣水平鉆井在鉆探和水力壓裂過(guò)程中需使用100萬(wàn)?400萬(wàn)gal的水(US Department of Energy,2009)，而其中50%?70%的水在這些過(guò)程中會(huì)被消耗，我國(guó)頁(yè)巖氣富集區(qū)大多處于缺水地區(qū)，水資源的缺乏將嚴(yán)重制約頁(yè)巖氣的工業(yè)化開(kāi)采;二是我國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層黏土含量高，水基壓裂液中的水分與頁(yè)巖層中的黏土礦物發(fā)生水化反應(yīng)，使黏土水化膨脹，傷害儲(chǔ)層，壓裂形成的體積改造效果差，導(dǎo)致單井頁(yè)巖氣產(chǎn)量普遍較低，且產(chǎn)量遞減快，三是壓裂液中的化學(xué)添加劑會(huì)對(duì)水環(huán)境和周邊環(huán)境造成污染，國(guó)家頁(yè)巖氣十二五規(guī)劃中也指出“在頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程應(yīng)堅(jiān)持開(kāi)發(fā)與生態(tài)保護(hù)并重。開(kāi)發(fā)過(guò)程中要注重水資源節(jié)約利用，保護(hù)生態(tài)環(huán)培”
[0004]因此，我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)不能簡(jiǎn)單照搬美國(guó)經(jīng)驗(yàn)，必須探索適合我國(guó)地質(zhì)條件的頁(yè)巖氣綠色、高效的開(kāi)采理論與技術(shù)。
[0005]超臨界CO2流體的性質(zhì)介于氣體與液體之間，既有氣體的低界面張力和易擴(kuò)散性，也有液體的高密度和溶解性好的特點(diǎn)，具有超強(qiáng)的流動(dòng)、滲透和傳遞性能，可以代替清水作為壓裂液。采用超臨界二氧化碳代替清水壓裂頁(yè)巖，可避免水力壓裂過(guò)程頁(yè)巖層中黏土的水化作用，增大頁(yè)巖層孔隙度，提高裂縫的導(dǎo)流能力，而且由于頁(yè)巖對(duì)CO2的吸附能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CH4(吸附CO2能力是CH4的4-20倍)，因此CO2還可以有效置換頁(yè)巖中的CH4，提高氣井單井產(chǎn)量，增加采收率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)二氧化碳封存。因此，超臨界CO2強(qiáng)化頁(yè)巖氣開(kāi)采技術(shù)可以減少頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程水資源的消耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)CO2的資源化利用，具有良好的環(huán)境效益。
[0006]目前，超臨界二氧化碳致裂頁(yè)巖已展示了其良好的應(yīng)用前景，但對(duì)于超臨界二氧化碳致裂頁(yè)巖的理論和實(shí)驗(yàn)方面的研究都還很少，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置也很缺乏，不能滿足該領(lǐng)域研究的需要。而對(duì)于三軸應(yīng)力條件下超臨界CO2致裂實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，其試件的制作和密封對(duì)于壓裂實(shí)驗(yàn)的成敗至關(guān)重要，另外，出于研究成果對(duì)工程的指導(dǎo)意義，需要在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中模擬工程設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)，比如鉆孔半徑大小，鉆孔位置以及流體注入速率等對(duì)其壓裂效果的影響，在試件制作以及密封過(guò)程需要對(duì)這些因素加以考慮，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于該領(lǐng)域的研究都還處于起步階段，缺乏相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)作為指導(dǎo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明提供了一種三軸應(yīng)力下超臨界二氧化碳致裂頁(yè)巖實(shí)驗(yàn)試件制作方法，該方法能夠模擬多場(chǎng)(地應(yīng)力、溫度、壓力)耦合條件下不同參數(shù)(鉆孔深度、鉆孔直徑、不同注入速率)對(duì)超臨界CO2致裂頁(yè)巖效果的影響，可以為超臨界CO2致裂頁(yè)巖機(jī)理的研究以及工程設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化提供指導(dǎo)。
[0008]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
[0009]三軸應(yīng)力下超臨界二氧化碳致裂頁(yè)巖實(shí)驗(yàn)試件制作方法，該方法包括如下步驟:
[0010]I)鉆取規(guī)格為Φ 100x200mm的圓柱形頁(yè)巖試件，采用臺(tái)鉆在試件中心鉆取半徑為R、深度為h的圓形鉆孔；
[0011]2)選取外徑為R、長(zhǎng)為L(zhǎng)的高強(qiáng)度鋼管作為超臨界二氧化碳的注入管，注入管的中心為注入孔，注入孔的孔徑為r，L〈h;
[0012]3)將圓形鉆孔的空腔部分采用工業(yè)Nacl填充滿，空腔部分的高度為h-L，用工業(yè)Nacl填充滿空腔部分是為了避免后續(xù)在注入AB膠水進(jìn)行密封時(shí)AB膠水流入空腔引起堵塞，填充滿后將注入管插入頁(yè)巖試件中心的圓形鉆孔；
[0013]4)用流動(dòng)性強(qiáng)、凝固性能好的透明環(huán)氧樹(shù)脂A膠水和透明環(huán)氧樹(shù)脂B膠水按照質(zhì)量比為3:1的配比均勻混合后，用注射針頭將配好的膠水澆注到圓形鉆孔的內(nèi)壁與注入管的外壁之間進(jìn)行連接密封；
[0014]5)待頁(yè)巖試件自然晾干確保密封膠水完全凝固后，用細(xì)小針頭從注入孔注水將空腔部分Nacl溶解后抽出，使圓形鉆孔的底部形成空腔；
[0015]6)注入管的上端固定一中空的螺紋連接頭，螺紋連接頭的頂端沿圓周方向設(shè)置環(huán)形凹槽，環(huán)形凹槽內(nèi)放置O型密封圈，螺紋連接頭與三軸應(yīng)力加載裝置上三軸室的壓頭進(jìn)行連接，螺紋連接頭與壓頭之間通過(guò)O型密封圈進(jìn)行密封。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:該方法能夠模擬多場(chǎng)(地應(yīng)力、溫度、壓力)耦合條件下不同參數(shù)(鉆孔深度、鉆孔直徑、不同注入速率)對(duì)超臨界CO2致裂頁(yè)巖效果的影響，可以為超臨界CO2致裂頁(yè)巖機(jī)理的研究以及壓裂的工程設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化提供指導(dǎo)。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為三軸應(yīng)力下超臨界二氧化碳致裂頁(yè)巖實(shí)驗(yàn)試件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為注入管和螺紋連接頭固定連接的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019