一种考虑页岩吸附及压裂过程的渗透演化实验装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于页岩气开采工程技术领域，特别是涉及一种考虑页岩吸附及压裂过程的渗透演化实验装置及方法。
【背景技术】
[0002]页岩气作为一种非常规天然气，以吸附和游离状态赋存于致密页岩层中，其主要成分为甲烷，页岩气的开采已对全球能源战略格局产生了深远影响。
[0003]由于页岩气储层处于三维地应力及恒定低温条件下，并且完整页岩基质具有致密低渗特性，工业化开采必须采用储层压裂改造技术，且主要包括水压压裂技术和气压压裂技术，其中的水压压裂技术最为成熟，现已应用于页岩气开采，但是水压压裂技术需要耗费大量的水资源，且水中还需要加入大量的化学制剂，从而导致了地下水的污染，因此从环境保护角度来看，水压压裂技术并不环保。
[0004]而气压压裂技术作为一种最新的开采技术，具有节水和环保的优势，并且该技术已经在加拿大页岩试验气田中进行了工业实验，且达到了理想的试验效果。
[0005]目前，为了进一步研究气压压裂技术，开展室内压裂模拟实验是必不可少的，尽管用于模拟页岩气压压裂过程的实验装置已成功研发，且通过该实验装置可以有效进行室内气压压裂实验。但是，上述实验并没有考虑吸附平衡在建过程，也没有将页岩气压压裂前后的渗透率演化考虑在内，而吸附平衡在建过程会直接影响到压裂前后的渗透率，且缺少了渗透率演化的气压压裂实验也是不完整的，渗透率作为页岩气工业产量参数预测的一种直接指标，渗透率演化对压裂效果的评价具有非常重要的意义。因此，非常有必要将吸附平衡在建过程和渗透率演化考虑在内，并建立一套用于测定页岩气压压裂前后渗透率演化的实验装置，以便更好的帮助实验人员来研究页岩裂纹破裂机理，并最终帮助实验人员基于渗透率演化进行压裂效果的评估。
【发明内容】
[0006]针对现有技术存在的问题，本发明提供一种考虑页岩吸附及压裂过程的渗透演化实验装置及方法，能够有效模拟吸附平衡在建过程，准确测定页岩气压压裂前后的渗透率，并帮助实验人员基于渗透率演化进行压裂效果的评估。
[0007]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:一种考虑页岩吸附及压裂过程的渗透演化实验装置，包括气压压裂系统单元和渗透率测量系统单元，所述气压压裂系统单元包括第一高压气瓶、调压阀、第一高压计量栗、增压器、压力传感器、第一开关阀、第二开关阀、第三开关阀、第四开关阀及第五开关阀，所述第一高压气瓶与调压阀相连通，调压阀与第一开关阀相连通，第一开关阀一路与第一高压计量栗相连通，第一开关阀另一路与第二开关阀相连通，第一高压计量栗及第二开关阀均与增压器相连通，增压器与第三开关阀相连通，第三开关阀与第四开关阀相连通，第四开关阀与第五开关阀相连通，第五开关阀与页岩试样内部相连通；所述压力传感器设置在第四开关阀与第五开关阀之间的管路上；
[0008]所述渗透率测量系统单元包括第二高压气瓶、第二高压计量栗、第三高压计量栗、第一储气瓶、第二储气瓶、真空栗、压差传感器、第六开关阀、第七开关阀、第八开关阀、第九开关阀、第十开关阀、第十一开关阀、第十二开关阀、第十三开关阀及第十四开关阀，所述第二高压气瓶一路与第二高压计量栗相连通，第二高压气瓶另一路与第三高压计量栗相连通；所述第二高压计量栗与第六开关阀相连通，第六开关阀一路与第七开关阀相连通，第七开关阀与第一储气瓶相连通；所述第六开关阀第二路与第八开关阀相连通，第八开关阀与压差传感器一端相连通；所述第六开关阀第三路与第九开关阀相连通，第九开关阀与页岩试样内部相连通；所述第三高压计量栗与第十开关阀相连通，第十开关阀一路与第十一开关阀相连通，第十一开关阀与第二储气瓶相连通；所述第十开关阀第二路与第十二开关阀相连通，第十二开关阀与压差传感器另一端相连通；所述第十开关阀第三路与第十三开关阀相连通，第十三开关阀与页岩试样表面相连通；所述第十开关阀第四路与第十四开关阀相连通，第十四开关阀与真空栗相连通。
[0009]采用所述的考虑页岩吸附及压裂过程的渗透演化实验装置的实验方法，包括如下步骤:
[0010]步骤一:实验前，对页岩试样钻削加工压裂孔，压裂孔经过页岩试样的几何中心；
[0011]步骤二:将页岩试样与承压垫块进行装夹，页岩试样压裂孔孔口一侧的承压垫块已事先加工有压裂孔道，压裂孔通过压裂孔道与外部相连通，在页岩试样另三侧的承压垫块上事先加工有渗透孔道，页岩试样三侧外表面分别通过三个渗透孔道与外部相连通；再对装夹后的页岩试样与承压垫块进行密封处理，密封完成后安装体变测量传感器，构成试样组合体；
[0012]步骤三:将试样组合体送入真三轴试验机的压力室内，首先将体变测量传感器的数据传输线与压力室内的对应数据端口相连，然后将气压压裂系统单元与页岩试样压裂孔相接通，选定带有渗透孔道的三个承压垫块中的一个，并将渗透率测量系统单元与选定的承压垫块渗透孔道相接通，通过选定不同的承压垫块，以满足不同方向渗透率的测定；最后封闭压力室，充油加压并加温至恒定温度，然后加载大主应力、中主应力及小主应力方向的真三轴应力，并保持真三轴应力水平不变；
[0013]步骤四:开始吸附平衡实验，实验前，第一高压气瓶、第二高压气瓶、第一开关阀、第八开关阀及第十二开关阀处于关闭状态，其余开关阀开启，启动真空栗，排除管路内、页岩试样压裂孔内及承压垫块渗透孔道内的空气；
[0014]步骤五:首先关闭真空栗和第十四开关阀，然后关闭第五开关阀、第六开关阀及第十开关阀，最后打开第二高压气瓶，使高压气体注入第二高压计量栗和第三高压计量栗内；
[0015]步骤六:首先关闭第二高压气瓶，然后关闭第七开关阀和第十一开关阀，再打开第六开关阀和第十开关阀，将第二高压计量栗和第三高压计量栗设置到目标压力，待第二高压计量栗和第三高压计量栗内的气压不再变化时，吸附平衡实验结束，最后关闭第九开关阀和第十三开关阀；
[0016]步骤七:开始气压压裂实验，首先关闭第三开关阀，然后打开第一高压气瓶和第一开关阀，使高压气体经调压阀注入第一高压计量栗和和增压器内；
[0017]步骤八:首先关闭第一高压气瓶、第一开关阀及第二开关阀，然后打开第三开关阀和第五开关阀，将第一高压计量栗加载至目标压力，且加载速率恒定，直至页岩试样完成初次压裂；在压裂期间，通过第一高压计量栗采集注入高压气体的流量及压力数据，通过压力传感器记录压裂过程中管路内的压裂压力，通过体变测量传感器测量页岩试样的变形数据；
[0018]步骤九:进行渗透率测定实验，在压裂前期，页岩试样渗透性较小时，采用瞬态法测定页岩试样的渗透率，在压裂后期，页岩试样渗透性较大时，采用稳态法测定页岩试样的渗透率；
[0019]步骤十:重复步骤七?步骤九，对页岩试样进行逐级加压压裂，并测定页岩试样每级的渗透率演化。
[0020]采用瞬态法测定页岩试样渗透率的方法，包括如下步骤:
[0021]步骤①:首先打开第七开关阀和第十一开关阀，由第二高压计量栗向第一储气瓶内注入压力为P1的高压气体，由第三高压计量栗向第二储气瓶内注入压力为P 4勺高压气体，然后打开第八开关阀、第九开关阀、第十二开关阀和第十三开关阀，保证页岩试样上游管路中的压力和下游管路中的压力均为P1，当压差传感器示数为O时，关闭第六开关阀和第十开关阀；
[0022]步骤②:首先关闭第九开关阀和第十三开关阀，然后打开第六开关阀，将第一储气瓶内的压力提升至匕后，再关闭第六开关阀，并读取此时压差传感器示数为Λ P C，Λ Pc记为初始压差值；
[0023]步骤③:打开第九开关阀和第十三开关阀，然后记录下压差传感器实时示数为AP(t)，AP(t)记为实时压差值，压差传感器示数由Λ P。变到Λ P (t)所用的时间为t，直到压差传感器示数稳定且不再变化；
[0024]步骤④:计算页岩试样的渗透率k，计算公式如下:
[0025]Δ P(t)/ Δ P0= e at
[0026]a = kA/yL(l/Su+l/Sd)
[0027]式中，Λ P (t)为实时压差值，Λ P。为初始压差值，e为自然底数，a为衰减系数，t为时间，k为渗透率，A为页岩试样的截面积，μ为粘滞系数，L为渗透长度，Su为第一储气瓶的容水量，Sd为第二储气瓶的容水量。
[0028]采用稳态法测定页岩试样渗透率的方法，包括如下步骤:
[0029]步骤①:将第二高压计量栗设置到目标压力P1，将第三高压计量栗设置到目标压力P2，然后打开第九开关阀和第十三开关阀，待第二高压计量栗的流量稳定时，记录时间t内第二高压计量栗内的流量Q ;
[0030]步骤②:计算页岩试样的渗透率k，计算公式如下:
[0031]k = μ QL/A (P1-P2) t
[0032]式中，k为渗透率，