一种液氮控温控压冻融损伤页岩实验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种液氮控温控压冻融损伤页岩实验装置及方法，本发明专利技术的自增压液氮罐通过耐低温金属管线与控温控压装置相连，自增压液氮罐内部装有超低温液氮；所述高压氮气瓶通过高压气体管线分别与控温控压装置和冻融损伤装置上端连接，高压氮气瓶内装有高压氮气；控温控压装置的下部通过耐低温金属管线与冻融损伤装置的下部连接；所述冻融损伤装置内部设有页岩岩心，并通过低温应变片与数据采集系统连接。有益效果是：本发明专利技术可进行不同温度、压力液氮作用下的页岩冻融损伤实验，可调温度范围大，能真实模拟地层岩石与液氮接触后的损伤劣化情况，实验方法简单，实验误差小，为超低温流体压裂技术开发页岩气藏提供科学依据和理论基础。

【技术实现步骤摘要】
一种液氮控温控压冻融损伤页岩实验装置及方法
本专利技术涉及一种石油工程储层增产改造领域，特别涉及一种液氮控温控压冻融损伤页岩实验装置及方法，用于超低温液氮压裂技术开采页岩气的压裂方案设计与施工后的储层产能预测。
技术介绍
能源危机和环境问题是当今世界人类发展面临的最大威胁，而环境问题在很大程度上是由能源消费结构不合理造成的。以煤为主的资源存量，决定了我国以煤为主的能源消费结构，在我国一次能源消费结构中，煤炭占到了69%，比世界平均水平高出约40%；而天然气仅占5%，远低于24%的世界平均水平。增加天然气等清洁能源在能源消费结构中的比例，对于优化我国能源结构，降低国内单位生产总值CO2排放具有重要意义。近年来，随着我国社会经济的持续高速发展，能源的需求屡创新高，加之传统油气资源日益枯竭，导致我国石油、天然气对外依存度不断攀升。石油对外依存度由1993年的1.2%飙升到2013年的58.1%，天然气对外依存度也由2006年的0.8%迅速攀升至2013年的31.6%。据预测，到2020年中国天然气年均消费量将达3000×108m3，而届时我国天然气产量仅为2000×108m3左右。因此，加快非常规天然气资源的勘探开发，对于确保国家能源战略安全具有重要的意义。2000年北美地区的页岩气年产量仅100×108m3，至2010年该地区页岩气年产量达到1500×108m3，10年间增长了15倍。由北美掀起的“页岩气革命”极大的撼动了全球传统能源版图，激发了各国政府以及油气/能源公司对页岩气资源超乎想象的激情。美国的成功开发经验告诉我们，只有充分暴露储层面积，大量释放吸附气储量，沟通整个储层，才能提高单井产能实现商业化开发，由此萌发了全新的页岩气压裂技术“体积压裂”。页岩气藏体积压裂是指在水力压裂的过程中，使天然裂缝不断扩张，脆性岩石不断产生剪切滑移，形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络，从而增加改造体积，提高气体产量和最终采收率。2005年以来，我国虽然相继在四川盆地南部古生界、四川盆地北部中生代、鄂尔多斯盆地三叠系等多个地区和多个时代的海相、陆相富有机质页岩中取得了页岩气探勘的突破，但是大量的矿场实践表明:我国页岩气储层很难进行大规模体积压裂，储层改造体积有限，单井产量低，使得这一产业的前景堪忧。对比中美页岩气成藏及赋存条件，发现形成这一挑战的主因如下：①储层埋深大（美国页岩埋深一般在200-2000米,而我国绝大部分页岩埋深超过3000米，部分甚至超过5000米）；②石英等脆性矿物含量低，使得页岩脆性普遍低于美国典型页岩储层；③大埋深导致温度高、围压大，使得页岩的变形明显由脆性向延性转变；④层内水平地应力差大，形成缝网的能力低；⑤天然裂缝不发育。这些特征极大地限制了复杂裂缝网络的形成，严重影响着体积压裂改造效果。针对我国页岩气藏这些独特的储层地质力学特征，探索提高地层可压性，形成复杂裂缝网络的新方法，成为当前页岩气藏高效开发亟需解决的关键问题。超低温液氮压裂技术是指在地面将液氮作为压裂液注入到储层的一种新型无水压裂技术。液氮等低温液化气体，通常具有极低温度(LN2标准沸点-195.8℃)，当与岩石接触时，会使岩石表面温度骤降，发生高速收缩变形，形成大量微裂隙；此外，冻结过程中孔隙与裂隙中的水相变成冰产生的冻胀力同样会对岩石内部造成损伤。液氮对页岩的劣化作用越强，压裂后储层破碎越充分，流体渗流和运移的通道越多，储层改造效果也越好。目前，关于岩石冻融损伤问题的研究大都围绕寒区工程冻土问题展开，温度只有几十度，并不适用于液氮超低温流体几百度温差梯度的情况。为此，亟须研制出能调控不同温度、压力液氮对页岩进行冻融损伤的实验装置，为超低温液氮压裂技术开发页岩气藏压裂方案设计以及压裂施工后的储层产能预测提供依据。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种液氮控温控压冻融损伤页岩实验装置及方法，以实现页岩在不同温度压力液氮作用下的损伤劣化，为超低温液氮压裂技术开采页岩气储层提供科学依据和理论基础。本专利技术提到的一种液氮控温控压冻融损伤页岩实验装置，包括自增压液氮罐（1）、控温控压装置（2）、冻融损伤装置（5）、高压氮气瓶（4）、数据采集系统；所述自增压液氮罐（1）通过耐低温金属管线（7）与控温控压装置（2）相连，耐低温金属管线（7）上安装有进液阀（12）与超低温流量计（11），自增压液氮罐（1）内部装有超低温液氮；所述高压氮气瓶（4）通过高压气体管线（27）分别与控温控压装置（2）和冻融损伤装置（5）上端连接，高压氮气瓶（4）内装有高压氮气；所述控温控压装置（2）的顶部安装有控温控压装置上端盖（24），控温控压装置（2）的下部通过耐低温金属管线（7）与冻融损伤装置（5）的下部连接，控温控压装置（2）下部出口处设有排液阀（29）；所述冻融损伤装置（5）内部设有一个或一个以上的页岩岩心（6），页岩岩心（6）上设有低温应变片（61），并通过低温应变片（61）与数据采集系统的应变测试仪（9）连接，在冻融损伤装置（5）的顶部设有冻融损伤装置上端盖（54），底部设有与耐低温金属管线（7）连接的出口；所述数据采集系统包括四通道温度压力数字显示器（3）、声发射检测仪（8）、应变测试仪（9）和计算机（10），其中，声发射检测仪（8）与应变测试仪（9）监测数据由计算机（10）负责记录。优选的，上述控温控压装置（2）分为内外两层，其内层为第一深冷钢内胆（22）、外层为第一聚氨酯绝热层（21），且第一聚氨酯绝热层（21）将控温控压装置上端盖（24）包裹在内，控温控压装置（2）的底部内胆与外层之间设有加热板（23），控温控压装置（2）的顶部的控温控压装置上端盖（24）安装有超低温温度传感器（25）、压力传感器（26）和放空阀（28）。优选的，上述控温控压装置上端盖（24）由顶盖和竖筒组成，顶盖的外圈设有第一凸沿，第一凸沿上设有螺孔，通过第一密封螺栓（241）与控温控压装置（2）固定；所述第一凸沿的下表面安装有第一石墨垫片（242），在第一凸沿下方的竖筒外壁设有第一聚氨酯耐低温O型圈（243），形成多级密封。优选的，上述冻融损伤装置（5）分为内外两层，其内层为第二深冷钢内胆（52），外层为第二聚氨酯绝热层（51），且第二聚氨酯绝热层（51）将冻融损伤装置上端盖（54）包裹在内，顶部的冻融损伤装置上端盖（54）上安装有第二超低温温度传感器（55）、第二压力传感器（56）、声发射传感器（58）、控制压力阀（53）和低温应变片导线（59）。优选的，上述冻融损伤装置上端盖（54）由顶盖和竖筒组成，顶盖的外圈设有第二凸沿，第二凸沿上设有螺孔，通过第二密封螺栓（541）与冻融损伤装置（5）固定；所述第二凸沿的下表面安装有第二石墨垫片（542），在第二凸沿下方的竖筒外壁设有第二聚氨酯耐低温O型圈（543），形成多级密封。优选的，上述四通道温压数字显示器（3）的两路分别与控温控压装置（2）上方的第一超低温温度传感器（25）、第一压力传感器（26）连接；另两路分别与冻融损伤装置（5）上方的第二超低温温度传感器（55）、第二压力传感器（56）连接。优选的，上述高压氮气瓶（4）的上方设有压力表（41）、减压阀（42）和总进气阀门（43），且与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种液氮控温控压冻融损伤页岩实验装置，其特征是：包括自增压液氮罐（1）、控温控压装置（2）、冻融损伤装置（5）、高压氮气瓶（4）、数据采集系统；所述自增压液氮罐（1）通过耐低温金属管线（7）与控温控压装置（2）相连，耐低温金属管线（7）上安装有进液阀（12）与超低温流量计（11），自增压液氮罐（1）内部装有超低温液氮；所述高压氮气瓶（4）通过高压气体管线（27）分别与控温控压装置（2）和冻融损伤装置（5）上端连接，高压氮气瓶（4）内装有高压氮气；所述控温控压装置（2）的顶部安装有控温控压装置上端盖（24），控温控压装置（2）的下部通过耐低温金属管线（7）与冻融损伤装置（5）的下部连接，控温控压装置（2）下部出口处设有排液阀（29）；所述冻融损伤装置（5）内部设有一个或一个以上的页岩岩心（6），页岩岩心（6）上设有低温应变片（61），并通过低温应变片（61）与数据采集系统的应变测试仪（9）连接，在冻融损伤装置（5）的顶部设有冻融损伤装置上端盖（54），底部设有与耐低温金属管线（7）连接的出口；所述数据采集系统包括四通道温度压力数字显示器（3）、声发射检测仪（8）、应变测试仪（9）和计算机（10），其中，声发射检测仪（8）与应变测试仪（9）监测数据由计算机（10）负责记录。...

【技术特征摘要】
1.一种液氮控温控压冻融损伤页岩实验装置，其特征是：包括自增压液氮罐（1）、控温控压装置（2）、冻融损伤装置（5）、高压氮气瓶（4）、数据采集系统；所述自增压液氮罐（1）通过耐低温金属管线（7）与控温控压装置（2）相连，耐低温金属管线（7）上安装有进液阀（12）与超低温流量计（11），自增压液氮罐（1）内部装有超低温液氮；所述高压氮气瓶（4）通过高压气体管线（27）分别与控温控压装置（2）和冻融损伤装置（5）上端连接，高压氮气瓶（4）内装有高压氮气；所述控温控压装置（2）的顶部安装有控温控压装置上端盖（24），控温控压装置（2）的下部通过耐低温金属管线（7）与冻融损伤装置（5）的下部连接，控温控压装置（2）下部出口处设有排液阀（29）；所述冻融损伤装置（5）内部设有一个或一个以上的页岩岩心（6），页岩岩心（6）上设有低温应变片（61），并通过低温应变片（61）与数据采集系统的应变测试仪（9）连接，在冻融损伤装置（5）的顶部设有冻融损伤装置上端盖（54），底部设有与耐低温金属管线（7）连接的出口；所述数据采集系统包括四通道温度压力数字显示器（3）、声发射检测仪（8）、应变测试仪（9）和计算机（10），其中，声发射检测仪（8）与应变测试仪（9）监测数据由计算机（10）负责记录。2.根据权利要求1所述的液氮控温控压冻融损伤页岩实验装置，其特征是：所述控温控压装置（2）分为内外两层，其内层为第一深冷钢内胆（22）、外层为第一聚氨酯绝热层（21），且第一聚氨酯绝热层（21）将控温控压装置上端盖（24）包裹在内，控温控压装置（2）的底部内胆与外层之间设有加热板（23），控温控压装置（2）的顶部的控温控压装置上端盖（24）安装有超低温温度传感器（25）、压力传感器（26）和放空阀（28）。3.根据权利要求1所述的液氮控温控压冻融损伤页岩实验装置，其特征是：所述控温控压装置上端盖（24）由顶盖和竖筒组成，顶盖的外圈设有第一凸沿，第一凸沿上设有螺孔，通过第一密封螺栓（241）与控温控压装置（2）固定；所述第一凸沿的下表面安装有第一石墨垫片（242），在第一凸沿下方的竖筒外壁设有第一聚氨酯耐低温O型圈（243），形成多级密封。4.根据权利要求1所述的液氮控温控压冻融损伤页岩实验装置，其特征是：所述冻融损伤装置（5）分为内外两层，其内层为第二深冷钢内胆（52），外层为第二聚氨酯绝热层（51），且第二聚氨酯绝热层（51）将冻融损伤装置上端盖（54）包裹在内，顶部的冻融损伤装置上端盖（54）上安装有第二超低温温度传感器（55）、第二压力传感器（56）、声发射传感器（58）、控制压力阀（53）和低温应变片导线（59）。5.根据权利要求1所述的液氮控温控压冻融损伤页岩实验装置，其特征是：所述冻融损伤装置上端盖（54）由顶盖和竖筒组成，顶盖的外圈设有第二凸沿，第二凸沿上设有螺孔，通过第二密封螺栓（541）与冻融损伤装置（5）固定；所述第二凸沿的下...

【专利技术属性】
技术研发人员：柳程希，程远方，韩忠英，李学亮，江龙，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37