基于页岩渗吸渗透率确定合理闷井时间的测试装置及方法
技术领域
本发明涉及水力压裂技术领域，特别涉及一种基于页岩渗吸渗透率确定合理闷井时间的测试装置及方法。
背景技术
加大非常规油气资源的勘探开发力度，提高国家能源安全供给保障力度，是我国各大石油公司当前的紧迫任务，近些年来，研究人员发现，多数非常规压储层压裂井的返排率极低，表明了储层中含有大量的滞留压裂液，较多的观点认为页岩中含有丰富的纳米级孔隙，能够产生足够的毛管力使滞留的压裂液能够通过渗吸的途径进入到储层的深部，同时，通过油水置换作用将孔隙中的油气置换出来，并且岩样中会产生微裂缝，进一步促进滞留在缝网系统中的压裂液得到有效的清除，使油气流动的有效通道的水锁作用得到自动解除，一定程度上改善了储层的生产能力，为此研究人员和现场工程师们提出对压裂井在投入生产前采用闷井的措施，以最大程度利用渗吸作用机制，也有另外的观点认为，渗吸作用并非总是对油气藏的增产改造起到积极的作用，即使岩性同属于页岩或者致密砂岩，压裂液于岩石之间的相互作用会带来消极的作用，如粘土水化膨胀导致的微裂缝闭合，矿物的溶蚀作用产生的沉淀物堵塞流动通道，综合来看，闷井期间，水岩相互作用是改善储层渗透率的关键因素，需要量化闷井期间的渗透率规律，以此来确定合理的闷井时间。
然而对于当前页岩的渗吸过程中的渗透率测试装置在一些方面仍然存在着不足之处，其中刘忠华(CN109060634A)的装置实验方法中，将页岩饱和不同程度的含水量后，再进行渗透率测试，由于该两过程处于相对独立的设备，在对接过程中由于环境条件的变化会影响实验结果的准确度，而且未能考虑到储层条件的影响。曾凡辉(CN108387501A)所公布的确定合理最短闷井时间的方法中，仅选取了岩样单位孔隙体积吸水速率曲线中发生剧烈抖动的时间点作为闷井时间，但是该点并不一定是岩样渗透性改善的最佳时间点。其他所发表的相关文献和专利中，岩样多数处于自发渗吸，并未考虑到停泵后处于裂缝网络系统中的压裂液仍然具有一定的流体压力，起到了强制渗吸的作用，因此有必要结合储层的真实条件研究页岩储层在闷井过程中的渗透率规律，为确定页岩储层的合理闷井时间进行有效的评估和指导。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种基于页岩渗吸渗透率确定合理闷井时间的测试装置及方法，考虑了上覆岩层压力，围压，停泵后的缝内流体压力和储层温度的影响，能够更加接近真实情况来模拟闷井期间的渗透率演化规律。
本发明的技术方案如下：
一方面，提供一种基于页岩渗吸渗透率确定合理闷井时间的测试装置，包括外壳、轴向载荷加载系统、闷井模拟系统、围压加载系统、渗透率测试系统；
所述外壳为空心的立方体，包括侧面外壳、端面外壳和密封块，所述侧面外壳的左右两端分别与所述密封块和所述端面外壳密封连接，所述侧面外壳的右端设有液体注入口，所述端面外壳的中心设有下游出气口；
所述轴向载荷加载系统包括轴向载荷加载器和测试岩样，所述轴向载荷加载器的输出端穿过所述密封块中心进入所述外壳内部，所述测试岩样的两端分别与所述轴向载荷加载器和所述端面外壳抵接，通过所述轴向载荷加载器向所述测试岩样施加载荷，使所述测试岩样悬空在所述外壳内部右侧中心，所述测试岩样对应的外壳右端区域为渗吸室；
所述闷井模拟系统包括渗吸液罐和温度控制器，所述渗吸液罐和所述液体注入口相连，且相连的管路上依次设有渗吸液罐阀门和第一压力传感器，所述温度控制器设置在所述外壳内部；
所述围压加载系统包括液压块移动控制器、液压块、卡扣控制器、卡扣、液压油罐，所述液压块移动控制器穿过所述密封块与外壳内部的液压块相连，所述液压块的宽度与所述测试岩样的长度相同，所述液压块中心设有与所述测试岩样匹配的中间通道，所述液压块上设有液压块注入口，当所述液压块完全移动至所述渗吸室时，所述液压块注入口正对所述液体注入口，所述卡扣控制器穿过所述侧面外壳与外壳内部的卡扣相连，所述卡扣用于阻止所述液压块随意移动，所述液压油罐与所述液体注入口相连，且相连的管路上依次设有液压油罐阀门和所述第一压力传感器；
所述渗透率测试系统包括上游气罐、气体流量计、气液搜集器，所述上游气罐与所述测试岩样的左端相连，且相连的管路上依次设有第二压力传感器和上游气罐阀门，所述气液搜集器与所述测试岩样的右端或所述下游出气口相连，且相连的管路上依次设有气体流量计、第三压力传感器、下游出气口阀门。
作为优选，所述测试岩样的左右两端分别设有圆形的左过滤片和右过滤片。
作为优选，所述右过滤片的外径大于所述测试岩样的外径。
作为优选，所述端面外壳内表面设有缓冲块。
作为优选，所述液压块注入口与所述液体注入口的内表面设有与液体输入管道外表面匹配的纹路，当所述液压块完全移动至所述渗吸室时，所述液体输入管道与所述液压块注入口和所述液体注入口啮合/螺纹连接。
作为优选，所述下游出气口内部呈圆形阶梯状，且越靠近所述测试岩样的圆形阶梯内径越大，最大处的内径与所述岩芯外径相同。
作为优选，所述卡扣为三棱柱形，且靠近所述液压块的侧面与底面呈直角。
另一方面，还提供一种基于页岩渗吸渗透率确定合理闷井时间的测试方法，采用上述任意一项所述的测试装置进行测试，具体包括以下步骤：
S1：通过轴向载荷加载器将测试岩样固定在渗吸室内，并向所述测试岩样施加模拟地层上层压力的轴向载荷，打开温度控制器，使外壳内部的温度达到模拟地层温度；
S2：通过卡扣控制器打开卡扣，通过液压块移动控制器将液压块完全移动至渗吸室，使液压块注入口正对液体注入口，打开液压油罐阀门，向所述液压块注入液压油使其达到模拟地层的围压条件；
S3：打开上游气罐阀门、下游出气口阀门，通过上游气罐向测试岩样中注入气体，待气体流量计检测的气体流量稳定后，分别读取第二压力传感器和第三压力传感器上的压力值，根据所述压力值计算气测渗透率；
S4：关闭上游气罐阀门和下游出气口阀门，将步骤S2中注入的液压油回收一部分至液压油罐中，减小围压至能移动液压块后，通过卡扣控制器打开卡扣，将液压块移动至渗吸室的左侧，关闭卡扣；
S5：关闭液压油罐阀门，打开渗吸液罐阀门，向所述渗吸室内注入渗吸液，进入闷井阶段；
S6：闷井时间每达到一定的时间间隔后，将步骤S5中注入的渗吸液回收至渗吸液罐中，关闭渗吸液罐阀门，调整测试岩样上下游的压力，使下游压力高于上游压力，使气液搜集器中的渗吸液重新注入测试岩样中，重复步骤S2和S3，测得不同闷井时间下的气测渗透率；
S7：闷井结束后，绘制闷井时间-渗透率曲线，根据所述曲线的形态确定是否需要闷井，当需要闷井时，若曲线连续三次十分钟增量小于0.01mD，则其对应的闷井时间即为合理闷井时间。
作为优选，根据所述压力值计算气测渗透率的计算公式如下：
式中：
K为气测渗透率，10-3μm2；P0为大气压力，MPa；μg为气体粘度，mPa·s；L为测试岩样长度，cm；A为测试岩样的横截面积，cm2；Pin、Pout分别为上下游所测试的绝对压力，MPa；
T0为渗吸室的实验温度，K；
作为优选，步骤S8中S7中否需要闷井根据以下方法进行判定：
若在现场允许的经济闷井时间内，渗透率随着闷井时间的延长渗透率一直减小，则不需要闷井；
若在现场允许的经济闷井时间内，某一闷井时刻至闷井时间结束的这一段时间内渗透率随闷井时间的延长渗透率递增，则需要闷井。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明考虑到了储层条件下页岩的闷井渗吸作用对页岩渗透率的影响，包括温度，停泵后滞留在裂缝中的液体所具有的流体压力，储层围压，能够更加接近地层的真实情况，此外通过闷井阶段和渗透率测试阶段的重复交替，能够在消除岩样非均质性对结果的影响。
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为本发明测试装置的侧视结构示意图；
图2为本发明测试装置液压块的结构示意图；
图3为本发明测试装置卡扣的结构示意图；
图4为本发明测试装置侧面外壳的正视结构示意图；
图5为本发明测试装置侧面外壳的整体结构示意图；
图6为本发明测试装置轴向轴向载荷加载器的结构示意图；
图7为本发明测试装置密封块的结构示意图；
图8为本发明测试装置端面外壳的整体结构示意图；
图9为本发明测试装置液体输入管道安装时的结构示意图；
图10为本发明测试方法的第一种闷井时间与渗透率的关系曲线；
图11为本发明测试方法的第二种闷井时间与渗透率的关系曲线；
图12为本发明测试方法的第三种闷井时间与渗透率的关系曲线。
图中：
1-轴向载荷加载器、2-液压块移动控制器、3-密封块、4-液压块、5-侧面外壳、6-端面外壳、7-缓冲块、8-卡扣控制器、9-卡扣、10-液压块注入口、11-右过滤片、12-温度控制器、13-第二压力传感器、14-上游气罐、15-渗吸液罐、16-液压油罐、17-气液搜集器、18-气体流量计、19-第三压力传感器、20-上游气罐阀门、21-渗吸液罐阀门、22-液压油罐阀门、23-下游出气口阀门、24-下游出气口、25-渗吸室、26-第一压力传感器、27-液体注入口、28-中间通道、29-测试岩样、30-液体输入管道。
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。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。除非另外定义，本发明公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明公开使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
如图1-9所示，一方面，本发明提供一种基于页岩渗吸渗透率确定合理闷井时间的测试装置，包括外壳、轴向载荷加载系统、闷井模拟系统、围压加载系统、渗透率测试系统；
所述外壳为空心的立方体，包括侧面外壳5、端面外壳6和密封块3，所述侧面外壳5的左右两端分别与所述密封块3和所述端面外壳6密封连接，所述侧面外壳5的右端设有液体注入口27，所述端面外壳6的中心设有下游出气口24；
所述轴向载荷加载系统包括轴向载荷加载器1和测试岩样29，所述轴向载荷加载器1的输出端穿过所述密封块3中心进入所述外壳内部，所述测试岩样29的两端分别与所述轴向载荷加载器1和所述端面外壳6抵接，通过所述轴向载荷加载器1向所述测试岩样29施加载荷，使所述测试岩样29悬空在所述外壳内部右侧中心，所述测试岩样29对应的外壳右端区域为渗吸室25；
所述闷井模拟系统包括渗吸液罐15和温度控制器12，所述渗吸液罐15和所述液体注入口27相连，且相连的管路上依次设有渗吸液罐阀门21和第一压力传感器26，所述温度控制器12设置在所述外壳内部；
所述围压加载系统包括液压块移动控制器2、液压块4、卡扣控制器8、卡扣9、液压油罐16，所述液压块移动控制器2穿过所述密封块3与外壳内部的液压块4相连，所述液压块4的宽度与所述测试岩样29的长度相同，所述液压块4中心设有与所述测试岩样29匹配的中间通道28，所述液压块4上设有液压块注入口10，当所述液压块4完全移动至所述渗吸室25时，所述液压块注入口10正对所述液体注入口27，所述卡扣控制器8穿过所述侧面外壳5与外壳内部的卡扣9相连，所述卡扣9用于阻止所述液压块4随意移动，所述液压油罐16与所述液体注入口27相连，且相连的管路上依次设有液压油罐阀门22和所述第一压力传感器26；
所述渗透率测试系统包括上游气罐14、气体流量计18、气液搜集器17，所述上游气罐14与所述测试岩样29的左端相连，且相连的管路上依次设有第二压力传感器13和上游气罐阀门20，所述气液搜集器17与所述测试岩样29的右端或所述下游出气口24相连，且相连的管路上依次设有气体流量计18、第三压力传感器19、下游出气口阀门23。
为了避免杂质进入测试岩样，可选地，所述测试岩样29的左右两端分别设有圆形的左过滤片和右过滤片11，所述右过滤片11的外径大于所述测试岩样29的外径，如此能够保证装置的密封性。
为了避免液压块4在移动的过程中直接作用在端面外壳6上而产生相应的应力损伤，影响测试岩样29的围压加载，可选地，所述端面外壳6内表面设有缓冲块7。
在一个具体的实施例中，所述液压块注入口10与所述液体注入口27的内表面设有与液体输入管道30外表面匹配的纹路，当所述液压块4完全移动至所述渗吸室25时，所述液体输入管道30与所述液压块注入口10和所述液体注入口27啮合/螺纹连接。
在一个具体的实施例中，所述下游出气口24内部呈圆形阶梯状，且越靠近所述测试岩样29的圆形阶梯内径越大，最靠近测试岩样29的一个圆形阶梯其内径与所述测试岩样29的外径相同，如此能够对测试岩样29进行限位，使测试岩样29更加稳固的悬挂。
在一个具体的实施例中，所述卡扣9为三棱柱形，且靠近所述液压块4的侧面与底面呈直角，如此能够更加方便卡扣控制器8控制卡扣9向外壳外移动打开、以及恢复原位关闭。
在一个具体的实施例中，所述轴向载荷加载器1、液压块移动控制器2、卡扣控制器8、温度控制器12、压力传感器、上游气罐14、渗吸液罐15、液压油罐16、气体流量计18等均与计算机相连，如此能够更加精准的控制和获取数据。
需要说明的是，所述测试装置中各部件所采用的材料均不会与渗吸液和上游气罐中的气体发生化学反应，可选地，所述液压块采用软胶制成。所述液压块移动控制器2控制液压块4的原理和所述卡扣控制器8控制卡扣9的原理相同，均为通过控制器向被控制物体施力，从而使被控制物体移动，施力时可手动施力，也可采用其他方式如直线往复电机之类的直线往复运动机构进行实现。
另一方面，本发明还提供一种基于页岩渗吸渗透率确定合理闷井时间的测试方法，采用上述任意一项所述的测试装置进行测试，具体包括以下步骤：
S1：制作测试岩样，所述测试岩样为圆柱形，大小为25mm×50mm或38mm×76mm，通过轴向载荷加载器1将测试岩样29固定在渗吸室25内，并向所述测试岩样29施加模拟地层上层压力的轴向载荷，打开温度控制器12，使外壳内部的温度达到模拟地层温度；
S2：通过卡扣控制器8打开卡扣9，通过液压块移动控制器2将液压块4完全移动至渗吸室25，使液压块注入口10正对液体注入口27，打开液压油罐阀门16，向所述液压块4注入液压油使其达到模拟地层的围压条件；
S3：打开上游气罐阀门20、下游出气口阀门23，通过上游气罐14向测试岩样29中注入气体，待气体流量计18检测的气体流量稳定后，分别读取第二压力传感器13和第三压力传感器19上的压力值，根据所述压力值通过式(1)和式(2)计算得到测试岩样渗吸前的初始气测渗透率；
S4：关闭上游气罐阀门20和下游出气口阀门23，将步骤S2中注入的液压油回收一部分至液压油罐16中，减小围压至能移动液压块4后，通过卡扣控制器8打开卡扣9，将液压块4移动至渗吸室25的左侧，关闭卡扣9；
S5：关闭液压油罐阀门22，打开渗吸液罐阀门21，向所述渗吸室25内注入渗吸液，进入闷井阶段；
S6：闷井时间每达到一定的时间间隔后，将步骤S5中注入的渗吸液回收至渗吸液罐15中，关闭渗吸液罐阀门21，调整测试岩样29上下游的压力，使下游压力高于上游压力，使气液搜集器17中的渗吸液重新注入测试岩样29中，重复步骤S2和S3，测得不同闷井时间下的气测渗透率；
S7：闷井结束后，绘制闷井时间-渗透率曲线，根据所述曲线的形态确定是否需要闷井，当需要闷井时，若曲线连续三次十分钟增量小于0.01mD，则其对应的闷井时间即为合理闷井时间。
闷井时间-渗透率曲线大致分为三种，分别如图10-12所示，在现场允许的经济闷井时间内若曲线结果如图10所示，渗透率随着闷井时间的延长渗透率一直减小，则可以考虑不选择闷井；若曲线结果如图11和图12所示，某一闷井时刻至闷井时间结束的这一段时间内渗透率随闷井时间的延长渗透率递增，则选择闷井，且渗透率连续三次十分钟增量小于0.01mD对应的闷井时间为合理闷井时间。
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做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。
