一种高温气液两相流的裂缝导流能力测试方法及装置

技术领域

本发明属于油气增产领域，具体涉及一种高温气液两相流的裂缝导流能力测试方法及装置。

背景技术

干热岩(Hot Dry Rock,HDR)指内部不存在流体或仅有少量流体，温度高于200℃的高温岩体。在中国，干热岩地热资源储量十分丰富，目前探测总量达到2×10

现有的导流能力测试都是在常温下利用蒸馏水进行的，此时测试介质在裂缝内是单相流动的，而干热岩是温度高于200℃的高温岩体，此时测试介质在裂缝内以气相或气液两相的形式流动，所以现有的测试技术无法准确获取干热岩裂缝的导流能力。例如中国专利公开文献CN106337677A公开了一种页岩气压裂缝网气水两相导流能力测试系统及测试方法，中国专利公开文献CN107764718A公开了一种裂缝性页岩气水两相流动裂缝导流能力评价装置及方法，这两种方法所涉及的装置都是在常温下进行的，所谓的气水两相是通过同时注入水相和气相完成的；干热岩的温度达到200度，所以实验装置应在200度进行测量，在高温下，注入的水相会有一部分变成气相，而现有的装置无法测量这么高的温度。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种高温气液两相流的裂缝导流能力测试方法及装置，能更加准确的测试干热岩裂缝导流能力的大小。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高温气液两相流的裂缝导流能力测试装置，所述测试装置包括岩心夹持器，所述岩心夹持器包括外壳和夹持装置；

所述外壳为长方体结构，其底端封闭，顶端开口，在其内部设有岩心放置腔，顶端的开口与所述岩心放置腔连通；

在所述外壳的壁内开有多个长孔，在每个长孔内均安装有加热棒；

所述夹持装置能够放置在所述岩心放置腔内，在所述夹持装置内能够安装岩心。

在所述外壳的一端设有入口导流孔，入口导流孔的一端与岩心放置腔连通，另一端为岩心夹持器入口；

在所述外壳的另一端设有出口导流孔，出口导流孔的一端与岩心放置腔连通，另一端为岩心夹持器出口；

所述入口导流孔、出口导流孔的中心轴线均与水平面平行。

所述岩心夹持器的入口与驱替泵、压力传感器连接；

所述岩心夹持器的出口与气体流量计、控制阀连接；

在所述岩心夹持器的出口的下方设置有量筒。

所述夹持装置包括底座和上盖；

在所述底座上开有第一凹槽；

在所述上盖上开有第二凹槽；

所述第一凹槽和第二凹槽均为半圆柱形凹槽。

在所述上盖、底座的四周外壁上均开有密封槽，在密封槽内安装有密封圈；

在所述上盖的上端面上设置有位移传感器；

当不安装岩心时，将底座的第一凹槽和上盖的第二凹槽相对且将上盖与底座盖紧后放入岩心放置腔时，所述上盖的上端面与外壳的上端面平齐。

利用上述装置实现的高温气液两相流的裂缝导流能力测试方法，所述方法包括：

S1，准备岩心和岩心夹持器，并记录岩心的裂缝的初始缝高；

S2，将测试介质从岩心夹持器的入口注入岩心夹持器内，记录入口压力P

S3，向岩心夹持器施加闭合压力，并记录裂缝宽度L；液体从岩心夹持器的入口进入后，由于高温，在裂缝内存在液体和气体两相，液体和气体从岩心夹持器的出口流出，记录岩心夹持器的出口流出的液体的体积和气体的体积，并记录出口压力P

S4，计算得到裂缝导流能力。

所述步骤S4的操作包括：

(41)将岩心的裂缝渗流场划分为一个一个的微元体，微元体为长方体，利用下式计算获得水相渗透率k·k

其中，ρ

S

(42)利用下式获得水相导流能力(KW)

(KW)

(KW)

(43)利用下式获得裂缝导流能力(KW)

所述步骤S1的操作包括：

(11)钻取全直径岩心，并将全直径岩心沿其轴对称平面分割成两个半圆柱形岩心，分别为第一岩心和第二岩心；

(12)将第一岩心装入底座的第一凹槽内，第一岩心的半圆柱面与底座的第一凹槽的内壁接触，并使第一岩心的平面高出第一凹槽的边缘，将第一凹槽的边缘与第一岩心的接触处密封；将安装有第一岩心的底座放入到外壳的岩心放置腔内，使第一岩心的平面朝上；

(13)将第二岩心装入上盖的第二凹槽内，第二岩心的半圆柱面与上盖的第二凹槽的内壁接触，并使第二岩心的平面高出第二凹槽的边缘，将第二凹槽的边缘与第二岩心的接触处密封；将安装有第二岩心的上盖放入到外壳的岩心放置腔内，使第二岩心的平面朝下，放置在第一岩心的平面上；

(14)不压紧上盖和底座，利用游标卡尺测量出上盖的上端面所在的平面与外壳的上端面所在的平面之间的距离，该距离即为初始缝高；

(15)通过加热棒将岩心夹持器加热到设定温度并保持该温度；所述设定温度大于等于200度；

(16)设置驱替泵的流量；设置控制阀的压力。

所述步骤S2的操作包括：

启动驱替泵，驱替泵将测试介质从岩心夹持器的入口注入到裂缝中；

记录压力传感器的数值作为入口压力P

所述步骤S3的操作包括：

在上盖的上端面上依次放置加压板和伺服压机，根据实际地层情况设定恒定压力，通过伺服压机对加压板进行加压，伺服压机的压力即为闭合压力，闭合压力依次通过加压板、上盖传递给岩心；

随闭合压力的增大，上盖慢慢地盖紧，裂缝逐渐闭合，利用所述位移传感器记录上盖的位移；

将初始缝高减去上盖的位移得到裂缝宽度L，记录裂缝宽度L；

利用气体流量计测量气体流量，同时记录时间，用气体流量乘以时间即得到流出的气体的体积；利用量筒测量流出的液体的体积；

记录控制阀的设置压力为出口压力P

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明弥补了现有的裂缝导流能力测试方法的不足，能够准确获得高温气液两相流的裂缝导流能力，从而为干热岩裂缝导流能力的准确测试提供了一定的理论和实验依据。

附图说明

图1本发明方法中的裂缝渗流场网格划分图；

图2本发明实施例中的干热岩裂缝导流能力变化图；

图3本发明方法的步骤框图；

图4本发明的岩心夹持器的外壳的俯视图；

图5本发明的岩心夹持器的外壳的纵向剖视图；

图6本发明的岩心夹持器的夹持装置的底座的透视图；

图7本发明的岩心夹持器的夹持装置的上盖的透视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明为一种高温气液两相流的裂缝导流能力测试方法及装置。首先,本发明方法考虑了干热岩压裂裂缝处于高温的条件，因此在实验条件中增加了高温的条件；其次，由于测得的数据无法直接利用达西公式进行处理，无法直接求出裂缝导流能力，本发明建立了一维气液两相流的裂缝导流能力计算模型，用于处理实验测得的数据，从而更加准确地得到高温下裂缝内存在气液两相流时的导流能力，为干热岩储层的压裂设计优化提供依据和参考。

如图3所示，本发明方法包括如下步骤：

S1，准备岩心和岩心夹持器，并记录岩心的裂缝的初始缝高；

S2，将测试介质从岩心夹持器的入口注入岩心夹持器内，记录入口压力P

S3，向岩心夹持器施加闭合压力，并记录裂缝宽度L；液体从岩心夹持器的入口进入后，由于高温，在裂缝内存在液体和气体两相，液体和气体从岩心夹持器的出口流出，记录岩心夹持器的出口流出的液体的体积和气体的体积，并记录出口压力P

S4，计算得到裂缝导流能力。

本发明方法中采用的所述岩心夹持器包括外壳1和夹持装置。如图4和图5所示，所述外壳1为长方体结构，其底端封闭，顶端开口，在其内部设有岩心放置腔101，顶端的开口与所述岩心放置腔101连通；所述夹持装置能够放置在所述岩心放置腔101内，在所述夹持装置内能够安装岩心。

在所述外壳的壁内开有多个长孔102，在每个长孔内均安装有加热棒。长孔的位置和方向可以根据需要进行设置，例如如果需要更高温度，可以多开些长孔。

在所述外壳的一端设有入口导流孔104，入口导流孔104的一端与岩心放置腔连通，另一端为岩心夹持器入口，与外部连通；在所述外壳的另一端设有出口导流孔103，出口导流孔103的一端与岩心放置腔102连通，另一端为岩心夹持器出口，与外部连通；

所述入口导流孔、出口导流孔的中心轴线均与水平面平行。

所述岩心夹持器的入口与驱替泵、压力传感器连接；所述岩心夹持器的出口与气体流量计、控制阀连接，在岩心夹持器的出口的下方设置有量筒，所述气体流量计用于测试出口处的气体流量，同时利用秒表记录时间，用流量乘以时间即得到出口处气体的体积；所述量筒用于测量从出口流出的液体的体积，记录量筒的读数即为流出液体的体积，所述控制阀用于设置压力，当压力达到该压力时，气体和液体可流出，该压力即为出口压力。

如图6和图7所示，所述夹持装置包括底座201和上盖203，在所述底座201上开有第一凹槽202，在所述上盖203上开有第二凹槽204；所述第一凹槽202和第二凹槽204均为半圆柱形凹槽。在所述上盖、底座的四周外壁上均开有密封槽，在密封槽内安装有密封圈，用于实现上盖、底座与岩心放置腔的内壁之间的密封，这样从入口导流孔注入的流体只会经过两个岩心之间的裂缝后从出口导流孔流出，而不会从其它位置漏出。

当不安装岩心时，将底座的第一凹槽和上盖的第二凹槽相对且将上盖与底座盖紧后放入岩心放置腔时，所述上盖的上端面与外壳的上端面平齐；当在底座的第一凹槽和上盖的第二凹槽内分别安装岩心，并将底座的第一凹槽和上盖的第二凹槽相对放入到岩心放置腔后，上盖的上端面高于外壳的上端面。

在所述上盖203的上端面的中间或者在两端分别设置有位移传感器，如果围压是很均匀地施加在上盖上，则只在中间设置位移传感器即可，如果无法均匀地施加在上盖上，可以在两端分别设置位移传感器，通过取两个位移传感器的读数的平均值作为上盖的位移，也可以采用其它测量位移的装置来测量上盖的位移。

所述步骤S1的操作包括：

(11)钻取全直径岩心，并将全直径岩心沿其轴对称平面分割成两个半圆柱形岩心，分别为第一岩心和第二岩心；

(12)将第一岩心装入底座的第一凹槽内，第一岩心的半圆柱面与底座的第一凹槽的内壁接触，并使第一岩心的平面高出第一凹槽的边缘，将第一凹槽的边缘与第一岩心的接触处密封；密封可以采用现有的多种方式，例如密封胶或其它适用于高温的密封材料。将安装有第一岩心的底座放入到外壳的岩心放置腔内，使第一岩心的平面朝上；

(13)，将第二岩心装入上盖的第二凹槽内，第二岩心的半圆柱面与上盖的第二凹槽的内壁接触，并使第二岩心的平面高出第二凹槽的边缘，将第二凹槽的边缘与第二岩心的接触处密封；将安装有第二岩心的上盖放入外壳的岩心放置腔内，使第二岩心的平面朝下，放置在第一岩心的平面上；

(14)由于此时上盖和底座没有压紧，这样第一岩心的平面和第二岩心的平面之间有一定的距离，该距离使得上盖的上端面高出外壳的上端面，利用游标卡尺测量出上盖的上端面所在的平面与外壳的上端面所在的平面之间的距离(两个平行平面之间的垂直距离)，该距离即为初始缝高；

(15)，通过加热棒将岩心夹持器加热到设定温度并保持该温度；

(16)，设置驱替泵的流量，该流量即为液体的入口流量q

所述步骤S2的操作包括：

启动驱替泵；

驱替泵将测试介质(例如蒸馏水)从岩心夹持器入口注入到裂缝中；

通过压力传感器记录入口压力P

所述步骤S3的操作包括：

在上盖的上端面上依次放置加压板和伺服压机，根据实际地层情况设定恒定压力，通过伺服压机对加压板进行加压，伺服压机的压力即为闭合压力，闭合压力传递给全直径岩心；随闭合压力的增大，上盖慢慢地盖紧，裂缝逐渐闭合，利用所述位移传感器记录上盖的位移，将初始缝高减去上盖的位移得到裂缝宽度L；

利用气体流量计测量气体流量，并利用秒表记录时间，用气体流量乘以时间即得到流出的气体的体积；利用量筒测量流出的液体的体积；

记录控制阀的设定压力为出口压力P

所述步骤S4具体如下：

本发明建立了一维高温气液两相流模型，用于求取高温气液两相流的裂缝导流能力。

如图1所示，将裂缝渗流场划分为一个一个的微元体，微元体为长方体，在一维情况下，只考虑长方体的流入和流出，即左端面积和右端面积，从而可以建立一维高温气液两相流模型。下面实施例中所用岩心为圆柱体岩心，其长度为16cm，其直径为6cm，由于实验时是将圆柱体岩心沿直径对半劈开，然后将两个半圆柱再闭合上，两个半圆柱之间存在一个裂缝，所以裂缝的长度即为圆柱体的长度，即缝长为16cm。

裂缝面网格化，在裂缝渗流场内取一微元体积，长为Δx，左端面积A(x)，右端面积A(x+Δx)，平均面积为A

从而可以得出水相连续性方程：

气相连续性方程：

达西公式：

联立，得：

即：

该公式即一维气液两相流的裂缝导流能力计算模型。其中，A指微元体左侧流入面的面积，但公式两端都有A，所以计算过程中能够约掉，如下：

通过步骤S1到S3得到：入口压力P

实验时，通过岩心夹持器的出口流出的液体体积和气体体积获得液体饱和度S

以水相为例，根据出口处饱和度随时间的变化率

不同的闭合压力下，裂缝宽度L的大小不同，闭合压力越大，缝宽越小。水相渗透率和气相渗透率分别乘以裂缝宽度L即得到水相导流能力(KW)

本发明的一个实施例如下：

将裂缝渗流场划分为一个一个的微元体，从而可以建立一维高温气液两相流模型。本次实验所用岩心长度为16cm，直径为6cm，因为岩心是一个圆柱体，实验中，将岩心沿直径对半劈开，然后将两个半圆柱再闭合上，两个半圆柱之间存在一个裂缝，缝长即为圆柱体的长度16cm。本实施例中划分的网格数为8，所以每段长为2cm。

试验表明，干热岩硬度比较大，高闭合压力下，裂缝表面未发生明显的变化，在200℃实验条件下，岩心夹持器出口处存在气液两相，证明裂缝内存在气液两相流。

实验中发现裂缝内初始都是气体，因此S

表1

实验测得的数据如表2所示：

表2

本实施例中，液相ρ

本实施例中时间t＝1，所以

P

通过上式计算得到k·k

表3

表4

根据上述液相导流能力和气相导流能力计算得到最终裂缝的导流能力如表5所示：

表5

图2显示的曲线图即为在200℃实验条件下，按照本发明所述的试验方法测得的数据，又利用本发明中所提的计算模型计算所得的干热岩的裂缝导流能力,可以看出，随闭合压力的增加，导流能力是逐渐减小的。

综上所述，本发明首先是在实验中添加了高温的条件，此时裂缝内存在气液两相流，然后建立了一维高温气液两相流模型，用于求取高温气液两相流的裂缝导流能力，从而为干热岩压裂后产能评价提供了一定的参考。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。