一種評價頁巖壓裂形成縫網(wǎng)能力的實驗方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種評價頁巖壓裂形成縫網(wǎng)能力的實驗方法。該方法包括下列步驟：a)從油田標準套管上截取一段套管環(huán)；選取頁巖巖芯，將其加工成圓柱體試件；b)將巖芯放于套管環(huán)中，巖芯和套管環(huán)形成的環(huán)形空間用水泥漿充填；水泥硬化后，在巖芯中心處鉆孔；在所鉆孔中加入無聲破碎劑漿體；c)采用裂隙結(jié)構(gòu)面跡長分布的分維值、面密度和裂縫條數(shù)對壓后巖芯表面的裂縫形態(tài)進行定量表征，并評價其崩落碎塊的大小和數(shù)量；d)拆除水泥環(huán)，獲得壓后巖芯內(nèi)部的裂縫條數(shù)、體密度和碎塊的大小、數(shù)量。該方法綜合體現(xiàn)了頁巖脆性和天然裂縫系統(tǒng)(和沉積層理)特征，用于判斷頁巖壓后形成縫網(wǎng)的能力，不僅直觀可靠，而且操作簡單，適用于油田現(xiàn)場應用。
【專利說明】一種評價頁巖壓裂形成縫網(wǎng)能力的實驗方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是關(guān)于頁巖氣儲層體積壓裂增產(chǎn)技術(shù)，特別是關(guān)于一種評價頁巖壓裂形成縫網(wǎng)能力的實驗方法。本發(fā)明可為頁巖儲層的可壓性評價提供技術(shù)支持。

【背景技術(shù)】
[0002]通過對頁巖儲層地化特征勘察檢測，確定該區(qū)塊為優(yōu)質(zhì)頁巖儲層之后，需要對其開發(fā)效果進行評價，即“可壓性評價”。與常規(guī)砂巖和碳酸鹽巖儲層不同，頁巖儲層的“可壓性評價”并非指是否適合壓裂，而是在必須實施壓裂的前提下，評價水力裂縫網(wǎng)絡形成的難易程度，對能否有效開展“體積壓裂”進行論證，目前國內(nèi)外還沒有統(tǒng)一標準和評價方法。
[0003]影響裂縫網(wǎng)絡形態(tài)的關(guān)鍵因素是儲層的地質(zhì)條件，如水平地應力差、巖石脆性、沉積層理和天然裂縫系統(tǒng)。頁巖儲層的水平地應力差可通過室內(nèi)實驗測試和現(xiàn)場監(jiān)測等方法準確獲取。巖石的脆性是儲層壓后形成裂縫網(wǎng)絡的必要而非充分條件，天然裂縫系統(tǒng)和沉積層理結(jié)構(gòu)也是其關(guān)鍵因素，但由于裂縫系統(tǒng)的觀測和評價非常困難復雜，且目前頁巖儲層壓裂裂縫擴展機理尚不明確，因而對其進行單獨評價也是一個難點。需要一種新的測試方法，兼顧巖石的脆性和原生裂縫系統(tǒng)(沉積層理)，對頁巖儲層可壓性進行評價。利用大尺寸真三軸實驗系統(tǒng)進行室內(nèi)物理模擬雖真實可靠，但需要大尺寸的規(guī)格露頭巖芯，且實驗過程復雜，不利用現(xiàn)場簡單方便地檢測評價。
[0004]天然裂縫系統(tǒng)的發(fā)育和巖石本身的脆性特征致使頁巖儲層水力壓裂過程中，大面積區(qū)域在流體未到達前，通過基質(zhì)傳壓作用，大量剪切或張性裂縫開啟，形成了裂縫體積帶。因而，開展非流體致裂的壓裂實驗可用于評價頁巖壓裂后形成縫網(wǎng)的能力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種評價頁巖壓裂形成縫網(wǎng)能力的實驗方法，該方法綜合體現(xiàn)了頁巖巖石脆性、硬度和天然裂縫系統(tǒng)(和沉積層理)特征。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種評價頁巖壓裂形成縫網(wǎng)能力的實驗方法，該方法包括下列步驟:a)從油田標準套管上截取一段套管環(huán)；選取頁巖巖芯，將其加工成圓柱體試件山)將巖芯放于套管環(huán)中，巖芯和套管環(huán)形成的環(huán)形空間用水泥漿充填；水泥硬化后，在巖芯中心處鉆孔；在所鉆孔中加入無聲破碎劑漿體；c)致裂后，獲取巖芯表面的裂縫形態(tài)和崩落碎片特征；d)拆除水泥環(huán)，獲得巖芯內(nèi)部的裂縫形態(tài)及碎塊特征。
[0007]進一步地，在步驟a)中，選用的標準套管外徑為139.70mm,壁厚7.72mm,套管環(huán)高度在10-15cm之間；選取的頁巖巖芯為取自所開發(fā)儲層的全直徑巖芯或相同層位的頁巖露頭，并將所述頁巖材料加工成直徑為10cm，高度為8-12cm的標準圓柱體，巖芯高度要小于或等于套管環(huán)高度。
[0008]進一步地，在步驟b)中，選用的水泥為普通硅酸鹽水泥，制造的水泥凈漿要飽和的填充在環(huán)形空間中；鉆孔的孔徑為1.5cm，且鉆穿巖芯；所使用的無聲破碎劑漿體是在無聲破碎劑中加入質(zhì)量分數(shù)為20%的水形成的混合體。
[0009]進一步地，在步驟c)中，獲取的巖芯表面裂縫形態(tài)特征包括:裂縫條數(shù)、裂隙結(jié)構(gòu)面跡長分布的分維值和面密度；所收集的崩落碎片來自巖芯上下兩個表面，崩落碎片特征包括崩落碎片的大小和數(shù)量。
[0010]進一步地，在步驟d)中，獲取的巖芯內(nèi)部裂縫形態(tài)特征包括:裂縫條數(shù)、體密度；碎塊特征包括碎塊大小和數(shù)量。
[0011]進一步地，保證套管環(huán)內(nèi)壁光滑；頁巖的取芯方向包括垂直層理和平行層理兩種。
[0012]進一步地，在充填水泥凈漿前，分別將套管環(huán)內(nèi)壁和巖芯側(cè)面均勻的涂抹上黃油或潤滑油，確保實驗后取芯方便；鉆孔所用設備為TZ-2型巖芯鉆取機；無聲破碎劑和水要混合均勻，在5min內(nèi)將無聲破碎劑衆(zhòng)體加入鉆孔中。
[0013]進一步地，無聲破碎劑漿體加入鉆孔，靜置12小時之后觀察巖芯表面的裂縫形態(tài)特征。
[0014]進一步地，裂隙結(jié)構(gòu)面跡長分布的分維計算采用網(wǎng)格覆蓋法，使用正方形覆蓋模型。
[0015]本發(fā)明的有益效果在于，利用無聲破碎劑致裂，觀測評價壓后裂縫形態(tài)，采用裂隙結(jié)構(gòu)面跡長分布的分維值、面密度進行定量表征，并評價其崩落碎塊的大小和數(shù)量，分析判定頁巖的可壓性，綜合體現(xiàn)了頁巖巖石脆性、硬度和天然裂縫系統(tǒng)(和沉積層理)特征。新方法用于判斷頁巖壓后形成縫網(wǎng)的能力，不僅直觀可靠，而且操作簡單，適于油田現(xiàn)場應用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。在附圖中:
[0017]圖1為本發(fā)明實施例評價頁巖壓裂形成縫網(wǎng)能力的實驗方法流程圖；
[0018]圖2為本發(fā)明實施例評價頁巖壓裂形成縫網(wǎng)能力的實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3為本發(fā)明實施例頁巖壓后巖芯表面裂縫形態(tài)和崩落碎片特征示意圖；

【具體實施方式】
[0020]為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例做進一步詳細說明。在此，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。
[0021]為了有效評價頁巖儲層壓裂形成縫網(wǎng)的能力，克服現(xiàn)有技術(shù)僅針對影響縫網(wǎng)形成的單一因素進行分析或?qū)嶒炦^程復雜(真三軸水力壓裂模擬實驗)的不足，本發(fā)明提供了一種操作簡單且有效的“評價頁巖壓裂形成縫網(wǎng)能力的實驗方法”，如圖1所示，該方法包括下列步驟:
[0022]步驟SlOl:從油田標準套管上截取一段套管環(huán)；選取頁巖巖芯，將其加工成圓柱體試件；
[0023]步驟S102:將巖芯放于套管環(huán)中，巖芯和套管環(huán)形成的環(huán)形空間用水泥漿充填；水泥硬化后，在巖芯中心處鉆孔；在所鉆孔中加入無聲破碎劑漿體；
[0024]步驟S103:獲取壓后巖芯表面的裂縫形態(tài)和崩落碎片特征；
[0025]步驟S104:拆除水泥環(huán)，獲得壓后巖芯內(nèi)部的裂縫形態(tài)及碎塊特征。
[0026]由上所述，本發(fā)明綜合體現(xiàn)了頁巖巖石脆性、硬度和天然裂縫系統(tǒng)(和沉積層理)特征。用于判斷頁巖壓后形成縫網(wǎng)的能力，不僅直觀可靠，而且操作簡單。
[0027]頁巖氣儲層壓裂過程中，“體積壓裂”的呈現(xiàn)完全是由于頁巖本身的巖性特征造成的，如果頁巖脆性較高，且天然裂縫系統(tǒng)(沉積層理)發(fā)育，則在低水平地應力差條件下，水力裂縫易轉(zhuǎn)向，同剪切破裂或拉張破裂的天然裂縫系統(tǒng)交織，形成復雜縫網(wǎng)。因此，利用非水壓致裂的無聲破碎劑對全直徑巖芯開展實驗時，在不施加水平最大、最小地應力條件下，天然裂縫系統(tǒng)將對裂縫擴展的干擾突出，造成僅沿天然裂縫擴展的狀態(tài)，嚴重影響頁巖壓裂裂縫的擴展形態(tài)和可信度，因而為克服此不足，采用了厚壁套管環(huán)加水泥固結(jié)的方法對巖芯的周向施加約束，使其在無聲破碎劑膨脹壓裂過程中，提供一定的圍壓限制，兼顧巖石脆性和天然裂縫系統(tǒng)對壓裂裂縫擴展形態(tài)的影響。如圖2所示，I為套管環(huán)，2為水泥，3為頁巖全直徑巖芯。所選用的139.70_直徑的套管環(huán)，對于全直徑巖芯的水泥固結(jié)是最為合適的。制作過程中，水泥凈漿要飽和的填充于巖芯和套管環(huán)間的環(huán)形空間中。
[0028]為確保實驗后取芯方便，分別將套管環(huán)內(nèi)壁和巖芯側(cè)面均勻的涂抹上黃油或潤滑油，前提也要保證套管環(huán)內(nèi)壁光滑。同時，巖芯的鉆孔時間是在水泥硬化之后，否則沒有周向約束的頁巖在鉆孔過程中，極易破碎。為使直徑為1cm的巖芯表面能反映更多的裂縫展布信息，在確保無聲破碎劑足夠壓裂巖芯的前提下，經(jīng)過優(yōu)化，選用了直徑1.5cm的孔徑，既能滿足巖芯的破裂需求，同時能制造盡可能大的剩余表面面積，進而，為了觀測上下兩個表面的致裂形態(tài)，確保裂縫信息準確，需要在巖芯上鉆穿此孔。上述過程完成之后，取適量高效無聲破碎劑，加入20%的水，攪拌均勻后，在5min內(nèi)將無聲破碎劑漿體充分填充于鉆孔中，否則，無聲破碎劑將開始膨脹、失效。圖2中4代表鉆穿孔中充填的無聲破碎劑。充填后，靜置12小時左右，無聲破碎劑的膨脹力基本完全釋放，裂縫擴展形態(tài)基本定型。
[0029]致裂后，去除并收集上下兩個表面崩裂的碎片，觀察碎片特征，如圖3(b)所示。碎片的大小和數(shù)量不僅與巖石的脆性程度和初始損傷分布有關(guān)，同時也與巖石的硬度有關(guān)。碎塊多，體積小，破碎程度高，則巖石愈脆、天然裂縫和層理發(fā)育，同時硬度較低。
[0030]觀察并用紅色油性筆標記巖石表面的裂縫形態(tài)，計算裂縫條數(shù)、面密度和裂隙結(jié)構(gòu)面跡長分布的分維值，如圖3(a)所示，對裂隙進行定量表征。分維值D可以定量評價壓裂裂縫的復雜程度，采用基于盒維數(shù)的網(wǎng)格覆蓋法。圖3(a)中，5代表正方形覆蓋模型的分維值計算方法，6代表壓后形成的裂縫。裂縫條數(shù)越多，裂縫密度越高，分維值越大，表明壓裂裂縫復雜度越高，頁巖壓后形成縫網(wǎng)能力越強。
[0031]本發(fā)明的有益效果在于，利用無聲破碎劑致裂，觀測評價壓后裂縫形態(tài)，采用裂隙結(jié)構(gòu)面跡長分布的分維值、面密度進行定量表征，并評價其崩落碎塊的大小和數(shù)量，分析判定頁巖的可壓性，綜合體現(xiàn)了頁巖巖石脆性、硬度和天然裂縫系統(tǒng)(和沉積層理)特征。新方法用于判斷頁巖壓后形成縫網(wǎng)的能力，不僅直觀可靠，而且操作簡單，適于油田現(xiàn)場應用。
[0032]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種評價頁巖壓裂形成縫網(wǎng)能力的實驗方法，其特征在于，該方法包括下列步驟: a)從油田標準套管上截取一段套管環(huán)；選取頁巖巖芯，將其加工成圓柱體試件； b)將巖芯放于套管環(huán)中，巖芯和套管環(huán)形成的環(huán)形空間用水泥漿充填；水泥硬化后，在巖芯中心處鉆孔；在所鉆孔中加入無聲破碎劑衆(zhòng)體； c)致裂后，獲取巖芯表面的裂縫形態(tài)和崩落碎片特征； d)拆除水泥環(huán)，獲得巖芯內(nèi)部的裂縫形態(tài)及碎塊特征。
2.如權(quán)利要求1所述的評價頁巖壓裂形成縫網(wǎng)能力的實驗方法，其特征在于，在步驟a)中，選用的標準套管外徑為139.70_，壁厚7.72_，套管環(huán)高度在10-15cm之間；選取的頁巖巖芯為取自所開發(fā)儲層的全直徑巖芯或相同層位的頁巖露頭，并將所述頁巖材料加工成直徑為10cm，高度為8-12cm的標準圓柱體，巖芯高度要小于或等于套管環(huán)高度。
3.如權(quán)利要求1所述的評價頁巖壓裂形成縫網(wǎng)能力的實驗方法，其特征在于，在步驟b)中，選用的水泥為普通硅酸鹽水泥，制造的水泥凈漿要飽和的填充在環(huán)形空間中；鉆孔的孔徑為1.5cm，且鉆穿巖芯；所使用的無聲破碎劑漿體是在無聲破碎劑中加入質(zhì)量分數(shù)為20%的水形成的混合漿體。
4.如權(quán)利要求1所述的評價頁巖壓裂形成縫網(wǎng)能力的實驗方法，其特征在于，在步驟c)中，獲取的巖芯表面裂縫形態(tài)特征包括:裂縫條數(shù)、裂隙結(jié)構(gòu)面跡長分布的分維值和面密度；所收集的崩落碎片來自巖芯上下兩個表面，崩落碎片特征包括崩落碎片的大小和數(shù)量。
5.如權(quán)利要求1所述的評價頁巖壓裂形成縫網(wǎng)能力的實驗方法，其特征在于，在步驟d)中，獲取的巖芯內(nèi)部裂縫形態(tài)特征包括:裂縫條數(shù)、體密度；碎塊特征包括碎塊大小和數(shù)量。
6.如權(quán)利要求2所述的評價頁巖壓裂形成縫網(wǎng)能力的實驗方法，其特征在于，保證套管環(huán)內(nèi)壁光滑；頁巖的取芯方向包括垂直層理和平行層理兩種。
7.如權(quán)利要求3所述的評價頁巖壓裂形成縫網(wǎng)能力的實驗方法，其特征在于，在充填水泥凈漿前，分別將套管環(huán)內(nèi)壁和巖芯側(cè)面均勻的涂抹上黃油或潤滑油，確保實驗后取芯方便；鉆孔所用設備為TZ-2型巖芯鉆取機；無聲破碎劑和水要混合均勻，在5min內(nèi)將無聲破碎劑漿體加入鉆孔中。
8.如權(quán)利要求4所述的評價頁巖壓裂形成縫網(wǎng)能力的實驗方法，其特征在于，無聲破碎劑漿體加入鉆孔，靜置12小時之后觀察巖芯表面的裂縫形態(tài)特征。
9.如權(quán)利要求4所述的評價頁巖壓裂形成縫網(wǎng)能力的實驗方法，其特征在于，裂隙結(jié)構(gòu)面跡長分布的分維計算采用網(wǎng)格覆蓋法，使用正方形覆蓋模型。
【文檔編號】E21B43/26GK104131803SQ201310169832
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2013年5月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月10日
【發(fā)明者】葛洪魁, 郭天魁, 張士誠, 王小瓊, 陳海潮, 雷鑫, 徐冰, 周彤 申請人:中國石油大學(北京)