一種層狀硬脆性泥頁巖水化特性的評價方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于油氣鉆探工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及泥頁巖水化特性的評價方法，尤其涉及 一種層狀硬脆性泥頁巖水化特性的評價方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，鉆井過程中鉆遇層狀硬脆性泥頁巖時遇到的井壁穩(wěn)定問題一直是困擾油 氣鉆探工程的一大難題。層狀硬脆性泥頁巖的層理發(fā)育異常、膨脹性粘土含量較高，容易導(dǎo) 致鉆井過程中出現(xiàn)嚴重的井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，例如井筒縮徑、井壁垮塌、鉆井液漏失和儲層損害 等問題。因此，對層狀硬脆性泥頁巖水化特性進行評價具有重要的經(jīng)濟意義和社會意義。
[0003] 目前，對膨脹性巖石膨脹特性的評價方法通常是采用膨脹儀進行測試的方法，即 用粉碎機將巖芯破碎成粉末，再用一定目數(shù)的篩網(wǎng)進行過濾，將小于一定粒徑的巖粉用巖 芯壓實器壓制成人造巖芯，然后將人造巖芯放入膨脹儀中進行測試。由于巖芯被粉碎，破 壞了原始巖芯中存在的微裂縫，因此這種方法忽略了原始巖石中微裂縫遇水膨脹的情況， 無法真實還原巖石的膨脹狀態(tài)。尤其是海相沉積頁巖中存在筆石的微裂縫，其裂縫寬度極 小，肉眼難以觀測，但是這些微裂縫卻存在著嚴重遇水膨脹的情況。另外，在評價層狀硬脆 性泥頁巖水化特性的過程中，目前還沒有合理的評價裝置，從而導(dǎo)致評價結(jié)果不準確，誤差 較大，而且成本較高。因此，急需開發(fā)一種層狀硬脆性泥頁巖水化特性的評價方法和評價裝 置，以定量評價巖石的水化特性，同時也能夠真實有效的反映巖石的水化特性，更好的防止 井壁失穩(wěn)，阻止井下復(fù)雜情況的發(fā)生。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種層狀硬脆性泥頁巖水化特性的評 價方法，其按照先后順序包括以下步驟：
[0005] 步驟一：對巖石進行描述后取芯，制備巖芯樣品；
[0006] 步驟二：將巖芯樣品恢復(fù)至地層原位孔隙流體飽和狀態(tài)；
[0007] 步驟三：測試地層原位狀態(tài)條件下巖芯樣品的縱波波速和橫波波速，然后改變孔 隙流體性質(zhì)，并測試改變孔隙流體性質(zhì)后巖芯樣品的縱波波速和橫波波速；
[0008] 步驟四：根據(jù)不同孔隙流體性質(zhì)條件下巖芯樣品的縱波波速和橫波波速的變化情 況，評價層狀硬脆性泥頁巖的水化特性。
[0009] 優(yōu)選的是，所述步驟一中，巖石存在節(jié)理和層理。
[0010] 對巖石節(jié)理和層理的描述，在取芯工作開始前進行，即針對原始較大尺寸的巖石 進行描述，以便更好的觀測巖石節(jié)理和層理的存在形式。局部節(jié)理組數(shù)可根據(jù)下述情況進 行描述：大量隨機出現(xiàn)的節(jié)理、一組節(jié)理、一組節(jié)理+隨機節(jié)理、兩組節(jié)理、兩組節(jié)理+隨機 節(jié)理、三組節(jié)理、三組節(jié)理+隨機節(jié)理、四組甚至更多節(jié)理組、如同土壤一般的破碎巖石。局 部層理組數(shù)可根據(jù)上述情況進行描述。個別主要的節(jié)理或者層理，需要專門記錄和描述。根 據(jù)井下巖石的實地情況，記錄每組節(jié)理或者層理的傾向和傾角。
[0011] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述步驟一中，巖芯樣品的形狀為圓柱形，其長度為 直徑的2-3倍。
[0012] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述巖芯樣品的直徑至少為巖石中最大顆粒直徑的 20倍。
[0013] 圓柱形巖芯樣品的最優(yōu)選直徑為25mm。巖芯樣品的上、下端面應(yīng)保持平整，平整 度（波浪面的波峰與波谷之間的垂直距離）不大于0.01mm;巖芯樣品縱軸偏移軸向中心不 超過0.0 Olrad，或者偏移量在0. 05/500mm以內(nèi)；巖芯樣品的側(cè)面應(yīng)保持光滑筆直，直線度 (圓柱形的最大直徑與最小直徑之間的差值）不大于0. 3_。
[0014] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，在巖芯樣品的底部、中部、上部分別測量兩條相互垂 直的直徑，將測量結(jié)果取平均值，即為巖芯樣品的最終直徑。所述兩條相互垂直的直徑，其 二者的測量值相差不應(yīng)超過〇. 1mm。至少制備三塊巖芯樣品，進行三次評價試驗，以確保測 試結(jié)果和評價結(jié)果的準確性。
[0015] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述步驟二中，將巖芯樣品恢復(fù)至地層原位孔隙流 體飽和狀態(tài)的方法為，配制與地層原位狀態(tài)孔隙流體具有相同性質(zhì)的鹽溶液，將巖芯樣品 抽真空后浸泡于已配制好的鹽溶液中，對鹽溶液施加一定飽和壓力以飽和巖芯樣品。在評 價水化特性前，需要將巖芯樣品用與地層原位狀態(tài)流體具有相同活度的鹽溶液飽和，以恢 復(fù)到地層原位孔隙流體狀態(tài)，使測試結(jié)果能夠反映出地層的真實狀態(tài)。
[0016] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述鹽溶液為氯化鉀、氯化鈉、氯化鈣、硝酸鉀中的 任一種。
[0017] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，對鹽溶液施加的飽和壓力不大于地層原位狀態(tài)地應(yīng) 力。
[0018] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，對鹽溶液施加的飽和壓力為地層原位狀態(tài)地應(yīng)力的 0· 5 倍。
[0019] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述巖芯樣品抽真空的時間為6小時。
[0020] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述巖芯樣品飽和的時間為24小時。
[0021] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述步驟三中，地層原位狀態(tài)條件包括地層原位狀 態(tài)溫度、地層原位狀態(tài)圍壓、地層原位狀態(tài)孔隙壓力、地層原位狀態(tài)孔隙流體性質(zhì)。
[0022] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述孔隙流體性質(zhì)為孔隙流體活度。
[0023] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述步驟三中，利用層狀硬脆性泥頁巖水化特性的 評價裝置測試巖芯樣品的縱波波速和橫波波速。
[0024] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述層狀硬脆性泥頁巖水化特性的評價裝置包括高 溫高壓三軸伺服壓機系統(tǒng)、孔壓化學(xué)流體驅(qū)替系統(tǒng)和聲波測試系統(tǒng)。
[0025] 高溫高壓三軸伺服壓機系統(tǒng)主要用于夾持巖芯樣品，并對其施加圍壓和溫度，使 巖芯樣品恢復(fù)到地層原位狀態(tài)；聲波測試系統(tǒng)集成于高溫高壓三軸伺服壓機系統(tǒng)的上壓頭 和下壓頭上，用于測量縱波和橫波在巖芯樣品不同狀態(tài)下的傳播速度；孔壓化學(xué)流體驅(qū)替 系統(tǒng)能夠從孔壓化學(xué)流體驅(qū)替凈化裝置的一端將化學(xué)流體注入巖芯樣品中，并將巖芯樣品 飽和后與其另一端連通，使化學(xué)流體在一定孔隙壓力下在巖芯樣品中以一定流量循環(huán)。層 狀硬脆性泥頁巖水化特性的評價裝置綜合了上述三個系統(tǒng)的特點和優(yōu)勢，能夠?qū)r芯樣品 恢復(fù)到地層原位狀態(tài)（高溫高壓的三軸應(yīng)力狀態(tài)），并通過測量此時由化學(xué)流體注入飽和 的巖芯樣品的聲波時速特性來評價巖石的水化特性，為設(shè)計層狀硬脆性泥頁巖水化特性的 評價方法提供了裝置基礎(chǔ)。
[0026] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述高溫高壓三軸伺服壓機系統(tǒng)與孔壓化學(xué)流體驅(qū) 替系統(tǒng)和聲波測試系統(tǒng)相連。
[0027] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述高溫高壓三軸伺服壓機系統(tǒng)包括軸向加載裝 置、加載框架、三軸壓力室、上壓頭、下壓頭、圍壓增壓器和圍壓筒。
[0028] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述加載框架的底部設(shè)置底座，所述圍壓筒置于所 述底座的上方，所述圍壓筒的下端設(shè)置密封底座，所述下壓頭置于所述密封底座的上方，所 述上壓頭置于所述軸向加載裝置的下方。密封底座對圍壓筒起到密封的作用。
[0029] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述軸向加載裝置的下端置于所述三軸壓力室內(nèi)。
[0030] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述圍壓增壓器通過圍壓油管線與所述圍壓筒相 連。
[0031] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，將巖芯樣品置于上壓頭與下壓頭之間。
[0032] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述孔壓化學(xué)流體驅(qū)替系統(tǒng)包括孔壓化學(xué)流體驅(qū)替 凈化裝置、孔隙流體管線I和孔隙流體管線II。
[0033] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述孔隙流體管線I的一端與巖芯樣品的上端相 連，另一端與所述孔壓化學(xué)流體驅(qū)替凈化裝置的一端相連。
[0034] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述孔隙流體管線II的一端與巖芯樣品的下端相 連，另一端與所述孔壓化學(xué)流體驅(qū)替凈化裝置的另一端相連。
[0035] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述聲波測試系統(tǒng)包括聲波探頭I和聲波探頭II。
[0036] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述聲波探頭I與上壓頭相連，所述聲波探頭II與 下壓頭相連。聲波探頭I和聲波探頭II與上壓頭和下壓頭可通過焊接的方式相連。
[0037] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，利用層狀硬脆性泥頁巖水化特性的評價裝置測試巖 芯樣品的縱波波速和橫波波速，按照先后順序包括以下步驟：
[0038] (1)將恢復(fù)至地層原位孔隙流體飽和狀態(tài)的巖芯樣品放置于上壓頭與下壓頭之 間?？砂凑粘Ｓ玫牟僮饕?guī)程放置巖芯樣品。
[0039] (2)通過圍壓增壓器向圍壓筒內(nèi)注入圍壓油，施加的圍壓與地層原位狀態(tài)地應(yīng)力 相同。圍壓油可選用硅油。
[0040] (3)將巖芯樣品和圍壓油升溫至地層原位狀態(tài)溫度。
[0041] (4)將軸向加載裝置向下壓，壓到與上壓頭預(yù)接觸的狀態(tài)。這里的預(yù)接觸的狀態(tài)可 解釋為，軸向加載裝置對上壓頭所施加的軸壓不大于巖石單軸抗拉強度的1/10。更為優(yōu)選 的軸壓為I. 0-3. OMPa。
[0042] (5)開啟聲波測試系統(tǒng)，測試地層原位狀態(tài)條件下巖芯樣品的縱波波速Vptl和橫波 波速V sq。
[0043] (6)通過孔壓化學(xué)流體驅(qū)替系統(tǒng)將不同性質(zhì)的孔隙流體注入巖芯樣品中，并驅(qū)替 之前注入的地層原位狀態(tài)孔隙流體，施加的孔隙壓力與地層原位狀態(tài)孔隙壓力相同?？紫?流體完全注入巖芯樣品的標準為，伺服控制時，保持孔隙壓力不變的情況下，孔壓活塞的位 移不隨時間改變而變化。
[0044] (7)開啟聲波測試系統(tǒng)，測試改變孔隙流體性質(zhì)后巖芯樣品的縱波波速Vpi和橫波 波速Vsi。
[0045] (8)更換巖芯樣品，重復(fù)步驟（1)至步驟（7)，至少重復(fù)進行兩次試驗。對相同位置 的巖芯樣品在每種孔隙流體飽和的水化試驗進行三次，以確保試驗的可重復(fù)性和準確性。
[0046] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述不同性質(zhì)的孔隙流體為氯化鉀、氯化鈉、氯化 鈣、硝酸鉀中的任一種。
[0047] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述步驟四中，將測試結(jié)果