巖石壓力敏感裂縫的模擬方法與模型系統(tǒng)及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及多孔介質(zhì)滲流現(xiàn)象研究領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種巖石壓力敏感裂縫的模擬 方法與模型系統(tǒng)及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 世界上低滲透基質(zhì)類油藏(包括低滲油藏、特低滲油藏、超低滲油藏、致密油藏等） 在新發(fā)現(xiàn)油藏儲(chǔ)量中所占的比例已達(dá)60% W上，而運(yùn)些油藏主要依靠裂縫提供產(chǎn)能。研究 發(fā)現(xiàn)，低滲裂縫性油藏具有強(qiáng)壓力敏感特征，即開發(fā)過(guò)程中油藏內(nèi)流體壓力的變化會(huì)造成 基質(zhì)巖塊的脹縮和剪切變形，從而使基質(zhì)巖塊之間裂縫的開度發(fā)生變化，甚至使開啟的裂 縫閉合，或者使油藏原始狀態(tài)下閉合的"隱"裂縫開啟，裂縫滲透率隨著滲流場(chǎng)的變化而變 化，并對(duì)油藏開發(fā)過(guò)程產(chǎn)生顯著影響。因此，裂縫的壓力敏感性研究對(duì)低滲透類油藏開發(fā)具 有非常重要的意義。
[0003] 物理實(shí)驗(yàn)是油藏壓力敏感研究的基礎(chǔ)。現(xiàn)階段，人們對(duì)裂縫壓力敏感即油藏介質(zhì) 變形的實(shí)驗(yàn)研究均采用天然巖屯、或與實(shí)際油藏巖石接近的巖石露頭。但是此方法需要設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)壓力等于實(shí)際油氣藏壓力（一般達(dá)幾百個(gè)大氣壓），因此對(duì)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)要求條件極高，不 僅實(shí)施難度高并且容易出現(xiàn)安全事故。同時(shí)，由于實(shí)際油氣藏巖石的變形非常微小，所W很 難直接觀測(cè)到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，無(wú)法獲得較為直觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和認(rèn)識(shí)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供一種巖石壓力敏感裂縫的模擬方法與模型系統(tǒng)及應(yīng)用，用來(lái)克服現(xiàn)有 模擬方法實(shí)施難度高、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象難W直接觀測(cè)的缺陷。
[0005] 本發(fā)明提供一種巖石壓力敏感裂縫的模擬方法，使用設(shè)置有介質(zhì)模型的模型系 統(tǒng)：
[0006] 所述介質(zhì)模型至少具有一條裂縫；
[0007] 選擇所述介質(zhì)模型的材料使其楊氏模量Em、體積模量Bm和剪切模量Gm分別滿足下 述式1~3，
[000引 式1
[0009] 式.藝
[0010] 式 3
[OOW 其中，Er為巖石的楊氏模量，Br為巖石的體積模量，Gr為巖石的剪切模量，A Pr為巖 石孔隙內(nèi)壓力的最大變化值，dr為巖石中的裂縫間距，APm為介質(zhì)模型孔隙內(nèi)壓力的最大變 化值，dm為介質(zhì)模型中的裂縫間距。
[0012]本發(fā)明的模擬方法可W通過(guò)一包括介質(zhì)模型的模型系統(tǒng)實(shí)施，并且該介質(zhì)模型至 少具有一條裂縫。本發(fā)明的模擬方法主要解決的問(wèn)題是如何放大巖石裂縫的可變形性，從 而通過(guò)觀察介質(zhì)模型中裂縫的變化而對(duì)實(shí)際巖石裂縫在受到流體壓力作用后發(fā)生變化的 情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。經(jīng)過(guò)發(fā)明人的大量研究，當(dāng)對(duì)介質(zhì)模型的多孔材料進(jìn)行限定，使材料具有可 滲透性的同時(shí)還滿足介質(zhì)模型材料的彈性模量小于巖石的彈性模量，便能夠通過(guò)介質(zhì)模型 對(duì)巖石進(jìn)行有效模擬，因此介質(zhì)模型材料的楊氏模量Em、體積模量Bm和剪切模量Gm需要分別 滿足式1~3,滿足該比例關(guān)系式的介質(zhì)模型材料不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)巖石裂縫在受到流體壓力 作用后的開合狀態(tài)變化的客觀模擬，還能夠放大巖石裂縫的變形特征，從而減小測(cè)試結(jié)果 的相對(duì)誤差，并且由于介質(zhì)模型的彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于巖石的彈性模量，因此在模擬實(shí)驗(yàn)中 無(wú)需對(duì)介質(zhì)模型裂縫的施W過(guò)大壓力便可實(shí)現(xiàn)裂縫的形變需求，明顯降低了實(shí)驗(yàn)條件，提 高了模擬實(shí)驗(yàn)的可實(shí)施度。
[0013] 進(jìn)一步地，上述模擬方法還包括:在輸入壓力Pi下，將流體W流速Q(mào)輸入所述介質(zhì) 模型中至所述介質(zhì)模型飽和；當(dāng)所述介質(zhì)模型中流體飽和后，在采出壓力P2下，將所述流體 W流速Q(mào)從所述介質(zhì)模型中采出，根據(jù)式4得到所述裂縫的滲透率kf，
[0014]
試 4
[0015] 其中，所述介質(zhì)模型的寬度為d，高度為h，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，ko為所述介質(zhì)模型材料的滲透 率，D;Q為流速，ml/s;y為流體粘度，mPa ? s;A = h ? d，cm2,；
[0016] 具體的，在輸入壓力Pi下，向滿足上述關(guān)系式I~3的介質(zhì)模型W流速Q(mào)注入流體， 由于介質(zhì)模型具有一定體積，因此當(dāng)流體充滿介質(zhì)模型后，再W采出壓力P2將介質(zhì)模型中 的流體W同樣的流速Q(mào)采出，通過(guò)式4便可計(jì)算出介質(zhì)模型裂縫在具體壓力條件下的滲透 率，從而為巖石裂縫的壓力敏感度的研究提供有力的支持。其中，介質(zhì)模型孔隙內(nèi)壓力就是 模型內(nèi)流體的壓力。
[0017] 本發(fā)明并不限制裂縫的具體數(shù)目W及方向，如果介質(zhì)模型中具有多條無(wú)規(guī)則方向 的裂縫，通過(guò)本發(fā)明得到的裂縫滲透率則是在該壓力條件下，集合多條裂縫的介質(zhì)模型在 多裂縫作用下的總的裂縫滲透率。
[0018] 本發(fā)明的模擬方法通過(guò)對(duì)介質(zhì)模型材料進(jìn)行限定，能夠在較小壓差的條件下，實(shí) 現(xiàn)裂縫變形特征的放大，不僅能夠通過(guò)肉眼直觀觀測(cè)到裂縫的形變過(guò)程，而且能夠使測(cè)量 結(jié)果的相對(duì)誤差減小，進(jìn)一步提高對(duì)巖石裂縫的模擬準(zhǔn)確度。因此，本發(fā)明通過(guò)建立介質(zhì)模 型材料的選取準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)了對(duì)巖石裂縫壓力敏感性的現(xiàn)象的直觀觀察W及定量測(cè)試，為裂 縫性油藏介質(zhì)壓力敏感研究提供了參考基礎(chǔ)，該模擬方法不僅能夠用于油氣田的開發(fā)研 究，還適用于其他與滲流現(xiàn)象有關(guān)的研究領(lǐng)域，例如煤礦瓦斯排采研究、水利工程研究等。
[0019] 進(jìn)一步地，所述介質(zhì)模型的材料為強(qiáng)可壓縮易變形的多孔介質(zhì)材料。由于本發(fā)明 的介質(zhì)模型代替實(shí)際巖石，為了放大裂縫的形變特征，因此介質(zhì)模型的材料需要具有強(qiáng)可 壓性和易變形，從而能夠克服巖石壓縮性小、變形不明顯的特點(diǎn)。并且介質(zhì)模型材料的多孔 性能夠滿足流體在介質(zhì)材料中具有一定的滲透性。
[0020] 進(jìn)一步地，所述介質(zhì)模型的材料為苯乙締泡沫板。苯乙締泡沫板又稱為EPS泡沫 板，是一種強(qiáng)可壓縮易變形的多孔介質(zhì)材料，其不僅滿足式1~3并且可W通過(guò)改變其密度 得到不同壓縮性的EPS泡沫板。其中，苯乙締泡沫板的主要物理參數(shù)見(jiàn)下表1。
[0022]
[0021] 表1苯乙締泡沫板的主要物理參數(shù)
[0023]
[0024] 進(jìn)一步地，所述流體選自水、油和空氣中的一種。
[0025] 進(jìn)一步地，所述模型系統(tǒng)還包括一能夠容置所述介質(zhì)模型的外殼，所述外殼的寬 度與所述介質(zhì)模型的寬度匹配，所述外殼的高度與所述介質(zhì)模型的高度匹配，所述外殼的 長(zhǎng)度大于所述介質(zhì)模型的長(zhǎng)度，所述外殼設(shè)有入口和出口；沿所述殼體的長(zhǎng)度方向，所述入 口和出口分別在所述介質(zhì)模型的兩側(cè)。
[0026] 為了使外殼的寬度和高度分別與介質(zhì)模型的寬度和高度相匹配，外殼的內(nèi)部寬度 應(yīng)該等于介質(zhì)模型的寬度，外殼的內(nèi)部高度應(yīng)該等于介質(zhì)模型的高度，從而使容納在外殼 中的介質(zhì)模型在寬度和高度方向的共四個(gè)面分別與外殼對(duì)應(yīng)的四個(gè)面無(wú)縫貼合，而外殼的 長(zhǎng)度可W比介質(zhì)模型的長(zhǎng)度大5cm~10cm。作為優(yōu)化選擇，可W將介質(zhì)模型置于外殼的中 部，從而使介質(zhì)模型在長(zhǎng)度方向上的兩側(cè)與外殼的距離相同，有助于流體的穩(wěn)定流動(dòng)。
[0027] 為了便于流體的采出和輸入，可W沿所述殼體的長(zhǎng)度方向，在介質(zhì)模型的兩側(cè)分 別設(shè)置一孔，其中一個(gè)為入口，另外一個(gè)為出口，除了出入口外，外殼上無(wú)其它孔實(shí)現(xiàn)介質(zhì) 模型與外界的連接。優(yōu)選的，可W將入口和出口設(shè)置在同一水平面線上，當(dāng)入口和出口在同 一水平面上時(shí)，外殼內(nèi)部不會(huì)因?yàn)槌鋈肟诘母叨炔钍菇橘|(zhì)模型內(nèi)部的流體產(chǎn)生壓力差，從 而保證流體流動(dòng)的穩(wěn)定性和測(cè)試的精確性。具體實(shí)施模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將流體注入模型系統(tǒng) 內(nèi)使之飽和介質(zhì)模型，然后在輸入壓力Pi、采出壓力P2下，將流體W穩(wěn)定流速Q(mào)通過(guò)所述入口 輸入至所述介質(zhì)模型中，并從出口采出，此時(shí)的流體流速Q(mào)由注入壓力和采出壓力決定。可 W想到的是，當(dāng)介質(zhì)模型外部具有一外殼時(shí)，能夠簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)操作，并且為了便于觀察介質(zhì)模 型的形變，可W選用透明有機(jī)玻璃作為外殼的材料。
[0028] 本發(fā)明還提供一種用于實(shí)現(xiàn)上述任一項(xiàng)所述模擬方法的模型系統(tǒng)，包括：
[0029] 介質(zhì)模型，所述介質(zhì)模型上具有至少一條裂縫；
[0030] 外殼，所述外殼能夠容置所述介質(zhì)模型，所述外殼的寬度與所述介質(zhì)模型的寬度d 匹配，所述外殼的高度與所述介質(zhì)模型的高度h匹配，所述外殼的長(zhǎng)度大于所述介質(zhì)模型的 長(zhǎng)度L，所述外殼設(shè)有入口和出口；沿所述介質(zhì)模型的長(zhǎng)度方向，所述入口和出口分別在所 述介質(zhì)模型的兩側(cè)。
[0031] 同樣的，該介質(zhì)模型的材料選擇應(yīng)該滿足上述關(guān)系式1~3,并且介質(zhì)模型的材料 為強(qiáng)可壓縮易變形的多孔介質(zhì)材料，優(yōu)選為聚苯乙締泡沫板。當(dāng)介質(zhì)模型的尺寸確定后，可 W選用透明有機(jī)玻璃制作外殼，外殼的內(nèi)部寬度應(yīng)該等于介質(zhì)模型的寬度，外殼的內(nèi)部高 度應(yīng)該等于介質(zhì)模型的高度，而外殼的長(zhǎng)度可W比介質(zhì)模型的長(zhǎng)度大5cm~10cm。
[0032] 作為優(yōu)選的，可W將介質(zhì)模型置于外殼的中部，從而使介質(zhì)模型在長(zhǎng)度方向上的 兩側(cè)與外殼的距離相同，由于外殼的長(zhǎng)度大于介質(zhì)模型的長(zhǎng)度，所W在長(zhǎng)度方向上介質(zhì)模 型的兩側(cè)與外殼的兩側(cè)分別具有一定的空間，也就是說(shuō)，當(dāng)流體由入口進(jìn)入殼體時(shí)，并未直 接進(jìn)入介質(zhì)模型，而是充滿一側(cè)空間后再進(jìn)入介質(zhì)模型，同樣的，當(dāng)流體穿過(guò)多孔介質(zhì)模型 后，也是先浸滿另一側(cè)空間后才由出口采出，因此該外殼尺寸與介質(zhì)模型的尺寸關(guān)系對(duì)流 體在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中起到了緩沖的作用，進(jìn)一步加強(qiáng)了整個(gè)實(shí)驗(yàn)體系的穩(wěn)定性。同時(shí)為了 進(jìn)一步保證流體流動(dòng)的穩(wěn)定性和測(cè)試精確度，可W將出入口設(shè)置在同一水平線上。
[0033] 本發(fā)明提供的巖石壓力敏感裂縫的模型系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，通過(guò)對(duì)介質(zhì)模型材料的限 審IJ，使介質(zhì)模型能夠在客觀模擬巖石的同時(shí)，放大巖石裂縫的變形特征，減小測(cè)量結(jié)果的相 對(duì)誤差，使裂縫的壓力敏感參數(shù)的測(cè)量更加客觀準(zhǔn)確，并且本發(fā)明的模型系統(tǒng)能夠使實(shí)驗(yàn) 者通過(guò)肉眼觀測(cè)到裂縫的形變過(guò)程，因此對(duì)裂縫的壓力敏感性研究具有顯著的科研價(jià)值。
[0034] 進(jìn)一步地，所述介質(zhì)模型中，30cm < d < 100cm;30cm < L < 100cm;5.0cm < h < 10cm。
[0035] 進(jìn)一步地，還包括注液管和采液管，所述注液管的出口與所述入口連接，所述采液 管的入口與所述出口連