CN105756674A - 模拟地层条件的裂缝—基质耦合流动损害评价装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了模拟地层条件的裂缝—基质耦合流动损害评价装置与方法，该装置主要由釜体4、岩心1、裂缝6、模拟井眼7、增压胶囊3、电阻探头16、压力传感器18、数据采集***17、工作液循环***组成，釜体4内装有岩心1，岩心周围包裹增压胶囊3，釜体有轴压注入口、围压注入口以及进气口，岩心中有裂缝6和模拟井眼7，并分布9个深入岩心的钻孔，钻孔内有电阻探头16，电阻探头连接压力传感器18，电阻探头与压力传感器连接数据采集***17，模拟井眼7连接工作液循环***。用上述装置模拟裂缝—基质***的井周二次应力条件以及地层径向流动，以确定裂缝—基质***损害程度。本发明原理可靠，操作方便，可做出更为科学、准确的定量化储层损害评价。

Description

模拟地层条件的裂缝—基质耦合流动损害评价装置与方法

技术领域

本发明涉及低渗致密砂岩及页岩储层损害评价技术领域，尤其涉及一种模拟地层条件的裂缝—基质耦合流动损害评价装置与方法。

背景技术

致密砂岩及页岩具有低孔、低渗以及黏土矿物含量高的特点，其孔隙结构复杂、孔道极其微小，裂缝发育不完善。致密砂岩及页岩气藏通常需要使用压裂技术来沟通天然缝、形成人工缝，以达到增产或投产的目的。然而压裂液进入裂缝-基质***会对储层产生工作液损害，且裂缝由于受井周二次应力的作用容易受到流固耦合损害。因此，科学合理的对裂缝—基质***进行储层损害实验评价，有助于认识致密砂岩及页岩气藏裂缝—基质***在实际工况下的损害机理以及更为科学、准确的评估钻完井及增产改造过程对单井产能造成的影响。

储层损害的室内评价方法主要包括：岩心流动实验的方法(焦春艳等.超低渗透砂岩储层应力敏感性实验.石油学报，2011年03期；吴亚红等.低渗储层敏感性实验方法及评价研究.钻采工艺，2009年05期)，岩心分析技术(李建.浅析岩心分析技术及应用前景展望.科技与企业，2012年02期；李太伟等.压裂液对储层伤害的核磁共振技术评价方法.重庆科技学院学报:自然科学版，2014年06期)，数值模拟的方法(杨玉贵等.水平井钻井完井液侵入损害数值模拟研究进展.工作液与完井液，2009年06期；王珂等.裂缝性储层应力敏感性数值模拟——以库车坳陷克深气田为例.石油学报，2014年01期)。然而岩心流动实验及岩心分析技术局限于岩心损害的机理性定性分析，数值模拟的方法则缺乏更为合理的模拟装置对其进行验证。现阶段已基本认清了储层损害的主要机理，因此对于储层损害评价应该从定性走向定量化的阶段，也应该开发出一套更为科学、定量化的评价方法。

专利CN104677805A公开的一种岩心损害实验装置包括岩心夹持器以及污染釜两部分，将岩心污染过程和渗流测试一体化且全过程保持岩心的模拟径向压差，避免了人为因素导致的实验误差。

专利CN104122181A公开的一种入井液对储层渗透率损害评价装置利用两个岩心夹持器分别施加两个轴向力以及三个轴向力，来模拟不同的井下环境、温度、压力和真空度等条件，振荡器发出的波形穿过受污染的岩心后波形发生变化以计算渗透率损害程度。

专利CN102174883A公开的一种清水压裂自支撑裂缝导流能力测试方法，岩心夹持***对裂缝壁面两侧施加围压和温度以模拟地层裂缝受闭合应力以及温度等条件，测试了裂缝发生损害前后导流能力变化。

上述模拟装置局限于单独对基质或者裂缝进行损害模拟，然而要对储层损害作出科学、准确的评价应该对裂缝—基质***进行损害评价，目前现有技术无法真实模拟裂缝—基质***受到的井周二次应力以及地层的径向流动，因此对实际工程运用不具有太大的参考价值。

发明内容

本发明的目的在于提供模拟地层条件的裂缝—基质耦合流动损害评价装置，用于模拟真实地层裂缝—基质***所受到的井周二次应力条件以及地层径向流动，可以记录裂缝—基质***损害前后含水饱和度、压力及气体流量变化，以确定裂缝—基质***损害程度，弥补了现有储层损害评价装置的不足。

本发明的另一个目的还在于提供利用上述装置对裂缝—基质耦合流动损害进行评价的方法，包括裂缝—基质***实施储层损害以及对损害前后的裂缝—基质***进行气体流量及含水饱和度评价的方法，该方法原理可靠，操作方便，成本低，在实际应用中能够对地层裂缝—基质***做出更为科学、准确的定量化储层损害评价。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

本发明通过模拟装置模拟裂缝—基质***的耦合流动损害过程，提出损害后裂缝—基质***损害程度的定量化指标，对损害作出更为科学、定量化的评价，全过程通过数据采集***可以测量电阻、压力及气体流量等参数的变化情况，整个模拟损害过程更加直观、清晰，其实验结果及数据真实有效。

模拟地层条件的裂缝—基质耦合流动损害评价装置，主要由岩心与釜体***、应力加载***、传感与监测***、工作液循环***、流量测量***几部分组成，具体包括岩心、滤网、模拟井眼、裂缝、橡胶垫、轴压增压密封胶囊、围压增压密封胶囊、电动液压泵、压力传感器、电阻探头、水箱、阀门、压力表、计量泵、气液分离器、气体流量计、气瓶、数据采集***、减压阀、背压阀。

所述岩心轴向以及周向都包裹着增压密封胶囊，与岩心直接接触的周向还包裹有一层滤网，密封胶囊可随岩心自由形变随进保持压力作用在岩样上，密封胶囊外层为用于夹持岩心的釜体，岩心釜体采用法兰与螺栓连接结构，处于密封状态，岩心釜体外有压力注入口以及进气口，压力注入口连接电动液压泵，进气口连接气瓶；岩心中央有井眼，所述井眼是在岩心上、下部端盖中央钻一条等径竖直孔，孔深贯穿整个岩心，在岩心上部端盖以井眼为中心，分布9个深入岩心的钻孔，每个钻孔与井眼中心的径向距离按照对数分布，钻孔在同一水平面上的连线成漩涡状，每个钻孔深度等距离递减，钻孔内可下放电阻探头，探头连接压力传感器；井眼连接有工作液循环***和气体流量计；所述岩心裂缝内放置一层橡胶垫；所述工作液循环***由水箱、阀门、计量泵、流量表、气液分离器和背压阀组成，所述背压阀连接井口；所述气体流量计连接气液分离器。

岩心周围包裹增压密封胶囊是为了给岩心施加轴压以及围压，电动液压泵往密封胶囊内部注入液体给岩石施加压力，以模拟地层真实条件下的井周二次应力；岩心周向包裹一层滤网，使得从釜体进气口流入的气体能够从基质外边界流入基质；所述裂缝内放置一层橡胶垫，橡胶垫在轴向压力作用下变形能将裂缝封堵，从而能够单独对基质损害进行评价；岩心釜体处于密封状态，用以准确测量气体流量；釜体进气口连接的气瓶可以往基质以及裂缝内注气，气体从井眼内流出循环至井口；打9个深入岩心的钻孔并且与井眼中心的径向距离按照对数分布，是因为从井眼到外边界的压力下降呈对数式分布，因此电阻探头及压力传感器在靠近井眼周边更为密集，靠近外边界更为稀疏，使得探测出电阻、压力数据的记录更为合理；电阻探头及压力传感器下放深度等距离递减是为了观察数据在垂向上的变化情况；循环***中的水箱通过计量泵往井眼中注入一定量的工作液，工作液从井底注入从再井口循环出去，是因为真实的井眼内工作液从钻柱内流出先接触井底再循环至井口；背压阀可用于给工作液施加回压；背压阀连接有气液分离器，工作液流进气液分离器将气液分离，与气液分离器相连的气体流量计将记录随着岩心损害过程，地层模拟径向流的气体流量变化情况，气液分离器分离出的液体将流回水箱内。

利用上述装置对裂缝—基质耦合流动损害进行评价的方法，依次包括以下步骤：

(1)打开轴压注入口和围压注入口，将轴压以及围压调节到预设值，使用气瓶持续往釜体的进气口注气，模拟产气过程，通过气体流量计观测到气体流量稳定后，通过数据采集***记录裂缝—基质***发生损害之前岩心的压力、电阻以及流量数据；

(2)保持轴压以及围压不变，在岩心裂缝内放置橡胶垫，继续向釜体内注气，让气体从基质边界流入，记录岩心基质发生损害前的压力、电阻以及流量数据；将橡胶垫取出，去除岩心周围包裹的滤网，让气体从裂缝内流入，记录岩心裂缝发生损害前的流量数据；

(3)保持轴压以及围压不变，将岩心周围包裹滤网，继续向釜体内注气，气体同时从基质以及裂缝流出至井眼，开启工作液循环***；工作液从井底循环至井口时，对裂缝—基质***造成耦合流动损害，使岩心内的含水饱和度不断增大，渗透率逐渐降低，当气体流量趋于稳定时，说明耦合流动损害已经达到最大，损害过程全程均使用数据采集***采集岩心内的压力、电阻数据，气体流量计记录从气液分离器分离出的气体流量；

(4)保持轴压以及围压不变，继续开启工作液循环***；按照步骤(2)的操作测量岩心基质的流量、压力和电阻数据，并测量裂缝的流量数据；

(5)保持轴压以及围压不变，关闭工作液循环***，将工作液排出；测量裂缝—基质***发生损害之后的压力、电阻以及流量数据；保持轴压以及围压不变，按照步骤(2)的操作测量岩心基质的流量、压力和电阻数据，并测量裂缝的流量数据；

(6)改变轴压、围压以及工作液循环压力，重复(1)～(5)，可观察不同实验条件下的实验结果，并对实验结果进行分析对比。

本发明通过数据采集***以及气体流量计记录裂缝—基质***的压力、电阻率以及气体流量的数据变化，由于模拟了岩心真实的井周二次应力以及径向流动，通过数据对比可直观地对地层条件下裂缝—基质***作出耦合流动损害评价。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明所述的模拟地层条件的裂缝—基质耦合流动损害评价装置，能够模拟真实地层井周二次应力、真实工作液循环过程以及地层径向流动下的裂缝—基质***工作液损害；

(2)本发明所述的裂缝—基质耦合流动损害评价装置，通过裂缝内的橡胶垫以及岩心周围包裹的滤网可以实现分别对裂缝以及基质进行工作液损害评价，还可以通过数据对比二者气体流量的大小，即二者占裂缝—基质***气体流量的比重差异；

(3)本发明使用电阻探头连接压力传感器可以测量岩心内部的电阻以及压力数据，真实反映岩心损害过程孔隙内的流体流动状态；将电阻探头及传感器进行漩涡状分布，能够更加合理地记录下耦合流动损害过程裂缝—基质***的压力、电阻率数据，为科学合理的评价工作奠定了数据基础；

(4)本发明模拟装置结构简单，原理可靠，操作方便，整个模拟损害过程直观、清晰。损害过程提出压力、电阻率以及流量三个参数作为评价指标，为地层裂缝—基质***耦合流动损害做出更为科学、准确的定量化评价。

附图说明

图1是模拟地层条件的裂缝—基质耦合流动损害评价装置的总体结构图。

图2是深入岩心中的钻孔分布俯视图(内圆为井壁，外圆为岩心外边界)。

图中：1.岩心；2.滤网；3.增压胶囊；4.釜体；5.橡胶垫；6.裂缝；7.模拟井眼；8.空腔；9.阀门；10.液压表；11.计量泵；12.流量表；13.水箱；14-A.电动液压缸一；14-B.电动液压缸二；15-A.电动液压泵一；15-B.电动液压泵二；16.电阻探头；17.数据采集***；18.压力传感器；19.背压阀；20.气液分离器；21.气体流量计；22.减压阀；23.气瓶。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

参看图1、图2。

模拟地层条件的裂缝—基质耦合流动损害评价装置，由釜体4、岩心1、裂缝6、模拟井眼7、增压胶囊3、电动液压缸一14-A、电动液压缸二14-B、电动液压泵一15-A、电动液压泵二15-B、气瓶23、电阻探头16、压力传感器18、数据采集***17、工作液循环***组成。

所述釜体4内装有岩心1，岩心1周围包裹增压胶囊3，增压胶囊3和釜体4间存在空腔8，釜体上有轴压注入口、围压注入口以及进气口，轴压注入口连接电动液压缸二14-B和电动液压泵二15-B，围压注入口连接电动液压缸一14-A和电动液压泵一15-A，进气口通过减压阀22连接气瓶23。

所述岩心中有裂缝6，岩心轴向中心有模拟井眼7，所述模拟井眼7是在岩心中央钻一条等径竖直孔，孔深贯穿整个岩心，在岩心上部端盖以井眼7为中心，分布9个深入岩心的钻孔，钻孔内有电阻探头16，电阻探头连接压力传感器18，电阻探头与压力传感器均连接数据采集***17。

所述模拟井眼7连接工作液循环***，所述工作液循环***包括阀门9、液压表10、计量泵11、流量表12、水箱13、背压阀19、气液分离器20，井眼7下端依次连接阀门9、液压表10、计量泵11、流量表12和水箱13，井眼7上端通过背压阀19连接气液分离器20，气液分离器20连接水箱13，气液分离器20还连有气体流量计21。

所述在岩心上部端盖以井眼7为中心，分布9个深入岩心的钻孔，所述钻孔在同一水平面上的连线成漩涡状(图2)，每个钻孔与井眼中心的径向距离按照对数分布，每个钻孔深度等距离递减。

所述岩心周向外边界裹一层可拆除的滤网2，滤网拆除则气体直接从裂缝6内流进井眼7，可以用来单独对裂缝损害进行评价。

所述岩心裂缝6内放置一层可拆除的橡胶垫5，橡胶垫受轴向压力作用发生形变可完全封堵住裂缝，裂缝堵住则气体只从基质孔隙流入模拟井眼7，可用来单独对基质损害进行评价。

拆除裂缝6内橡胶垫5，且岩心周向外边界裹上滤网2，则气体从裂缝—基质双重介质流入井眼7，用来对裂缝—基质***进行耦合流动损害评价。

模拟未损害时的产气过程:将轴压以及围压调节到预设值，使用气瓶23持续往釜体4的进气口注气，气体流经基质以及裂缝6进入井眼7然后从井口流出，通过气体流量计21观测到气体流量稳定后，通过数据采集***17记录此时岩心的压力、电阻数据，通过气体流量计21记录此时气体流量作为裂缝—基质***发生损害之前产气量。

单独测量裂缝或者基质的数据：保持轴压以及围压不变，使用橡胶垫5将裂缝空间6堵住，让气体从基质周向外边界流入，记录岩心基质的压力以及流量数据；将橡胶垫5取出，去除岩心周围包裹的滤网2，让气体从裂缝6内流入，记录裂缝的流量数据。

模拟裂缝—基质***耦合流动损害过程：保持轴压以及围压不变，将裂缝内的橡胶垫5取出，岩心周围包裹滤网2，使用气瓶23连续往釜体内注气。开启工作液循环***将水箱13内的工作液泵入井眼7内，开启背压阀19给工作液施加回压；工作液从井底循环至井口的同时，会不断侵入裂缝—基质***对其造成耦合流动损害，导致***岩心1内的电阻探头16探测的电阻率不断降低，同时电阻探头连接的压力传感器18可探测相应部位孔隙的压力数据；随着损害的进行，气体流量计21记录的气体流量逐渐降低，当流量趋于稳定时，说明耦合流动损害已经达到最大；损害全程使用数据采集***17采集岩心内的压力、电阻数据，气体流量计21记录从气液分离器分离出的气体流量数据。

单独测量工作液循环时裂缝或者基质的数据：保持轴压以及围压不变，气瓶连续通气，工作液循环***正常运行；使用橡胶垫5将裂缝空间6堵住，让气体从基质周向外边界流入井眼7，使用数据采集***17以及气体流量计21记录岩心基质的压力、电阻以及流量数据；将橡胶垫5取出，去除岩心周围包裹的滤网2，让气体从裂缝6内流入，通过气体流量计21记录裂缝的流量数据。

测量无工作液循环时的裂缝—基质数据：保持轴压以及围压不变，关闭工作液循环***，将工作液排出，重复第一个步骤可测量裂缝—基质***发生损害之后的压力、电阻以及流量数据，重复第二个步骤可分别对裂缝以及基质进行测量。

Claims (5)

1.模拟地层条件的裂缝—基质耦合流动损害评价装置，由釜体(4)、岩心(1)、裂缝(6)、模拟井眼(7)、增压胶囊(3)、电动液压缸一(14-A)、电动液压缸二(14-B)、电动液压泵一(15-A)、电动液压泵二(15-B)、气瓶(23)、电阻探头(16)、压力传感器(18)、数据采集***(17)、工作液循环***组成，其特征在于，所述釜体(4)内装有岩心(1)，岩心周围包裹增压胶囊(3)，增压胶囊和釜体间存在空腔(8)，釜体上有轴压注入口、围压注入口以及进气口，轴压注入口连接电动液压缸二(14-B)和电动液压泵二(15-B)，围压注入口连接电动液压缸一(14-A)和电动液压泵一(15-A)，进气口通过减压阀(22)连接气瓶(23)；所述岩心中有裂缝(6)，岩心轴向中心有模拟井眼(7)，所述模拟井眼(7)是在岩心中央钻一条等径竖直孔，孔深贯穿整个岩心，在岩心上部端盖以井眼为中心，分布9个深入岩心的钻孔，钻孔内有电阻探头(16)，电阻探头连接压力传感器(18)，电阻探头与压力传感器均连接数据采集***(17)；所述模拟井眼(7)连接工作液循环***，所述工作液循环***包括阀门(9)、液压表(10)、计量泵(11)、流量表(12)、水箱(13)、背压阀(19)、气液分离器(20)，井眼下端依次连接阀门(9)、液压表(10)、计量泵(11)、流量表(12)和水箱(13)，井眼上端通过背压阀(19)连接气液分离器(20)，气液分离器连接水箱，气液分离器还连有气体流量计(21)。

2.如权利要求1所述的模拟地层条件的裂缝—基质耦合流动损害评价装置，其特征在于，所述在岩心上部端盖以井眼(7)为中心，分布9个深入岩心的钻孔，所述钻孔在同一水平面上的连线成漩涡状，每个钻孔与井眼中心的径向距离按照对数分布，每个钻孔深度等距离递减。

3.如权利要求1所述的模拟地层条件的裂缝—基质耦合流动损害评价装置，其特征在于，所述岩心周向外边界裹一层可拆除的滤网(2)，滤网拆除则气体直接从裂缝(6)内流进模拟井眼(7)，用来单独对裂缝损害进行评价。

4.如权利要求1所述的模拟地层条件的裂缝—基质耦合流动损害评价装置，其特征在于，所述岩心裂缝(6)内放置一层可拆除的橡胶垫(5)，橡胶垫受轴向压力作用发生形变可完全封堵住裂缝，裂缝堵住则气体只从基质孔隙流入模拟井眼(7)，用来单独对基质损害进行评价。

5.利用权利要求1所述的装置对裂缝—基质耦合流动损害进行评价的方法，依次包括以下步骤：

(1)打开轴压注入口和围压注入口，将轴压以及围压调节到预设值，使用气瓶持续往釜体的进气口注气，模拟产气过程，通过气体流量计观测到气体流量稳定后，通过数据采集***记录裂缝—基质***发生损害之前岩心的压力、电阻以及流量数据；

(2)保持轴压以及围压不变，在岩心裂缝内放置橡胶垫，继续向釜体内注气，让气体从基质边界流入，记录岩心基质发生损害前的压力、电阻以及流量数据；将橡胶垫取出，去除岩心周围包裹的滤网，让气体从裂缝内流入，记录岩心裂缝发生损害前的流量数据；

(3)保持轴压以及围压不变，将岩心周围包裹滤网，继续向釜体内注气，气体同时从基质以及裂缝流出至井眼，开启工作液循环***；工作液从井底循环至井口时，对裂缝—基质***造成耦合流动损害，使岩心内的含水饱和度不断增大，渗透率逐渐降低，当气体流量趋于稳定时，说明耦合流动损害已经达到最大，损害过程全程均使用数据采集***采集岩心内的压力、电阻数据，气体流量计记录从气液分离器分离出的气体流量；

(4)保持轴压以及围压不变，继续开启工作液循环***；按照步骤(2)的操作测量岩心基质的流量、压力和电阻数据，并测量裂缝的流量数据；

(5)保持轴压以及围压不变，关闭工作液循环***，将工作液排出；测量裂缝—基质***发生损害之后的压力、电阻以及流量数据；保持轴压以及围压不变，按照步骤(2)的操作测量岩心基质的流量、压力和电阻数据，并测量裂缝的流量数据；

(6)改变轴压、围压以及工作液循环压力，重复(1)～(5)，可观察不同实验条件下的实验结果，并对实验结果进行分析对比。