CN115341886A - 一种复合岩层压裂模拟方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种复合岩层压裂模拟方法与装置，属于油气田储层改造技术领域。该装置设置的水平应力加载机构，可以对包含不同岩性特征的人工岩心各分层分别施加对应的水平应力。该方法通过采集实际工况下的目的储层岩性数据，构造包含不同岩性特征的人工岩心，对人工岩心施加垂向应力，并对不同岩性分层施加对应的水平应力，构造出更加贴合现场工况的实验条件进行压裂模拟实验，压裂模拟实验的人工岩心压裂后的裂缝与实际裂缝形态匹配度更高，根据实验结果编制的压裂工程方案能有效降低施工风险。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合岩层压裂模拟方法与装置，属于油气田储层改造技术领域。
背景技术
水力压裂是一项有广泛应用前景的油气井增产措施，是用于开发低品质油气资源的重要技术之一。为了探究改进水力压裂的技术工艺，需要在实验室中进行水力压裂模拟实验，以研究其起裂扩展机理，进而研发相关工艺技术方法。其中，在实验室中进行大尺度岩心样本压裂模拟实验，能够获取更多岩心样本压裂数据，如此使得实验可信度更高。
页岩油气是指储集在覆压基质渗透率≤0.3mD(地面空气渗透率≤2.0mD)的泥质粉砂岩、砂岩夹层、致密碳酸盐岩等储集层中的油气，页岩油气藏内几乎都有其他岩性的夹层，如美国巴肯(Bakken)页岩油藏中夹有白云岩和粉砂岩，部分层段夹层厚度小于0.2m，传统的测井曲线的分辨率无法识别该类油气藏，但其资源量巨大，约占总资源量的60％。之前很多学者在室内开展水力压裂机理的物理模型实验时，所用的真实储层岩心或仿真岩心均为单一岩性，而地下待压裂的目的储层为多种岩性岩层的复合储层，压裂形成的人工裂缝在复合储层中起裂与延伸受储层岩性及应力变化的影响，特别是对储层缝高扩展的影响，导致单一岩性岩心物模实验后的模拟裂缝扩展形态与真实压裂后的裂缝扩展形态存在差异，不能有效指导后期压裂施工。例如期刊《石油钻探技术》2013年第41卷第2期文献“页岩气储层水力压裂物理模拟试验研究”中介绍的利用水力压裂大型真三轴物理模拟试验设备，开展室内页岩露头岩心与人工制备岩心水力压裂裂缝扩展物理模拟试验，其研究结果考虑了压裂液黏度以及水平地应力差异对水力裂缝形态和扩展的影响，而忽略了不同岩性、结构面产状、地质构造环境等对裂缝起裂与扩展的影响，最终导致室内实验模拟的裂缝扩展形态与实际裂缝扩展形态误差较大，不能有效指导现场压裂施工，同时有可能造成现场压裂施工风险并影响勘探开发效益。
另外，由于页岩和砂岩(白云岩、粉砂岩)的力学参数如弹性模量、泊松比不同，导致其水平构造应力值有差异。而目前公开的压裂模拟装置在实验时模拟加载相同的水平应力值，而实际储层内各层的水平应力值是存在差异的，因此导致模拟的压裂裂缝扩展形态与实际扩展形态匹配度较差，不能较好的指导现场施工。ZL201920043019.2公开的一种大尺寸真三轴水力压裂模拟试验装置，包括由大尺寸真三轴加载模块、水力伺服泵压模块、声发射定位模块、红外监测模块、试样装卸模块和计算机组成，可实现室内三轴条件下的水力压裂物理模拟试验，能够满足多尺寸试样压裂条件。该装置所用试样为岩性单一的天然页岩石，且加载在试件上的水平应力值单一，未考虑储层层间应力差异变化情况，导致模拟实验后裂缝起裂的形态和储层实际起裂形态匹配度较低。期刊《岩石力学与工程学报》2014年第33卷第1期文献“页岩水力压裂物理模拟与裂缝表征方法研究”中介绍的采用真三轴岩土工程模型试验机、压裂泵伺服控制***、Disp声发射三维空间定位技术、试验前后工业CT扫描水力压裂缝扩展形态的方法，建立一套页岩水力压裂物理模拟与压裂缝表征方法。该装置所用试样为岩性单一的天然页岩石，试件尺寸为边长300mm的正方体，同样未考虑储层层间应力差异变化情况，加载水平应力值单一，导致模拟后的裂缝扩展形态与实际匹配度较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合岩层压裂模拟方法与装置，用于解决实验室压裂模拟实验后的裂缝扩展形态与实际裂缝形态的匹配度差的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种复合岩层压裂模拟装置，其特征在于，包括人工岩心放置位，用于在水平方向上对人工岩心加载水平应力的水平应力加载机构、在垂向上对人工岩心加载垂向应力的垂向应力加载机构、及压力源和外部数据采集***；
所述水平应力加载机构包括水平应力产生装置和水平应力分层传递装置，所述水平应力分层传递装置设置于人工岩心放置位和水平应力产生装置之间；所述水平应力分层传递装置朝向人工岩心放置位的一面设置有柔性内板，与柔性内板相对的一面设置有刚性外板，所述柔性内板与刚性外板之间设置有弹性体；所述弹性体的数量和弹性系数可调；
所述压力源用于对垂向应力加载机构和水平应力加载机构施加压力。
本发明的有益效果是：通过压力源对复合岩层人工岩心的各分层施加相应的水平应力，并对其施加垂向应力，采用本发明所述的装置进行压裂模拟实验时，压裂模拟后人工岩心产生的裂缝与实际裂缝形态的匹配度更高。
进一步地，上述装置中，，所述水平应力分层传递装置为弹簧模块，所述弹性体为弹簧。
弹性体采用弹簧模块，可根据实际要求及时更换不同数量和刚度系数的弹簧进行实验，成本低且操作简便。
进一步地，上述装置中，所述水平应力产生装置包括限位结构、转换块和与压力源相连的液囊，所述液囊设置于转换块与弹簧模块的刚性外板之间，所述限位结构包括外壁和限位架，所述转换块设置于外壁和液囊之间，所述限位架用于保持液囊的水平位移。
限位架与转换块可保证液囊产生的形变向弹簧模块一侧发生，增强了应力传递效果。
进一步地，在上述装置中，所述外壁、转换块、液囊对应位置分别开有检测通孔，并安装应力监测组件，通过数据线与外部数据采集***连接。便于实时监测压裂模拟实验中人工岩心所受水平应力等。
进一步地，在上述装置中，所述垂向应力加载机构包括位于人工岩心放置位之下的下加载板、下传力板和人工岩心放置位之上的上加载板、上传力板、液囊和盖板，所述液囊与压力源连接。
进一步地，在上述装置中，所述下加载板设置于基座之上，所述基座开有检测通孔，用于安装应力监测组件，通过数据线与外部数据采集***连接。便于实时监测压裂模拟实验中人工岩心所受垂向应力等。
一种复合岩层压裂模拟方法，包括如下步骤：
1)根据测井曲线确定人工岩心的构成并制作人工岩心，确定人工岩心各分层的水平主应力平均值和垂向应力平均值；
2)根据步骤1)测得的人工岩心各分层的水平主应力平均值计算水平应力加载机构的需求压力值；
3)将所述人工岩心放置于复合岩层压裂模拟装置的人工岩心放置位；
4)根据步骤1)测得的人工岩心各分层的水平主应力平均值，调整水平应力分层传递装置中各分层对应的弹性体的数量和弹性系数；
5)压力源使垂向应力加载机构按照所述垂向应力平均值产生应力，使水平应力加载机构按照步骤2)计算的需求压力值产生压力；
6)进行压裂模拟。
进一步地，在上述方法中的步骤2)中，压力源对水平应力加载机构产生的压力为人工岩心各分层所需的推力之和，人工岩心各分层所需的推力为各分层水平主应力平均值与对应分层加压面积的乘积。
进一步地，在上述方法中的步骤4)中，水平应力分层传递装置中各分层对应的弹性体的数量和弹性系数满足如下关系：
F＝n·K·X
其中F为人工岩心各分层所需的推力，n为弹簧数量，K为弹性系数，X为预设的弹簧压缩距离。计算简单。
附图说明
图1为本发明的压裂模拟装置示意图；
图2为本发明的弹簧模块示意图；
图3为本发明实施例的人工岩心示意图；
图4为本发明的弹簧模块剖面图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
装置实施例：
如图1所示为一种复合岩层压裂模拟装置，具体包括：
基座2，为圆盘形，基座2开有用于安装检测人工岩心的垂向受力传感器和垂向位移传感器的检测通孔；人工岩心放置位1，为正方体，
基座2的检测通孔内安装有应力监测组件10a，通过数据线与外部数据采集***13连接，用于监测加载在人工岩心的垂向应力。
应力加载机构，包括垂向应力加载机构和水平应力加载机构，垂向应力加载机构包括位于基座2之上、人工岩心放置位1之下的下传力板3a、下加载板4a和人工岩心放置位1之上的上加载板4b、上传力板3b、液囊6a和盖板5，所述上加载板4b、上传力板3b、液囊6a和盖板5设置压裂通道孔，压裂通道孔与基座2的检测通孔中心线重合；
水平应力加载机构包括水平应力产生装置和水平应力分层传递装置，水平应力产生装置包括人工岩心放置位1左右两侧对称安装的限位结构、转换块8和液囊6b，限位结构为外壁9和限位架12，转换块8和液囊6b置于限位架12内，用于加载水平应力时保持水平位移，转换块8、液囊6b与限位架12之间为间隙配合。
水平应力分层传递装置为弹簧模块7，弹性体为弹簧。作为其他实施方式，弹性体还可采用其他弹性系数可调的材料。
弹簧模块7如图2所示，由刚性承力板(外板)7a、柔性承力板(内板)7b及其套装的弹簧7c、弹簧7d、弹簧7e组成，用于给人工岩心不同层位加载不同的水平应力。
弹簧模块7的剖面图如图4所示，其中套装的弹簧7e对应人工岩心的粉砂岩1-1层，套装的弹簧7d对应人工岩心的页岩1-2层，套装的弹簧7c对应人工岩心的泥岩1-3层。
外壁9、转换块8、液囊6b内部分别开有检测通孔，并串联安装有应力监测组件10b，通过数据线与外部数据采集***13连接，用于监测加载在人工岩心的水平应力。
人工岩心放置位1上部和左右两侧对称设有为人工岩心分别施加垂向应力和水平应力的压力源，本实施例中压力源为加压装置14。
垂向应力加载机构和水平应力加载机构通过管线与加压装置14连接。
下面以千佛崖组目的储层为例具体说明本发明所示的复合岩层压裂模拟方法，包括以下步骤：
1、人工岩心的制作
1.1依据P-XX井的测井曲线，确定该井的目的储层为千佛崖组，其岩性特征如图3所示，分别为粉砂岩1-1、页岩1-2、泥岩1-3，其中粉砂岩1-1厚度为12.6m，页岩1-2厚度为6.0m，泥岩1-3厚度为15.4m，人工岩心各分层的厚度按上述比例确定；
1.2利用X-ray全岩矿物成分分析方法测定不同岩性层段的矿物成分及比例，其中粉砂岩1-1的石英平均含量为45.8％、粘土平均含量为21.4％，硅酸盐矿物平均含量为32.8％；页岩1-2的石英平均含量为14.6％、脱水胶结粘土平均含量为45.5％，硅酸盐矿物平均含量为39.9％；泥岩1-3的石英平均含量为20.8％、粘土平均含量为54.7％，硅酸盐矿物平均含量为24.5％；
1.3依据步骤1.2确定的各分层的材料类型和比例，将材料与水混合均匀后放入一定温压条件下的三轴加压设备中进行压实，分别制作粉砂岩、页岩和泥岩分层的岩心样；
1.4依据步骤1.1确定的不同岩性分层的厚度比例，将步骤1.3制作的各分层的岩心样按厚度比例切割，通过人工岩心胶粘剂将各分层的岩心样胶结成人工岩心。
2、实验参数的确定，利用测井曲线，确定人工岩心各分层的压力等级，其中粉砂岩1-1的水平主应力平均值为56.5MPa，页岩1-2的水平主应力平均值为54.2MPa，泥岩1-3的水平主应力平均值为58.7MPa；粉砂岩1-1、页岩1-2和泥岩1-3的垂向应力平均值为66.8Mpa。
3、实验参数的加载
3.1利用本发明的复合岩层压裂模拟装置，依据步骤2确定的各分层的压力等级，构建模拟实验装置的实验条件，并根据测定的各分层的水平应力值结果确定弹簧模块7内不同弹簧的刚度系数和数量，并确定加压装置14加载的压力值，其过程如下：
3.1.1人工岩心的长宽高均为1m，根据步骤1.1确定的各分层厚度比例，由面积公式确定粉砂岩1-1、页岩1-2、泥岩1-3的加压面积分别为0.3706m2、0.1765m2、0.4529m2；每根弹簧的受力面积为0.01m2，确定作用在粉砂岩1-1、页岩1-2、泥岩1-3上的弹簧7c、弹簧7d和弹簧7e的个数分别为36个、18个、45个；根据步骤2确定的各分层水平主应力平均值，确定粉砂岩1-1、页岩1-2、泥岩1-3所需的推力F1、F2、F3分别为20938.24kN、9564.71kN、26587.65kN；
3.1.2设定弹簧模块7内的弹簧7c、弹簧7d和弹簧7e压缩距离均为2cm，根据胡克定律公式(1)，计算弹簧7c、弹簧7d和弹簧7e的刚度系数K1、K2、K3分别为29080882.35N/m、26568627.45N/m、29541830.07N/m；
F＝n·K·X (1)
其中F为加载在弹簧上的推力值，单位N；n为弹簧数量；K为刚度系数，单位N/m；X为弹簧的压缩距离，单位m；
3.1.3根据粉砂岩1-1、页岩1-2、泥岩1-3所需的推力F1、F2、F3，确定加压装置14的总推力F合为57090.60kN，即加压装置14施加在水平应力加载机构的压力值为57090.60kN；
3.2根据人工岩心各分层的垂向压力平均值，通过加压装置14加载人工岩心的垂向应力值为66.8Mpa。
4、依据步骤3确定的实验条件进行压裂模拟实验，通过泵液装置向模拟井筒11内分别以2L/min的排量泵入胍胶压裂液30L，直至人工岩心压裂完成，再将声发射装置测得的人工岩心破裂的声发射数据、CT扫描的人工岩心压裂后的裂缝形态数据进行分析，根据压裂实验分析结果，编制压裂工程方案。
本发明的装置及模拟实验方法提供的模拟参数更接近现场实际工况，人工岩心压裂后的裂缝形态与实际裂缝形态匹配度更高，有利于得到更安全的施工方案，降低现场压裂施工风险。
Claims (9)
1.一种复合岩层压裂模拟装置，其特征在于，包括人工岩心放置位，用于在水平方向上对人工岩心加载水平应力的水平应力加载机构、在垂向上对人工岩心加载垂向应力的垂向应力加载机构、及压力源和外部数据采集***；
所述水平应力加载机构包括水平应力产生装置和水平应力分层传递装置，所述水平应力分层传递装置设置于人工岩心放置位和水平应力产生装置之间；所述水平应力分层传递装置朝向人工岩心放置位的一面设置有柔性内板，与柔性内板相对的一面设置有刚性外板，所述柔性内板与刚性外板之间设置有弹性体；所述弹性体的数量和弹性系数可调；
所述压力源用于对垂向应力加载机构和水平应力加载机构施加压力。
2.根据权利要求1所述的一种复合岩层压裂模拟装置，其特征在于，所述水平应力分层传递装置为弹簧模块，所述弹性体为弹簧。
3.根据权利要求1所述的一种复合岩层压裂模拟装置，其特征在于，所述水平应力产生装置包括限位结构、转换块和与压力源相连的液囊，所述液囊设置于转换块与弹簧模块的刚性外板之间，所述限位结构包括外壁和限位架，所述转换块设置于外壁和液囊之间，所述限位架用于保持液囊的水平位移。
4.根据权利要求3所述的一种复合岩层压裂模拟装置，其特征在于，所述外壁、转换块、液囊对应位置分别开有检测通孔，用于安装应力监测组件，所述应力监测组件通过数据线与外部数据采集***连接。
5.根据权利要求1所述的一种复合岩层压裂模拟装置，其特征在于，所述垂向应力加载机构包括位于人工岩心放置位之下的下加载板、下传力板和人工岩心放置位之上的上加载板、上传力板、液囊和盖板，所述液囊与压力源连接。
6.根据权利要求5所述的一种复合岩层压裂模拟装置，其特征在于，所述下加载板设置于基座之上，所述基座开有检测通孔，用于安装应力监测组件，所述应力监测组件通过数据线与外部数据采集***连接。
7.一种复合岩层压裂模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)根据测井曲线确定人工岩心的构成并制作人工岩心，确定人工岩心各分层的水平主应力平均值和垂向应力平均值；
2)根据步骤1)测得的人工岩心各分层的水平主应力平均值计算水平应力加载机构的需求压力值；
3)将所述人工岩心放置于如权利要求1-6任一项所述的复合岩层压裂模拟装置的人工岩心放置位；
4)根据步骤1)测得的人工岩心各分层的水平主应力平均值，调整水平应力分层传递装置中各分层对应的弹性体的数量和弹性系数；
5)压力源使垂向应力加载机构按照所述垂向应力平均值产生应力，使水平应力加载机构按照步骤2)计算的需求压力值产生压力；
6)进行压裂模拟。
8.根据权利要求7所述的一种复合岩层压裂模拟方法，其特征在于，步骤2)中，压力源对水平应力加载机构产生的压力为人工岩心各分层所需的推力之和，人工岩心各分层所需的推力为各分层水平主应力平均值与对应分层加压面积的乘积。
9.根据权利要求8所述的一种复合岩层压裂模拟方法，其特征在于，步骤4)中调整水平应力分层传递装置中各分层对应的弹性体的数量和弹性系数满足如下关系：
F＝n·K·X
其中F为人工岩心各分层所需的推力，n为弹簧数量，K为弹性系数，X为预设的弹簧的压缩距离。
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