CN104131803A - 一种评价页岩压裂形成缝网能力的实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种评价页岩压裂形成缝网能力的实验方法。该方法包括下列步骤：a)从油田标准套管上截取一段套管环；选取页岩岩芯，将其加工成圆柱体试件；b)将岩芯放于套管环中，岩芯和套管环形成的环形空间用水泥浆充填；水泥硬化后，在岩芯中心处钻孔；在所钻孔中加入无声破碎剂浆体；c)采用裂隙结构面迹长分布的分维值、面密度和裂缝条数对压后岩芯表面的裂缝形态进行定量表征，并评价其崩落碎块的大小和数量；d)拆除水泥环，获得压后岩芯内部的裂缝条数、体密度和碎块的大小、数量。该方法综合体现了页岩脆性和天然裂缝系统(和沉积层理)特征，用于判断页岩压后形成缝网的能力，不仅直观可靠，而且操作简单，适用于油田现场应用。

Description

一种评价页岩压裂形成缝网能力的实验方法

技术领域

本发明是关于页岩气储层体积压裂增产技术，特别是关于一种评价页岩压裂形成缝网能力的实验方法。本发明可为页岩储层的可压性评价提供技术支持。

背景技术

通过对页岩储层地化特征勘察检测，确定该区块为优质页岩储层之后，需要对其开发效果进行评价，即“可压性评价”。与常规砂岩和碳酸盐岩储层不同，页岩储层的“可压性评价”并非指是否适合压裂，而是在必须实施压裂的前提下，评价水力裂缝网络形成的难易程度，对能否有效开展“体积压裂”进行论证，目前国内外还没有统一标准和评价方法。

影响裂缝网络形态的关键因素是储层的地质条件，如水平地应力差、岩石脆性、沉积层理和天然裂缝系统。页岩储层的水平地应力差可通过室内实验测试和现场监测等方法准确获取。岩石的脆性是储层压后形成裂缝网络的必要而非充分条件，天然裂缝系统和沉积层理结构也是其关键因素，但由于裂缝系统的观测和评价非常困难复杂，且目前页岩储层压裂裂缝扩展机理尚不明确，因而对其进行单独评价也是一个难点。需要一种新的测试方法，兼顾岩石的脆性和原生裂缝系统(沉积层理)，对页岩储层可压性进行评价。利用大尺寸真三轴实验系统进行室内物理模拟虽真实可靠，但需要大尺寸的规格露头岩芯，且实验过程复杂，不利用现场简单方便地检测评价。

天然裂缝系统的发育和岩石本身的脆性特征致使页岩储层水力压裂过程中，大面积区域在流体未到达前，通过基质传压作用，大量剪切或张性裂缝开启，形成了裂缝体积带。因而，开展非流体致裂的压裂实验可用于评价页岩压裂后形成缝网的能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种评价页岩压裂形成缝网能力的实验方法，该方法综合体现了页岩岩石脆性、硬度和天然裂缝系统(和沉积层理)特征。

为实现上述目的，本发明提供了一种评价页岩压裂形成缝网能力的实验方法，该方法包括下列步骤：a)从油田标准套管上截取一段套管环；选取页岩岩芯，将其加工成圆柱体试件；b)将岩芯放于套管环中，岩芯和套管环形成的环形空间用水泥浆充填；水泥硬化后，在岩芯中心处钻孔；在所钻孔中加入无声破碎剂浆体；c)致裂后，获取岩芯表面的裂缝形态和崩落碎片特征；d)拆除水泥环，获得岩芯内部的裂缝形态及碎块特征。

进一步地，在步骤a)中，选用的标准套管外径为139.70mm，壁厚7.72mm，套管环高度在10-15cm之间；选取的页岩岩芯为取自所开发储层的全直径岩芯或相同层位的页岩露头，并将所述页岩材料加工成直径为10cm，高度为8-12cm的标准圆柱体，岩芯高度要小于或等于套管环高度。

进一步地，在步骤b)中，选用的水泥为普通硅酸盐水泥，制造的水泥净浆要饱和的填充在环形空间中；钻孔的孔径为1.5cm，且钻穿岩芯；所使用的无声破碎剂浆体是在无声破碎剂中加入质量分数为20％的水形成的混合体。

进一步地，在步骤c)中，获取的岩芯表面裂缝形态特征包括：裂缝条数、裂隙结构面迹长分布的分维值和面密度；所收集的崩落碎片来自岩芯上下两个表面，崩落碎片特征包括崩落碎片的大小和数量。

进一步地，在步骤d)中，获取的岩芯内部裂缝形态特征包括：裂缝条数、体密度；碎块特征包括碎块大小和数量。

进一步地，保证套管环内壁光滑；页岩的取芯方向包括垂直层理和平行层理两种。

进一步地，在充填水泥净浆前，分别将套管环内壁和岩芯侧面均匀的涂抹上黄油或润滑油，确保实验后取芯方便；钻孔所用设备为TZ-2型岩芯钻取机；无声破碎剂和水要混合均匀，在5min内将无声破碎剂浆体加入钻孔中。

进一步地，无声破碎剂浆体加入钻孔，静置12小时之后观察岩芯表面的裂缝形态特征。

进一步地，裂隙结构面迹长分布的分维计算采用网格覆盖法，使用正方形覆盖模型。

本发明的有益效果在于，利用无声破碎剂致裂，观测评价压后裂缝形态，采用裂隙结构面迹长分布的分维值、面密度进行定量表征，并评价其崩落碎块的大小和数量，分析判定页岩的可压性，综合体现了页岩岩石脆性、硬度和天然裂缝系统(和沉积层理)特征。新方法用于判断页岩压后形成缝网的能力，不仅直观可靠，而且操作简单，适于油田现场应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在附图中：

图1为本发明实施例评价页岩压裂形成缝网能力的实验方法流程图；

图2为本发明实施例评价页岩压裂形成缝网能力的实验装置结构示意图；

图3为本发明实施例页岩压后岩芯表面裂缝形态和崩落碎片特征示意图；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

为了有效评价页岩储层压裂形成缝网的能力，克服现有技术仅针对影响缝网形成的单一因素进行分析或实验过程复杂(真三轴水力压裂模拟实验)的不足，本发明提供了一种操作简单且有效的“评价页岩压裂形成缝网能力的实验方法”，如图1所示，该方法包括下列步骤：

步骤S101：从油田标准套管上截取一段套管环；选取页岩岩芯，将其加工成圆柱体试件；

步骤S102：将岩芯放于套管环中，岩芯和套管环形成的环形空间用水泥浆充填；水泥硬化后，在岩芯中心处钻孔；在所钻孔中加入无声破碎剂浆体；

步骤S103：获取压后岩芯表面的裂缝形态和崩落碎片特征；

步骤S104：拆除水泥环，获得压后岩芯内部的裂缝形态及碎块特征。

由上所述，本发明综合体现了页岩岩石脆性、硬度和天然裂缝系统(和沉积层理)特征。用于判断页岩压后形成缝网的能力，不仅直观可靠，而且操作简单。

页岩气储层压裂过程中，“体积压裂”的呈现完全是由于页岩本身的岩性特征造成的，如果页岩脆性较高，且天然裂缝系统(沉积层理)发育，则在低水平地应力差条件下，水力裂缝易转向，同剪切破裂或拉张破裂的天然裂缝系统交织，形成复杂缝网。因此，利用非水压致裂的无声破碎剂对全直径岩芯开展实验时，在不施加水平最大、最小地应力条件下，天然裂缝系统将对裂缝扩展的干扰突出，造成仅沿天然裂缝扩展的状态，严重影响页岩压裂裂缝的扩展形态和可信度，因而为克服此不足，采用了厚壁套管环加水泥固结的方法对岩芯的周向施加约束，使其在无声破碎剂膨胀压裂过程中，提供一定的围压限制，兼顾岩石脆性和天然裂缝系统对压裂裂缝扩展形态的影响。如图2所示，1为套管环，2为水泥，3为页岩全直径岩芯。所选用的139.70mm直径的套管环，对于全直径岩芯的水泥固结是最为合适的。制作过程中，水泥净浆要饱和的填充于岩芯和套管环间的环形空间中。

为确保实验后取芯方便，分别将套管环内壁和岩芯侧面均匀的涂抹上黄油或润滑油，前提也要保证套管环内壁光滑。同时，岩芯的钻孔时间是在水泥硬化之后，否则没有周向约束的页岩在钻孔过程中，极易破碎。为使直径为10cm的岩芯表面能反映更多的裂缝展布信息，在确保无声破碎剂足够压裂岩芯的前提下，经过优化，选用了直径1.5cm的孔径，既能满足岩芯的破裂需求，同时能制造尽可能大的剩余表面面积，进而，为了观测上下两个表面的致裂形态，确保裂缝信息准确，需要在岩芯上钻穿此孔。上述过程完成之后，取适量高效无声破碎剂，加入20％的水，搅拌均匀后，在5min内将无声破碎剂浆体充分填充于钻孔中，否则，无声破碎剂将开始膨胀、失效。图2中4代表钻穿孔中充填的无声破碎剂。充填后，静置12小时左右，无声破碎剂的膨胀力基本完全释放，裂缝扩展形态基本定型。

致裂后，去除并收集上下两个表面崩裂的碎片，观察碎片特征，如图3(b)所示。碎片的大小和数量不仅与岩石的脆性程度和初始损伤分布有关，同时也与岩石的硬度有关。碎块多，体积小，破碎程度高，则岩石愈脆、天然裂缝和层理发育，同时硬度较低。

观察并用红色油性笔标记岩石表面的裂缝形态，计算裂缝条数、面密度和裂隙结构面迹长分布的分维值，如图3(a)所示，对裂隙进行定量表征。分维值D可以定量评价压裂裂缝的复杂程度，采用基于盒维数的网格覆盖法。图3(a)中，5代表正方形覆盖模型的分维值计算方法，6代表压后形成的裂缝。裂缝条数越多，裂缝密度越高，分维值越大，表明压裂裂缝复杂度越高，页岩压后形成缝网能力越强。

本发明的有益效果在于，利用无声破碎剂致裂，观测评价压后裂缝形态，采用裂隙结构面迹长分布的分维值、面密度进行定量表征，并评价其崩落碎块的大小和数量，分析判定页岩的可压性，综合体现了页岩岩石脆性、硬度和天然裂缝系统(和沉积层理)特征。新方法用于判断页岩压后形成缝网的能力，不仅直观可靠，而且操作简单，适于油田现场应用。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种评价页岩压裂形成缝网能力的实验方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

a)从油田标准套管上截取一段套管环；选取页岩岩芯，将其加工成圆柱体试件；

b)将岩芯放于套管环中，岩芯和套管环形成的环形空间用水泥浆充填；水泥硬化后，在岩芯中心处钻孔；在所钻孔中加入无声破碎剂浆体；

c)致裂后，获取岩芯表面的裂缝形态和崩落碎片特征；

d)拆除水泥环，获得岩芯内部的裂缝形态及碎块特征。

2.如权利要求1所述的评价页岩压裂形成缝网能力的实验方法，其特征在于，在步骤a)中，选用的标准套管外径为139.70mm，壁厚7.72mm，套管环高度在10-15cm之间；选取的页岩岩芯为取自所开发储层的全直径岩芯或相同层位的页岩露头，并将所述页岩材料加工成直径为10cm，高度为8-12cm的标准圆柱体，岩芯高度要小于或等于套管环高度。

3.如权利要求1所述的评价页岩压裂形成缝网能力的实验方法，其特征在于，在步骤b)中，选用的水泥为普通硅酸盐水泥，制造的水泥净浆要饱和的填充在环形空间中；钻孔的孔径为1.5cm，且钻穿岩芯；所使用的无声破碎剂浆体是在无声破碎剂中加入质量分数为20％的水形成的混合浆体。

4.如权利要求1所述的评价页岩压裂形成缝网能力的实验方法，其特征在于，在步骤c)中，获取的岩芯表面裂缝形态特征包括：裂缝条数、裂隙结构面迹长分布的分维值和面密度；所收集的崩落碎片来自岩芯上下两个表面，崩落碎片特征包括崩落碎片的大小和数量。

5.如权利要求1所述的评价页岩压裂形成缝网能力的实验方法，其特征在于，在步骤d)中，获取的岩芯内部裂缝形态特征包括：裂缝条数、体密度；碎块特征包括碎块大小和数量。

6.如权利要求2所述的评价页岩压裂形成缝网能力的实验方法，其特征在于，保证套管环内壁光滑；页岩的取芯方向包括垂直层理和平行层理两种。

7.如权利要求3所述的评价页岩压裂形成缝网能力的实验方法，其特征在于，在充填水泥净浆前，分别将套管环内壁和岩芯侧面均匀的涂抹上黄油或润滑油，确保实验后取芯方便；钻孔所用设备为TZ-2型岩芯钻取机；无声破碎剂和水要混合均匀，在5min内将无声破碎剂浆体加入钻孔中。

8.如权利要求4所述的评价页岩压裂形成缝网能力的实验方法，其特征在于，无声破碎剂浆体加入钻孔，静置12小时之后观察岩芯表面的裂缝形态特征。

9.如权利要求4所述的评价页岩压裂形成缝网能力的实验方法，其特征在于，裂隙结构面迹长分布的分维计算采用网格覆盖法，使用正方形覆盖模型。