CN105332682B - 一种碳酸盐岩储层中高压力缝洞体对水力裂缝扩展影响的实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种碳酸盐岩储层中高压力缝洞体对水力裂缝扩展影响的实验方法，该方法包括下列步骤：a)制作缝洞体；b)安装人工试件的模具，并将配好的人工材料二放入模具中；c)对试件施加设定的恒定三向围压；d)通过缝洞体注液管线向缝洞体中以恒定排量注液至设计压力，切换液压泵至恒压状态以维持缝洞体内压力保持不变；e)通过压裂液注液管线向模拟井筒中注入压裂液，当水力裂缝延伸至设定尺寸后，停止注入；将试件从试验架上拆下，对试件进行剖切，以观察裂缝形态。本发明提供的方法，可以在实验室条件下进行碳酸盐岩储层水力压裂模拟实验，能够得到高压力缝洞体对水力裂缝扩展的影响。

Description

一种碳酸盐岩储层中高压力缝洞体对水力裂缝扩展影响的实 验方法

技术领域

本发明属于水力压裂模拟实验技术领域，特别是关于碳酸盐岩储层体积压裂过程中高压力缝洞体对水力裂缝扩展影响的实验方法，适用于研究碳酸盐岩储层体积压裂过程中高压力缝洞体对水力裂缝转向及扩展影响的强弱。

背景技术

随着碳酸盐岩储层的不断开发，常规压裂工艺已不能完全满足增产改造需求，因此迫切需要转换思路研究新技术来提高单井产量。为此，一些新工艺新方法在各油田得到不断的探索尝试。

体积压裂技术作为压裂增产技术中的一项重要组成部分，是目前国际先进技术，代表着采油、采气工艺技术的发展方向。目前国内体积压裂在部分碳酸盐岩储层中得到应用，并取得了一定的成果。

然而，体积压裂技术层面的许多问题还未得到解决，需要在理论和应用方面开展大量研究工作。由于涉及的因素非常复杂，裂缝的起裂、延伸、空间分布特征、控制因素等均与传统水力裂缝存在很大差别，需要在力学模型、室内模拟理论和方法、实际影响因素等方面开展深入研究。与此同时，碳酸盐岩内部裂缝发育复杂，并伴随有天然高压缝洞体存在，在该基础上进行体积压裂问题更为特殊，因此了解高压力缝洞体对水力裂缝扩展的影响十分关键。

大尺寸真三轴水力压裂实验是一种在实验室中研究水力压裂技术的方法。随着体积压裂技术的不断发展，为了研究体积压裂过程中高压力缝洞体对水力裂缝的干扰因素，就需要设计一种水力压裂过程中高压力缝洞体对水力裂缝干扰实验室模拟实验方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳酸盐岩储层水力压裂过程中高压力缝洞体对水力裂缝扩展影响的实验方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种水力压裂过程中高压力缝洞体对水力裂缝扩展影响的实验方法，该方法包括下列步骤：a)制作缝洞体：按照实验方案制作缝洞体模具，用吸水性强的人工材料一作为填充物，将填充物与水搅拌均匀后注入缝洞体模具中；将缝洞体注液管柱插入缝洞体模具内，待凝固后备用；b)安装人工试件的模具，并将配好的人工材料二放入人工试件的模具中；待材料凝固形成人工试件后，拆除人工试件的模具，安装压裂液注液系统、缝洞体注液系统与声发射监测系统；c)将所述人工试件安装到大尺寸真三轴试验仪器，对人工试件施加设定的恒定三向围压；d)通过缝洞体注液管线向缝洞体中以恒定排量注液，施加液体压力，当缝洞体内压力达到设计压力后，切换液压泵至恒压状态，以维持缝洞体内压力保持不变；e)通过压裂液注液管线向模拟井筒中注入压裂液，施加液体压力，当水力裂缝延伸至设定尺寸后，停止注入压裂液；卸下围压，拆除管线，将人工试件从试验架上拆下，剖切试样，以观察裂缝形态。

进一步的，在步骤a)中，所选取人工材料一为吸水性、可塑性强的固体材料，典型材料为石膏。

进一步的，在步骤b)中，所述人工试件的模具的尺寸为600mm×300mm×300mm。

进一步的，在步骤b)中，所选取人工材料二为可塑性强的固体材料，由水泥、石英砂和水按比例配置而成。

进一步的，在步骤b)中，所选取人工材料二为可塑性强的固体材料，由水泥、石英砂、粘土、石膏和水按比例配置而成。

进一步的，在步骤b)中，在所述人工试件上安装缝洞体注液系统、压裂液注液系统和声发射监测系统，其具体方法包括如下步骤：

步骤A：安装压裂液注液系统与缝洞体注液系统

根据实验方案在人工试件的模具中提前预制好声发射安置孔、缝洞体、缝洞体注液管柱、模拟井筒与诱导缝，然后倒入人工材料二待凝固后一次成型；

根据试验设计的缝洞体注液管线、压裂液注液管线排布在试件表面进行切槽加工，将注液管线沿管线槽排布，并将压裂液注液管线与模拟井筒连接好，缝洞体注液管柱与缝洞体注液管线连接好，用水泥砂浆将管线槽填平。

步骤B：安装声发射监测系统

根据声波探头排布设计方案在试件表面加工导线槽；将声发射探头、声发射导线埋入安置孔及导线槽；在安置孔及导线槽内塞入泡沫塑料，对声发射探头及声发射导线进行保护；用水泥砂浆将安置孔及导线槽填平。

进一步的，在步骤b)，所述压裂液注液系统，包括模拟井筒、诱导缝、模拟井筒密封接口和一套压裂液注液管线；

具体的，所述模拟井筒由无缝钢管加工而成，模拟井筒外表面加工有环形凹槽，用于增加井身与水泥砂浆之间的胶结强度；模拟井筒一端与模拟井筒密封接口焊接，用于与外部部件相连；模拟井筒密封接口内壁加工有螺纹，并在螺纹顶端加工有密封环，用于保证模拟井筒注液的密封性；所述诱导缝由薄塑料片制成，用于引导裂缝走向。

进一步的，在步骤b)中，所述缝洞体注液系统，包括缝洞体、缝洞体注液管柱、注液管柱密封接口和一套缝洞体注液管线；

具体的，所述缝洞体由石膏注入缝洞体模具中成型，注入同时将注液管线埋入缝洞体中，以便注入液体；所述缝洞体注液管柱由无缝钢管加工而成，缝洞体注液管柱外表面加工有环形凹槽，用于增加缝洞体注液管柱与水泥砂浆之间的胶结强度；缝洞体注液管柱一端与缝洞体注液管柱密封接口进行焊接，用于和缝洞体注液管线相连；缝洞体密封接口内壁加工有螺纹，并在螺纹顶端加工有密封环，保证了密封性。

进一步的，在步骤b)中，所述声发射监测系统，包括声发射探头和一套导线。

进一步的，在步骤c)中，所述的恒定三向围压按照试验预定值设置，例如：沿试件长轴方向(即井筒轴向)围压为5MPa，其它两个方向围压为8MPa、15MPa。

进一步的，在步骤c)中，在对所述人工试件施加设定的三向围压时，三个方向以相同的增压速率同步增加压力；当单一方向的围压到达设定值时自动停止增加并保持压力恒定，其它方向继续增压；当三个方向的围压均到达设定值时，维持压力一定时间，然后进行下一步实验操作；在之后的实验过程中，围压始终保持恒定，直至实验结束。

进一步的，在步骤e)中，所述的恒定排量为依照试验设定排量，参考排量值为1.5mL/s。

进一步的，在步骤e)中，根据声波三维空间定位监测结果及物质守恒定律来判断实验过程中所形成的水力裂缝尺寸是否到达所述水力裂缝延伸设定尺寸。

本发明的有益效果在于，可以在实验室条件下进行高压力缝洞型碳酸盐岩油藏水力压裂模拟实验，能够得到高压力缝洞体对水力裂缝扩展特征的影响，实验方法简单，却能用来研究高压力缝洞体对水力裂缝扩展影响的问题。实验结果可以为油田现场体积压裂施工提供施工参数，优化增产效果。本发明提供的所述实验方法中使用的压裂液注液系统结构简单，适合同一试件内缝洞体内压力与模拟井筒内压力相互独立的实验要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本发明实施例所述人工试件模具示意图；

图2为本发明实施例所述人工试件加工示意图；

图3为本发明实施例所述声发射监测系统示意图；

图4为本发明实施例所述整体模拟岩样示意图。

附图标号说明：

1、人工试件；2、注液管柱密封接口；3、模拟井筒密封接口；4、模拟井筒；5、缝洞体注液管柱；6、声发射安置孔；7、导线槽；8、缝洞体；9、诱导缝；10、声发射探头；11、声发射导线；12、管线槽；13、缝洞体注液管线；14、压裂液注液管线。

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。

实施例：图1为本发明实施例所述人工试件模具示意图；图2为本发明实施例所述人工试件加工示意图；图3为本发明实施例所述声发射监测系统示意图；图4为本发明实施例所述整体模拟岩样示意图。

一种用于模拟碳酸盐岩储层中高压力缝洞体对水力裂缝扩展影响的实验方法，包括下列步骤：

1.人工试件的制备

组装缝洞体注液系统与压裂液注入系统部件；将缝洞体8、缝洞体注液管柱5与模拟井筒4按照图1所示模具拼装结构组装，其中模拟井筒前端的椭圆形薄片为诱导缝9，采用薄塑料片制成；缝洞体则按照实验方案制作对应大小的模具，用石膏材料作为填充物(人工材料一)，将石膏与水搅拌均匀后注入缝洞体制作模具中；将缝洞体注液管柱插入缝洞体模具内，凝固后一次成型；缝洞体直径为40mm；本发明的缝洞体直径不以此为限。

本实施例中根据实验方案制定相应配比的水泥砂浆(人工材料二)作为制作人工试件的材料。将混合好的水泥砂浆倒入如图2所示的模具中，待水泥凝固后拆卸模具做成人工试件1。本实施例中，加工后的人工试件整体尺寸为600mm×300mm×300mm。注意在倒入水泥砂浆前，缝洞体、缝洞体注液管柱与模拟井筒已经固定在模具内侧，同时声发射安置孔6也通过该模具预制完毕。人工试件拆卸模具时，注意小心拆卸，防止模具内侧预制声发射安置孔的部位由于受力不均产生掉块。待人工试件结束后，开始进行压裂液注液系统、缝洞体注液系统和声发射监测系统的安装工作。

步骤A：安装压裂液注液系统和缝洞体注液系统

如图3所示，在人工试件表面切割加工管线槽12，加工完毕后进行压裂液注液系统部件安装。将注液管线沿管线槽排布，并用水泥砂浆将转向接头处及管线槽填平，使人工试件外表面恢复平整。至此，压裂液注液系统在人工试件上的部分安装完毕。

步骤B：安装声发射监测系统

本实施例中，采用对称方案在人工试件两个侧面各布置五个声发射探头安置孔。将各个声发射探头10安放与声发射安置孔内，并对每个声发射探头进行编号，同时记录其相对于人工试件的空间位置。安装声发射探头时应在探头表面涂抹适量的耦合剂(如凡士林、黄油)，耦合剂不宜涂抹太多，轻轻挤压探头，使其与安置孔底部人工试件表面完全接触。

将声发射导线11按导线槽7引导至人工试件左侧表面出口处，在安置孔及导线槽内塞入可塑性泡沫塑料，以保护声发射探头及声发射导线。用水泥砂浆将安置孔及导线槽填平，使人工试件外表面恢复平整。至此，声发射监测系统在人工试件上的部分安装完毕。

人工试件及内部安装的压裂液注液系统、缝洞体注液系统和声发射监测系统即构成整体模拟岩样。

2.人工试件的安装

首先将所述人工试件安装到大尺寸真三轴试验仪器压力室内，缝洞体注液管柱13、压裂液注液管线14、声发射导线引出到试验仪器外部。

将缝洞体注液管线连接到缝洞体注液泵上，将压裂液注液管线连接到压裂液注液泵上。

将声发射导线按编号安装到声发射仪上，将每个声发射探头相对于人工试件的空间位置坐标输入到声发射监测系统内。

对人工试件施加设定的恒定三向围压。可以设定沿人工试件长轴方向(即井筒轴向)围压为5MPa，其它两个方向围压为8MPa、15MPa，本发明的三向围压不以此为限。

在对所述人工试件施加设定的三向围压时，三个方向以相同的增压速率同步增加压力；当单一方向的围压到达设定值时自动停止增加并保持压力恒定，其它方向继续增压；当三个方向的围压均到达设定值时，维持压力一设定时间，然后进行下一步实验操作；在之后的实验过程中，围压始终保持恒定，直至实验结束。

3.缝洞体内部压力的维持

通过缝洞体注液管线向缝洞体内以恒定排量缓慢注入液体，以增加缝洞内的液体压力。待压力达到设定值后，切换注液系统至恒压状态，持续保持缝洞内的较高压力。可以设定液体注入排量为0.3mL/s，最终缝洞内压力为2MPa。本发明缝洞体的液体注入排量与压力不以此为限。

4.水力裂缝的起裂及扩展

通过压裂液注液管线向模拟井筒中以恒定排量注入压裂液，施加液体压力。压裂液自诱导缝进入人工试件内部并起裂。可以设定压裂液注入排量为0.3mL/s，本发明的压裂液注入排量不以此为限。

当水力裂缝延伸至设定尺寸后，停止注入压裂液。卸掉三向围压至0，拆除人工试件外侧的压裂液注液管线、缝洞体注液管线、声发射探头与声发射导线，将人工试件从试验架上取下，用岩心剖切机对人工试件进行剖切，以观察裂缝形态。

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 (5)

1.一种碳酸盐岩储层中高压力缝洞体对水力裂缝扩展影响的实验方法，该方法包括下列步骤：

a)制作缝洞体：按照实验方案制作缝洞体模具，用吸水性强的人工材料一作为填充物，将填充物与水搅拌均匀后注入缝洞体模具中；将缝洞体注液管柱插入缝洞体模具内，待凝固后备用；

b)安装人工试件的模具，并将配好的人工材料二放入人工试件的模具中；待材料凝固形成人工试件后，拆除人工试件的模具，安装压裂液注液系统、缝洞体注液系统与声发射监测系统，所述缝洞体注液系统，包括缝洞体、缝洞体注液管柱、注液管柱密封接口和一套缝洞体注液管线；所述缝洞体由人工材料一注入缝洞体模具成型，人工材料一注入同时将缝洞体注液管柱埋入缝洞体，注液管柱密封接口内壁加工有螺纹，并在螺纹顶端加工有密封环，用于保证缝洞体注液管柱的密封性；

c)将所述人工试件安装到大尺寸真三轴试验仪器，对人工试件施加设定的恒定三向围压；在对所述人工试件施加设定的三向围压时，三个方向以相同的增压速率同步增加压力；当单一方向的围压到达设定值时自动停止增加并保持压力恒定，其它方向继续增压；当三个方向的围压均到达设定值时，维持压力一定时间，然后进行下一步实验操作；在之后的实验过程中，围压始终保持恒定，直至实验结束；

d)通过缝洞体注液管线向缝洞体中以恒定排量注液，施加液体压力，当缝洞体内压力达到设计压力后，切换液压泵至恒压状态，以维持缝洞体内压力保持不变；

e)通过压裂液注液管线向模拟井筒中注入压裂液，施加液体压力，当水力裂缝延伸至设定尺寸后，停止注入压裂液；卸下围压，拆除管线，将人工试件从试验架上拆下，剖切试样，以观察裂缝形态。

2.如权利要求1所述的一种碳酸盐岩储层中高压力缝洞体对水力裂缝扩展影响的实验方法，其特征在于，在步骤a)中，所选取人工材料一为吸水性、可塑性强的固体材料。

3.如权利要求1所述的一种碳酸盐岩储层中高压力缝洞体对水力裂缝扩展影响的实验方法，其特征在于，所选取人工材料一为石膏。

4.如权利要求1所述的一种碳酸盐岩储层中高压力缝洞体对水力裂缝扩展影响的实验方法，其特征在于，在步骤b)中，在所述人工试件上组装缝洞体注液系统、压裂液注液系统和声发射监测系统，其具体方法包括如下步骤：

步骤A：安装压裂液注液系统与缝洞体注液系统:

根据实验方案在人工试件的模具中提前预制好声发射安置孔、缝洞体、缝洞体注液管柱、模拟井筒与诱导缝，然后倒入人工材料二待凝固后一次成型；

根据试验设计的缝洞体注液管线、压裂液注液管线排布在试件表面进行切槽加工，将注液管线沿管线槽排布，并将压裂液注液管线与模拟井筒连接好，缝洞体注液管线与缝洞体注液管柱连接好，用水泥砂浆将管线槽填平；

步骤B：安装声发射监测系统:

根据声波探头排布设计方案在试件表面加工导线槽；将声发射探头、声发射导线埋入安置孔及导线槽；在安置孔及导线槽内塞入泡沫塑料，对声发射探头及声发射导线进行保护；用水泥砂浆将安置孔及导线槽填平。

5.如权利要求1所述的一种碳酸盐岩储层中高压力缝洞体对水力裂缝扩展影响的实验方法，其特征在于，在步骤b)中，所述压裂液注液系统，其特征在于，包括模拟井筒、诱导缝、模拟井筒密封接口和一套压裂液注液管线；

所述模拟井筒井身外侧与模拟井筒密封接口焊接，用于与外部部件相连；模拟井筒密封接口内壁加工有螺纹，并在螺纹顶端加工有密封环，用于保证井口注液的密封性；所述诱导缝由薄塑料片制成，用于引导裂缝走向。

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