CN105952429A - 陆相页岩气缝网压裂参数优选方法 - Google Patents
陆相页岩气缝网压裂参数优选方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种陆相页岩气缝网压裂参数优选方法，包括三大步骤：S1、基于大尺寸试样通过水力压裂物理模拟试验系统设计室内页岩气水力压裂物理模拟试验，对室内页岩气水力压裂物理模拟试验参数进行优选；S2、基于室内页岩气水力压裂物理模拟试验优选出的试验参数，结合目标区块现场压裂施工条件，对陆相页岩气水力压裂施工参数进行优选，制定陆相页岩气的压裂方案；S3、分析现场压裂施工条件与实验室条件的差异，将参数优选结果应用于现场压裂施工中，获得复杂的裂缝网络。本发明将实验室条件下的参数优选试验和现场施工参数优选相结合，增加陆相页岩气压裂过程中裂缝的复杂程度，实现人工增大渗透率，获得更加复杂接近真实的裂缝网络。
Description
技术领域
本发明涉及非常规油气藏开发技术领域，具体涉及一种陆相页岩气缝网压裂参数优选方法。
背景技术
水力压裂技术是页岩气开发的核心技术之一。与常规油气的开发方式有所不同，开发页岩气等非常规油气藏常需要采用大规模的水力压裂改造储集层，追求复杂的缝网结构，形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络，从而将可以进行渗流的有效储层打碎，增大渗流面积及导流能力，提高初始产量和最终采收率。
我国页岩气烃源岩主要分为海相、陆相以及海陆过渡相三种，目前开发取得成功的是在四川盆地的下寒武统以及志留系龙马溪组的海相页岩地层，而作为陆相页岩气的代表——鄂尔多斯盆地三叠系延长组的黑色泥页岩，相对于海相泥页岩，普遍埋深较大，并且发育砂岩或粉砂岩夹层，孔隙类型多样，加之母质类型以腐殖—腐泥型为主，黏土矿物含量较高，脆性矿物含量较低，易压程度普遍低于海相页岩，这就增加了勘探开发的难度。此外，经过大量的考察分析发现，目前陆相页岩气日产气量无法达到预期的原因之一可能是现有陆相页岩气压裂技术存在缺陷。
因此，作为陆相页岩气开发中急需要解决的关键技术问题之一，探明和掌握陆相泥页岩缝网压裂机理，对水力压裂工艺设计、储层改造技术研究，甚至提高气体采收率等至关重要。陆相泥页岩由于其储层的特殊性，在开发过程中与海相页岩气还存在着诸多不同之处，而针对陆相页岩储层特征进行的室内水力压裂物理模拟试验，是认识页岩裂缝几何形态和扩展规律的一种有效手段，同时也为压裂施工提供了试验依据。
申请号为201410308665.9的中国发明申请公开了一种对不同井型射孔模拟井筒分段水力压裂的物理模拟方法，但该方法模拟井筒结构过于复杂，且并没有针对油气藏之间的差异来制定方案。
申请号为201310136887.2的中国发明申请公开了一种用于水力压裂物理模拟试验的层状模型的制作方法，该方法采用割缝作为压裂液的渗流通道，与现场水力压裂施工的射孔差异较大。
并且以上两种公开文件仅限于实验方法优化，并未对现场参数的优选有所涉及。
发明内容
本发明要解决的问题是，针对现有技术存在的上述不足，提供一种陆相页岩气缝网压裂参数优选方法，旨在优选室内页岩气水力压裂物理模拟试验参数，并以此为依据结合现场资料对目标区块陆相页岩气水力压裂施工参数进行优选。
本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：
陆相页岩气缝网压裂参数优选方法，包括三大步骤：
步骤S1、基于大尺寸试样通过水力压裂物理模拟试验系统设计室内页岩气水力压裂物理模拟试验，对室内页岩气水力压裂物理模拟试验参数进行优选，优选试验参数主要包括：模拟井筒布置、模拟井筒的长度、射孔类型、射孔与预置裂缝的交角、模拟地层的参数、注入泵流量、压裂液和支撑剂；
步骤S2、基于步骤S1的室内页岩气水力压裂物理模拟试验优选出的试验参数，结合目标区块现场压裂施工条件，并充分分析现有陆相页岩气水力压裂技术所存在的缺陷，对陆相页岩气水力压裂施工参数进行优选，制定陆相页岩气的压裂方案，陆相页岩气水力压裂施工参数优选主要包括：钻井工艺、孔深、完井方式、射孔工艺、泵注排量、现场压裂液配比、支撑剂类型及浓度；
步骤S3、分析现场压裂施工条件与实验室条件的差异，将步骤S1室内页岩气水力压裂物理模拟试验参数优选的试验结果及步骤S2陆相页岩气水力压裂施工的参数优选结果，应用于现场压裂施工中，获得复杂的裂缝网络。
按上述方案，所述步骤S2中现场压裂施工条件包括陆相页岩气的性质，目标区块的储层特性，以及相同区块其他井位的测井和施工数据。
按上述方案，所述步骤S1中水力压裂物理模拟试验系统包括大尺寸真三轴模块、水力伺服泵压模块、声发射模块、水力含砂压裂模块和计算机，大尺寸真三轴模块包括三个方向的方形压块、液压泵，三个方向的方形压块用于对大尺寸试样施加围压来模拟地应力，每一方形压块对应设置一台液压泵控制方形压块的进退以及挤压大尺寸试样；水力伺服泵压模块包括控制箱体以及高压注入泵，控制箱体与计算机连接，高压注入泵中的压裂液通过钢管与大尺寸试样中预置井筒连接，完成水力压裂过程，控制箱体上设有控制三个方向方形压块进退的按钮以及控制高压注入泵的控制板，控制板通过电液回路控制实现对整个试验系统的控制；水力含砂压裂模块设置于高压注入泵与大尺寸真三轴模块之间，用于先后向大尺寸试样中注入高压流体和含砂液；声发射模块用于通过检测压裂过程中试样破裂所对应的声发射事件来实现对压裂过程的监测，包括声发射分析仪主机以及8个声发射探头，8个声发射探头分别均匀的固定在两个相互垂直的方形压块上，各个声发射探头通过传感信号线连接声发射分析仪主机，声发射分析仪主机连接计算机，声发射分析仪主机用于将在压裂试验过程中收集到的声发射信号处理后，将采集到的声波波形及声发射事件在计算机上显示出来；
室内页岩气水力压裂物理模拟试验参数优选具体包括如下步骤：
a)通过制备大尺寸试样以模拟地层；
b)向大尺寸试样中预置具有不同射孔类型的模拟井筒；
c)待大尺寸试样准备完成后，通过大尺寸真三轴模块对大尺寸试样施以三向围压以模拟地应力；
d)将具有不同试验参数的大尺寸试样置于水力压裂物理模拟试验系统中进行试验，通过水力含砂压裂模块先后向大尺寸试样中注入高压流体和含砂液，实现在室内模拟水力压裂过程，设置不同的压裂参数来研究不同参数条件下的水力压裂过程，并通过声发射模块监测这一过程(试验结束后，沿着大尺寸试样表面裂缝剖开大尺寸试样，研究其裂缝形态并分析破裂机理)；
e)对大量的模拟试验结果进行分析，总结得出为实现增加裂缝网络的复杂程度而确定的室内页岩气水力压裂物理模拟试验的最优方案，并为目标区块现场施工提供试验依据。
按上述方案，所述大尺寸试样包括原岩试样和水泥试样，步骤S1具体分别通过制备原岩试样和制备水泥试样对水力压裂过程进行试验研究，其中，制备原岩试样是通过将从目标区块取回的页岩露头加工至边长为300mm的正方体模拟试样，在模拟试样中心钻孔并预置模拟井筒后用环氧型植筋胶固封后得到；制备水泥试样是根据原岩的物理力学特征设计水泥、石灰、石英砂的配合比以及各种添加剂的种类，在模具中混合固结，并按标准进行养护后得到。
按上述方案，原岩试样和水泥试样均加工成边长为300mm的正方体，预置的模拟井筒由不锈钢制成(具有一定的抗压及抗腐蚀性)，内径20mm，外径24mm，模拟井筒出露原岩试样或水泥试样15mm，出露部分通过管线与高压注入泵相连。
按上述方案，在原岩试样制备过程中，采用DQ-1型岩石切割机将优选的页岩露头切割成边长为300mm的正方体，并用小型台钻在正方体的一个面的中心处钻孔，在钻孔之前在页岩露头表面刷一层机油，并包裹一层塑料薄膜，薄膜外同样刷满机油；与小型台钻配套使用的钻杆外径为28mm，钻孔深度与模拟井筒长度相关，模拟井筒出露试样15mm，以便和泵注压裂液的钢管相连；钻孔后将正方体页岩露头放入烘箱中烘干，将正方体页岩露头所对应的模拟井筒放入钻好的孔中，将环氧型植筋胶注入至该孔中，直至环氧型植筋胶溢出钻孔，将溢出的环氧型植筋胶刮去，置于干燥的区域候凝，72h后将加工好的原岩试样用于水力压裂物理模拟试验中。
按上述方案，在水泥试样制备之前，对页岩的抗拉、抗压强度进行测试，并以测试的结果为依据调整水泥之中的水、石灰、石英砂的比例和各种添加剂的种类，使水泥试样在力学强度方面尽可能与原岩接近；在制备水泥试样过程中，通过试样模具制作具有不同水、石灰、石英砂之比和添加剂种类的尺寸为150mm×150mm×150mm的水泥试样，并对其进行力学强度测试，优选力学性能与页岩最为相近的配合比及添加剂，用以制作用于水力压裂物理模拟试验的水泥试样。
按上述方案，在制作水泥试样的过程中，首先按照优选的配合比将水泥、石灰、石英砂及添加剂(胶粒、引气剂)混合形成拌合物；其次，将所述拌合物分批加入试样模具之中，试样模具由五块铁板对接组成，并用螺钉固定(便于拆模)，大尺寸试样的大小采用不同尺寸的试样模具进行调整；水力压裂物理模拟试验开始之前对试样模具进行组装，并用螺钉固定，之后再用发泡剂将铁板之间的缝隙填充；待拌合物在试样模具中加至一定高度，试样模具正中央放置模拟井筒，模拟井筒出露试样模具15mm；之后继续向试样模具中加入拌合物，搅拌并夯实，在搅拌及夯实的过程中保持模拟井筒的位置及角度不变，待拌合物充满试样模具后，插入一改性聚乙烯醇薄片，以研究水力裂缝和天然裂缝相交的几种情况，或在每一批次中加入一定数量的改性聚乙烯醇薄片来模拟裂缝性地层；之后用刮刀将凸露出试样模具的拌合物刮除形成未成型的水泥试样，使未成型的水泥试样表面平整；待未成型的水泥试样固结后拆模，在预设条件下养护得到成型的水泥试样。
按上述方案，室内页岩气水力压裂物理模拟试验的优选参数在实验室条件下进行如下优选：
1)模拟井筒布置：在模拟井筒布置及围压设置时，使模拟井筒方向与最大水平主应力方向垂直，在水力裂缝延伸的过程中减少不必要的转向；
2)模拟井筒的长度：大尺寸试样内部的模拟井筒长度选取大尺寸试样边长的60％～80％，水力裂缝能在试样中较为充分的延伸，当大尺寸试样尺寸为300mm时，模拟井筒的长度在180mm～240mm之间；
3)射孔类型：射孔类型是水力裂缝形态的直接决定因素，主要包括射孔数量、射孔在模拟井筒上的分布及射孔直径大小，射孔在模拟井筒上的分布主要是射孔之间的相位角，在实验室条件下，射孔数量选取4～8个/dm，相位角分布在30°～90°，射孔直径大小选取2～6mm；
4)射孔与预置裂缝的交角：射孔方位尽可能地分布在天然裂缝或是层理的轴线方向，即水力裂缝与天然裂缝或层理轴线的夹角在0°～60°之间；
5)模拟地层的参数：模拟地层的参数主要包括试样的杨氏模量、泊松比以及地应力差，杨氏模量和泊松比的改变不会对水力压裂结果产生影响，在实验室条件下，选取σHmax/σhmin<150％，其中，σHmax为最大水平主应力，σhmin为最小水平主应力，水里裂缝不会迅速的向最大主应力方向偏转，有利于形成复杂的裂缝网络；
6)注入泵排量：在实验室条件下注入泵排量选取6～16ml/min的压裂液排量；
7)压裂液：在实验室条件下采用油基压裂液，并加入少量乙醇作为稠化剂有效抑制试验过程中页岩的水化膨胀；
8)支撑剂：选择石英砂作为支撑剂，加量为8％～15％。
按上述方案，陆相页岩气水力压裂施工参数优选主要包括以下几个方面：
1)钻井工艺：井眼轨迹方位角的选择除了储层因素之外，还参考地应力的大小与方向合理选择钻孔方向，水平井段与最大地应力方向垂直，使得压出的水力裂缝沿着最大主应力的方向延伸，减少了水力裂缝不必要的转向，增大水力裂缝的波及范围；
2)孔深：钻孔尽可能穿过储层中央，使储层压裂后裂缝尽可能的分布在储层之内，增大气藏的接触面积；
3)完井方式：选组合式桥塞完井；
4)射孔类型：射孔密度采用16个/米，相位角为90°；射孔簇的长度优选在0.4～2m为宜，射孔密度为每簇6～20个射孔，相位角选取30°～90°；
5)注入泵排量：压裂液排量在2～4m3/min，压裂液包括前置液、含砂液和顶替液；
6)压裂液：选择一级羟丙基胍胶压裂液，作为一种水基压裂液，其组成成分包括稠化剂、交联剂、破胶剂、助排剂、起泡剂、KCl、有机粘土稳定剂、pH调节剂、杀菌剂；
7)支撑剂：支撑剂选取中密度陶粒，直径分布在0.4～1mm之间，而含砂液的砂比优选为15～25％。
本发明的有益效果为：将实验室条件下的参数优选试验和现场施工参数的优选相结合，为陆相页岩气的开发提供试验依据，获得更加复杂接近真实的裂缝网络；增加陆相页岩气压裂过程中裂缝的复杂程度，实现人工增大渗透率。
附图说明
图1为本发明陆相页岩气缝网压裂参数优选方法的流程示意图；
图2为本发明模拟试样示意图；
图3为本发明水力压裂物理模拟试验系统示意图；
图3中，1-大尺寸真三轴模块，2-水力伺服泵压模块，3-计算机，4-声发射模块，5-水力含砂压裂模块。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
参照图1所示，本发明所述的陆相页岩气缝网压裂参数优选方法，包括三大步骤：
步骤S1、基于大尺寸试样通过水力压裂物理模拟试验系统设计室内页岩气水力压裂物理模拟试验，对室内页岩气水力压裂物理模拟试验参数进行优选(在实验室条件下模拟水力含砂压裂，为砂比及压裂液的优选提供条件，为现场压裂施工提供试验依据)，优选试验参数主要包括：模拟井筒布置、模拟井筒的长度、射孔类型、射孔与预置裂缝的交角、模拟地层的参数、注入泵流量、压裂液和支撑剂；
步骤S2、基于步骤S1的室内页岩气水力压裂物理模拟试验优选出的试验参数，结合目标区块现场压裂施工条件，并充分分析现有陆相页岩气水力压裂技术所存在的缺陷，对陆相页岩气水力压裂施工参数进行优选，制定陆相页岩气的压裂方案，陆相页岩气水力压裂施工参数优选主要包括：钻井工艺、孔深、完井方式、射孔工艺、泵注排量、现场压裂液配比、支撑剂类型及浓度；
步骤S3、分析现场压裂施工条件与实验室条件的差异，将步骤S1室内页岩气水力压裂物理模拟试验参数优选的试验结果及步骤S2陆相页岩气水力压裂施工的参数优选结果，应用于现场压裂施工中，获得复杂的裂缝网络(为陆相页岩气缝网压裂施工提供优选方案，为陆相页岩气的成功开发创造条件)。
步骤S2中现场压裂施工条件包括陆相页岩气的性质，目标区块的储层特性，以及相同区块其他井位的测井和施工数据。
参照图3所示，水力压裂物理模拟试验系统包括大尺寸真三轴模块1、水力伺服泵压模块2、声发射模块4，以及水力含砂压裂模块5和计算机3，其中大尺寸真三轴模块1是系统的核心部分，大尺寸真三轴模块1包括三个方向(水平方向两个、垂向一个)的方形压块、液压泵，三个方向的方形压块用于对大尺寸试样施加围压来模拟地应力，每一方形压块对应设置一台液压泵控制方形压块的进退以及挤压大尺寸试样；水力伺服泵压模块2包括控制箱体以及高压注入泵，控制箱体与计算机3连接，高压注入泵中的压裂液通过钢管与大尺寸试样中预置井筒连接，完成水力压裂过程，控制箱体上设有控制三个方向方形压块进退的按钮以及控制高压注入泵的控制板，控制板通过电液回路控制实现对整个试验系统的控制；水力含砂压裂模块5设置于高压注入泵与大尺寸真三轴模块1之间，用于先后向大尺寸试样中注入高压流体和含砂液；声发射模块4用于通过检测压裂过程中试样破裂所对应的声发射事件来实现对压裂过程的监测，包括声发射分析仪主机以及8个声发射探头，8个声发射探头分别均匀的固定在两个相互垂直的方形压块上，各个声发射探头通过传感信号线连接声发射分析仪主机，声发射分析仪主机连接计算机3，声发射分析仪主机用于将在压裂试验过程中收集到的声发射信号处理后，将采集到的声波波形及声发射事件在计算机3上显示出来。
室内页岩气水力压裂物理模拟试验参数优选具体包括如下步骤：
a)通过制备大尺寸试样以模拟地层；
b)向大尺寸试样中预置具有不同射孔类型的模拟井筒；
c)待大尺寸试样准备完成后，通过大尺寸真三轴模块1对大尺寸试样施以三向围压以模拟地应力；
d)将具有不同试验参数的大尺寸试样置于水力压裂物理模拟试验系统中进行试验，通过水力含砂压裂模块5先后向大尺寸试样中注入高压流体和含砂液，实现在室内模拟水力压裂过程，设置不同的压裂参数来研究不同参数条件下的水力压裂过程，并通过声发射模块4监测这一过程；
e)对大量的模拟试验结果进行分析，总结得出为实现增加裂缝网络的复杂程度而确定的室内页岩气水力压裂物理模拟试验的最优方案，并为目标区块现场施工提供试验依据。
大尺寸试样包括原岩试样和水泥试样，步骤S1具体分别通过制备原岩试样和制备水泥试样对水力压裂过程进行试验研究，其中，制备原岩试样是通过将从目标区块取回的页岩露头加工至边长为300mm的正方体的模拟试样，模拟试样如图2所示，在模拟试样中心钻孔并预置模拟井筒后用环氧型植筋胶固封后得到；制备水泥试样是根据原岩的物理力学特征设计水泥、石灰、石英砂的配合比以及各种添加剂的种类，在模具中混合固结，并按标准进行养护后得到。
为了与水力压裂物理模拟试验系统配伍，原岩试样和水泥试样均加工成边长为300mm的正方体，预置的模拟井筒由不锈钢制成(具有一定的抗压及抗腐蚀性)，内径20mm，外径24mm，模拟井筒出露原岩试样或水泥试样15mm，出露部分通过管线与高压注入泵相连，模拟井筒在大尺寸试样(原岩试样或水泥试样)中的埋深长度作为一个可优选的试验参数。实际实施时大尺寸试样和模拟井筒是与实验仪器相配伍的，其尺寸可根据仪器对于大尺寸试样的尺寸要求而改变。
在原岩试样制备过程中，采用DQ-1型岩石切割机将优选的页岩露头切割成边长为300mm的正方体，并用小型台钻在正方体的一个面的中心处钻孔，在钻孔之前在页岩露头表面刷一层机油，并包裹一层塑料薄膜，薄膜外同样刷满机油(避免原岩试样在钻孔过程中遇大量冲洗液而发生水化膨胀现象)；与小型台钻配套使用的钻杆外径为28mm，钻孔深度与模拟井筒长度相关；模拟井筒需出露试样15mm，以便和泵注压裂液的钢管相连；钻孔后将正方体页岩露头放入烘箱中烘干，将正方体页岩露头所对应的模拟井筒放入钻好的孔中，将环氧型植筋胶注入至该孔中，直至环氧型植筋胶溢出钻孔，将溢出的环氧型植筋胶刮去，置于干燥的区域候凝，72h后将加工好的原岩试样用于水力压裂物理模拟试验中。
在水泥试样制备之前，对页岩的抗拉、抗压强度进行测试，并以测试的结果为依据调整水泥之中的水、石灰、石英砂的比例和各种添加剂的种类，使水泥试样在力学强度方面尽可能与原岩接近；在制备水泥试样过程中，通过试样模具制作具有不同水、石灰、石英砂之比和添加剂种类的尺寸为150mm×150mm×150mm的水泥试样，并对其进行力学强度测试，优选力学性能与页岩最为相近的配合比及添加剂，用以制作用于水力压裂物理模拟试验的水泥试样(同时还通过改变水、灰、砂之比和添加剂种类来制备具有不同力学参数的水泥试样来研究储层性质对于水力压裂效果的影响)。
在制作水泥试样的过程中，首先按照优选的配合比将水泥、石灰、石英砂及添加剂(胶粒、引气剂)混合形成拌合物；其次，将拌合物分批加入试样模具之中，试样模具由五块铁板对接组成，并用螺钉固定(便于拆模)，大尺寸试样的大小采用不同尺寸的试样模具进行调整；水力压裂物理模拟试验开始之前对试样模具进行组装，并用螺钉固定，之后再用发泡剂将铁板之间的缝隙填充，实施例中五块铁板的内壁均为边长为300mm的正方形，即加工出的大尺寸试样为边长300mm的立方体；待拌合物在试样模具中加至一定高度，试样模具正中央放置模拟井筒，模拟井筒出露试样模具15mm；之后继续向试样模具中加入拌合物，搅拌并夯实，在搅拌及夯实的过程中保持模拟井筒的位置及角度不变，待拌合物充满试样模具后，在指定的位置插入一改性聚乙烯醇薄片，以研究水力裂缝和天然裂缝相交的几种情况，或在每一批次中加入一定数量的改性聚乙烯醇薄片来模拟裂缝性地层；之后用刮刀将凸露出试样模具的拌合物刮除形成未成型的水泥试样，使未成型的水泥试样表面平整；待未成型的水泥试样固结后拆模，在预设条件下养护得到成型的水泥试样(养护水泥试样的优选预设条件为：温度20℃，湿度99％，时间为28天)。聚乙烯醇具有很好的水溶性，普遍以粉末和薄膜的状态存在，通过增长分子链，加厚分子层的方式对聚乙烯醇进行改性，可以使其呈不同厚度、不同形状的片状或条带状，改性聚乙烯醇的状态类似于塑料，并具有一定的力学强度，溶解时间根据厚度来调节；在未成型的水泥试样固结过程中，改性聚乙烯醇薄片缓慢溶解，在其原来存在的位置上便形成了空隙，以模拟页岩储层的天然裂缝。
室内页岩气水力压裂物理模拟试验的优选参数(缝网压裂主要参数)在实验室条件下进行如下优选：
1)模拟井筒布置：在室内试验过程中，通过对大尺寸试样三个面施加围压(σHmax＞σint＞σhmin)的方式来模拟地应力，σHmax、σint、σhmin分别代表最大水平主应力、垂向应力、最小水平主应力，而水力裂缝的延伸方向最终沿着最大主应力或是层理面的方向延伸，因此在模拟井筒布置及围压设置时，使模拟井筒方向与最大水平主应力方向垂直，在水力裂缝延伸的过程中减少不必要的转向，防止砂堵，并有利于水力裂缝的充分延伸，沟通更多的天然裂缝；
2)模拟井筒的长度：由于实验室条件的限制，模拟试样的尺寸被限制在300mm的立方体之中，这就必须要考虑边界效应的影响，并尽可能地使水力裂缝在试样中充分的延伸，经过研究，当大尺寸试样内部的模拟井筒长度是大尺寸试样边长的60％～80％时，水力裂缝能在试样中较为充分的延伸，所以当大尺寸试样尺寸为300mm时，模拟井筒的长度在180mm～240mm之间为宜；
3)射孔类型：射孔类型是水力裂缝形态的直接决定因素，主要包括射孔数量(射孔的段数)、射孔在模拟井筒上的分布及射孔直径大小，射孔数量过多会降低每个射孔的水压力，使破裂压力升高，射孔数量过少则会减少裂缝网络的规模；射孔在模拟井筒上的分布主要是射孔之间的相位角，当所有射孔分布在同一平面上时(相位角为0°或180°)，水力裂缝也会分布在同一平面，裂缝类型主要以张开型裂缝为主；当射孔之间存在一定的相位角时，水力裂缝在延伸过程中会因为地应力的作用而相互沟通，这有利于形成复杂的裂缝网络；射孔直径大小同样会对破裂压力和裂缝形态产生一定的影响。为了使水力压裂缝网系统尽可能的复杂，结合大量的试验结果进行优选，在实验室条件下，射孔数量在4～8个/dm为宜，相位角分布在30°～90°时，对于复杂的裂缝网络的形成最为有利；射孔直径大小在一定程度上决定了起裂压力的大小，实验室条件下射孔直径优选为2～6mm；
4)射孔与预置裂缝的交角：对于射孔方位与天然裂缝交角的问题，无论是现场施工还是室内试验，都应追求水力裂缝尽可能的穿过天然裂缝和层理，才能形成有效的裂缝网络；针对这一问题，采用制作水泥试样，并在浇筑过程中预置改性聚乙烯醇薄片的方法，模拟带有层理或天然裂缝的页岩地层，研究水力裂缝与模拟天然裂缝(预置的改性聚乙烯醇薄片)相交时的裂缝走向并进行力学分析；水力裂缝与天然裂缝或层理相交有横穿、终止和偏移这三种情况，而终止这种情况是不希望得到的结果，因此，需要人为的预置裂缝，除了地应力的影响因素之外，水力裂缝和天然裂缝的交角是一个非常重要的因素。经过大量的试验，优选射孔方位尽可能地分布在天然裂缝或是层理的轴线方向，即水力裂缝与天然裂缝或层理轴线的夹角在0°～60°之间时，水力裂缝更容易穿透天然裂缝，有利于形成复杂的裂缝网络；
5)模拟地层的参数：模拟地层的参数主要包括试样的杨氏模量、泊松比以及地应力差，通过制备具有不同水灰比的水泥试样来模拟具有不同参数的储层，并通过改变试样三个方向的围压来研究地应力差对水力压裂的影响，经过研究发现，杨氏模量和泊松比的改变并不会对水力压裂结果产生影响，而在实验室条件下，当σHmax/σhmin<150％时，水里裂缝不会迅速的向最大主应力方向偏转，有利于形成复杂的裂缝网络；
6)注入泵排量：实验室条件下注入泵排量等同于现场压裂的泵量，同样是影响裂缝延展的一项重要因素，经过研究发现，低排量有利于压裂液在储层中渗流，从而使裂缝充分地扩展，优选地，在实验室条件下注入泵排量选取6～16ml/min的压裂液排量为宜。
7)压裂液：泥页岩的主要成分是黏土矿物，其中颗粒极细的含水铝硅酸盐构成的层状矿物——蒙脱石，其结构中层与层之间的作用力为较弱的范德华力，在与水基钻井液相互作用过程中易吸水膨胀；在实验室条件下采用油基压裂液，并加入少量乙醇作为稠化剂有效抑制试验过程中页岩的水化膨胀；
8)支撑剂：采用水力压裂物理模拟实验系统中的水力含砂压裂模块5在实验室条件下完成对水力含砂压裂的模拟，实施例中优选的，选择石英砂作为支撑剂，加量为8％～15％；
将以上优选出的参数应用于水力压裂物理模拟试验中即可获得具有一定复杂程度的裂缝网络。
应当理解的是，虽然本发明的提出是基于大量的物理模拟试验，但仍存在诸多缺点及一定的偶然因素，仅为现场压裂施工和室内物理模拟试验提供了一定的试验依据。
现场压裂施工与室内压裂模拟试验仍存在着诸多差异，主要体现在以下几个方面：首先储层条件是无法更改的，即针对特定储层的物理力学性质孔隙度以及地应力的大小和方向是一定的，必须采用配套技术来与储层性质配伍；其次，现场施工工艺步骤更为复杂，但室内物理模拟试验是根据现场施工以及相似性准则来实施的，且主要压裂参数在试验之中均有所涉及，因此试验结果能为现场压裂施工提供一定的试验参考。
陆相页岩气水力压裂施工参数优选主要包括以下几个方面：
1)钻井工艺：大位移水平井是页岩气开发过程中必不可少的技术之一，井眼轨迹方位角的选择除了储层因素之外，还参考地应力的大小与方向合理选择钻孔方向，水平井段与最大地应力方向垂直，使得压出的水力裂缝沿着最大主应力的方向延伸，减少了水力裂缝不必要的转向，有利于增大水力裂缝的波及范围，而这一点是目前陆相页岩气的开发中水平井钻井所没有考虑的；
2)孔深：施工参数要与储层性质相配伍，孔深是由储层埋深和大小所决定的，钻孔尽可能穿过储层中央，使储层压裂后裂缝尽可能的分布在储层之内，增大气藏的接触面积；
3)完井方式：页岩气井的完井方式主要包括套管固井后射孔完井、尾管固井后射孔完井、裸眼射孔完井、组合式桥塞完井、机械式组合完井，其中本发明优选组合式桥塞完井，这种方法相对于尾管固井后射孔完井工艺简单，且水泥浆对储层的伤害低；结合陆相页岩气易压程度低的特点，这种完井方式相对于裸眼射孔完井能够有效地缓解页岩水化膨胀现象；
4)射孔类型：现场水力压裂施工过程中的射孔情况要比室内试验复杂得多，往往采用分段分簇压裂的方法以获得复杂的裂缝网络，目前施工过程中射孔密度一般采用16个/米，相位角为90°；经过室内试验结果并结合现场资料，确定一个射孔簇的长度优选在0.4～2m为宜，射孔密度为每簇6～20个射孔，相位角的优选按照试验结果选取30°～90°；
5)注入泵排量：相比于一般的砂岩压裂需要造出长缝，页岩气压裂则是需要造出裂缝网络，这就要求在压裂过程中的排量要比一般压裂施工要低，优选压裂液排量在2～4m3/min，这一优选方案中压裂液包括前置液、含砂液和顶替液；
6)压裂液：页岩具有较强的水化膨胀的性质，在压裂过程中应极力避免，若采用油基钻井液则会大大的增加成本；且压裂液需要携带支撑剂，对粘度的控制又有较高的要求；此外，残渣含量、配制的难易程度、防膨胀性能都是压裂液优选过程中所应考虑的因素。在现场施工过程中优选一级羟丙基胍胶压裂液，它在各方面的性能上有独特的优势，作为一种水基压裂液，其组成成分包括稠化剂、交联剂、破胶剂、助排剂、起泡剂、KCl、有机粘土稳定剂、pH调节剂、杀菌剂，这种压裂液残渣含量≤250mg/L，携砂液最低粘度≥50mPa.s，携砂性能较好，防膨性能≥80％，能有效地抑制页岩的水化膨胀，但配制难易程度适中；
7)支撑剂：鄂尔多斯陆相页岩气藏普遍埋深较大，传统的石英砂支撑剂在强度方面很难满足需求，且破裂后的碎屑会堵塞裂缝，降低导流率，不能满足深井开采的要求。结合鄂尔多斯盆地页岩储层的孔隙特征，优选支撑剂为中密度陶粒，直径分布在0.4～1mm之间，而含砂液的砂比优选为15～25％。
应理解，上述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
Claims (10)
1.陆相页岩气缝网压裂参数优选方法，其特征在于，包括三大步骤：
步骤S1、基于大尺寸试样通过水力压裂物理模拟试验系统设计室内页岩气水力压裂物理模拟试验，对室内页岩气水力压裂物理模拟试验参数进行优选，优选试验参数主要包括：模拟井筒布置、模拟井筒的长度、射孔类型、射孔与预置裂缝的交角、模拟地层的参数、注入泵流量、压裂液和支撑剂；
步骤S2、基于步骤S1的室内页岩气水力压裂物理模拟试验优选出的试验参数，结合目标区块现场压裂施工条件，并充分分析现有陆相页岩气水力压裂技术所存在的缺陷，对陆相页岩气水力压裂施工参数进行优选，制定陆相页岩气的压裂方案，陆相页岩气水力压裂施工参数优选主要包括：钻井工艺、孔深、完井方式、射孔工艺、泵注排量、现场压裂液配比、支撑剂类型及浓度；
步骤S3、分析现场压裂施工条件与实验室条件的差异，将步骤S1室内页岩气水力压裂物理模拟试验参数优选的试验结果及步骤S2陆相页岩气水力压裂施工的参数优选结果，应用于现场压裂施工中，获得复杂的裂缝网络。
2.根据权利要求1所述的陆相页岩气缝网压裂参数优选方法，其特征在于，所述步骤S2中现场压裂施工条件包括陆相页岩气的性质，目标区块的储层特性，以及相同区块其他井位的测井和施工数据。
3.根据权利要求1所述的陆相页岩气缝网压裂参数优选方法，其特征在于，所述步骤S1中水力压裂物理模拟试验系统包括大尺寸真三轴模块、水力伺服泵压模块、声发射模块、水力含砂压裂模块和计算机，大尺寸真三轴模块包括三个方向的方形压块、液压泵，三个方向的方形压块用于对大尺寸试样施加围压来模拟地应力，每一方形压块对应设置一台液压泵控制方形压块的进退以及挤压大尺寸试样；水力伺服泵压模块包括控制箱体以及高压注入泵，控制箱体与计算机连接，高压注入泵中的压裂液通过钢管与大尺寸试样中预置井筒连接，完成水力压裂过程，控制箱体上设有控制三个方向方形压块进退的按钮以及控制高压注入泵的控制板，控制板通过电液回路控制实现对整个试验系统的控制；水力含砂压裂模块设置于高压注入泵与大尺寸真三轴模块之间，用于先后向大尺寸试样中注入高压流体和含砂液；声发射模块用于通过检测压裂过程中试样破裂所对应的声发射事件来实现对压裂过程的监测，包括声发射分析仪主机以及8个声发射探头，8个声发射探头分别均匀的固定在两个相互垂直的方形压块上，各个声发射探头通过传感信号线连接声发射分析仪主机，声发射分析仪主机连接计算机，声发射分析仪主机用于将在压裂试验过程中收集到的声发射信号处理后，将采集到的声波波形及声发射事件在计算机上显示出来；
室内页岩气水力压裂物理模拟试验参数优选具体包括如下步骤：
a）通过制备大尺寸试样以模拟地层；
b）向大尺寸试样中预置具有不同射孔类型的模拟井筒；
c）待大尺寸试样准备完成后，通过大尺寸真三轴模块对大尺寸试样施以三向围压以模拟地应力；
d）将具有不同试验参数的大尺寸试样置于水力压裂物理模拟试验系统中进行试验，通过水力含砂压裂模块先后向大尺寸试样中注入高压流体和含砂液，实现在室内模拟水力压裂过程，设置不同的压裂参数来研究不同参数条件下的水力压裂过程，并通过声发射模块监测这一过程；
e）对大量的模拟试验结果进行分析，总结得出为实现增加裂缝网络的复杂程度而确定的室内页岩气水力压裂物理模拟试验的最优方案，并为目标区块现场施工提供试验依据。
4.根据权利要求1所述的陆相页岩气缝网压裂参数优选方法，其特征在于，所述大尺寸试样包括原岩试样和水泥试样，步骤S1具体分别通过制备原岩试样和制备水泥试样对水力压裂过程进行试验研究，其中，制备原岩试样是通过将从目标区块取回的页岩露头加工至边长为300mm的正方体模拟试样，在模拟试样中心钻孔并预置模拟井筒后用环氧型植筋胶固封后得到；制备水泥试样是根据原岩的物理力学特征设计水泥、石灰、石英砂的配合比以及各种添加剂的种类，在模具中混合固结，并按标准进行养护后得到。
5.根据权利要求4所述的陆相页岩气缝网压裂参数优选方法，其特征在于，原岩试样和水泥试样均加工成边长为300mm的正方体，预置的模拟井筒由不锈钢制成，内径20mm，外径24mm，模拟井筒出露原岩试样或水泥试样15mm，出露部分通过管线与高压注入泵相连。
6.根据权利要求4所述的陆相页岩气缝网压裂参数优选方法，其特征在于，在原岩试样制备过程中，采用DQ-1型岩石切割机将优选的页岩露头切割成边长为300mm的正方体，并用小型台钻在正方体的一个面的中心处钻孔，在钻孔之前在页岩露头表面刷一层机油，并包裹一层塑料薄膜，薄膜外同样刷满机油；与小型台钻配套使用的钻杆外径为28mm，钻孔深度与模拟井筒长度相关，保证模拟井筒出露试样15mm，以便和泵注压裂液的钢管相连；钻孔后将正方体页岩露头放入烘箱中烘干，将正方体页岩露头所对应的模拟井筒放入钻好的孔中，将环氧型植筋胶注入至该孔中，直至环氧型植筋胶溢出钻孔，将溢出的环氧型植筋胶刮去，置于干燥的区域候凝，72h后将加工好的原岩试样用于水力压裂物理模拟试验中。
7.根据权利要求4所述的陆相页岩气缝网压裂参数优选方法，其特征在于，在水泥试样制备之前，对页岩的抗拉、抗压强度进行测试，并以测试的结果为依据调整水泥之中的水、石灰、石英砂的比例和各种添加剂的种类，使水泥试样在力学强度方面尽可能与原岩接近；在制备水泥试样过程中，通过试样模具制作具有不同水、石灰、石英砂之比和添加剂种类的尺寸为150mm×150mm×150mm的水泥试样，并对其进行力学强度测试，优选力学性能与页岩最为相近的配合比及添加剂，用以制作用于水力压裂物理模拟试验的水泥试样。
8.根据权利要求4所述的陆相页岩气缝网压裂参数优选方法，其特征在于，在制作水泥试样的过程中，首先按照优选的配合比将水泥、石灰、石英砂及添加剂混合形成拌合物；其次，将所述拌合物分批加入试样模具之中，试样模具由五块铁板对接组成，并用螺钉固定，大尺寸试样的大小采用不同尺寸的试样模具进行调整；水力压裂物理模拟试验开始之前对试样模具进行组装，并用螺钉固定，之后再用发泡剂将铁板之间的缝隙填充；待拌合物在试样模具中加至一定高度，试样模具正中央放置模拟井筒，模拟井筒出露试样模具15mm；之后继续向试样模具中加入拌合物，搅拌并夯实，在搅拌及夯实的过程中保持模拟井筒的位置及角度不变，待拌合物充满试样模具后，插入一改性聚乙烯醇薄片，以研究水力裂缝和天然裂缝相交的几种情况，或在每一批次中加入一定数量的改性聚乙烯醇薄片来模拟裂缝性地层；之后用刮刀将凸露出试样模具的拌合物刮除形成未成型的水泥试样，使未成型的水泥试样表面平整；待未成型的水泥试样固结后拆模，在预设条件下养护得到成型的水泥试样。
9.根据权利要求1所述的陆相页岩气缝网压裂参数优选方法，其特征在于，室内页岩气水力压裂物理模拟试验的优选参数在实验室条件下进行如下优选：
1）模拟井筒布置：在模拟井筒布置及围压设置时，使模拟井筒方向与最大水平主应力方向垂直，在水力裂缝延伸的过程中减少不必要的转向；
2）模拟井筒的长度：大尺寸试样内部的模拟井筒长度选取大尺寸试样边长的60%～80%，水力裂缝能在试样中较为充分的延伸，当大尺寸试样尺寸为300mm时，模拟井筒的长度在180mm～240mm之间；
3）射孔类型：射孔类型是水力裂缝形态的直接决定因素，主要包括射孔数量、射孔在模拟井筒上的分布及射孔直径大小，射孔在模拟井筒上的分布主要是射孔之间的相位角，在实验室条件下，射孔数量选取4～8个/dm，相位角分布在30°～90°，射孔直径大小选取2～6mm；
4）射孔与预置裂缝的交角：射孔方位尽可能地分布在天然裂缝或是层理的轴线方向，即水力裂缝与天然裂缝或层理轴线的夹角在0°～60°之间；
5）模拟地层的参数：模拟地层的参数主要包括试样的杨氏模量、泊松比以及地应力差，杨氏模量和泊松比的改变不会对水力压裂结果产生影响，在实验室条件下，选取σHmax/σhmin<150%，其中，σHmax为最大水平主应力，σhmin为最小水平主应力，水里裂缝不会迅速的向最大主应力方向偏转，有利于形成复杂的裂缝网络；
6）注入泵排量：在实验室条件下注入泵排量选取6～16ml/min的压裂液排量；
7）压裂液：在实验室条件下采用油基压裂液，并加入少量乙醇作为稠化剂有效抑制试验过程中页岩的水化膨胀；
8）支撑剂：选择石英砂作为支撑剂，加量为8%～15%。
10.根据权利要求1所述的陆相页岩气缝网压裂参数优选方法，其特征在于，陆相页岩气水力压裂施工参数优选主要包括以下几个方面：
1）钻井工艺：井眼轨迹方位角的选择除了储层因素之外，还参考地应力的大小与方向合理选择钻孔方向，水平井段与最大地应力方向垂直，使得压出的水力裂缝沿着最大主应力的方向延伸，减少了水力裂缝不必要的转向，增大水力裂缝的波及范围；
2）孔深：钻孔尽可能穿过储层中央，使储层压裂后裂缝尽可能的分布在储层之内，增大气藏的接触面积；
3）完井方式：选组合式桥塞完井；
4）射孔类型：射孔密度采用16个/米，相位角为90°；射孔簇的长度优选在0.4～2m为宜，射孔密度为每簇6～20个射孔，相位角选取30°～90°；
5）注入泵排量：压裂液排量在2～4m3/min，压裂液包括前置液、含砂液和顶替液；
6）压裂液：选择一级羟丙基胍胶压裂液，作为一种水基压裂液，其组成成分包括稠化剂、交联剂、破胶剂、助排剂、起泡剂、KCl、有机粘土稳定剂、pH调节剂、杀菌剂；
7）支撑剂：支撑剂选取中密度陶粒，直径分布在0.4～1mm之间，而含砂液的砂比优选为15～25%。
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| CN105952429B (zh) | 2018-11-20 |
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