CN106198338A - 页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置及使用其的方法 - Google Patents

页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置及使用其的方法 Download PDF

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CN106198338A
CN106198338A CN201510400596.9A CN201510400596A CN106198338A CN 106198338 A CN106198338 A CN 106198338A CN 201510400596 A CN201510400596 A CN 201510400596A CN 106198338 A CN106198338 A CN 106198338A
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shale
man
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reservoir fracturing
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李武广
钟兵
杨学锋
刘义成
冯曦
张小涛
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Petrochina Co Ltd
China Petroleum and Natural Gas Co Ltd
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China Petroleum and Natural Gas Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置及使用其的方法,属于页岩气领域。该页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置包括:页岩样品夹持器,该页岩样品夹持器用于固定页岩样品;气釜和围压泵分别与页岩样品夹持器的进气口连接;压力传感器设置在页岩样品夹持器进气口与气釜之间;驱替泵与气釜连接;气体流量计设置在页岩样品夹持器的出气口本发明提供的页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置及使用其评价页岩储层压裂裂缝应力敏感性的方法解决了对页岩人工裂缝应力敏感性评价困难的问题,针对基质性页岩应力敏感性评价也可以针对实际开采过程中对页岩进行压裂形成的人工裂缝的应力敏感性进行深入的评价。

Description

页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置及使用其的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及页岩气领域,特别涉及页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置及使用 其评价页岩储层压裂裂缝应力敏感性的方法。
背景技术
[0002] 通常,在未开采的地层中,页岩储层对天然气的吸附与解吸作用是彼此平衡的。而 由于页岩储层具有低渗、致密,且"不压裂不产气"的特点,因此在对页岩气,即页岩储层中 的天然气进行开采的过程中,需要对开采的地层进行人工造缝。在人工造缝后,地层中的压 力下降,从而打破了页岩储层对天然气的吸附作用与解吸作用之间的平衡,使得吸附在页 岩基质中的天然气,也就是页岩气会逐渐被解吸。解吸的页岩气沿着压力梯度由高到低的 方向,从页岩的微孔隙中向页岩中的人工裂缝扩散,并通过页岩的人工裂缝流向与人工裂 缝相通的页岩气水平井的井筒中。
[0003] 随着页岩气不断的从页岩储层中开采出来,人工裂缝中孔隙压力不断下降,人工 裂缝的有效应力不断增大,使得人工裂缝导流能力不断下降,使得页岩气的生产量不断降 低。
[0004] 因此,确有必要提供一种页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置及使用其评价页 岩储层压裂裂缝应力敏感性的方法。
发明内容
[0005] 为了解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面,本发明提供了一种 页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置及使用其评价页岩储层压裂裂缝应力敏感性的方 法。所述技术方案如下:
[0006] 本发明的一个目的是提供了一种页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置。
[0007] 本发明的还一目的是提供了一种使用页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置评 价页岩储层压裂裂缝应力敏感性的方法。
[0008] 根据本发明的一个方面,提供了一种页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置,所 述页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置包括:
[0009] 页岩样品夹持器,所述页岩样品夹持器用于固定页岩样品;
[0010] 气釜和围压栗,所述气釜和围压栗分别与所述页岩样品夹持器的进气口连接,所 述气釜用于向所述页岩样品夹持器的内部输入气体,所述围压栗用于控制所述页岩样品夹 持器内的围压;
[0011] 压力传感器,所述压力传感器设置在所述页岩样品夹持器进气口与所述气釜之 间,用于测量所述页岩样品夹持器的进气口的压力;
[0012] 驱替栗,所述驱替栗与所述气釜连接,用于推动所述气釜中的活塞运动并使所述 气釜向所述页岩样品夹持器内输入气体;
[0013] 气体流量计,所述气体流量计设置在所述页岩样品夹持器的出气口,用于测量所 述页岩样品夹持器的出气口的气体的流量。
[0014] 当评价页岩储层压裂裂缝应力敏感性时,通过所述压力传感器所测得的压力值和 所述气体流量计所测得的的气体的流量值,实现对页岩储层压裂裂缝应力敏感性的评价。
[0015] 进一步地,所述页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置还包括恒温设备,所述页 岩样品夹持器和气釜设置在所述恒温设备中,用于控制所述页岩样品夹持器和气釜内的温 度。
[0016] 进一步地,在所述气釜内的气体为甲烷、二氧化碳或者氮气,在所述气釜内的气体 的纯度为99. 9%。
[0017] 进一步地,在所述驱替栗和所述气釜之间设置有用于控制所述驱替栗向所述气釜 输入的液体量的六通阀,
[0018] 所述压力传感器设置在所述页岩样品夹持器的出气口与所述气体流量计之间,用 于测量所述页岩样品夹持器出气口的压力。
[0019] 根据本发明的另一方面,本发明还提供了一种使用上述的页岩储层压裂裂缝应力 敏感性测试装置评价页岩储层压裂裂缝应力敏感性的方法,所述方法包括下列步骤:
[0020] (1)将通过页岩渗透率测定仪测量页岩样品在不同围压下的基质渗透率和基质孔 隙度;
[0021] (2)对所述页岩样品进行人工造缝;
[0022] (3)在多个不同围压下,通过页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置测量并计算 经人工造缝处理后的页岩样品的有效渗透率;
[0023] (4)通过测量得知的所述页岩样品的基质渗透率、基质孔隙度和有效渗透率进行 计算得出所述页岩样品的人工裂缝渗透率、人工裂缝孔隙度和人工裂缝宽度;
[0024] (5)通过计算处理获得所述人工裂缝渗透率、人工裂缝孔隙度和人工裂缝宽度分 别与所述围压之间的拟合关系,以实现对页岩储层压裂裂缝应力敏感性的评价。
[0025] 具体地,所述页岩样品为通过选井选样,将原始页岩样品进行钻心处理制备成直 径大小相似的小柱塞样的岩心,所述页岩样品夹持器为岩心夹持器。
[0026] 进一步地,将所述页岩样品进行人工造缝的步骤还包括:
[0027] al将所述岩心从顶部中心位置处沿所述岩心的高度方向垂直切成两半;
[0028] a2将所述两半的岩心通过粘结剂彼此重新固定在一起,从而在所述岩心上形成人 工裂缝。
[0029] 具体地,在所述人工裂缝中填充工程压裂支撑剂。
[0030] 具体地,在测量经人工造缝处理后的岩心的有效渗透率的步骤中,还包括以下步 骤:
[0031] bl保持页岩储层压裂裂缝应力敏感测试装置内为真空状态,在测量时使岩心夹持 器的出气口的压力为大气压;
[0032] b2在测量时,使围压栗控制岩心夹持器内的围压;
[0033] b3使驱动栗向气爸内输入液体,使气爸向岩心夹持器内输入气体;
[0034] b4通过压力传感器测量岩心夹持器的进气口的压力,并通过气体流量计测量岩心 夹持器出气口的气体流量;
[0035] b5计算得出岩心夹持器进气口与出气口的压力差,并通过压力差和测量的气体流 量计算得出页岩样品的有效渗透率。
[0036] 具体地,人工造缝页岩岩心有效渗透率为:1^= km+<i)fkf (1)
[0037] 人工裂缝渗透率为
Figure CN106198338AD00071
[0038] 人工裂缝孔隙度为
Figure CN106198338AD00072
[0039] 将公式⑵和⑶代入公式⑴中,得到:
[0040] 人工裂缝宽趕
Figure CN106198338AD00073
[0041] 其中,-一人工造缝页岩岩心有效渗透率,单位为10 3 μ m2;
[0042] km--页岩岩心基质渗透率,单位为10 3 μ m2;
[0043] Φ f-一人工裂缝孔隙度,单位为% ;
[0044] kf--人工裂缝渗透率,单位为10 3 μ m2;
[0045] wf--人工裂缝宽度,单位为μ m ;
[0046] d--岩心直径,单位为cm。
[0047] 进一步地,在计算得出人工裂缝宽度wf后,根据公式计算得出人工裂缝孔隙度Φ f 和人工裂缝渗透率kf。
[0048] 进一步地,在测量所述页岩样品的有效渗透率时,通过气釜向页岩样品夹持器内 输入恒定流压的气体。
[0049] 具体地,所述人工裂缝渗透率、人工裂缝孔隙度和人工裂缝宽度分别与所述围压 之间的拟合关系为乘幂函数关系。
[0050] 进一步地,所述工程压裂支撑剂为石英砂和陶粒的混合物。
[0051] 本发明提供的技术方案的有益效果是:本发明提供的页岩储层压裂裂缝应力敏感 性测试装置及使用其评价页岩储层压裂裂缝应力敏感性的方法解决了目前对页岩的人工 裂缝应力敏感性评价困难的问题。不仅仅可以针对基质性页岩应力敏感性评价,也可以针 对实际开采过程中对页岩进行压裂形成的人工裂缝的应力敏感性进行深入的评价,这对于 获取页岩气水平井产量递规律和可采储量计算都具有非常重要的意义。
附图说明
[0052] 图1是根据本发明的一个实施例的页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置的结 构示意图;
[0053] 图2是使用页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置评价页岩储层压裂裂缝应力 敏感性的方法的流程图;
[0054] 图3是采用图2所示的方法所得的页岩岩心基本物理属性数据表;
[0055] 图4是采用图2所示的方法中的人工造缝处理后的页岩样品的结构示意图;
[0056] 图5是1号页岩岩心基质渗透率应力敏感曲线图;
[0057] 图6是2号页岩岩心基质渗透率应力敏感曲线图;
[0058] 图7是3号页岩岩心基质渗透率应力敏感曲线图;
[0059] 图8是4号页岩岩心基质渗透率应力敏感曲线图;
[0060] 图9是5号页岩岩心基质渗透率应力敏感曲线图;
[0061] 图10是6号页岩岩心基质渗透率应力敏感曲线图;
[0062] 图11是7号页岩岩心基质渗透率应力敏感曲线图;
[0063] 图12是8号页岩岩心基质渗透率应力敏感曲线图;
[0064] 图13是9号页岩岩心基质渗透率应力敏感曲线图;
[0065] 图14是图5-13中所示出的页岩岩心基质渗透率应力敏感归一化曲线图;
[0066] 图15是1号页岩岩心人工裂缝应力敏感曲线图;
[0067] 图16是2号页岩岩心人工裂缝应力敏感曲线图;
[0068] 图17是3号页岩岩心人工裂缝应力敏感曲线图;
[0069] 图18是4号页岩岩心人工裂缝应力敏感曲线图;
[0070] 图19是5号页岩岩心人工裂缝应力敏感曲线图;
[0071] 图20是6号页岩岩心人工裂缝应力敏感曲线图;
[0072] 图21是图15-19所示出的页岩岩心人工裂缝归一化渗透率应力敏感曲线图;
[0073] 图22是图15-19所示出的页岩岩心人工裂缝归一化孔隙度应力敏感曲线图;
[0074] 图23是图15-19所示出的页岩岩心人工裂缝归一化宽度应力敏感曲线图;
[0075] 图24是1号页岩岩心充填支撑剂的人工裂缝应力敏感曲线图;
[0076] 图25是2号页岩岩心充填支撑剂的人工裂缝应力敏感曲线图;
[0077] 图26是5号页岩岩心充填支撑剂的人工裂缝应力敏感曲线图;
[0078] 图27是7号页岩岩心充填支撑剂的人工裂缝应力敏感曲线图;
[0079] 图28是8号页岩岩心充填支撑剂的人工裂缝应力敏感曲线图;
[0080] 图29是9号页岩岩心充填支撑剂的人工裂缝应力敏感曲线图;
[0081] 图30是图24-29所示出的充填支撑剂的人工裂缝归一化渗透率应力敏感曲线 图;
[0082] 图31是图24-29所示出的充填支撑剂的人工裂缝归一化孔隙度应力敏感曲线 图;
[0083] 图32是图24-29所示出的充填支撑剂的人工裂缝归一化缝隙宽度应力敏感曲线 图;
[0084] 图33是图5、图6、图9、图24、图25和图26所示出的页岩样品充填支撑剂前后人 工裂缝归一化渗透率应力敏感对比曲线图;
[0085] 图34是图5、图6、图9、图24、图25和图26所示出的页岩样品充填支撑剂前后人 工裂缝归一化孔隙度应力敏感对比曲线图;
[0086] 图35是是图5、图6、图9、图24、图25和图26所示出的页岩样品充填支撑剂前后 人工裂缝归一化裂缝宽度应力敏感对比曲线图;
[0087] 图36是页岩储层人工裂缝应力敏感曲线拟合函数表。
[0088] 其中,100页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置,10页岩样品夹持器,11人工裂 缝,20气釜,30围压栗,40压力传感器,50驱替栗,51六通阀,60气体流量计,70恒温设备。
具体实施方式
[0089] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方 式作进一步地详细描述。
[0090] 参见图1,其示出了根据本发明的一个实施例的页岩储层压裂裂缝应力敏感性测 试装置100。页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置100包括:页岩样品夹持器10、气釜 20、围压栗30、压力传感器40、驱替栗50、气体流量计60和恒温设备70。具体地,页岩样品 夹持器10用于固定页岩样品,页岩夹持器10的进气口分别与气釜20和围压栗30连接,气 釜20用于向页岩样品夹持器10的内部输入气体,围压栗30用于控制页岩样品夹持器10 内的围压。在本发明的一个示例中,为了模拟地层条件下的有效覆压,将围压栗30的压力 采集范围在0~60MPa,例如模拟地层深度为2000m的页岩环境,将有效覆压设置为50MPa, 则围压栗30的压力设置为50MPa。
[0091] 在本发明的一个示例中,在页岩夹持器10上设置有第一进气口和第二进气口,第 一进气口与气釜20连接,第二进气口与围压栗30连接。在本发明的另一示例中,将气釜20 内的气体设置为纯度是99. 9%的甲烷(CH4),当气釜20中的气体被推入页岩样品夹持器10 中时,能够模拟页岩在地层中的环境,这样使得实验得出的数据更准确。当然本领域的技术 人员还可以将气釜20内的甲烷替代为99. 9 %的二氧化碳(C02)或者99. 9 %的氮气(N2), 本领域的技术人员可以明白本示例仅是一种说明性示例,不应当理解为对本发明的一种限 制,只要能实现模拟页岩在地层中的环境,气釜内的气体的种类和纯度都可以进行相应地 选择。
[0092] 页岩夹持器10的出气口与气体流量计60连接,气体流量计60用于测量页岩样品 夹持器10的出气口处的气体的流量。如图1所示,气釜20的一端与页岩夹持器10连接,另 一端与驱替栗50连接,驱替栗50用于推动气釜20中的活塞运动并使气釜20向页岩样品 夹持器10内输入气体。在本发明的一个示例中,驱替栗50中为预先栗入的液体,例如水或 者油。当然本领域的技术人员可以明白驱替栗内可以采用为其它液体进行替代,只要能使 驱替栗50在实验时能够推动气釜20内的活塞(未示出)即可。在本发明的一个示例中, 在驱替栗50和气釜20之间设置用于控制驱替栗50向气釜20输入液体量的六通阀51。
[0093] 为了真实地模拟页岩周围的环境,将页岩样品夹持器10和气釜20设置在了恒温 设备70中,通过恒温设备70对温度的控制来模拟不同地层的地层温度,温度的采集范围为 0~200°C。在本发明的一个示例中将恒温设备70内的温度保持在90°C,当然本领域的技 术人员可以明白,在不同的地层,地层温度也是不一样的,因此本领域的技术人员可以将恒 温设备70中的温度设置为其它温度,只要能实现模拟页岩周围的环境即可。
[0094] 在页岩样品夹持器10的进气口与气釜20之间设置有压力传感器40,压力传感器 40用于测量页岩样品夹持器10的进气口的压力。这样的设计使得页岩储层压裂裂缝应力 敏感性测试装置100可以实现在页岩人工裂缝应力敏感实验过程中全程压力和气量自动 记录的功能,保证了实验实时监控和数据的准确性。
[0095] 在本发明的一个示例中,还可以在页岩样品夹持器10与气体流量计60之间同样 设置有压力传感器40,这样在实验时,通过观察页岩样品夹持器10两侧的压力传感器40, 可以计算得出页岩样品夹持器10进气口和出气口的压力差,并且通过气体流量计60测量 得到的气体流量,运用达西定理计算可以得出页岩样品在人工造缝后的有效渗透压。
[0096] 在本发明的另一不例中,将气爸20与页岩样品夹持器10之间的压力传感器40 设置为压力表,而由于在实验前,将页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置1〇〇内的空气 全部排出,并在实验过程中保持真空状态,使得页岩样品夹持器10的出气口的压力为大气 压,这样将压力表上的压力值与大气压比较并得出相应的压力差,将所得的压力差代入达 西定律中,即可得到在相应的围压下的有效渗透率。
[0097] 在本发明的还一示例中,将气釜20与页岩样品夹持器10之间的压力传感器40设 置为压力表,在页岩样品夹持器10与气体流量计60之间设置回压阀,通过压力表和回压阀 对页岩样品夹持器10两端的压力的测量,计算得出相应的压力差,并通过达西定律计算得 出相应围压下的有效渗透率。
[0098] 参见图2,其示出了根据本发明的一个实施例的使用页岩储层压裂裂缝应力敏感 性测试装置评价页岩储层压裂裂缝应力敏感性的方法的流程。该方法包括下列步骤:
[0099] (1)将通过页岩渗透率测定仪测量页岩样品在不同围压下的基质渗透率和基质孔 隙度;
[0100] (2)对所述页岩样品进行人工造缝;
[0101] (3)在多个不同围压下,测量经人工造缝处理后的页岩样品的有效渗透率;
[0102] (4)通过测量得知的所述页岩样品的基质渗透率、基质孔隙度和有效渗透率计算 得出所述页岩样品的人工裂缝渗透率、人工裂缝孔隙度和人工裂缝宽度;
[0103] (5)通过计算处理获得所述人工裂缝渗透率、人工裂缝孔隙度和人工裂缝宽度分 别与所述围压之间的拟合关系,以便于对页岩储层压裂裂缝应力敏感性进行评价。
[0104] 在本发明的一个示例中,页岩样品为通过选井选样,将原始页岩样品进行钻心处 理,制备成直径大小为2. 5cm大小的小柱塞样的岩心。当然本领域技术人员可以明白,页岩 样品的直径的大小可以根据需要进行相应地调整,例如制备成直径大小为3cm或者1. 5cm 大小的小柱塞样的岩心,本示例仅是一种说明性示例,不应当理解为对本发明的一种限制。
[0105] 在准备好页岩样品以后,在气釜10内栗入纯度为99. 9%的甲烷(CH4),当然本领 域技术人员可以明白,还可在气釜10内装入纯度为99. 9%的二氧化碳(C02)或者纯度为 99. 9 % 的氮气(N2)。
[0106] 为了使实验所得的数据更为准确,实验条件将模拟地层条件,使整个实验过程均 在模拟的地层条件下进行。例如当模拟未被开采的地层的深度为2000m,原始地层压力 50MPa和有效覆压50MPa时,使实验中的围压栗30输出的压力模拟地层中的有效应力,即将 围压栗30输出的最高压力设置为50MPa,且所模拟的该地层的温度为90°C,因此将恒温设 备70的温度设置为90°C,当然本领域的技术人员可以明白,恒温设备70的温度可以根据模 拟地层的不同设置相应的地层温度,因此恒温设备70的温度可以根据需要进行相应地调 To
[0107] 在做好实验准备后,首先将岩心清洗烘干,并测量岩心的长度L、直径d和干重M, 在测量时对岩心进行编号和记录相应的数据,在本示例中页岩样品共有9个,因此分别从 1到9依次编号;之后利用页岩渗透率测定仪(未示出)测量小柱塞样的页岩样品(即岩 心)在多个不同围压下的基质渗透率k"和基质孔隙度Φ ",由此得到页岩岩心基本物性数据 (如图3所示)。在本示例中,将多个不同的围压设置为5MPa、10MPa、15MPa、20MPa、25MPa、 30MPa、35MPa、40MPa、45MPa和50MPa。在测量基质渗透率km和基质孔隙度Φιή时,可以在 同一围压下重复测定3次,以此减小测量所得数据的误差。当然本领域的技术人员可以明 白,多个不同围压可以设置为其它参数,只要便于实验即可。
[0108] 在测量完页岩样品的基质渗透率k"和基质孔隙度Φ "后,给小柱塞样页岩样品 (即岩心)进行人工造缝处理,将小柱塞样的岩心从顶部中心位置沿岩心的高度方向(即 沿图4中的箭头方向)垂直切成两半,并用粘结剂,例如胶带彼此重新固定在一起,从而在 岩心上形成了人工裂缝11。当然本领域的技术人员可以根据需要将人工裂缝设置为1条、 2条或者更多条,只要能够模拟在开采页岩气时的地层条件即可。
[0109] 在人工造缝处理后,将小柱塞样的岩心放入页岩样品夹持器10,例如岩心夹持器 中,并在实验前需要检查页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置100是否漏气,并进行放 空处理,务必确保页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置100内没有空气混入,使装置内 为真空状态,这样能够减小实验中的误差。
[0110] 在实验开始时,保持气釜20向岩心夹持器中输入的气体的流压为恒压0. 5MPa,围 压栗30保持岩心夹持器中的初始围压为5MPa,通过气体流量计60测量得出在此条件下气 体的流量值,并通过达西定律计算得出相应地岩心的有效渗透率之后设置多个不同的 围压,重复测量并计算出相应围压下的岩心的有效渗透率I。例如在同一围压下,通过设置 在岩心夹持器与气爸20之间的压力表测量出岩心夹持器的进气口的压力,由于岩心夹持 器的出气口为真空状态,因此岩心夹持器的出气口的压力为大气压,将岩心夹持器的进气 口的压力和出气口的大气压均代入达西定律中计算得出在该围压下的岩心的有效渗透率 I。以此类推,这样就可以通过测量并计算得出了同一岩心在多个不同围压下的有效渗透 率ke。
[0111] 在测量计算有效渗透率时,多个不同的围压可以设置为5MPa、10MPa、15MPa、 20MPa、25MPa、30MPa、35MPa、40MPa、45MPa和50MPa。在测量时,围压栗30从低到高不断增 加围压,直到达到设计的最高压力为止。实验时,在同一围压下可以重复测定3次,这样可 以减少实验中的误差。同一岩心在同一围压下测量并计算所得的多个有效渗透率通过求平 均值的方式即可得到该围压下的有效渗透率。本领域的技术人员可以明白围压的设置可以 根据不同的需要进行相应的设置,而且重复测定的次数也可以根据需要做相应地调整。
[0112] 在得出不同围压下的岩心的有效渗透率k后,对实验数据进行相应地处理。例如 利用实验测得的人工造缝前的岩心的基质渗透率k"和人工造缝后的岩心的有效渗透率 通过公式计算人工裂缝的宽度w f,再利用人工裂缝的宽度wf通过相应地公式计算得出人工 裂缝渗透率kf和人工裂缝孔隙度Φ f。其中,
[0113] 人工造缝页岩岩心有效渗透率为:ke= km+C^fkf (1)
Figure CN106198338AD00111
[0116] 将公式⑵和⑶代入公式⑴中,得到:
[0117] 人工裂缝宽趕
Figure CN106198338AD00112
[0118] 其中,k一一人工造缝页岩岩心有效渗透率,单位为10 3 μ m2;
[0119] kn--页岩岩心基质渗透率,单位为10 3 μ m2;
[0120] Φ,一一人工裂缝孔隙度,单位为% ;
[0121] kf--人工裂缝渗透率,单位为10 3 μ m2;
[0122] wf--人工裂缝宽度,单位为μ m ;
[0123] d--岩心直径,单位为cm。
[0124] 通过公式(3)可以计算得出岩心的人工裂缝宽度wf,之后将人工裂缝宽度w f代入 公式(2)和(3)中,计算得出人工裂缝渗透率kf和人工裂缝孔隙度Φ f。在计算同一岩心 在相应围压下的人工裂缝宽度wf、人工裂缝渗透率kf和人工裂缝孔隙度Φ f之后,做人工裂 缝渗透率kf随有效应力(即围压栗输出的围压)的变化曲线,从而评价页岩储层压裂裂缝 应力敏感性。
[0125] 参见图5至图13,其不出了页岩岩心1号~9号在不同围压下的基质渗透率应力 敏感曲线。从图中可以看出,随着围压的不断增加,页岩样品(即岩心)的基质渗透率会逐 渐降低,且明显地分为两个阶段。其中,在第I阶段中,即当上覆压力(即实验中的围压) 小于30MPa时,页岩样品(即岩心)的基质渗透率下降幅度比较大;在第II阶段中,当上覆 压力(即实验中的围压)大于30MPa,小于50MPa时,页岩样品的基质渗透率下降比较缓慢, 且减小幅度比较平稳。经分析认为在第I阶段时,由于上覆压力(即实验中的围压)的作 用使得页岩骨架发生变形,导致基质渗透率快速减小,当上覆压力(即实验中的围压)增大 到30MPa时,页岩骨架变形已经达到极点,且随着围压的增大,页岩样品的孔隙结构变化很 小,基质渗透率下降幅度不明显。
[0126] 具体参见图14,其示出了页岩岩心基质渗透率应力敏感归一化曲线。由图14可 知,各种级别的基质渗透率的岩心都存在一定的应力敏感性,不同基质渗透率的页岩样品 的应力敏感程度不同,但在总体上,基质渗透率越大的页岩样品,其应力敏感性越强。当岩 心的基质渗透率大于〇. 6X 10-6 μπι2时,页岩样品的应力敏感变得非常强;当岩心的基质 渗透率小于0. 3 X 10-6 μ m2时,页岩样品的基质渗透率变化小,其应力敏感性相对较弱。
[0127] 其中,在页岩样品中的4号岩心、6号岩心和9号岩心的基质渗透率应力敏感最强, 由此说明这4号岩心、6号岩心和9号岩心中的微裂缝比较发育,即随着围压的增大,其基质 渗透率下降得越厉害。在页岩样品中,3号岩心、5号岩心和8号岩心的基质渗透率应力敏感 最弱,由此说明3号岩心、5号岩心和8号岩心的微裂缝不发育,即随着上覆压力(即实验中 的围压)的增大,其基质渗透率应力敏感不强。也就是说,当页岩气藏的生产压差增大时, 页岩受到的有效应力增大,使得地层中的裂缝闭合,基质渗透率大幅度地下降,从而对地层 造成严重的伤害。因此,一定程度的控制页岩气水平井的合理的生产压差可以有效地减小 页岩气储层的应力敏感效应。
[0128] 参见图15至图20,示出了是页岩样品1号~6号经人工造缝后的人工裂缝渗透 率、人工裂缝孔隙度和人工裂缝宽度分别与有效应力(即实验中的围压)的关系曲线。图 21是页岩岩心人工裂缝归一化渗透率应力敏感曲线图;图22是页岩岩心人工裂缝归一化 孔隙度应力敏感曲线图;图23是页岩岩心人工裂缝归一化宽度应力敏感曲线图。
[0129] 由图可知,随着有效应力(即实验中的围压)的增大,人工裂缝渗透率、人工裂缝 孔隙度和人工裂缝宽度都在不断地减小,但减小幅度比较缓慢。当有效应力(即实验中的 围压)达到地层压力50MPa时,人工裂缝渗透率保持在3000md (毫达西)以上,人工裂缝孔 隙度和人工裂缝宽度的变化幅度也比较小。由此说明页岩样品的人工裂缝的闭合压力比较 高,应力敏感性相对较弱,因此在实际开采过程中,页岩的人工裂缝可以为页岩气提供畅通 渗流的保障。
[0130] 在本发明的另一示例中,在人工造缝后,将工程压裂支撑剂,例如100目石英砂和 40/70陶粒填充到人工裂缝11中。充填支撑剂的人工裂缝应力敏感性实验是为了获得页岩 气分段压裂水平井的人工裂缝渗透率与有效应力的变化关系。其中在页岩样品中的1号岩 心、2号岩心和5号岩心是做完未填充支撑剂人工裂缝应力敏感实验之后,再填充工程压裂 支撑剂做填充支撑剂人工裂缝应力敏感实验,而7号岩心、8号岩心和9号岩心在人工造缝 后直接将工程压裂支撑剂填充在人工裂缝中进行相应地实验,即7号岩心、8号岩心和9号 岩心只做了填充工程压裂支撑剂做填充支撑剂人工裂缝应力敏感实验。在填充支撑剂人工 裂缝应力敏感实验中测量和计算页岩样品的基质渗透率、基质孔隙度、有效渗透率、人工裂 缝渗透率、人工裂缝孔隙度和人工裂缝宽度的方法与上述未填充支撑剂的人工裂缝应力敏 感实验中的测量和计算方法完全相同。
[0131] 参见图24至图29所示,其示出了页岩岩心充填支撑剂的人工裂缝应力敏感曲线。 由图可知,随着有效应力(即实验中的围压)的增大,人工裂缝渗透率、人工裂缝孔隙度和 人工裂缝宽度都在不断减小,在开始的时候下降的幅度比较快,当有效应力达到30MPa时, 人工裂缝渗透率、人工裂缝孔隙度和人工裂缝宽度减小的幅度相对缓慢一点。
[0132] 具体参见图30至图32,示出了充填支撑剂的人工裂缝归一化应力敏感曲线。由图 可知,随着有效应力(即实验中的围压)的增大,人工裂缝渗透率、人工裂缝孔隙度和人工 裂缝宽度都在不断减小。
[0133] 继续参见图33至图35,从充填支撑剂前后人工裂缝归一化应力敏感对比曲线可 以看出一个明显的特点:充填支撑剂前后人工裂缝应力敏感曲线变化比较大,使用在做完 未填充支撑剂的人工裂缝应力敏感实验后的页岩样品做充填支撑剂的人工裂缝应力敏感 实验,其实验结果表明充填支撑剂人工裂缝应力敏感曲线人工渗透率、人工孔隙度和人工 裂缝宽度下降的幅度比较快。经分析认为,人工裂缝渗透率、人工裂缝孔隙度和人工裂缝宽 度具有不可逆性,当做完一次应力敏感实验之后,页岩样品的人工裂缝的内部结构已经被 有效应力改变,当再次做实验时,该页岩样品的人工裂缝对应力敏感比较弱。
[0134] 参见图36,其示出了页岩储层人工裂缝应力敏感曲线拟合函数表。将所得的实验 数据利用各种常规函数,例如线性函数、多项式函数、指数函数、对数函数和幂函数等进行 函数拟合。在进行函数拟合后,通过拟合的结果发现无论对未填充支撑剂的人工裂缝应力 敏感实验的数据还是填充支撑剂的人工裂缝应力敏感实验的数据,采用乘幂函数拟合实验 数据,其偏差值最小。通过人工裂缝渗透率、人工裂缝孔隙度和人工裂缝宽度分别与有效应 力的拟合函数相关性,充分说明了页岩储层人工裂缝渗透率、人工裂缝孔隙度和人工裂缝 宽度分别与地层有效应力成乘幂函数关系。这样的结论将为页岩气分段压裂水平井裂缝应 力敏感性评价提供理论指导。
[0135] 本发明提供的技术方案的有益效果是:本发明提供的页岩储层压裂裂缝应力敏感 性测试装置及使用其评价页岩储层压裂裂缝应力敏感性的方法解决了目前对页岩的人工 裂缝应力敏感性评价困难的问题。不仅仅可以针对基质性页岩应力敏感性评价,也可以针 对实际开采过程中对页岩进行压裂形成的人工裂缝的应力敏感性进行深入的评价,这对于 获取页岩气水平井产量递规律和可采储量计算都具有非常重要的意义。
[0136] 以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和 原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1. 一种页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置,其特征在于, 所述页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置包括: 页岩样品夹持器,所述页岩样品夹持器用于固定页岩样品; 气釜和围压栗,所述气釜和围压栗分别与所述页岩样品夹持器的进气口连接,所述气 釜用于向所述页岩样品夹持器的内部输入气体,所述围压栗用于控制所述页岩样品夹持器 内的围压; 压力传感器,所述压力传感器设置在所述页岩样品夹持器进气口与所述气釜之间,用 于测量所述页岩样品夹持器的进气口的压力; 驱替栗,所述驱替栗与所述气釜连接,用于推动所述气釜中的活塞运动并使所述气釜 向所述页岩样品夹持器内输入气体; 气体流量计,所述气体流量计设置在所述页岩样品夹持器的出气口,用于测量所述页 岩样品夹持器的出气口的气体的流量; 当评价页岩储层压裂裂缝应力敏感性时,通过所述压力传感器所测得的压力值和所述 气体流量计所测得的的气体的流量值,实现对页岩储层压裂裂缝应力敏感性的评价。
2. 根据权利要求1所述的页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置,其特征在于, 所述页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置还包括恒温设备,所述页岩样品夹持器和 气釜设置在所述恒温设备中,用于控制所述页岩样品夹持器和气釜内的温度。
3. 根据权利要求2所述的页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置,其特征在于, 在所述气釜内的气体为甲烷、二氧化碳或者氮气,在所述气釜内的气体的纯度为 99. 9%〇
4. 根据权利要求1所述的页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置,其特征在于, 在所述驱替栗和所述气釜之间设置有用于控制所述驱替栗向所述气釜输入的液体量 的六通阀, 所述压力传感器设置在所述页岩样品夹持器的出气口与所述气体流量计之间,用于测 量所述页岩样品夹持器出气口的压力。
5. -种使用根据权利要求1-4中任一项所述的页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装 置评价页岩储层压裂裂缝应力敏感性的方法,所述方法包括下列步骤: (1) 将通过页岩渗透率测定仪测量页岩样品在不同围压下的基质渗透率和基质孔隙 度; (2) 对所述页岩样品进行人工造缝; (3) 在多个不同围压下,通过页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置测量并计算经人 工造缝处理后的页岩样品的有效渗透率; (4) 通过测量得知的所述页岩样品的基质渗透率、基质孔隙度和有效渗透率进行计算 得出所述页岩样品的人工裂缝渗透率、人工裂缝孔隙度和人工裂缝宽度; (5) 通过计算处理获得所述人工裂缝渗透率、人工裂缝孔隙度和人工裂缝宽度分别与 所述围压之间的拟合关系,以实现对页岩储层压裂裂缝应力敏感性的评价。
6. 根据权利要求5所述的使用页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置评价页岩储层 压裂裂缝应力敏感性的方法,其特征在于, 所述页岩样品为通过选井选样,将原始页岩样品进行钻心处理制备成直径大小相似的 小柱塞样的岩心,所述页岩样品夹持器为岩心夹持器。
7. 根据权利要求6所述的使用页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置评价页岩储层 压裂裂缝应力敏感性的方法,其特征在于, 将所述页岩样品进行人工造缝的步骤还包括: al将所述岩心从顶部中心位置处沿所述岩心的高度方向垂直切成两半; a2将所述两半的岩心通过粘结剂彼此重新固定在一起,从而在所述岩心上形成人工裂 缝。
8. 根据权利要求7所述的使用页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置评价页岩储层 压裂裂缝应力敏感性的方法,其特征在于, 在所述人工裂缝中填充工程压裂支撑剂。
9. 根据权利要求7或8所述的使用页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置评价页岩储 层压裂裂缝应力敏感性的方法,其特征在于, 在测量经人工造缝处理后的岩心的有效渗透率的步骤中,还包括以下步骤: bl保持页岩储层压裂裂缝应力敏感测试装置内为真空状态,在测量时使岩心夹持器的 出气口的压力为大气压; b2在测量时,使围压栗控制岩心夹持器内的围压; b3使驱动栗向气爸内输入液体,使气爸向岩心夹持器内输入气体; b4通过压力传感器测量岩心夹持器的进气口的压力,并通过气体流量计测量岩心夹持 器出气口的气体流量; b5计算得出岩心夹持器进气口与出气口的压力差,并通过压力差和测量的气体流量计 算得出页岩样品的有效渗透率。
10. 根据权利要求9所述的使用页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置评价页岩储层 压裂裂缝应力敏感性的方法,其特征在于, 人工造缝页岩岩心有效渗透率为屯=1^+巾九 (1)
Figure CN106198338AC00031
人工裂缝渗透率为 人工裂缝孔隙度为 将公式⑵和⑶代入公式⑴中,得到: 人工裂缝宽度
Figure CN106198338AC00032
其中,k一一人工造缝页岩岩心有效渗透率,单位为10 3 ym2; km--页岩岩心基质渗透率,单位为10 3 ym2; 4>f一一人工裂缝孔隙度,单位为% ; kf--人工裂缝渗透率,单位为10 3 y m2; wf--人工裂缝宽度,单位为y m ; d--岩心直径,单位为cm。
11. 根据权利要求10所述的使用页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置评价页岩储 层压裂裂缝应力敏感性的方法,其特征在于, 在计算得出人工裂缝宽度Wf后,根据公式计算得出人工裂缝孔隙度巾f和人工裂缝渗 透率kf。
12. 根据权利要求9所述的使用页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置评价页岩储层 压裂裂缝应力敏感性的方法,其特征在于, 在测量所述页岩样品的有效渗透率时,通过气釜向页岩样品夹持器内输入恒定流压的 气体。
13. 根据权利要求7或8所述的使用页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置评价页岩 储层压裂裂缝应力敏感性的方法,其特征在于, 所述人工裂缝渗透率、人工裂缝孔隙度和人工裂缝宽度分别与所述围压之间的拟合关 系为乘幂函数关系。
14. 根据权利要求8所述的使用页岩储层压裂裂缝应力敏感性测试装置评价页岩储层 压裂裂缝应力敏感性的方法,其特征在于, 所述工程压裂支撑剂为石英砂和陶粒的混合物。
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