CN106596380A - 一种页岩分段压裂水平井压裂液返排能力评价方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种页岩分段压裂水平井压裂液返排能力评价方法及装置，属于页岩气开发领域。所述方法包括：获取页岩岩心，在页岩岩心上形成多组压裂缝网，向页岩岩心中注入气体，得到气体饱和的页岩岩心，并记录注入的气体体积，向饱和气体的所述页岩岩心中注入压裂液，得到压裂液饱和的页岩岩心，并记录注入的压裂液体积，对饱和压裂液的页岩岩心进行返排测试，记录排出的压裂液体积和排出的气体体积，计算得到返排能力的评价指标，可以被用来进行利用室内相似物理模拟方法的页岩分段压裂水平井压裂液返排能力的研究，可以为提高页岩储层压裂改造效果、提高页岩气井产量提供科学依据，有利于页岩分段压裂水平合理井排采制度的制定。

Description

一种页岩分段压裂水平井压裂液返排能力评价方法及装置

技术领域

本发明属于页岩气开发领域，特别涉及一种页岩分段压裂水平井压裂液返排能力评价方法及装置。

背景技术

随着非常规油气勘探和开发程度的不断提高，页岩气作为一种储量巨大的非常规天然气资源，越来越受到各国研究人员的重视，被视为油气资源接替的主要方向之一。页岩气的形成和富集具有自生自储、纳米孔隙发育、有机质大量散布的特点，使得页岩气赋存方式多样，不仅含有游离气，还含有大量的吸附气，同时导致页岩气流动机理复杂、开发难度非常大，具有“不压裂基本不产气、直井低产能”的典型特点。面对页岩气的这种特点，水力分段压裂水平井是改造页岩储层、增强页岩气导流能力的重要手段。

目前国内外关于页岩分段压裂水平井压裂液返排的研究集中在生产数据统计阶段，主要分析页岩分段压裂水平井产液量的量变特征。

在实现本发明的过程中，本发明人发现现有技术中至少存在以下问题：

对于页岩分段压裂水平井压裂液返排机理的研究尚处于探索阶段，尤其在室内相似物理模拟方法方面还没有相关研究，国内也还没有页岩分段压裂水平井压裂液返排能力评价方法及装置，不能很好地指导页岩的开发。

发明内容

为了更好地研究页岩分段压裂水平井压裂液返排机理，本发明提供一种页岩分段压裂水平井压裂液返排能力评价方法及装置。

具体而言，包括以下的技术方案：

一种页岩分段压裂水平井压裂液返排能力评价方法，所述方法包括：

获取页岩岩心；

在所述页岩岩心上形成多组压裂缝网；

向所述页岩岩心中注入气体，得到气体饱和的所述页岩岩心，并记录注入的气体体积；

向所述饱和气体的所述页岩岩心中注入压裂液，得到压裂液饱和的所述页岩岩心，并记录注入的压裂液体积；

对所述饱和压裂液的所述页岩岩心进行返排测试，记录排出的压裂液体积和排出的气体体积；

根据所述注入的气体体积、所述注入的压裂液体积、所述排出的压裂液体积和所述排出的气体体积得到返排能力的评价指标。

进一步地，在所述获取页岩岩心之后和在所述页岩岩心上形成多组压裂缝网之前，所述方法还包括：清洗并烘干所述页岩岩心。

进一步地，所述在所述页岩岩心上形成多组压裂缝网之后和所述向所述页岩岩心中注入气体，得到气体饱和的所述页岩岩心，并记录注入的气体体积之前，所述方法还包括：将所述页岩岩心固定在岩心夹持器中。

进一步地，所述将所述页岩岩心固定在岩心夹持器中之后，所述方法还包括：将岩心夹持器抽真空，然后加围压至水平井筒处上覆岩层的压力。

进一步地，所述将岩心夹持器抽真空，然后加围压至水平井筒处上覆岩层的压力之后，所述方法还包括：如果水平井筒处上覆岩层的压力比页岩破裂压力没有高5MPa，则将岩心夹持器加围压至比页岩破裂压力高5MPa。

进一步地，所述向所述页岩岩心中注入气体，得到气体饱和的所述页岩岩心，并记录注入的气体体积具体包括：向所述页岩岩心中注入气体，使得所述页岩岩心的压力数值达到推算的地层压力的压力数值，得到气体饱和的所述页岩岩心，并记录注入的气体体积。

进一步地，所述返排能力的评价指标包括：返排能力、吸水量和储量可动用程度。

进一步地，所述返排能力的计算公式如下：

式中：F为返排能力大小；V_w1为注入的压裂液体积，单位为cm³；V_w2为排出的压裂液体积，单位为cm³。

进一步地，所述吸水量的计算公式如下：

I＝V_w1-V_w2

式中：I为页岩吸水量，单位为cm³。

进一步地，所述储量可动用程度的计算公式如下：

式中：R为储量可动用程度；V_g1为注入的气体体积，单位为cm³；V_g2为排出的气体体积，单位为cm³。

一种页岩分段压裂水平井压裂液返排机理测试装置，所述装置包括：恒温箱、岩心夹持器、压裂液容器、气体容器、液压泵、围压泵、量筒、流量计、第一压力表、第二压力表，其中，

所述液压泵通过管线分别与所述压裂液容器的一端和所述气体容器的一端相连，所述压裂液容器的另一端和所述气体容器的另一端通过管线与所述岩心夹持器的第一端相连，所述岩心夹持器的第二端、所述量筒和所述流量计通过管线依次相连，所述围压泵与所述岩心夹持器的第三端相连；

所述第一压力表和所述第二压力表位于所述岩心夹持器的两端，分别测量所述岩心夹持器两端的压力；

所述岩心夹持器、所述压裂液容器、所述气体容器、所述量筒、所述流量计、所述第一压力表和所述第二压力表设置在所述恒温箱中。

进一步地，所述装置还包括第一阀门，所述第一阀门分别与所述压裂液容器、所述气体容器、所述第一压力表和所述岩心夹持器相连。

进一步地，所述装置还包括第三压力表，所述第三压力表位于所述岩心夹持器与所述围压泵相连的管线上，测量所述岩心夹持器的围压。

进一步地，所述装置还包括第二阀门，所述第二阀门分别于所述岩心夹持器、所述量筒和所述第三压力表相连。

进一步地，所述装置还包括数据采集系统，所述数据采集系统采集所述量筒和所述流量计的测量值。

进一步地，所述装置还包括上位机，所述上位机与所述数据采集系统相连。

进一步地，所述恒温箱还设置有温度传感器和显示器。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果：

本发明的一种页岩分段压裂水平井压裂液返排能力评价方法及装置，通过获取页岩岩心，在所述页岩岩心上形成多组压裂缝网，向所述页岩岩心中注入气体，得到气体饱和的所述页岩岩心，并记录注入的气体体积，向所述饱和气体的所述页岩岩心中注入压裂液，得到压裂液饱和的所述页岩岩心，并记录注入的压裂液体积，对所述饱和压裂液的所述页岩岩心进行返排测试，记录排出的压裂液体积和排出的气体体积，根据所述注入的气体体积、所述注入的压裂液体积、所述排出的压裂液体积和所述排出的气体体积得到返排能力的评价指标，可以被用来进行利用室内相似物理模拟方法的页岩分段压裂水平井压裂液返排能力的研究，可以为提高页岩储层压裂改造效果、提高页岩气井产量提供科学依据，有利于页岩分段压裂水平合理井排采制度的制定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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。

图1为一种页岩分段压裂水平井压裂液返排能力评价方法的方法流程图；

图2为矿场页岩分段压裂水平就压裂液注入过程图；

图3为含有多组压裂缝网的页岩岩心示意图；

图4为页岩分段压裂水平井压裂液返排测试的测试装置图。

具体实施方式

为使本发明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。

实施例一

本发明实施例提供了一种页岩分段压裂水平井压裂液返排能力评价方法及装置，下面将结合具体的实施方式，对如图1所示的处理流程进行详细的说明，该方法包括：

步骤101：获取页岩岩心；

具体地，获取若干个实地采集的页岩岩心。

步骤102：在页岩岩心上形成多组压裂缝网；

具体地，要根据实际页岩分段压裂水平井的现状来进行测试。目前页岩气开发主要采用水平井分段多级压裂工艺，通过化学隔离、机械封隔或特殊管住实现对整个水平井段的分段，采取逐段压裂的方式对整个水平段实现改造。现场实际采用最多的是机械封隔分段压裂，其工艺过程主要包括以下八个步骤：①井筒准备；②第一段射孔；③第一段压裂；④下入桥塞+射孔联作管串；⑤坐封桥塞，预定位置射孔；⑥第二段压裂；⑦同样方式，完成其余段的桥塞封隔、射孔、压裂；⑧采用连续油管钻除桥塞，排液、生产，分段压裂水平井压裂液注入过程图如图2所示。

在页岩岩心上形成多组压裂缝网之前，先清洗并烘干页岩岩心，然后对烘干的页岩岩心人造压裂缝网，在页岩岩心上形成多组压裂缝网，如图3所示。

步骤103：向页岩岩心中注入气体，得到气体饱和的页岩岩心，并记录注入的气体体积；

具体地，在向页岩岩心中注入气体之前，需要先将页岩岩心固定在岩心夹持器中，利用页岩分段压裂水平井压裂液返排机理测试装置，如图4所示，进行测试。

在测试前，先将岩心夹持器抽真空，然后加围压至水平井筒处上覆岩层的压力P₀，如果水平井筒处上覆岩层的压力比页岩破裂压力没有高5MPa，则将岩心夹持器加围压至比页岩破裂压力高5MPa，设定恒温箱中的温度、设定岩心夹持器承受最大压力，在本实施例中恒温箱可设定的最高温度为200℃，岩心夹持器可承受最大压力为120MPa，温度采集范围为0～200℃，精度为±0.5℃，压力采集范围0～120MPa，精度为±0.001MPa。

在装置设定完成后，关闭岩心出口端阀门，打开岩心夹持器入口端阀门，向岩心夹持器中注入气体，其中，气体选择纯度为99.9％的甲烷，使得页岩岩心的压力数值达到推算的地层压力的压力数值P₁，得到气体饱和的页岩岩心，并记录注入的气体体积V_g1。

需要注意的是，要等待压力表显示的数值稳定之后停止注入气体。

步骤104：向饱和气体的页岩岩心中注入压裂液，得到压裂液饱和的页岩岩心，并记录注入的压裂液体积；

具体地，压裂液根据现场施工压裂液配置或现场取样，关闭出口端阀门，打开入口端阀门，向岩心夹持器中注入压裂液，至压力表达到P₂(P₂＝施工泵压+井筒静夜柱压力-井筒摩阻)，记录注入的压裂液体积V_w1。

步骤105：对饱和压裂液的页岩岩心进行返排测试，记录排出的压裂液体积和排出的气体体积；

具体地，关闭入口端阀门，打开出口端阀门，计量排出的任一时段液体体积V_w2和气体体积V_g2直至返排结束。

步骤106：根据注入的气体体积、注入的压裂液体积、排出的压裂液体积和排出的气体体积得到返排能力的评价指标。

具体地，返排能力的评价指标包括：返排能力、吸水量和储量可动用程度。

尽管大部分页岩气井均采用这种方式进行返排，但各井之间返排曲线得差异性很大，且没有明显的统一规律。同时，由于很难保证气井返排工作制度的一致性，使得采用统一标准定量评价气井的返排能力不太可能。在本实施例中，以岩心模拟整个页岩气井的返排生产，岩心的返排能力可近似代表页岩气井的返排能力。因此，页岩分段压裂水平井压裂液返排能力的计算公式如下：

式中：F为返排能力大小；V_w1为注入的压裂液体积，单位为cm³；V_w2为排出的压裂液体积，单位为cm³。

在本实施例中，返排结束后滞留在岩样中的水代表着岩石的吸水量大小，吸水量的计算公式如下：

I＝V_w1-V_w2

式中：I为页岩吸水量，单位为cm³。

由上式即可计算页岩样品的吸水量大小，为提高测试结果的应用性，定义页岩吸水率为单位体积岩石的吸水量，则有：

式中，IR为页岩吸水率；I为页岩吸水量，单位为cm³；d为岩心直径，单位为cm；L为岩心长度，单位为cm。

由于测试条件为地层温度、地层压力，因此注水前的岩心含气量就代表了实际压裂前的页岩储层的含气量，则在返排结束后累积采出的气体量即为实际页岩气井改造范围内可动用的储量，测试中最后剩余未排出的气体量则代表着实际页岩储层中不可流动的那部分气体。根据测试结束后累计排出的气体量可计算储量可动用程度，储量可动用程度的计算公式如下：

式中：R为储量可动用程度；V_g1为注入的气体体积，单位为cm³；V_g2为排出的气体体积，单位为cm³。

通过数据采集系统采集注入的气体体积V_g1、注入的压裂液体积V_w1、排出的压裂液体积V_w2和排出的气体体积V_g2，通过计算机得到返排能力、吸水量和储量可动用程度的数值，直观地判断页岩分段压裂水平井压裂液返排能力。

本实施例通过获取页岩岩心，在页岩岩心上形成多组压裂缝网，向页岩岩心中注入气体，得到气体饱和的所述页岩岩心，并记录注入的气体体积，向饱和气体的所述页岩岩心中注入压裂液，得到压裂液饱和的所述页岩岩心，并记录注入的压裂液体积，对饱和压裂液的页岩岩心进行返排测试，记录排出的压裂液体积和排出的气体体积，根据注入的气体体积、注入的压裂液体积、排出的压裂液体积和排出的气体体积得到返排能力的评价指标，可以被用来进行利用室内相似物理模拟方法的页岩分段压裂水平井压裂液返排能力的研究，可以为提高页岩储层压裂改造效果、提高页岩气井产量提供科学依据，有利于页岩分段压裂水平合理井排采制度的制定。

实施例二

本实施例提供了一种页岩分段压裂水平井压裂液返排机理测试装置，如图4所示，其包括恒温箱、岩心夹持器、压裂液容器、气体容器、液压泵、围压泵、量筒、流量计、第一压力表、第二压力表；

具体地，液压泵通过管线分别与压裂液容器的一端和气体容器的一端相连，压裂液容器的另一端和气体容器的另一端通过管线与岩心夹持器的第一端相连，岩心夹持器的第二端、量筒和流量计通过管线依次相连，围压泵与岩心夹持器的第三端相连，第一压力表和第二压力表位于岩心夹持器的两端，分别测量岩心夹持器两端的压力，恒温箱中包括岩心夹持器、压裂液容器、气体容器、量筒、流量计、第一压力表和第二压力表。

为了更好地实现页岩分段压裂水平井压裂液返排机理测试装置，装置还包括第一阀门，第一阀门分别与压裂液容器、气体容器、第一压力表和岩心夹持器相连,装置还包括第三压力表，第三压力表位于岩心夹持器与围压泵相连的管线上，测量岩心夹持器的围压，装置还包括第二阀门，第二阀门分别于岩心夹持器、量筒和第三压力表相连，装置还包括数据采集系统，数据采集系统采集量筒和流量计的测量值，装置还包括上位机，上位机与数据采集系统相连，装置还包括电源，电源与恒温箱相连，用于为恒温箱提供电力，同时，恒温箱还设置有温度传感器和显示器，可以显示恒温箱中的温度值。

在实际的使用过程中，根据实际矿场的开采方式，在测试之前，首先选取页岩岩心样品洗净烘干后，加工成含有多组压裂缝网的页岩岩心，如图3所示，将岩心放入岩心夹持器中，校正仪器，包括校正所有的压力表和检查仪器是否漏气，关闭所有阀门。

在测试过程中，首先关闭液压泵，将系统抽真空，关闭所有阀门，给岩心夹持器加围压至水平井筒处上覆岩层压力P₀，需要注意的是，上覆岩层压力要比页岩破裂压力高5MPa，然后关闭第二阀门，打开第一阀门，向岩心夹持器中充入气体使压力表达到推算的地层压力值P₁，记录充入的气体总体积V_g1，关闭第二阀门，继而打开第一阀门，向岩心夹持器中注入压裂液，至第一压力表达到P₂(P₂＝施工泵压+井筒静夜柱压力-井筒摩阻)，记录注入的压裂液体积V_w1，最后关闭第一阀门，打开第二阀门，计量排出的任一时段液体体积V_w2和气体体积V_g2，直至返排结束，利用计算机计算获得的测试结果数据值。

进一步地，可以通过设计一种页岩分段压裂水平井压裂液返排能力自动测试仪，自动测试出页岩分段压裂水平井压裂液返排能力。

需要注意的是，首先，要确保装置内没有空气的混入，减小实验误差；其次，在充入气体后，待第一压力表和第二压力表的数值均稳定后，再关闭第一阀门，并开始注入压裂液；最后，返排量要待返排结束后计量最终的排出液体和气体的体积。

本实施例利用恒温箱、岩心夹持器、压裂液容器、气体容器、液压泵、围压泵、量筒、流量计、第一压力表、第二压力表，构成了一种页岩分段压裂水平井压裂液返排机理测试装置，可以被用来进行利用室内相似物理模拟方法的页岩分段压裂水平井压裂液返排能力的研究，为提高页岩储层压裂改造效果、提高页岩气井产量提供科学依据，有利于页岩分段压裂水平合理井排采制度的制定。

以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，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 (17)

1.一种页岩分段压裂水平井压裂液返排能力评价方法，其特征在于，所述方法包括：

获取页岩岩心；

在所述页岩岩心上形成多组压裂缝网；

向所述页岩岩心中注入气体，得到气体饱和的所述页岩岩心，并记录注入的气体体积；

向所述饱和气体的所述页岩岩心中注入压裂液，得到压裂液饱和的所述页岩岩心，并记录注入的压裂液体积；

对所述饱和压裂液的所述页岩岩心进行返排测试，记录排出的压裂液体积和排出的气体体积；

根据所述注入的气体体积、所述注入的压裂液体积、所述排出的压裂液体积和所述排出的气体体积得到返排能力的评价指标。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述获取页岩岩心之后和在所述页岩岩心上形成多组压裂缝网之前，所述方法还包括：清洗并烘干所述页岩岩心。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述页岩岩心上形成多组压裂缝网之后和所述向所述页岩岩心中注入气体，得到气体饱和的所述页岩岩心，并记录注入的气体体积之前，所述方法还包括：将所述页岩岩心固定在岩心夹持器中。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将所述页岩岩心固定在岩心夹持器中之后，所述方法还包括：将岩心夹持器抽真空，然后加围压至水平井筒处上覆岩层的压力。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述将岩心夹持器抽真空，然后加围压至水平井筒处上覆岩层的压力之后，所述方法还包括：如果水平井筒处上覆岩层的压力比页岩破裂压力没有高5MPa，则将岩心夹持器加围压至比页岩破裂压力高5MPa。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述向所述页岩岩心中注入气体，得到气体饱和的所述页岩岩心，并记录注入的气体体积具体包括：向所述页岩岩心中注入气体，使得所述页岩岩心的压力数值达到推算的地层压力的压力数值，得到气体饱和的所述页岩岩心，并记录注入的气体体积。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述返排能力的评价指标包括：返排能力、吸水量和储量可动用程度。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述返排能力的计算公式如下：

式中：F为返排能力大小；V_w1为注入的压裂液体积，单位为cm³；V_w2为排出的压裂液体积，单位为cm³。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述吸水量的计算公式如下：

I＝V_w1-V_w2

式中：I为页岩吸水量，单位为cm³。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述储量可动用程度的计算公式如下：

$R=\frac{V_{g2}}{V_{g1}}\×100\%$

式中：R为储量可动用程度；V_g1为注入的气体体积，单位为cm³；V_g2为排出的气体体积，单位为cm³。

11.一种页岩分段压裂水平井压裂液返排机理测试装置，其特征在于，所述装置包括：恒温箱、岩心夹持器、压裂液容器、气体容器、液压泵、围压泵、量筒、流量计、第一压力表、第二压力表，其中，

所述液压泵通过管线分别与所述压裂液容器的一端和所述气体容器的一端相连，所述压裂液容器的另一端和所述气体容器的另一端通过管线与所述岩心夹持器的第一端相连，所述岩心夹持器的第二端、所述量筒和所述流量计通过管线依次相连，所述围压泵与所述岩心夹持器的第三端相连；

所述第一压力表和所述第二压力表位于所述岩心夹持器的两端，分别测量所述岩心夹持器两端的压力；

所述岩心夹持器、所述压裂液容器、所述气体容器、所述量筒、所述流量计、所述第一压力表和所述第二压力表设置在所述恒温箱中。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第一阀门，所述第一阀门分别与所述压裂液容器、所述气体容器、所述第一压力表和所述岩心夹持器相连。

13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第三压力表，所述第三压力表位于所述岩心夹持器与所述围压泵相连的管线上，测量所述岩心夹持器的围压。

14.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第二阀门，所述第二阀门分别于所述岩心夹持器、所述量筒和所述第三压力表相连。

15.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述装置还包括数据采集系统，所述数据采集系统采集所述量筒和所述流量计的测量值。

16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述装置还包括上位机，所述上位机与所述数据采集系统相连。

17.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述恒温箱还设置有温度传感器和显示器。