CN107387054A - 一种页岩缝网压裂裂缝扩展的物理模拟方法 - Google Patents
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Abstract
一种页岩缝网压裂裂缝扩展的物理模拟方法，包括：1.采集页岩，加工，设置模拟压裂井，装入模拟射孔套管；进行CT扫描，用热缩管密封；2.放入大尺寸三轴物理模拟实验仪内，模拟地应力加载；注入压裂液，用声发射定位监测系统对压裂过程进行实时监测；3.第二次CT扫描，对比分析；4.钻取现场压裂井，装入射孔套管；布置微地震监测井，放入微地震信号接收器；5.地震信号被微地震信号接收器接收，送至微地震信号接收处理系统，绘制出缝网压裂裂缝扩展的空间图像；6.室内模拟实验与现场验证实验结合分析。该方法为使模拟数据更加可靠，进行现场对比验证实验，将实验室获得的实验数据与现场结合，使获得的缝网压裂裂缝扩展数据更加准确。
Description
技术领域
本发明涉及非常规油气藏开发技术领域，尤其涉及一种页岩缝网压裂裂缝扩展的物理模拟方法。
背景技术
页岩是一种渗透率极低的沉积岩，通常被认为是油气运移的天然遮挡层。在含气页岩中，天然气产自其本身，页岩既是气源岩，又是储层。页岩气主要是以吸附、游离或溶解状态赋存于暗色泥页岩、粉砂质泥岩地层及其夹层中的天然气。
含油、气页岩中的天然裂缝虽然对生产具有一定的作用，但是通常无法提供经济开采所需的渗流通道。大多数含油、气页岩都需要实施水力压裂增产措施。压裂使更多的页岩范围暴露于井筒的压降条件之下。页岩中水平井周围紧密排列的水压裂缝能够大大加快页岩气的开采速度，水平井分段压裂改造技术已经成为当前页岩气开发的关键技术。
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。水力压裂导致缝网扩展本着以压裂生成裂缝网络来提高储层渗透率，已经在天然气、页岩气行业得到成功应用。
申请号为201510977233.1的中国发明申请公开了一种煤岩定向井加砂压裂的物理模拟方法，该方法并不能实时监测水力压裂下煤岩内部的变化。
申请号为201410785259.1的中国发明申请公开了一种页岩中裂缝扩展的物理模拟系统及方法，该方法只是单一的利用声发射监测页岩中裂缝的扩展。
申请号为201310219803.1的中国发明申请公开了一种利用井口检波器进行水力压裂微地震监测的方法，该方法是在实验室内部模拟的现场微地震监测，模拟结果与现场实际存在一定的偏差，没有将实验室与现场建立联系。
以上的发明申请提供的都是一种水力压裂的物理模拟方法以及设备，并没有描述出缝网扩展及分布的情况，并且以上发明申请都没有将现场实验与实验室内的物理模拟进行对比，都只是单一方面的研究。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种页岩缝网压裂裂缝扩展的物理模拟方法，该方法为使模拟数据更加可靠，进行现场对比验证实验，将实验室获得的实验数据与现场结合，使获得的缝网压裂裂缝扩展数据更加准确。
本发明的一种页岩缝网压裂裂缝扩展的物理模拟方法，其包括以下步骤：
步骤一：室内模拟实验准备工作
(1)采集页岩，加工成模拟试件，在模拟试件中心位置设置有模拟压裂井，将与模拟压裂井相匹配的模拟射孔套管装入模拟压裂井内，并密封固定；
(2)对模拟试件进行第一次CT扫描，记录页岩内天然裂缝的分布情况；
(3)用热缩管对模拟试件进行密封，得到页岩模拟试样，备用；
步骤二：模拟实际情况并监测
(1)将页岩模拟试样放入大尺寸三轴物理模拟实验仪内，模拟实际开采情况下，页岩的地应力加载；
(2)用缝网压裂控制系统，通过射孔套管向页岩模拟试件内注入压裂液，模拟页岩缝网压裂过程，声发射定位监测系统，对压裂过程中，页岩模拟试件内部缝网系统的形成与扩展进行实时监测，压裂过程结束后，得到缝网压裂后的模拟试件；
步骤三：室内模拟实验的对比分析
对缝网压裂后的模拟试件进行第二次CT扫描，记录压裂后页岩内部整个缝网系统的分布情况，并与第一次CT扫描记录的页岩内天然裂缝的分布情况进行对比分析，结合压裂过程中的声发射定位监测系统获得的数据，得到整个压裂过程中的缝网扩展情况以及影响缝网扩展的因素；
步骤四：现场验证实验准备工作
在选取的岩层试验区域中心位置钻取现场压裂井，将与现场压裂井相匹配的现场射孔套管装入压裂井内，密封固定；现场射孔套管与提供高压水力的现场缝网压裂控制系统相连；
在压裂井周围布置多口微地震监测井，微地震监测井内壁做好支撑，将微地震信号接收器的一端布置在微地震监测井内，微地震信号接收器的另一端与微地震信号接收处理系统连接；
步骤五：现场验证实验监测
将现场缝网压裂控制系统与压裂井的现场射孔套管对接，进行现场的缝网压裂裂缝扩展实验；
高压水力作用下，页岩破裂产生的微小地震信号传入微地震监测井，被微地震监测井内微地震信号接收器的一端接收，传送至微地震信号接收处理系统，绘制出缝网压裂裂缝扩展的空间图像，实时监测压裂过程中缝网的分布与扩展情况，获得现场验证实验的实验数据；
步骤六：室内模拟实验与现场验证实验结合分析
结合室内模拟实验与现场验证实验的数据进行分析，可以清晰的获得压裂过程中“缝网系统”的形成与扩展情况，以及页岩缝网压裂裂缝扩展的影响因素。
所述的步骤一(1)中，所述的采集页岩为现场采集的天然露头页岩。
所述的步骤一(1)中，所述的模拟试件为立方体。
所述的步骤一(1)中，模拟压裂井的作用为方便注入压裂液。
所述的步骤一(2)中，在室内模拟实验开始前，对模拟试件进行第一次CT扫描，获得模拟试件中天然裂缝的分布情况，用于与试验后的页岩模拟试件进行对比分析，以得到水力裂缝与天然裂缝的沟通情况，描述试件中“缝网系统”的扩展与分布。
所述的步骤一(3)中，所述的用热缩管对模拟试件进行密封，还能对模拟试样起到防水的作用。这是由于大尺寸三轴物理模拟试验仪使用液压油施加围压，需要对页岩试样进行防水处理。
所述的步骤二(1)中，所述的大尺寸三轴物理模拟试验仪，包括大尺寸三轴物理模拟试验仪缸体、声发射定位监测系统、缝网压裂控制系统、围压供给系统和轴压供给系统；
大尺寸三轴物理模拟试验仪缸体腔体内放有模拟试件，模拟射孔套管外接头与缝网压裂控制系统相连接；
大尺寸三轴物理模拟试验仪缸体周围设置至少三个声发射监测外接口，声发射监测外接口外接声发射定位监测系统；
围压供给系统与大尺寸三轴物理模拟试验仪缸体内部连通；
轴压供给系统与大尺寸三轴物理模拟试验仪缸体内部连通；
所述的大尺寸三轴物理模拟试验仪，目的在于进行地应力情况的模拟，其中，围压采用液压油作为加压媒介，对模拟试件进行防水处理。
所述的声发射监测外接口，由大尺寸三轴物理模拟实验仪缸体内部引出，穿过缸体并做好密封，通过声发射定位监测系统实时准确描述水力裂缝与天然裂缝沟通进一步形成缝网系统的过程。
所述缝网压裂控制系统提供模拟的高压水力。
所述的步骤二(2)中，所述的压裂液包括：彩色示踪剂，酸和低粘度的压裂液。各个组分的质量百分比根据页岩种类的不同而不同。
其中，所述的彩色示踪剂的作用为：在压裂过程中，彩色示踪剂随压裂液充满不断扩展的缝网系统，留在页岩内部，便于观察缝网的扩展分布。
所述的酸为乙酸、硫酸、磷酸、盐酸中的一种或几种的混合物；
所述的酸的作用为：有助于清除页岩天然裂缝中存在少量的矿物质，有利于天然裂缝的张开，当水力裂缝与天然裂缝沟通时，有助于减少压裂液在天然裂缝中的压力降，有助于“缝网系统”继续延伸扩展。
所述的低粘度的压裂液，优选为水，其可以减小摩阻。
所述的步骤三中，所述的第二次CT扫描为：将页岩模拟试件取出，选取截面进行切割，由于压裂液中包含彩色示踪剂，可观察并分析切割截面经过压裂产生的缝网分布扩展情况。
所述的步骤三中，所述的对比分析，具体内容有：压裂过程中水力裂缝与模拟试件天然裂缝沟通情况，获得压裂后水力裂缝与天然裂缝沟通形成的“缝网系统”分布情况以及水力裂缝在天然裂缝端部发生转向延伸的情况。
所述的步骤四，其目的在于进一步验证室内模拟实验数据的可靠性，在开采现场进行现场对比验证实验。
所述的步骤四中，所述的压裂井周围布置多口微地震监测井，个数至少为两个。
所述的步骤四中，所述的微地震监测井布置位置为，微地震监测井与压裂井的井间隔距离为100～500m。
本发明的一种页岩缝网压裂裂缝扩展的物理模拟方法，相比于现有技术，其有益效果在于：
1.本发明的物理模拟方法中将实验室与现场建立联系，将二者获得的试验数据进行综合对比分析，获得更加接近现场实际的模拟结果，为现场大型开采提供可靠地技术数据支持。
2.本发明的物理模拟方法操作可行，将现场与实验室结合分析，模拟结果符合实际水力压裂情况，用于研究水力压裂条件下缝网扩展情况，为实际水力压裂开采页岩气提供可靠的技术支持。
附图说明
附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。
图1为本申请发明页岩缝网压裂裂缝扩展的物理模拟方法中室内实验模拟试件示意图。
图2为本申请发明页岩缝网压裂裂缝扩展的物理模拟方法实验模拟结构图。
图3为本申请发明页岩缝网压裂裂缝扩展的物理模拟方法现场验证实验示意图。
以上图中标注说明：
其中，1-模拟射孔套管；2-模拟压裂井；3-模拟试件；4-模拟射孔套管外接头；5-热缩管；6-现场压裂井；7-四口微地震监测井。
具体实施方式
为了更进一步了解本发明的发明内容,下面将结合具体实施例详细阐述本发明。
实施例1
一种页岩缝网压裂裂缝扩展的物理模拟方法，其包括以下步骤：
步骤一：室内模拟实验准备工作
(1)在现场采集天然露头页岩，加工成立方体模拟试件3，在模拟试件中心位置设置有模拟压裂井2，将与模拟压裂井2相匹配的模拟射孔套管1装入模拟压裂井2内，并密封固定，其模拟试件示意图见图1；
(2)对模拟试件进行第一次CT扫描，记录页岩内天然裂缝的分布情况；
(3)用热缩管5对模拟试件3进行密封，得到页岩模拟试样，备用；
步骤二：模拟实际情况并监测
(1)将页岩模拟试样放入大尺寸三轴物理模拟实验仪内，模拟实际开采情况下，页岩的地应力加载；
所述的大尺寸三轴物理模拟试验仪，目的在于进行地应力情况的模拟，其中，围压采用液压油作为加压媒介，对模拟试件进行防水处理。
(2)用缝网压裂控制系统，通过模拟射孔套管1向页岩模拟试件内注入压裂液，模拟页岩缝网压裂过程，外接的声发射定位监测系统，对压裂过程中，页岩模拟试件内部缝网系统的形成与扩展进行实时监测，压裂过程结束后，得到缝网压裂后的模拟试件；
所述的大尺寸三轴物理模拟试验仪，包括大尺寸三轴物理模拟试验仪缸体、声发射定位监测系统、缝网压裂控制系统、围压供给系统和轴压供给系统；
大尺寸三轴物理模拟试验仪缸体腔体内放有模拟试件，模拟射孔套管外接头与缝网压裂控制系统相连接；
所述的声发射监测外接口，由大尺寸三轴物理模拟实验仪缸体内部引出，穿过缸体并做好密封，通过声发射定位监测系统实时准确描述水力裂缝与天然裂缝沟通进一步形成缝网系统的过程。
大尺寸三轴物理模拟试验仪缸体周围设置有三个声发射监测外接口，声发射监测外接口外接声发射定位监测系统；
围压供给系统与大尺寸三轴物理模拟试验仪缸体内部连通；
轴压供给系统与大尺寸三轴物理模拟试验仪缸体内部连通；
其中，大尺寸三轴物理模拟实验仪的结构示意图见图2，图2中，模拟射孔套管外接头4与缝网压裂控制系统连接。
所述缝网压裂控制系统提供模拟的高压水力。
所述的压裂液包括：彩色示踪剂，酸和低粘度的压裂液。各个组分的质量百分比根据页岩种类的不同而不同。
其中，所述的彩色示踪剂的作用为：在压裂过程中，彩色示踪剂随压裂液充满不断扩展的缝网系统，留在页岩内部，便于观察缝网的扩展分布。
所述的酸为盐酸；
所述的酸的作用为：有助于清除页岩天然裂缝中存在少量的矿物质，有利于天然裂缝的张开，当水力裂缝与天然裂缝沟通时，有助于减少压裂液在天然裂缝中的压力降，有助于“缝网系统”继续延伸扩展。
所述的低粘度的压裂液为水，其可以减小摩阻。
步骤三：室内模拟实验的对比分析
对缝网压裂后的模拟试件进行第二次CT扫描，记录压裂后页岩内部整个缝网系统的分布情况，并与第一次CT扫描记录的页岩内天然裂缝的分布情况进行对比分析，结合压裂过程中的声发射定位监测系统获得的数据，得到整个压裂过程中的缝网扩展情况以及影响缝网扩展的因素；
所述的对比分析，具体内容有：压裂过程中水力裂缝与模拟试件天然裂缝沟通情况，获得压裂后水力裂缝与天然裂缝沟通形成的“缝网系统”分布情况以及水力裂缝在天然裂缝端部发生转向延伸的情况。
步骤四：现场验证实验准备工作
为了进一步验证室内模拟实验数据的可靠性，在开采现场进行现场对比验证实验。
在选取的岩层试验区域中心位置钻取现场压裂井6，将与现场压裂井6相匹配的现场射孔套管装入现场压裂井6内，做好密封固定；现场射孔套管与提供高压水力的现场缝网压裂控制系统相连；
在压裂井周围布置四口微地震监测井7，其现场验证实验示意图见图3，微地震监测井内壁做好支撑，将微地震信号接收器的一端布置在微地震监测井内，微地震信号接收器的另一端与微地震信号接收处理系统连接；其中，微地震监测井与压裂井的井间隔距离为500m。
步骤五：现场验证实验监测
将现场缝网压裂控制系统与压裂井的现场射孔套管对接，进行现场的缝网压裂裂缝扩展实验；
高压水力作用下，页岩破裂产生的微小地震信号传入微地震监测井，被微地震监测井内微地震信号接收器的一端接收，传送至微地震信号接收处理系统，绘制出缝网压裂裂缝扩展的空间图像，实时监测压裂过程中缝网的分布与扩展情况，获得现场验证实验的实验数据；
步骤六：室内模拟实验与现场验证实验结合分析
结合室内模拟实验与现场验证实验的数据进行分析，可以清晰的获得压裂过程中“缝网系统”的形成与扩展情况，以及页岩缝网压裂裂缝扩展的影响因素。同时还可以分析得出模拟岩层的岩石力学参数，以及现场开采的参考数据，为大型现场开采提供可靠的技术数据支持。
实施例2
一种页岩缝网压裂裂缝扩展的物理模拟方法，其包括以下步骤：
步骤一：室内模拟实验准备工作
(1)取自开采现场的页岩试样，加工成200mm的正方体页岩模拟试件，在模拟试件中心位置钻取模拟压裂井，将与模拟压裂井相匹配的射孔套管装入模拟压裂井内，并密封固定；
(2)对模拟试件进行第一次CT扫描，记录页岩内天然裂缝的分布情况；
(3)利用热缩管模拟试件进行密封，防水处理，得到页岩模拟试样，备用；
步骤二：模拟实际情况并监测
将页岩模拟试件放入大尺寸三轴物理模拟试验仪内，连接缝网压裂控制系统提供高压水力，接通声发射定位监测系统，进行水力压裂物理模拟试验，通过声发射定位监测系统实时监测缝网压裂过程中缝网扩展发育情况。
步骤三：室内模拟实验的对比分析
实验室模拟试验结束后，将页岩模拟试件取出，选取截面进行切割，进行第二次CT扫描，由于压裂液中含有彩色示踪剂，可观察并分析切割截面经过压裂产生的缝网分布扩展情况，结合第一次CT扫描和第二次CT扫描以及压裂过程中声发射监测到的结果进行分析，可以准确的对页岩水力压裂后缝网的形成与扩展进行描述，得到影响缝网扩展的因素。
步骤四：现场验证实验准备工作
为使实验数据更加准确可靠，进行现场验证实验，现场实验选取符合模拟要求的页岩储层，在模拟范围中心位置预制压裂井，在压裂井周围100m处预制微地震监测井。
步骤五：现场验证实验监测
将缝网压裂控制系统与压裂井中的现场射孔套管连接，接通微地震监测系统，进行现场水力压裂模拟试验，通过微地震监测系统获得压裂过程中缝网扩展及分布情况。
步骤六：室内模拟实验与现场验证实验结合分析
将现场微地震监测系统获得的数据，实验室声发射定位监测系统获得的数据，以及将模拟试件进行截面切割观察的结果进行对比分析，以获得模拟岩层压裂过程中缝网扩展与分布的模拟数据及影响缝网形成与扩展的因素，同时还可以分析得出模拟岩层的岩石力学参数，以及现场开采的参考数据，为大型现场开采提供可靠的技术数据支持。
Claims (10)
1.一种页岩缝网压裂裂缝扩展的物理模拟方法，其特征在于，该页岩缝网压裂裂缝扩展的物理模拟方法，包括以下步骤：
步骤一：室内模拟实验准备工作
(1)采集页岩，加工成模拟试件，在模拟试件中心位置设置有模拟压裂井，将与模拟压裂井相匹配的模拟射孔套管装入模拟压裂井内，并密封固定；
(2)对模拟试件进行第一次CT扫描，记录页岩内天然裂缝的分布情况；
(3)用热缩管对模拟试件进行密封，得到页岩模拟试样，备用；
步骤二：模拟实际情况并监测
(1)将页岩模拟试样放入大尺寸三轴物理模拟实验仪内，模拟实际开采情况下，页岩的地应力加载；
(2)用缝网压裂控制系统，通过射孔套管向页岩模拟试件内注入压裂液，模拟页岩缝网压裂过程，声发射定位监测系统，对压裂过程中，页岩模拟试件内部缝网系统的形成与扩展进行实时监测，压裂过程结束后，得到缝网压裂后的模拟试件；
步骤三：室内模拟实验的对比分析
对缝网压裂后的模拟试件进行第二次CT扫描，记录压裂后页岩内部整个缝网系统的分布情况，并与第一次CT扫描记录的页岩内天然裂缝的分布情况进行对比分析，结合压裂过程中的声发射定位监测系统获得的数据，得到整个压裂过程中的缝网扩展情况以及影响缝网扩展的因素；
步骤四：现场验证实验准备工作
在选取的岩层试验区域中心位置钻取现场压裂井，将与现场压裂井相匹配的现场射孔套管装入压裂井内，密封固定；现场射孔套管与提供高压水力的现场缝网压裂控制系统相连；
在压裂井周围布置多口微地震监测井，微地震监测井内壁做好支撑，将微地震信号接收器的一端布置在微地震监测井内，微地震信号接收器的另一端与微地震信号接收处理系统连接；
步骤五：现场验证实验监测
将现场缝网压裂控制系统与压裂井的现场射孔套管对接，进行现场的缝网压裂裂缝扩展实验；
高压水力作用下，页岩破裂产生的微小地震信号传入微地震监测井，被微地震监测井内微地震信号接收器的一端接收，传送至微地震信号接收处理系统，绘制出缝网压裂裂缝扩展的空间图像，实时监测压裂过程中缝网的分布与扩展情况，获得现场验证实验的实验数据；
步骤六：室内模拟实验与现场验证实验结合分析
结合室内模拟实验与现场验证实验的数据进行分析，可以清晰的获得压裂过程中“缝网系统”的形成与扩展情况，以及页岩缝网压裂裂缝扩展的影响因素。
2.如权利要求1所述的页岩缝网压裂裂缝扩展的物理模拟方法，其特征在于，所述的步骤一(1)中，所述的采集页岩为现场采集的天然露头页岩。
3.如权利要求1所述的页岩缝网压裂裂缝扩展的物理模拟方法，其特征在于，所述的步骤一(1)中，所述的模拟试件为立方体。
4.如权利要求1所述的页岩缝网压裂裂缝扩展的物理模拟方法，其特征在于，所述的步骤一(2)中，在室内模拟实验开始前，对模拟试件进行第一次CT扫描，获得模拟试件中天然裂缝的分布情况。
5.如权利要求1所述的页岩缝网压裂裂缝扩展的物理模拟方法，其特征在于，所述的步骤二(1)中，所述的大尺寸三轴物理模拟试验仪，包括大尺寸三轴物理模拟试验仪缸体、声发射定位监测系统、缝网压裂控制系统、围压供给系统和轴压供给系统；
大尺寸三轴物理模拟试验仪缸体腔体内放有模拟试件，模拟射孔套管外接头与缝网压裂控制系统相连接；
大尺寸三轴物理模拟试验仪缸体周围设置至少三个声发射监测外接口，声发射监测外接口外接声发射定位监测系统；
围压供给系统与大尺寸三轴物理模拟试验仪缸体内部连通；
轴压供给系统与大尺寸三轴物理模拟试验仪缸体内部连通。
6.如权利要求1所述的页岩缝网压裂裂缝扩展的物理模拟方法，其特征在于，所述的步骤二(2)中，所述的压裂液包括：彩色示踪剂，酸和低粘度的压裂液，各个组分的质量百分比根据页岩种类的不同而不同。
7.如权利要求6所述的页岩缝网压裂裂缝扩展的物理模拟方法，其特征在于，所述的酸为乙酸、硫酸、磷酸、盐酸中的一种或几种的混合物；所述的低粘度的压裂液，为水。
8.如权利要求1所述的页岩缝网压裂裂缝扩展的物理模拟方法，其特征在于，所述的步骤三中，所述的第二次CT扫描为：将页岩模拟试件取出，选取截面进行切割，观察并分析切割截面经过压裂产生的缝网分布扩展情况。
9.如权利要求1所述的页岩缝网压裂裂缝扩展的物理模拟方法，其特征在于，所述的步骤四中，所述的压裂井周围布置多口微地震监测井，个数至少为两个。
10.如权利要求1所述的页岩缝网压裂裂缝扩展的物理模拟方法，其特征在于，所述的步骤四中，所述的微地震监测井布置位置为，微地震监测井与压裂井的井间隔距离为100～500m。
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