CN107806339B - 一种压裂裂缝导流能力实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压裂裂缝导流能力实验方法，该方法包括基于实际储层的压力、温度以及支撑剂的注入情况进行模拟实验以确定支撑裂缝宽度与支撑裂缝长度之间的对应关系；利用所述对应关系计算支撑剂的注入量及沿支撑裂缝长度方向的岩板的厚度；根据所述岩板的厚度制作实验用岩板，并利用该实验用岩板与计算得到的支撑剂的注入量进行导流能力的测试。该实验方法能够实现尺寸变化的粗糙壁面及不同铺砂浓度的条件下导流能力测试，可有效的评价压裂效果，有针对性的进行压裂设计和施工。

Description

一种压裂裂缝导流能力实验方法

技术领域

本发明属于油气田开发领域，尤其涉及一种压裂裂缝导流能力实验方法。

背景技术

压裂裂缝的导流能力是评价水力压裂裂缝效果的一项关键指标。支撑剂导流能力测试实验技术是模拟、评价支撑剂填充裂缝效果的重要技术。作为该实验技术中影响裂缝导流能力的主要因素，基于支撑剂类型、岩石属性、裂缝形态等的研究越来越得到重视。

现有技术中已经提出多种结合不同储层岩性和具体特征的支撑剂导流能力实验评价技术，归纳起来，主要在不同岩性与影响因素等方面开展了工作。例如在一种可用于研究和评价脆性页岩压裂形成的转向缝与分支缝的导流能力的模拟实验中，选取制作试件的地层页岩岩心或同层位的页岩露头，加工成两端半圆形的符合转向缝或分支缝的要求页岩岩板，岩板中间铺置一定铺砂浓度的支撑剂，进行导流能力实验测试。还有能够实现压裂形成的裂缝网络的有效导流能力的实验测试，该方法将要测试的页岩的主要成分制造成中间有凹槽的半圆形模型，再将两半圆形模型正压紧形成了一个中间有一个裂缝网络的页岩裂缝网络模型，从而测量导流能力。

上述模拟实验方法主要存在如下问题，未涉及到尺寸变化的粗糙壁面的导流能力的研究，且未针对非均匀铺砂情况下的水力裂缝导流能力开展测试。由于不同支撑剂在不同铺砂浓度和不同闭合压力下的裂缝导流能力一般是不同的，因此现有技术中的模拟实验方法存在一定局限性。

因此，亟需一种能够对不同裂缝形态下的支撑剂填充裂缝导流能力进行评价的实验方法以解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种能够对不同裂缝形态下的支撑剂填充裂缝导流能力进行评价的实验方法。

为了解决上述技术问题，本申请的实施例首先提供了一种压裂裂缝导流能力实验方法，包括：基于实际储层的压力、温度以及支撑剂的注入情况进行模拟实验以确定支撑裂缝宽度与支撑裂缝长度之间的对应关系；利用所述对应关系计算支撑剂的注入量及沿支撑裂缝长度方向的岩板的厚度；根据所述岩板的厚度制作实验用岩板，并利用该实验用岩板与计算得到的支撑剂的注入量进行导流能力的测试。

优选地，在基于实际储层的压力、温度以及支撑剂的注入情况进行模拟实验以确定支撑裂缝宽度与支撑裂缝长度之间的对应关系的步骤中包括：基于实际储层的支撑剂的注入情况确定铺砂浓度沿支撑裂缝长度方向的第一浓度变化曲线；基于实际储层的压力、温度确定铺砂浓度与支撑裂缝宽度之间的第二浓度变化曲线；基于所述第一浓度变化曲线与第二浓度变化曲线确定支撑裂缝宽度与支撑裂缝长度之间的对应关系。

优选地，在基于实际储层的支撑剂的注入情况确定铺砂浓度沿支撑裂缝长度方向的第一浓度变化曲线的步骤中包括：将以支撑剂注入口为起点，以裂缝尖端为终点的直线长度确定为目标长度；基于实际储层的支撑剂的注入情况进行模拟得到所述目标长度上任一点的铺砂浓度；根据模拟得到的铺砂浓度与目标长度之间的对应关系确定铺砂浓度沿支撑裂缝长度方向的第一浓度变化曲线。

优选地，在基于实际储层的压力、温度确定铺砂浓度与支撑裂缝宽度之间的第二浓度变化曲线的步骤中包括：确定实验所采用的最大铺砂浓度与最小铺砂浓度，并在所述最大铺砂浓度与最小铺砂浓度之间选取多个浓度测试点；基于实际储层的压力和温度条件进行模拟实验，分别测量得到对应于所述最大铺砂浓度、最小铺砂浓度及多个浓度测试点的支撑裂缝的宽度；根据铺砂浓度与支撑裂缝宽度之间的对应关系回归得到铺砂浓度与支撑裂缝宽度之间的第二浓度变化曲线。

优选地，在基于实际储层的压力和温度条件进行模拟实验之前还包括：根据压裂对象目标层位岩心的岩石力学性质参数选取3D打印材料；采用3D打印技术制作标定岩板；其中，所述标定岩板具有与测试导流设备相匹配的尺寸，且岩板的上下表面为相互平行的平面。

优选地，在根据所述岩板的厚度制作实验用岩板时：根据压裂对象目标层位岩心的岩石力学性质参数选取3D打印材料；采用3D打印技术制作实验用岩板；其中，所述实验用岩板具有与测试导流设备相匹配的尺寸，且岩板的一侧表面为平面，一侧表面为具有不同厚度的曲面。

优选地，所述岩石力学性质参数包括岩石抗压强度、岩石孔隙压缩率、杨氏模量和泊松比。

优选地，根据以下表达式计算沿支撑裂缝长度方向的岩板的厚度H(t)：

其中，H_Min为岩板厚度的最小值，D_Max为支撑裂缝宽度的最大值，D(t)表示支撑裂缝宽度与支撑裂缝长度之间的对应关系。

优选地，根据以下表达式计算支撑剂的注入量：

其中，M表示支撑剂的注入量，a为岩板的长度，b为岩板的宽度，L为利用模拟软件对铺砂浓度进行模拟时的目标长度，f(·)为利用模拟软件对铺砂浓度进行模拟时得到的函数关系，t为表示沿岩板长度方向上任一点的变量，0≤t≤a。

优选地，还包括根据实际地层及岩性的不同改变支撑剂的铺砂浓度，并根据铺砂浓度分别制作不同的实验用岩板来测试压裂裂缝的导流能力。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

通过采用厚度沿支撑裂缝长度方向变化的实验用岩板进行压裂裂缝的导流能力实验，实现了尺寸变化的粗糙壁面及不同铺砂浓度的条件下导流能力测试，可有效的评价压裂效果，有针对性的进行压裂设计和施工。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

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。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为根据本发明实施例的压裂裂缝导流能力实验方法的流程示意图；

图2为根据本发明实施例的标定岩板的结构示意图；

图3为根据本发明实施例的实验用岩板的结构示意图；

图4为铺砂浓度与支撑裂缝宽度之间的第二浓度变化曲线的示意图；

图5为利用压裂模拟软件模拟得到的支撑剂沿模拟的裂缝长度方向的铺砂浓度的曲线示意图；

图6为铺砂浓度沿支撑裂缝长度方向的第一浓度变化曲线的示意图；

图7为支撑裂缝宽度与支撑裂缝长度之间的对应关系曲线的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

本发明针对支撑剂充填水力压裂裂缝存在裂缝宽度和铺砂浓度沿缝长方向不一致的情况，提供一种测试不同裂缝宽度和铺砂浓度支撑裂缝导流能力的实验方法，下面结合图1所示的流程图详细说明。

如图1所示，该方法包括：

步骤S110、基于具体储层的压力、温度以及支撑剂的加入情况进行模拟实验以确定支撑裂缝宽度与支撑裂缝长度之间的对应关系。

步骤S120、利用上述对应关系计算支撑剂的加入量及沿支撑裂缝长度方向的岩板的厚度。

步骤S130、根据计算得到的岩板的厚度制作实验用岩板，并利用该实验用岩板与计算得到的支撑剂的加入量进行导流能力的测试。

上述步骤中具体包括：

1、制作前期实验用标定岩板。

首先，根据压裂对象目标层位岩心的岩石力学性质参数选取3D打印材料。优选材料的力学性质与天然岩心的力学测试指标一致的3D打印材料。在本发明的一个实施例中，岩石力学性质参数具体可以包括岩石抗压强度、岩石孔隙压缩率、杨氏模量E和泊松比υ等。

然后，采用3D打印技术制作标定岩板。通过打印得到的用于标准导流室装载的岩板的形状为两端具有弧形的立方体，且岩板的上下表面相互平行，上下表面均平整光滑，如图2所示。

标定岩板具有与石油行业标准测试导流室设备相匹配的尺寸，对该岩板的尺寸要求为，岩板的长度记为a，且a＝17.74cm，误差在0.05cm之内，岩板的宽度记为b，且b＝3.76cm，误差在0.05cm之内，岩板的厚度记为h，且满足h≥0.9cm。

2、确定铺砂浓度沿支撑裂缝长度方向的第一浓度变化曲线。

基于实际储层的压裂支撑剂的注入情况，采用压裂模拟软件模拟支撑剂的注入过程，得到支撑剂沿支撑裂缝长度(即压裂裂缝长度，后面对模拟实验中的支撑裂缝和压裂裂缝不加区分)方向的铺砂浓度。取注入点，即支撑裂缝的缝口至裂缝尖端的直线长度L为目标长度。以注入口为起点，朝裂缝尖端的直线方向为X轴正方向，通过对实际注入的支撑剂进行模拟，获取从注入点至裂缝尖端直线L上的任一点的铺砂浓度C_x如表达式(1)所示：

C_x＝f(x) (1)

式中，x表示注入点至模拟的裂缝尖端的直线L上的任意一点，x的取值范围为0≤x≤L。

根据表达式(1)，并利用坐标缩放的方法可以得到标定岩板长度范围内，即从注入点至支撑裂缝尖端直线上任一点的铺砂浓度，记为铺砂浓度沿支撑裂缝长度方向的第一浓度变化曲线，如表达式(2)所示：

式中，C_t表示标定岩板长度范围内从注入点至支撑裂缝尖端直线上的任意一点t的铺砂浓度。一般的，在模拟实验中，支撑剂的注入点与支撑裂缝尖端分别设置于实验用标定岩板的长度方向的两端，因此，t的取值范围为0≤t≤a。

3、确定铺砂浓度与支撑裂缝宽度之间的第二浓度变化曲线。

首先，确定实验中需要测量的最大铺砂浓度C_Max与最小铺砂浓度C_Min。一般应使最大铺砂浓度C_Max与最小铺砂浓度C_Min的值能够覆盖根据表达式(2)计算得到的支撑裂缝长度范围内的C_t的最大值和最小值。

然后，在最大铺砂浓度C_Max与最小铺砂浓度C_Min之间选取多个铺砂浓度测试点。举例而言，可以将最大铺砂浓度C_Max至最小铺砂浓度C_Min之差均分为n等份，例如n＝5～10，测试点之间的浓度差为△C＝(C_Max-C_Min)/n。

再利用制作好的标定岩板进行如下实验：

对实际储层的压力和温度条件进行模拟，并利用标定岩板通过n+1次实验，分别测量得到当铺砂浓度为C_Min,C_Min+△C,C_Min+2△C,…,C_Min+(n-1)△C,C_Max时在目标区块储层压力下的对应的支撑剂填充裂缝宽度D_Min,D₁,D₂,…,D_N-1,D_Max。

在测量得到铺砂浓度与支撑裂缝宽度之间的对应关系之后，将在目标区块储层压力下的不同铺砂浓度与支撑裂缝宽度绘成图版，并利用回归算法得到铺砂浓度与支撑裂缝宽度之间的第二浓度变化曲线，如表达式(3)所示：

D＝g(C) (3)

式中，D表示支撑裂缝的宽度，C表示铺砂浓度，C的取值范围为C_Min≤C≤C_Max。

4、基于第一浓度变化曲线与第二浓度变化曲线确定支撑裂缝宽度与支撑裂缝长度之间的对应关系D(t)，如表达式(4)所示：

式中，0≤t≤a，支撑裂缝的宽度为支撑裂缝长度的函数。

5、计算沿支撑裂缝长度方向的岩板的厚度及支撑剂的加入量。

根据最大铺砂浓度C_Max对应的支撑裂缝宽度D_Max，且该处对应的岩板厚度为最小值H_Min，得沿支撑裂缝长度t方向的岩板的厚度H(t)如表达式(5)所示：

根据铺砂浓度沿支撑裂缝长度方向的第一浓度变化曲线以及岩板宽度b计算得支撑剂注入量M，如表达式(6)所示：

6、根据计算得到的岩板厚度制作实验用岩板。

制作实验用岩板的步骤与制作标定岩板的步骤相同，包括根据压裂对象目标层位岩心的岩石力学性质参数选取3D打印材料以及采用3D打印技术打印得到实验用岩板。需要注意的是，实验用岩板除需满足与测试导流设备相匹配的必要的尺寸要求(岩板的长度与宽度要求以及岩板的两端为弧形)，以及岩板在厚度方向上符合最小厚度要求(0.9cm)外，实验用岩板的一侧表面为平面，另一侧表面呈不规则起伏的具有不同厚度的曲面，该曲面形状由表达式(5)所示的厚度曲线决定，如图3所示。

7、利用制作的实验用岩板与计算得到的支撑剂注入量进行支撑剂填充裂缝导流能力的实验。

为了针对非均匀铺砂情况下的水力裂缝导流能力开展测试，同步针对不同裂缝尺寸、不同支撑剂铺砂浓度下的支撑剂填充裂缝导流能力进行评价。采用实验用支撑剂以不同铺砂浓度铺置于岩板中，将岩板放入导流室，向支撑剂填充层加载与目标区块地层压力相同的闭合压力，稳定后采取适当流体使其从岩板缝口流入并穿过整个支撑剂填充层从裂缝尖端流出，测试裂缝导流能力。

进一步地，根据实际地层及岩性的不同改变岩板的支撑裂缝宽度或支撑剂浓度制作目标地层的模拟岩板，以此通过上述实验方法测试目标地层的支撑裂缝导流能力，从而评价压裂效果。

本发明通过计算具体储层支撑裂缝注入点至裂缝尖端任一点的支撑剂铺砂浓度，采用与地层岩石力学性质相似的3D打印材料打印前期实验用岩板，利用前期实验用岩板进行实验确定支撑裂缝宽度与铺砂浓度的函数关系，根据支撑剂铺砂浓度与裂缝宽度和长度的关系得到裂缝宽度沿流体流动方向的变化规律曲线。根据上述关系计算单块岩板厚度，制作实验用岩板并计算支撑剂加入量，从而测试支撑裂缝的导流能力。本发明实现了尺寸变化的粗糙壁面及不同铺砂浓度的条件下导流能力测试，可有效的评价压裂效果，有针对性的进行压裂设计和施工。

下面通过一示例对上述方法做进一步说明。

设计实验用岩板两块，同步开展压裂裂缝导流能力实验，从而进行压裂裂缝效果评价的分析。具体实施过程如下：

步骤一：优选3D打印材料制作标定岩板。根据压裂目标层位的岩心岩石力学性质，具体参数包括岩石抗压强度、岩石孔隙压缩率、杨氏模量E和泊松比υ等参数，优选材料力学性质与天然岩心力学测试指标一致的3D打印材料。采用3D打印技术，打印适用于标准导流室装载的岩板，其形状尺寸为，岩板长度为a＝17.78cm、岩板宽度为b＝3.76cm、岩板厚度为h＝1.5cm。岩板两端为弧形，与石油行业标准测试导流室设备相匹配，岩板上下表面平行，且平整光滑。

步骤二：测量确定支撑裂缝宽度与铺砂浓度的关系。模拟目标区块储层压力与温度等条件，由于实验中一般可测量的裂缝中最大铺砂浓度为C_Max＝10kg/m²，最小铺砂浓度为C_Min＝0.5kg/m²，因此，将最大铺砂浓度至最小铺砂浓度之差均分为7等份，分别测试获取铺砂浓度在目标区块储层压力下的对应的支撑剂填充裂缝宽度，将在目标区块储层压力下的不同铺砂浓度与支撑裂缝宽度绘成图版，并回归出计算公式，如表达式(7-1)所示：

D＝-0.0039C²+0.1062C+0.2384 (7-1)

式中，0.5≤C≤10，曲线如图4所示。

步骤三：确定支撑裂缝长度和支撑剂在裂缝内的铺砂浓度。根据具体储层压裂支撑剂加入情况，采用Meyer压裂模拟软件，模拟计算出支撑剂沿模拟的裂缝长度方向的铺砂浓度，模拟结果如图5所示。

步骤四：确定铺砂浓度沿流体流动方向的变化关系。通过坐标缩放得实验岩板长度(17.78cm)范围内从注入点至支撑裂缝尖端直线上的任一点的铺砂浓度，如表达式(7-2)所示：

C＝-0.0068t²-0.0793t+4.2616 (7-2)

式中，0≤t≤17.78，曲线如图6所示。

步骤五：计算支撑裂缝宽度沿流体流动方向的变化曲线。将表达式(7-2)带入表达式(7-1)得支撑裂缝宽度与支撑裂缝长度之间的关系，曲线如图7所示。

步骤六：制作实验用岩板及确定实验支撑剂注入量。根据表达式(5)计算得沿流体流动方向岩板的厚度并采用3D打印技术制作实验用岩板。

根据支撑裂缝长度与铺砂浓度的关系以及岩板宽度，计算得支撑剂注入量为1.898kg。

步骤七：测试实验用岩板支撑剂填充裂缝导流能力。采用实验用支撑剂以不同铺砂浓度铺置于岩板中，将岩板放入导流室，向支撑剂填充层加载与目标区块地层压力相同的闭合压力10MPa，稳定后采取清水使其从岩板缝口流入并穿过整个支撑剂填充层从裂缝尖端流出，测试裂缝导流能力为115μm²·cm。

针对现有水力压裂裂缝的导流实验方法，无法同步开展尺寸变化的粗糙壁面的支撑剂填充裂缝导流能力评价实验，本发明通过借助3D打印技术，整体设计打印出不同裂缝尺寸的岩板，并结合支撑剂不同铺砂浓度的设计，建立起不同裂缝宽度、不同铺砂浓度的复合填充裂缝，并在此基础上进行导流实验，评价模拟实际地层的非均匀铺砂情况下的导流能力特征，为油气资源的压裂开发设计提供实验参数。

本发明设计的支撑剂填充裂缝导流能力评价实验方法能够测试压裂裂缝非等宽度，且存在曲折，支撑剂铺砂浓度不同等情况下的导流能力。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种压裂裂缝导流能力实验方法，包括：

基于实际储层的压力、温度以及支撑剂的注入情况进行模拟实验以确定支撑裂缝宽度与支撑裂缝长度之间的对应关系；

利用所述对应关系计算支撑剂的注入量及沿支撑裂缝长度方向的岩板的厚度；

其中，根据以下表达式计算沿支撑裂缝长度方向的岩板的厚度H(t)：

其中，H_Min为岩板厚度的最小值，D_Max为支撑裂缝宽度的最大值，D(t)表示支撑裂缝宽度与支撑裂缝长度之间的对应关系；

根据所述岩板的厚度制作实验用岩板，并利用该实验用岩板与计算得到的支撑剂的注入量进行导流能力的测试。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在基于实际储层的压力、温度以及支撑剂的注入情况进行模拟实验以确定支撑裂缝宽度与支撑裂缝长度之间的对应关系的步骤中包括：

基于实际储层的支撑剂的注入情况确定铺砂浓度沿支撑裂缝长度方向的第一浓度变化曲线；

基于实际储层的压力、温度确定铺砂浓度与支撑裂缝宽度之间的第二浓度变化曲线；

基于所述第一浓度变化曲线与第二浓度变化曲线确定支撑裂缝宽度与支撑裂缝长度之间的对应关系。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在基于实际储层的支撑剂的注入情况确定铺砂浓度沿支撑裂缝长度方向的第一浓度变化曲线的步骤中包括：

将以支撑剂注入口为起点，以裂缝尖端为终点的直线长度确定为目标长度；

基于实际储层的支撑剂的注入情况进行模拟得到所述目标长度上任一点的铺砂浓度；

根据模拟得到的铺砂浓度与目标长度之间的对应关系确定铺砂浓度沿支撑裂缝长度方向的第一浓度变化曲线。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在基于实际储层的压力、温度确定铺砂浓度与支撑裂缝宽度之间的第二浓度变化曲线的步骤中包括：

确定实验所采用的最大铺砂浓度与最小铺砂浓度，并在所述最大铺砂浓度与最小铺砂浓度之间选取多个浓度测试点；

基于实际储层的压力和温度条件进行模拟实验，分别测量得到对应于所述最大铺砂浓度、最小铺砂浓度及多个浓度测试点的支撑裂缝的宽度；

根据铺砂浓度与支撑裂缝宽度之间的对应关系回归得到铺砂浓度与支撑裂缝宽度之间的第二浓度变化曲线。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在基于实际储层的压力和温度条件进行模拟实验之前还包括：

根据压裂对象目标层位岩心的岩石力学性质参数选取3D打印材料；

采用3D打印技术制作标定岩板；

其中，所述标定岩板具有与测试导流设备相匹配的尺寸，且岩板的上下表面为相互平行的平面。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在根据所述岩板的厚度制作实验用岩板时：

根据压裂对象目标层位岩心的岩石力学性质参数选取3D打印材料；

采用3D打印技术制作实验用岩板；

其中，所述实验用岩板具有与测试导流设备相匹配的尺寸，且岩板的一侧表面为平面，一侧表面为具有不同厚度的曲面。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述岩石力学性质参数包括岩石抗压强度、岩石孔隙压缩率、杨氏模量和泊松比。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，根据以下表达式计算支撑剂的注入量：

其中，M表示支撑剂的注入量，a为岩板的长度，b为岩板的宽度，L为利用模拟软件对铺砂浓度进行模拟时的目标长度，

为利用模拟软件对铺砂浓度进行模拟时得到的函数关系，t为表示沿岩板长度方向上任一点的变量，0≤t≤a。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括根据实际地层及岩性的不同改变支撑剂的铺砂浓度，并根据铺砂浓度分别制作不同的实验用岩板来测试压裂裂缝的导流能力。

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