CN108645596B - 一种用于评价流体对岩石造缝能力的实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于评价流体对岩石造缝能力的实验方法，包括以下步骤：分别测试干燥岩心与润湿的脆性系数、波速‑应力敏感性系数、声发射事件数和天然裂隙密度大小，然后通过对上述参数的相对变化量数值大小进行无量纲化，建立不同流体对岩石的造缝能力指数数学模型，计算并比较其大小。本发明不仅适用于页岩气、煤层气、致密油气、干热岩等非常规资源，还可应用于低渗透和超低渗透的常规油气藏。该方法可以快速获得不同流体对岩石的造缝能力指数，同时也可以评价同一流体对不同岩样的造缝能力指数，可方便地指导水力压裂施工优选压裂液，以促使压裂过程中人工复杂缝网的形成。

Description

一种用于评价流体对岩石造缝能力的实验方法

技术领域

本发明涉及一种石油天然气开采技术，尤其涉及一种用于评价流体对岩石造缝能力的实验方法。

背景技术

水力压裂技术是提高页岩气、致密油气等非常规储层产量的重要手段，也是提高干热岩热能开采的有效方式之一。水力压裂过程中要向地层中注入大量的流体(压裂改造工作液)，流体可以显著改变岩石力学性质，因此，流体对岩石的造缝能力(或可压性)影响不可忽视。

目前评价岩石可压性的方法主要通过脆性来评价，认为脆性越强，可压性越强；也有学者发展了新的可压性评价方法，例如通过断裂韧性和脆性指数来综合评价岩可压性，但是目前方法忽略了流体对岩石造缝能力的大小。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于评价流体对岩石造缝能力的实验方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的用于评价流体对岩石造缝能力的实验方法，包括以下步骤：

步骤1：将直径25毫米、高度50mm的标准圆柱体岩心放入恒温烘干箱中，温度恒定为100摄氏度，连续烘干24小时，以除去岩心中的残余液体；

步骤2：测试干燥岩心的高度h、直径d和质量m，计算干燥岩心的密度ρ，公式如下：

式中，ρ为岩心密度；d为岩心直径；h为岩心高度；π为圆周率，常数；m为岩心质量；

步骤3：测试干燥岩心沿轴向的纵波V_p、横波V_s的大小，计算其动态弹性模量E_d和动态泊松比ν_d的大小，公式如下：

式中，E_d为动态弹性模量；ν_d为动态泊松比；V_p为纵波(或P波)波速；V_s为横波(或S波)波速；

步骤4：将第3步骤中获得的动态岩石力学参数转换为静态岩石力学参数，转换公式如下：

E_s＝aE_d+b (4)

ν_s＝cν_d+d (5)

式中，a、b、c、d为常数，通过对实验数据拟合来确定；E_s为静态弹性模量；ν_s为静态泊松比；

步骤5：计算岩心的脆性指数BI，公式如下：

式中，BI为岩心脆性指数；E_BRIT为归一化弹性模量；ν_BRIT为归一化泊松比；E_s,max、E_s,min为步骤4中所有岩心静态弹性模量E_s构成向量中的最大元素值和最小元素值；ν_s,max、ν_s,min为步骤4中所有岩心静态泊松比ν_s构成向量中的最大元素值和最小元素值；

步骤6：将P波(或S波)探头置放于探头夹具内，探头端面与岩心两个端面接触，中间均匀涂上耦合剂，以一定的加载速率沿轴向加载，最大加载应力σ_max为岩心单轴压缩强度的30％至50％，测试干燥岩心在不同应力下的波形和波速到时大小t_p，然后根据互相关函数法，得出不同应力σ下的波速大小V_p,str，同时记录相应应力σ下产生的声发射事件个数num，将单位应力下声发射事件数定义为AE_num＝num/σ；

步骤7：对每块岩心，绘制不同加载应力σ与波速V_p,str间的拟合直线，直线斜率k_vel为岩心的波速-应力敏感性系数；

步骤8：根据获得波速数据，通过反演计算，获得每块岩心的天然裂隙密度大小ρ_c，反演公式如下：

式中，G₀为岩石基质的剪切模量；G_dry为干燥岩样的剪切模量；G₀和G_dry可由式(10)计算获得；ν₀为岩石基质的泊松比，可由式(3)获得；ρ_c为岩样的天然裂隙密度；E为岩心弹性模量；ν为岩心泊松比；

步骤9：将干燥岩心浸泡于压裂改造工作液中一定时间(为压裂施工时间)，重复步骤二至步骤八，获得润湿岩心的脆性指数BI_wet、单位应力下声发射事件数AE_num,wet、波速-应力敏感性系数k_vel,wet以及天然裂隙密度ρ_wet,c的大小，其中润湿岩样的天然裂隙密度ρ_wet,c的计算公式如下(其余参数同上述步骤中的公式)：

式中，G_wet为润湿岩样的剪切模量，可由公式(10)计算得出；δ_f为无量纲量，由公式(12)可得，其中K₀和K_f分别为岩石基质和流体(即压裂改造工作液)的体积模量；E₀为岩石基质的弹性模量；ζ为裂隙纵横比，其值大小为10^-3左右，ζ＝w/c，w和c分别为裂纹的宽度和半径；ρ_wet,c为润湿岩心内的天然裂隙密度；

步骤10：计算每块岩样干燥与润湿前后的脆性系数相对变化量BI_var、单位应力下声发射事件数相对变化量AE_var、波速-应力敏感性系数相对变化量k_var以及天然裂隙密度相对变化量ρ_var大小，公式如下：

式中，BI和BI_wet分别是干燥、润湿岩样的脆性指数；BI_var为岩样干燥与润湿前后的脆性系数相对变化量；AE_num和AE_num,wet分别是干燥、润湿岩样在单位应力下的声发射事件数量；AE_var为岩样在单位应力下的声发射事件数量相对变化量；k_vel和k_vel,wet分别是干燥与润湿岩样波速-应力敏感性系数；k_var为岩样波速-应力敏感性系数相对变化量；ρ_c和ρ_wet,c为干燥、润湿岩样内的天然裂隙密度；ρ_var为天然裂隙密度相对变化量。

步骤11：对于每块岩心，将步骤10中的岩心脆性指数相对变化量BI_var、单位加载应力下声发射事件总数相对变化量AE_var、波速-应力敏感性系数相对变化量k_var以及岩样天然裂隙密度相对变化量ρ_var进行无量纲化处理，公式如下：

式中，BI_d、AE_d、k_d、ρ_d分别为无量纲化脆性指数、无量纲化声发射数、无量纲化波速-应力敏感性系数和无量纲化天然裂隙密度；BI_var,max、BI_var,min为步骤10中所有岩心脆性指数相对变化量构成向量中的最大元素值和最小元素值；AE_var,max、AE_var,min为步骤10中所有岩心单位应力下声发射总数相对变化量构成向量中的最大元素值和最小元素值；

k_var,max、k_var,min为步骤10中所有岩心波速-应力敏感性系数相对变化量构成向量中的最大元素值和最小元素值；ρ_var,max、ρ_var,min为步骤10中所有岩心天然裂隙密度相对变化量构成向量中的最大元素值和最小元素值；

步骤12：计算流体作用下岩心的造缝能力指数大小FI_f，公式如下：

步骤13：比较步骤12中的不同流体作用下每块岩心的造缝能力指数大小，其值越大，说明该流体对岩心的造缝能力越强。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的用于评价流体对岩石造缝能力的实验方法，可用于优选压裂液类型，促进水力压裂过程中复杂缝网的形成。该方法可以快速既可以获得不同流体对岩石的造缝能力指数，也可以获得同一种流体对不同岩样的造缝能力指数，可以方便地指导水力压裂施工优选压裂液，以促使压裂过程中人工复杂缝网的形成。

附图说明

图1为本发明实施例提供的用于评价流体对岩石造缝能力的实验方法中的应力-波速拟合直线图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本发明的用于评价流体对岩石造缝能力的实验方法，其较佳的具体实施方式是：

包括以下步骤：

步骤1：将直径25毫米、高度50mm的标准圆柱体岩心放入恒温烘干箱中，温度恒定为100摄氏度，连续烘干24小时，以除去岩心中的残余液体；

步骤2：测试干燥岩心的高度h、直径d和质量m，计算干燥岩心的密度ρ，公式如下：

式中，ρ为岩心密度；d为岩心直径；h为岩心高度；π为圆周率，常数；m为岩心质量；步骤3：测试干燥岩心沿轴向的纵波V_p、横波V_s的大小，计算其动态弹性模量E_d和动态泊松比ν_d的大小，公式如下：

式中，E_d为动态弹性模量；ν_d为动态泊松比；V_p为纵波(或P波)波速；V_s为横波(或S波)波速；

步骤4：将第3步骤中获得的动态岩石力学参数转换为静态岩石力学参数，转换公式如下：

E_s＝aE_d+b (4)

ν_s＝cν_d+d (5)

式中，a、b、c、d为常数，通过对实验数据拟合来确定；E_s为静态弹性模量；ν_s为静态泊松比；

步骤5：计算岩心的脆性指数BI，公式如下：

式中，BI为岩心脆性指数；E_BRIT为归一化弹性模量；ν_BRIT为归一化泊松比；E_s,max、E_s,min为步骤4中所有岩心静态弹性模量E_s构成向量中的最大元素值和最小元素值；ν_s,max、ν_s,min为步骤4中所有岩心静态泊松比ν_s构成向量中的最大元素值和最小元素值；

步骤6：将P波(或S波)探头置放于探头夹具内，探头端面与岩心两个端面接触，中间均匀涂上耦合剂，以一定的加载速率沿轴向加载，最大加载应力σ_max为岩心单轴压缩强度的30％至50％，测试干燥岩心在不同应力下的波形和波速到时大小t_p，然后根据互相关函数法，得出不同应力σ下的波速大小V_p,str，同时记录相应应力σ下产生的声发射事件个数num，将单位应力下声发射事件数定义为AE_num＝num/σ；

步骤7：对每块岩心，绘制不同加载应力σ与波速V_p,str间的拟合直线，直线斜率k_vel为岩心的波速-应力敏感性系数；

步骤8：根据获得波速数据，通过反演计算，获得每块岩心的天然裂隙密度大小ρ_c，反演公式如下：

式中，G₀为岩石基质的剪切模量；G_dry为干燥岩样的剪切模量；G₀和G_dry可由式(10)计算获得；ν₀为岩石基质的泊松比，可由式(3)获得；ρ_c为岩样的天然裂隙密度；E为岩心弹性模量；ν为岩心泊松比；

步骤9：将干燥岩心浸泡于压裂改造工作液中一定时间(为压裂施工时间)，重复步骤二至步骤八，获得润湿岩心的脆性指数BI_wet、单位应力下声发射事件数AE_num,wet、波速-应力敏感性系数k_vel,wet以及天然裂隙密度ρ_wet,c的大小，其中流体作用下岩样的天然裂隙密度ρ_wet,c的计算公式如下(其余参数同上述步骤中的公式)：

式中，G_wet为润湿岩样的剪切模量，可由公式(10)计算得出；δ_f为无量纲量，由公式(12)可得，其中K₀和K_f分别为岩石基质和流体的体积模量；E₀为岩石基质的弹性模量；ζ为裂隙纵横比，其值大小为10^-3左右，ζ＝w/c，w和c分别为裂纹的宽度和半径；ρ_wet,c为润湿岩心内的天然裂隙密度；

步骤10：计算每块岩样干燥与润湿前后的脆性系数相对变化量BI_var、单位应力下声发射事件数相对变化量AE_var、波速-应力敏感性系数相对变化量k_var以及天然裂隙密度相对变化量ρ_var大小，公式如下：

式中，BI和BI_wet分别是干燥、润湿岩样的脆性指数；BI_var为岩样干燥与润湿前后的脆性系数相对变化量；AE_num和AE_num,wet分别是干燥、润湿岩样在单位应力下的声发射事件数量；AE_var为岩样在单位应力下的声发射事件数量相对变化量；k_vel和k_vel,wet分别是干燥与润湿岩样波速-应力敏感性系数；k_var为岩样波速-应力敏感性系数相对变化量；ρ_c和ρ_wet,c为干燥、润湿岩样内的天然裂隙密度；ρ_var为天然裂隙密度相对变化量；

步骤11：对于每块岩心，将步骤10中的岩心脆性指数相对变化量BI_var、单位应力下声发射事件总数相对变化量AE_var、波速-应力敏感性系数相对变化量k_var以及岩样天然裂隙密度相对变化量ρ_var进行无量纲化处理，公式如下：

式中，BI_d、AE_d、k_d、ρ_d分别为无量纲化脆性指数、无量纲化声发射数、无量纲化波速-应力敏感性系数和无量纲化天然裂隙密度；BI_var,max、BI_var,min为步骤10中所有岩心脆性指数相对变化量构成向量中的最大元素值和最小元素值；AE_var,max、AE_var,min为步骤10中所有岩心单位应力下声发射总数相对变化量构成向量中的最大元素值和最小元素值；

k_var,max、k_var,min为步骤10中所有岩心波速-应力敏感性系数相对变化量构成向量中的最大元素值和最小元素值；ρ_var,max、ρ_var,min为步骤10中所有岩心天然裂隙密度相对变化量构成向量中的最大元素值和最小元素值；

步骤12：计算流体作用下岩心的造缝能力指数大小FI_f，公式如下：

步骤13：比较步骤12中的不同流体作用下每块岩心造缝能力指数大小，其值越大，说明该流体对岩心的造缝能力越强。

所述非常规储层不仅包括非常规油气藏中的页岩气、煤层气或致密油气储层或干热岩储层，还包括常规油气藏中的低渗透或超低渗透储层。

本发明的用于评价流体对岩石造缝能力的实验方法，可用于优选压裂液类型，促进水力压裂过程中复杂缝网的形成。不仅适用于干热岩、页岩气、煤层气、致密油气等非常规储层，还可应用于低渗透和超低渗透的常规油气藏。该方法可以快速获得不同流体对岩石的造缝能力指数，或同一流体作用下不同岩样的造缝能力指数，指导水力压裂施工优选压裂液，以促使压裂过程中人工复杂缝网的形成。

具体实施例，如图1所示：

评价不同流体对岩石造缝能力的实验方法，岩心来自某油田致密砂岩，具体过程如下：

步骤1：将标准圆柱体岩心放入恒温烘干箱中，在100摄氏度恒温下，连续烘干24小时，除去岩心内的液体；

步骤2：测试干燥岩心的高度h、直径d和质量m，按公式(1)，计算干燥岩心的密度ρ；

步骤3：测试干燥岩心沿轴向的纵波、横波大小，按公式(2)、(3)，分别计算其动态弹性模量E_d和动态泊松比ν_s大小；

步骤4：将第3步骤中获得的动态岩石力学参数转换为静态岩石力学参数，转换公式为：E_s＝0.85E_d和ν_s＝0.95ν_d；

步骤5：按公式(6)(8)，先对步骤4中的静态弹性模量E_s和静态泊松比ν_s进行归一化，然后计算干燥岩心的脆性指数BI；

步骤6：将P波(或S波)探头置放于探头夹具内，探头端面与岩心两个端面接触，中间均匀涂上耦合剂，以2MPa/次的速率沿轴向加载，最大加载应力σ_max为30MPa，测试干燥岩心在不同应力下的波形和波速到时，根据互相关函数法，得出不同应力σ下的波速大小V_p,str，同时记录相应应力σ下产生的声发射事件个数num，计算单位应力下的声发射事件数AE_num＝num/σ。

步骤7：对每块岩心，绘制不同加载应力σ与波速V_p,str间的拟合直线，直线斜率k_vel为岩心的波速-应力敏感性系数；

步骤8：根据获得波速数据，通过反演计算公式(9)、式(10)，获得每块岩心的天然裂隙密度大小ρ_c；

步骤9：将干燥岩心浸泡于蒸馏水中24小时，重复步骤二至步骤八，获得润湿岩心的脆性指数BI_wet、声发射事件数AE_num,wet、波速-应力敏感性系数k_vel,wet以及天然裂隙密度ρ_wet,c的大小，其中饱和流体作用下岩样的天然裂隙密度ρ_wet,c的计算公式按式(11)、式(12)，其余参数计算公式同步骤2至8中公式；

步骤10：按公式(13)至式(16)，计算每块岩样干燥与润湿前后的脆性系数相对变化量BI_var、单位应力下声发射事件数相对变化量AE_var、波速-应力敏感性系数相对变化量k_var以及天然裂隙密度相对变化量ρ_var大小，公式如下；

步骤11：对于每块岩心，按公式(17)至式(20)，将步骤10中的岩心脆性指数相对变化量BI_var、声发射事件总数相对变化量AE_var、波速-应力敏感性系数相对变化量k_var以及岩样天然裂隙密度相对变化量ρ_var进行无量纲化处理；

步骤12：按公式(21)，计算流体对岩心的造缝能力指数大小FI_f，见表1。

表1不同岩心的造缝能力指数

步骤13：比较步骤12中的流体作用下每块岩心造缝能力指数大小，可以看出编号为10-1的造缝能力指数最大，说明流体对此块岩心的造缝能力最强。

施工效果：

通过较高泵注排量(8～10m³/min)、小粒径支撑剂(40～70目)、滑溜水等工艺措施，对这口井进行了体积压裂施工。施工过程中，在恒定排量注入滑溜水情况下，泵压多次起伏波动，这是由于多次破裂成缝引起的。体积压裂后，此井日产天然气76000m³/天。这说明此口井滑溜水对岩石的造缝能力较好。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种用于评价流体对岩石造缝能力的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将直径25毫米、高度50mm的标准圆柱体岩心放入恒温烘干箱中，温度恒定为100摄氏度，连续烘干24小时，以除去岩心中的残余液体；

步骤2：测试干燥岩心的高度h、直径d和质量m，计算干燥岩心的密度ρ，公式如下：

式中，ρ为岩心密度；d为岩心直径；h为岩心高度；π为圆周率，常数；m为岩心质量；

步骤3：测试干燥岩心沿轴向的纵波V_p、横波V_s的大小，计算其动态弹性模量E_d和动态泊松比ν_d的大小，公式如下：

式中，E_d为动态弹性模量；ν_d为动态泊松比；V_p为纵波波速；V_s为横波波速；

步骤4：将第3步骤中获得的动态岩石力学参数转换为静态岩石力学参数，转换公式如下：

E_s＝aE_d+b (4)

ν_s＝cν_d+d (5)

式中，a、b、c、d为常数，通过对实验数据拟合来确定；E_s为静态弹性模量；ν_s为静态泊松比；

步骤5：计算岩心的脆性指数BI，公式如下：

式中，BI为岩心脆性指数；E_BRIT为归一化弹性模量；ν_BRIT为归一化泊松比；E_s,max、E_s,min为步骤4中所有岩心静态弹性模量E_s构成向量中的最大元素值和最小元素值；ν_s,max、ν_s,min为步骤4中所有岩心静态泊松比ν_s构成向量中的最大元素值和最小元素值；

步骤6：将P波或S波探头置放于探头夹具内，探头端面与岩心两个端面接触，中间均匀涂上耦合剂，以一定的加载速率沿轴向加载，最大加载应力σ_max为岩心单轴压缩强度的30％至50％，测试干燥岩心在不同应力下的波形和波速到时大小t_p，然后根据互相关函数法，得出不同应力σ下的波速大小V_p,str，同时记录相应应力σ下产生的声发射事件个数num，将单位应力下声发射事件数定义为AE_num＝num/σ；

步骤7：对每块岩心，绘制不同加载应力σ与波速V_p,str间的拟合直线，直线斜率k_vel为岩心的波速-应力敏感性系数；

步骤8：根据获得波速数据，通过反演计算，获得每块岩心的天然裂隙密度大小ρ_c，反演公式如下：

式中，G₀为岩石基质的剪切模量；G_dry为干燥岩样的剪切模量；G₀和G_dry可由式(10)计算获得；ν₀为岩石基质的泊松比，可由式(3)获得；ρ_c为岩样的天然裂隙密度；E为岩心弹性模量；ν为岩心泊松比；

步骤9：将干燥岩心浸泡于压裂改造工作液中一定时间，重复步骤2至步骤8，获得润湿岩心的脆性指数BI_wet、单位压力下声发射事件数AE_num,wet、波速-应力敏感性系数k_vel,wet以及天然裂隙密度ρ_wet,c的大小，其中饱和流体作用下岩样的天然裂隙密度ρ_wet,c的计算公式如下，其余参数同上述步骤中的公式：

式中，G_wet为润湿岩样的剪切模量，可由公式(10)计算得出；δ_f为无量纲量，由公式(12)可得，其中K₀和K_f分别为岩石基质和流体的体积模量；E₀为岩石基质的弹性模量；ζ为裂隙纵横比，其值大小为10^-3左右，ζ＝w/c，w和c分别为裂纹的宽度和半径；ρ_wet,c为润湿岩心内的天然裂隙密度；

步骤10：计算每块岩样干燥与润湿前后的脆性系数相对变化量BI_var、单位应力下声发射事件数相对变化量AE_var、波速-应力敏感性系数相对变化量k_var以及天然裂隙密度相对变化量ρ_var大小，公式如下：

式中，BI和BI_wet分别是干燥、润湿岩样的脆性指数；BI_var为岩样干燥与润湿前后的脆性系数相对变化量；AE_num和AE_num,wet分别是干燥、润湿岩样在单位应力下的声发射事件数量；AE_var为岩样在单位应力下的声发射事件数量相对变化量；k_vel和k_vel,wet分别是干燥与润湿岩样波速-应力敏感性系数；k_var为岩样波速-应力敏感性系数相对变化量；ρ_c和ρ_wet,c为干燥、润湿岩样内的天然裂隙密度；ρ_var为天然裂隙密度相对变化量；

步骤11：对于每块岩心，将步骤10中的岩心脆性指数相对变化量BI_var、单位应力下声发射事件总数相对变化量AE_var、波速-应力敏感性系数相对变化量k_var以及岩样天然裂隙密度相对变化量ρ_var进行无量纲化处理，公式如下：

式中，BI_d、AE_d、k_d、ρ_d分别为无量纲化脆性指数、无量纲化声发射数、无量纲化波速-应力敏感性系数和无量纲化天然裂隙密度；BI_var,max、BI_var,min为步骤10中所有岩心脆性指数相对变化量构成向量中的最大元素值和最小元素值；AE_var,max、AE_var,min为步骤10中所有岩心单位应力下声发射总数相对变化量构成向量中的最大元素值和最小元素值；k_var,max、k_var,min为步骤10中所有岩心波速-应力敏感性系数相对变化量构成向量中的最大元素值和最小元素值；ρ_var,max、ρ_var,min为步骤10中所有岩心天然裂隙密度相对变化量构成向量中的最大元素值和最小元素值；

步骤12：计算流体作用下岩心的造缝能力指数大小FI_f，公式如下：

步骤13：比较步骤12中的流体对岩心造缝能力指数大小，其值越大，说明该流体对岩心的造缝能力越强。