CN108756852A - 一种可控裂缝参数的碳酸盐岩井筒模型制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不同裂缝参数及分布的碳酸盐岩井筒模型制备方法，(1)制作模拟裂缝：根据需要模拟的裂缝形状，利用不同尺寸的硅胶片模拟裂缝；(2)制作模拟地层：在圆柱形模具中排布步骤(1)中的裂缝，并将碳酸盐岩岩屑与水泥浆体系组成的模拟地层材料倒入模具中；(3)待水泥浆凝固硬化后，取芯形成模拟井筒；所述模拟裂缝的排布方法为：将若干硅胶片固定于直径小于1mm的细线上，拉直细线，使硅胶片按设计的角度分布在模拟井筒内。本发明的井筒模型可用于研究模拟碳酸盐岩裂缝对于测井的响应，裂缝参数及分布便于控制和改变，其力学性质及弹性性质与真实碳酸盐岩相近，且性质稳定，制作简单，成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳酸盐岩地层井筒模型制备方法，具体涉及一种可控裂缝参数及分布的碳酸盐岩地层井筒模型及模拟测井声波测量方法。属于岩石物理仿真建模技术领域。
背景技术
由于溶蚀、构造运动、水力压裂等因素的影响，碳酸盐岩储层孔隙类型多样，孔隙结构复杂，次生孔隙发育，含有大量裂缝和溶洞。复杂的孔隙结构会给常规基于弹性波理论声波测井解释带来不确定性和多解性。同时裂缝的存在会极大的影响碳酸盐岩储层的孔隙度，渗流能力以及储集能力；因此，为了更好地评价和开发碳酸盐岩储层，最关键、也最困难的问题在于研究它的裂缝结构特征。
声波测井在碳酸盐岩储层中有特殊的和实际应用，因为它们主要反映基质孔隙度，且受裂缝的影响较大。声波如挤压、剪切和斯通利波对储层裂缝和渗透率等敏感；因此，对于这些波的精确分析是储层物性识别的有效手段。然而对于裂缝发育复杂的碳酸盐岩孔隙结构的定量化分析比较复杂，很难在地层中研究微观参数对岩石宏观物理属性的影响。岩心尺度下的高频测试与常规测井声波方式具有较大不同，主要体现在两个方面：1、超声实验采用透射法测量弹性波，而声波测井则通过测量地层中滑行波研究地层性质，两者具有很大差别。2、现有研究表明不同弹性波频率下岩石表现出不同的物理物性。通常室内岩心尺度较小，一般为直径2.54cm，5.5cm的标准岩心，且发射频率较高(MHz)，而常规声波测井仪器长达数米，发射频率约为10～100KHz。因此，直接将岩石物理实验结果应用于测井解释中将会产生一定的偏差。同时，目前针对煤层气、页岩气及致密气等非常规油气储层开发的水力压裂技术，对于增产起到了关键作用。而在室内压裂试验中，也需要制作大尺度含不同裂缝参数的井筒模型。
目前对于砂岩人造岩心制作工艺已经相对成熟。通常选用不同粒径的石英砂与胶结剂进行混合，压实可形成不同裂缝孔隙度和渗透率的岩心。然而，对于裂缝结构复杂的碳酸盐岩，现有方法只适用于小尺度岩心制作(薄片组合法、切割模拟法、插缝法、溶蚀法等)，无法制作不同裂缝参数地层井筒模型。主要存在以下几点问题：1、现有方法通常使用环氧树脂作为胶结剂，价格较高，无法制作大尺度模型。且混合后稠度很大，很难保证混合均匀(中国专利CN103048178A、CN089806A、CN107101854A)。2、压实过程中不同压实时间和压力对于岩心最终性质影响很大，且大型压力机使用不便，对于大尺度井筒模型需要耗费大量人力物力。3、不同裂缝角度对声波传播影响差异很大，现有模型制作方法很难控制裂缝角度(中国专利CN 103868772B、104034563A、104977195A)或只能制备少量裂缝(中国专利CN104407400B)，无法实现模拟大尺度裂缝的同时，精确控制裂缝参数及分布(中国专利CN105298480A)。水泥作为一种常用的建筑材料，便宜的价格，高强度以及稳定的性质使得其广泛应用于制作水力压裂模型中。在水泥水化过程中，整个体系具有流动性，可用于制作大尺度模型。但是对于水泥与碳酸盐岩差别较大，很难直接应用于碳酸盐岩实际地层模拟中(中国专利CN104563978A、105842026B)。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种能够模拟复杂裂缝参数碳酸盐岩地层井筒制备方法，以碳酸盐岩岩屑为骨架，水泥浆体系作为胶结剂，通过调节水泥浆组分及与碳酸盐岩岩屑的比例，可以实现模拟碳酸盐岩岩石性能。同时利用不同形状、不同数量的硅胶片加入所配水泥浆中充当裂缝，采用穿线拉直法可以实现大尺度裂缝模拟，并可以控制裂缝排列方向和角度。固结后模型性质稳定、实施方便，可用于定量分析裂缝参数对于测井声波的影响。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种可控裂缝参数碳酸盐岩地层井筒模型制备方法，包括步骤如下：
(1)制作模拟裂缝：根据需要模拟的地层裂缝孔隙度和裂缝形状，加工制作不同尺寸硅胶片模拟裂缝；
(2)制作模拟地层：在圆柱形模具中排布步骤(1)中的裂缝，并将碳酸盐岩岩屑与水泥浆体系组成的模拟地层材料倒入模具中；
(3)待水泥浆凝固硬化后，取芯形成模拟井筒；
所述模拟裂缝的排布方法为：将若干硅胶片固定于直径小于1mm的细线上，细线的一端按预先设计的排布方式固定在模具底部，另一端按预先设计的排布方式固定在模具顶部，拉直细线，可使硅胶片按设计的角度分布在模拟井筒内。
细线为普通的尼龙线，由于很细，可以忽略对模型整体性质的影响；硅胶片是串在细线上的。
对于单一孔隙结构，硅胶片的最长长度(如果是圆片，指直径；椭圆形片指长轴；三角形片，指最长边；四边形片，指最长的对角线长)为模拟裂缝最长方向长度，硅胶片厚度为模拟裂缝最短方向长度，模型所需要的硅胶片数量通过模型总孔隙度和单个硅胶片尺寸(最长长度和厚度)计算得出：式中N为需要添加的硅胶片数量，d和h分别为硅胶片的最长长度和厚度，V为井筒模具总体积；硅胶片最长长度和厚度的比值AR＝h/d为裂缝纵横比。
上述方案优选的是，所述的裂缝排布方法指根据设计的裂缝孔隙度和裂缝角度，采用对角排布方式，在设计的1/4的环空空间内可平均排布6～100串硅胶片，每串6～24个硅胶片。
水平方向裂缝通过水平排布的若干串硅胶片模拟，其中一串硅胶片的串连方式为：细线垂直贯穿硅胶片圆心，若干硅胶片均匀排布在细线上；竖直方向裂缝通过竖直排布的若干串硅胶片模拟，其中一串硅胶片的串连方式为：细线平行贯穿硅胶片圆心，若干硅胶片竖直排列在细线上；与水平方向呈0～90°的裂缝可通过倾斜排布的若干串硅胶片模拟，其中一串硅胶片的串连方式为：细线斜穿硅胶片圆心，若干硅胶片倾斜排布在细线上。
具体的，所述对角排布是指：将环形圆筒空间平均分成四份，每份为1/4空间，在相对的两个1/4环形空间内排布硅胶片，可减少工作量。
上述方案优选的是，所述的模拟地层材料的制备方法为：按质量比称取100份G级油井水泥和40份水，充分混合后边搅拌边加入50～250份碳酸盐岩岩屑，1～5份微硅，0.1～0.3％的减阻剂和0.5～2％消泡剂，搅拌完成后，除去气泡，得到混合物即为模拟地层材料。
上述方案进一步优选的是，所述的水泥为粒径300目的硅酸盐粉末；碳酸盐岩岩屑为方解石含量大于98％、粒径范围为80～100目的晶粒；微硅为粒径小于1微米、SiO2含量超过97％的粉末。
上述方案进一步优选的是，所述的搅拌时间为10～15分钟，搅拌速度为500～800转/分钟。
上述方案进一步优选的是，所述除去气泡的方法为：搅拌完成后，在无裂缝分布的两个相对的1/4的环空空间内插入混凝土振动器，振动1～2分钟，将混合物中气泡振出。
上述方案进一步优选的是，混合物在常温条件下静置20天，使其固化完全，保证模拟地层材料性质稳定。
上述方案优选的是，取芯长度为井筒模型(0.5～1m)的75～85％，直径为圆柱形模具内径(250～350mm)的20～30％。
本发明还提供一种不同裂缝参数碳酸盐岩地层井筒模型的应用，利用上述模拟井筒进行声波测井模拟实验，定量分析地层内裂缝结构参数对于测井声波传播的影响。
上述方案优选的是，所述的井筒声波测井实验为测量含裂缝的两个相对1/4环空空间内传播的声波。
本发明以碳酸盐岩岩屑为骨架，水泥浆体系作为胶结剂，模拟碳酸盐岩地层，以不同纵横比的硅胶片模拟裂缝，利用穿线拉直法在对角方向上排布不同角度裂缝。固结后模拟钻井方式进行取芯，并模拟碳酸盐岩地层井筒声学或力学测试，该方法具备以下优点：
1、水泥和碳酸盐岩岩屑混合模拟碳酸盐岩地层骨架，其力学性质及弹性性质与真实碳酸盐岩相近，可满足工程实际要求。
2、模型尺度与实际井筒相似，取芯方式与钻井过程类似，便于操作，可最大程度上模拟测井方式。
3、采用穿线拉直法可以实现大尺度裂缝模拟的同时，控制裂缝排列方向和角度，并通过控制每串上硅胶片数量和串数来进行不同裂缝参数的井筒声学或力学实验。
4、采用的材料成本低，可大量制作，可重复性好。
附图说明
图1为穿线拉直法示意图；其中图a为在圆柱形模具中布置垂直裂缝，图b为在模具两个相对的1/4环空空间布置裂缝；
图2为井筒模型测量示意图；图中1-裂缝(即硅胶片)；2-发射换能器；3-井筒(内装有水)；4-接收换能器R1；5接收换能器R2；6-模拟地层：水泥浆+碳酸盐岩；模型尺寸：模型内径Df＝315mm，井筒内径Dw＝76mm，模型高度Ly＝600mm；取芯高度Ld＝500mm；
图3为裂缝排列方式水平面顶视图；
图4为采用一发射多点双道双接收声波测井仪器测试图。其中一发双收探头置于充满水的取芯井筒中进行测量。
图5为文献中实际岩心与井筒模型波速测量结果对比图；
图6为实施例5中不同裂缝角度及裂缝尺寸分布示意图，其中图a为平行裂缝，裂缝角度0°，裂缝尺寸30mm；图b为斜交裂缝，裂缝角度45°，裂缝尺寸20mm；图c为垂直裂缝，裂缝角度90°，裂缝尺寸10mm；
图7为不同裂缝孔隙度和纵横比的井筒模型。图中上方为A系列不同孔隙度模型，下方为B系列不同纵横比模型。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。具体步骤如下：
选用山东胜潍水泥厂产G级高抗油井水泥，碳酸盐岩岩屑为方解石含量大于98％的晶粒组成，粒径为80-100目。微硅为SiO2含量超过97％的粉末。
由于真实裂缝中的流体波速与岩石波速差异明显，故裂缝充填物选用与流体性质相近的硅胶材料，通过改变硅胶片的最长长度和厚度，制作出具有不同纵横比的硅胶片来模拟裂缝，能够实现单一变量控制，便于描述裂缝对弹性波特性的影响。根据设计的裂缝分布方式，采用穿线拉直法将不同纵横比的硅胶片按一定间隔贴在细线上，单个模型中硅胶片的方向是一致的，不同模型有不同的方向。每串平均粘贴6～24个硅胶片。为了反映不同方位裂缝的影响，只在相对的两个1/4空间内分布裂缝，图1b所示，在设计的1/4的环空空间内平均排布6～100串硅胶片。将硅胶片均匀的分布在如图1a和图1b所示的圆柱形空间内，拉直细线，细线下端是粘在底盖上，上面是穿在顶盖上，将硅胶片固定在模具圆筒中，可保证圆筒内在一个水平面方向上存有裂缝，而与其垂直的方向上没有裂缝，如图1b所示，即保证在0°和180°方向上存有裂缝，而与其垂直的方向(90°和270°)上没有裂缝，便于对比分析。
实施例1：
模拟地层材料配方：50kg胜潍G级水泥+20kg水+1kg微硅+200g份减阻剂+1kg复合消泡剂。继续搅拌逐渐加入25～125kg碳酸盐岩岩屑。待整个体系固化后，测量其密度、渗透率及纵横波速度(Vp,Vs)，结构如表1所示。
表1不同碳酸盐岩岩屑加量的水泥浆性能表
可以看出，增加碳酸盐岩岩屑比例可以提高体系密度，但是碳酸盐岩岩屑比例越高，比表面越大，会极大增加整体系的稠度，甚至造成无法搅拌。同时渗透率增大，体系内气泡难以排出。综合考虑泥浆密度、流动性及可操作性，优选模拟地层材料中水泥与碳酸盐岩岩屑的质量比为100：100～150模拟地层骨架。
实施例2：
采用实例1中的水泥体系，在搅拌桶中依次加入18kg份水，45kg水泥，快速搅拌1分钟后加入180g减阻剂和900g消泡剂，继续搅拌并逐渐加入67.5kg碳酸盐岩岩屑和900g微硅。以500～800转/分钟速度搅拌10～15分钟。均匀混合后加入到内径315mm，高600mm的圆柱形模具中。将振动器插入混合物中振动1分钟用于振出气泡。常温条件下静置候凝7天，待体系固化后，利用76mm直径取芯机在模型中心取芯500mm(如图2中Ld)，模拟钻井过程形成井筒的方式，继续静置21天，待水泥水化完全后得到碳酸盐岩井筒模型。
实施例3：
以制备含单一裂缝类型、裂缝纵横比为0.033、裂缝孔隙度为1.2％的模型为例：将直径为30mm，厚度为1mm的硅胶圆片均匀粘在细线上，每串上粘12个(如图1所示)，共48串。在井筒横截面90°对角方向上，通过上下端拉直固定，从里向外上按3个、4个、5个分别排布裂缝(如图3所示)。按实施例2所述方法，制作含单一裂缝类型的碳酸盐岩井筒模型。
将一发射多点双道双接收声波测井仪器放入充满水的井眼中(如图4所示)，可得到测量模型的纵横波和斯通利波速度(Vst)。
实施例4：
为了验证井筒模型物理特性与实际地层的一致性，选取碳酸盐岩地层岩心数据(Assefa S,McCann C,Sothcott J.Velocities of compressional and shear waves inlimestones[J].Geophysical prospecting,2003,51(1):1-13.)，并按照实施例3的方法，选取硅胶圆片直径长度为30mm，通过改变硅胶片厚度，使得井筒模型和实际岩心的孔隙纵横比相同。通过改变硅胶片数量，使得两个孔隙度相同。制作了相应孔隙度与裂缝纵横比参数的井筒模型，具体参数如表2所示。
采用一发射多点双道双接收声波测井仪器记录不同模型接收波形，采用时差法计算模型的纵横波波速。实际岩心与井筒模型速度对比如图5所示。可以看出，两者具有较好的一致性，平均误差小于5％。同时考虑到文献中测量采用的频率较高，声波测井频率较低，因此井筒模型得到的波速要低于高频测量的结果。因此本方法可以较好反映真实碳酸盐岩地层井筒声学特性，可用于声波测井测试与研究。
表2井筒模型与实际岩心参数对比表
实施例5：
基质(模拟地层材料)采用实施例2中配比。通过添加不同与井筒径向之间的角度的硅胶片控制裂缝角度，按实施例3所述方法，制作含不同角度裂缝的碳酸盐岩井筒模型(如图6)。采用一发射多点双道双接收声波测井仪器记录不同模型接收波形，采用时差法计算模型的纵波、横波、斯通利波波速，结果如表3所示。可以看出，测量得到的纵波和横波随着裂缝与水平面夹角增大而增大，结果与理论模型(Hudson模型、DEM模型和Chapman模型)规律一致。
表3不同角度裂缝模型纵横波、斯通利波波速
实施例6：
基质采用实施例2中配比。通过添加不同数量、尺寸和厚度的硅胶片控制裂缝参数，按实施例3所述方法，制作含不同裂缝孔隙度(A系列)和裂缝纵横比(B系列)的碳酸盐岩井筒模型。通过上述方法获得的人造井筒模型如图7所示。采用一发射多点双道双接收声波测井仪器记录不同模型接收波形，采用时差法计算模型的纵波、横波、斯通利波波速，结果如表4所示。可以看出：不同的裂缝结构模型具有不同的声波响应特性，且有裂缝存在的两个方向上(0°和180°)对应的波速基本相同，说明该方法得到的物理模型制备合理，基质性质稳定。裂缝孔隙度增大，纵横比减小会造成波速的降低，结果与理论模型(Han经验公式、KT模型和DEM模型)规律一致。
表4不同模型系列裂缝参数及纵横波、斯通滤波波速
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种不同裂缝参数碳酸盐岩地层井筒模型制备方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)制作模拟裂缝：根据需要模拟的裂缝形状，制作不同尺寸的硅胶片模拟裂缝；(2)制作模拟地层：在圆柱形模具中排布步骤(1)中的裂缝，并将碳酸盐岩岩屑与水泥浆体系组成的模拟地层材料倒入模具中；(3)待水泥浆凝固硬化后，取芯形成模拟井筒；
所述模拟裂缝的排布方法为：将若干硅胶片固定于直径小于1mm的细线上，细线的两端分别固定在模具的底部和顶部，拉直细线，使硅胶片按设计的角度分布在模拟井筒内。
2.根据权利要求1所述的不同裂缝参数碳酸盐岩地层井筒模型制备方法，其特征在于，所述的模拟裂缝的具体排布方法为：将环形圆筒空间平均分成四份，采用对角排布方式，在相对的两个1/4空间环形空间内，排布6～100串硅胶片，每串6～24个硅胶片。
3.根据权利要求1所述的不同裂缝参数碳酸盐岩地层井筒模型制备方法，其特征在于，所述模拟地层材料的制备方法为：按质量比称取100份G级油井水泥和40份水，充分混合后边搅拌边加入50～250份碳酸盐岩岩屑，1～5份微硅，0.1～0.3％的减阻剂和0.5～2％消泡剂，搅拌完成后，除去气泡，得到混合物即为模拟地层材料。
4.根据权利要求3所述的不同裂缝参数碳酸盐岩地层井筒模型制备方法，其特征在于，所述的水泥为粒径300目的硅酸盐粉末；碳酸盐岩岩屑为方解石含量大于98％，粒径范围为80～100目的晶粒；微硅为粒径小于1微米，SiO2含量超过97％的粉末。
5.根据权利要求3所述的不同裂缝参数碳酸盐岩地层井筒模型制备方法，其特征在于，所述的搅拌时间为10～15分钟，搅拌速度为500～800转/分钟。
6.根据权利要求3所述的不同裂缝参数碳酸盐岩地层井筒模型制备方法，其特征在于，所述除去气泡的方法为：搅拌完成后，在无裂缝分布的两个相对的1/4的环空空间内插入混凝土振动器，振动1～2分钟，将混合物中气泡振出。
7.根据权利要求3所述的不同裂缝参数碳酸盐岩地层井筒模型制备方法，其特征在于，所述混合物在常温条件下静置20天，使其固化完全，保证模拟地层材料性质稳定。
8.根据权利要求1所述的不同裂缝参数碳酸盐岩地层井筒模型制备方法，其特征在于，取芯长度为井筒模型的75～85％，直径为圆柱形模具内径的20～30％。
9.一种不同裂缝参数碳酸盐岩地层井筒模型的应用，其特征在于，利用权利要求1～9所述模拟井筒进行声波测井模拟实验，定量分析地层内裂缝结构参数对于测井声波传播的影响。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述的井筒声波测井实验为测量含裂缝的1/4环空空间内的声波。
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