CN109138953A - 一种多尺度裂缝的造缝方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多尺度裂缝的造缝方法，该方法包括如下步骤：测定包括储集层岩心的微观孔喉结构参数、岩石力学参数及地应力特征的基础参数；根据所述基础参数制备人造岩样，对所述人造岩样进行岩心裂缝破裂及扩展的物理模拟实验，确定所述人造岩样在不同压裂液粘度及排量组合下的破裂压力特征及延伸特性；基于所述物理模拟实验确定的破裂压力特征及延伸特性，通过储层裂缝扩展物理模拟系统确定针对至少两个级别尺度裂缝的造缝工艺；根据所述造缝工艺进行多尺度裂缝的依次造缝施工。本发明的方法能够增加压裂裂缝的复杂程度，提高复杂裂缝造缝的成功率，进而提高储层改造体积，实现高效的增产和稳产。
Description
技术领域
本发明涉及油气开采领域，具体来说涉及一种多尺度裂缝的造缝方法。
背景技术
目前的水力压裂技术已从以往的单一缝常规压裂过渡到复杂裂缝和体积裂缝压裂技术。但复杂裂缝和体积裂缝的形成，要依赖于合适的地质条件与配套的工程条件。所谓合适的地质条件是指岩石的脆性矿物含量(一般包括石英和碳酸盐岩)要相对较高(一般大于60％)，水平主应力差异系数(最大与最小水平主应力差值与最小水平主应力的比值)相对较小(一般小于0.25)，天然裂缝要相对发育，且与人工主裂缝方向有一定的夹角，如相互平行也难以形成复杂裂缝或体积裂缝；工程条件主要指主裂缝的净压力(指裂缝内的压力与最小水平主应力的差值)要相对较大，一般应大于地层的原始最大与最小水平主应力差值。但主裂缝的净压力的提升取决于许多条件，如压裂液的黏度、注入排量、注入液量及地层的断裂韧性等。尤其当地层的断裂韧性相对较小时(小于2MPa·min1/2)，压裂液的性质参数与注入工艺参数以难以提升主裂缝的净压力，此时排量的提升、液量的增加和压裂液黏度的提高等措施只能加速裂缝长度的延伸，而裂缝宽度的延伸幅度非常有限，因此，主裂缝的净压力主要与裂缝宽度直接正相关，也相应地难以得到较大幅度提升。
可见，复杂裂缝和体积裂缝的形成，难度极大，矿场实践已证明，通过压裂施工形成复杂裂缝和体积裂缝的概率很低，一般小于20％。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是当前复杂裂缝压裂成功率低的问题，提供一种新型多尺度裂缝造缝技术，该技术能够实现多尺度裂缝的依次开裂，增加了裂缝复杂性和压裂施工成功率。
为了解决上述技术问题，本申请的实施例首先提供了一种多尺度裂缝的造缝方法，该方法包括如下步骤：测定包括储集层岩心的微观孔喉结构参数、岩石力学参数及地应力特征的基础参数；根据所述基础参数制备人造岩样，对所述人造岩样进行岩心裂缝破裂及扩展的物理模拟实验，确定所述人造岩样在不同压裂液粘度及排量组合下的破裂压力特征及延伸特性；基于所述物理模拟实验确定的破裂压力特征及延伸特性，通过储层裂缝扩展物理模拟系统确定针对至少两个级别尺度裂缝的造缝工艺；根据所述造缝工艺进行多尺度裂缝的依次造缝施工。
优选地，在进行多尺度裂缝的依次造缝施工之后，还包括以下步骤：采用设定范围的低粘度压裂液继续进行探缝和扩缝。
优选地，在所述探缝和扩缝阶段，监测压力施工曲线，若所述压力施工曲线出现锯齿状波动特征，则认定裂缝复杂性达到预期目标。
优选地，根据恒速压汞实验结果获取包括不同喉道半径的喉道分布情况的微观孔喉结构参数；按照喉道半径对所述喉道进行分类。
优选地，在制备人造岩样时，通过常规压汞实验反推已制备的人造岩样的喉道半径是否符合分类后的喉道情况。
优选地，采用偶极声波测井技术测定储集层岩心的岩石力学参数。
优选地，采用声发射技术测定储集层岩心的地应力特征。
优选地，在进行大尺度、中尺度和小尺度三个级别尺度裂缝的造缝施工时，以达到最终预期造缝半长的设定百分比为目标，通过储层裂缝扩展物理模拟系统确定大尺度、中尺度和小尺度裂缝的各自的压裂液粘度、注入排量和体积的组合工艺参数，所述设定百分比大于等于50％。
优选地，所述储层裂缝扩展物理模拟系统包括GOFHER软件、STIMPLAN软件和MEYER软件。
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：
本发明提出了一种多尺度裂缝的造缝方法，通过室内大岩样物理模拟实验获取基础参数，并结合压裂软件模拟，确定具体施工参数，分别采用至少两级尺度(例如大、中、小尺度)裂缝的造缝工艺，增加压裂裂缝的复杂程度，提高复杂裂缝造缝的成功率，进而提高储层改造体积，实现高效的增产和稳产。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明的技术方案而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构和/或流程来实现和获得。
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为本申请实施例多尺度裂缝的造缝方法的流程示意图。
图2(A)和图2(B)分别为利用软件模拟最佳泵注液量及砂量的模拟示意图。
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。
本发明实施例提出了一种多尺度裂缝的造缝技术，通过结合室内物理模拟实验和软件模拟的方法，确定多尺度裂缝的具体压裂工艺，并依据具体的压裂工艺分别针对至少两级尺度(例如大、中、小尺度)裂缝开展施工压裂，从而提高压裂裂缝的复杂性和成功率，实现储层的体积改造。
为了方便理解本发明，下面先对本发明实施例涉及到的某些用语进行具体说明。
1、“微观孔喉”是应用于孔喉小于1μm的一个概念。
2、“恒速压汞法”是在注入汞的速度极低且恒定的条件下，测定岩石毛管压力曲线的方法。恒定低速使得进汞过程可以近似为准静态过程，在准静态过程中，界面张力与接触角保持不变，汞的前缘所经历的每一处孔隙形状的变化，都会引起弯月面形状的变化，从而引起系统毛管压力的改变。喉道半径由突破点的压力确定，孔隙的大小由进汞体积确定，这样就能够通过进汞压力的涨落变化曲线来确定出测试储集岩石的孔隙结构参数，例如：孔隙和喉道的数量分布、孔隙半径、喉道半径和孔喉比。
3、“常规压汞法”是在一定的压力下记录进汞量测定岩石的孔隙结构的方法，进汞过程可以看成是从一个静止的状态到另外一个静止的状态过程，在两个压力差的作用下，就会有一定量体积汞被注入进被检测的岩石孔隙中，根据压力的涨落变化和相对应进入岩石汞体积的涨落变化情况，就可以测得岩石的孔隙大小和分布曲线，绘制出岩石的进入-退出毛管压力曲线，经过进一步计算就可以得出该样品的其它孔隙结构特征参数。
4、“粘滞指进效应”：当一种粘滞性较小的液体进入多孔介质驱替另一种粘滞性较大的液体时，两液体的交界面是不稳定的，随着驱替的进行，最后形成高度复杂的指形分支结构，这种现象称为粘滞指进。
概括来说，本发明的总体思路如下：在精细评价储层岩石的微观孔喉结构、岩石力学参数及地应力参数等的基础上，研究不同排量及压裂液黏度等条件下的岩石破裂及裂缝延伸规律。在此基础上，研究在一个压裂施工中，变参数组合的施工模式下，多尺度裂缝的形成及延伸规律。最后，采用低黏度压裂液探缝技术，验证不同尺度裂缝是否已经形成，具体来说，通过室内裂缝扩展物理模拟实验结果证实，当压裂液遇到不同尺度的天然裂缝系统时，压力曲线呈现出锯齿状波动特征，且天然裂缝越发育，裂缝的宽度越大，则压力的波动幅度也越大。
图1为本申请实施例多尺度裂缝的造缝方法的流程示意图，下面说明多尺度裂缝的形成与控制技术的实施步骤。
步骤S110，压裂前储集层的精细评价。具体来说，测定包括储集层岩石的微观孔喉结构参数、岩石力学参数及地应力特征等参数。其中岩石力学参数可以包括：地层的泊松比、杨氏模量、破裂压力梯度、上覆压力梯度、孔隙度、抗压强度、剪切强度等参数。地应力特征参数包括地应力方向、大小以及最大、最小水平主应力等。
在本实施例的评价过程中，可应用岩心恒速压汞实验技术、声发射技术及偶极声波测井技术等分别对微观孔喉结构参数、地应力特征及岩石力学参数进行解释评价。当然，采取其他的技术来获取上述参数也是可行的，本发明不做限定。
尤其是在根据恒速压汞实验结果获得了岩心的不同喉道半径的喉道分布规律后，按照喉道半径将喉道分为2-3类，为后续的人造岩样的岩心裂缝破裂及延伸实验获得基础数据。
步骤S120，人造岩样的制备。具体根据步骤S110测定的基础参数来制备人造岩样。
在本步骤中，根据基础参数，使用不同粒径(例如100目、20/40目等)的天然石英砂和水泥，按不同比例混合，模拟出步骤S110中分类后的喉道半径情况，制备成300mm见方的大岩样备用。在制备完成人造岩样后，可通过常规压汞实验反推喉道半径是否达到了上述要求，即是否符合分类后的喉道情况。如达要求，则接着对人造岩样做岩石力学参数测试，为后续的裂缝扩展数值模拟做好准备。
步骤S130，针对不同孔喉结构参数的岩心裂缝破裂及扩展的物理模拟实验。
对人造岩样进行大岩样三轴加载物理模拟实验研究。研究不同喉道半径岩样的破裂压力特征及延伸特性，观察不同压裂液黏度及排量组合下的破裂压力差异及裂缝净压力差异。
步骤S140，针对不同孔喉结构参数的储层裂缝扩展数值模拟研究。具体来说，基于物理模拟实验确定的破裂压力特征及延伸特性，通过储层裂缝扩展物理模拟系统确定针对至少两个级别尺度裂缝的造缝工艺。
在本例中储层裂缝扩展物理模拟系统为本领域中成熟的裂缝扩展物理模拟软件，如GOFHER、STIMPLAN及MEYER等软件。通过这些软件模拟不同岩石力学参数条件下(参考步骤S120中人造岩样的测试结果，即在不同压裂液粘度及排量组合下的破裂压力特征及延伸特性)，考察不同的压裂液黏度(例如1mPa.s、10mPa.s、50mPa.s、100mPa.s、200mPa.s)，不同的注入排量(例如0.5、1、2、3、4、5、10m3/min)、不同的压裂液体积(例如5、10、50、100、200、500、1000m3)下裂缝延伸及净压力变化规律。在本发明实施例中，模拟的参数值是建立在10m厚度储层的基础上。如图2所示，显示了通过软件模拟的最佳泵注液量及砂量。
在上述单因素模拟的基础上，应用正交设计法，考察上述施工条件下的裂缝扩展规律及净压力变化规律，从中找出最佳的施工参数组合。
在进行大尺度、中尺度和小尺度三个级别尺度裂缝的造缝施工时，以达到最终预期造缝半长的设定百分比为目标通过储层裂缝扩展物理模拟系统确定大尺度、中尺度和小尺度裂缝的各自的压裂液粘度、注入排量和体积的组合工艺参数，设定百分比大于等于50％。
在具体实施例中，针对大尺度裂缝的造缝工艺，其中涉及到的具体的液量、压裂液黏度及排量的确定，以最终的预期大尺度造缝半长的70％为目标(考虑到后续步骤中大尺度裂缝还要继续延伸)，应用有关裂缝扩展模拟软件，进行模拟确定。对于中尺度裂缝的造缝工艺，关于液量、排量及压裂液黏度的确定，应用有关裂缝扩展模拟软件进行模拟确定，模拟的目标函数初步确定为大尺度造缝半长的50％。对于小尺度裂缝的造缝工艺，可以应用有关裂缝扩展模拟软件进行模拟确定，模拟的目标函数初步确定为中尺度造缝半长的50％。
需要说明的是，本文中涉及的“大尺度”、“中尺度”、“小尺度”仅是对于当前储层而设计的不同量级的裂缝尺度类别，这些尺度大小与储层的喉道分类有关，不进行数值上的限定。
步骤S150，根据造缝工艺进行多尺度裂缝的依次造缝施工。
下面以将裂缝的尺度分为三级的情况，即大尺度、中尺度和小尺度进行说明。
(一)、大尺度裂缝的造缝工艺
在步骤S140的模拟基础上，储层的破裂机理基于渗吸涨破机理，即先通过渗流作用引起孔隙压力增加，直到压力增加到破裂压力为止。显然地，低黏压裂液和高排量的组合参数，利于储层的破裂作用。而且，喉道半径大的岩石先破裂，反之则后破裂。
先采用低黏压裂液、低排量的注入工艺参数进行裂缝高度的控制。等裂缝长度达到10m后即可提高排量，利用低黏液和高排量组合参数，最大限度地促进大尺度裂缝的破裂和延伸。
(二)、中尺度裂缝的造缝工艺
在大尺度裂缝的造缝工艺的基础上，要继续压开中尺度的裂缝系统，有必要增加大尺度主裂缝中的净压力，可采用提高压裂液黏度(较(一)中黏度提高50-100mPa.s)和/或采用液体暂堵剂等方法，将净压力提升到足以使井底压力超过中尺度裂缝的破裂压力。
此段施工井底压力增加，虽有利于中尺度裂缝的破裂和延伸，大尺度裂缝也有继续延伸的机会。
(三)、小尺度裂缝的造缝工艺
在(二)的基础上，要继续压开小尺度的裂缝系统，有必要增加(二)的中尺度裂缝中的净压力，可采用提高压裂液黏度(较(二)中黏度提高100-150mPa.s)和/或采用液体暂堵剂等方法，将净压力提升到足以使井底压力超过小尺度裂缝的破裂压力。
此段施工井底压力增加，虽有利于小尺度裂缝的破裂和延伸，中尺度和大尺度裂缝也有继续延伸的机会。
另外，还需要采用设定范围的低黏度液体进行探缝和继续扩缝。
在(一)-(三)的基础上，认为基本形成了不同尺度的裂缝系统，但由于靠提高压裂液黏度和/或液体暂堵剂等方法，虽然不同尺度裂缝内的净压力得到相应提升，但高黏度的液体进入小尺度和中尺度的裂缝的进缝阻力较大，先前的低黏液体因滤失等原因可能所剩不多，因此，此阶段应继续以较大液量(如(一)-(三)总液量的20-30％)和较高排量((一)-(三)中的最高排量)进行探缝和扩缝(不同尺度裂缝都有扩缝功能)。此阶段压裂液黏度可用1-2mPa·s，以充分利用粘滞指进效应，快速突破高黏压裂液前缘，也较容易进入尤其是小尺度的裂缝系统中。
其它流程和步骤，参照常规压裂流程和步骤，在此不赘。
本发明实施例思路新颖、方法系统、步骤清晰、切实可行，针对复杂裂缝造缝技术的改进，提出了一种多尺度裂缝造缝新技术，通过室内大岩样物理模拟实验获取基础参数，并结合压裂软件模拟，确定了大、中、小尺度裂缝的造缝工艺，增加了压裂裂缝的复杂程度，提高了复杂裂缝造缝的成功率，进而提高了储层改造体积，最终实现储层的高效增产和稳产。
下面说明两个具体示例。
示例一：以中国某致密油井X为例，对本发明做进一步说明：
(1)压前储层精细评价
根据恒速压汞实验结果获得了岩心的微观孔喉结构参数，利用声发射技术及偶极声波测井技术等获取岩石力学参数及地应力特征等基础参数。
(2)人造岩样的制备
在(1)的基础上，用不同粒径(100目、20/40目等)的天然石英砂和水泥，按不同比例混合，模拟(1)中分类后的喉道半径情况，制备300mm见方的大岩样备用。
(3)不同孔喉结构参数岩心裂缝破裂及扩展的物理模拟实验
在(2)的基础上，进行大岩样三轴加载物理模拟实验研究。研究不同喉道半径岩样的破裂压力特征及延伸特性。观察不同压裂液黏度及排量组合下的破裂压力差异及裂缝净压力差异。
(4)不同岩心孔喉结构参数的储层裂缝扩展数值模拟研究
在(3)的基础上，应用成熟的裂缝扩展物理模拟软件MEYER，模拟不同岩石力学参数条件下，压裂液黏度、排量和压裂液体积对裂缝扩展规律及净压力的影响，应用正交设计方法，从中优选最佳的施工参数组合。
(5)大尺度裂缝的造缝工艺
在(4)的模拟基础上，先采用9mPa·s的低黏压裂液、5m3/min的低排量的注入工艺参数进行裂缝高度的控制，当裂缝长度达到10m后，利用相同黏度压裂液液和10m3/min排量进行大尺度裂缝的破裂和延伸。
(6)中尺度裂缝的造缝工艺
在(5)的基础上，提高压裂液黏度至80mPa·s，将净压力提升到足以使井底压力超过中尺度裂缝的破裂压力，从而开启中尺度裂缝，并进一步延伸造缝。
(7)小尺度裂缝的造缝工艺
在(6)的基础上，继续压裂小尺度的裂缝系统，将压裂液黏度提高至190mPa·s，将净压力提升到足以使井底压力超过小尺度裂缝的破裂压力，从而开启小尺度裂缝，并进一步延伸造缝。
(8)低黏度液体探缝和继续扩缝
在(5)-(7)的基础上，采用粘度为3mPa·s的低黏度压裂液进行探缝和扩缝，充分利用粘滞指进效应，快速突破高黏压裂液前缘，也较容易进入尤其是小尺度的裂缝系统中。
(9)其它流程和步骤，参照常规压裂流程和步骤，在此不赘。
该井采用新的多尺度裂缝造缝技术完成压裂作业，施工顺利，圆满完成了全部工程设计，在低粘压裂液探缝阶段，压力施工曲线出现了明显的波动，表明裂缝复杂性较高，复杂裂缝造缝目的基本实现，该井压后日产油10吨，较同区块其他井产量提高67％以上。
示例二：以中国某致密气井Y为例，对本发明做进一步说明：
(1)压前储层精细评价
根据恒速压汞实验结果获得了岩心的微观孔喉结构参数，利用声发射技术及偶极声波测井技术等获取岩石力学参数及地应力特征等基础参数。
(2)人造岩样的制备
在(1)的基础上，用不同粒径(100目、20/40目等)的天然石英砂和水泥，按不同比例混合，模拟(1)中分类后的喉道半径情况，制备300mm见方的大岩样备用。
(3)不同孔喉结构参数岩心裂缝破裂及扩展的物理模拟实验
在(2)的基础上，进行大岩样三轴加载物理模拟实验研究。研究不同喉道半径岩样的破裂压力特征及延伸特性。观察不同压裂液黏度及排量组合下的破裂压力差异及裂缝净压力差异。
(4)不同岩心孔喉结构参数的储层裂缝扩展数值模拟研究
在(3)的基础上，应用成熟的裂缝扩展物理模拟软件MEYER，模拟不同岩石力学参数条件下，压裂液黏度、排量和压裂液体积对裂缝扩展规律及净压力的影响，应用正交设计方法，从中优选最佳的施工参数组合。
(5)大尺度裂缝的造缝工艺
在(4)的模拟基础上，先采用3mPa·s的低黏压裂液、5m3/min的低排量的注入工艺参数进行裂缝高度的控制，当裂缝长度达到10m后，利用相同黏度压裂液液和15m3/min排量进行大尺度裂缝的破裂和延伸。
(6)中尺度裂缝的造缝工艺
在(5)的基础上，提高压裂液黏度至60mPa·s，将净压力提升到足以使井底压力超过中尺度裂缝的破裂压力，从而开启中尺度裂缝，并进一步延伸造缝。
(7)小尺度裂缝的造缝工艺
在(6)的基础上，继续压裂小尺度的裂缝系统，将压裂液黏度提高至150mPa·s，将净压力提升到足以使井底压力超过小尺度裂缝的破裂压力，从而开启小尺度裂缝，并进一步延伸造缝。
(8)低黏度液体探缝和继续扩缝
在(5)-(7)的基础上，采用粘度为3mPa·s的低黏度压裂液进行探缝和扩缝，充分利用粘滞指进效应，快速突破高黏压裂液前缘，也较容易进入尤其是小尺度的裂缝系统中。
(9)其它流程和步骤，参照常规压裂流程和步骤，在此不赘。
该井采用新的多尺度裂缝造缝技术完成压裂作业，施工顺利，圆满完成了全部工程设计，在低粘压裂液探缝阶段，压力施工曲线出现了明显的波动，表明裂缝复杂性较高，复杂裂缝造缝目的基本实现，该井压后日产气42000方，较同区块其他井产量提高35％以上。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
虽然本发明所公开的实施方式如上，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，在不脱离本发明所公开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)
1.一种多尺度裂缝的造缝方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
测定包括储集层岩心的微观孔喉结构参数、岩石力学参数及地应力特征的基础参数；
根据所述基础参数制备人造岩样，对所述人造岩样进行岩心裂缝破裂及扩展的物理模拟实验，确定所述人造岩样在不同压裂液粘度及排量组合下的破裂压力特征及延伸特性；
基于所述物理模拟实验确定的破裂压力特征及延伸特性，通过储层裂缝扩展物理模拟系统确定针对至少两个级别尺度裂缝的造缝工艺；
根据所述造缝工艺进行多尺度裂缝的依次造缝施工。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在进行多尺度裂缝的依次造缝施工之后，还包括以下步骤：
采用设定范围的低粘度压裂液继续进行探缝和扩缝。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
在所述探缝和扩缝阶段，监测压力施工曲线，若所述压力施工曲线出现锯齿状波动特征，则认定裂缝复杂性达到预期目标。
4.根据权利要求1～3任一项所述的方法，其特征在于，
根据恒速压汞实验结果获取包括不同喉道半径的喉道分布情况的微观孔喉结构参数；
按照喉道半径对所述喉道进行分类。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
在制备人造岩样时，通过常规压汞实验反推已制备的人造岩样的喉道半径是否符合分类后的喉道情况。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
采用偶极声波测井技术测定储集层岩心的岩石力学参数。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
采用声发射技术测定储集层岩心的地应力特征。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在进行大尺度、中尺度和小尺度三个级别尺度裂缝的造缝施工时，以达到最终预期造缝半长的设定百分比为目标，通过储层裂缝扩展物理模拟系统确定大尺度、中尺度和小尺度裂缝的各自的压裂液粘度、注入排量和体积的组合工艺参数，所述设定百分比大于等于50％。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述储层裂缝扩展物理模拟系统包括GOFHER软件、STIMPLAN软件和MEYER软件。
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