CN109162709A - 一种孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样的制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样的制备方法及应用，包括选择制备孔洞型碳酸盐岩试样的基质材料和比例；制作模拟孔洞；将基质材料按照比例浇筑成碳酸盐岩组合体；将浇筑好的碳酸盐岩组合体进行压实为碳酸盐岩人造岩样，固结成岩块；钻取模拟井眼，并将模拟井筒固结到模拟井眼中。本发明可模拟孔洞型碳酸盐岩储层岩样，相比于其它的碳酸盐岩人造岩样，能够更准确的模拟孔洞型碳酸盐岩储层的组构特征。利用此方法制备的孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样进行压裂物理模拟实验，能够更真实的反映水力裂缝在孔洞型碳酸盐岩储层中的扩展形态和延伸规律，从而更好的指导孔洞型碳酸盐岩储层现场水力压裂和酸化压裂增产改造作业。

Description

一种孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样的制备方法及应用

技术领域

本发明属于岩样制备技术领域，涉及一种孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样的制备方法及应用。

背景技术

我国以塔里木盆地塔河油田为主的碳酸盐岩油气藏油气资源丰富、分布范围广、开发潜力巨大。碳酸盐岩储层通常缝洞比较发育，其中有相当一部分为孔洞型碳酸盐岩储层，即孔洞是主要的油气储集空间。由于碳酸盐岩岩性致密，基质不具备渗透能力，一般需要对碳酸盐岩储层进行增产改造才能获得理想的产能。目前，水力压裂和酸化压裂改造技术是解决此类问题的有效手段之一。

在碳酸盐岩储层压裂改造过程中，裂缝的扩展形态和延伸规律是压裂设计中需要重点考虑的因素之一，它在一定程度上决定着压裂作业的成败。而通过在实验室对碳酸盐岩物理模拟试样进行大型真三轴压裂物理模拟实验，是认识裂缝扩展形态和延伸规律的重要手段。目前，在实验室内制备的碳酸盐岩物理模拟试样对于储层中孔洞的存在缺少模拟，导致目前的方法制备的碳酸盐岩物理模拟试样无法反映孔洞型碳酸盐岩储层特征，进而无法得到真实孔洞型碳酸盐岩储层中裂缝的扩展形态和延伸规律。

综上所述，目前对于碳酸盐岩物理模拟试样的制备还存在一些不足，还未能反映碳酸盐岩储层中孔洞的组构特征。因此，需要设计这样一种孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样的制备方法，以便能真实的反映裂缝在孔洞型碳酸盐岩储层中的扩展形态和延伸规律，为更深入的研究裂缝在孔洞型碳酸盐岩储层中的扩展机理提供支持。

专利申请号为 201510796536.3的发明专利公开了碳酸盐岩酸化压裂模拟试样和制备方法、模拟装置和方法。该试样包括本体、隔层、套管、环空封堵材质、可溶解食盐水，本体上设有第一盲孔；本体上还设有若干个第二盲孔，若干个第二盲孔的起始点处于第一盲孔的内壁；可溶解食盐水填充于若干个第二盲孔中 ；隔层阻隔在若干个第二盲孔的起始点上方；套管的一端伸入到第一盲孔中，套管的一端接触隔层，套管的外径＜第一盲孔的直径，使套管与第一盲孔壁之间具有环空，套管的另一端上加工有可拆卸连接件的母端；环空封堵材质充斥于环空中。该制备方法可制得该试样。该模拟装置和方法基于该试样实现。其可帮助了解碳酸盐岩致密储层酸压裂缝的三维空间分布形态，对碳酸盐岩致密储层改造具有重要意义，但是该专利也并未考虑储层中孔洞的存在，因此无法反映孔洞型碳酸盐岩储层特征，进而无法得到真实孔洞型碳酸盐岩储层中裂缝的扩展形态和延伸规律。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样的制备方法，利用新的岩样制备方法制备孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样，以更好地模拟孔洞型碳酸盐岩储层的组构特征和岩石力学性质，更真实地反映水力裂缝在孔洞型碳酸盐岩储层中的扩展形态和延伸规律。

本发明提供了如下的技术方案：

一种孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样的制备方法，按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：分析所要模拟的孔洞型碳酸盐岩储层的组构特征和物性特征，选择制备孔洞型碳酸盐岩试样的基质材料和比例；

步骤二：制作模拟孔洞；

步骤三：将选择的制备孔洞型碳酸盐岩试样的基质材料按照比例浇筑成碳酸盐岩组合体，浇筑过程中将预制好的模拟孔洞放入碳酸盐岩组合体中的相应位置；

步骤四：将浇筑好的碳酸盐岩组合体进行压实为碳酸盐岩人造岩样，压实后进行自然放置固结成岩块；

步骤五：在固结好的碳酸盐岩人造岩样上钻取模拟井眼，并将模拟井筒固结到模拟井眼中，形成孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样。

优选的是，所述步骤一中，孔洞型碳酸盐岩储层的组构特征包括岩石的矿物组成、岩石的矿物含量、孔洞的大小、孔洞的空间分布、孔洞充填物的特征中的一种或几种，物性特征包括岩石的孔隙度、渗透率中的至少一种。

上述任一方案优选的是，所述步骤一中，所述选择的孔洞型碳酸盐岩物理模拟试样的基质材料包括碳酸钙和固结剂，固结剂为化学胶结剂，碳酸钙:化学胶结剂比例为6:1。

上述任一方案优选的是，所述步骤二中，制作模拟孔洞时选择的孔洞充填物的材料根据实际孔洞充填物来选择。

上述任一方案优选的是，所述步骤二中，模拟孔洞采用纱网包裹充填物制成。很好的模拟了真实的孔洞型碳酸盐岩储层中孔洞被充填物充填的情形。

上述任一方案优选的是，所述步骤二中，模拟孔洞使用高分子抗压渗透膜并通过密封装置对孔洞进行包裹密封，其中模拟孔洞内充填目数为4-8的经过打磨的粗砾石，使用稀释后的红墨水将模拟孔洞充满，使用压力感应测试仪对模拟孔洞中压力进行测试，调整液体量选择实验需要的孔洞内压力。

上述任一方案优选的是，所述步骤二中，模拟孔洞的大小依据实际孔洞大小折算而成。具体的，使用相似准则，根据相似三定理，基于方程分析法，对全三维水力压裂裂缝扩展控制方程和射孔井裂缝起裂方程进行了无因次化， 得到了真三轴水力压裂物理模拟实验的相似准则，通过相似比例系数，将实际地层中天然孔洞等比例转化为实验试样中的孔洞。

上述任一方案优选的是，所述步骤三中，选择的孔洞型碳酸盐岩物理模拟试样的基质材料包括碳酸钙和固结剂，固结剂为化学胶结剂，碳酸盐岩组合体按照碳酸钙:化学胶结剂=6:1的比例搅拌后浇筑而成，搅拌时间为5-10min。

上述任一方案优选的是，浇筑的碳酸盐岩组合体的尺寸为300×300×600mm。

上述任一方案优选的是，所述步骤三中，模拟孔洞置于碳酸盐岩组合体内的位置根据实际需要进行放置。

上述任一方案优选的是，所述步骤四中，压实后的碳酸盐岩人造岩样的尺寸为300×300×300mm。

上述任一方案优选的是，所述步骤四中，压实后的碳酸盐岩人造岩样在自然状态下放置10-15天。

上述任一方案优选的是，所述步骤五中，利用水钻在已完全固结的碳酸盐岩人造岩样中心位置处钻取模拟井眼。

上述任一方案优选的是，所述水钻的钻头外径为20-30mm。

上述任一方案优选的是，所述步骤五中，模拟井眼的直径为20-30mm，长度为165-175mm。

上述任一方案优选的是，所述步骤五中，模拟井筒的外径为16-26mm，内径为5-8mm，长度为125-135mm。

上述任一方案优选的是，所述步骤五中，模拟井眼下端预留裸眼段，裸眼段长度为30-50mm。

上述任一方案优选的是，所述裸眼段采用圆柱形泡沫进行充填，以防止之后固井过程中固井胶流入裸眼段并固结堵塞裸眼段。

上述任一方案优选的是，所述圆柱形泡沫的直径为20-30mm，长度为30-50mm。

上述任一方案优选的是，所述步骤五中，将模拟井筒固结到模拟井眼的方法为：首先用透明胶带封住模拟井筒的底部圆孔，防止固井胶内流；然后将配置好的固井胶倒入到已放入裸眼泡沫的模拟井眼中；当固井胶灌满模拟井眼后停止继续倒入，随后将模拟井筒居中放入装有固井胶的模拟井眼中，放入过程中按照顺时针的方向旋转井筒缓慢下入，加强固井胶对井筒的胶结程度，同时可通过顺时针旋转均匀挤压出固井胶中的气泡，提高固井质量；当模拟井筒下入到预定深度后停止继续下入，将准备好的铁板平衡放置于模拟井筒顶端，自然条件下放置24-48h，孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样制作完成。

本发明还提供一种采用上述制备方法制备的孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样用于研究孔洞型碳酸盐岩储层中裂缝的扩展形态和延伸规律。

孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样的压裂物理模拟实验采用中国石油大学（北京）自主研发的大型真三轴物理模拟实验系统，在物理模拟过程中，通过向试样的垂向和水平方向施加三个方向的应力模拟岩石在真实地层中所处的地应力状态。为了观察压裂后水力裂缝扩展的形态，通常在压裂液中加入一定量的荧光粉作为裂缝扩展的示踪剂，从而更好的观察水力裂缝在试样中的扩展形态。

有益效果

本发明提供一种孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样的制备方法，按照先后顺序包括以下步骤：步骤一：分析所要模拟的孔洞型碳酸盐岩储层的组构特征和物性特征，选择制备孔洞型碳酸盐岩试样的基质材料和比例；步骤二：制作模拟孔洞；步骤三：将选择的制备孔洞型碳酸盐岩试样的基质材料按照比例浇筑成碳酸盐岩组合体，浇筑过程中将预制好的模拟孔洞放入碳酸盐岩组合体中的相应位置；步骤四：将浇筑好的碳酸盐岩组合体进行压实为碳酸盐岩人造岩样，压实后进行自然放置固结成岩块；步骤五：在固结好的碳酸盐岩人造岩样上钻取模拟井眼，并将模拟井筒固结到模拟井眼中，形成孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样。

本发明可模拟孔洞型碳酸盐岩储层岩样，相比于其它的碳酸盐岩人造岩样，能够更准确的模拟孔洞型碳酸盐岩储层的组构特征。利用此方法制备的孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样进行压裂物理模拟实验，能够更真实的反映水力裂缝在孔洞型碳酸盐岩储层中的扩展形态和延伸规律，从而更好的指导孔洞型碳酸盐岩储层现场水力压裂和酸化压裂增产改造作业。同时使用抗压高分子渗透膜使孔洞成为密闭空间，可以通过充填液体的多少来控制孔洞内压力，与现场实际联系更为紧密，提高实验整体的准确性，更加直观的研究水力裂缝沟通孔洞后，洞内液体的流动情况。

附图说明

图1是按照本发明方法制备的孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样的整体结构示意图；

图2是按照本发明方法将制作的模拟孔洞放置于岩样中的示意图；

图3为图2的实物图；

图4是按照本发明方法对碳酸盐岩人造岩样进行压实的示意图；

图5为图4的实物图；

图6是按照本发明方法制备的孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样的成品俯视图；

图7为图6的实物图；

图8是按照本发明实施例一中的方法制备的孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样压裂后水力裂缝扩展形态示意图；

图9为图8的实物图；

图10是按照本发明实施例一中的方法制备的孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样压裂后水力裂缝剖面示意图；

图11为图10的实物图；

图12是按照本发明实施例二中的方法制备的孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样压裂后水力裂缝扩展形态示意图；

图13是图12的实物图；

图14是按照本发明实施例二中的方法制备的孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样压裂后水力裂缝剖面示意图；

图15为图14的实物图。

图中标注说明：1-模拟孔洞，2-裸眼段，3-碳酸盐岩组合体，4-模拟井眼，5-模拟井筒，6-粗砂，7-抗压高分子渗透膜，8-压头，9-水力裂缝，10-固井胶，11-压裂液，12-示踪剂。

具体实施方式

为了进一步了解本发明的技术特征，下面结合具体实施例对本发明进行详细地阐述。实施例只对本发明具有示例性的作用，而不具有任何限制性的作用，本领域的技术人员在本发明的基础上做出的任何非实质性的修改，都应属于本发明的保护范围。

实施例 1

实施例一：

如图1-图11所示，按照本发明的一种孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样的制备方法的一实施例，其按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：分析所要模拟的孔洞型碳酸盐岩储层的组构特征和物性特征，选择制备物理模拟试样的材料和比例；

步骤二：根据真实孔洞型碳酸盐岩储层中孔洞的大小和充填特征，制作相似的模拟孔洞1；

步骤三：将碳酸钙和化学胶结剂按照一定比例浇筑成特定尺寸的碳酸盐岩组合体3，浇筑过程中将预制好的模拟孔洞1放入组合体中的相应位置；

步骤四：利用压头8将最终浇筑好的孔洞组合体进行压实为碳酸盐岩人造岩样，压实到特定尺寸后进行自然放置固结成岩；

步骤五：在固结好的岩块上钻取模拟井眼4，并将模拟井筒5固结到模拟井眼4中，形成孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样。

所制备的孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样如图1、图6、图7所示。

所述步骤一中，选择的孔洞型碳酸盐岩物理模拟试样的基质材料为碳酸钙，固结剂为化学胶结剂，其比例为碳酸钙:化学胶结剂=6:1，其中碳酸钙的目数为400目、600目和800目，其比例为400目:600目:800目=1:1:1。具体制作方式为环氧树脂压制胶结法，化学胶结剂主要由环氧树脂（胶结剂）、邻苯二甲酸二丁脂（软化剂）和乙二胺（固化剂）组成，根据试样所需的岩石力学性质参数要求，化学胶结剂用量可为试样总体积的8%-15%，化学胶结剂含量越高试样抗压强度越大，其中环氧树脂为主体，占整体化学胶结剂的80%，乙二胺与环氧树脂比例约为1：4至1：5，甲酸二丁酯添加量较少，一般不超过化学胶结剂总量的10%。

步骤二中，选择的孔洞充填物的材料为粗砂6，其目数为4-8目；预制的模拟孔洞1采用抗压高分子渗透膜7包裹粗砂6并充填适量稀释后的红墨水制成，很好的模拟了真实的孔洞型碳酸盐岩储层中孔洞被粗砂、液体等充填物充填的情形，使用压力感应测试仪对模拟孔洞中压力进行测试，调整液体量选择实验需要的孔洞内压力。模拟孔洞1的直径为50mm；模拟孔洞1的数量为2个，具体设置时，抗压高分子渗透膜7粗砂6之后通过密封装置密封，密封时留有开口，开口处装入进液管13，进液管13为中空柱状结构，进液管13内装入液体单向阀，通过进液管13向抗压高分子渗透膜7内注入红墨水，单向阀的设置是防止液体回流，最终根据压力感应测试仪的测试情况，调整红墨水的注入量。

步骤三中，碳酸盐岩组合体按照碳酸钙:化学胶结剂=6:1的比例搅拌后浇筑而成，搅拌时间为10min；400目、600目和800目碳酸钙3的质量均为20kg，化学胶结剂的质量为10kg；浇筑的碳酸盐岩组合体的尺寸为300×300×600mm；模拟孔洞1在高度方向上距离底部300mm，水平方向上关于岩样中心呈轴对称分布，且模拟孔洞1的中心距离岩样中心和边界的距离均为75mm。

所述步骤四中，如图4和图5所示，岩样压实采用位移控制，压头8在高度上的位移为300mm；压实后碳酸盐岩人造岩样的尺寸为300×300×300mm；压实后的碳酸盐岩人造岩样在自然状态下放置15天，以保证其完全固结成岩。自然状态放置时间在温度高于33°时提高为18天；空气湿度高于75%时建议使用空调除湿或增长自然放置时间。

步骤五中，利用水钻在已完全固结的碳酸盐岩人造岩样中心位置处钻取模拟井眼4，所述水钻钻头的外径为20mm；所述模拟井眼4的直径为20mm，长度为170mm；所述模拟井筒5的外径为16mm，内径为5mm，长度为130mm；所述模拟井眼4下端预留的裸眼段2长度为40mm；所述裸眼段2采用圆柱形泡沫进行充填，以防止之后固井过程中固井胶流入裸眼段2并固结堵塞裸眼段2；所述圆柱形泡沫的直径为20mm，长度为40mm；将模拟井筒5固结到模拟井眼4的过程中，首先用透明胶带封住模拟井筒5的底部圆孔，防止固井胶10内流，然后将配置好的固井胶10倒入到已放入裸眼泡沫的模拟井眼4中，当固井胶10灌满模拟井眼4后停止继续倒入，随后将模拟井筒5居中放入装有固井胶10的模拟井眼4中，放入过程中按照顺时针的方向旋转模拟井筒5缓慢下入，当模拟井筒5下入到预定深度后停止继续下入，此时将准备好的方形铁板平衡放置于模拟井筒5顶端，自然条件下放置48h。至此，孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样制作完成。

孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样水力压裂物理模拟实验采用中国石油大学（北京）自主研发的大型真三轴物理模拟实验系统，在物理模拟过程中，通过向试样的垂向和水平方向施加三个方向的应力模拟岩石在真实地层中所处的地应力状态。为了观察压裂后水力裂缝9扩展的形态，通常在压裂液11中加入一定量的荧光粉作为裂缝扩展的示踪剂12，从而更好的观察水力裂缝9在试样中的扩展形态。孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样压裂后水力裂缝的形态如图8-图11所示。

本实施例的孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样的制备方法，可模拟孔洞型碳酸盐岩储层岩样，相比于其它的碳酸盐岩人造岩样，能够更准确的模拟孔洞型碳酸盐岩储层的组构特征。利用此方法制备的孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样进行水力压裂物理模拟实验，能够更真实的反映水力裂缝在孔洞型碳酸盐岩储层中的扩展形态和延伸规律，从而更好的指导孔洞型碳酸盐岩储层现场水力压裂增产改造作业。

实施例二：

按照本发明的一种孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样的制备方法的另一实施例，其制备步骤、原理和有益效果等均与实施例一相同，不同的是：

所述模拟孔洞的直径为40mm，模拟孔洞的数量为1个；所述模拟井眼的直径为22mm、长度为165mm；所述模拟井筒的外径为18mm、内径为6mm、长度为135mm；所述模拟井眼下端预留的裸眼段长度为30mm；所述圆柱形泡沫的直径为22mm，长度为35mm；压实后的碳酸盐岩人造岩样在自然状态下放置12天；使用固井胶将模拟井筒固结到模拟井眼内的侯凝时间为40h。孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样压裂后水力裂缝的形态如图12-图15所示。

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揭露的技术范围内，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。

Claims (10)

1.一种孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样的制备方法，按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：分析所要模拟的孔洞型碳酸盐岩储层的组构特征和物性特征，选择制备孔洞型碳酸盐岩试样的基质材料和比例；

步骤二：制作模拟孔洞；

步骤三：将选择的制备孔洞型碳酸盐岩试样的基质材料按照比例浇筑成碳酸盐岩组合体，浇筑过程中将预制好的模拟孔洞放入碳酸盐岩组合体中的相应位置；

步骤四：将浇筑好的碳酸盐岩组合体进行压实为碳酸盐岩人造岩样，压实后进行自然放置固结成岩块；

步骤五：在固结好的碳酸盐岩人造岩样上钻取模拟井眼，并将模拟井筒固结到模拟井眼中，形成孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样。

2.根据权利要求1所述的孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，孔洞型碳酸盐岩储层的组构特征包括岩石的矿物组成、岩石的矿物含量、孔洞的大小、孔洞的空间分布、孔洞充填物的特征中的一种或几种，物性特征包括岩石的孔隙度、渗透率中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，所述选择的孔洞型碳酸盐岩物理模拟试样的基质材料包括碳酸钙和固结剂，固结剂为化学胶结剂，碳酸钙:化学胶结剂比例为6:1。

4.根据权利要求1所述的孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，模拟孔洞采用纱网包裹充填物制成。

5.根据权利要求1所述的孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样的制备方法，其特征在于：所述步骤三中，选择的孔洞型碳酸盐岩物理模拟试样的基质材料包括碳酸钙和固结剂，固结剂为化学胶结剂，碳酸盐岩组合体按照碳酸钙:化学胶结剂=6:1的比例搅拌后浇筑而成，搅拌时间为5-10min。

6.根据权利要求1所述的孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样的制备方法，其特征在于：所述步骤三中，模拟孔洞置于碳酸盐岩组合体内的位置根据实际需要进行放置。

7.根据权利要求1所述的孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样的制备方法，其特征在于：所述步骤四中，压实后的碳酸盐岩人造岩样在自然状态下放置10-15天。

8.根据权利要求1所述的孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样的制备方法，其特征在于：所述步骤五中，模拟井眼下端预留裸眼段，裸眼段长度为30-50mm。

9.根据权利要求1所述的孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样的制备方法，其特征在于：所述步骤五中，将模拟井筒固结到模拟井眼的方法为：首先用透明胶带封住模拟井筒的底部圆孔，防止固井胶内流；然后将配置好的固井胶倒入到已放入裸眼泡沫的模拟井眼中；当固井胶灌满模拟井眼后停止继续倒入，随后将模拟井筒居中放入装有固井胶的模拟井眼中，放入过程中按照顺时针的方向旋转井筒缓慢下入；当模拟井筒下入到预定深度后停止继续下入，将准备好的铁板平衡放置于模拟井筒顶端，自然条件下放置24-48h，孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样制作完成。

10.一种采用上述权利要求1-9中任一项所述的制备方法制备的孔洞型碳酸盐岩储层物理模拟试样用于研究孔洞型碳酸盐岩储层中裂缝的扩展形态和延伸规律。