CN109443865B - 综合反映水平段页岩特性的全直径岩心及其制法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种综合反映水平段页岩特性的全直径岩心及其制法和应用。该制备方法包括：确定破损的页岩水平段岩样的综合性质；根据破损的页岩水平段岩样的综合性质，获得与破损的页岩水平段岩样综合性质相符的制备岩心；利用该制备岩心对破损的页岩水平段岩样进行修补，进行后处理，得到综合反映水平段页岩特性的全直径岩心。本发明通过上述制备方法得到的综合反映水平段页岩特性的全直径岩心，可以真实反映水平段天然岩心的综合特性，能够用于探究符合真实页岩储层特性的页岩气流动机理、衰竭开发规律等关键问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种能够真实反映水平段页岩特性的全直径岩心及其制备方法，属于岩心制备技术领域。
背景技术
近年来，我国页岩气进入了快速发展阶段，根据页岩气发展规划，我国力争2020年实现300亿方产量，为缓解我国能源紧张提供了新的途径。在页岩气勘探开发过程中，岩心是发现页岩油气藏和研究地层、生油气层、储油气层、盖层、构造等的重要资料，是油气田上宝贵的基础资料。通过对岩心的观察及实验研究，可以直接地了解地下岩层的岩性、物性和含油、气、水产状特征。油气田投入开发后，要通过岩心进一步研究和认识油气层沉积特征，储层的物性、孔隙结构、润湿性、相对渗透率、岩相特征，油气层物理模拟和油气层水淹规律；认识和掌握不同开发阶段、不同含水阶段油气层水淹特征，搞清剩余油气分布，为油气田开发方案设计、层系、井网调整和加密井提供科学依据。因此，从发现页岩油气藏，到钻第一口井开始以至油气开采终止，都离不开岩心。
页岩水平段岩样取心的代价相对于页岩垂直井取样或砂岩等取样的代价相当昂贵。并且因为页岩水平井一般打井在层理及其发育、脆性甚好的主力层位，钻井取心过程中岩样很容易破碎损坏，导致获取完整的页岩水平段较大尺寸岩心难上加难。再者因为小岩心气量太小，结构局部性太强等局限，只有利用较大尺寸的水平段页岩岩心才能较真实模拟和反映页岩储层的开发特性。因此完整的页岩水平段全直径岩心的制备技术对于页岩储层的开发模拟尤为重要。
目前，岩心制备方法基本都是通过水泥、石英砂、粘土等混合物或采用水泥和现场岩屑通过浇铸制备人造岩心用于模拟天然岩样进行基础实验研究。一定程度上弥补了页岩取心难和代价高的问题，但是页岩储层层理发育具有独特的矿物组成，除粘土矿物外，石英、长石等脆性矿物含量高，富含有机质，微纳米孔隙发育，吸附特征明显，在攻克对现场开发有指导性的页岩气流动机理、衰竭开发等关键技术问题研究时，储层的真实物性和动用产出能力必须通过现场测试或取天然岩心进行研究。但是在现场取心后，实验室在破损岩心的修复利用过程中又很大程度上不能保持天然岩心的岩石结构、矿物组成、物性(孔隙特征、渗透率、润湿性、敏感性、吸附)等综合特性。
如CN 106908292A公开了一种用于压力传递实验的泥页岩人造岩心的制备方法，该方法将现场取回的地质碎岩心或地层塌块经处理后包覆于环氧树脂的中间制备成实验岩心，侧重于来源广泛的天然小岩心的加工及真实模拟应用，但不能使用于极其匮乏的页岩水平段全直径岩心的修复及真实模拟应用。如CN 106932245 A建立了一种可真实模拟实际地层条件下页岩结构特征及其裂缝系统的岩心制备方法，在制备过程中用凝胶将岩心柱裂缝接口粘封的环节，可模拟页岩结构特征，但仍未考虑凝胶与岩样的矿物组成、物性(孔隙特征、渗透率、润湿性、敏感性、吸附)等的差异性，获得的岩心用于实验也不能真实反映天然岩心的综合特性，从而无法探究符合真实储层的页岩气流动机理、衰竭开发规律等关键问题，只能是做基础的单一性质探究实验。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种可以真实模拟储层的综合特性的页岩水平段全直径岩心。
为了实现上述技术目的，本发明首先提供了一种综合反映水平段页岩特性的全直径岩心的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤一：确定破损的页岩水平段岩样的综合性质，其中，综合性质包括有机碳含量、物性、岩石力学结构性质和全岩矿物组成；
步骤二：根据破损的页岩水平段岩样的综合性质，制备与破损的页岩水平段岩样综合性质相符的制备岩心；
步骤三：利用制备岩心对破损的页岩水平段岩样进行修补，进行后处理，得到综合反映水平段页岩特性的全直径岩心；修补的方式为沿层理贯穿破坏面上粘结两层块或直接将制备岩心充填在破损的页岩水平段的缺失部位，其中，修补过程中层理破损部位接层理方向设置有机高分子薄片。
为了实现上述技术目的，本发明又直接提供了一种综合反映水平段页岩特性的全直径岩心，其是通过上述的综合反映水平段页岩特性的全直径岩心的制备方法制备得到的。
本发明的综合反映水平段页岩特性的全直径岩心可以为现场勘探开发应用提供可靠的实验数据，能够用于探究页岩储层的页岩气流动机理、衰竭开发规律等关键问题。比如，可以利用本发明的综合反映水平段页岩特性的全直径岩心测试储层水平向的渗透率，评价储层横向开发特性、储层物性差异和各向异性等。
本发明的综合反映水平段页岩特性的全直径岩心的制备方法利用能够综合反映水平段页岩特性的材料将破损的水平段天然页岩岩样修复为全直径岩心，该岩心能够反映天然岩样的岩石结构、矿物组成、物性(孔隙特征、渗透率、润湿性、敏感性、吸附)等综合特性。
本发明的综合反映水平段页岩特性的全直径岩心的制备方法简单易懂、操作便捷、成本较低，能够真实模拟和反映页岩储层的开发特性，进而更好地为现场勘探开发应用提供可靠的实验数据。
附图说明
图1为本申请实施例1的破损的页岩水平段岩样的等温测试曲线。
图2为本申请实施例1的破损的页岩水平段岩样的孔容频率分布。
图3为本申请实施例1的破损的页岩水平段岩样的应力敏感渗透率曲线。
图4为本申请实施例中的衰竭式开发模拟实验装置。
主要附图符号说明
1岩心夹持器 2中间容器 3增压泵 4计算机 5围压泵
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
全直径岩心指用取心技术从油(气)层中取出的岩心，不经过切割和劈分，整段用于实验室进行分析测定有关参数的柱状岩心。实验用一般会切割成小段进行实验，实验室的全直径岩心一般为直径为10cm左右的柱状岩心。
在本发明的一具体实施方式中，提供了一种综合反映水平段页岩特性的全直径岩心的制备方法，该制备方法可以包括以下步骤：
步骤一：针对获取后破损的页岩水平段岩样，确定破损的页岩水平段岩样的综合性质，其中，综合性质包括有机碳含量、物性、岩石力学结构性质和全岩矿物组成；
步骤二：根据破损的页岩水平段岩样的综合性质，获得与破损的页岩水平段岩样综合性质相符的制备岩心；
步骤三：利用制备岩心对所述破损的页岩水平段岩样进行修补，进行后处理，得到综合反映水平段页岩特性的全直径岩心；修补的方式为沿层理贯穿破坏面上粘结两层块或直接将制备岩心充填在破损的页岩水平段的缺失部位，其中，修补过程中层理破损部位接层理方向设置有机高分子薄片。
具体地，在步骤一中，首先是挑选破损的页岩水平段岩样：将现场页岩水平段岩样进行分类整理，挑选沿层理贯穿破损或其他部分破损缺失的岩样，尽量保证其形貌状态不被人为再次破坏，对关键破裂部位进行刻度标记并拍照留存。
其次是，确定破损的页岩水平段岩样的综合性质，具体包括以下步骤：
测量破损的页岩水平段岩样的尺寸，确定可以得到的全直径岩心的预定尺寸，并进行切割；更具体地，测量破损的页岩水平段岩样整体的大约尺寸，然后估算可以获得的全直径岩性的预定尺寸，进行切割，切割得到具有预定尺寸的破损的页岩水平段岩样；
对切割后的剩余页岩水平段岩样再取岩心，对岩心进行综合性质分析，确定破损的页岩水平段岩样的综合性质。
更具体地，综合性质分析包括对岩样进行全岩矿物分析、有机碳含量分析、物性分析、岩石力学性质测试等。其中，物性分析包括孔隙特征、渗透率、湿润性、敏感性、吸附特征等物性分析。
具体地，在步骤二中，制备岩心采用的原料为：天然岩样粉末和有机胶粘剂。其中，采用的有机胶粘剂为干酪根、沥青质。采用的天然岩样粉末的粒径根据物性分析的孔隙特征进行选择。
制备岩心是根据以下步骤制备得到的：
采用天然岩样粉末和有机胶粘剂，制备不同重量百分比的粘性材料，测试各个粘性材料的综合性质，筛选与破损的页岩水平段岩样综合性质相符的粘性材料作为制备岩心。
天然岩石是各种粒度的结合体，孔隙的占比及分布与粒径的分选程度有关，分选越好，孔隙度则越大，因此，在制备岩心时，可在分选的岩样粒径范围内，选取不同粒径的天然岩样粉末按比例进行混合配制。
具体地，在步骤三中，修补过程中层理破损部位接层理方向设置有机高分子薄片，其中，有机高分子薄片的厚度为0.01μm。设置有机高分子薄片的目的是在层理破损位置模拟还原层理构造。采用的有机高分子薄片为功能型有机高分子膜，在地层温度下会分解为气体，形成孔隙，具有渗透性功能，有隔层功能但不影响垂直层理方向的流动。
具体地，在步骤三中，后处理包括压实、烘干的步骤。其中，烘干的温度为105℃，烘干的时间为48h以上。烘干后，取出冷却，保证页岩水平段全直径岩心的含水饱和度基本为0。保证岩心含水饱和度基本为0的操作是，烘干称重最后保证质量基本不变，主要是排除含水对衰竭开发的影响。
更具体地，填充完成后进行压实粘结，然后抹平边缘挤出来的粘性混合物，为保证岩样周向圆度、防止岩样凝结变形，将页岩水平段全直径岩心用套装在壁面附有塑料薄膜的全直径橡胶皮套里待自然凝固结实。为了保证岩样周向圆度，同样可以在岩心柱侧面凹陷或裂开部位进行适当充填，然后刮平整。全直径橡胶皮套壁面附有塑料薄膜则是为了保证岩样固结后粘性混合物不与橡胶套粘结，能够顺利取出。
更具体地，可以将获得的页岩水平段全直径岩心进行线切割，并打磨，线切割主要是根据实验需求或岩样可切割长度切割全直径岩心柱样两端面，使剖面平整，打磨工序是针对全直径岩心柱侧面，考虑到页岩岩心的脆性强、易碎等特征及粘结面的强度等问题，环切须谨慎，为避免环切可能造成的损坏问题，可以通过规范制作工艺尽量保证岩样的周向圆度，而对于切割后岩心柱侧面不光滑的部分进行人工打磨即可。
在本发明的另一具体实施方式中，提供了一种页岩水平段全直径岩心，该页岩水平段全直径岩心是通过页岩水平段全直径岩心的制备方法制备得到的。
实施例1
本实施例提供了一种综合反映水平段页岩特性的全直径岩心的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
将现场取回的威远某井破损水平段岩样关键破裂部位进行刻度标记并拍照留存。
取回的破损水平段岩样的整体大约尺寸为：长度约205mm，直径约97mm，通过测量可以预测可以获得的全直径岩心的长度为130mm。一端最长处约有40mm，该层块最厚处约35mm，可钻取直径2.5mm小岩心及部分碎样用于岩样的矿物分析、物性 (孔隙特征、渗透率、湿润性、敏感性、吸附特征)等综合特性测试。测试结果如表 1、表2、表3、图1、图2、图3所示。
表1
表2
表3
根据孔隙特征测试结果(表2)，分选天然岩样粉末粒径范围为320目-150目，本实施例根据矿物含量测试结果，直接采用320目和150目两种天然岩样粉末与有机胶粘剂(呈白色，主要成分干酪根、沥青质，采用的有机胶粘剂具有阻燃、耐温性好、固化后耐水、有一定的胶接强度和密封作用的特点，工作温度从-40℃至360℃，短时可达380℃)进行不同重量百分比混合配制，共计6种配制比例，分别为2:1、1:1、 3:4、1:2的有机胶粘剂、320目天然岩样粉末，3:2:4、3:3:3的有机胶粘剂、150目天然岩样粉末、320目天然岩样粉末。然后利用光滑玻璃对其进行黏性测试。
通过测试证实上述各比例配制的粘性混合物均具有较强的粘结能力，本实施例将不同配制比例的粘性混合物制备成相应的直径2.5cm的人工小岩心，配制的测试样品。待固结后进行制备小岩心与钻取小岩心对比性质测试。首先选取有机胶粘剂与 320目天然岩样粉末3:4的岩心进行渗透率测试，测试结果为几乎不渗透，接着对有机胶粘剂与320目天然岩样粉末1:2的岩心进行渗透率测试，测试结果数量级为10-9μm2，可以确定需测试天然岩样粉末粒径更大、比例更高的岩心，接着测试了有机胶粘剂、150目天然岩样粉末、320目天然岩样粉末3:2:4的岩心，渗透率测试结果为2.9×10-7μm2，并且孔隙特征、润湿性和应力敏感等测试结果与原始岩样特性相近，因此，可以选取该配比进行原始岩心粘合。
根据预估粘结破损岩心所需黏性混合物用量进行有机胶粘剂、150目天然岩样粉末、320目天然岩样粉末3:2:4的比例定量配制，总共配制270g。
将配制的粘性混合物涂抹破损水平段岩样沿层理贯穿破裂成三层的两两对接面上粘结三层块并且充填岩心柱侧面凹陷和其他裂开部位，填充过程中层理破损部位接层理方向布置高分子薄片还原页岩薄层理构造，填充后进行压实粘结，然后抹平层间粘结挤出到柱侧面的粘性混合物、刮平填充部位以保证岩样周向圆度及平整性。为防止岩样凝结变形，在岩样外围用另选凝胶涂层固定，将此全直径岩样用套装在壁面附有塑料薄膜的全直径橡胶皮套里待自然固结，待24小时固结后从橡胶皮套中拿出脱去塑料薄膜获得的全直径岩心样品。
将粘合固结后的全直径岩样根据实验需求以及结合岩样可切割长度利用线切割技术切割全直径岩心柱样两端面，使剖面平整，切割后岩心长度为125.35mm。对于全直径岩心柱侧面继续存在的不光滑及圆度不够等问题，考虑到页岩岩心的脆性强易碎等特征及粘结面的强度等问题，尽量保证岩样的周向圆度的基础上，进行了人工打磨，打磨后直径为101mm。将制备好的水平段全直径页岩岩心置于105℃烘箱中烘 48小时以上，后取出用保鲜膜包裹冷却，保证岩心含水饱和度基本为0，称取干重为 2640.36g，量取直径为104.26mm，长度为125.50mm，实验前拍照记录。最终获得了完整的全直径水平段页岩岩心。
本实施例利用上述页岩水平段全直径岩心进行了如下测试。
通过图4的装置，将岩心装入全直径岩心夹持器1，先试漏标死体积，然后通过围压泵5加围压及入口压力，调试数据监测软件进行该水平段全直径岩心反映的储层水平向渗透率测量。
测量完成后进行岩心饱和，设置围压40MPa，通过气体增压泵3及中间容器2 饱和甲烷气至入口压力30MPa，饱和约三个月，保证压力无改变，待开展衰竭开发实验模拟真实储层横向开发特性及评价。
饱和完成后，关闭入口，打开出口端调节阀，开始实验，模拟页岩气衰竭开发，计算机4实时监测实验数据(各个测压点压力、开采时间、气流量、累计气流量，温度，湿度等参数)动态，用排水采气发计量出口流量。直至岩心出口端压力下降至废弃井底压力时，结束实验。该衰竭开发模拟的实验过程已达5年还有气体产出。
重复模拟真实储层横向开发特性及评价和页岩气衰竭开发，可以探究开采前后储层物性的差异和页岩储层各向异性开发规律。
以上实施例说明，本发明的综合反映水平段页岩特性的全直径岩心的制备方法从水平段天然页岩特性出发，通过利用能够充分体现岩样矿物组成的天然岩样粉末(根据天然岩样碎末孔隙特征结果选取粉末粒径)，成分主要为干酪根、沥青质的有机胶粘剂按不同重量百分比配制成一种特殊的仿真原始岩样特性的粘性材料，并制备成相应的小尺寸岩样，进行矿物组成分析、孔隙特征、渗透率、润湿性、应力敏感性、吸附特征等测试。筛选与原始岩样特性相当的粘性材料进行破损岩心粘结修复(修复过程中层理破损部位接层布置有机高分子薄片还原页岩薄层理构造)并开展页岩真实储层条件下水平段全直径岩心衰竭开发模拟应用。修复的岩心能真实反映水平段天然岩心的综合特性，从而能够用于探究符合真实页岩储层特性的页岩气流动机理、衰竭开发规律等关键问题。本发明主要解决了页岩水平井压裂后真实储层开发特性研究所需的较大尺寸水平段全直径天然岩心破损复原的问题。
Claims (7)
1.一种综合反映水平段页岩特性的全直径岩心的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
步骤一：确定破损的页岩水平段岩样的综合性质，其中，所述综合性质包括有机碳含量、物性、岩石力学结构性质和全岩矿物组成；
步骤二：根据破损的页岩水平段岩样的综合性质，获得与所述破损的页岩水平段岩样综合性质相符的制备岩心；所述制备岩心采用的原料为：天然岩样粉末和有机胶粘剂；所述有机胶粘剂为干酪根、沥青质；所述制备岩心是根据以下步骤制备得到的：
采用天然岩样粉末和有机胶粘剂，制备不同重量百分比的粘性材料，测试各个粘性材料的综合性质，筛选与破损的页岩水平段岩样综合性质相符的粘性材料，作为制备岩心；
步骤三：利用所述制备岩心对所述破损的页岩水平段岩样进行修补，进行后处理，得到所述综合反映水平段页岩特性的全直径岩心；所述修补的方式为沿层理贯穿破坏面上粘结两层块或直接将制备岩心充填在破损的页岩水平段的缺失部位，其中，修补过程中层理破损部位接层理方向设置有机高分子薄片；
所述有机高分子薄片的厚度为0.01μm；
所述步骤一中的确定破损的页岩水平段岩样的综合性质按照以下步骤进行：
测量破损的页岩水平段岩样的尺寸，确定可以得到的全直径岩心的预定尺寸，并进行切割；
对切割后的剩余页岩水平段岩样再取岩心，对岩心进行综合性质分析，确定破损的页岩水平段岩样的综合性质。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤三中，所述后处理包括压实、烘干的步骤。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述烘干的温度为105℃，烘干的时间为48h以上。
4.一种综合反映水平段页岩特性的全直径岩心，其特征在于，该全直径岩心是通过权利要求1-3任一项所述的制备方法制备得到的。
5.一种储层水平向渗透率的测试方法，其特征在于，该测试方法采用的岩心为权利要求4所述的综合反映水平段页岩特性的全直径岩心。
6.一种储层横向开发特性的评价方法，其特征在于，该评价方法采用的岩心为权利要求4所述的综合反映水平段页岩特性的全直径岩心。
7.一种储层物性差异和各向异性的评价方法，其特征在于，该评价方法采用的岩心为权利要求4所述的综合反映水平段页岩特性的全直径岩心。
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