CN110005380A - 非均质性页岩非均匀分簇射孔优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非均质性页岩非均匀分簇射孔优化方法，该方法包括：根据页岩水平井不同井段的储层页岩特性制作多个页岩靶，其中，所述储层页岩特性包括：页岩层理倾角、页岩的力学性质、裂缝特征以及岩性特征，任意两个页岩靶的至少一个所述储层页岩特性不同；采用多种射孔方式以及多种射孔参数对所述多个页岩靶进行射孔实验，并检测射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况，以确定不同的影响因素对孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律；根据所述影响规律进行非均质性页岩非均匀分簇射孔优化。本发明解决了现有技术难以实现对非均质性页岩的非均匀分簇射孔优化方法的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及页岩气储层体积压裂增产技术领域，具体而言，涉及一种非均质性页岩非均匀分簇射孔优化方法。
背景技术
页岩气是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气，是一种清洁、高效的能源资源和化工原料，和常规天然气相比，页岩气资源主要具有以下特点：(1)储量丰富。据估计，世界页岩气资源量为457万亿立方米，同常规天然气资源量相当，其中页岩气技术可采资源量为187万亿立方米。全球页岩气技术可采资源量排名前5位国家依次为：中国(36万亿立方米，约占20％)、美国(24万亿立方米，约占13％)、阿根廷、墨西哥和南非。中国页岩气资源丰富，技术可采资源量为36万亿立方米，是常规天然气的1.6倍。在开采技术成熟、经济性适当时，将会产生巨大的商业价值。(2)开采寿命长，生产周期长。页岩气的形成和富集有着自身独特的特点，往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中，因此普遍含气丰富，生产周期长，一般为30-50年，具有很高的工业经济价值。(3)保护环境，相比于一些天然气储藏，页岩气主要以甲烷为主，开采过程中有毒有害气体较少，清洁安全，保护环境。因此在石油资源日益枯竭的今天，页岩气正受到人们越来越多的重视，美国领导下页岩革命也已经在全世界范围内不断掀起新的高潮。我国作为页岩气储量大国，资源潜力巨大，如何高效的开发页岩气资源是关系到经济快速发展和国民生活改善的重大课题。
页岩气储层具有低孔低渗等特征，开发主要依靠水平井结合大规模分段压裂技术，形成大规模缝网，给页岩气提供较好的流动通道，最终实现体积压裂，其中分段压裂技术包括多层压裂技术、清水压裂技术、重复压裂技术及最新的同步压裂技术，这些技术正不断提高着页岩气井的产量，而根据地层的性质进行合理的分段布簇及优化射孔参数(可简称为分簇射孔)则是实现分段压裂进而形成有效缝网体的基本前提。
图2和图3分别是现有技术的页岩气储层均匀分簇以及非均匀页岩气储层非均匀分簇射孔示意图。相比与欧美开发比较成功的较为均质的页岩气储层可以采用均匀分簇，我国的页岩区块普遍经历了更加复杂的地质构造运动，储层非均质性极为突出，如图2和图3所示。储层非均质性主要表现在以下几个方面：(1)岩石力学性质更加复杂，(2)层理和天然裂缝充分发育，(3)地应力方向和大小难以准确测定，(4)储层岩性多变，(5)不同深度储层温度差异大。此时若采用常规的均匀分簇射孔方法(孔密度、孔深、孔径、簇间距等参数保持不变)进行射孔压裂时，常会出现储层起裂困难、缝网难以有效形成、不同射孔簇产量波动剧烈等诸多问题，给高效开发页岩带来巨大挑战。因此探索适合我国非均质页岩的非均匀分簇射孔参数优化方法显得至关重要。
但目前针对非均质性页岩孔簇参数优化研究主要侧重于从数值模拟的角度对均匀分簇射孔的簇间距进行优化，包括起裂模型优化、裂缝扩展模型优化等，这些方法一定程度为页岩高效压裂提供了借鉴和指导，但也存在页岩非均质性难以有效模拟、孔缝模型假设过于理想、计算参数选取缺乏实验依据、裂缝扩展机理和扩展规律研究模糊、研究结果适用范围窄、效果差等诸多问题。
出现这些问题的一个重要的原因就是缺乏针对非均质性页岩的非均匀分簇射孔物理实验，CN107589020A、CN104131803A、CN104237385A、CN104563993A等专利从一些小的研究需求角度设计了页岩压裂物理实验，但存在实验尺度较小、影响因素单一等问题，这主要是由于页岩层理和天然裂缝充分发育，岩石本身力学性质、矿物组分和岩性多变，使其开展井筒非均匀分簇射孔实验异常困难且成本高昂，因此无法在这些专利所公开方法的基础上研究非均匀分簇射孔优化方法及裂缝扩展规律。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种非均质性页岩非均匀分簇射孔优化方法，以解决现有技术难以实现对非均质性页岩的非均匀分簇射孔优化方法的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种非均质性页岩非均匀分簇射孔优化方法，该方法包括：
根据页岩水平井不同井段的储层页岩特性制作多个页岩靶，其中，所述储层页岩特性包括：页岩层理倾角、页岩的力学性质、裂缝特征以及岩性特征，任意两个页岩靶的至少一个所述储层页岩特性不同；
采用多种射孔方式以及多种射孔参数对所述多个页岩靶进行射孔实验，并检测射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况，以确定不同的影响因素对孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律，所述影响因素包括：页岩层理倾角、页岩的力学性质、裂缝特征、岩性特征、射孔方式以及射孔参数；
根据所述影响规律进行非均质性页岩非均匀分簇射孔优化。
进一步的，所述采用多种射孔方式以及多种射孔参数对所述多个页岩靶进行射孔实验，包括：
从所述多个页岩靶中选择出与目标探究影响因素对应的页岩靶；
根据所述目标探究影响因素确定射孔方式以及射孔参数；
根据确定出的射孔方式以及射孔参数对选择出的页岩靶进行射孔实验。
进一步的，该方法还包括：
根据所述页岩层理倾角以及所述页岩的力学性质确定所述页岩靶的非均质性；
对不同非均质性的多个页岩靶进行射孔实验，并检测射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况，以确定页岩非均质性对孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律。
进一步的，该方法还包括：
对不同岩性特征的多个页岩靶采用不同的射孔方式和/或不同的射孔参数进行射孔实验，并检测射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况，以确定岩性特征、射孔方式和射孔参数的耦合作用因素对孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律。
进一步的，该方法还包括：
根据所述页岩水平井各井段对应的页岩靶的射孔实验结果，确定各井段的射孔方式和射孔参数分别对孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律。
进一步的，所述根据页岩水平井不同井段的储层页岩特性制作多个页岩靶，包括：
调整浇筑的所述页岩靶的页岩层与水平面的夹角以模拟不同的所述页岩层理倾角。
进一步的，所述根据页岩水平井不同井段的储层页岩特性制作多个页岩靶，包括：
调整浇筑的所述页岩靶的页岩层的浇筑物料以模拟不同的所述页岩的力学性质。
进一步的，所述根据页岩水平井不同井段的储层页岩特性制作多个页岩靶，包括：
在浇筑所述页岩靶时通过在与所述裂缝特征对应的位置处放置纸张以模拟所述裂缝特征。
进一步的，所述根据页岩水平井不同井段的储层页岩特性制作多个页岩靶，包括：
在浇筑所述页岩靶时通过在与所述岩性特征对应的位置处铺置不同的岩石材料，以模拟所述岩性特征。
进一步的，所述岩石材料包括：模拟砂岩的岩石材料、模拟砾岩的岩石材料以及模拟火成岩的岩石材料。
进一步的，所述采用不同的射孔方式和/或不同的射孔参数对所述页岩靶进行射孔实验，包括：采样正交实验法进行所述射孔实验。
本发明的有益效果为：本发明可实现页岩射孔压裂研究中非均匀布孔方式和布孔参数的配合，能够更加真实的模拟井下实际射孔工况。本发明通过调节水泥砂浆的灰砂比和采用层理法浇筑可在地面条件下模拟合成非均质层理性页岩，在满足实验需求的前提下，方法更加简单便捷，成本更低，有利于大规模合成。本发明采用非连续浇筑法可以在地面条件下实现模拟全井段大尺度页岩靶，避免了大规模浇筑，节约成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1是本发明实施例非均质性页岩非均匀分簇射孔优化方法的流程图；
图2是本发明实施例页岩气储层均匀分簇示意图；
图3是本发明实施例非均匀页岩气储层非均匀分簇射孔示意图；
图4是本发明实施例射孔参数示意图之一；
图5是本发明实施例射孔参数示意图之二；
图6是本发明实施例射孔方式示意图之一；
图7是本发明实施例射孔方式示意图之二；
图8是本发明实施例页岩水平井井段示意图；
图9是本发明实施例非均质性页岩非均匀分簇射孔实验示意图之一；
图10是本发明实施例非均质性页岩非均匀分簇射孔实验示意图之二；
图11是本发明实施例非均质性页岩非均匀分簇射孔实验示意图之三；
图12是本发明实施例进行射孔实验的流程图；
图13是本发明实施例探究非均质性的影响规律的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“页岩靶”，为用水泥砂浆等材料浇筑出的模拟真实合成的“页岩”，由于该“页岩”是用于进行射孔实验的，因此将其称为“页岩靶”。该页岩靶的形状可以为多种，通常为长方体形或者圆柱形。在浇筑页岩靶时，采用非等时分层浇筑的方法，以模拟页岩的层理，页岩靶中的每个页岩层的浇筑物料可以相同或不同，在页岩靶中的相邻两个页岩层之间可以浇筑出交界层。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图2和图3分别是现有技术的页岩气储层均匀分簇以及非均匀页岩气储层非均匀分簇射孔示意图。相比于较为均质的页岩气储层可以采用均匀分簇，非均质性储层主要有以下几个特点：(1)岩石力学性质更加复杂，(2)层理和天然裂缝充分发育，(3)地应力方向和大小难以准确测定，(4)储层岩性多变，(5)不同深度储层温度差异大。因此若对非均质性页岩气储层采用常规的均匀分簇射孔方法(孔密度、孔深、孔径、簇间距等参数保持不变)进行射孔压裂时，常会出现储层起裂困难、缝网难以有效形成、不同射孔簇产量波动剧烈等诸多问题，给高效开发页岩带来巨大挑战。因此探索适合非均质页岩的非均匀分簇射孔参数优化方法显得至关重要。针对上述问题，本发明提供了一种非均质性页岩非均匀分簇射孔优化方法。
图1是本发明实施例非均质性页岩非均匀分簇射孔优化方法的流程图，如图1所示，本实施例的非均质性页岩非均匀分簇射孔优化方法包括步骤S101和步骤S103。
步骤S101，根据页岩水平井不同井段的储层页岩特性制作多个页岩靶，其中，所述储层页岩特性包括：页岩层理倾角、页岩的力学性质、裂缝特征以及岩性特征，任意两个页岩靶的至少一个所述储层页岩特性不同。
本发明为了实现模拟页岩水平井全井段非均质性页岩的目的，采用了非连续浇筑法浇筑出页岩水平井的不同井段对应的页岩靶，如图8所示。本发明的非连续浇筑法的主要原理为：将每块页岩靶(例如长1.6m)本身可看成一个样本，可用其代表一定长度水平井段的页岩，将多个这样的样本串联起来就能够近似的表示全井段页岩。
在本发明的实施例中，页岩靶的形状可以为长方体形或者圆柱形。优选的，每块页岩靶设计为圆柱形，靶体长设为1.6m，直径设为2m，圆柱形靶体设计能使浇筑更加方便，避免棱角过多出现内部应力集中，同时圆柱靶体周向距离相同，可保证在射孔时周向靶体性质相同，中间留有直径100-160mm的钢管以模拟井筒，在进行射孔实验时，采用真实的射孔弹来进行以模拟井下实际工况。
在本发明的实施例中，可以通过调整浇筑的所述页岩靶的页岩层与水平面的夹角以实现不同的所述页岩层理倾角。本发明为了实现模拟页岩层理的目的，我们采用了非等时分层浇筑的方法，即将靶体划分为多层，每层水泥砂浆厚度约为100mm，进行浇筑时，每层与每层之间有一定的时间间隔，(约0.5-2小时)，这样每两层水泥砂浆之间的交界面就可以用来模拟页岩的层理，时间间隔越大，层理面胶结情况越差。在本发明实施例中，为了实现模拟不同层理倾角页岩的目的，在浇筑页岩靶的层理性“页岩”时，每层水泥面应和过井筒轴线的基准面成一定角度进行浇筑的，这里默认过井筒轴线的基准面与水平面平行，当夹角小于30°时，可以认为页岩近似水平稳定沉积，夹角大于30°时，则认为页岩在沉积过程中经历地质构造运动，发生了挤压变形。
在本发明的实施例中，可以通过调整浇筑的所述页岩靶的页岩层的浇筑物料以实现不同的所述页岩的力学性质。在本发明的实施例中，页岩的力学性质包括弹性模量、泊松比和抗压强度等参数，本发明实施例为了实现模拟不同的页岩力学性质的目的，采用了微调浇筑每层页岩时水泥砂浆的灰砂比的方法，即通过改变水泥砂浆的灰砂比，使得每层“页岩”的弹性模量、泊松比等力学性质不同，具体为进行层理性页岩靶浇筑时，对每一层水泥砂浆的灰砂比例进行微调，调节范围取1比1到1比1.5。
在本发明的实施例中，可以采用在浇筑时预铺纸张的方法模拟不同的所述裂缝特征。在本发明实施例中，为了实现模拟页岩天然裂缝的目的，采用了铺置纸张的的方法，具体操作如下：首先分析页岩中天然裂缝的形态特征，在进行浇筑时，根据天然裂缝具体特征放置一些厚度0.5-1.5mm的薄纸，厚度越大表示裂缝的宽度越大，这些薄纸应具有良好的吸水性，这样在水泥硬化后，这些铺置纸张的位置的“页岩”强度就会小于周边“页岩”，施加较大作用力时也会成为优先破裂的“弱面”，可近似模拟页岩中的天然裂缝。制作出的含有裂缝特征的页岩靶可以如图10所示。
在本发明的实施例中，可以通过在浇筑的所述页岩靶的页岩层时铺置不同的岩石材料以实现不同的所述岩性特征。该岩石材料包括：模拟砂岩的岩石材料、模拟砾岩的岩石材料以及模拟火成岩的岩石材料。本发明为了实现模拟不同的岩性特征的目的，可在浇筑的时候铺置不同的岩石材料，本发明根据现场观测，在页岩靶体上另铺置了三种材料，分别用来模拟砂岩、砾岩和火成岩。制作出的含有岩性特征的页岩靶可以如图9所示，如图9所示的页岩靶中同时含有模拟花岗岩的岩石材料、模拟砂岩或砾岩的岩石材料。
具体模拟方法如下；砂岩相比于页岩通常更加疏松，孔隙度也更大，因此这里我们采用灰砂比为1比3的水泥砂浆来模拟砂岩层(加入砂的粒径)；砾岩层采用采用灰砂比为1比1的水泥砂浆混拌碎石子来模拟；火成岩层采用在浇筑的页岩中添加花岗岩板来方法来模拟。铺置方法如下：砂岩、砾岩及花岗岩的铺置方法有所不同，这是由于他们形成原理不同所导致的。页岩中出现砂岩混层和砾岩夹层主要是由于在页岩沉积过程中，某一时期环境发生了变化，导致原有的稳定沉积环境被打破，从而出现砂岩或砾岩层，因此铺置砂岩或者砾岩时，采用浇筑完一层“页岩”后，在其基础上浇筑砂岩层或砾岩层，此时时间间隔可取0-0.5h。页岩中出现花岗岩层主要由于在特定的沉积时期由于出现火山喷发或板块碰撞等地质构造运动，导致花岗岩入侵到页岩层中所导致的，因此花岗岩层往往和页岩层呈一定的夹角，所以铺置花岗岩的时候，采用和模拟页岩天然裂缝相同的方法，花岗岩层应穿层铺置在所浇筑的页岩靶体中。
步骤S102，采用多种射孔方式以及多种射孔参数对所述多个页岩靶进行射孔实验，并检测射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况，以确定不同的影响因素对孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律，所述影响因素包括：页岩层理倾角、页岩的力学性质、裂缝特征、岩性特征、射孔方式以及射孔参数。
本发明进行射孔实验的目的是为了探究不同的影响因素对射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律，该影响因素至少包括：页岩层理倾角、页岩的力学性质、裂缝特征、岩性特征、射孔方式以及射孔参数。即本发明通过实验可以探究出：页岩层理倾角对射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律；页岩的力学性质对射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律；裂缝特征对射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律；岩性特征对射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律；射孔方式对射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律；以及射孔参数对射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律。此外本发明通过射孔实验还可以探究几种因素的耦合作用对射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律。
在本发明实施例中射孔后的孔眼质量参数包括射孔后的穿深和孔径。
本发明在进行射孔实验，探究不同的影响因素对射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律时，采用了控制变量法的思想，即在在确定目标探究影响因素后，保持目标探究影响因素外的其他影响因素大致一致，进而通过改变目标探究影响因素进行多次射孔实验，即可实现探究目标探究影响因素对射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律。由于本发明探究的影响因素较多，本发明在满足研究要求的前提下为了控制实验成本，降低难度，上述射孔实验可通过采用正交实验法减少实验页岩靶的制作数目。
图9、图10和图11分别是本发明实施例对三个特征不同的页岩靶进行射孔实验的示意图。图9、图10和图11中的页岩靶的页岩层理倾角均不同，可以用于探究页岩层理倾角对射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律。具体在进行射孔实验时，可以对这三块页岩靶采用同样的射孔方式(例如均匀螺旋射孔)以及采用相同的射孔参数(例如孔密采用30h/m)进行射孔。射孔完成后，在形成的孔眼中注入有色液体，对射孔后的孔深变化和射孔后的孔径变化(即射孔后孔眼质量参数)和裂缝的形态进行观测，分析裂缝形成机理，用点渗透率仪测量孔眼周围岩石渗透率进行测量，即可得到射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况。通过对多块页岩层理倾角不同的页岩靶进行射孔实验可以确定出页岩层理倾角对射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律。
在本申请的一可选实施例中，通过实验得出的页岩层理倾角对射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律可以包括：页岩层理倾角约小，射孔后的穿深和孔径越大；页岩层理倾角约小，岩石渗透率越大；页岩层理倾角约小，孔周冲击裂缝发育越好等。
对于本申请的其他影响因素，例如页岩的力学性质、裂缝特征、岩性特征、射孔方式以及射孔参数，可以采用上述页岩层理倾角的实验方法相同的实验思想，即保持目标探究影响因素外的其他影响因素大致一致，进而通过改变目标探究影响因素进行多次射孔实验，进而可以得出多种影响因素对射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律。
这些影响因素对射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律对非均匀分簇射孔优化以及现场射孔指导有着很重要的意义。在本发明的一实施例中，通过上述实验可以得出射孔参数中孔深越大，射孔后的穿深则越高，同时孔周冲击裂缝发育情况越充分。进而在进行现场射孔时，就可以根据本发明得出的该影响规律进行射孔指导，例如现场技术人员想要提高射孔后的穿深，根据该影响规律就可知道，增大射孔参数中孔深就可实现提高射孔后的穿深。
在本发明的实施例中，射孔参数包括：孔深、孔径、孔密和射孔相位角，射孔方式主要有两种，分别是均匀螺旋射孔和定面射孔。
在本发明实施例中，通过上述射孔实验可以探究页岩非均质性对孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律。对于较长的页岩水平井(大于1000m)，沿着井筒轴线方向，每一局部段(小于2m)页岩的力学性质(如弹性模量、泊松比和抗压强度等参数)都有所不同，这其中一个重要的原因是由于页岩层理的存在，平行于层理方向和垂直于层理方向岩石力学性质不同，使得页岩具有很强的非均质性。因此在探究页岩非均质性对孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律时，可以通过对不同页岩层理倾角的和/或不同页岩的力学性质的多个页岩靶进行射孔实验得出。
在本发明实施例中，通过上述射孔实验可以探究岩性特征、射孔方式和射孔参数的耦合作用因素对孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律。岩性特征、射孔方式和射孔参数的耦合作用因素对于现场射孔具有很好的指导意义。在探究岩性特征、射孔方式和射孔参数的耦合作用因素时，可以通过对不同岩性特征的多个页岩靶采用不同的射孔方式和/或不同的射孔参数进行射孔实验得出。
在对模拟页岩水平井各井段的页岩靶进行射孔实验后，可以将每块射孔实验后的页岩靶“组合”起来，由于页岩靶是采用了非连续浇筑法模拟全井段非均质性页岩制作出的，每块页岩靶可以表示一定长度水平井段，将射孔实验后的页岩靶“组合”起来从而可以“连续”地描述全井段非均质页岩在多因素偶和作用下“孔”的相关参数(射孔方式和射孔参数)对射孔后孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况和裂缝扩展的影响规律。即可以确定全井段非均质页岩中的各井段的不同射孔方式以及不同射孔参数对射孔后孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况和裂缝扩展的影响规律，可以实现对水平井各井段进行射孔指导。
步骤S103，根据所述影响规律进行非均质性页岩非均匀分簇射孔优化。
在本发明的实施例中，在得出上述影响规律后，本领域的技术人员即可根据现有技术的方法进行对非均质性页岩非均匀分簇射孔优化。在本发明实施例中，非均匀分簇射孔优化包括：在实验环境中进行模拟优化以及现场射孔指导。在本发明的实施例中，通过实验得出的各影响因素对孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律可以用于对非均质性页岩进行现场射孔指导，当然也可以用于对常规通用射孔进行指导。
在本发明的实施例中，非均匀分簇射孔优化包括孔参数优化和簇参数优化，本发明通过实验得出的各影响因素对孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律为非均匀分簇射孔优化提供了数据基础，实现了非均质性页岩的孔参数优化和簇参数优化。
在本发明的实施例中，通过实验得出的各影响因素对孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律还可以用于进行页岩压裂压力计算。
在本发明的实施例中，通过实验得出的各影响因素对孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律还可以用于评价射孔质量，为射孔质量的评价提供了数据基础。
在本发明的实施例中，通过实验得出的各影响因素对孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律还可以用于为裂缝扩展提供原始的物理模型。
图12是本发明实施例进行射孔实验的流程图，如图12所示，本发明实施例的进行射孔实验的方法包括步骤S201至步骤S203。
步骤S201，从所述多个页岩靶中选择出与目标探究影响因素对应的页岩靶。
在本发明的实施例中，在通过射孔试验探究目标探究影响因素对射孔后的对孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律时，首先要选择出合适的多个页岩靶。选择页岩靶的规则在于，页岩靶的目标探究影响因素差别较大，页岩靶的除目标探究影响因素外的其他影响因素大致一致(差别较小)。例如当想要探究裂缝特征对射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律时，需要选择裂缝特征差别较大的多块页岩靶，而页岩靶的除去裂缝特征之外的其他影响因素的差别应尽量较小。
在本发明实施例中，当目标探究影响因素为射孔方式或射孔参数时，应选择储层页岩特性相近的多个页岩靶进行试验。
步骤S202，根据所述目标探究影响因素确定射孔方式以及射孔参数。
在本发明实施例中，当目标探究影响因素不是射孔方式和射孔参数时，对于同一个目标探究影响因素应保持射孔方式和射孔参数相同。
在本发明实施例中，当目标探究影响因素为射孔方式或射孔参数时，应采用多种不同的射孔方式或射孔参数进行射孔试验。
步骤S203，根据确定出的射孔方式以及射孔参数对选择出的页岩靶进行射孔实验。
本发明在进行射孔实验，探究不同的影响因素对射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律时，采用了控制变量法的思想，即在在确定目标探究影响因素后，保持目标探究影响因素外的其他影响因素大致一致，进而通过改变目标探究影响因素进行多次射孔实验，即可实现探究目标探究影响因素对射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律。由于本发明探究的影响因素较多，本发明在满足研究要求的前提下为了控制实验成本，降低难度，上述射孔实验可通过采用正交实验法减少实验页岩靶的制作数目以及射孔实验次数。
图13是本发明实施例探究非均质性的影响规律的流程图，如图13所示，本发明实施例探究非均质性的影响规律的方法包括步骤S301和步骤S302。
步骤S301，根据所述页岩层理倾角以及所述页岩的力学性质确定所述页岩靶的非均质性。
步骤S302，对不同非均质性的多个页岩靶进行射孔实验，并检测射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况，以确定页岩非均质性对孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律。
在本发明实施例中，通过上述射孔实验可以探究页岩非均质性对孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律，页岩的非均质性可以由页岩层理倾角以及页岩的力学性质来确定。在本发明的实施例中，当页岩的层理倾角越大时，该页岩的非均质性越强，当层理倾角一定时，页岩的力学性质越强，该页岩的非均质性越强。
在本发明的实施例中，对于较长的页岩水平井(大于1000m)，沿着井筒轴线方向，每一局部段(小于2m)页岩的力学性质(如弹性模量、泊松比和抗压强度等参数)都有所不同，这其中一个重要的原因是由于页岩层理的存在，平行于层理方向和垂直于层理方向岩石力学性质不同，使得页岩具有很强的非均质性。因此在探究页岩非均质性对孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律时，可以通过对不同页岩层理倾角的和/或不同页岩的力学性质的多个页岩靶进行射孔实验得出。
在探究非均质性对射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律时，需要先根据页岩靶的页岩层理倾角和页岩的力学性质确定页岩靶的非均质性，进而选择非均质性差别较大且其他影响因素差别较小的多块页岩靶。通过对这些页岩靶进行射孔实验即可得出非均质性对射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律。在本发明的一实施例中，在探究非均质性的射孔实验时，选用同样的射孔方式和射孔参数进行射孔。在本发明的可选实施例中，通过实验得出的影响规律可以为，当页岩的非均质性越强时，射孔后的孔深变化和孔径变化越小，岩石渗透率越大，孔周冲击裂缝发育情况越好。
由以上描述可以看出，本发明可实现页岩射孔压裂研究中非均匀布孔方式和布孔参数的配合，能够更加真实的模拟井下实际射孔工况。本发明通过调节水泥砂浆的灰砂比和采用层理法浇筑可在地面条件下模拟合成非均质层理性页岩，在满足实验需求的前提下，方法更加简单便捷，成本更低，有利于大规模合成。本发明采用非连续浇筑法可以在地面条件下实现模拟全井段大尺度页岩靶，避免了大规模浇筑，节约成本。
在本发明的另一实施例中，本发明的非均质性页岩非均匀分簇射孔实验分为实验材料准备阶段和实验流程阶段，具体包括以下步骤：
1、实验材料准备阶段
实验材料准备阶段主要包括三个步骤，分别是步骤A模拟实现不同射孔方法，步骤B水泥模拟浇筑合成大尺度非均质性层理页岩靶，步骤C模拟页岩井下环境，具体步骤如下：
步骤A、模拟实现不同射孔方法。在本发明中射孔方法包含射孔参数和射孔方式两部分。图4和图5是本发明实施例射孔参数示意图，如图4和图5所示，射孔参数主要为孔深、孔径、孔密和射孔相位角，其中孔深孔径可以通过选用不同的射孔弹类型来调节，孔密是指单位长度上射孔数，取值范围为10孔/m到30孔/m，较小型号的射孔弹可以实现大密度的布孔，射孔相位是指两个射孔孔眼轴线之间的夹角，可取60°、90°和120°三个值。图6和图7是本发明实施例射孔方式示意图，如图6和图7所示，常用的射孔方式主要有两种，分别是均匀螺旋射孔(如图6)和定面射孔(如图7)。
步骤B、模拟合成大尺度非均质性层理页岩靶。在本发明实施例中可以采用水泥砂浆浇筑模拟合成“页岩”，每块合成的“页岩”称为页岩靶。
a)为了实现模拟“大尺度”页岩的目的，每块页岩靶设计为圆柱形，靶体长设为1.6m，直径设为2m，圆柱形靶体设计能使浇筑更加方便，避免棱角过多出现内部应力集中，同时圆柱靶体周向距离相同，可保证在射孔时周向靶体性质相同，中间留有直径100-160mm的钢管以模拟井筒，在进行射孔实验时，采用真实的射孔弹来进行以模拟井下实际工况。
b)为了实现模拟页岩层理的目的，我们采用了非等时分层浇筑的方法，即将靶体划分为多层，每层水泥砂浆厚度约为100mm，进行浇筑时，每层与每层之间有一定的时间间隔，(约0.5-2小时)，这样每两层水泥砂浆之间的交界面就可以用来模拟页岩的层理，时间间隔越大，层理面胶结情况越差。
c)对于较长的页岩水平井(大于1000m)，沿着井筒轴线方向，每一局部段(小于2m)页岩的力学性质(如弹性模量、泊松比和抗压强度等参数)都有所不同，这其中一个重要的原因是由于页岩层理的存在，平行于层理方向和垂直于层理方向岩石力学性质不同，使得页岩具有很强的非均质性。因此为了实现模拟页岩非均质性的目的，我们采用了微调水泥砂浆灰砂比的方法，即通过改变水泥砂浆的灰砂比，使得每层“页岩”的弹性模量、泊松比等力学性质不同。具体操作方法为在步骤B的b)的基础上进行层理性页岩靶浇筑时，对每一层水泥砂浆的灰砂比例进行微调，调节范围取1比1到1比1.5。
d)为了实现模拟全井段(长度大于1000m)非均质性页岩的目的，在地面浇筑1000m以上的水泥石显然是不现实也没有必要的，这里我们采用了非连续浇筑法。图8是本发明实施例页岩水平井井段示意图，如图8所示，本发明的非连续浇筑法的主要原理为：将每块页岩靶(长1.6m)本身可看成一个样本，可用其代表一定长度水平井段的页岩，将多个这样的样本串联起来就能够近似的表示全井段页岩。
这里需要注意的是页岩水平井大部分水平段中储层页岩力学性质是相对稳定的，但在局部井段会由于地质构造运动等原因，储层页岩力学性质变动剧烈，此时对于稳定水平井段，可根据实际页岩力学性质模拟浇筑1-2块页岩靶，而对于不稳定水平井段，则需根据实际页岩力学性质模拟浇筑多块页岩靶，以更加准确地模拟全井段非均质性页岩。
步骤C、模拟页岩井下环境。页岩的沉积是一个漫长的地质演化过程，在这个过程中通常伴随着复杂的构造运动，如挤压拉伸抬高风化剥蚀等，使得页岩层理倾角复杂多变的，同时天然裂缝也充分发育。还有些区块由于沉积的不稳定性，存在其他岩性沉积和侵入现象。准备实验材料时，这些因素都应纳入考虑范围。
a)为了实现模拟不同层理倾角页岩的目的，在前文浇筑层理性“页岩”时，每层水泥面应和过井筒轴线的基准面成一定角度进行浇筑的，这里默认过井筒轴线的基准面与水平面平行，当夹角小于30°时，可以认为页岩近似水平稳定沉积，夹角大于30°时，则认为页岩在沉积过程中经历地质构造运动，发生了挤压变形。
b)为了实现模拟页岩天然裂缝的目的，本发明采用了铺置纸张的的方法，具体操作如下：首先分析页岩中天然裂缝的形态特征，在进行浇筑时，根据天然裂缝具体特征放置一些厚度0.5-1.5mm的薄纸，厚度越大表示裂缝的宽度越大，这些薄纸应具有良好的吸水性，这样在水泥硬化后，这些铺置纸张的位置的“页岩”强度就会小于周边“页岩”，施加较大作用力时也会成为优先破裂的“弱面”，可近似模拟页岩中的天然裂缝。
需要注意的是，页岩中天然裂缝走向通常与页岩层理面成一定夹角，即天然裂缝往往是穿层存在的，所以铺置纸张应穿过多个页岩层理面，而且天然裂缝曲面往往是光滑连续的，不存在明显的弯折点，这在铺置纸张的时候也应注意，纸张曲面上不应出现明显折痕。
c)为了实现模拟岩性变化的目的，可在浇筑的时候铺置不同的岩石材料，这里我们根据现场观测，在页岩靶体上另铺置了三种材料，分别用来模拟砂岩、砾岩和火成岩。
具体模拟方法如下；砂岩相比于页岩通常更加疏松，孔隙度也更大，因此这里我们采用灰砂比为1比3的水泥砂浆来模拟砂岩层(加入砂的粒径)；砾岩层采用采用灰砂比为1比1的水泥砂浆混拌碎石子来模拟；火成岩层采用在浇筑的页岩中添加花岗岩板来方法来模拟。
铺置方法如下：砂岩、砾岩及花岗岩的铺置方法有所不同，这是由于他们形成原理不同所导致的。页岩中出现砂岩混层和砾岩夹层主要是由于在页岩沉积过程中，某一时期环境发生了变化，导致原有的稳定沉积环境被打破，从而出现砂岩或砾岩层，因此铺置砂岩或者砾岩时，采用和实验材料准备中步骤B的b)浇筑层理性页岩相同的方法，即浇筑完一层“页岩”后，在其基础上浇筑砂岩层或砾岩层，此时时间间隔可取0-0.5h。页岩中出现花岗岩层主要由于在特定的沉积时期由于出现火山喷发或板块碰撞等地质构造运动，导致花岗岩入侵到页岩层中所导致的，因此花岗岩层往往和页岩层呈一定的夹角，所以铺置花岗岩的时候，采用和实验材料准备中步骤C的b)模拟页岩天然裂缝相同的方法，花岗岩层应穿层铺置在所浇筑的页岩靶体中。
2、实验流程阶段
实验流程具体步骤如下：
步骤E、采用材料准备阶段的步骤A中的螺旋均匀射孔方式，采用步骤B合成多块大尺度非均质性页岩靶，在合成大尺度非均质性页岩靶时，利用步骤C的a)方法实现页岩层理面倾角的改变，由0°-60°进行变化，变化步长为20°，利用步骤B的c)的方法改变每层页岩的强度，然后进行射孔。射孔完成后，射孔后在形成孔眼中注入有色液体，对射孔后的孔深变化和射孔后的孔径变化(即射孔后孔眼质量参数)和裂缝的形态进行观测，分析裂缝形成机理，用点渗透率仪测量孔眼周围岩石渗透率进行测量，即可得到射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况。页岩层理面倾角和每层页岩的强度(即页岩的力学性质)可以表示页岩的非均质性，通过本步骤可以探究页岩非均质性对射孔后孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律。
步骤F、在步骤E实验步骤的基础上采用材料准备阶段的步骤A中的定面射孔方式重复步骤E的实验，射孔密度和相位角与步骤E中螺旋射孔方式保持一致，探究不同射孔方式对射孔后孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律。
步骤G、在步骤E和步骤F实验步骤的基础上采用材料准备阶段的步骤A中的均匀螺旋射孔和定面射孔两种方式，改变射孔相位角和射孔密度(即射孔参数)重复上述步骤E和步骤F的实验，探究不同射孔参数对射孔后孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律。
步骤H、采用步骤B合成多块大尺度非均质性页岩靶，在合成大尺度非均质性页岩靶时，采用步骤C的b)的方法在页岩中布置不同形态和走向的天然裂缝，裂缝的宽度通过纸片的厚度进行调节，采用材料准备阶段的步骤A中的均匀螺旋射孔和定面射孔两种方式，孔密度设定30h/m进行射孔实验，探究射孔后岩中天然裂缝的存在对射孔后孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律。
步骤I、采用步骤B合成多块大尺度非均质性页岩靶，在合成大尺度非均质性页岩靶时，采用步骤C的c)的方法在页岩中布置砂岩、砾岩和火成岩，采用材料准备阶段的步骤A中的均匀螺旋射孔和定面射孔两种方式，射孔密度设定30h/m对多块页岩靶进行射孔实验，射孔后探究不同岩性、不同射孔方式和不同射孔参数的耦合作用对孔眼质量参数和孔周冲击裂缝发育情况的影响规律，此外本步骤也可以用来探究不同的岩性对孔眼质量参数和孔周冲击裂缝发育情况的影响规律。
步骤J、将每块射孔实验后的页岩靶“组合”起来，由于页岩靶是由步骤B的采用了非连续浇筑法模拟全井段非均质性页岩制作出的，每块页岩靶可以表示一定长度水平井段，将射孔实验后的页岩靶“组合”起来从而可以“连续”地描述全井段非均质页岩在多因素偶和作用下“孔”的相关参数(射孔方式和射孔参数)对射孔后孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况和裂缝扩展的影响规律。即可以确定全井段非均质页岩中的各井段的不同射孔方式以及不同射孔参数对射孔后孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况和裂缝扩展的影响规律，可以实现对水平井各井段进行射孔指导。
步骤K、在满足研究要求的前提下为了控制实验成本，降低难度，上述实验可通过采用正交实验法减少实验数目。
从以上描述可以看出，本发明的非均质性页岩非均匀分簇射孔优化方法至少具有以下有益效果：
1、本发明可实现页岩射孔压裂研究中非均匀布孔方式和布孔参数的配合，能够更加真实的模拟井下实际射孔工况；
2、本发明通过调节水泥砂浆的灰砂比和采用层理法浇筑可在地面条件下模拟合成非均质层理性页岩，在满足实验需求的前提下，方法更加简单便捷，成本更低，有利于大规模合成；
3、本发明采用非连续浇筑法可以在地面条件下实现模拟全井段大尺度页岩，避免了大规模浇筑，节约成本；
4、本发明通过射孔实验总结出的不同的影响因素对射孔后孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律不仅可以用于非均质性页岩非均匀分簇射孔优化，还可以用于对非均质性页岩进行现场射孔指导，当然也可以用于对常规通用射孔进行指导；
5、本发明通过射孔实验总结出的不同的影响因素对射孔后孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律还可以用于进行射孔参数优化以及页岩压裂压力计算；
6、本发明通过射孔实验总结出的不同的影响因素对射孔后孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律还可以用于评价射孔质量，为射孔质量的评价提供了数据基础；
7、本发明通过射孔实验总结出的不同的影响因素对射孔后孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律还可以用于为裂缝扩展提供原始的物理模型，具有很好的操作价值。
需要说明的是，在附图的流程图示出的某些步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种非均质性页岩非均匀分簇射孔优化方法，其特征在于，包括：
根据页岩水平井不同井段的储层页岩特性制作多个页岩靶，其中，所述储层页岩特性包括：页岩层理倾角、页岩的力学性质、裂缝特征以及岩性特征，任意两个页岩靶的至少一个所述储层页岩特性不同；
采用多种射孔方式以及多种射孔参数对所述多个页岩靶进行射孔实验，并检测射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况，以确定不同的影响因素对孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律，所述影响因素包括：页岩层理倾角、页岩的力学性质、裂缝特征、岩性特征、射孔方式以及射孔参数；
根据所述影响规律进行非均质性页岩非均匀分簇射孔优化。
2.根据权利要求1所述的非均质性页岩非均匀分簇射孔优化方法，其特征在于，所述采用多种射孔方式以及多种射孔参数对所述多个页岩靶进行射孔实验，包括：
从所述多个页岩靶中选择出与目标探究影响因素对应的页岩靶；
根据所述目标探究影响因素确定射孔方式以及射孔参数；
根据确定出的射孔方式以及射孔参数对选择出的页岩靶进行射孔实验。
3.根据权利要求1所述的非均质性页岩非均匀分簇射孔优化方法，其特征在于，还包括：
根据所述页岩层理倾角以及所述页岩的力学性质确定所述页岩靶的非均质性；
对不同非均质性的多个页岩靶进行射孔实验，并检测射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况，以确定页岩非均质性对孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律。
4.根据权利要求1所述的非均质性页岩非均匀分簇射孔优化方法，其特征在于，还包括：
对不同岩性特征的多个页岩靶采用不同的射孔方式和/或不同的射孔参数进行射孔实验，并检测射孔后的孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况，以确定岩性特征、射孔方式和射孔参数的耦合作用因素对孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律。
5.根据权利要求1所述的非均质性页岩非均匀分簇射孔优化方法，其特征在于，还包括：
根据所述页岩水平井各井段对应的页岩靶的射孔实验结果，确定各井段的射孔方式和射孔参数分别对孔眼质量参数、岩石渗透率、孔周冲击裂缝发育情况的影响规律。
6.根据权利要求1所述的非均质性页岩非均匀分簇射孔优化方法，其特征在于，所述根据页岩水平井不同井段的储层页岩特性制作多个页岩靶，包括：
调整浇筑的所述页岩靶的页岩层与水平面的夹角以模拟不同的所述页岩层理倾角。
7.根据权利要求1所述的非均质性页岩非均匀分簇射孔优化方法，其特征在于，所述根据页岩水平井不同井段的储层页岩特性制作多个页岩靶，包括：
调整浇筑的所述页岩靶的页岩层的浇筑物料以模拟不同的所述页岩的力学性质。
8.根据权利要求1所述的非均质性页岩非均匀分簇射孔优化方法，其特征在于，所述根据页岩水平井不同井段的储层页岩特性制作多个页岩靶，包括：
在浇筑所述页岩靶时通过在与所述裂缝特征对应的位置处放置纸张以模拟所述裂缝特征。
9.根据权利要求1所述的非均质性页岩非均匀分簇射孔优化方法，其特征在于，所述根据页岩水平井不同井段的储层页岩特性制作多个页岩靶，包括：
在浇筑所述页岩靶时通过在与所述岩性特征对应的位置处铺置不同的岩石材料，以模拟所述岩性特征。
10.根据权利要求9所述的非均质性页岩非均匀分簇射孔优化方法，其特征在于，所述岩石材料包括：模拟砂岩的岩石材料、模拟砾岩的岩石材料以及模拟火成岩的岩石材料。
11.根据权利要求1所述的非均质性页岩非均匀分簇射孔优化方法，其特征在于，所述采用不同的射孔方式和/或不同的射孔参数对所述页岩靶进行射孔实验，包括：采样正交实验法进行所述射孔实验。
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