CN110159251A - 一种试验预测页岩水力压裂效果的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种试验预测页岩水力压裂效果的方法。本发明方法利用页岩储层压后关井，压裂液自发渗吸到储层导致页岩中而返排率低的现象，通过页岩室内渗吸实验测试单位面积页岩吸收的压裂液量，结合注入压裂液总体积和返排体积确定页岩储层吸入的压裂液总体积，再根据页岩气井压裂段数、每段压裂时间、关井时间和页岩储层自吸总体积等参数最终确定页岩压裂的水力裂缝面积，从而实现对页岩气井水力压裂的储层改造效果的有效评价。该方法操作简洁，不需要增加额外的矿场施工工艺流程和设备，室内与矿场均易实现，能够极大地节约成本。

Description

一种试验预测页岩水力压裂效果的方法

技术领域

本发明涉及页岩气勘探与开发领域，具体而言，涉及一种试验预测页岩水力压裂效果的方法。

背景技术

页岩气在非常规油气资源中占有至关重要的地位，并逐步成为油气资源开采的热点。据估计，全世界页岩气资源量约为456万亿方，中国页岩气资源量也十分巨大，其可采资源量为15～30万亿方，而美国页岩气的可采资源量为28万亿方，两者大致相当。页岩气的开发不仅能够改善能源结构关系，还能够极大的缓解世界范围内能源紧张、亟求新气源等问题，具有巨大意义。页岩由于其低孔特低渗的特点，必须采用水平井加分段压裂的开采技术，水力压裂的主要功能是在储层中形成复杂的人工缝网，增加储层泄流面积。由于水力压裂形成缝网的复杂性，针对常规储层的水力压裂储层改造效果评价手段已无法满足页岩储层的需求，因此，目前主要采用微地震监测技术和理论模型方法评价压后储层改造效果，但现有技术在现场实施工艺和程序复杂，且耗时长、成本极高。

目前页岩气压裂效果评价方法具体内容如下：

(1)一种是利用水力压裂过程中会产生微地震的现象，在压裂井旁设置井中检波器接受并处理这些信号，反推出震源的空间位置，随微地震在时空上的产生，展示了裂缝的方位、长度和高度，实现对压裂裂缝监测和评价，但是这种方法工艺复杂、施工条件苛刻，且微地震事件识别受噪音和信息处理的影响，成本非常高。

(2)另一种是基于水平井分段分簇压裂裂缝扩展理论、岩石力学理论和渗流力学理论，对页岩压裂分簇裂缝扩展进行数值模拟与表征，通过裂缝扩展理论模型计算储层改造总体积。这种方法建模流程复杂，计算过程复杂繁琐，运算量非常大。

鉴于水力压裂的根本目标是增加裂缝密度，增大储层泄流面积，计算水力压裂改造形成的裂缝系统总面积，可以作为一种评价水力压裂效果的有效手段。页岩气藏属于低孔、特低渗储层，因此需要依赖于水力压裂技术，泵入大量的压裂液进入地层造缝，并在压裂后期对压裂液进行返排。页岩储层压裂后返排率普遍低于30％，Haynesvile页岩气区，压后返排率甚至低于5％，页岩气返排率低的影响因素主要是由于自吸作用，在页岩关井期间，部分压裂液自吸进入页岩储层，导致页岩返排体积大大减少。

根据该现象，本发明提出了一种通过页岩渗吸实验和矿场压裂参数确定页岩气井体积压裂水力裂缝面积从而评价裂缝压裂效果的方法。相比于传统评价手段，本发明方法不仅能有效评价体积压裂改造裂缝面积，还具有操作简便，矿场适应性强和成本低的优势。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种试验预测页岩水力压裂效果的方法。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

一种试验预测页岩水力压裂效果的方法，依次包括以下步骤：

选取井下岩样，制备相应尺寸的岩心，将岩样烘干、称重、密封，并测量自吸面面积，其中密封岩心时只留下一个端面；

配制压裂液，测试压裂液密度，将压裂液置入压裂效果评估装置中，所述压裂效果评估装置包括压裂液容器、高精度分析天平和数据处理系统；

岩心自吸实验，采用不吸水、无弹性的悬线将完全浸入压裂液中的岩心悬挂在高精度分析天平下端，当压裂液吸入岩样中时，通过控制数据处理系统定时记录高精度分析天平测试数值；

根据初始干燥岩心质量和某时间节点下吸液岩心质量，确定页岩单位自吸面积的自吸体积；

建立页岩岩心自吸过程中自吸体积和自吸时间的自发吸收模型；

根据施工现场压裂气井总注入压裂液体积和压后返排体积确定页岩储层总吸入体积；

根据各段页岩储层自吸体积与各段页岩储层自吸时间关系式，确定页岩压裂裂缝面积。

在另一种可能的实现方式中，所述岩心自吸实验时采用油封压裂液。

在另一种可能的实现方式中，所述密封岩心时采用环氧树脂进行密封。

在另一种可能的实现方式中，根据初始干燥岩心质量和某时间节点下吸液岩心质量，确定页岩单位自吸面积的自吸体积，包括：

根据公式(1)将岩样质量换算为岩样自吸体积v_imb：

式中：v_imb为某时间节点下岩样自吸体积，cm³；m₁为某时间节点下吸水岩样质量，g；m₀初始干燥后岩样质量，g；

根据公式(2)计算单位自吸面积的自吸体积v₁：

式中：v₁为单位自吸面积的自吸体积，cm；A₁为页岩自吸端面面积，cm²。

在另一种可能的实现方式中，建立页岩岩心自吸过程中的自吸体积和自吸时间的自发吸收模型，其中所述自发吸收模型表达式为：

式中：v_imb为吸收体积，cm³；A_c为吸水截面积，cm²；A，B为系数。

在另一种可能的实现方式中，根据施工现场压裂气井总注入压裂液体积和压后返排体积确定页岩储层总吸入体积，其中计算方法为：

v_fimb＝v_inj-v_fb (4)

式中：v_fimb为页岩储层总吸入体积，m³；v_inj为气井总注入压裂液体积，m³；v_fb为压后气井总返排体积，m³。

本发明提供了一种基于页岩自吸实验的页岩气井体积压裂裂缝面积计算方法，该发明的优点有：①该方法操作简洁，相比于微地震监测等技术手段，不需要增加额外的矿场施工工艺流程和设备，能够极大地节约开发成本；②该方法能对页岩气井体积压裂后裂缝改造面积进行定量表征；③同时，本发明方法充分利用了水力压裂后压裂返排液所蕴含的储层改造信息来评价压裂效果，提供了一种评价水力压裂改造效果的新思路。

附图说明

图1为本发明压裂效果评估装置示意图。

图2为本发明密封岩心示意图。

图3为自吸实验岩样质量随时间变化图。

图4为单位自吸面积的自吸体积v₁与自吸时间t的双对数坐标曲线图。

其中附图1中为数据处理系统1、高精度分析天平2、悬线3、压裂液容器4、岩心5、压裂液6、恒温密封装置7；附图2中分别为水平渗吸和垂直渗吸的密封情况示意图。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。

在本发明中提出了一种页岩可压性评价方法，该方法包括以下步骤：

步骤S100:选取井下岩样，制备相应尺寸的岩心，将岩样烘干、称重、密封，并测量自吸面面积，其中密封岩心时只留下一个端面。

选取井下页岩岩样，切割为一定尺寸的岩心柱塞，完成后将岩心放置于恒定温度的烘干箱内干燥至恒重，并称量干燥后岩样质量记为m₀，除留下一个端面自吸，将页岩样品其它面全部用环氧树脂密封，测量页岩自吸面的面积记为A₁。

需要注意的是，由于页岩取心时取心方向可能平行层理方向或者为垂直层理方向，因此为了保证吸收液体从岩心的一个方向进入，可以采用固封的方式(参见附图2)。可以选用环氧树脂和固化剂等对非吸收面进行固封，这样就能保证压裂液只从岩心的一个吸收面进入。

步骤S200:配制压裂液，测试压裂液密度，将压裂液置入压裂效果评估装置中，所述压裂效果评估装置包括压裂液容器、高精度分析天平和数据处理系统。

根据施工现场的压裂液配方配置压裂液，测试压裂液密度记为ρ，并将压裂液倒入压裂效果评估装置的压裂液容器中，压裂效果评估装置见附图1，该装置主要由压裂液容器、高精度分析天平和数据处理系统组成。

压裂液容器提供自吸实验场所；高精度分析天平可为QUINTIX224-1CN，量程220g，精度0.0001g，用于测量岩样的质量变化；数据处理系统监测样品质量随着时间(2min记录一次)的变化值，并保存。

步骤S300:岩心自吸实验，采用不吸水、无弹性的悬线将完全浸入压裂液中的岩心悬挂在高精度分析天平下端，当压裂液吸入岩样中时，通过控制数据处理系统定时记录高精度分析天平测试数值。

测试时选取为每隔2min记录一次，每个时间节点对应的岩样质量为岩样初始干岩样质量与岩样吸入压裂液的质量之和，记为m₁，测试时间为页岩气井压裂总时间与关井时间之和；为了避免实验过程中压裂液挥发引起的测试误差，可以通过在压裂液表面加入适量的油进行油封。

步骤S400:根据初始干燥岩心质量和某时间节点下吸液岩心质量，确定页岩单位自吸面积的自吸体积。

根据公式(1)将岩样质量换算为岩样自吸体积v_imb：

式中：v_imb为某时间节点下岩样自吸体积，cm³；m₁为某时间节点下吸水岩样质量，g；m₀初始干燥后岩样质量，g；

根据公式(2)计算单位自吸面积的自吸体积v₁

式中：v₁为单位自吸面积的自吸体积，cm；A₁为页岩自吸端面面积，cm²。

步骤S500:建立页岩岩心自吸过程中自吸体积和自吸时间的自发吸收模型。

关于自吸规律的表征方法，Handy等最早提出了一种用于水-气系统的自发吸收模型，见公式(3)。在该模型中，吸收的体积与吸收时间的平方根成正比。发明人在进行页岩渗吸实验时证实了这种关系，同时也发现了部分页岩吸收体积并不是与时间的0.5次方成正比，而是0.3次方，因此将公式(3)扩展为公式(4)，并进一步变形为双对数坐标形式，见公式(5)。

式中，v_imb为吸收体积，cm³；p_c为毛细管力，Pa；φ为孔隙度，无量纲；k_w为渗透率，mD；S_w为前缘含水饱和度，cm；A_c为吸水截面积，cm²；μ_w为液体的黏度，mPa·s；t为自吸时间，h；

式中，v_imb为吸收体积，cm³；A_c为吸水截面积，cm²；A，B为系数；

可以写为双对数形式：

因此，将实验数据作单位自吸面积的自吸体积v₁与自吸时间t的双对数坐标曲线，将曲线与一次函数曲线拟合，根据曲线在y轴上的截距计算得出系数A，根据曲线的斜率得出系数B；

步骤S600:根据施工现场压裂气井总注入压裂液体积v_inj和压后返排体积v_fb确定页岩储层总吸入体积v_fimb：

v_fimb＝v_inj-v_fb (6)

式中：v_fimb为页岩储层总吸入体积，m³；v_inj为气井总注入压裂液体积，m³；v_fb为压后气井总返排体积，m³。

步骤S700:根据各段页岩储层自吸体积与各段页岩储层自吸时间关系式，确定页岩压裂裂缝面积。

页岩气井一般采用分段多簇压裂，且每一段注入体积大致相同，因此假设页岩气井每段压裂的裂缝面积A_f相同，记压裂总段数为s。由于分段压裂，当压裂第n段时，第n-1段已经处于自吸状态，而所有段压完后，可能还进行关井，因此记第n段自吸时间t_n为页岩储层第n段压裂结束到整口井关井结束的时间，则第n段页岩储层自吸体积v_n与第n段页岩储层自吸时间t_n关系式可表示为：

式中：v_n为第n段储层自吸体积，m³；A_f为每段压裂的裂缝面积，m²；A，B为系数；t_n为第n段储层自吸时间，h。

通过以下过程即可计算得到页岩压裂气井总裂缝面积A_f总：

将公式(7)变形可得：

关井结束后页岩自吸总体积v_fimb为每段页岩储层自吸体积之和，即：

将公式(9)变形可得：由于总共压裂s段，因此总的压裂改造缝网面积为：

A_f总＝s×A_f (11)

式中：A_f总为总的体积压裂改造裂缝面积，m²；s为压裂总段数，段；A_f为每段压裂的裂缝面积，m²。

为了便于本领域技术人员进一步理解并运用本方法，采用以下现场实例进行了示范。

实例计算

以四川盆地页岩气井某井为例，结合附图和实施例进一步详细说明本发明的发明内容、特点及效果，具体步骤如下：

步骤1、选取四川盆地页岩气井Y-1井的龙马溪组页岩岩样，切割为直径为2.5cm，长度为5cm的岩心柱塞，完成后将岩心放置于100°的烘干箱内干燥至恒重，并称量干燥后岩样质量m₀为61.29g，除留下一个端面自吸，将页岩样品其它面全部用环氧树脂密封，测量页岩自吸面的面积A₁为4.83cm²；

步骤2、按照该井压裂液配方配置压裂液，测试压裂液密度ρ为1.03g/cm³，并将压裂液倒入页岩自吸实验装置的烧杯中；

步骤3、将页岩样品连接到分析天平并浸没在压裂液中，当压裂液吸入岩样中时，通过控制电脑记录不同时间所对应的岩样质量，每隔2min记录一次，测试时间为页岩气井压裂总时间与关井时间之和为192h，岩样质量随时间变化见附图3；

步骤4、根据公式(1)将岩样质量换算为岩样自吸体积，根据公式(2)计算单位自吸面积的自吸体积：

步骤5、作单位自吸面积的自吸体积v₁与自吸时间t的双对数坐标曲线，将曲线与一次函数曲线拟合，得y＝0.5913x-1.912，趋势线R²值为0.99，根据曲线得出A为0.0122和B为0.5913，见附图4；

步骤6、根据施工现场压裂气井总注入体积v_inj为21356m³和压后返排体积v_fb为3139m³，根据公式(6)可得页岩储层总吸入体积v_fimb为18217m³：

步骤7、该井一天压裂2段，压后关井时间3天，即t₁＝192h(8天)，t₂＝192h(8天)，t₃＝168h(7天)，t₄＝168h(7天)，t₅＝144h(6天)，t₆＝144h(6天)，t₇＝120h(5天)，t₈＝120h(5天)，t₉＝96h(4天)，t₁₀＝96h(4天)，t₁₁＝72h(3天)，t₁₂＝72h(3天)。

总压裂段数s为12，通过公式(10)、(11)计算即可得页岩压裂气井总裂缝面积A_f总为3.55*10⁶m²，实现对压裂效果的预测。

以上通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是，本实施例仅是本发明的优选实施例，并非对本发明作任何限制，也并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除。而本领域人员所进行的改动和简单变化不脱离本发明技术思想和范围，则均属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种试验预测页岩水力压裂效果的方法，依次包括以下步骤：

选取井下岩样，制备相应尺寸的岩心，将岩样烘干、称重、密封，并测量自吸面面积，其中密封岩心时只留下一个端面；

配制压裂液，测试压裂液密度，将压裂液置入压裂效果评估装置中，所述压裂效果评估装置包括压裂液容器、高精度分析天平和数据处理系统；

岩心自吸实验，采用不吸水、无弹性的悬线将完全浸入压裂液中的岩心悬挂在高精度分析天平下端，当压裂液吸入岩样中时，通过控制数据处理系统定时记录高精度分析天平测试数值；

根据初始干燥岩心质量和某时间节点下吸液岩心质量，确定页岩单位自吸面积的自吸体积；

建立页岩岩心自吸过程中自吸体积和自吸时间的自发吸收模型；

根据施工现场压裂气井总注入压裂液体积和压后返排体积确定页岩储层总吸入体积；

根据各段页岩储层自吸体积与各段页岩储层自吸时间关系式，确定页岩压裂裂缝面积。

2.如权利要求1所述的一种试验预测页岩水力压裂效果的方法，所述岩心自吸实验时采用油封压裂液。

3.如权利要求1所述的一种试验预测页岩水力压裂效果的方法，所述密封岩心时采用环氧树脂进行密封。

4.如权利要求1所述的一种试验预测页岩水力压裂效果的方法，根据初始干燥岩心质量和某时间节点下吸液岩心质量，确定页岩单位自吸面积的自吸体积，包括：

根据公式(1)将岩样质量换算为岩样自吸体积v_imb：

式中：v_imb为某时间节点下岩样自吸体积，cm³；m₁为某时间节点下吸水岩样质量，g；m₀初始干燥后岩样质量，g；

根据公式(2)计算单位自吸面积的自吸体积v₁：

式中：v₁为单位自吸面积的自吸体积，cm；A₁为页岩自吸端面面积，cm²。

5.如权利要求1所述的一种试验预测页岩水力压裂效果的方法，建立页岩岩心自吸过程中的自吸体积和自吸时间的自发吸收模型，其中所述自发吸收模型表达式为：

式中：v_imb为吸收体积，cm³；A_c为吸水截面积，cm²；A，B为系数。

6.如权利要求1所述的一种试验预测页岩水力压裂效果的方法，根据施工现场压裂气井总注入压裂液体积和压后返排体积确定页岩储层总吸入体积，其中计算方法为：

v_fimb＝v_inj-v_fb (4)

式中：v_fimb为页岩储层总吸入体积，m³；v_inj为气井总注入压裂液体积，m³；v_fb为压后气井总返排体积，m³。