CN110593842B - 实验确定页岩储层水力压裂自支撑裂缝导流能力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开实验确定页岩储层水力压裂自支撑裂缝导流能力的方法，包括以下步骤：选取具有天然裂缝的页岩储层段露头，沿天然裂缝延伸方向将露头岩样切割为不低于八块带天然裂缝的方形岩板；用激光扫描仪获取每块方形岩板裂缝面的粗糙形貌数据，并计算出面积迂曲度；挑选出岩样；将选取的岩样的粗糙表面进行模型构建；然后将处理后的曲面模型导入雕刻机中，并选取页岩储层段的井下岩心或者同层位露头岩石进行重复制作；据页岩储层资料，计算自支撑裂缝不同位置处的剪切滑移量；最后将剪切滑移后的页岩岩样进行导流能力测试。本发明使得测试条件与储层实际情况相符，得到与储层情况相符的导流能力。
Description
技术领域
本发明涉及实验确定页岩储层水力压裂自支撑裂缝导流能力的方法，属于石油天然气增产改造技术领域。
背景技术
页岩气已成为全球非常规资源勘探开发的热点，水力压裂是实现页岩气开发的有效手段。通过水力压裂沟通地下天然裂缝，使天然裂缝在地应力的作用下发生剪切滑移形成自支撑裂缝，从而构建出具有一定导流能力的网络裂缝是页岩压裂的核心目标。而自支撑裂缝导流能力是影响产能的关键因素。影响自支撑裂缝导流能力的因素包括：裂缝面粗糙形貌、剪切滑移量、裂缝面微凸点力学性质、闭合应力等。如何准确评价自支撑裂缝导流能力，对页岩气压裂方案设计及压后产能预测有着重要的影响。
目前对于自支撑裂缝导流能力的评价主要采用实验测试方法，将取自页岩储层段的露头岩样或者井下岩心，采用人工劈裂的方法获取粗糙裂缝表面，将劈裂岩样剪切错位后组合封装，再对裂缝面加载法向压力并测试其导流能力，以此来评价水力压裂后地下自支撑裂缝导流能力。
这种做法的问题在于：采用人工劈裂的方法获取的粗糙裂缝表面与天然裂缝面的粗糙形貌差异较大，其形貌不能代表天然裂缝面；此外，不同的岩样劈裂后具有不同的裂缝表面形态，其导流能力的测试结果差异较大，应该用哪一种粗糙形貌岩样的导流能力测试结果来代表储层中自支撑裂缝的导流能力，并无明确说法；不仅如此，自支撑裂缝的剪切滑移量对导流能有重要影响，并且在自支撑裂缝的不同位置其剪切滑移量有所不同，但目前的做法多是利用固定的剪切滑移量来代表整条裂缝的滑移量，用裂缝上一个点的测试数据来代替整条裂缝的导流能力，测试条件与储层实际情况不符。
发明内容
针对上述问题，本发明主要是克服现有技术中的不足之处，提出一种实验确定页岩储层水力压裂自支撑裂缝导流能力的方法，该方法采用井下岩心或同层位的露头岩样，利用裂缝面重构技术批量制作具有水力压裂后自支撑裂缝表面真实形态的人造岩样，计算自支撑裂缝不同位置处的剪切滑移量，将人造岩样进行剪切错位获得自支撑裂缝面不同位置处剪切滑移页岩岩板，然后开展自支撑裂缝导流能力测试，真实模拟页岩储层水力压裂后地下自支撑裂缝的渗流形态，准确评价自支撑裂缝导流能力及其分布情况。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：实验确定页岩储层水力压裂自支撑裂缝导流能力的方法，包括以下步骤：
步骤S1、采集具有天然裂缝的页岩储层段露头，沿天然裂缝延伸方向将露头岩样切割为多块长142mm、宽37mm、高50mm的带天然裂缝的方形岩板，其中以天然裂缝延伸方向作为岩板长方向，并应保证天然裂缝上任意两点距岩板上表面的高度差小于10mm，方形岩板数量不低于8块；
步骤S2、用激光扫描仪获取步骤S1所述的带天然裂缝方形岩板的裂缝面粗糙形貌数据，并计算出面积迂曲度；
步骤S3、根据步骤S2中得到的面积迂曲度，选取其中一块最能代表该页岩储层天然裂缝表面形貌的方形岩板；
步骤S4、采用标准差滤波法对步骤S3中选取方形岩板的三维点云数据进行降噪处理，然后根据克里金插值法对降噪后的点云数据进行插值规整，之后导入Geomagic软件中将点云数据转换为NURBS曲面模型，最后将曲面模型导入雕刻机，利用雕刻机自带的Artcame软件建立雕刻机刀路；
步骤S5、利用页岩储层段的井下岩心或者同层位露头岩石制作表面光滑平直的光滑方形岩板，岩板长142mm、宽37mm、高30mm；
步骤S6、再利用雕刻机将步骤S5中的光滑方形岩板雕刻为表面形貌统一的人造岩样；
步骤S7、利用公式(1)计算自支撑裂缝的剪切滑移量，从裂缝中心位置开始滑移量每变化0.5mm分为一段，计算每段平均滑移量；
式中：us为自支撑裂缝面滑移量，mm；k为Kolosov常数，k＝3-4v；v为泊松比，无因次；G为剪切模量，MPa；δ3为最大水平主应力，MPa；δ1为最小水平主应力，MPa；θ为天然裂缝与最大水平主应力的夹角，°；l为自支撑裂缝半长，m；x为沿缝长方向任意点坐标，m；
步骤S8、根据步骤S7所计算出来的自支撑裂缝每一段的平均剪切滑移量，分别对步骤S6中所述人造岩样沿长度方向进行剪切错位，利用研磨机将剪切错位后的人造岩样在长度方向的两端打磨至齐平，并在岩样两端粘接半圆弧形的有机玻璃垫块，即可获得自支撑裂缝面不同位置(段)处剪切滑移页岩岩板；
步骤S9、根据页岩储层的最大水平主应力、最小水平主应力、地层压力、有效应力系数确定自支撑裂缝导流能力测试的闭合压力，其自支撑裂缝导流能力测试的闭合压力的计算公式为公式(2)，并由地层温度确定裂缝导流能力测试的实验温度；
式中：δ为闭合压力，MPa；δ3为最大水平主应力，MPa；δ1为最小水平主应力，MPa；θ为天然裂缝与最大水平主应力的夹角，°；α为有效应力系数，小数；Pp为地层压力，MPa；
步骤S10、将步骤S8中得到的自支撑裂缝面不同位置处剪切滑移页岩岩板放入导流室中，将导流室装入导流能力测试装置，利用步骤S9中确定的闭合压力和实验温度对导流室加温并加载闭合压力，测试自支撑裂缝不同位置处导流能力，即可最终得到页岩储层水力压裂自支撑裂缝裂缝导流能力及其分布情况。
进一步的技术方案是，所述步骤S2中面积迂曲度的具体计算过程如下：
式中：Rs为面积迂曲度；As为粗糙裂缝面实际面积；An为粗糙裂缝面投影面积；
根据激光扫描仪获取的裂缝形貌点云数据可以采用以下方式计算裂缝面的实际面积：
式中：As为粗糙裂缝面实际面积；x为点云数据的x方向坐标；y为点云数据的y方向坐标；z为点云数据的z方向坐标。
采用下式计算裂缝面的投影面积：
An＝l×w (5)
式中：An为粗糙裂缝面投影面积；l为岩板长度；w为岩板宽度。
进一步的技术方案是，所述步骤S3中选取方形岩板的具体步骤为：首先计算多块方形岩板中面积迂曲度的平均值，然后再选取一块面积迂曲度最接近平均值的方形岩板。
进一步的技术方案是，所述步骤S4中标准差滤波法的具体计算过程如下：
(1)在扫描获取的裂缝面点云数据数组{Xi、Yi、Zi}中计算每个点{Xn、Yn、Zn}与之临近的8个邻域点的距离，8个领域点的x和y方向坐标分别为{Xn-1、Yn-1}、{Xn-1、Yn}、{Xn-1、Yn+1}、{Xn、Yn-1}、{Xn、Yn+1}、{Xn+1、Yn-1}、{Xn+1、Yn}、{Xn+1、Yn+1}；
(2)对(1)中计算的距离进行统计，并计算平均距离的均值u和标准差r；
(3)判断点{Xn、Yn、Zn}到8个邻域点的平均距离u与距离阈值d＝u±5r之间的关系。若大于距离d，则为噪点进行去除。
进一步的技术方案是，所述步骤S4中在采用克里金插值法对点云数据进行插值时所设置的步长为0.1mm×0.1mm
本发明具有以下有益效果：本发明通过激光扫描仪选取页岩储层天然裂缝面典型形貌，并依据该形貌采用三维雕刻技术来制备具有统一表面形貌的页岩岩板，其制样精度不低于0.02mm，满足自支撑裂缝导流能力测试需求；将页岩自支撑裂缝沿长度方向均分为多段并计算每段裂缝的滑移量，依据每段滑移量对岩板进行错位然后开展自支撑导流能力测试，从而获得页岩储层水力压裂自支撑裂缝裂缝导流能力及其分布情况；得到与储层情况相符的导流能力。
附图说明
图1为本发明实施例中自支撑裂缝的受力图。
具体实施方式
下面结合实施案例和附图对本发明做更进一步的说明。
实施例1
本发明的实验确定页岩储层水力压裂自支撑裂缝导流能力的方法，具体包括以下步骤：
(1)采集含有天然裂缝的页岩储层井段的页岩露头，并采用切割机将露头切割成八块长142mm、宽37mm、高50mm的带天然裂缝的方形岩板，其中以天然裂缝延伸方向作为岩板长方向，并使天然裂缝处于方形岩板的中间位置，保证天然裂缝上任意两点距岩板上表面的高度差小于10mm；
(2)将八块方形岩板沿天然裂缝分开，然后采用激光扫描仪获取分开后岩板裂缝面的粗糙形貌数据，并分别计算出八块方形岩板粗糙面的面积迂曲度，其结果如表1所示；
表1面积迂曲度计算结果
(3)根据计算数据4号岩样的面积迂曲度最接近平均值，选取4号岩样作为N201井页岩储层层段自支撑裂缝典型粗糙形貌；
(4)将4号岩样的三维点云数据进行降噪处理后进行插值规整，之后导入Geomagic软件中将点云数据转换为NURBS曲面模型，最后将曲面模型导入雕刻机，利用雕刻机自带的Artcame软件建立雕刻机刀路；
(5)采用切割机将采集的页岩露头不带有天然裂缝的部分切割成长142mm、宽37mm、高30mm的方形岩样，并用雕刻机将4号岩样的形貌重复雕刻到切割好的方形岩样上，获得表面形貌统一的人造岩样；
(6)根据N201井地质资料获得最大水平主应力为57.45MPa，最小水平主应力为47.7MPa，储层剪切模量G＝24201.6MPa。根据成像测井，天然裂缝半长l＝9m，天然裂缝与最大水平主应力夹角为30°。
利用(1)式计算自支撑裂缝不同位置处剪切滑移量，并从裂缝中心位置开始将滑移量每变化0.5mm分为一段，计算每段平均滑移量。
表2裂缝不同位置处剪切滑移量
(7)根据(6)中计算的剪切滑移量对(5)中雕刻的人造岩样沿着长度方向进行剪滑移错位，用研磨机将将剪切错位后的人造岩样长方向两端打磨至齐平，并在上下岩样两端粘接半圆弧形的有机玻璃垫块，从而获得自支撑裂缝面不同位置处剪切滑移页岩岩板；
(8)根据N201井地质资料已知：页岩储层地层温度为89℃，由此确定自支撑裂缝导流能力测试温度为89℃；通过地应力测试确定地层最小水平主应力为47.7MPa，最大水平主应力为57.45MPa，根据露头剖面观察获得天然裂缝与最大水平主应力的夹角为30°，地层压力为55MPa，有效应力系数为0.5，确定自支撑裂缝导流能力测试闭合压力为22.63MPa；
(9)根据步骤(8)中设定的测试温度设置导流室温度；根据步骤(8)中设定的闭合压力设置压力试验机的加载压力，测试自支撑裂缝不同位置(段)处的导流能力；
表3导流能力测试数据
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (5)
1.实验确定页岩储层水力压裂自支撑裂缝导流能力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、采集具有天然裂缝的页岩储层段露头岩样，沿天然裂缝延伸方向将露头岩样切割为不低于八块带天然裂缝的方形岩板，其中以天然裂缝延伸方向作为岩板长方向，并应保证天然裂缝上任意两点距岩板上表面的高度差小于10mm；
步骤S2、用激光扫描仪获取每块方形岩板裂缝面的粗糙形貌数据，并计算出面积迂曲度；
步骤S3、根据步骤S2中得到的面积迂曲度数据，选取其中一块代表该页岩储层天然裂缝表面形貌的方形岩板；
步骤S4、采用标准差滤波法对步骤S3中选取方形岩板的三维点云数据进行降噪处理，然后根据克里金插值法对降噪后的点云数据进行插值规整，之后导入Geomagic软件中将点云数据转换为NURBS曲面模型，最后将曲面模型导入雕刻机，利用雕刻机自带的Artcame软件建立雕刻机刀路；
步骤S5、利用页岩储层段的井下岩心或者同层位露头岩石制作表面光滑平直的光滑方形岩板；
步骤S6、再利用雕刻机对步骤S5中光滑方形岩板进行雕刻，制作出表面形貌统一的人造岩样；
步骤S7、通过下式计算自支撑裂缝的剪切滑移量，再从裂缝中心位置开始滑移量每变化0.5mm分为一段，计算每段的平均滑移量；
式中：us为自支撑裂缝面滑移量，mm；k为Kolosov常数，k＝3-4v；v为泊松比，无因次；G为剪切模量，MPa；δ3为最大水平主应力，MPa；δ1为最小水平主应力，MPa；θ为天然裂缝与最大水平主应力的夹角，°；l为自支撑裂缝半长，m；x为沿缝长方向任意点坐标，m；
步骤S8、根据步骤S7所计算出来的自支撑裂缝每一段的平均剪切滑移量，分别对步骤S6中所述人造岩样沿长度方向进行剪切错位，利用研磨机将剪切错位后的人造岩样在长度方向的两端打磨至齐平，并在人造岩样两端粘接半圆弧形的有机玻璃垫块，即可获得自支撑裂缝面不同位置处剪切滑移页岩岩板；
步骤S9、根据页岩储层的最大水平主应力、最小水平主应力、地层压力、有效应力系数确定自支撑裂缝导流能力测试的闭合压力，由地层温度确定裂缝导流能力测试的实验温度；
步骤S10、将步骤S8中得到的自支撑裂缝面不同位置处剪切滑移页岩岩板放入导流室中，将导流室装入导流能力测试装置，对利用步骤S9中确定的闭合压力和实验温度对导流室加温并加载闭合压力，测试自支撑裂缝不同位置处导流能力，即可最终得到页岩储层水力压裂自支撑裂缝导流能力及其分布情况。
2.如权利要求1所述的实验确定页岩储层水力压裂自支撑裂缝导流能力的方法，其特征在于，所述步骤S2中面积迂曲度的具体计算过程如下：
式中：Rs为面积迂曲度；As为粗糙裂缝面实际面积；An为粗糙裂缝面投影面积；
根据激光扫描仪获取的裂缝形貌点云数据可以采用以下方式计算粗糙裂缝面的实际面积：
式中：As为粗糙裂缝面实际面积；x为点云数据的x方向坐标；y为点云数据的y方向坐标；z为点云数据的z方向坐标；
采用下式计算裂缝面的投影面积：
An＝l×w
式中：An为粗糙裂缝面投影面积；l为岩板长度；w为岩板宽度。
3.如权利要求1所述的实验确定页岩储层水力压裂自支撑裂缝导流能力的方法，其特征在于，所述步骤S3中选取方形岩板的具体步骤为：首先计算多块方形岩板中面积迂曲度的平均值，然后再选取一块面积迂曲度最接近平均值的方形岩板。
4.如权利要求1所述的实验确定页岩储层水力压裂自支撑裂缝导流能力的方法，其特征在于，所述步骤S4中标准差滤波法的具体计算过程如下：
(1)在扫描获取的裂缝面点云数据数组{Xi、Yi、Zi}中计算每个点{Xn、Yn、Zn}与之临近的8个邻域点的距离，8个领域点的x和y方向坐标分别为{Xn-1、Yn-1}、{Xn-1、Yn}、{Xn-1、Yn+1}、{Xn、Yn-1}、{Xn、Yn+1}、{Xn+1、Yn-1}、{Xn+1、Yn}、{Xn+1、Yn+1}；
(2)对(1)中计算的距离进行统计，并计算平均距离的均值u和标准差r；
(3)判断点{Xn、Yn、Zn}到8个邻域点的平均距离u与距离阈值d＝u±5r之间的关系；若大于距离d，则为噪点进行去除。
5.如权利要求4所述的实验确定页岩储层水力压裂自支撑裂缝导流能力的方法，其特征在于，所述步骤S4中在采用克里金插值法对点云数据进行插值时所设置的步长为0.1mm×0.1mm。
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