CN110593844A - 填充有支撑剂的柱塞状岩样及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及油气田储层压裂改造技术领域，公开了一种填充有支撑剂的柱塞状岩样及其制备方法和应用。其中，该方法包括(1)沿着圆柱形岩心的顶面或底面的直径进行压裂；(2计算理论上的人工裂缝宽度d；(3)计算理论上的支撑剂的质量m1；(4)基于理论上的人工裂缝宽度d，将所述的两个半圆柱固定，得到有人工裂缝宽度d的柱塞状的空心岩样；(5)将支撑剂注入所述空心岩样的人工裂缝d中，得到填充有支撑剂的柱塞状岩样。该方法能够按照预定支撑剂浓度对岩心制样，获得填充有特定浓度支撑剂的人工裂缝柱塞状岩样，并且，填充支撑剂的误差低于1％。

Description

填充有支撑剂的柱塞状岩样及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及油气田储层压裂改造技术领域，具体涉及一种填充有支撑剂的柱塞状岩样及其制备方法和应用。
背景技术
国内低渗、特低渗油气藏资源丰富，占总资源量的70％以上，对于该类储层目前主要通过水力压裂达到增产的目的。原理是利用地面高压泵，将大量化学物质掺杂制成压裂液，再灌注储层深处并压裂储层，将石油或天然气从致密的岩层中导出，从而将储存在致密储层中的巨大油气资源释放出来。当前，这项技术对页岩气井增产效果更为明显。但压裂液撑开储层后需进行返排防止压裂液软化破坏岩石结构，渗透率快速下降，须向压裂液中混入支撑剂，在压裂液返排后仍有部分支撑剂滞留于裂缝中，起到支撑裂缝，使裂缝即使在高有效应力的作用下仍能处于张开状态，保持裂缝具有较高的导流能力，为储层高效开发提供保障。故而保持裂缝具有一定的导流能力，在压裂改造过程中起到及其重要的作用。
目前，岩石微小孔隙对流体导流能力的影响研究主要使用未进行人工造缝的柱塞状岩样进行，其操作简单，仅需通过钻样机钻取柱塞状岩心即可，但该方法未能模拟裂缝对储层中流体的流动能力的影响。而后，有部分研究人员使用未填充支撑剂的人工裂缝岩心进行了导流实验研究，发现没有支撑剂的支撑作用时，撑开的裂缝在有效上覆岩层压力作用下会快速闭合，渗透率快速下降，表现出极强的应力敏感性。
因此，研究和开发一种填充有支撑剂的柱塞状岩样具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术所采用压裂液灌注储层深处，在压裂储层后压裂液返排导致裂缝闭合的缺陷问题，提供一种填充有支撑剂的柱塞状岩样及其制备方法和应用，本发明模拟现场储层改造过程中向裂缝注入该柱塞状岩样，能够提高裂缝的导流能力。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种填充有支撑剂的柱塞状岩样的制备方法，其中，该方法包括：
(1)沿着圆柱形岩心的顶面或底面的直径进行压裂，得到两个半圆柱，并测量任意一个所述半圆柱的切面宽度和长度；
(2)按照式(I)计算理论上的人工裂缝宽度d，
d＝c÷ρ，式(I)；
其中，式(I)中，c表示支撑剂浓度(kg/m2)；ρ表示支撑剂密度(g/cm3)；
(3)按照式(II)计算理论上的支撑剂的质量m1；
m1＝a×b×c×10-1，式(II)；
其中，式(II)中，a表示切面宽度(cm)；b表示切面长度(cm)；
(4)基于理论上的人工裂缝宽度d，将所述的两个半圆柱固定，得到有人工裂缝宽度d的柱塞状的空心岩样；
(5)将支撑剂注入所述空心岩样的人工裂缝d中，得到填充有支撑剂的柱塞状岩样。
本发明第二方面提供了一种由前述所述的方法制备得到的填充有支撑剂的柱塞状岩样。
本发明第三方面提供了一种前述所述的填充有支撑剂的柱塞状岩样在裂缝型储层应力敏感性测试方面上的应用。
通过上述技术方案，本发明的有益效果为：
(1)通过采用本发明的方法制备得到的一种填充有支撑剂的柱塞状岩样，能够按照预定支撑剂浓度对岩心制样，获得填充有特定浓度支撑剂的人工裂缝柱塞状岩样，并且，填充支撑剂的误差低于1.0％。
(2)采用本发明的方法，能够按照预定浓度对岩心人工裂缝填充支撑剂，可为岩心人工裂缝室内模拟研究制得高度符合实际储层的岩样，为研究压裂改造储层的应力敏感性、酸敏、水敏及支撑剂的运移、破碎、嵌入等提供了良好的岩样，为快速、精确评价支撑剂在人工裂缝中的支撑作用提供了良好的实验保障基础。
(3)本发明操作简单，所需设备及材料均为实验室常备物品。
附图说明
图1为沿着圆柱形岩心的顶面或底面的直径进行压裂的示意图；
图2为其中一个半圆柱的切面示意图；
图3为本发明的制备方法的制样流程示意图；
图4为采用本发明的方法制备得到的填充有支撑剂的柱塞状岩样的实物图；
图5为采用本发明的方法制备柱塞状岩样的流程示意图。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明第一方面提供了一种填充有支撑剂的柱塞状岩样的制备方法，其中，该方法包括：
(1)沿着圆柱形岩心的顶面或底面的直径进行压裂，得到两个半圆柱，并测量任意一个所述半圆柱的切面宽度和长度；
(2)按照式(I)计算理论上的人工裂缝宽度d；
d＝c÷ρ，式(I)；
其中，式(I)中，c表示支撑剂浓度(kg/m2)；ρ表示支撑剂密度(g/cm3)；
(3)按照式(II)计算理论上的支撑剂的质量m1；
m1＝a×b×c×10-1，式(II)；
其中，式(II)中，a表示切面宽度(cm)；b表示切面长度(cm)；
(4)基于理论上的人工裂缝宽度d，将所述的两个半圆柱固定，得到有人工裂缝宽度d的柱塞状的空心岩样；
(5)将支撑剂注入所述空心岩样的人工裂缝d中，得到填充有支撑剂的柱塞状岩样。
根据本发明，在步骤(1)中，所述圆柱形岩心可以通过采用岩心钻取机对块状岩心进行钻取、切割、打磨等过程获得，优选情况下，所述圆柱形岩心的直径为20-40mm，更优选为25mm或38mm，长度为3-7cm，表面平整无凹陷。然后，沿着所述圆柱形岩心的顶面或底面的直径进行压裂，如图1所示，在本发明中，在图1中，“圆”代表的是圆柱形岩心，“小三角形”代表的是切割用的刀片。
另外，将所述圆柱形岩心进行压裂包括以下步骤：
步骤1：将所述圆柱形岩心放入劈裂容器内，对准上下刀口，使刀口与所述圆柱形岩心的层理平行，确保所述圆柱形岩心能够顺利从中间劈开；
步骤2：将劈裂装置放入压机内，先进行手动加压至压力臂与承压盖相切；
步骤3：再使用ISCO泵以2ml/min的速度进行缓慢加压，直至岩心裂开；
步骤4：泄压，取出装置和两个半圆柱，用胶带或者生料带缠好，以备实验使用。
另外，在本发明中，对于有层理的岩心沿层理压裂，对于无层理的岩心从正中压裂，得到如图2所示的平整切面。而其他压裂设备，如水力压裂或真三轴仪压裂所得岩心切面平整度低，影响实验中的支撑剂的破碎、嵌入和运移程度。
根据本发明，在步骤(1)中，测量任意一个所述半圆柱的切面宽度和长度，如图2所示，包括以下步骤：
步骤1：切面宽度的测量，使用精度为0.02mm的游标卡尺对在不同位置，多次测量，优选情况下，在切面的上、中、下三处的宽度进行测量，取平均值；
步骤2：切面长度的测量，使用精度为0.02mm的游标卡尺对在不同位置，多次测量，优选情况下，在切面的左、中、右三处的长度进行测量，取平均值。
步骤3：所用ISCO泵为美国Teledyne Isco D系列的高压高精度柱塞泵。
根据本发明，所述支撑剂的质量分数为30-35重量％，优选为30重量％，所述支撑剂选自现场，所述支撑剂选自石英砂和/或陶粒；优选地，所述支撑剂为石英砂和陶粒的混合物；所述混合物的体积密度为1.462-1.468g/cm3；其中，所述石英砂的粒径为70-100目；所述陶粒的粒径为40-70目，优选为40-65目。另外，在本发明中，所述石英砂和陶粒的粒径采用分砂筛进行测试。
根据本发明，在步骤(2)中，按照式(I)计算理论上的人工裂缝宽度d，
d＝c÷ρ，式(I)；
其中，式(I)中，c表示支撑剂浓度(kg/m2)；ρ表示支撑剂密度(g/cm3)。
根据本发明，在步骤(3)中，按照式(II)计算理论上的支撑剂的质量m1；
m1＝a×b×c×10-1，式(II)；
其中，式(II)中，a表示切面宽度(cm)；b表示切面长度(cm)。
根据本发明，在步骤(4)中，基于理论上的人工裂缝宽度d，将所述的两个半圆柱固定，得到有人工裂缝宽度d的柱塞状的空心岩样，其中，所述的固定包括以下步骤：
(a)采用胶带将所述的两个半圆柱的曲形侧面固定，以及将所述空心岩样的相互平行的其中一个圆形底面固定；
(b)采用纱网将所述空心岩样的相互平行的另一个圆形底面封住，再采用胶带将所述纱网固定。
其中，在步骤(b)中，所述纱网具有裂缝，即，在所述纱网上留有裂缝，且所述裂缝的长度为所述切面宽度a的1/3至1/2，以确保流体流通。
根据本发明，所述纱网的目数为200-400目，优选为200目，在本发明中，将纱网目数控制为200-400目之内，能够确保支撑剂不会从裂缝中冲出。
根据本发明，该方法还包括：在步骤(5)中，先将支撑剂注入所述人工裂缝d中，再采用热缩膜将注有支撑剂的空心岩样进行包裹并进行加热处理，固定人工裂缝与支撑剂的位置。
根据本发明，所述加热处理的条件包括：温度为60-80℃，时间为1-2min，直至热缩膜将岩心紧密包裹，摇晃岩心，支撑剂不发生移动。
根据本发明，所述热塑膜由聚乙烯(PE)材料制成，直径为30-35mm，可在60-80℃下径向收缩50％以上，优选为50-60％。
根据本发明，称量圆柱形岩心的质量m2，及理论上的支撑剂的质量m1，将支撑剂缓慢均匀地填入裂缝，再次称量填充有支撑剂的柱塞状岩样的质量m3。根据式(III)计算铺砂误差；
α＝|m3-m2-m1|/m1
式中：
a-铺砂误差，无纲量(％)；
m1-理论上的支撑剂的质量，单位克(g)；
m2-圆柱形岩心的质量，单位克(g)；
m3-填充有支撑剂的柱塞状岩样的质量，单位克(g)。
本发明第二方面提供了一种由前述所述的方法制备得到的填充有支撑剂的柱塞状岩样。
本发明第三方面提供了一种前述所述的填充有支撑剂的柱塞状岩样在裂缝型储层应力敏感性测试方面上的应用。
综上，根据本发明模拟现场储层改造过程中向裂缝注入该柱塞状岩样，能够提高裂缝的导流能力，为储层高效开发提供理论指导。而对于没有人工裂缝的柱塞状岩心，仅能测试岩心基质渗透率随有效应力变化的变化规律，无法模拟经过改造后的储层渗透率变化规律；以及对于没有人工裂缝的柱塞状岩心，在受到有效应力后裂缝会快速闭合，渗透率急剧下降，渗透率损失率高达90％左右，例如，对于某页岩储层仅为10-3mD，导致储层难以有效开发，不符合储层实际生产情况；另外，对于目前室内进行的人工裂缝实验，通常无法根据特定的支撑剂浓度进行岩样制备工作，而是先向裂缝中填入支撑剂，再根据填入支撑剂的质量计算支撑剂浓度，这样得到的结果具有较高的误差性和较强的偶然性，不能满足现场生产和实验模拟的需要。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
本实施例在于说明采用本发明的方法制备得到的填充有支撑剂的柱塞状岩样。
如图5制备柱塞状岩样的流程示意图所示：
(1)岩心造缝：
如图1所示，将所述圆柱形岩心放入劈裂容器内，对准上下刀口，使刀口与所述圆柱形岩心的层理平行；将劈裂装置放入压机内，先进行手动加压至压力臂与承压盖相切；再使用ISCO泵以2ml/min的速度进行缓慢加压，直至岩心裂开；得到两个半圆柱；
(2)裂缝信息测量：
如图2所示，使用精度为0.02mm的游标卡尺在切面的上、中、下三处的宽度进行测量，取平均值；以及在切面的左、中、右三处的长度进行测量，取平均值；结果如表1所示。
(3)裂缝宽度d、理论支撑剂质量计算：
按照式(I)计算理论上的人工裂缝宽度d，
d＝c÷ρ，式(I)；
其中，式(I)中，c表示支撑剂浓度(kg/m2)；ρ表示支撑剂密度(g/cm3)。
按照式(II)计算理论上的支撑剂的质量m1；
m1＝a×b×c×10-1，式(II)；
其中，式(II)中，a表示切面宽度(cm)；b表示切面长度(cm)。
另外，所述支撑剂采用的是石英砂和陶粒的混合物，其中，石英砂的粒径介于70-100目之间，陶粒的粒径介于40-65目之间；以及所述支撑剂的质量分数为30重量％，所述混合物的体积密度为1.462g/cm3。
(4)柱塞状岩样的制备：
采用胶带将所述的两个半圆柱的曲形侧面固定，以及将所述空心岩样的相互平行的其中一个圆形底面固定；再采用200目的纱网将所述空心岩样的相互平行的另一个圆形底面封住，再采用胶带将所述纱网固定，留出裂缝位置以便支撑剂砂通过，其中，裂缝的长度为切面宽度a的1/3至1/2之间，以便流体通过。
(5)误差计算，结果如表1所示。
(6)缝热缩膜：
先将支撑剂砂注入所述人工裂缝d中，再采用热缩膜(由聚乙烯材料制备得到的，直径为32mm，在70℃下的径向收缩为55％)将注有支撑剂的空心岩样进行包裹并在温度为70℃的条件下加热处理1.5min，热缩膜收缩后紧密贴合岩心，固定人工裂缝与支撑剂的位置，得到填充有支撑剂的柱塞状岩样，如图4所示，该填充有特定浓度支撑剂的柱塞状岩样包括两个半圆柱形状的圆柱形岩心以及填充在两个半圆柱之间的接近为长方体，其中，该长方体中填充有支撑剂，该长方体的宽为切面的宽度a，长为切面长度b，高为人工裂缝宽度d，并且，两个半圆柱形状的圆柱形岩心上包覆有热缩膜。
该实施例中涉及的各个参数以及通过式(III)计算得到的铺砂误差如表1所示。
实施例2-6
实施例2-6在于说明采用本发明的方法制备得到的填充有支撑剂的柱塞状岩样。
按照与实施例1相同的方法制备填充有支撑剂的柱塞状岩样，所不同之处在于，切面宽度a，切面长度b，人工裂缝宽度d，圆柱形岩心的质量m2不同，以及通过式(III)计算得到的铺砂误差如表1所示。
表1
通过表1的结果可以看出，采用本发明的方法，能够按照预定的支撑剂来计算所需支撑剂的质量。即，根据支撑剂的密度以及支撑剂的浓度计算出人工裂缝的宽度d，基于人工裂缝宽度d，得到有人工裂缝宽度d的柱塞状的空心岩样，然后，通过公式计算出的理论上的支撑剂的质量m1将支撑剂注入d中，得到填充有特定浓度支撑剂的柱塞状岩样，进而能够计算出实际注入的支撑剂的质量，该值与m1相对比，结果填充误差均小于1.0％。
应用例1-6
将实施例1-6各自制备的岩样应用于油气田储层压裂改造技术领域中，结果实施例1-6中获得的裂缝切面平整，实验过程中采用CT扫描发现支撑剂破碎、嵌入和运移现象，符合实际情况。同时，岩样在受到有效应力后不会完全闭合，仍具有一定的渗流能力，且有效降低渗透率损失率到50％左右，为高效开发储层提供基础保障。进一步发现，支撑剂浓度对裂缝渗透率的影响程度较大，实际生产过程中需要对支撑剂浓度进行人为控制，因此室内实验更需要模拟特定支撑剂浓度下的人工裂缝。通过本发明，可根据支撑剂的浓度进行岩样制备工作，大大提高岩心制样效率和精度，为室内研究提供良好的实验基础。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种填充有支撑剂的柱塞状岩样的制备方法，其特征在于，该方法包括：
(1)沿着圆柱形岩心的顶面或底面的直径进行压裂，得到两个半圆柱，并测量任意一个所述半圆柱的切面宽度和长度；
(2)按照式(I)计算理论上的人工裂缝宽度d；
d＝c÷ρ， 式(I)；
其中，式(I)中，c表示支撑剂浓度(kg/m2)；ρ表示支撑剂密度(g/cm3)；
(3)按照式(II)计算理论上的支撑剂的质量m1；
m1＝a×b×c×10-1， 式(II)；
其中，式(II)中，a表示切面宽度(cm)；b表示切面长度(cm)；
(4)基于理论上的人工裂缝宽度d，将所述的两个半圆柱固定，得到有人工裂缝宽度d的柱塞状的空心岩样；
(5)将支撑剂注入所述空心岩样的人工裂缝d中，得到填充有支撑剂的柱塞状岩样。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述支撑剂的质量分数为30-35重量％；
优选地，所述支撑剂选自石英砂和/或陶粒；
优选地，所述支撑剂为石英砂和陶粒的混合物；
优选地，所述混合物的体积密度为1.462-1.468g/cm3；
优选地，所述石英砂的粒径为70-100目；
优选地，所述陶粒的粒径为40-70目。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(4)中，所述的固定包括以下步骤：
(a)采用胶带将所述的两个半圆柱的曲形侧面固定，以及将所述空心岩样的相互平行的其中一个圆形底面固定；
(b)采用纱网将所述空心岩样的相互平行的另一个圆形底面封住，再采用胶带将所述纱网固定。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，在步骤(b)中，所述纱网具有裂缝，且所述裂缝的长度为所述切面宽度a的1/3至1/2。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，所述纱网的目数为200-400目。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法还包括：在步骤(5)中，先将支撑剂注入所述人工裂缝d中，再采用热缩膜将注有支撑剂的空心岩样进行包裹并进行加热处理。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述加热处理的条件包括：温度为60-80℃，时间为1-2min。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述热塑膜的材质为聚乙烯，直径为30-35mm，在60-80℃的条件下径向收缩50％以上。
9.一种权利要求1-8中任意一项所述的方法制备得到的填充有支撑剂的柱塞状岩样。
10.权利要求9所述的填充有支撑剂的柱塞状岩样在裂缝型储层应力敏感性测试方面上的应用。
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