CN112049616B - 一种评价泥页岩水力压裂缝网扩展特征的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于泥页岩油气开发过程中水力压裂改造领域，具体涉及一种评价泥页岩水力压裂缝网扩展特征的方法。包括以下步骤：标定待测全直径泥页岩岩样地理方位及所在层位最大水平地应力；加工实验用全直径岩样，进行实验前CT扫描测试、识别天然层理缝角度；制备测试岩样；进行三轴水力压裂物理模拟实验；进行全直径岩样实验后扫描测试、数据分析；确定不同层位全直径泥页岩试样层理、天然裂缝对水力压裂缝网扩展的影响规律。本发明采用CT图像准确描述泥页岩储层层理、天然裂缝的开启程度，量化分析储层层理、天然裂缝对水力压裂缝网扩展的影响规律，为现场泥页岩压裂方案优化提供实验基础。
Description
技术领域：
本发明属于泥页岩油气开发过程中水力压裂改造领域，具体涉及一种评价泥页岩水力压裂缝网扩展特征的方法。
背景技术：
泥页岩油气已成为非常规油气勘探的热点和现实领域，水力压裂体积缝网改造是泥页岩油气开发的重要方式。
泥页岩属于泥岩和页岩之间的过渡岩石类型，受地层温度、压力及烃源岩演化影响，泥页岩储层纹层化特征明显，孔隙小、结构复杂，易吸水膨胀。水力压裂过程中，泥页岩层理、天然裂缝等结构弱面对压裂缝网扩展形态有较大影响，易在层理、天然裂缝等结构弱面处发生分叉和转向现象。泥页岩层理缝胶结强度、天然裂缝方位、地应力大小、水平应力差异、压裂液黏度、排量等因素均会影响泥页岩层理缝开启特征及水力压裂裂缝扩展模式。
室内压裂物理模拟实验是认识泥页岩水力压裂过程的有效手段。现有压裂物理模拟实验中主要通过人工浇筑水泥砂浆试样预设固定初始裂缝倾角、方位角，开展天然裂缝影响及裂缝扩展模式机理性分析；或者采用天然露头岩样加工后进行实验，但难以确定天然露头岩样内部初始裂缝角度。
现场井下压裂过程中，不同工区/层位的泥页岩层力学性质、层理胶结程度及天然裂缝特征都有显著区别，采用常规的实验方法难以准确评价井下不同地质层位泥页岩水力压裂缝网扩展特征。所以，泥页岩地层水力压裂改造亟需提出一种有效的缝网改造评价方法，用以准确描述泥页岩储层层理、天然裂缝的开启程度，量化分析储层层理、天然裂缝对水力压裂缝网扩展的影响规律，从而为现场压裂施工提供基础数据和理论参考。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是现场井下压裂过程中，不同工区/层位的泥页岩层力学性质、层理胶结程度及天然裂缝特征都有显著区别，采用常规的实验方法难以开展井下不同地质层位泥页岩水力压裂缝网扩展特征分析、评价地应力方位、天然裂缝方位对水力压裂裂缝的影响规律。
为解决上述问题，本发明通过利用井下不同层位全直径岩样开展水力压裂物理模拟测试，采用CT图像准确描述泥页岩储层层理、天然裂缝的开启程度，量化分析储层层理、天然裂缝对水力压裂缝网扩展的影响规律，为现场泥页岩压裂方案优化提供实验基础。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现，一种评价泥页岩水力压裂缝网扩展特征的方法，包括以下步骤：
(1)标定待测全直径泥页岩岩样井下地理方位及所在层位最大水平地应力方位；
(2)加工实验用全直径岩样，并进行实验前CT扫描测试，建立CT扫描数字图像空间坐标系，识别并求取天然裂缝方位角和天然层理面倾斜角度；
(3)制备泥页岩水力压裂物理实验测试岩样；
(4)进行三轴水力压裂物理模拟实验，测试泥页岩缝网扩展特征；
(5)进行全直径岩样扫描测试、数据分析，识别并求取实验后泥页岩天然层理缝变化特征；
(6)改变三轴应力比例，泵注流体速率、泵注流体粘度的物模实验方案，确定不同层位全直径泥页岩试样层理、天然裂缝对水力压裂缝网扩展的影响规律。
进一步的，步骤(1)为采用古地磁岩芯定向方法确定全直径岩样的井下原始方位，标定主方位参考线和地理北极标识线，建立全直径岩样坐标系；根据全直径泥页岩岩样取样层段的测井资料确定该层段最大水平地应力方位角θ。
进一步的，所述步骤(1)中的测井资料包括成像测井、井壁崩落、声波各向异性等。
进一步的，步骤(2)对图像进行亮度调整，对比度调整、锐化操作，进而在图像重建方向上利用距离加权平均法进行图像插值；设定标准层水平平面切片、垂直剖面切片位置，该位置图像作为初始图像。
进一步的，步骤(2)包括以下步骤：
以空间原点(0，0，0)为该岩样的中心点建立空间坐标系XYZ；
在设定标准层，取水平方向横截面，建立水平截面直角坐标系XOY，转动切片使该切片的Y轴与步骤(1)的原始岩样标定的地理北极方位标识线一致；识别并求取实验岩样内部天然裂缝方位角α；识别并求取实验岩样天然裂缝与最大水平地应力方位的偏转角度γ；其中，天然裂缝方位角α由以下步骤确定：
根据CT扫描图像识别天然裂缝首尾两像素点(Xi，Yi)，(Xi+1，Yi+1)之间的距离Ki：
根据CT扫描图像，确定天然裂缝方位角α：
绘制分析截面内天然裂缝方位角α、天然裂缝与最大水平地应力方位的偏转角度γ频率直方统计图，确定角度变化范围及平均值
天然层理面倾斜角度
由以下步骤确定：
取井筒位置处剖面切片，确定泥页岩试样天然层理面倾斜角度
根据全直径岩样CT扫描纵向剖面图像，确定图像中层理面首尾两相素点坐标(Xi，Zi)，(Xi+1，Zi+1)，设天然层理面倾斜角度为
则
绘制天然层理面倾斜角频率直方统计图，确定天然层理面倾斜角度
进一步的，天然裂缝与最大水平地应力方位的偏转角度γ由以下步骤确定：
根据标定的泥页岩岩样地理方位与最大水平地应力方位，确定天然裂缝与最大水平地应力方位的偏转角度γ：
γ＝|α-θ|。
进一步的，步骤(3)为将全直径泥页岩试样表面涂敷防水材料胶进行防水处理；采用水泥砂浆包裹防水处理后的全直径泥页岩试样，制备大尺寸六面体水力压裂岩石力学试样；控制全直径泥页岩试样方位，使标定的全直径泥页岩岩样最大水平地应力方位与六面体水力压裂岩石力学试样侧边垂直；
水泥砂浆包裹全直径泥页岩试样养护达到强度条件后，在试样顶面中心处向下设置裸眼井筒，将实验用井筒管柱加入所述裸眼井筒内，裸眼井筒与管柱环空采用高强黏结剂环氧树脂胶进行封固。
进一步的，步骤(4)为根据全直径泥页岩岩样所属层段地应力解释数据及压裂施工排量、压裂液设计方案，基于相似准则，确定三轴水力压裂物理模拟实验加载方案；压裂液内加入示踪剂材料，开展不同研究区块、泥页岩层位缝网扩展特征测试分析。
进一步的，所述步骤(4)中压裂液CT扫描示踪剂材料为硫酸钡粉，与压裂液配比为1：150。
进一步的，步骤(5)包括以下步骤：
取出测试后全直径泥页岩实验岩样，放置于CT扫描成像装置中，采集水力压裂实验后全直径泥页岩试样的内部裂缝分布，分析泥页岩层理、天然裂缝对水力压裂缝网扩展特征的影响；
根据切片凸显的含荧光区域及不含荧光区域，甄别出天然裂缝及人工压裂裂缝；
取与步骤(2)相同岩心高度的水平截面，建立直角坐标系X'OY'，转动该切片位置使得该切片的Y'轴与原始岩样标定的地理北极方位标识线一致；
识别测试后水平截面裂缝图像，确定压裂后人工裂缝方位；统计人工裂缝与天然裂缝方位角α的关系，定量评价天然裂缝方位角对裂缝扩展的影响；对比(2)步骤中和本步骤中的裂缝偏转角度频率直方图的统计结果，可以得到压裂前后天然裂缝与最大水平地应力方位的偏转角度γ的范围及偏转主方向；
识别测试后纵向截面图像，统计压裂后裂缝，评价初始层理面倾角对泥页岩纵向缝网扩展的影响；对比(2)步骤中和本步骤中的的裂缝倾角频率直方图的统计结果，可以分别得到压裂前后天然层理面倾斜角度对纵向裂缝穿层扩展效果的影响。
本发明的一种评价泥页岩水力压裂缝网扩展特征的模拟实验方法，相比于现有技术，其有益效果在于：
(1)全直径泥页岩岩样采用地磁定位方法定位后可以确定测试岩样井下地理方位信息，结合所在层位最大水平地应力大小、方向分析结果，还原测试全直径岩样井下地理方位及受力状态，便于分析泥页岩层理缝、天然裂缝角度对体积压裂效果的影响。
(2)通过CT扫描的方法能够准确的提取岩石实验前、后内部的裂缝信息，统计确定物理模拟实验前后全直径岩样内部形成的层理缝、天然裂缝的倾向、倾角的量化分析数据，实现了裂缝参数的定量表征，为体积压裂效果的评价提供了一定的研究手段和依据。
(3)本发明模拟实验方法操作方便、实用性强，为泥页岩水力压裂缝网扩展特征研究提供了可靠的研究手段。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是实施例1中最大水平主应力方向位置线示意图；
图3是实施例1中水平截面直角坐标系示意图；
图4是实施例1中泥页岩水力压裂物理实验测试岩样示意图；
其中，全直径岩样1；刻度标志线2；地理北极位置标识线3；最大水平地应力方向位置标识线4；防水涂层5；水泥砂浆包裹层6；压裂管柱7；高强黏结剂8。
具体实施方式：
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种评价泥页岩水力压裂缝网扩展特征的模拟实验方法，该方法包括下列步骤，如图1：
(1)测试岩样井下地理方位及最大水平地应力方位标定
采用古地磁岩芯定向方法确定全直径岩样的井下原始方位。将全直径泥页岩试样1经过退磁处理后，通过古地磁测试，得到刻度标志线2的方位角δ＝216.1°，由此确定地理北极(N)位置线3。
基于取样层段的测井资料确定该层段最大水平地应力方位角θ为北东NE27.65°；结合测试岩样标定的地理北极位置标识线3，可进一步确定最大水平地应力方位位置标识线4，如附图2所示。
(2)实验用全直径岩样加工，实验前CT扫描测试
将实验岩样放入工业层析扫描成像CT扫描装置中，通过CT扫描获取模型内部多组连续的二维切片图像；对图像进行亮度调整，对比度调整、锐化操作，进而在图像重建方向上利用距离加权平均法进行图像插值。设定标准层水平平面切片、垂直剖面切片位置，以该位置图像作为初始图像。以空间原点(0，0，0)为该岩样的中心点建立空间坐标系XYZ。
在距岩样顶部20mm高度处，取水平方向横截面，建立水平截面直角坐标系XOY，转动切片使该切片的Y轴与步骤(1)中的原始岩样标定的地理北极位置标识线3一致。如附图3所示。
对扫描后的二维切片进行网格划分，网格设计尺寸为5mm×5mm大小。以附图3的1号裂缝为例，根据CT识别天然裂缝图像中裂缝两像素点(Xi，Yi)，(Xi+1，Yi+1)之间的距离公式为：
求得1号裂缝中各两像素点间的距离，并取其最大值作为裂缝长度，找到该裂缝相应的首尾像素点坐标为(3.75,22)，(61.75,16),设初始裂缝与天然裂缝方位角α，
可以求出初始裂缝与岩样地理方位的天然裂缝方位角α＝95.85°。
结合步骤A确定的地层中最大水平地应力方位，则天然裂缝与最大水平地应力方位的偏转角度γ＝α-θ＝68.2°；
绘制分析截面内天然裂缝方位角α、天然裂缝与最大水平地应力方位的偏转角度γ频率直方统计图，确定角度变化范围及平均值
同理，取井筒位置处剖面切片，确定泥页岩试样天然层理面倾斜角度
根据全直径岩样CT扫描纵向剖面图像，确定图像中层理面首尾两相素点坐标(Xi，Zi)，(Xi+1，Zi+1)，设天然层理面倾斜角度为
则
绘制天然层理面倾斜角频率直方统计图，确定天然层理面倾斜角度
(3)泥页岩水力压裂物理实验测试岩样制备
将全直径泥页岩试样1表面涂敷防水材料胶进行防水处理，形成防水涂层5；采用水泥砂浆包裹防水处理后得到水泥砂浆包裹层6，然后制备大尺寸六面体水力压裂岩石力学试样，试样尺寸300mm×300mm×300mm；控制全直径泥页岩试样方位，使标定的全直径泥页岩岩样最大水平地应力方向位置标识线4与六面体水力压裂岩石力学试样侧边垂直，如附图4。
水泥砂浆包裹全直径泥页岩试样养护达到强度条件后，在试样顶面中心处向下设置裸眼井筒，将实验用井筒管柱加入所述裸眼井筒内，裸眼井筒与压裂管柱7环空采用高强黏结剂8即环氧树脂胶进行封固。
(4)三轴水力压裂物理模拟实验，泥页岩缝网扩展特征测试
根据全直径泥页岩岩样所属层段地应力解释数据及压裂施工排量、压裂液设计方案，基于相似准则，确定三轴水力压裂物理模拟实验加载方案。压裂液内加入示踪剂材料(硫酸钡粉末1:150溶液配比)，开展不同研究区块、泥页岩层位缝网扩展特征测试分析。
(5)全直径岩样扫描测试、数据分析
取出测试后全直径泥页岩实验岩样，放置于所述的CT扫描成像装置中，采集水力压裂实验后全直径泥页岩试样的内部裂缝分布，分析泥页岩层理、天然裂缝对水力压裂缝网扩展特征的影响。
根据切片凸显的含荧光区域及不含荧光区域，甄别出天然裂缝及压裂裂缝。
取与步骤(2)相同岩心高度的水平截面，建立直角坐标系X'OY'，转动该切片位置使得该切片的Y'轴与原始岩样标定的地理北极方位位置线3一致。
识别测试后水平截面裂缝图像，确定压裂后人工裂缝方位；统计人工裂缝与天然裂缝方位角α的关系，定量评价天然裂缝方位角对裂缝扩展的影响；对比步骤(2)中和本步骤中的裂缝偏转角度频率直方图的统计结果，可以得到压裂前后天然裂缝与最大水平地应力方位的偏转角度范围及偏转主方向。
识别测试后纵向截面图像，统计压裂后裂缝，评价初始层理面倾角对泥页岩纵向缝网扩展的影响。对比步骤(2)中和本步骤中的的裂缝倾角频率直方图的统计结果，可以分别得到压裂前后天然层理面倾斜角度对纵向裂缝穿层扩展效果的影响。
(6)改变三轴应力比例，泵注流体速率、泵注流体粘度等物模实验方案，确定不同层位全直径泥页岩试样层理、天然裂缝对水力压裂缝网扩展的影响规律。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
Claims (9)
1.一种评价泥页岩水力压裂缝网扩展特征的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)标定待测全直径泥页岩岩样井下地理方位及所在层位最大水平地应力方位；
(2)加工实验用全直径岩样，并进行实验前CT扫描测试，建立CT扫描数字图像空间坐标系，识别并求取天然裂缝方位角和天然层理面倾斜角度；
(3)制备泥页岩水力压裂物理实验测试岩样；
(4)进行三轴水力压裂物理模拟实验，测试泥页岩缝网扩展特征；
(5)进行全直径岩样实验后扫描测试、数据分析，识别并求取泥页岩天然层理缝变化特征；
(6)改变三轴应力比例、泵注流体速率、泵注流体粘度的物模实验方案，确定不同层位全直径泥页岩试样层理、天然裂缝对水力压裂缝网扩展的影响规律。
2.如权利要求1所述的评价泥页岩水力压裂缝网扩展特征的方法，其特征在于：步骤(1)为采用古地磁岩芯定向方法确定全直径岩样的井下原始方位，标定主方位参考线和地理北极标识线，建立全直径岩样坐标系；根据全直径泥页岩岩样取样层段的测井资料确定该层段最大水平地应力方位角θ。
3.如权利要求2所述的评价泥页岩水力压裂缝网扩展特征的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的测井资料包括成像测井、井壁崩落、声波各向异性。
4.如权利要求1所述的评价泥页岩水力压裂缝网扩展特征的方法，其特征在于：步骤(2)对图像进行亮度调整，对比度调整、锐化操作，进而在图像重建方向上利用距离加权平均法进行图像插值；设定标准层水平平面切片、垂直剖面切片位置，该位置图像作为初始图像。
5.如权利要求1或4所述的评价泥页岩水力压裂缝网扩展特征的方法，其特征在于：步骤(2)包括以下步骤：
以空间原点(0，0，0)为该岩样的中心点建立空间坐标系XYZ；
在设定标准层，取水平方向横截面，建立水平截面直角坐标系XOY，转动切片使该切片的Y轴与步骤(1)的原始岩样标定的地理北极方位标识线一致；识别并求取实验岩样内部天然裂缝方位角α；识别并求取实验岩样天然裂缝与最大水平地应力方位的偏转角度γ；其中，天然裂缝方位角α由以下步骤确定：
根据CT扫描图像识别天然裂缝首尾两像素点(Xi，Yi)，(Xi+1，Yi+1)之间的距离：
根据CT扫描图像，确定天然裂缝方位角α：
绘制分析截面内天然裂缝方位角α、天然裂缝与最大水平地应力方位的偏转角度γ频率直方统计图，确定角度变化范围及平均值
天然层理面倾斜角度
由以下步骤确定：
取井筒位置处剖面切片，确定泥页岩试样天然层理面倾斜角度
根据全直径岩样CT扫描纵向剖面图像，确定图像中层理面首尾两相素点坐标(Xi，Zi)，(Xi+1，Zi+1)，设天然层理面倾斜角度为
则
绘制天然层理面倾斜角频率直方统计图，确定天然层理面倾斜角度
6.如权利要求5所述的评价泥页岩水力压裂缝网扩展特征的方法，其特征在于：天然裂缝与最大水平地应力方位的偏转角度γ由以下步骤确定：
根据标定的泥页岩岩样地理方位与最大水平地应力方位，确定天然裂缝与最大水平地应力方位的偏转角度γ：
γ＝|α-θ|。
7.如权利要求1所述的评价泥页岩水力压裂缝网扩展特征的方法，其特征在于：步骤(3)为将全直径泥页岩试样表面涂敷防水材料胶进行防水处理；采用水泥砂浆包裹防水处理后的全直径泥页岩试样，制备大尺寸六面体水力压裂岩石力学试样；控制全直径泥页岩试样方位，使标定的全直径泥页岩岩样最大水平地应力方位与六面体水力压裂岩石力学试样侧边垂直；
水泥砂浆包裹全直径泥页岩试样养护达到强度条件后，在试样顶面中心处向下设置裸眼井筒，将实验用井筒管柱加入所述裸眼井筒内，裸眼井筒与管柱环空采用高强黏结剂环氧树脂胶进行封固。
8.如权利要求1所述的评价泥页岩水力压裂缝网扩展特征的方法，其特征在于：步骤(4)为根据全直径泥页岩岩样所属层段地应力解释数据及压裂施工排量、压裂液设计方案，基于相似准则，确定三轴水力压裂物理模拟实验加载方案；压裂液内加入示踪剂材料，开展不同研究区块、泥页岩层位缝网扩展特征测试分析。
9.如权利要求1所述的评价泥页岩水力压裂缝网扩展特征的方法，其特征在于：步骤(5)包括以下步骤：
取出测试后全直径泥页岩实验岩样，放置于CT扫描成像装置中，采集水力压裂实验后全直径泥页岩试样的内部裂缝分布，分析泥页岩层理、天然裂缝对水力压裂缝网扩展特征的影响；
根据切片凸显的含荧光区域及不含荧光区域，甄别出天然裂缝及人工压裂裂缝；
取与步骤(2)相同岩心高度的水平截面，建立直角坐标系X'OY'，转动该切片位置使得该切片的Y'轴与原始岩样标定的地理北极方位标识线一致；
识别测试后水平截面裂缝图像，确定压裂后人工裂缝方位；统计人工裂缝与天然裂缝方位角α的关系，定量评价天然裂缝方位角对裂缝扩展的影响；对比(2)步骤中和本步骤中的裂缝偏转角度频率直方图的统计结果，可以得到压裂前后天然裂缝与最大水平地应力方位的偏转角度γ的范围及偏转主方向；
识别测试后纵向截面图像，统计压裂后裂缝，评价初始层理面倾角对泥页岩纵向缝网扩展的影响；对比(2)步骤中和本步骤中的裂缝倾角频率直方图的统计结果，可以分别得到压裂前后天然层理面倾斜角度对纵向裂缝穿层扩展效果的影响。
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