CN112098223B - 用于评价钻井液对天然裂缝的伤害程度的试验系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于评价钻井液对天然裂缝的伤害程度的试验系统与方法，所述装置包括：钻井液评价的试验装置，包括：试样，所述试样沿水平方向开设有盲孔，用于模拟水平井筒；所述盲孔内设有天然裂缝，所述天然裂缝用于充填不同类型的钻井液；模拟套管，固定设置于所述盲孔内，所述模拟套管上与所述天然裂缝对应的位置设有喷射孔，所述模拟套管的第一端为盲端，所述模拟套管的第二端用于连接水力压裂系统；真三轴压裂试验机，所述真三轴压裂试验机内部放置所述水力压裂系统；水力压裂系统，与所述钻井液评价的试验装置的模拟套管连接，用于向所述模拟套管泵入压裂液。解决了目前钻井液对天然裂缝封堵后难以定量评价的技术难题。
Description
技术领域
本发明涉及非常规储层水力压裂开发技术领域，特别涉及一种用于评价钻井液对天然裂缝的伤害程度的试验系统与方法。
背景技术
非常规油气资源(包括页岩气、致密砂岩气、煤层气等)作为一种高效、优质的清洁能源，是实现低碳消费的最佳选择。但非常规油气资源存在储层孔隙度低、渗透率低等特征。为了实现高效开采，必须通过压裂改造产生人工裂缝网络才能形成商业开发。在天然裂缝发育的区块钻井，然后采用水力压裂技术形成人工压裂缝沟通天然裂缝以获得高导流能力的油气流动通道，获得高产油气流。但目前对裂缝型储层进行钻井过程中，致密油气储层很容易受到钻井液、改造液等入井流体的污染，增大了油气通道的流动阻力，同时影响固井之后压裂过程中压裂液在近井筒附近的起裂与沟通天然裂缝的能力。因此，探究钻井液等入井流体对储层天然裂缝的封堵及伤害特征，进而揭示钻井液、改造液等入井流体对裂缝性致密储层的伤害机理，为新型低伤害钻井液、改造液体系的研发提供支撑。
目前对于钻井液对储层伤害及运移规律开展研究的工作较多，多是从油藏开发角度进行的相关研究。但目前对于钻井液、入井流体对压裂改造中起裂压力及压裂改造造缝能力评价的研究几乎为空白。
因此，如何开发一种用于评价钻井液对天然裂缝的伤害程度的试验系统与方法，成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明目的是提供一种用于评价钻井液对天然裂缝的伤害程度的试验系统与方法，可研究不同钻井液类型、钻井液密度、天然裂缝类型及钻井液封堵时间等参数下的封堵伤害特征进行定量评价，能够获得天然裂缝封堵后不同参数下起裂压力及裂缝扩展形态特征。为含天然裂缝致密油气储层压裂液性能优选提供方法，对推动非常规储层水平井井壁控制理论与技术及现场施工设计优化都具有一定的工程意义。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种用于评价钻井液对天然裂缝的伤害程度的试验系统，包括：钻井液评价的试验装置、真三轴压裂试验机和水力压裂系统；
所述钻井液评价的试验装置，包括：
试样，所述试样沿水平方向开设有盲孔，用于模拟水平井筒；所述盲孔内设有天然裂缝，每个所述天然裂缝均与所述盲孔正交和/或斜交，所述天然裂缝用于充填不同类型的钻井液；
模拟套管，固定设置于所述盲孔内，所述模拟套管上与所述天然裂缝对应的位置设有喷射孔，所述喷射孔用于向所述天然裂缝内喷射所述钻井液，所述模拟套管的第一端为盲端，所述模拟套管的第二端用于连接水力压裂系统；
所述真三轴压裂试验机，用于向所述水力压裂系统施加地层三向应力，在进行试验时，所述真三轴压裂试验机内部放置所述水力压裂系统；
水力压裂系统，与所述钻井液评价的试验装置的模拟套管连接，用于向所述模拟套管泵入压裂液。
进一步地，所述试样的力学特征适应于所模拟的岩层，所述力学特征包括强度、变形应力特征。
进一步地，所述试样为立方体形状。
进一步地，所述盲孔位于所述试样的中心位置，所述盲孔与所述模拟套管内均封固有高强度环氧树脂。
第二方面，本发明还提供了一种用于评价钻井液对天然裂缝的伤害程度的试验方法，所述试验方法包括：
获得所述钻井液评价的试验系统；
获得不同类型的钻井液；
将所述钻井液充填到所述钻井液评价的试验系统中所述天然裂缝的面内；
将所述钻井液评价的试验装置的所述模拟套管的第二端连接所述水力压裂系统；利用所述真三轴压裂试验机向所述钻井液评价的试验系统施加所述地层三向应力；
控制所述水力压裂系统向所述模拟套管内泵入带有示踪剂的所述钻井液，直至所述钻井液的压力升高达到破裂压力，在所述天然裂缝的基础上形成多簇贯穿的压裂缝；获得的泵压曲线，后停止所述水力压裂系统与所述真三轴压裂试验机；
从真三轴加载室内取出所述试样，沿已形成压裂缝将所述试样剖开，记录所述压裂缝的面在三维空间的特征信息，根据所述三维空间的特征信息完成裂缝信息的定量提取；根据所述泵压曲线分析裂缝的存在对压裂起裂压力及扩展延伸压力的影响。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明提供的一种用于评价钻井液对天然裂缝的伤害程度的试验系统与方法，应用本试验方法，可研究不同钻井液类型、钻井液密度、天然裂缝类型及钻井液封堵时间等参数下的封堵伤害特征进行定量评价，能够获得天然裂缝封堵后不同参数下起裂压力及裂缝扩展形态特征。为含天然裂缝致密油气储层压裂液性能优选提供方法，对推动非常规储层水平井井壁控制理论与技术及现场施工设计优化都具有一定的工程意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，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它的附图。
图1为本发明实施例2提供的一种用于评价钻井液对天然裂缝的伤害程度的试验方法的流程图；
图2为本发明实施例2提供的泵压-排量随时间变化曲线；
图3为本发明实施例2提供的压后裂缝图；其中(A)、(B)、(C)图分别为不同角度的压后裂缝图；
图4为本发明实施例2提供的三维可视化图。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为根据本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
本申请中，裂缝被钻井液封堵后，评价不同钻井液类型、钻井液密度、天然裂缝类型及钻井液封堵时间等参数下的封堵伤害特征进行定量评价，能够获得天然裂缝封堵后不同参数下起裂压力及裂缝扩展形态特征。解决目前钻井液对天然裂缝封堵后难以定量评价及裂缝扩展特征不明的技术难题，解决了现有技术中钻井过程中钻井液对非常规储层中天然裂缝污染导致封堵天然裂缝后难以评价的技术需求。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例一
本发明实施例提供一种用于评价钻井液对天然裂缝的伤害程度的试验系统，包括：钻井液评价的试验装置、真三轴压裂试验机和水力压裂系统；
(1)钻井液评价的试验装置，包括：
试样，所述试样沿水平方向开设有盲孔，用于模拟水平井筒；所述盲孔内设有天然裂缝，每个所述天然裂缝均与所述盲孔正交和/或斜交，所述天然裂缝用于充填不同类型的钻井液；
模拟套管，固定设置于所述盲孔内，所述模拟套管上与所述天然裂缝对应的位置设有喷射孔，所述喷射孔用于向所述天然裂缝内喷射所述钻井液，所述模拟套管的第一端为盲端，所述模拟套管的第二端用于连接水力压裂系统；
需要说明的是，试样的力学特征适应于所模拟的岩层，力学特征可以包括强度、变形应力特征，力学特征还可以包括材料密度，需要说明的是，不同位置的岩层具有不同的力学特征，透明试样的力学特征根据需要研究的岩层的力学特征进行选择。需要说明的是，根据试验研究需求，选用具有不同力学特征，并通过真三轴压裂试验机施加不同的地层三向应力，可以研究地应力特征参数对多簇裂缝同步起裂和动态扩展的影响。
具体实施过程中，所述试样为立方体状：采集具有致密储层特征的天然大块岩心，加工成一定规格的立方体试样(200mm×200mm×200mm或300mm×300mm×300mm)。
沿用上述实施例，在200mm×200mm或300mm×300mm其中一个端面中心位置，采用金刚头钻头钻直径为25mm，深度为170mm-200mm的盲孔，用于模拟水平井筒。
沿用上述实施例，将立方体试样放到大型岩石力学加载试验机中，采用试验机线接触加载压头，保证线接触加载压头通过钻孔中心线，将立方体试样劈裂成两块试样，采用此种方法获得压裂缝的面为拉张型裂缝，由于试样的非均质性，一般压裂缝的面具有一定的起伏及粗糙度，完成含裂缝的致密储层试样制备。
(2)真三轴压裂试验机，用于向所述水力压裂系统施加地层三向应力，在进行试验时，所述真三轴压裂试验机内部放置所述水力压裂系统；
(3)水力压裂系统，与所述钻井液评价的试验装置的模拟套管连接，用于向所述模拟套管泵入压裂液。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
本发明提供的一种用于评价钻井液对天然裂缝的伤害程度的试验系统，可研究不同钻井液类型、钻井液密度、天然裂缝类型及钻井液封堵时间等参数下的封堵伤害特征进行定量评价，能够获得天然裂缝封堵后不同参数下起裂压力及裂缝扩展形态特征。为含天然裂缝致密油气储层压裂液性能优选提供方法，对推动非常规储层水平井井壁控制理论与技术及现场施工设计优化都具有一定的工程意义。
实施例二
本实施例提供一种一种室内水力压裂试验方法，如图1所示，所述试验方法包括：
步骤S1、获得实施一所述的钻井液评价的试验系统；
步骤S2、获得不同类型的钻井液；
在具体实施过程中，采用非常规储层水平井钻井常用的钻井液配方，在配置钻井液过程中，保证钻井液材料配方与添加工序保持一致，采用高速离心机将钻井液搅拌均匀，为实现同种钻井液不同密度特征及不同种钻井液对天然裂缝封堵能力的对比分析，需要根据具体的研究需要配置一定数量的对比分析钻井液，并测定钻井液的密度、固相颗粒等参数。
步骤S3、将所述钻井液充填到所述钻井液评价的试验系统中所述天然裂缝的面内；
在具体实施过程中，将所述含有裂缝的试样压裂缝的面打开，采用所述钻井液，按照研究的需要采用工艺毛刷将钻井液涂抹到压裂缝的面上，在压裂缝的面上可设置不同钻井液的铺置厚度(如3mm、5mm、7mm等)、钻井液波及到的范围等参数，同时保证已钻井眼位置的清洁干燥，便于后期的模拟井筒环空的密封，然后将两半块试样沿劈裂缝拼接成一个完成立方体试样。受到平铺钻井液的影响，立方体试样会较原试样增大对应平铺厚度，采用具有一定强度的胶带缠紧试样，在恒温恒湿的环境中下静置48小时，完成钻井液充填天然裂缝操作步骤。
步骤S4、将所述钻井液评价的试验装置的所述模拟套管的第二端连接所述水力压裂系统；利用所述真三轴压裂试验机向所述钻井液评价的试验系统施加所述地层三向应力；控制所述水力压裂系统向所述模拟套管内泵入带有示踪剂的所述钻井液，直至所述钻井液的压力升高达到破裂压力，在所述天然裂缝的基础上形成多簇贯穿的压裂缝；获得的泵压曲线，后停止所述水力压裂系统与所述真三轴压裂试验机；
在具体实施过程中，在已钻井孔中下部预留30mm的裸眼段作为起裂位置，同时该处也含有钻井液充填裂缝的特征，预留位置放入可溶性食盐，在充填食盐上部放入橡皮泥，形成一个遮挡层，防止采用环氧树脂封固套管时堵塞预留压裂段；然后下入模拟套管，套管下部为开口，下入到放置橡皮泥位置，采用高强度环氧树脂进行环空封固；将制备好的试样静止48小时，使环氧树脂强度达到最高，套管另一端预制螺纹与压裂泵入高压软管相连接；将试样放入到真三轴加载室内，连接套管与高压软管，并启动伺服控制压裂液泵压系统，设定预加0.5MPa泵压，检查连接的密封性，停止泵压；启动真三轴物理模型试验机，施加模拟地层三向应力后，启动伺服控制压裂液泵入系统，压裂时使用红色示踪剂，向模拟井筒内泵入压裂液，随着泵压的升高，试样发生破裂，泵压曲线跌落后，获取泵压曲线特征，停止伺服控制泵压系统与真三轴物理模型试验机，拆卸三轴试验机加载板，然后保持试样状态不变。具体地，在地应力实测值基础上设计试验地应力参数，三向应力:σH＝19.45MPa，σh＝17.60MPa，σv＝16.64MPa。采用高粘度聚合物清水压裂液(50mPa·s)，排量为0.5mL/s。泵压曲线如图2所示。
由图2可知，根据所述泵压曲线分析裂缝的存在对压裂起裂压力及扩展延伸压力的影响。随着压裂液以0.5mL/s的速率不断注入，泵压曲线迅速升高，达到峰值点8.5MPa，随即迅速跌落。泵压曲线经过跌落后，稳定在约3.3MPa，波动不明显，间接表明试样内部水力裂缝开启较为充分(压裂缝的面积广、缝宽大)。
步骤S5、从真三轴加载室内取出所述试样，沿已形成压裂缝将所述试样剖开，具体解剖过程如图3所示，由图3可知，压后裂缝主要分布在试样的左侧和上侧，为垂直天然裂缝。继续剖切，获取到井筒处的起裂位置形态，为水平缝。表现为大范围延天然裂缝渗入，天然裂缝与水平缝接近90°，延伸为双压裂缝的面。对试样的逐层剖切也表明，主压裂缝的面和弱面都具有红色示踪剂，确定为压裂形成的新鲜裂缝。
记录所述压裂缝的面在三维空间的特征信息，根据所述三维空间的特征信息完成裂缝信息的定量提取；在具体实施过程中，首先将完成真三轴水力压裂试验的试样外周面肉眼可见的压裂缝特征进行量化描述，然后将试样从真三轴加载室内平稳的取出，沿已形成压裂缝将试样剖开，同步记录压裂缝的面在三维空间的特征信息，尤其需要关注新形成的压裂缝与已有充填钻井液裂缝的位置特征信息。将所有已标记位置的压裂缝的面采用三维激光形貌扫描仪提取特征信息，然后在三维空间进行压裂缝的面特征的重构，并将充填裂缝特征采用不同颜色显示，完成裂缝信息的定量提取。同时，由泵压曲线特征分析由于充填裂缝的存在对压裂起裂压力及扩展延伸压力的影响。具体地：将压裂后的试样沿压裂缝剖开后，采用三维激光形貌扫描仪，分别将各个压裂缝的面的形貌特征提取数字化，然后将提取到的各个压裂缝的面导入到在三维坐标系内。分别对各个压裂缝的面进行面积积分，后进行叠加，得到单位体积内所有压裂缝的面积总和。定义单位体积内的压裂缝的面数量为量化压裂效果的指标，作为对比分析不同工况下压裂效果的量化参数。
具体扫描流程如下：
1、标定：精确计算摄像机与投影仪的内外部参数。内部参数是指和镜头相关的焦距等信息，外部参数指摄像机和投影仪之间的相关信息。通俗地讲，可以理解为就是对设备进行校准，以保证在一个精准的基础上进行数据的扫描及拼接。通过拍摄标定板三个摆放角度的数据，获取相机内部属性参数信息以及相机之间的相对关系数据，并且获取到扫描头与转台的相对位置关系。
2、扫描特征拼接：特征拼接，也就是根据物体的几何外形，将多次扫描的数据进行拼合。
3、三维建模：按照构建方式基本上可以分三类：实体建模，曲面建模和网格建模。破裂面为不封闭的曲面，采用网格建模。网格模型由使用多边形表示(包括三角形和四边形)来定义三维形状的顶点、边和面组成。(无法直接转换为实体模型，STL等数据格式均为网格模型)，网格模型类似一张刚性的封闭网，每个顶点具有独立的位置属性。如果要编辑网格模型，只能通过移动每个顶点的位置。
4、后期处理：通过三维处理软件Geomagic可将扫描点云数据或三角形网格数据的坐标进行调整，通过三维画图软件3dsmax的可实现移动、旋转、缩放、裁剪等功能，将三维曲面可视化，并测量破裂面的表面积。三维可视化图如图4所示。
面密度＝破裂面总面积/试样总体积；
本实施例中，水平缝表面积为44517.69mm2，弱面缝表面积为93912.03mm2，体积为27000000mm3；面密度为5.127×10-3m-1。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
本发明实施例提供的一种用于评价钻井液对天然裂缝的伤害程度的试验方法，将裂缝被钻井液封堵后，研究不同钻井液类型、钻井液密度、天然裂缝类型及钻井液封堵时间等参数下的封堵伤害特征进行定量评价，能够获得天然裂缝封堵后不同参数下起裂压力及裂缝扩展形态特征。为含天然裂缝致密油气储层压裂液性能优选提供方法，对推动非常规储层水平井井壁控制理论与技术及现场施工设计优化都具有一定的工程意义。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种用于评价钻井液对天然裂缝的伤害程度的试验方法，其特征在于，所述试验方法包括：
获得用于评价钻井液对天然裂缝的伤害程度的试验系统，所述试验系统包括：钻井液评价的试验装置、真三轴压裂试验机和水力压裂系统；
所述钻井液评价的试验装置包括：试样和模拟套管，所述试样沿水平方向开设有盲孔，用于模拟水平井筒；所述盲孔内设有天然裂缝，每个所述天然裂缝均与所述盲孔正交和/或斜交，所述天然裂缝用于充填不同类型的钻井液；所述模拟套管固定设置于所述盲孔内，所述模拟套管上与所述天然裂缝对应的位置设有喷射孔，所述喷射孔用于向所述天然裂缝内喷射所述钻井液，所述模拟套管的第一端为盲端，所述模拟套管的第二端用于连接水力压裂系统；所述真三轴压裂试验机，用于向所述水力压裂系统施加地层三向应力，在进行试验时，所述真三轴压裂试验机内部放置所述水力压裂系统；所述水力压裂系统，与所述钻井液评价的试验装置的模拟套管连接，用于向所述模拟套管泵入压裂液；
获得不同类型的钻井液；
将所述钻井液充填到所述钻井液评价的试验装置中所述天然裂缝的面内；
将所述钻井液评价的试验装置的所述模拟套管的第二端连接所述水力压裂系统；利用所述真三轴压裂试验机向所述钻井液评价的试验系统施加所述地层三向应力；控制所述水力压裂系统向所述模拟套管内泵入带有示踪剂的所述钻井液，直至所述钻井液的压力升高达到破裂压力，在所述天然裂缝的基础上形成多簇贯穿的压裂缝；获得泵压曲线后停止所述水力压裂系统与所述真三轴压裂试验机；
从真三轴加载室内取出所述试样，沿已形成压裂缝将所述试样剖开，记录所述压裂缝的面在三维空间的特征信息，根据所述三维空间的特征信息完成裂缝信息的定量提取；根据所述泵压曲线分析裂缝的存在对压裂起裂压力及扩展延伸压力的影响。
2.根据权利要求1所述的一种用于评价钻井液对天然裂缝的伤害程度的试验方法，其特征在于，所述试样的力学特征适应于所模拟的岩层，所述力学特征包括强度、变形应力特征。
3.根据权利要求1所述的一种用于评价钻井液对天然裂缝的伤害程度的试验方法，其特征在于，所述试样为立方体形状。
4.根据权利要求1所述的一种用于评价钻井液对天然裂缝的伤害程度的试验方法，其特征在于，所述盲孔位于所述试样的中心位置，所述盲孔与所述模拟套管内均封固有高强度环氧树脂。
5.根据权利要求1所述的一种用于评价钻井液对天然裂缝的伤害程度的试验方法，其特征在于，在所述钻井液充填到所述天然裂缝的面之前，对所述不同类型钻井液的密度、固相颗粒进行测定。
6.根据权利要求1所述的一种用于评价钻井液对天然裂缝的伤害程度的试验方法，其特征在于，在所述盲孔内设置天然裂缝，具体包括：
将试样放到岩石力学加载试验机中，采用试验机线接触加载压头，保证线接触加载压头通过钻孔中心线，将试样劈裂成两块试样，从而形成天然裂缝。
7.根据权利要求1所述的一种用于评价钻井液对天然裂缝的伤害程度的试验方法，其特征在于，所述将所述钻井液充填到所述天然裂缝的面内，具体包括：
将含有所述天然裂缝的试样压裂缝的面打开，将所述钻井液涂抹到所述天然裂缝的面上，后将所述试样沿所述天然裂缝拼接成一个完整试样。
8.根据权利要求6所述的一种用于评价钻井液对天然裂缝的伤害程度的试验方法，其特征在于，在所述天然裂缝的面上铺设不同厚度的所述钻井液。
9.根据权利要求6所述的一种用于评价钻井液对天然裂缝的伤害程度的试验方法，所述根据所述三维空间的特征信息完成裂缝信息的定量提取，包括：
采用三维激光形貌扫描仪提取特征信息，然后在三维空间进行压裂缝的面特征的重构，并将充填裂缝特征采用不同颜色显示，完成裂缝信息的定量提取。
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