CN112255159B - 一种非均质页岩储层水化作用能力的综合评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非均质页岩储层水化作用能力的综合评价方法，包括步骤：根据页岩储层段岩石制备岩样，并将岩样干燥至恒重；测量所述岩样的孔隙度和渗透率，根据孔隙度和渗透率获取所述岩样的物性指数；测量所述岩样的矿物成分，根据矿物成分获取所述岩样的脆性指数；进行岩样渗吸实验测试，获取岩样的亲水指数；通过岩样的物性指数、脆性指数、亲水指数，确定岩样水化作用综合指数，采用岩样水化作用综合指数进行页岩岩样水化作用能力的综合评价。该方法能够对页岩水化作用能力进行定量表征，其测试与应用方法操作简单，计算结果更为精确，且不需要大量的矿场实验，大大降低了经济成本，为页岩气井焖井时间优化提供重要科学依据。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气工程领域，尤其涉及一种非均质页岩储层水化作用能力的综合评价方法。
背景技术
水平井分段多簇体积压裂是高效开发页岩气的关键技术，区别于常规砂岩，由于在地质特征和压裂工艺等方面的差异，页岩气井体积压后表现出特殊的返排特征：产气量与返排率呈负相关和焖井后产水量降低产气量增加、返排率差异大等(董大忠,王玉满,李新景,等.中国页岩气勘探开发新突破及发展前景思考[J].天然气工业,2016,36(1):19-32)。
目前，由于页岩特殊的返排特征，使得页岩气井体积压裂后是否需要焖井的问题难以回答，影响着页岩气的持续高效开发。而页岩发生水化作用诱导微裂缝，提高页岩储层流动能力，对页岩储层的持续改造作用是以上特殊返排特征的重要原因，页岩水化作用能力越强，页岩储层改造效果越好，现场工程师可页岩水化作用能力判断页岩气井是否需要焖井，充分利用页岩水化作用对储层的改造作用，由于页岩储层水化作用能力的差异，目前矿场页岩气井是否需要焖井大多数依靠工程师经验来确定，因此准确的评价页岩水化作用能力为解决页岩气井是否需要焖井的难题有重要指导作用。但页岩储层非均质极强，影响页岩水化作用能力的因素众多，且关系复杂，包括页岩储层流动能力、初始微裂缝发育程度、页岩亲水能力、储层温度与压力等，不同因素在不同层次上影响页岩水化作用能力，大大增加了页岩水化作用能力评价的难度。因此，急需一种可以考虑不同影响因素的页岩水化作用能力的综合评价方法。
目前已有页岩水化作用的相关研究，主要聚焦页岩水化作用力学损伤和利用多种实验手段研究常温常压下页岩水化作用微观结构改变规律，比较典型的代表内容如下：
(1)康毅力等(康毅力,杨斌,李相臣,等.页岩水化微观作用力定量表征及工程应用[J].石油勘探与开发,2017,44(2):301-308)通过页岩水化作用岩石力学实验得出页岩水化后三轴应力峰值降低，由于层理面上粘土矿物晶层的连接强度显著降低，页岩水化破坏主要表现为抗拉强度的弱化。
(2)薛华庆等(薛华庆,周尚文,蒋雅丽等.水化作用对页岩微观结构与物性的影响[J].石油勘探与开发,2018,45(06):157-163.)通过对龙马溪组页岩电镜扫描实验得出，水化作用对页岩有机质孔隙结构没有产生明显的影响，诱导微裂缝主要沿无机矿物之间的层理延伸与扩展，并利用CT技术对不同含水饱和度条件下的页岩进行扫描实验得出，水化作用强度受原生裂缝发育程度控制，原生裂缝越发育，水化作用越强。
(3)隋微波等(隋微波,田英英,姚晨昊.页岩水化微观孔隙结构变化定点观测实验[J].石油勘探与开发,2018,45(05):150-157.)通过电镜扫描实验证实，自吸流体与页岩矿物发生物理化学作用，使得矿物颗粒胶结面溶蚀破坏和胶结强度降低，矿物颗粒松动与脱落，产生更多的溶蚀孔缝，水化作用诱导微裂缝主要沿层理或原始方向延伸。
以上方法都是对页岩水化作用岩石力学性质和微观结构变化单因素定性分析，缺乏页岩水化作用能力定量表征。同时页岩储层水相渗吸作用与水化作用是动态平衡过程，页岩水化作用诱导微裂缝，进一步促进页岩亲水能力，反之页岩亲水能力增加，进一步促进页岩水化作用，因此如何定量的测试页岩亲水能力对评价页岩储层水化作用有重要作用，且以往研究没有考虑储层围压与温度对页岩水化作用的影响，而页岩通常为高温高压储层，在储层围压与温度条件下页岩水相渗吸作用能否产生诱导微裂缝的问题难以回答，因此有必要综合考虑不同因素对页岩水化作用能力定量表征，进而为页岩气井返排制度优化提供科学依据。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种非均质页岩储层水化作用能力的综合评价方法。
为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。
一种非均质页岩储层水化作用能力的综合评价方法，依次包括以下步骤：
步骤S100:根据页岩储层段岩石制备岩样，并将岩样干燥至恒重；
步骤S200:测量所述岩样的孔隙度和渗透率，根据孔隙度和渗透率获取所述岩样的物性指数IR；
步骤S300:测量所述岩样的矿物成分，根据矿物成分获取所述岩样的脆性指数IB；
步骤S400:进行岩样渗吸实验测试，获取岩样的亲水指数；
步骤S500:通过岩样的物性指数、脆性指数、亲水指数，确定岩样水化作用综合指数，采用岩样水化作用综合指数进行页岩岩样水化作用能力的综合评价。
进一步地，所述物性指数IR表达式为：
式中，IR为岩样的物性指数，μm2；k岩样的渗透率，μm2；
为岩样的孔隙度，％。
进一步地，所述根据矿物成分获取所述岩样的脆性指数IB包括：
测量所述岩样的石英、碳酸盐岩和黏土的含量，脆性指数IB计算式为：
式中：IR为岩样脆性指数，无因次；Vq为岩样的石英矿物百分含量，％；Vb为岩样的黏土矿物百分含量，％；Vc为岩样的碳酸盐岩矿物百分含量，％。
进一步地，所述进行岩样渗吸实验测试，获取岩样的亲水指数包括：
通过渗吸实验测试岩样的渗吸体积Vim，并通过渗吸体积Vim计算亲水指数，亲水指数计算时为：
式中：IW为岩样亲水指数，无因次；Vim为渗吸体积，cm3；V为岩样孔隙体积，cm3；A为渗吸面积，cm2；L为岩样长度，cm；
为岩样的孔隙度，％。
进一步地，所述岩样水化作用综合指数计算式为：
IH＝IRIBIW
式中：IH为岩样水化作用综合指数；IR为岩样物性指数；IB为岩样脆性指数；IW为岩样亲水指数。
进一步地，所述步骤将岩样干燥至恒重中采用烘箱进行干燥。
进一步地，采用氦孔隙度自动测定仪进行孔隙度测试，采用超低渗透率测定仪进行渗透率测试，采用X射线衍射仪进行矿物测试。
进一步地，所述岩样渗吸实验测试包括：
步骤S410:根据地层应力和地层温度确定页岩渗吸实验加载围压和实验温度；
步骤S420:进行页岩岩样渗吸实验，通过岩样渗吸前后的液面位置差确定在该时间段的渗吸体积。
进一步地，水化作用综合指数与水化作用呈正相关关系。
另一方面，本发明提供一种在非暂态计算机可读介质中实施的计算机程序产品，所述计算机程序产品被适配用于执行以下的非均质页岩储层水化作用能力的综合评价方法：
根据页岩储层段岩石制备岩样，并将岩样干燥至恒重；测量所述岩样的孔隙度和渗透率，根据孔隙度和渗透率获取所述岩样的物性指数；测量所述岩样的矿物成分，根据矿物成分获取所述岩样的脆性指数；进行岩样渗吸实验测试，获取岩样的亲水指数；通过岩样的物性指数、脆性指数、亲水指数，确定岩样水化作用综合指数，采用岩样水化作用综合指数进行页岩岩样水化作用能力的综合评价。
本发明提供了一种非均质页岩储层水化作用能力的综合评价方法，该方法可以同时考虑非均质页岩储层的物性参数和矿物成分以及页岩储层围压与温度等多种因素对页岩水化作用能力的综合影响，并对页岩水化作用能力定量表征，其测试与应用方法操作简单，计算结果更为精确，且不需要大量的矿场实验，大大降低了经济成本，为进一步页岩气井焖井时间优化提供重要科学依据。
附图说明
图1为本发明的方法步骤流程图。
图2为本发明页岩渗吸测试实验装置示意图。
图3为本发明实施例中页岩样品渗吸量对比图。
图4为本发明页岩样品水化作用综合指数对比图。
图中的附图标记分别表示为：
计量管1；密封液体2；自吸液体3；吸管4；岩心5；岩心夹持器6；加热箱7；保温套8；围压泵9，；圆柱形垫块10；岩心夹持器出口阀11。
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非均质页岩储层水化作用能力的综合评价方法，该方法包括以下步骤：
步骤S100:据页岩储层段岩石制备岩样，并将岩样干燥至恒重。
将页岩储层段的岩石制成直径为2.5cm，长度为5cm的标准岩样，根据岩样端面尺寸计算岩样的渗吸面积为A，岩样长度为实验测量长度L，将标准岩样放置100℃烘箱内干燥至恒重。
步骤S200:测量所述岩样的孔隙度和渗透率，根据孔隙度和渗透率获取所述岩样的物性指数IR。
利用氦孔隙度自动测定仪和超低渗透率测定仪分别测试步骤S100中所述干燥后岩样的孔隙度
和渗透率k；并计算影响页岩孔隙流动能力的物性指数IR，计算表达式如下：
式中：IR为岩样物性指数，μm2；k为岩样的渗透率，μm2；
为岩样的孔隙度，％。
步骤S300:测量所述岩样的矿物成分，根据矿物成分获取所述岩样的脆性指数IB。
利用X射线衍射仪测试步骤S200岩样的矿物成分，其中石英、碳酸盐岩和黏土的含量分别标记为Vq、Vс、Vb；并计算表征页岩初始微裂缝发育程度的脆性指数IB，计算表达式如下：
式中：IR为岩样脆性指数，无因次；Vq为岩心中的石英矿物百分含量，％；Vb为岩心中的黏土矿物百分含量，％；Vc为岩心中的碳酸盐岩矿物百分含量，％。
步骤S400:进行岩样渗吸实验测试，获取岩样的亲水指数。
页岩渗吸作用实验测试装置主要由计量管1，密封液体2，自吸液体3，吸管4，岩心5，岩心夹持器6，加热箱7，保温套8，围压泵9，圆柱形垫块10，岩心夹持器出口阀11组成。其中，岩心5放置在岩心夹持器6中，一个端面与流体接触，另一端面接触圆柱形垫块10，实验时通过围压泵9向岩心5加载围压，通过加热箱7给岩心5加热，并通过保温套8保持恒温；圆柱形垫块10与岩心5接触面设有导流槽，圆形垫块10中心处有供流体流动的孔眼10-1，流体可经该孔眼流到岩心夹持器出口阀11。实验设备最高加载温度为150℃，最高应力为50MPa，应力控制精度0.01MPa，应力保持时间大于24h。
通过开展页岩储层围压与温度条件下页岩水化作用实验，确定亲水指数Iw，评价渗吸能力，包括以下内容：
①根据地层应力和地层温度确定页岩渗吸实验加载条件，其具体确定方法为：由表达式是(3)～(6)确定实验加载围压，地层温度即为实验温度。
σ'z＝σz-αPp (3)
σ'H＝σH-αPp (4)
σ'h＝σh-αPp (5)
σс＝(σ'z+σ'H+σ'h)/3 (6)
式中：σ'z为垂向有效应力，MPa；σ'H为最大水平有效主应力，MPa；σ'h为最小水平有效主应力，MPa；σz为垂向应力，MPa；σH为最大水平主应力，MPa；σh为最小水平主应力，MPa；α为有效应力系数，小数；σc为实验围压，MPa；PP为地层压力，MPa。
②将步骤(2)中所述孔隙度和渗透率测试后的岩样装入岩心夹持器中，并利用围压泵给岩样加载初始围压5MPa；
③利用加热器将岩心及岩心夹持器加热至步骤①中确定的实验温度；并利用围压泵加载步骤①中确定的围压；
④将自吸液体压裂液通过吸管吸入到计量管，液面到达0刻度线左右后关闭吸管，并用油作为密封液体。记录初始液面位置，实验2d后，记录面位置，两次液面位置差即为页岩在该时间段的渗吸体积Vim。
⑤计算岩样亲水指数，其值越大，水相渗吸能力越强，表达式如下：
式中：IW为岩样亲水指数，无因次；Vim为渗吸体积，cm3；V为岩样孔隙体积，cm3；A为渗吸面积，cm2；L为岩心长度，cm；
为岩样的孔隙度，％。
步骤S500:通过岩样的物性指数、脆性指数、亲水指数，确定岩样水化作用综合指数，采用岩样水化作用综合指数进行页岩岩样水化作用能力的综合评价。
根据计算的岩样物性指数、脆性指数和亲水指数，定义水化作用综合指数来定量表征页岩水化作用能力，计算表达式如下：
IH＝IRIBIW (9)
式中：IH为岩样水化作用综合指数，μm2；IR为岩样物性指数，μm2；IB为岩样脆性指数，无因次；IW为岩样亲水指数，无因次。
页岩储层水化作用能力评价是通过将计算的页岩样品水化作用综合指数进行排序，其值越大，则表面水化作用能力越大。
计算实例
下面以一个现场实际算例作为示例，下面根据附图和四川盆地川南地区页岩井为实例详细描述本发明的具体实施方式。具体如下：
步骤S100:根据页岩储层段岩石制备岩样，并将岩样干燥至恒重
取自2口页岩气井Y1和Y2实际井下岩心，取心深度2500～2580m，并制成直径为2.5cm，长度为5cm的标准岩样10块，岩样编号为Y1-1～Y2-1，并放置100℃烘箱内干燥至恒重，根据岩样端面尺寸计算岩样的渗吸面积A和测量岩样实际长度L，见表1-1；
表1-1页岩样品基本参数表
步骤S200、测量所述岩样的孔隙度和渗透率，根据孔隙度和渗透率获取所述岩样的物性指数IR。
利用氦孔隙度自动测定仪和超低渗透率测定仪分别测试步骤(1)中所述干燥后岩样的孔隙度
和渗透率k,见表1-1。
步骤S300：测量所述岩样的矿物成分，根据矿物成分获取所述岩样的脆性指数IB。
利用X射线衍射仪测试步骤(2)岩样的矿物成分，其中石英、碳酸盐岩和黏土的含量分别标记为Vq、Vс、Vb，见表1-2。
表1-2页岩样品矿物成分测试表
步骤S400:进行岩样渗吸实验测试，获取岩样的亲水指数。
开展页岩储层围压与温度条件下水化作用实验，计算亲水指数，评价渗吸能力，包括以下内容：
①2口页岩气井所在储层平均地层温度85℃、平均地层压力50MPa，最大水平井主应力50MPa，最小水平主应力43MPa，垂向应力48MPa，有效应力系数为0.5。由地层温度可确定实验温度为85℃，利用公式(3)～(5)可确定实验最大水平井有效主应力25MPa，最小水平有效主应力18MPa，垂向有效应力为23MPa，利用公式(6)可确定实验加载围压为22MPa。
②将步骤(2)中所述孔隙度和渗透率测试后的其中一块岩样Y1-1装入岩心夹持器6中，并利用围压泵9给岩样加载初始围压5MPa；
③利用加热器7将岩心5及岩心夹持器6加热至步骤①中确定的实验温度，并利用围压泵9加载步骤①中确定的围压；
④将自吸液体压裂液通过吸管吸入到计量管，液面到达0刻度线左右后关闭吸管，并用油作为密封液体。记录初始液面位置，实验2d后，记录液面位置，通过两次液面位置差得到岩样Y1-1的渗吸量Vim为0.65cm3，重复步骤②～④得到表1-1其余页岩样品的渗吸量，见表1-3。
⑤根据页岩样品的孔隙体积和渗吸量利用表达式(8)计算10块页岩样品的亲水指数，计算结果见表1-3。
表1-3页岩样品渗吸量和亲水指数计算表
步骤S500：通过岩样的物性指数、脆性指数、亲水指数，确定岩样水化作用综合指数，采用岩样水化作用综合指数进行页岩岩样水化作用能力的综合评价。
算页岩样品水化作用综合指数，评价页岩水化作用能力，包括以下内容：
①页岩物性指数计算：根据岩样的孔隙度
和渗透率k，利用表达式(1)计算影响页岩孔隙流动能力的物性指数IR，见表1-4。
②页岩脆性性指数计算：根据岩样的矿物成分含量，利用表达式(2)计算表征页岩初始微裂缝发育程度的脆性指数IB，见表1-4。
③利用步骤①、步骤②和页岩物性指数、脆性指数、亲水指数，利用表达式(9)计算10块页岩样品的水化作用综合指数，见表1-4。
表1-4页岩样品水化作用综合指数计算表
页岩储层水化作用能力评价是将计算的10块页岩样品水化作用综合指数进行排序，其值越大，水化作用能力越大，见表1-5，10块页岩样品水化作用能力由大到小排序为：Y2-4，Y2-3，Y2-1，Y2-2，Y2-5，Y1-1，Y1-3，Y1-5，Y1-2，Y1-4。
表1-5页岩样品水化作用能力排序表
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 (7)
1.一种非均质页岩储层水化作用能力的综合评价方法，依次包括以下步骤：
步骤S100:根据页岩储层段岩石制备岩样，并将岩样放置于烘箱内干燥至恒重；
步骤S200:测量所述岩样的孔隙度和渗透率，根据孔隙度和渗透率获取所述岩样的物性指数IR；
步骤S300:测量所述岩样的矿物成分，根据矿物成分获取所述岩样的脆性指数IB；
步骤S400:进行岩样渗吸实验测试，获取岩样的亲水指数；
获取岩样的亲水指数包括：
通过渗吸实验测试岩样的渗吸体积Vim，并通过渗吸体积Vim计算亲水指数，亲水指数计算式为：
式中：IW为岩样亲水指数，无因次；Vim为渗吸体积，cm3；V为岩样孔隙体积，cm3；A为渗吸面积，cm2；L为岩样长度，cm；
为岩样的孔隙度，％；
步骤S500:通过岩样的物性指数、脆性指数、亲水指数，确定岩样水化作用综合指数，采用岩样水化作用综合指数进行页岩岩样水化作用能力的综合评价；
所述岩样水化作用综合指数计算式为：
IH＝IRIBIW
式中：IH为岩样水化作用综合指数；IR为岩样物性指数；IB为岩样脆性指数；IW为岩样亲水指数。
2.如权利要求1所述的一种非均质页岩储层水化作用能力的综合评价方法，所述物性指数IR表达式为：
式中，IR为岩样的物性指数，μm2；k岩样的渗透率，μm2；
为岩样的孔隙度，％。
3.如权利要求1所述的一种非均质页岩储层水化作用能力的综合评价方法，所述根据矿物成分获取所述岩样的脆性指数IB包括：
测量所述岩样的石英、碳酸盐岩和黏土的含量，脆性指数IB计算式为：
式中：IR为岩样脆性指数，无因次；Vq为岩样的石英矿物百分含量，％；Vb为岩样的黏土矿物百分含量，％；Vc为岩样的碳酸盐岩矿物百分含量，％。
4.如权利要求1所述的一种非均质页岩储层水化作用能力的综合评价方法，采用氦孔隙度自动测定仪进行孔隙度测试，采用超低渗透率测定仪进行渗透率测试，采用X射线衍射仪进行矿物测试。
5.如权利要求1所述的一种非均质页岩储层水化作用能力的综合评价方法，所述岩样渗吸实验测试包括：
步骤S410:根据地层应力和地层温度确定页岩渗吸实验加载围压和实验温度；
步骤S420:进行页岩岩样渗吸实验，通过岩样渗吸前后的液面位置差确定在该时间段的渗吸体积。
6.如权利要求1所述的一种非均质页岩储层水化作用能力的综合评价方法，水化作用综合指数与水化作用呈正相关关系。
7.一种非暂态计算机可读介质，其中包括能够实施的计算机程序产品，所述计算机程序产品被适配用于执行权利要求1-6之一的非均质页岩储层水化作用能力的综合评价方法。
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