CN112343575B - 一种研究裂缝性地层封堵承压机制的模拟实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种研究裂缝性地层封堵承压机制的模拟实验方法，包括以下步骤：S1：对岩样进行初次水力压裂；S2：开展裂缝预封堵实验；S3：进行二次压裂，当注入压力达到初次压裂的裂缝扩展压力时保持一段时间；S4：观察该时间段内注入压力响应曲线的变化趋势；若下降则返回S2；若稳定则进入S5；S5：将注入压力提高至下一个压力点并保持，重复S4，直至稳压失败，将稳压失败前的一个压力点视为封堵后的裂缝扩展压力；S6：保持轴向应力和注入压力恒定，持续增加围压，使压裂试样恢复到S1的变形状态，将此时的围压增量视为裂缝封堵作用对周围岩石产生的附加应力。本发明既能方便快捷地获得裂缝性地层的封堵承压能力，又能揭示其封堵承压作用机理。
Description
技术领域
本发明涉及裂缝性油气藏高效钻井技术领域，特别涉及一种研究裂缝性地层封堵承压机制的模拟实验方法。
背景技术
顺应全球油气勘探开发新趋势，我国油气资源的勘探开发逐步向深水、深层及非常规油气资源迈进。深部地层中广泛发育的多尺度裂缝为油气资源的高效开发提供了良好的渗透通道，但同时高密度钻井液的大量使用也增加了钻井液漏失的风险。钻井过程中发生井漏，不仅造成高额的钻井液材料损失、较长的非生产时间，还容易诱发井塌、井喷、卡钻等井下复杂事故，严重时甚至导致水平井提前完钻，已经成为制约裂缝性油气藏优快钻井的主要技术瓶颈之一。承压堵漏技术是控制钻井液漏失、提高地层承压能力的有效手段，漏失地层的封堵承压能力主要受封堵层结构稳定性和封堵裂缝的扩展压力来控制。对于稳定封堵层而言，漏失地层的封堵承压能力直接取决于封堵裂缝的扩展压力。井壁裂缝的封堵承压过程属于典型的流固耦合问题，必须考虑井周围岩-裂缝系统-封堵层三者之间的相互作用，而现有的理论模型均对裂缝封堵过程做了简化处理，导致裂缝性地层承压堵漏的力学机理尚不清晰、封堵承压效果预测不准。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种研究裂缝性地层封堵承压机制的模拟实验方法，既能够方便、快捷地获得裂缝性地层的封堵承压能力，又能够揭示裂缝性地层的封堵承压作用机理。
本发明的技术方案如下：
一种研究裂缝性地层封堵承压机制的模拟实验方法，包括以下步骤：
S1：选取岩样进行初次水力压裂实验，得到产生了裂缝的压裂试样，实验过程中实时监测轴向应力、围压、注入压力和径向变形的响应曲线；
S2：配置堵漏浆，开展所述压裂试样的裂缝预封堵实验；
S3：采用步骤S1相同的实验条件，对预封堵的压裂试样进行二次压裂，同时监测注入过程中轴向应力、围压、注入压力和径向变形的响应曲线；当注入压力达到初次压裂的裂缝扩展压力时，保持该压力一段时间；
S4：观察压力保持时间段内注入压力响应曲线的变化趋势；
若呈下降趋势，则裂缝封堵失败，返回步骤S2；
若呈稳定状态，则进入步骤S5；
S5：将注入压力提高至下一个压力点并保持一段时间，重复步骤S4，直至稳压失败，将稳压失败前的一个压力点视为封堵后的裂缝扩展压力(又称为地层封堵承压能力)；
S6：对比由步骤S3转变到步骤S5过程中岩样的径向变形增量，然后保持轴向应力和注入压力恒定，持续增加围压，使封堵后的压裂试样恢复到步骤S1对应的变形状态，将此时的围压增量等效为裂缝封堵作用对周围岩石产生的附加应力。
作为优选，选取所述岩样时，选取井下岩心或岩石露头，钻取Φ70×100mm的圆柱形岩石试样，并在试样上端面的中心钻出Φ14×70mm的孔眼以模拟实际井眼，完成试样制备。作为优选，若岩石为页岩、煤岩等层状岩石，则所述岩样为裂缝性地层中沿不同取样角度钻取而得的圆柱形试样，所述取样角度是指岩样中心线与层理面之间的夹角。
作为优选，所述水力压裂实验具体包括以下步骤：在所述岩样上端面的中心钻出孔眼以模拟实际井眼，然后采用电液伺服三轴多功能岩石力学实验系统对所述岩样进行水力压裂实验，记录实验过程中轴向应力、围压、流体压力、径向变形的数据情况，并根据注入压力和径向变形监测数据确定所述岩样的破裂压力、裂缝扩展压力以及压裂形成的等效裂缝宽度。
作为优选，所述堵漏浆为钻井液、刚性颗粒、弹性颗粒、纤维材料的混合物。
作为优选，所述刚性颗粒、弹性颗粒、纤维材料的浓度比为1:1:1。
作为优选，裂缝与封堵实验时，以2.0MPa的注入压力向压裂试样中注入堵漏浆，注入完成后，将预封堵的试样静置24h。
作为优选，步骤S5每个压力点的压力增量为0.5-1.0MPa。
作为优选，还包括根据所述附加应力的大小判断步骤S2封堵效果的步骤；若附加应力越大，则封堵效果越好。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
①本发明通过开展厚壁圆筒岩样的水力压裂实验，在岩样孔眼周围产生对称/非对称分布的双翼垂直裂缝，压裂产生的裂缝形态简单真实，裂缝起裂与扩展压力以及裂缝宽度已知，可为后续的裂缝封堵实验提供可靠的参数依据；②通过开展预封堵厚壁圆筒岩样的重复压裂实验，实时监测重复压裂过程中预封堵岩样的压力响应和径向变形曲线，能够真实地模拟井壁裂缝的封堵承压过程，反映裂缝性地层的封堵承压能力；③根据预封堵岩样重复压裂前后的径向变形和注入压力响应曲线，通过持续增加围压的方式使封堵后压裂试样的径向变形恢复到初次压裂后的变形状态，并将围压的增量近似看做裂缝封堵作用对周围岩石产生的附加应力，以此揭示裂缝封堵承压的力学机制。该方法较现有技术相比，更加直观简便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一组典型实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为#1页岩试样井壁破裂及裂缝重张过程中的压力响应和径向变形曲线示意图；
图2为#1页岩试样初次压裂后的井壁裂缝扩展轨迹的CT扫描示意图；
图3为裂缝封堵承压阶段以及变形恢复阶段的压力响应和变形特征曲线示意图；
图4为图3中封堵承压阶段的局部放大示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。除非另外定义，本发明公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明公开使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
实施例1
一种研究裂缝性地层封堵承压机制的模拟实验方法，包括以下步骤：
S1：制备岩样，选取岩样进行初次水力压裂实验，得到产生了裂缝的压裂试样，实验过程中实时监测轴向应力、围压、注入压力和径向变形的响应曲线。具体的，包括以下子步骤：
S11：选取足够大的页岩露头，找出层理面位置；
S12：沿垂直和平行层理面方向分别钻取两块圆柱形页岩试样，并将其编号为#1、#2、#3、#4，试样尺寸约为Φ70×100mm；
S13：在每块试样中心钻出直径为12mm、深度为70mm的孔眼来模拟实际井眼；
S14：采用电液伺服三轴多功能岩石力学实验系统对所述岩样进行水力压裂实验，所述电液伺服三轴多功能岩石力学实验系统由高温高压三轴压力室、伺服液压源、围压增压缸、孔压增压缸、手动阀门操作柜、微机测量与控制系统等组成，为现有技术，具体结构在此不再赘述。装置的最大围压和孔隙压力加载能力达到80MPa(控制精度±1％)，轴向油缸最大推力达到952kN(控制精度±1％)，测试试样的最大直径为90mm，最大高度为100mm，轴向变形测量范围为0.001～5mm(测量精度±0.5％)，径向变形测量范围为0.001～10mm(测量精度±0.5％)。实验时采用抗磨润滑油作为注入流体，实验条件为：轴向应力25.0MPa，围压5.0MPa，温度为室温，轴向应力和围压采用力控制模式；流体注入采用位移控制模式，注入流量为5mm/min。实验过程中记录轴向应力、围压、流体压力、径向变形的数据情况。
S15：试验完成后，取出岩样，观察水力裂缝在岩样表面产生的裂缝形态，并根据流体注入压力的响应曲线确定所述岩样的破裂压力、裂缝扩展压力以及等效裂缝宽度。由注入压力响应曲线确定岩样破裂压力、裂缝扩展压力以及等效裂缝宽度的方法为现有技术，具体计算方法在此不再赘述。
S2：将初次压裂后的岩样重新装回所述电液伺服三轴多功能岩石力学实验系统，采用堵漏浆对其进行裂缝预封堵实验，封堵所述压裂试样的裂缝。所述堵漏浆为钻井液、刚性颗粒、弹性颗粒、纤维材料的混合物，所述刚性颗粒、弹性颗粒、纤维材料的浓度比为1:1:1。所述刚性颗粒为方解石，所述弹性颗粒为膨胀石墨，所述纤维材料为植物纤维。作为优选，所述刚性颗粒包括多种不同粒径范围的颗粒，例如所述刚性颗粒包括三种不同粒径范围的颗粒一、颗粒二和颗粒三，所述颗粒一的粒径范围为100-300μm，所述颗粒二的粒径范围为300-600μm，所述颗粒三的粒径范围为600-900μm。封堵实验时，将所述刚性颗粒、弹性颗粒、纤维材料按照浓度1:1:1与少量流体混合，充分搅拌以保证堵漏材料在流体中均匀分散。向孔眼内注入堵漏浆，同时向孔眼施加较低的流体压力，例如2.0MPa，利用孔眼内外压差将堵漏材料挤入初次压裂产生的裂缝中，整个挤注过程持续2min，以保证堵漏材料尽可能多地填充井壁裂缝。
S3：采用步骤S1相同的实验条件，对预封堵的压裂试样进行二次压裂，同时监测注入过程中轴向应力、围压、注入压力和径向变形的响应曲线；当二次压裂的注入压力达到步骤S1初次压裂的裂缝扩展压力时，保持该压力一段时间，如5min、10min、15min等任意时间段；
S4：观察保持压力时间段内注入压力响应曲线的变化趋势；
若变化趋势呈下降趋势，则说明裂缝封堵失败，返回步骤S2；
若变化趋势呈稳定状态，则进入步骤S5；
S5：将注入压力提高至下一个压力点并保持一段时间，重复步骤S4，直至稳压失败，将稳压失败前的一个压力点视为封堵后的裂缝扩展压力。每个压力点的压力增量为0.5-1.0MPa
S6：对比由步骤S3转变到步骤S5过程中岩样的径向变形增量，然后保持轴向应力和注入压力恒定，持续增加围压，使封堵后的压裂试样恢复到步骤S1对应的变形状态，将此时的围压增量等效为裂缝封堵作用对周围岩石产生的附加应力，根据所述附加应力的大小判断步骤S2的封堵效果；若附加应力越大，则封堵效果越好。
以#1圆柱形试样为例，采用上述方法开展实验，并对实验测试结果进行分析。井壁破裂及裂缝重张过程中的压力响应曲线如图1所示。从图1可以看出，当流体注入压力达到22.32MPa时，压力响应曲线迅速跌落，同时可以清楚地听到岩样破裂产生的“咔嚓”声，初步判断页岩试样井壁产生了贯穿的水力裂缝。继续保持轴向应力和围压不变，并以5mm/min的注入流量向井眼内注入流体，发现注入压力持续降低并最终趋于稳定。
取出试样，初次压裂后的岩样如图2所示，图中白色实线表示层理面，白色虚线表示水力压裂产生的裂缝面形态。从图2可以清楚地看到水力压裂产生的双翼水力裂缝，由此确定页岩试样的井壁破裂压力(Pfi)和裂缝重张压力(Pro)分别为22.32MPa和7.1MPa。同时根据监测的径向变形，初步判断水力压裂产生的裂缝宽度为0.594mm。根据该裂缝宽度，选用颗粒粒度D90＝416.2μm的刚性离子和粒径为0.3mm的弹性石墨作为堵漏材料，对水力压裂产生的裂缝进行封堵。
裂缝封堵承压阶段以及变形恢复阶段的压力响应和变形特征曲线如图3所示，其中裂缝封堵承压过程的局部放大图如图4所示。从图3和图4可以看出，当注入压力增加到10.12MPa后开始缓慢跌落，说明封堵承压能力为10.12MPa，封堵后的裂缝重张压力提高了3.02MPa。当注入压力降低到9.0MPa左右时，保持注入压力和轴向应力恒定，逐渐增加围压以压缩页岩试样，最终使其恢复到封堵承压测试前的变形状态。注入压力恒为9.0MPa情况下，使试样变形恢复所需的围压增量(Δσc)为4.94MPa，换句话说，对井壁水力裂缝实施有效封堵后，井壁压力和封堵带相互作用对周围岩石产生的等效附加应力为4.94MPa。
#2、#3、#4圆柱形试样也采用上述相同的方法开展实验，实验也出现与#1圆柱形试样相似的曲线特征，根据压力和径向变形响应曲线，提取裂缝起裂、重张、封堵承压以及变形恢复阶段的关键压力和径向变形信息如表1所示：
表1岩样实验关键参数统计
表1中，Pfi为井壁破裂压力；Pro为裂缝重张压力；Pfp为封堵承压能力；εri为井壁裂缝扩展产生的最大径向变形量，mm；Pw1为封堵后第一次增压的压力值，MPa；εr1为封堵后第一次增加产生的最大径向变形量，mm；Pw2为封堵后第二次增压的压力值，MPa；εr2为封堵后第二次增加产生的最大径向变形量，mm；Pw3为封堵后第三次增压的压力值，MPa；εr3为封堵后第三次增加产生的最大径向变形量，mm；Δσc为围压增量；Pwi为步骤S5的注入压力。
从表1可以得出以下基本认识：①相同围压下，沿垂直层理方向钻取的页岩试样的破裂压力和裂缝重张压力均大于沿平行层理方向钻取的试样；②初次压裂过程中，井壁裂缝扩展产生的最大径向变形量与层理角度有关，即垂直层理的页岩试样压裂产生的径向变形量大于平行层理的页岩试样；③裂缝封堵作用对井周围岩产生的附加应力与井壁压力密切相关，即井壁压力越大，封堵作用产生的附加应力越大。本发明的实验结果不仅反映了承压堵漏的力学机理，即裂缝封堵承压过程中会改变井周围岩应力场，也说明有效封堵井壁裂缝可以在一定程度上提高地层的承压能力。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，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许更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 (7)
1.一种研究裂缝性地层封堵承压机制的模拟实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：选取岩样进行初次水力压裂实验，得到产生了裂缝的压裂试样，实验过程中实时监测轴向应力、围压、注入压力和径向变形的响应曲线；
S2：配置堵漏浆，开展所述压裂试样的裂缝预封堵实验；
S3：采用步骤S1相同的实验条件，对预封堵的压裂试样进行二次压裂，同时监测注入过程中轴向应力、围压、注入压力和径向变形的响应曲线；当注入压力达到初次压裂的裂缝扩展压力时，保持该压力一段时间；
S4：观察压力保持时间段内注入压力响应曲线的变化趋势；
若呈下降趋势，则裂缝封堵失败，返回步骤S2；
若呈稳定状态，则进入步骤S5；
S5：将注入压力提高至下一个压力点并保持一段时间，重复步骤S4，直至稳压失败，将稳压失败前的一个压力点视为封堵后的裂缝扩展压力；
S6：对比由步骤S3转变到步骤S5过程中岩样的径向变形增量，然后保持轴向应力和注入压力恒定，持续增加围压，使封堵后的压裂试样恢复到步骤S1对应的变形状态，将此时的围压增量等效为裂缝封堵作用对周围岩石产生的附加应力。
2.根据权利要求1所述的研究裂缝性地层封堵承压机制的模拟实验方法，其特征在于，所述岩样为裂缝性地层中沿不同取样角度钻取而得的圆柱形试样，所述取样角度是指岩样中心线与层理面之间的夹角。
3.根据权利要求1所述的研究裂缝性地层封堵承压机制的模拟实验方法，其特征在于，所述水力压裂实验具体包括以下步骤：在所述岩样上端面的中心钻出孔眼以模拟实际井眼，然后采用电液伺服三轴多功能岩石力学实验系统对所述岩样进行水力压裂实验，记录实验过程中轴向应力、围压、流体压力、径向变形的数据情况，并根据注入压力和径向变形监测数据确定所述岩样的破裂压力、裂缝扩展压力以及压裂形成的等效裂缝宽度。
4.根据权利要求1所述的研究裂缝性地层封堵承压机制的模拟实验方法，其特征在于，所述堵漏浆为钻井液、刚性颗粒、弹性颗粒、纤维材料的混合物。
5.根据权利要求4所述的研究裂缝性地层封堵承压机制的模拟实验方法，其特征在于，所述刚性颗粒、弹性颗粒、纤维材料的浓度比为1:1:1。
6.根据权利要求1所述的研究裂缝性地层封堵承压机制的模拟实验方法，其特征在于，步骤S5每个压力点的压力增量为0.5-1.0MPa。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的研究裂缝性地层封堵承压机制的模拟实验方法，其特征在于，还包括根据所述附加应力的大小判断步骤S2封堵效果的步骤；若附加应力越大，则封堵效果越好。
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