CN112593932A - 一种考虑随机裂缝分布的破碎性井眼岩样加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于石油与天然气油气井工程领域，涉及一种考虑随机裂缝分布的破碎性井眼岩样加工方法。本发明基于所钻取岩心的破碎性数学特征，结合随机变量函数建立井眼岩样的破碎性数学特征；利用XRD分析技术获取岩心矿物成分及含量，确定料浆配比；在料浆中掺入中溶聚乙烯醇薄膜制作井眼岩样，井眼岩样浸泡于55℃的温水中，溶解中溶聚乙烯醇薄膜形成裂缝，模拟井眼岩样的破碎性特征，实现了可在力学性质上模拟真实地层且具有破碎性特征的井眼岩样加工。
Description
技术领域
本发明属于石油与天然气油气井工程领域，涉及一种考虑随机裂缝分布的破碎性井眼岩样加工方法。
背景技术
在石油天然气钻井开发过程中，经常遇到破碎性地层，破碎性地层的井眼坍塌问题异常严重，极大影响钻井安全。破碎性地层是由大量随机裂缝切割地层形成的，由于随机裂缝的存在，破碎性地层体现出了强烈的几何非连续性和力学非均质性，难以采用理论方法建立破碎性地层井眼坍塌模型，需采用实验方法揭示破碎性地层井眼坍塌机理。在实验开展之前，应首先加工包含随机裂缝分布的破碎性井眼岩样，这是首要任务。目前，已有学者提出了一系列岩样加工方法，如：倾斜地层真三轴压裂物理模拟实验的岩样加工方法和装置(CN106121640B)、一种横观各向同性真三轴岩样制作方法(CN110208052A)、一种模拟水力压裂裂缝真实形态的人造岩样制作方法(CN110388201A)。然而，这些加工方法主要基于连续介质力学，加工出的岩样并不具备破碎性特征，急需提出一种通过随机裂缝分布反映破碎性特征的井眼岩样加工方法。目前，破碎性井眼岩样加工面临着一系列难题：(1)如何在井眼岩样中布置随机裂缝体现破碎性特征；(2)如何在井眼岩样中体现破碎程度的差异；(3)从地质学角度看，地层破碎程度与矿物成分、含量密切相关，如何将矿物成分加入到井眼岩样设计中。为了克服以上问题，本发明提出了一种考虑随机裂缝分布的破碎性井眼岩样加工方法。
发明内容
本发明提供了一种考虑随机裂缝分布的破碎性井眼岩样加工方法，所形成的井眼岩样可用于破碎性地层井眼坍塌实验。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种考虑随机裂缝分布的破碎性井眼岩样加工方法，基于所钻取岩心的破碎性数学特征，结合随机变量函数建立井眼岩样的破碎性数学特征；利用XRD分析技术获取岩心矿物成分及含量，确定料浆配比；在料浆中掺入中溶聚乙烯醇薄膜制作井眼岩样，井眼岩样浸泡于55℃的温水中，溶解中溶聚乙烯醇薄膜形成裂缝，呈现井眼岩样的破碎性特征。
具体步骤如下：
步骤一：获取所钻取岩心的破碎性数学特征。利用井壁取心技术从破碎性地层中钻取岩心，并基于岩心三维CT扫描仪获得岩心结构图，在结构图中建立1cm×1cm×1cm的三维坐标系，记录弯曲裂缝、直裂缝、斜裂缝的坐标数据和数量，计算岩心裂缝总面积，确定岩心的破碎程度，破碎程度定义为岩心内裂缝总面积与岩心表面积之比，见公式(1)。
式中：η为岩心破碎程度；Sa为岩心内裂缝总面积；Sb为岩心表面积。
步骤二：建立井眼岩样的破碎性数学特征。方法如下：①根据所要加工的井眼岩样表面积，并结合步骤一中的岩心破碎程度，利用公式(2)计算井眼岩样裂缝总面积；②裂缝分为弯曲裂缝、直裂缝和斜裂缝，将裂缝简化为四边形或三角形，以子步骤①中的井眼岩样裂缝总面积构建以裂缝数量及裂缝尺寸为随机变量的函数方程，见公式(3)，采用随机抽样法求解公式(3)中的随机变量，获取裂缝数量及裂缝尺寸结果；③利用随机抽样法在井眼岩样空间内随机确定裂缝位置，包括裂缝中心点位置坐标、裂缝与坐标轴夹角；④根据子步骤②和③的结果，在满足裂缝最高点具有最大值的条件下，获取裂缝各顶点在井眼岩样空间内的坐标数据。
S＝ηSj (2)
式中：S为井眼岩样裂缝总面积；Sj为井眼岩样表面积；n为弯曲裂缝数量；ai为弯曲裂缝底边长度；bi为弯曲裂缝顶边长度；hi为弯曲裂缝顶边和底边之间的距离；m为直裂缝数量；ci为直裂缝底边长度；di为直裂缝顶边长度；ei为直裂缝顶边和底边之间的距离；l为斜裂缝数量；fi为斜裂缝底边长度；gi为斜裂缝顶边长度；ti为斜裂缝顶边和底边之间的距离。
步骤三：准备井眼岩样所需材料。首先准备料浆：采用XRD对所钻取岩心开展矿物成分分析，获取所钻取岩心的矿物成分含量谱图；根据所得谱图确定料浆配比，根据料浆配比称取各种矿物成分的重量，将称取好的各种矿物成分依次倒入搅拌机中形成料浆；其次加工中溶聚乙烯醇薄膜：根据步骤二中所得到的裂缝数量和裂缝尺寸，加工井眼岩样所需的中溶聚乙烯醇薄膜。
步骤四：制备井眼岩样。首先，组装底板和侧板形成模具；其次，按照步骤二所获取的弯曲裂缝、直裂缝和斜裂缝各顶点坐标数据，在模具中用高强高模PVA纤维将步骤三加工好的中溶聚乙烯醇薄膜固定；最后，采用每层1-2厘米的分层充填方式进行料浆充填形成井眼岩样。其中，直裂缝和斜裂缝采用高强高模PVA纤维紧绷固定；弯曲裂缝采用高强高模PVA纤维松弛固定。当充填漫过一部分中溶聚乙烯醇薄膜时，需将固定中溶聚乙烯醇薄膜的高强高模PVA纤维取出；当要添加弯曲裂缝时，需用细铁丝调整中溶聚乙烯醇薄膜使其弯曲。
步骤五：静置养护井眼岩样。将充填好的模具放入20±5℃的房间，静置24小时，拆除模具获得脱模后的井眼岩样；将脱模后的井眼岩样放入20±5℃的房间，再次静置养护24小时，获得初步加工好的井眼岩样。
步骤六：形成破碎性特征。将初步加工好的井眼岩样浸水并升温到55℃，维持5-6小时，使井眼岩样内部的中溶聚乙烯醇薄膜充分溶解，形成随机裂缝进而获得具有破碎性特征的井眼岩样；然后，将井眼岩样静置放干。
步骤七：检测井眼岩样是否达标。首先，将步骤六中形成的井眼岩样通过步骤一计算破碎程度，并与所钻取岩心的破碎程度比较，两者误差需小于5％；其次，将步骤六中形成的井眼岩样进行孔隙度、渗透率、密度测试，测试结果与所钻取岩心的孔隙度、渗透率、密度测试值比较，两者误差需小于5％；最后，将步骤六中形成的井眼岩样进行单轴抗压测试，测试结果与所钻取岩心的单轴抗压强度测试值比较，两者误差需小于5％。
本发明通过构建裂缝分布、裂缝尺寸、裂缝数量的随机变量函数，并结合岩心破碎程度定义，建立了井眼岩样的破碎性数学特征；根据岩心内裂缝总面积与岩心表面积之比提出了岩心破碎程度定义，并基于岩心破碎程度和井眼岩样表面积确定了井眼岩样裂缝面积，解决了不能在井眼岩样中体现地层破碎程度的问题。利用XRD分析技术获取储层矿物成分及含量，确定料浆配比；在料浆中掺入中溶聚乙烯醇薄膜初步制作井眼岩样，井眼岩样浸泡于40℃～60℃温水中，使岩样中的中溶聚乙烯醇薄膜溶解形成裂缝，模拟井眼岩样的破碎性特征。实现了可在力学性质上模拟真实地层且具有破碎性特征的井眼岩样加工。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提出了一种表征井眼岩样破碎性特征的数学方法，通过构建裂缝数量、裂缝尺寸的随机变量函数，并结合岩心破碎程度定义，建立了井眼岩样破碎性的数学特征，解决了破碎性特征难以表征的问题。
2、本发明提出了一种实现井眼岩样破碎性特征的技术方法，在料浆中掺入中溶聚乙烯醇薄膜制作井眼岩样，并将井眼岩样浸泡于55℃温水中，使中溶聚乙烯醇薄膜溶解形成随机裂缝，模拟井眼岩样的破碎性特征。
3、本发明提出了一种表征井眼岩样破碎程度的方法，根据岩心内裂缝总面积与岩心表面积之比定义岩心破碎程度，并基于岩心破碎程度和井眼岩样表面积确定井眼岩样破碎程度，解决了井眼岩样破碎程度难以表征的问题。
4、本发明实现了一种考虑岩石矿物成分的料浆制备方法，利用XRD技术获取所钻取岩心的各种矿物成分含量谱图，根据所获谱图确定料浆配比制备井眼岩样，解决了井眼岩样难以在力学性质上模拟真实地层的问题。
附图说明
为了更清楚的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做简单的介绍：
图1为按照现有技术得到的岩样结构示意图；
图2为本发明的流程示意图；
图3为裂缝简化示意图；
图4为模具的结构示意图；
图5为根据实施例加工得到的井眼岩样结构示意图；
图中：1、岩样基质；2、斜裂缝；3、弯曲裂缝；4、直裂缝；5、底板；6、侧板；7、圆柱体。
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解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。
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
如图2所示，本实施例提供的一种考虑随机裂缝分布的破碎性井眼岩样加工方法，包括如下步骤：
步骤一：获取所钻取岩心的破碎性数学特征。利用井壁取心技术从破碎性地层中钻取岩心，并基于岩心三维CT扫描仪获得岩心结构图，在结构图中建立1cm×1cm×1cm的三维坐标系，记录弯曲裂缝、直裂缝、斜裂缝的坐标数据和数量，计算岩心裂缝总面积，确定岩心的破碎程度，破碎程度定义为岩心内裂缝总面积与岩心表面积之比，见公式(1)。
式中：η为岩心破碎程度；Sa为岩心裂缝总面积；Sb为岩心表面积。
步骤二：建立井眼岩样的破碎性数学特征。方法如下：①根据所要加工的井眼岩样表面积，并结合步骤一中的岩心破碎程度，利用公式(2)计算井眼岩样裂缝总面积；②如图3所示，裂缝分为弯曲裂缝、直裂缝和斜裂缝，将裂缝简化为四边形或三角形，以子步骤①中的井眼岩样裂缝总面积构建以裂缝数量及裂缝尺寸为随机变量的函数方程，见公式(3)，采用随机抽样法求解公式(3)中的随机变量，获取裂缝数量及裂缝尺寸结果；③利用随机抽样法在井眼岩样空间内随机确定裂缝位置，包括裂缝中心点位置坐标、裂缝与坐标轴夹角；④根据子步骤②和③的结果，在满足裂缝最高点具有最大值的条件下，获取裂缝各顶点在井眼岩样空间内的坐标数据。
S＝ηSj (2)
式中：S为井眼岩样裂缝总面积；Sj为井眼岩样表面积；n为弯曲裂缝数量；ai为弯曲裂缝底边长度；bi为弯曲裂缝顶边长度；hi为弯曲裂缝顶边和底边之间的距离；m为直裂缝数量；ci为直裂缝底边长度；di为直裂缝顶边长度；ei为直裂缝顶边和底边之间的距离；l为斜裂缝数量；fi为斜裂缝底边长度；gi为斜裂缝顶边长度；ti为斜裂缝顶边和底边之间的距离。
步骤三：准备井眼岩样所需材料。首先准备料浆：采用XRD对所钻取岩心开展矿物成分分析，获取所钻取岩心的矿物成分含量谱图；根据所得谱图确定料浆配比，根据料浆配比称取各种矿物成分的重量，将称取好的各种矿物成分依次倒入搅拌机中形成料浆；其次加工中溶聚乙烯醇薄膜：根据步骤二中所得到的裂缝数量和裂缝尺寸，加工井眼岩样所需的中溶聚乙烯醇薄膜。
具体地，将100g破碎性地层的粉末放入XRD矿物分析机，获取矿物成分组分含量谱图；根据组分含量谱图计算各种组分的质量，并与100g比较确定矿物成分组分配比；利用获取的矿物成分组分配比，计算制备井眼岩样所需的矿物成分组分质量，并与水按照质量比8:2配置料浆。
根据随机抽样法求得的裂缝数量、裂缝尺寸随机结果，利用LM1530光纤激光切割机加工中溶聚乙烯醇薄膜；其中弯曲裂缝的中溶聚乙烯醇薄膜，应以裂缝尺寸随机结果的1.2倍进行加工，便于后期制作弯曲裂缝。
步骤四：制备井眼岩样。首先，组装底板和侧板形成模具；其次，按照步骤二所获取的弯曲裂缝、直裂缝和斜裂缝各顶点坐标数据，在模具中用高强高模PVA纤维将步骤三加工好的中溶聚乙烯醇薄膜固定；最后，采用每层1-2厘米的分层充填方式进行料浆充填，得到充填好的模具，形成井眼岩样。其中，直裂缝和斜裂缝采用高强高模PVA纤维紧绷固定；弯曲裂缝采用高强高模PVA纤维松弛固定。当充填漫过一部分中溶聚乙烯醇薄膜时，需将固定中溶聚乙烯醇薄膜的高强高模PVA纤维取出；当要添加弯曲裂缝时，需用细铁丝调整中溶聚乙烯醇薄膜使其弯曲。
具体地，如图4所示，模具是由一块底板5、四块侧板6和一个圆柱体7组成的上端开口的立方体；四块侧板6分别固定于底板5之上，侧板6之间两两通过螺丝固定连接；圆柱体7也固定于底板之上，固定在四块侧板6中间。
步骤五：静置养护井眼岩样。将充填好的模具放入20±5℃的房间，静置24小时，拆除模具获得脱模后的井眼岩样；将脱模后的井眼岩样放入20±5℃的房间，再次静置养护24小时，获得初步加工好的井眼岩样。
步骤六：形成破碎性特征。将初步加工好的井眼岩样浸水并升温到55℃，维持5-6小时，使井眼岩样内部的中溶聚乙烯醇薄膜充分溶解，形成随机裂缝进而获得具有破碎性特征的井眼岩样，如图5所示；然后，将井眼岩样静置放干。
具体地，将初步加工好的井眼岩样放入注满水的水池中，加热水池中的水至55℃，维持5-6小时，使井眼岩样中的中溶聚乙烯醇薄膜充分溶解。
步骤七：检测井眼岩样是否达标。首先，将步骤六中形成的井眼岩样通过步骤一计算破碎程度，并与所钻取岩心的破碎程度比较，两者误差需小于5％；其次，将步骤六中形成的井眼岩样进行孔隙度、渗透率、密度测试，测试结果与所钻取岩心的孔隙度、渗透率、密度测试值比较，两者误差需小于5％；最后，将步骤六中形成的井眼岩样进行单轴抗压测试，测试结果与所钻取岩心的单轴抗压强度测试值比较，两者误差需小于5％。
具体地，通过CT扫描仪获取制备好的井眼岩样结构图，在结构图中建立1cm×1cm×1cm的三维坐标系，记录弯曲裂缝、直裂缝、斜裂缝的坐标数据和数量，计算井眼岩样裂缝总面积，确定井眼岩样的破碎程度，并与所钻取岩心的破碎程度对比；开展井眼岩样和所钻取岩心的孔隙度、渗透率、密度实验，并对比井眼岩样和所钻取岩心的孔隙度、渗透率、密度实验结果；利用MTS816万能实验机开展井眼岩样和所钻取岩心的单轴抗压强度实验，并对比井眼岩样和所钻取岩心的单轴抗压强度；当井眼岩样和所钻取岩心在破碎程度、孔隙度、渗透率、密度、单轴抗压强度上的误差均在5％之内时，视为井眼岩样加工达标。
Claims (10)
1.一种考虑随机裂缝分布的破碎性井眼岩样加工方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1：获取所钻取岩心的破碎性数学特征；确定岩心的破碎程度，破碎程度定义为岩心内裂缝总面积与岩心表面积之比，见公式(1)：
式中：η为岩心破碎程度；Sa为岩心内裂缝总面积；Sb为岩心表面积；
S2：建立井眼岩样的破碎性数学特征；方法如下：①根据所要加工的井眼岩样表面积，结合S1中的岩心破碎程度，利用公式(2)计算井眼岩样裂缝总面积；②以子步骤①中的井眼岩样裂缝总面积构建以裂缝数量及裂缝尺寸为随机变量的函数方程，采用随机抽样法求解随机变量，获取裂缝数量及裂缝尺寸结果；③利用随机抽样法在井眼岩样空间内随机确定裂缝位置，包括裂缝中心点位置坐标、裂缝与坐标轴夹角；④根据子步骤②和③的结果，在满足裂缝最高点具有最大值的条件下，获取裂缝各顶点在井眼岩样空间内的坐标数据；
S＝ηSj (2)
式中：S为井眼岩样裂缝总面积；Sj为井眼岩样表面积；
S3：准备井眼岩样所需材料；利用XRD分析技术获取储层矿物成分及含量，确定料浆配比；根据S2中所得到的裂缝数量和裂缝尺寸，加工井眼岩样所需的中溶聚乙烯醇薄膜；
S4：制备井眼岩样；
S5：静置养护井眼岩样；
S6：形成破碎性特征。
2.根据权利要求1所述的一种考虑随机裂缝分布的破碎性井眼岩样加工方法，其特征在于，所述S1具体步骤如下：利用井壁取心技术从破碎性地层中钻取岩心，并基于岩心三维CT扫描仪获得岩心结构图，在结构图中建立1cm×1cm×1cm的三维坐标系，记录弯曲裂缝、直裂缝、斜裂缝的坐标数据和数量，计算岩心裂缝总面积，确定岩心的破碎程度。
3.根据权利要求1所述的一种考虑随机裂缝分布的破碎性井眼岩样加工方法，其特征在于，所述S2中，将裂缝分为弯曲裂缝、直裂缝和斜裂缝，将裂缝简化为四边形或三角形，以子步骤①中的井眼岩样裂缝总面积构建以裂缝数量及裂缝尺寸为随机变量的函数方程，见公式(3)，
式中：n为弯曲裂缝数量；ai为弯曲裂缝底边长度；bi为弯曲裂缝顶边长度；hi为弯曲裂缝顶边和底边之间的距离；m为直裂缝数量；ci为直裂缝底边长度；di为直裂缝顶边长度；ei为直裂缝顶边和底边之间的距离；l为斜裂缝数量；fi为斜裂缝底边长度；gi为斜裂缝顶边长度；ti为斜裂缝顶边和底边之间的距离。
4.根据权利要求1所述的一种考虑随机裂缝分布的破碎性井眼岩样加工方法，其特征在于，所述S3具体步骤如下：首先准备料浆：采用XRD对所钻取岩心开展矿物成分分析，获取所钻取岩心的矿物成分组分含量谱图；根据所得谱图确定料浆配比，根据料浆配比称取各种矿物成分的重量，将称取好的各种矿物成分依次倒入搅拌机中形成料浆；其次加工中溶聚乙烯醇薄膜：根据S2中所得到的裂缝数量和裂缝尺寸，通过LM1530光纤激光切割机加工中溶聚乙烯醇薄膜；其中弯曲裂缝的中溶聚乙烯醇薄膜，应以裂缝尺寸随机结果的1.2倍进行加工，便于后期制作弯曲裂缝。
5.根据权利要求1所述的一种考虑随机裂缝分布的破碎性井眼岩样加工方法，其特征在于，所述S4具体步骤如下：
按照S2所获取的弯曲裂缝、直裂缝和斜裂缝各顶点坐标数据，在模具中用高强高模PVA纤维将S3加工好的中溶聚乙烯醇薄膜固定；最后，采用每层1-2厘米的分层充填方式进行料浆充填形成充填好的模具。
6.根据权利要求5所述的一种考虑随机裂缝分布的破碎性井眼岩样加工方法，其特征在于：直裂缝和斜裂缝采用高强高模PVA纤维紧绷固定；弯曲裂缝采用高强高模PVA纤维松弛固定；当充填漫过一部分中溶聚乙烯醇薄膜时，需将固定中溶聚乙烯醇薄膜的高强高模PVA纤维取出；当要添加弯曲裂缝时，需用细铁丝调整中溶聚乙烯醇薄膜使其弯曲。
7.根据权利要求5所述的一种考虑随机裂缝分布的破碎性井眼岩样加工方法，其特征在于：所述模具包括由一块底板、四块侧板组成的上端开口的立方体和一个位于立方体内部的圆柱体；四块侧板和圆柱体的底面分别固定于底板之上，相邻的侧板之间两两通过螺丝固定连接。
8.根据权利要求1所述的一种考虑随机裂缝分布的破碎性井眼岩样加工方法，其特征在于，所述S5具体步骤如下：
将充填好的模具放入20±5℃的房间，静置24小时，拆除模具获得脱模后的井眼岩样；将脱模后的井眼岩样放入20±5℃的房间，再次静置养护24小时，获得初步加工好的井眼岩样。
9.根据权利要求1所述的一种考虑随机裂缝分布的破碎性井眼岩样加工方法，其特征在于，所述S6具体步骤如下：
将初步加工好的井眼岩样浸水并升温到55℃，维持5-6小时，使井眼岩样内部的中溶聚乙烯醇薄膜充分溶解，形成随机裂缝进而获得具有破碎性特征的井眼岩样；然后，将井眼岩样静置放干。
10.根据权利要求1所述的一种考虑随机裂缝分布的破碎性井眼岩样加工方法，其特征在于，所述S6步骤后还包括检测井眼岩样是否达标步骤，具体操作如下：
首先，将S6中形成的井眼岩样通过S1计算破碎程度，并与所钻取岩心的破碎程度比较，两者误差需小于5％；其次，将S6中形成的井眼岩样进行孔隙度、渗透率、密度测试，测试结果与所钻取岩心的孔隙度、渗透率、密度测试值比较，两者误差需小于5％；最后，将S6中形成的井眼岩样进行单轴抗压测试，测试结果与所钻取岩心的单轴抗压强度测试值比较，两者误差需小于5％。
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