CN112858578B - 一种致密气藏水力压裂用缝内暂堵剂的封堵性能评价方法 - Google Patents

一种致密气藏水力压裂用缝内暂堵剂的封堵性能评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种致密油气藏用缝内暂堵剂的封堵性能评价方法，属于油田化学技术领域。所述方法包括：使用伺服试验机、溶解性实验、岩心驱替装置等，测定暂堵剂封堵性能涉及的相关参数，结合施工井地层数据、施工参数等建立所述的缝内暂堵剂评价方法。本发明提供的致密油气藏用缝内暂堵剂的封堵性能评价方法具有系统性、标准化、定义清晰的封堵性能相关参数，能有效反映致密油气藏用缝内暂堵剂的封堵效果，操作简明，安全有效。

Description

一种致密气藏水力压裂用缝内暂堵剂的封堵性能评价方法
技术领域
本发明涉及油田化学技术领域，具体涉及一种致密油气藏用缝内暂堵剂的封堵性能评价方法。
背景技术
致密砂岩储层具有低孔、低渗的特征，其孔喉特征复杂，裂缝发育不完善，一般情况不经过增产改造难以达到工业开采价值。因此在我国低孔低渗致密油气藏的开发过程中，通过根据储层不同特征采用不用的储层改造方式获得较好的增产效果，其中利用缝内暂堵剂提高缝内净压力实现裂缝转向，沟通天然裂缝是重要改造方式之一。而目前针对缝内暂堵剂封堵性能评价多数仅考虑暂堵剂的突破压力，评价方法内容简单，性能参数单一，无法真实表征裂缝中暂堵剂封堵性能，因此当下缺少具有系统性、针对性的明确定义的暂堵剂量化评价方法，无法根据地层实际环境筛取合适的缝内暂堵剂类型进行压裂改造。
发明内容
本发明的目的在于克服暂堵剂封堵性能定义不明确、评价参数单一的问题，提供系统性、标准化、定义清晰的测定致密油气藏水力压裂使用的缝内暂堵剂的封堵性能评价方法。
本发明通过如下技术方案实现：
一种致密油气藏用缝内暂堵剂的封堵性能评价方法，包括以下步骤：
第一步：采用伺服试验机测量测定粘附能力，设置实验参数，具体如下：
(1)选取施工井对应区块的同层位岩心，岩心尺寸为25.4mm×40mm，从纵向上剖成两半，在剖面与圆柱体侧面处用1mm宽不锈钢金属带支撑岩心，模拟成裂缝剖面；
(2)缝内暂堵剂放入携带液中，并在设定为地层温度的水浴锅加热10min，待暂堵剂溶胀完全，涂抹在一侧的岩心剖面上；
(3)将岩心样品移至岩心夹持器上，围压设定为施工区块的闭合压力，60min后取出岩心；
(4)利用伺服试验机沿轴心两侧拉开岩心至暂堵剂完全被破坏时，测得最大拉力值，黏附强度为最大拉力值与裂缝剖面面积之积。
Figure BDA0002577757410000021
其中σ—黏附强度，MPa；F—最大拉力，N；A—裂缝剖面面积，m2
第二步：采用制备好的岩心在岩心驱替装置进行有承压能力测试：
(1)选取施工井对应区块的同层位岩心，岩心尺寸为25.4mm×40mm，从纵向上剖成两半，在剖面与圆柱体侧面处用1mm宽不锈钢金属带支撑岩心，模拟成裂缝剖面；
(2)根据缝内暂堵长度计算缝内暂堵剂使用量，将缝内暂堵剂放入2mm高、25.4mm宽的敞口金属盒，并加入携带液，在设定为地层温度的水浴锅加热10min，待暂堵剂溶胀完全，取出制备好的暂堵剂样品；
M＝5.08·ρ·L
其中：M—缝内暂堵剂质量，g；ρ—缝内暂堵剂密度，g/cm3；L—封堵长度，cm。
(3)将剖心后形成裂缝的岩心放入岩心驱替装置中，以施工区块所用的压裂液基液为驱替液体，测定渗透率K；
(4)将暂堵剂样品放入岩心裂缝面上，岩心样品放入岩心夹持器中，围压为施工区块的闭合压力；
(5)施工区块所用的压裂液基液作为驱替液体，排量为1mL/min正向驱替液体，观察进出口段的压力变化。采用逐级加压方式测定暂堵剂突破压力，压力按照20％逐级增加，每次稳压5min，若未曾突破则继续增压，至出口段有连续液体流出，表明暂堵剂已突破，记突破压力Pt为暂堵剂稳压时承受的最高压力，记K`为暂堵剂最大稳压时的渗透率；
(6)改变暂堵剂用量，测定不同长度时的突破压力；
(7)计算暂堵剂承压能力Pz及暂堵率η。承压能力是指暂堵剂单位长度的突破压力；暂堵率为岩心剖面的渗透率与暂堵剂最大稳压时的渗透率之差与岩心剖面的渗透率的比值，暂堵率越接近1，表明封堵效果越好。
Pt∝L·Pz
其中Pt—突破压裂，MPa；L—封堵长度，mm；P—承压能力，MPa/mm。
Figure BDA0002577757410000031
其中K`—暂堵剂最大稳压时的渗透率，mD；K—岩心剖面的渗透率，mD。
第三步：采用制备好的岩心在岩心驱替装置进行有效封堵时长测试
(1)选取施工井对应区块的同层位岩心，岩心尺寸为25.4mm×40mm，从纵向上剖成两半，在剖面与圆柱体侧面处用1mm宽不锈钢金属带支撑岩心，模拟成裂缝剖面；
(2)根据缝内暂堵长度计算缝内暂堵剂STP-1使用量，将缝内暂堵剂放入高2mm、宽25.4mm的敞口金属盒，并加入携带液，在设定为地层温度的水浴锅加热10min，待暂堵剂溶胀完全，取出制备好的暂堵剂样品；
(3)将暂堵剂STP-1放入岩心裂缝面上，岩心样品放入岩心夹持器中，围压为施工区块的闭合压力；
(4)施工区块的模拟地层水作为驱替液体，排量为1mL/min正向驱替液体，观察进出口段的压力变化，10min后停止驱替。静置岩石驱替装置，时长为施工区块压裂井中单段压裂施工的平均时长；
(5)待暂堵剂在模拟地层水浸泡后，施工区块所用的压裂液基液作为驱替液体排量为1mL/min正向驱替液体，驱替压力增加至第二步中所述的突破压力的50％，再以10％逐级增加，稳压5min，若未曾突破则继续增压，至出口段有连续液体流出，表明暂堵剂已突破，记突破压力Pend为暂堵剂在施工结束稳压时承受的最高压力。
第四步：结合暂堵剂测得黏附强度、暂堵率、承压性能、有效封堵时长做出以下判断：
(1)对比暂堵剂黏附强度与暂堵剂自身抗拉强度，若大于，则表明暂堵剂在裂缝壁面上没有发生滑移现象，暂堵剂能抵抗由压裂液施加的压力，有效封堵，若小于则说明暂堵剂在裂缝壁面发生滑移，无法有效封堵；
(2)对比封堵后暂堵剂渗透率与目标区块岩心基质渗透率，若暂堵剂渗透率小于岩心基质渗透率，表明压裂液更多的是通过基质滤失，若暂堵剂渗透率大于岩心基质渗透率暂堵率越大，表明压裂液多通过暂堵剂滤失，则导致缝内净压力下降快，无法满足施工预期的裂缝转向延伸的要求；
(3)结合施工区块的地层应力及岩石力学性质计算封堵长度，基于暂堵剂承压性能判定是否能有效封堵；
Pt>(σH-σh)+St
其中：σH—最大水平主应力，MPa；σh—最大水平主应力，MPa；St—抗张强度， MPa。
(4)结合施工区块平均施工时间，暂堵剂有效封堵时长若大于施工时间，则表明在施工时暂堵剂不会自溶解，导致封堵失效。如小于则表明暂堵剂自降解，存在封堵失效风险，致使暂堵压裂失败。
Pend>(σH-σh)+St
其中：σH—最大水平主应力，MPa；σh—最大水平主应力，MPa；St—抗张强度， MPa。
本发明具有以下有益效果：
发明提供的一种致密油气藏水力压裂缝内暂堵剂的封堵性能评价方法，具有系统化、量化的评价缝内暂堵剂的封堵效果。评价方法涉及方面多样，可有效指导暂堵剂优选、单井压裂施工优化设计及现场施工。评价方法可行性高，操作简明，安全有效。
附图说明
图1是本发明实例中1mm封堵长度的暂堵剂突破压力测试结果。
图2是本发明实例中测定20mm封堵长度的有效封堵时长的突破压力测试结果。
图3是本发明实施例中封堵长度与突破压力关系图。
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，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例
第一步：采用伺服试验机测量测定粘附能力，设置实验参数，具体如下：
(1)选取施工井对应区块的同层位岩心，岩心尺寸为25.4mm×40mm，从纵向上剖成两半，在剖面与圆柱体侧面处用1mm宽不锈钢金属带支撑岩心，模拟成裂缝剖面；
(2)缝内暂堵剂STP-1放入携带液中，携带液为浓度为3kg/m3胍胶溶液，并在设定为地层温度的水浴锅加热10min，地层温度根据施工区块的地层平均温度40℃，待暂堵剂溶胀完全，涂抹在一侧的岩心剖面上；
(3)将岩心样品移至岩心夹持器上，围压设定为施工区块的闭合压力27.97MPa，60min后取出岩心；
(4)利用伺服试验机沿轴心两侧拉开岩心至暂堵剂完全被破坏时，测得最大拉力值，其值为204.95N，黏附强度为最大拉力值与裂缝剖面面积之积，黏附强度为0.208MPa。
Figure BDA0002577757410000051
其中σ—黏附强度，MPa；F—最大拉力，N；A—裂缝剖面面积，m2。
第二步：采用制备好的岩心在岩心驱替装置进行有承压能力测试：
(1)选取施工井对应区块的同层位岩心，岩心尺寸为25.4mm×40mm，从纵向上剖成两半，在剖面与圆柱体侧面处用1mm宽不锈钢金属带支撑岩心，模拟成裂缝剖面；
(2)根据暂堵长度计算缝内暂堵剂使用量，暂堵长度为10mm，暂堵剂密度为1.15g/cm3，暂堵剂使用量为5.842g，将缝内暂堵剂放入2mm高、25.4mm宽的敞口金属盒，并加入携带液，在设定为地层温度的水浴锅加热10min，待暂堵剂溶胀完全，取出制备好的暂堵剂STP-1；
M＝5.08·ρ·L
其中：M—缝内暂堵剂质量，g；ρ—缝内暂堵剂密度，g/cm3；L—封堵长度，cm。
(3)将剖心后形成裂缝的岩心放入岩心驱替装置中，以施工区块所用的压裂液基液为驱替液体，测定渗透率K，其值为26.79mD；
(4)将暂堵剂STP-1放入岩心裂缝面上，岩心样品放入岩心夹持器中，围压为施工区块的闭合压力27.97MPa；
(5)施工区块所用的压裂液基液作为驱替液体，排量为1mL/min正向驱替液体，观察进出口段的压力变化。采用逐级加压方式测定暂堵剂突破压力，压力按照20％逐级增加，每次稳压5min，若未曾突破则继续增压，至出口段有连续液体流出，表明暂堵剂已突破，记突破压力Pt为暂堵剂稳压时承受的最高压力，记K`为暂堵剂最大稳压时的渗透率，突破压力Pt为15.2MPa，暂堵剂最大稳压时的渗透率为0.6mD；
(6)改变不同暂堵长度，计算暂堵剂承压能力Pz及暂堵率η。承压能力是指暂堵剂单位长度的突破压力；暂堵率为岩心剖面的渗透率与暂堵剂最大稳压时的渗透率之差与岩心剖面的渗透率的比值，暂堵率越接近1，表明封堵效果越好。
Pt∝L·Pz
其中Pt—突破压力，MPa；L—封堵长度，mm；Pz—承压能力，MPa/mm。
Figure BDA0002577757410000061
其中K`—暂堵剂最大稳压时的渗透率，mD；K—岩心剖面的渗透率，mD。
暂堵长度(mm) 1 5 10 20
暂堵率(％) 97.7 97.9 98.4 99.5
承压能力(MPa/mm) 17.8 5.2 3.4 2.2
第三步：采用制备好的岩心在岩心驱替装置进行有效封堵时长测试
(1)选取施工井对应区块的同层位岩心，岩心尺寸为25.4mm×40mm，从纵向上剖成两半，在剖面与圆柱体侧面处用1mm宽不锈钢金属带支撑岩心，模拟成裂缝剖面；
(2)根据暂堵长度计算缝内暂堵剂STP-1使用量，暂堵长度为10mm，暂堵剂密度为1.15g/cm3，暂堵剂使用量为5.842g，将缝内暂堵剂放入2mm高、25.4mm宽的敞口金属盒，并加入携带液，在设定为地层温度的水浴锅加热10min，待暂堵剂溶胀完全，取出制备好的暂堵剂STP-1；
M＝5.08·ρ·L
其中：M—缝内暂堵剂质量，g；ρ—缝内暂堵剂密度，g/cm3；L—封堵长度，cm。
(3)将暂堵剂样品放入岩心裂缝面上，岩心样品放入岩心夹持器中，围压为施工区块的闭合压力27.97MPa；
(4)施工区块的模拟地层水作为驱替液体，排量为1mL/min正向驱替液体，观察进出口段的压力变化，10min后停止驱替。静置岩石驱替装置，时长为施工区块压裂井中单段压裂施工的平均时长，即2h；
(5)待暂堵剂STP-1在模拟地层水浸泡后，施工区块所用的压裂液基液作为驱替液体排量为1mL/min正向驱替液体，基液为浓度为3kg/m3胍胶溶液，驱替压力增加至第二步中所述的突破压力的50％，再以10％逐级增加，稳压5min，若未曾突破则继续增压，至出口段有连续液体流出，表明暂堵剂STP-1已突破，记突破压力Pend为暂堵剂STP-1 在施工结束稳压时承受的最高压力，其值为14.2MPa。
暂堵长度(mm) 1 5 10 20
暂堵率(％) 93.2 93.4 93.9 95.0
承压能力(MPa/mm) 13.8 4.9 3.2 2.2
第四步：结合暂堵剂测得黏附强度、暂堵率、承压性能、有效封堵时长做出以下判断：
(1)对比暂堵剂黏附强度与暂堵剂自身抗拉强度，暂堵剂自身抗拉强度为0.112MPa，若暂堵剂黏附强度大于0.112MPa，则表明暂堵剂在裂缝壁面上没有发生滑移现象，暂堵剂能抵抗由压裂液施加的压力，有效封堵，若暂堵剂黏附强度小于0.112MPa，则说明暂堵剂在裂缝壁面发生滑移，无法有效封堵。暂堵剂STP-1的黏附强度大于暂堵剂自身抗拉强度，可有效封堵；
(2)对比封堵后暂堵剂渗透率与目标区块岩心基质渗透率，目标区块岩心基质渗透率为2.38mD，若暂堵剂渗透率小于岩心基质渗透率，表明压裂液更多的是通过基质滤失，若暂堵剂渗透率大于岩心基质渗透率，暂堵率越大，表明压裂液多通过暂堵剂滤失，则导致缝内净压力下降快，无法满足施工预期的裂缝转向延伸的要求。暂堵剂STP-1封堵后的渗透率小于岩心基质渗透率2.38mD，可降低压裂液滤失；
(3)结合施工区块的地层应力及岩石力学性质计算封堵长度，最小水平主应力为25MPa，最大水平主应力为29MPa，岩石抗拉强度为4.2MPa，临界缝内净压力为8.2MPa 基于暂堵剂承压性能判定是否能有效封堵。暂堵剂STP-1承压能力满足缝内净压力要求；
Pt>(σH-σh)+St
(4)结合施工区块平均施工时间，暂堵剂有效封堵时长若大于施工时间，则表明在施工时暂堵剂不会自溶解，导致封堵失效。如暂堵剂有效封堵时长小于施工时间则表明暂堵剂自降解，存在封堵失效风险，致使暂堵压裂失败。暂堵剂STP-1在施工时间2h后承压能力为14.2MPa，满足缝内净压力要求。
Pend>(σH-σh)+St
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种致密油气藏用缝内暂堵剂的封堵性能评价方法，其特征在于：所述方法包括：使用缝内暂堵剂材料在伺服试验机上测试黏附强度；利用金属带支撑的剖缝岩心测定所述的缝内暂堵剂承压能力、暂堵率；利用溶解实验和岩心驱替装置共同测定所述缝内暂堵剂有效封堵时长；结合施工井地层数据、施工参数建立所述的缝内暂堵剂评价方法；具体包括：
第一步：采用伺服试验机测量测定黏附强度，设置实验参数：
(1)选取施工井对应区块的同层位岩心，岩心尺寸为25.4mm×40mm，从纵向上剖成两半，在剖面与圆柱体侧面处用1mm宽不锈钢金属带支撑岩心，模拟成裂缝剖面；
(2)缝内暂堵剂放入携带液中，并在设定为地层温度的水浴锅加热10min，待暂堵剂溶胀完全，涂抹在一侧的岩心剖面上；
(3)将岩心样品移至岩心夹持器上，围压设定为施工区块的闭合压力，60min后取出岩心；
(4)利用伺服试验机沿轴心两侧拉开岩心至暂堵剂完全被破坏时，测得最大拉力值，黏附强度为最大拉力值与裂缝剖面面积之比
Figure FDA0003857748340000011
其中σ—黏附强度，MPa；F—最大拉力值，N；A—裂缝剖面面积，m2
第二步：采用制备好的岩心在岩心驱替装置进行有承压能力测试：
(1)选取施工井对应区块的同层位岩心，岩心尺寸为25.4mm×40mm，从纵向上剖成两半，在剖面与圆柱体侧面处用1mm宽不锈钢金属带支撑岩心，模拟成裂缝剖面；
(2)根据缝内暂堵长度计算缝内暂堵剂使用量，将缝内暂堵剂放入2mm高、25.4mm宽的敞口金属盒，并加入携带液，在设定为地层温度的水浴锅加热10min，待暂堵剂溶胀完全，取出制备好的暂堵剂样品；
M＝5.08·ρ·L
其中：M—缝内暂堵剂质量，g；ρ—缝内暂堵剂密度，g/cm3；L—封堵长度，cm
(3)将剖心后形成裂缝的岩心放入岩心驱替装置中，以施工区块所用的压裂液基液为驱替液体，测定渗透率K；
(4)将暂堵剂样品放入岩心裂缝面上，岩心样品放入岩心夹持器中，围压为施工区块的闭合压力；
(5)施工区块所用的压裂液基液作为驱替液体，排量为1mL/min正向驱替液体，观察进出口段的压力变化，采用逐级加压方式测定暂堵剂突破压力，压力按照20％逐级增加，每次稳压5min，若未曾突破则继续增压，至出口段有连续液体流出，表明暂堵剂已突破，记突破压力Pt为暂堵剂稳压时承受的最高压力，记K`为暂堵剂最大稳压时的渗透率；
(6)改变暂堵剂用量，测定不同长度时的突破压力；
(7)计算暂堵剂承压能力Pz及暂堵率η，承压能力是指暂堵剂单位长度的突破压力；暂堵率为岩心剖面的渗透率与暂堵剂最大稳压时的渗透率之差与岩心剖面的渗透率的比值，暂堵率越接近1，表明封堵效果越好
Pt∝L·Pz
其中Pt—突破压力，MPa；L—封堵长度，mm；Pz—承压能力，MPa/mm
Figure FDA0003857748340000021
其中K`—暂堵剂最大稳压时的渗透率，mD；K—岩心剖面的渗透率，mD
第三步：采用制备好的岩心在岩心驱替装置进行有效封堵时长测试：
(1)选取施工井对应区块的同层位岩心，岩心尺寸为25.4mm×40mm，从纵向上剖成两半，在剖面与圆柱体侧面处用1mm宽不锈钢金属带支撑岩心，模拟成裂缝剖面；
(2)根据缝内暂堵长度计算缝内暂堵剂STP-1使用量，将缝内暂堵剂放入高2mm、宽25.4mm的敞口金属盒，并加入携带液，在设定为地层温度的水浴锅加热10min，待暂堵剂溶胀完全，取出制备好的暂堵剂样品；
(3)将暂堵剂STP-1放入岩心裂缝面上，岩心样品放入岩心夹持器中，围压为施工区块的闭合压力；
(4)施工区块的模拟地层水作为驱替液体，排量为1mL/min正向驱替液体，观察进出口段的压力变化，10min后停止驱替；静置岩石驱替装置，时长为施工区块压裂井中单段压裂施工的平均时长；
(5)待暂堵剂在模拟地层水浸泡后，施工区块所用的压裂液基液作为驱替液体排量为1mL/min正向驱替液体，驱替压力增加至第二步中所述的突破压力的50％，再以10％逐级增加，稳压5min，若未曾突破则继续增压，至出口段有连续液体流出，表明暂堵剂已突破，记突破压力Pend为暂堵剂在施工结束稳压时承受的最高压力；
第四步：结合暂堵剂测得黏附强度、暂堵率、承压能力、有效封堵时长做出以下判断：
(1)对比暂堵剂黏附强度与暂堵剂自身抗拉强度，若大于，则表明暂堵剂在裂缝壁面上没有发生滑移现象，暂堵剂能抵抗由压裂液施加的压力，有效封堵，若小于则说明暂堵剂在裂缝壁面发生滑移，无法有效封堵；
(2)对比封堵后暂堵剂渗透率与目标区块岩心基质渗透率，若暂堵剂渗透率小于岩心基质渗透率，表明压裂液更多的是通过基质滤失，若暂堵剂渗透率大于岩心基质渗透率暂堵率越大，表明压裂液多通过暂堵剂滤失，则导致缝内净压力下降快，无法满足施工预期的裂缝转向延伸的要求；
(3)结合施工区块的地层应力及岩石力学性质计算封堵长度，基于暂堵剂承压性能判定是否能有效封堵；
Pt>(σH-σh)+St
其中：σH—最大水平主应力，MPa；σh—最大水平主应力，MPa；St—抗张强度，MPa；
(4)结合施工区块平均施工时间，暂堵剂有效封堵时长若大于施工时间，则表明在施工时暂堵剂不会自溶解，导致封堵失效；如小于则表明暂堵剂自降解，存在封堵失效风险，致使暂堵压裂失败；
Pend>(σH-σh)+St
其中：σH—最大水平主应力，MPa；σh—最大水平主应力，MPa；St—抗张强度，MPa。
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