CN113914851B - 模拟复杂裂缝系统内压裂液渗吸的实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种模拟复杂裂缝系统内压裂液渗吸的实验方法，包括以下步骤：制作设置裂缝系统的试样，在所述试样内埋设注入管线并用固化剂固封所述试样；将试样放置在真三轴水力压裂模拟装置腔体内，抽出试样内的空气，并向裂缝系统注入不同的流体介质，以模拟原始孔隙压力与含油气状态；通过注入管线向裂缝系统中注入一定值的压裂液，记录裂缝系统缝内压力变化；计算裂缝系统对压裂液的渗吸量。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟复杂裂缝系统内压裂液渗吸的实验方法，尤其是水力裂缝内部压裂液渗吸(或滤失)特征的仿真实验方法。
背景技术
水力压裂技术是低渗透油气藏增产改造的重要措施。水力压裂是利用地面高压泵组，以超过地层吸收能力的排量将压裂液泵入地层来产生水力裂缝，然后继续注入带有支撑剂(石英砂或陶粒等)的压裂液，使裂缝继续延伸并在其中充填支撑剂。当地面高压泵组停泵之后，由于压裂液侵入地层，裂缝内流体压力逐渐降低，导致水力裂缝逐渐闭合，压裂液侵入地层速率越快、裂缝闭合越快。停泵一段时间后，由于闭合压力大于缝内流体压裂，没有支撑剂支撑的水力裂缝会发生闭合，而被支撑剂支撑的水力裂缝会始终保持开启状态。因此，地面高压泵组停泵后的压力变化，可以反映地层中水力裂缝的形态。根据压裂液侵入特征，可以估算地层中水力裂缝参数。
目前，现有技术中关于压裂液侵入特征的测量装置与方法，主要分为压裂液滤失、压裂液渗吸两类。在压裂液滤失测量方法方面的测量方法，主要利用岩芯夹持器，通过加载围压、在岩芯两端建立驱替压差来测量流体滤失量，从而反应流体侵入特征。但是上述方法由于试样尺寸小，且圆形试样无法施加三轴应力，因此无法考虑主裂缝与分支裂缝形态的影响，也无法考虑地应力差异(上覆应力、水平最大和水平最小主应力)造成的分支裂缝闭合的影响。
在压裂液渗吸测量方法方面主要以中间容器开放式浸泡的方式进行实验，结合岩芯重量称量、应力应变传感器、声波等手段对流体渗吸特征参数进行监测，实验方法可以考虑流体压力、温度等因素的影响。但是这类方法由于采用开放式浸泡，因此无法考虑外部浸泡流体与岩石内部孔隙压力的差异。同时，浸泡时外部浸泡流体总液量远远大于岩石内部孔隙体积(而真实储层条件则相反)，也会导致流体渗吸测量值失实。
综上所述，针对现有技术中水力裂缝体系与压裂液吸收环境不匹配造成的压裂液吸收特征失实，以及无法考虑地应力、孔隙压力、缝内流体压力与裂缝形态等多因素综合影响的问题。
发明内容
针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种模拟复杂裂缝系统内压裂液渗吸的实验方法，能够评估压裂液侵入引起的压力变化与裂缝形态、参数之间关系，从而为压裂施工现场压后效果的实时评价以及后续压裂施工的优化提供理论依据与技术支撑。
本发明提出了一种模拟复杂裂缝系统内压裂液渗吸的实验方法，包括：
制作设置裂缝系统的试样，在所述试样内埋设注入管线并用固化剂固封所述试样；
将试样放置在真三轴水力压裂模拟装置腔体内，抽出试样内的空气，并向裂缝系统注入不同的流体介质，以模拟原始孔隙压力与含油气状态；
通过注入管线向裂缝系统中注入一定值的压裂液，记录裂缝系统缝内压力变化；计算裂缝系统对压裂液的渗吸量。
本发明的进一步改进在于，计算裂缝系统对压裂液的渗吸量时；压裂液的总体积为V，密度为ρ，流体压缩系数为β；裂缝系统缝内压力在一定时间内的变化量为ΔP；
所述渗吸量Δm满足：Δm＝β·V·ΔP·ρ。
本发明的进一步改进在于，制作所述试样的过程中，首先切割并打磨试样，再在试样上切割裂缝系统，之后试样在一定温度下烘干至质量不在变化。
本发明的进一步改进在于，所述裂缝系统包括主裂缝和若干分支裂缝。
本发明的进一步改进在于，所述试样烘干的温度为60±0.5℃。
本发明的进一步改进在于，在试样上埋入管线后将固化剂注入管线并封隔裂缝系统的表面；
之后将试样放置在模具中，所述试样在所述模具中通过垫块支撑，使所述试样的外表面与模具内壁之间保持一定的距离；
将液体固化剂从模具底部注入模具至注满模具，并在真空、恒温的环境中至完全固结。
本发明的进一步改进在于，注入液体固化剂固结环境的真空状态，温度为60±0.5℃，固化时间为40～50小时。
本发明的进一步改进在于，通入压裂液之前，根据压裂现场井筒体积Vp与实际压裂液泵入总体积Vf，调整注入管线的长度；使注入管线的环空体积Vp1和裂缝系统的体积Vf1满足：Vp1/Vf1＝Vp/Vf。
本发明的进一步改进在于，所述垫块为液体固化剂固化而成。
本发明的进一步改进在于，试样放置在真三轴水力压裂模拟装置腔体内，所述真三轴水力压裂模拟装置对所述试样三向应力加载至0.5±0.02MPa。
本发明的进一步改进在于，通过所述注入管线，利用真空泵将裂缝系统与试样基质内部空气抽出；
然后，以向裂缝系统定压注入孔隙饱和流体介质，待注入累计量不再变化、且稳定时间达到48小时以上，视为样品基质完全饱和、基质孔隙压力达到设定值，从而模拟地层原始孔隙压力；
再次通过注入管线，利用真空泵快速将裂缝系统内部孔隙饱和流体介质抽出。
本发明的进一步改进在于，利用真三轴水力压裂模拟装置对所述试样进行三向轴向应力的加载的同时，通过注入管线向所述试样的裂缝系统注入压裂液流体介质，使注入压力与主裂缝面法向的轴向应力的加载应力基本保持一致。
本发明的进一步改进在于，待三向轴向应力与初始流体压力达到设计值，关闭注入流体端阀门、停止压裂液的注入，持续记录入口端压力变化情况，从而得到复杂裂缝系统缝内压力衰减特征，继而根据压力变化计算复杂裂缝系统对压裂液的渗吸量。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的一种模拟复杂裂缝系统内压裂液渗吸的实验方法，能够评估压裂液侵入引起的压力变化与裂缝形态、参数之间关系，从而为压裂施工现场压后效果的实时评价以及后续压裂施工的优化提供理论依据与技术支撑。
本发明利用三轴应力加载与饱和孔隙压力方式模拟储层条件下。利用管线注入压裂液的方式，仿真模拟真实储层条件下的压裂液滤失过程。该方法可以综合考虑原始储层含油气状态、孔隙压力、地应力状态、裂缝系统以及流体压力的影响。
附图说明
下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：
图1所示为本发明的一个实施例的试样的结构示意图，显示了切割后的状态；
图2所示为本发明的一个实施例的试样的结构示意图，显示了切割裂缝系统的状态；
图3所示为本发明的一个实施例的试样的结构示意图，显示了安装注入管线的结构；
图4所示为本发明的一个实施例的试样的结构示意图，显示了安装注入管线后的剖视结构；
图5所示为本发明的一个实施例的试样的结构示意图，显示了固封注入管线和封堵表面裂缝的结构；
图6所示为本发明的一个实施例的模具的结构示意图；
图7所示为本发明的一个实施例的模具和垫块的安装示意图；
图8所示为本发明的一个实施例的试样放置在模具中的状态示意图；
图9所示为本发明的一个实施例的试样注入压裂液时的状态；
图10所示为本发明的一个实施例的试样收到三轴压裂加载压力的示意图；
图11所示为本发明的一个实施例的裂缝系统中压力随时间衰减变化的示意图；
图12所示为本发明的一个实施例的裂缝系统对蒸馏水的渗吸量的示意图。
附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
在附图中各附图标记的含义如下：1、试样，2、模具，3、真三轴水力压裂模拟装置，4、注入泵，5、中间容器，6、二通阀，7、压力传感器；11、主裂缝，12、分支裂缝，13、注入管线，21、垫块。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。
根据本发明的一个实施例的一种模拟裂缝系统内压裂液渗吸的实验方法，包括：
首先，制作实验用的立方体形状的试样(如图1所示)，试样采用岩石材质。在试样中设置裂缝系统，以模拟实际的裂缝(如图2所示)。在试样内埋入注入管线(如图3和图4所示)，注入管线连通裂缝系统，通过快速固化剂固定注入管线，同时固封表面裂缝(如图5所示)，再使用液体固化剂包裹试样并固化整个试样(如图6至图8所示)。
之后，将试样放置在真三轴水力压裂模拟装置的腔体内，进行初步加载(如图9所示)。抽出试样内的空气，并向裂缝系统注入不同的流体介质，以模拟原始孔隙压力与含油气状态。流体介质包括孔隙饱和流体介质、压裂液流体介质等。
如图10所示，通过注入管线向裂缝系统中注入一定值的压裂液，压裂液提供的压力达到设定值后停止注入，之后记录裂缝系统缝内压力衰减的变化；计算裂缝系统对压裂液的渗吸量。
在根据本实施例所述的方法中，通过制造试样能够模拟井下
在一个实施例中，计算裂缝系统对压裂液的渗吸量时；注入压裂液的总体积为V，压裂液的密度为ρ，压裂液的流体压缩系数为β；裂缝系统缝内压力在一定时间内的变化量为ΔP，该参数根据实验观察得到。那么，
所述渗吸量Δm满足：Δm＝β·V·ΔP·ρ。
在根据本实施例所述的方法中，通过上述试验和计算，能够得到裂缝对压裂液的渗吸量，从而可以根据试验得到的渗吸量来判断实际裂缝的渗吸特性。
在一个实施例中，如图1所示，制作所述试样的过程中，首先切割并打磨试样，在切割试样时，根据实验用的真三轴水力压裂模拟实验装置的标准试样的尺寸进行切割，切割后通过专用夹具和细砂纸对试样进行打磨，使试样的尺寸满足各边长比标准试样各边长小3cm。为了后续在试样表面包覆一层液态固化剂而预留的空间。再在试样上切割裂缝系统，之后试样在一定温度下烘干至质量不在变换。优选地，烘干的温度为60±0.5℃。
在一个优选的实施例中，如图2所示，所述裂缝系统包括主裂缝和若干分支裂缝。
根据本实施例所述的方法，切割裂缝系统的方法具体如下。利用线切割，对试样进行割缝，模拟不同主裂缝、分支裂缝的压后形态，如图2所示。根据具体分析情况，对主裂缝和分支裂缝进行组合，包括主裂缝、分支裂缝的缝宽和缝长，主裂缝、分支裂缝的比例与组合主裂缝、分支裂缝的布局等情况。
在一个实施例中，如图3所示，在试样上埋入管线，管线伸入1cm左右。之后如图5所示将固化剂注入管线并封隔裂缝系统的表面，这里的固化剂为快速固化剂，为了固定注入管线和封堵裂缝系统，避免后续包覆液体固化剂时进入裂缝。
之后将试样放置在模具中，如图7所示，所述试样在所述模具中通过垫块支撑，使所述试样的外表面与模具内壁之间保持一定的距离。模具的内部空间和真三轴水力压裂模拟装置的标准试样形状和尺寸相同。垫块的高度与液体固化剂固化后的固化剂层的厚度相同。在试样放置在垫块上时，试样的边缘距离模具内壁也与垫块的高度相同。
将液体固化剂从模具底部注入模具，直到将注满模具并将试样完全包裹在内。并在真空、恒温的环境中一段时间，直到液体固化剂完全凝固。通过从模具底部注入的方式，能够避免空气进入液体固化剂，造成固化剂包裹层内部出现气泡，影响步骤真三轴水力压裂模拟装置的应力加载效果。
在一个优选的实施例中，注入液体固化剂固结环境的真空状态，温度为60±0.5℃，固化时间为40～50小时，优选为48小时。
在一个实施例中，通入压裂液之前，根据压裂现场井筒体积Vp与实际压裂液泵入总体积Vf，调整注入管线的长度；使注入管线的环空体积Vp1和裂缝系统的体积Vf1满足：Vp1/Vf1＝Vp/Vf。
通过根据本实施例所述方法，调整管线的长度，使管线的长度满足管线的体积和试样的裂缝系统的体积的比，与实际的井筒体积和实际裂缝的体积的比相同，从而使实验结果测量的渗吸量与实际的渗吸量跟为接近，试验结果更加准确。
在一个优选的实施例中，所述垫块为长方体型或圆柱形结构，垫块的材质与液体固化剂相同，为液体固化剂固化而成。在本实施例中，液体固化剂优选为高强度环氧树脂。
通过根据本实施例所述方法，垫块为试样的底部和模具的底部之间形成一定的间隙，使液体固化剂填充到试样底部。在试样表面的液体固化剂固结后，垫块和固化剂层的材质相同，使整个固化剂层成为一个整体。
在一个实施例中，试样放置在真三轴水力压裂模拟装置腔体内，所述真三轴水力压裂模拟装置对所述试样三向应力加载至0.5±0.02MPa，并固定试样。
在一个实施例中，通过注入管线，利用真空泵将裂缝系统与试样基质内部空气抽出。然后，以实验设计的孔隙压力值为注入压力，向裂缝系统注入不同的流体介质时，注入的方式采用定压驱替，直到试样完全饱和流体介质(定压驱替条件下，注入累计量稳定48小时不变)，视为样品基质完全饱和、基质孔隙压力达到设定值。流体介质根据实际情况进行选择，可以是甲烷、原油或其他流体介质。
在一个实施例中，向裂缝系统定压注入孔隙饱和流体介质(氮气)，待注入累计量不再变化、且稳定时间达到48小时以上，再次通过注入管线，利用真空泵快速将裂缝系统内部孔隙饱和流体介质抽出，防止裂缝内残余的孔隙饱和流体介质影响后期压裂液流体介质的渗吸特征。
在一个实施例中，利用真三轴水力压裂模拟装置，对实验样品进行三向轴向应力的加载，从而达到设计值。为了防止三向轴向应力加载过程中样品发生压性破坏，在加载应力的同时，通过注入管线向标准试样裂缝系统内注入压裂液流体介质，从而维持试样裂缝体系受力平衡。以定压方式，通过注入管线注入压裂液流体介质，注入压力与主裂缝面法向的轴向应力的加载应力基本保持一致。
在一个实施例中，待三向轴向应力与初始流体压力达到设计值，关闭注入流体端阀门、停止压裂液的注入，持续记录入口端压力变化情况，即复杂裂缝系统缝内压力衰减特征，继而根据压力变化计算复杂裂缝系统对压裂液的渗吸量。
在一个具体的实施例中，通过本实施例所述方法模拟四川盆地某区块页岩水平井压裂停泵压力变化，试验选用四川盆地龙马溪组页岩为试样，采用大尺寸真三轴压裂模拟装置(可对边长30cm立方试样进行水力压裂模拟)进行应力加载，以定压方式向标准试样裂缝系统内注入压裂液至设定原始流体压力。然后，停止注入压裂液，从而监测缝内流体压力变化，即复杂裂缝系统缝内压力衰减特征。具体实施步骤如下：
首先，采用无水线切割的方式对页岩进行初步加工，合细砂纸对初加工样品进行打磨，加工成尺寸为20cm×20cm×20cm试样。利用线切割对试样进行割缝，如图2所示。主裂缝一条：缝宽1cm、缝长15cm、缝高20cm；分支裂缝4条，单条尺寸：缝宽2.5mm、缝长5cm、缝高20cm。分支裂缝间间距为5cm。然后，在60℃恒温下，将岩块烘干至质量不再变化。
在试样内埋入注入管线后，利用快速固化剂固定注入管线，同时固封表面裂缝，如图3所示。之后将试样放置于30cm×30cm×30cm模具内，利用垫块将试样稳定在模具中心位置，试样与模具内部各面距离为5cm。然后，利用注射器向环空内从下倒上缓慢注入流动性好的高强度环氧树脂固化剂。
将试样放置在真空环境、恒温60℃，待固化剂完全固结后，此时固化剂层厚度为5cm。之后取出试样，查看是否有缺陷。如果样品表面不平整，需要利用同类型固化剂进行修补，直至试样完全满足标准试样尺寸与平整度的要求。
将固化剂包裹好的标准试样放置在真三轴水力压裂模拟装置腔体内，进行三向轴向应力的初步加载，初步加载时三向应力加载至0.5MPa，从而固定试样。
根据四川盆地龙马溪组页岩气储层某水平井压裂现场数据，计算得到注入环空体积与裂缝体积之比为1％。根据试样裂缝体积400cm3，计算得到内径3mm的注入管线(图10中二通阀6到试样入口的距离)长度为56cm；其中，注入泵通过中间容器和管线连接试样，在管线上设置可以调节位置的二通阀，调节二通阀的位置能够调节整体注入管线的长度。注入管线上还设置有压力传感器。
通过注入管线，利用真空泵将裂缝系统与试样基质内部空气抽出。然后，以实验设计的孔隙压力值为注入压力，向裂缝系统定压10MPa注入孔隙饱和流体介质(在本实施例中，流体介质采用氮气)，待注入累计量稳定48小时不变，视为样品基质完全饱和、基质孔隙压力达到设定值，即孔隙压力达到10MPa。再次通过注入管线，利用真空泵快速将裂缝系统内部孔隙饱和流体介质抽出，防止裂缝内残余的孔隙饱和流体介质影响后期压裂液流体介质(在本实施例中，压裂液流体介质采用蒸馏水)的渗吸特征。
根据四川盆地龙马溪组页岩气储层原始地层应力条件，利用真三轴水力压裂模拟装置进行三向轴向应力的加载，使得σ1＝60MPa、σ2＝55MPa、σ3＝50MPa。加载三向轴向应力的同时，为了防止含裂缝试样发生压性破坏，通过注入管线向标准试样裂缝系统内注入蒸馏水，从而维持试样裂缝体系受力平衡。以定压方式注入蒸馏水，注入压力提升速率与轴向应力σ3的加载速率保持一致。直到注入压力和轴向应力σ3均达到50MPa(在本实施例中，设定初始缝内压力50MPa)。
待三向轴向应力与初始流体压力达到设计值，关闭注入流体端阀门、停止压裂液的注入，持续记录入口端压力变化情况，即复杂裂缝系统缝内压力衰减特征，如图11所示。继而根据压力变化计算复杂裂缝系统对压裂液的渗吸量。
已知管线与裂缝内憋压流体在50MPa下体积为V＝456cm3、蒸馏水压缩性系数β＝0.00045MPa-1、蒸馏水密度ρ＝1g/cm3。根据公式Δm＝β·V·ΔP·ρ和图10中缝内压力变化数值，可以求得复杂裂缝系统对蒸馏水的渗吸量，计算结果如图12所示。
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。因此，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/或修改，根据本发明的实施例作出的变更和/或修改都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种模拟复杂裂缝系统内压裂液渗吸的实验方法，其特征在于，包括：
制作设置裂缝系统的试样，在所述试样内埋设注入管线并用固化剂固封所述试样；
将试样放置在真三轴水力压裂模拟装置腔体内，抽出试样内的空气，并向裂缝系统注入不同的流体介质，以模拟原始孔隙压力与含油气状态；
通过注入管线向裂缝系统中注入一定值的压裂液，记录裂缝系统缝内压力变化；计算裂缝系统对压裂液的渗吸量；
所述裂缝系统包括主裂缝和若干分支裂缝，利用线切割，对试样进行割缝，模拟不同主裂缝、分支裂缝的压后形态；
通入压裂液之前，根据压裂现场井筒体积Vp与实际压裂液泵入总体积Vf，调整注入管线的长度；使注入管线的环空体积Vp1和裂缝系统的体积Vf1满足：Vp1/Vf1＝Vp/Vf。
2.根据权利要求1所述的模拟复杂裂缝系统内压裂液渗吸的实验方法，其特征在于，计算裂缝系统对压裂液的渗吸量时；压裂液的总体积为V，密度为ρ，流体压缩系数为β；裂缝系统缝内压力在一定时间内的变化量为ΔP；
所述渗吸量Δm满足：Δm＝β·V·ΔP·ρ。
3.根据权利要求2所述的模拟复杂裂缝系统内压裂液渗吸的实验方法，其特征在于，制作所述试样的过程中，首先切割并打磨试样，再在试样上切割裂缝系统，之后试样在一定温度下烘干至质量不再变化。
4.根据权利要求3所述的模拟复杂裂缝系统内压裂液渗吸的实验方法，其特征在于，所述试样烘干的温度为60±0.5℃。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的模拟复杂裂缝系统内压裂液渗吸的实验方法，其特征在于，在试样上埋入管线后将固化剂注入管线并封隔裂缝系统的表面；
之后将试样放置在模具中，所述试样在所述模具中通过垫块支撑，使所述试样的外表面与模具内壁之间保持一定的距离；
将液体固化剂从模具底部注入模具至注满模具，并在真空、恒温的环境中至完全固结。
6.根据权利要求5所述的模拟复杂裂缝系统内压裂液渗吸的实验方法，其特征在于，注入液体固化剂固结环境的真空状态，温度为60±0.5℃，固化时间为40～50小时。
7.根据权利要求6所述的模拟复杂裂缝系统内压裂液渗吸的实验方法，其特征在于，所述垫块为液体固化剂固化而成。
8.根据权利要求7所述的模拟复杂裂缝系统内压裂液渗吸的实验方法，其特征在于，试样放置在真三轴水力压裂模拟装置腔体内，所述真三轴水力压裂模拟装置对所述试样三向应力加载至0.5±0.02MPa，并固定样品。
9.根据权利要求8所述的模拟复杂裂缝系统内压裂液渗吸的实验方法，其特征在于，通过所述注入管线，利用真空泵将裂缝系统与试样基质内部空气抽出；
然后，向裂缝系统定压注入孔隙饱和流体介质，待注入累计量不再变化、且稳定时间达到48小时以上，视为样品基质完全饱和、基质孔隙压力达到设定值，从而模拟地层原始孔隙压力；
再次通过注入管线，利用真空泵快速将裂缝系统内部孔隙饱和流体介质抽出。
10.根据权利要求9所述的模拟复杂裂缝系统内压裂液渗吸的实验方法，其特征在于，利用真三轴水力压裂模拟装置对所述试样进行三向轴向应力的加载的同时，通过注入管线向所述试样的裂缝系统注入压裂液流体介质，使注入压力与主裂缝面法向的轴向应力的加载应力基本保持一致。
11.根据权利要求10所述的模拟复杂裂缝系统内压裂液渗吸的实验方法，其特征在于，待三向轴向应力与初始流体压力达到设计值，关闭注入流体端阀门、停止压裂液的注入，持续记录入口端压力变化情况，从而得到复杂裂缝系统缝内压力衰减特征，继而根据压力变化计算复杂裂缝系统对压裂液的渗吸量。
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