CN114184440A - 水力压裂物理模拟特殊岩心及其制法和水力压裂模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水力压裂物理模拟特殊岩心及其制备方法和水力压裂模拟方法。所述特殊岩心包括人造岩心、模拟井筒、加热片和耐高温隔热密封涂层，以及包裹材料。利用本发明物理模拟特殊岩心可以在实验室内全程模拟带温带孔压水力压裂实验，能够相对准确的模拟出具有一定流体饱和即孔隙压力和地层温度的压裂现场实际工况，以便高效开发油气资源。本方法所用的材料简单，操作简便、安全，准备性和可靠性较高。
Description
技术领域
本发明涉及人造岩心制备技术研究领域，具体地说，是涉及一种水力压裂物理模拟特殊岩心及其制法和水力压裂模拟方法。
背景技术
在实施水力压裂之前，需要进行压裂施工设计，其核心是水力压裂效果模拟，预测裂缝发育的宽度、长度和方向。目前室内模拟实验应用较为广泛的是采用大尺寸真三轴模拟试验系统进行小型水力压裂物理模拟，以此来观测水力裂缝起裂与延伸形态，并对裂缝扩展的真实物理过程进行监测。由于天然露头岩样在采集和运输方面多有不便，在实验室制作人造岩心试样进行真三轴水力压裂物理模量实验，是一种有效、简单、可操作的方法。但无论是天然露头还是人造岩心，目前都无法模拟储层在地下具有一定饱和度、一定孔隙压力的状态，也无法模拟原始地层温度条件等。
申请公布号为CN104034563A的发明专利公开了一种节理性页岩人造岩心的制备方法，该人造岩心采用水泥石英砂模拟层状页岩，通过添加麦片和碎纸片模拟天然裂缝，其并未涉及如何给岩样加载孔隙压力和温度，因此不能准确模拟一定孔隙压力、地层温度的水力压裂。
申请公布号CN106568621A的发明专利公开了一种模拟深层高温储层的压裂物模岩心制备方法，其中将加热片布置于岩心试样内部，能够模拟出具有一定地层温度的压裂现场实际工况，但至于内部的加热片会一定程度影响岩心力学性质，且其并未涉及孔隙压力加载，因此不能准确模拟一定孔隙压力、地层温度的水力压裂。
因此，本领域需要一种模拟具有孔隙压力及温度加载的压裂物模岩心制备方法，以克服现有技术的缺陷。
发明内容
随着压裂施工井段越来越深，储层孔隙压力不同，储层温度也相应升高，孔隙压力和温度对压裂效果也会产生一定的影响，而当前的室内真三轴水力物理模拟实验无法实现这一工况，实验结果必然会有一定偏差。为了解决以上现有技术中存在的问题，因此发明提供一种水力压裂物理模拟特殊岩心，能更好的模拟地层特征，加大物模实验的准确性。
本发明目的之一为提供一种水力压裂物理模拟特殊岩心，包括人造岩心、模拟井筒、加热片、和耐高温隔热密封涂层。
本发明的特殊岩心，优选地，所述加热片分布于人造岩心的四周面，所述耐高温隔热密封涂层包裹在人造岩心和加热片的外表面，所述模拟井筒设置在人造岩心的几何中心，所述模拟井筒在人造岩心内的容纳段的长度为人造岩心高度的1/2～2/3，所述模拟井筒的底面与人造岩心之间存在的空间为裸眼段。
本发明的特殊岩心，所述人造岩心优选包括水泥、石英砂、粘土、石膏粉、模拟裂缝材料。将包括水泥、石英砂、粘土、石膏粉、模拟裂缝材料在内的人造岩心的原料混合搅拌、浇注后即得所述人造岩心。可以根据需要模拟的地层的岩性、力学性质等来确定以上这些材料的混合比例。
根据本发明一个优选的实施方式，水泥、石英砂、粘土、石膏粉的体积比为(6～7)：(6～7)：(0.8～1.2)：(0.8～1.2)。
所述模拟裂缝材料的用量和材料尺寸没有特别的限定，可根据需要模拟地层的裂缝发育情况来确定。
以上人造岩心的原料中，所述水泥为复合硅酸盐水泥；
所述石英砂的粒度为40～80目；
所述粘土的矿物组分包括蒙脱石、伊利石中的至少一种；
所述模拟裂缝材料包括麦片、碎纸片中的至少一种。
本发明的所述特殊岩心，所述模拟井筒的材质优选为金属材料，更优选为铸铁。
根据本发明一个优选的实施方式，所述模拟井筒的筒头的外周表面沿周向设置有环形的密封槽。
根据本发明一个优选的实施方式，所述模拟井筒为外径变径直管，所述模拟井筒的筒头部分为大径段，所述模拟井筒在人造岩心内容纳段为小径段。
所述模拟井筒的长度可根据所述特殊岩心的大小加工成不同尺寸，所述模拟井筒的筒头部分的尺寸与压裂设备进行配合调整。
根据本发明一个优选的实施方式，所述模拟井筒的筒头部分露出人造岩心的表面。
本发明的所述特殊岩心，所述加热片为薄片状硅橡胶加热片，包括镍铬合金电热丝和硅橡胶高温绝缘层。所述加热片有导线引出。
所述加热片的尺寸可根据岩心尺寸进行调整。根据本发明一个优选的实施方式，所述加热片的半径为8～10cm，厚度为1～2mm。
所述加热片的承压最大可至25Mpa，加热温度最高可达200℃。
本发明的所述特殊岩心，所述耐高温隔热密封涂层的厚度优选为5～8mm。可选择本领域通常的耐高温隔热密封材料来得到所述耐高温隔热密封涂层，例如隔热保温涂料LESC-1800等。
本发明的所述特殊岩心，还可包括包裹材料，所述包裹材料覆盖在所述耐高温隔热密封涂层的表面。对所述包裹材料没有特别的限定，所述包裹材料优选包括水泥和石英砂。
其中，所述水泥为复合硅酸盐水泥，所述石英砂的粒度为40～80目。
水泥和石英砂的体积比优选为1：(2.5～3.5)。
本发明目的之二为提供所述水力压裂物理模拟特殊岩心的制备方法，包括以下步骤：
(1)将人造岩心的原料进行混合搅拌，预置模拟井筒，模拟井筒的筒底部用胶带缠绕，然后浇筑得到人造岩心；
(2)在人造岩心的四周面粘上加热片，再于人造岩心和加热片的外表面涂抹耐高温隔热密封材料得到耐高温隔热密封涂层。
本发明制备方法还包括步骤：
(3)用包裹材料将所述特殊岩心包裹，干燥成型。
本发明的所述制备方法中，可以在步骤(2)或步骤(3)中，将所述胶带捅破，以形成裸眼段。
所述特殊岩心的成型尺寸可根据具体实验进行调整，根据本发明一个优选的实施方式，所述尺寸可以为标准尺寸如300mm×300mm×300mm。
根据本发明一个优选的实施方式，所述水力压裂物理模拟特殊岩心的制备方法，可包括如下步骤：
(1)将人造岩心的制备原料进行混合搅拌，浇筑人造岩心，预制模拟井筒，井筒底部用胶带缠绕，防止原料堵住井筒，同时预留裸眼段；
(2)待原料干燥成型后，在人造岩心四周粘上加热片，引出加热片的导线以加载温度，再于人造岩心和加热片的表面涂抹耐高温隔热密封材料，更有效控制温度，同时使后续注入液体压力不至于沟通到边界，保留一定的孔隙压力；
(3)根据真三轴实验装置尺寸(300mm×300mm×300mm)，用包裹材料将上述人造岩心包裹为标准尺寸，待试样干燥成型后，通井(捅破之前缠绕的胶带)，即得所述水力压裂物理模拟特殊岩心。
本发明目的之三为提供一种采用所述水力压裂物理模拟特殊岩心的水力压裂模拟方法，包括以下步骤：
利用加热片对所述特殊岩心进行温度加载，模拟井下温度条件；通过模拟井筒小排量注入液体，模拟储层孔隙流体及压力条件，直至井口压力达预设的孔隙压力；注入含示踪剂的压裂液，调整排量，进行压裂实验。
其中，注入的液体根据模拟储层情况选可用不同性质液体，可以是盐水、油等。
所述温度范围优选为室温～200℃。
所述小排量优选为0.5～2ml/min。
所述示踪剂可选择本领域常用的示踪剂。
根据本发明一个优选的实施方式，所述水力压裂模拟方法可包括：
将得到的所述水力压裂物理模拟特殊岩心置于实验装置，利用加热片对岩心进行温度加载，模拟井下温度条件，再通过井筒小排量(如1ml/min)注入液体(液体性质根据储层情况来定)，通过井口传感器监测压力，模拟储层孔隙流体及压力条件，待井口压力待达预设的孔隙压力时，转换注入压裂液(含示踪剂)，调整排量大小，开始后续压裂实验操作。
本发明首先通过搅拌原材料、浇筑等步骤制作出具有一定孔隙、层理、天然裂缝的人造岩心(预制模拟井筒，预留裸眼段)，待干燥成形后在人造岩心四周布置加热片，引出导线以加载温度，再于表面涂抹耐高温隔热密封材料，基于真三轴模拟实验系统，将试样用包裹材料包裹为标准尺寸。接着利用加热片对人造岩心进行温度加载，利用真三轴模拟实验系统，通过模拟井筒小排量缓慢注入液体(根据模拟储层情况选用不同性质液体)，待达到设定模拟孔隙压力(根据模拟储层情况，设定孔隙压力值)，即可得到具有孔隙压力及温度加载的人造岩心，随后转换注入压裂液，调整注入排量，继续开展模拟压裂工作。
利用本发明方法可以在实验室内全程模拟带温带孔压水力压裂实验，能够相对准确的模拟出具有一定流体饱和即孔隙压力和地层温度的压裂现场实际工况，以便高效开发油气资源。
本发明所用的材料简单，操作简便、安全，准备性和可靠性较高。
附图说明
图1为本发明的模拟具有孔隙压力及温度加载的水力压裂物理模拟特殊岩心制备方法的一种流程图。
图示说明：
1-人造岩心；
2-模拟井筒；
3-加热片；
4-耐高温隔热密封涂层；
5-包裹材料。
其中，模拟井筒2在人造岩心1的几何中心，穿过耐高温隔热密封涂层4，进入人造岩心1一定深度，底部预先有胶带包裹，防止制作人造岩心1时堵塞井筒，进行孔压加载前需要先通井。
加热片3分布于人造岩心1四周，有导线引出以通电加热。
耐高温隔热密封涂层4包裹于人造岩心1表面，同时将加热片3夹在其中，保证孔压和温度加载。
包裹材料5主要为水泥和石英砂，为适用于真三轴模拟试验装置，将其包裹为标准300mm×300mm×300mm尺寸，同时也进一步加强耐高温隔热密封涂层4的隔热憋压的效果。
图2为本发明模拟具有孔隙压力及温度加载的水力压裂物理模拟特殊岩心所依托的实验系统—真三轴模拟实验系统。
图示说明：
6-真三轴模拟压裂试验架；
7-压力板；
8-水力压裂物理模拟特殊岩心；
9-密封注液管；
10-声发射探头；
11-WY-300/III液压稳压源；
12-Locan AT声发射仪；
13-油水隔离器；
14-MTS伺服增压器；
15-空气压缩机；
16-MTS液压源；
17-MTS控制器；
18-微机。
其中，空气压缩机15对MTS伺服增压器14供气；MTS液压源对MTS伺服增压器14供液，MTS伺服增压器14反馈；MTS控制器17对MTS伺服增压器14进行伺服控制，MTS伺服增压器14反馈压力和排量。
图3为实施例1的模拟井筒的立体透视图。
图4为实施例2压裂试验的压裂曲线图。
从图4可以看出，采用本发明方法的室内压裂试验效果良好，未出现压裂液漏失现象，压出一条垂直于最小主应力方向的裂缝。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员根据本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整仍属本发明的保护范围。
本发明具体实施方式中所用原料为市售所得。
实施例1
如图1的流程图所示，一种模拟具有孔隙压力及温度加载的水力压裂物理模拟特殊岩心制备方法，包括以下步骤：
i.将人造岩心制备原料进行混合搅拌，浇筑人造岩心1，预制模拟井筒2，井筒底部用胶带缠绕，防止原料堵住井筒，同时预留裸眼段；
ii.待原料干燥成型后，在人造岩心四周粘上加热片3，引出导线以加载温度，再于人造岩心1和加热片3的表面涂抹耐高温隔热密封材料得到耐高温隔热密封涂层4，以更有效控制温度，同时使后续注入液体压力不至于沟通到边界，保留一定的孔隙压力；
iii.根据真三轴实验装置尺寸(300mm×300mm×300mm)，用包裹材料5将步骤ii得到的岩心包裹为标准尺寸，待试样干燥成型后，通井(捅破之前缠绕的胶带)。
在本实施例中，所述人造岩心制备原料包括水泥、石英砂、粘土、石膏粉及模拟裂缝材料，其中水泥、石英砂、粘土、石膏粉的体积比为6：6：1：1。
在本实施例中，所述水泥为PC.PC32.5H型复合硅酸盐水泥，该类型的水泥配伍性好，胶结强度高。
在本实施例中，所述石英砂粒度为80目。
在本实施例中，所述粘土的矿物组分包括蒙脱石和伊利石。
在本实施例中，所述石膏粉为白云质磨具用的石膏粉。该石膏粉水化后强度较低，可提高岩心试样的脆性。
在本实施例中，所述模拟裂缝材料包括麦片和碎纸片。
在本实施例中，所述麦片为食用麦片，直径5mm。该麦片富含有弹性，可以模拟地层中的微裂缝。
在本实施例中，所述碎纸片长为10mm，宽为6mm的A4打印纸。该碎纸片可以模拟地层中的大尺度裂缝。
在本实施例中，所得人造岩心为尺寸为250mm×250mm×250mm的立方体。
在本实施例中，所述模拟井筒为铸铁材质，其立体图如图3所示。所述模拟井筒的具体尺寸为长150mm，内径6mm，下部外径12mm，所述模拟井筒的筒头部分的外径为18mm，此变径筒头部分的长度为20mm。该模拟井筒在满足真三轴水力压裂实验强度的情况下，经济实用。
所述模拟井筒的筒头的外周表面沿周向延伸设置有环形的密封槽，密封槽的深度和宽度为2mm。
所述模拟井筒设置在人造岩心的几何中心。
在本实施例中，所述加热片为薄片状硅橡胶加热片，形状为圆形，半径为8cm，厚度为1.5mm，可承压25MPa，加热温度高达200℃。
所述加热片包括镍铬合金电热丝和硅橡胶高温绝缘层。
在本实施例中，所述耐高温隔热密封材料为LESC-1800，所述耐高温隔热密封涂层厚度为8mm。
在本实施例中，所述包裹材料包括水泥和石英砂，水泥与石英砂的体积比为1：3。
在本实施例中，所述包裹材料所用水泥为PC.PC32.5H型复合硅酸盐水泥，所述包裹材料所用石英砂的粒度为40目。
在本实施例中，所述岩心试样尺寸为300mm×300mm×300mm的立方体，对应现有的300mm真三轴模拟压裂实验系统。
在本实施例中，步骤i中所述搅拌使用装置为石英砂搅拌机，搅拌时间15min。
在本实施例中，步骤ii、iii中所述干燥为自然晾干10天。
实施例2
一种采用所述特殊岩心的水力压裂模拟方法，包括以下步骤：
将实施例1得到的水力压裂物理模拟特殊岩心置于实验装置中，利用加热片对岩心进行温度加载，模拟井下温度条件，再通过井筒小排量注入液体，通过井口传感器监测压力，模拟储层孔隙流体及压力条件，待井口压力待达预设的孔隙压力时，转换注入压裂液(含示踪剂)，调整排量大小，开始后续压裂实验操作。
在本实施例中，所述加载温度为120℃。
在本实施例中，所述孔隙压力加载为3MPa。
在本实施例中，所述液体为浓度5％的盐水。
在本实施例中，所述小排量为1ml/min。
利用本发明的模拟具有孔隙压力及温度加载的压裂物模岩心制备方法所制备的人造岩心进行真三轴水力压裂物理模拟实验，可模拟120℃地层温度、3MPa原始地层孔隙压力下的水力压裂实际工矿，解决了当前室内压裂模拟实验不能带温带孔压压裂的问题。通过该方法可以进一步准确的模拟裂缝形态，以此来指导压裂施工设计。
Claims (12)
1.一种水力压裂物理模拟特殊岩心，包括人造岩心、模拟井筒、加热片、和耐高温隔热密封涂层。
2.根据权利要求1所述的水力压裂物理模拟特殊岩心，其特征在于：
所述加热片分布于人造岩心的四周面，所述耐高温隔热密封涂层包裹在人造岩心和加热片的外表面，所述模拟井筒设置在人造岩心的几何中心，所述模拟井筒在人造岩心内的容纳段的长度为人造岩心高度的1/2～2/3，所述模拟井筒的底面与人造岩心之间存在的空间为裸眼段。
3.根据权利要求1所述的水力压裂物理模拟特殊岩心，其特征在于：
所述人造岩心包括水泥、石英砂、粘土、石膏粉、模拟裂缝材料，其中水泥、石英砂、粘土、石膏粉的体积比优选为(6～7)：(6～7)：(0.8～1.2)：(0.8～1.2)。
4.根据权利要求3所述的水力压裂物理模拟特殊岩心，其特征在于：
所述水泥为复合硅酸盐水泥；和/或，
所述石英砂的粒度为40～80目；和/或，
所述粘土的矿物组分包括蒙脱石、伊利石中的至少一种；和/或，
所述模拟裂缝材料包括麦片、碎纸片中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的水力压裂物理模拟特殊岩心，其特征在于：
所述模拟井筒材质为金属材料，优选为铸铁；和/或，
所述模拟井筒的筒头露出人造岩心的表面；和/或，
所述模拟井筒的筒头的外周表面沿周向设置有环形的密封槽。
6.根据权利要求1所述的水力压裂物理模拟特殊岩心，其特征在于：
所述加热片包括镍铬合金电热丝和硅橡胶高温绝缘层；和/或，
所述加热片的半径为8～10cm，厚度为1～2mm。
7.根据权利要求1所述的水力压裂物理模拟特殊岩心，其特征在于：
所述耐高温隔热密封涂层的厚度为5～8mm。
8.根据权利要求1～7之任一项所述的水力压裂物理模拟特殊岩心，其特征在于：
所述特殊岩心还包括包裹材料，所述包裹材料覆盖在所述耐高温隔热密封涂层的表面，其中所述包裹材料优选包括水泥和石英砂，水泥和石英砂的体积比优选为1：(2.5～3.5)。
9.一种根据权利要求1～8之任一项所述的水力压裂物理模拟特殊岩心的制备方法，包括以下步骤：
(1)将人造岩心的原料进行混合搅拌，预置模拟井筒，模拟井筒的筒底部用胶带缠绕，然后浇筑得到人造岩心；
(2)在人造岩心的四周面粘上加热片，再于人造岩心和加热片的外表面涂抹耐高温隔热密封材料得到耐高温隔热密封涂层。
10.根据权利要求9所述的水力压裂物理模拟特殊岩心的制备方法，其特征在于所述制备方法还包括步骤：
(3)用包裹材料将所述特殊岩心包裹，干燥成型。
11.一种采用权利要求1～8之任一项所述的特殊岩心的水力压裂模拟方法，包括以下步骤：
利用加热片对特殊岩心进行温度加载，模拟井下温度条件；通过模拟井筒小排量注入液体，模拟储层孔隙流体及压力条件，直至井口压力达预设的孔隙压力；注入含示踪剂的压裂液，调整排量，进行压裂实验。
12.根据权利要求11所述的水力压裂模拟方法，其特征在于：
温度为室温～200℃；和/或，
所述小排量为0.5～2ml/min。
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