CN114810051B - 页岩裂缝导流能力测试中支撑剂嵌入深度实时测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是页岩裂缝导流能力测试中支撑剂嵌入深度实时测定方法，它包括：将填充好支撑剂的岩心放入CT扫描专用岩心夹持器内并固定在CT扫描仪载物台上；利用CT扫描仪获取支撑剂嵌入前岩心裂缝壁面多个点到基准面的初始距离；启动远程控制和数据采集系统，启动夹持器温压保持系统；进行页岩充填支撑剂裂缝导流能力测试实验；每隔5小时，利用CT扫描仪获取页岩储层条件下、对应时刻支撑剂嵌入后岩心裂缝壁面多个点到所述基准面的距离，得到在储层温度和支撑剂所受有效应力条件下页岩裂缝壁面各个点对应的支撑剂嵌入深度。本发明实现在储层温度和支撑剂所受有效应力下实时地反应地层条件下的支撑剂在页岩中的嵌入情况，测量结果真实。

Description

页岩裂缝导流能力测试中支撑剂嵌入深度实时测定方法

技术领域：

本发明涉及的是页岩油气开发技术领域，具体涉及的是页岩裂缝导流能力测试中支撑剂嵌入深度实时测定方法。

背景技术：

由于水力压裂技术的进步，从页岩储层中开采油气成为可能。水力压裂作业的关键在于能否形成高裂缝导流能力的油气运移通道,向裂缝中注入支撑剂是保障其导流能力的有效措施。支撑剂在地层闭合应力的作用下不同程度的嵌入储层岩石，对于页岩等较软地层嵌入更为明显。支撑剂的嵌入使压后裂缝宽度减小，同时嵌入地层产生的碎屑发生运移并充填支撑剂层，致使渗透率降低，导流能力下降。因此量化支撑剂嵌入程度对指导页岩油气压裂施工参数设计具有重要意义。

支撑剂的嵌入情况由储层温压条件、地应力、岩石物性、支撑剂性质和压裂施工情况共同决定。分析支撑剂嵌入深度主要有三种方法，一是根据经验预测，此方法简单易行，但误差大且对压裂设计人员要求高；二是利用理论模型计算求得，此方法相对简单，但模型对不同储层物性和压裂施工情况的适用性有待验证；三是通过支撑剂嵌入深度测定装置试验获得，根据测量装置和方法的不同此方法的准确性差别较大。此外，由于页岩通常具有明显的层理结构，难以获得API导流室规模的页岩岩板。现有技术（CN 106338257 A、CN111272795 A）是在单纯施加闭合压力或者在导流能力实验后取出岩心进行测量，即都是在闭合应力卸载后进行测量，此时支撑剂和岩心的受力和变形状态已发生改变，因此不能真实地反应地层条件下的嵌入情况，且不能对嵌入深度进行实时测量；另一技术（CN101519961 A）一方面受限于位移传感器精度，另一方面由于很难保证钢板与岩板对比实验条件完全一致，所以难以保障测试结果的准确性。

发明内容：

本发明的目的是提供页岩裂缝导流能力测试中支撑剂嵌入深度实时测定方法，这种页岩裂缝导流能力测试中支撑剂嵌入深度实时测定方法用于解决现有技术中支撑剂嵌入深度测量方法准确性不高、不能真实地反应储层温度和裂缝闭合压力作用下的嵌入情况，以及不能对嵌入深度进行实时测量等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种页岩裂缝导流能力测试中支撑剂嵌入深度实时测定方法通过在测试系统中进行如下步骤实现：

步骤一，从页岩全尺寸岩心中钻取长5cm、直径2.5cm的岩心，岩心为圆柱形，将岩心沿轴向切开进行人工造缝，在人工裂缝中预置两根支撑棒，用热塑膜包裹住岩心，然后用热吹风机加热使热塑膜压紧岩心，在缓慢抽出支撑棒的过程中，慢慢向人工裂缝中装填支撑剂；将填充好支撑剂的岩心放入CT扫描专用岩心夹持器内，用岩心夹持器的岩心定位辅助堵头将其固定在岩心夹持器中间位置；

步骤二，将CT扫描专用岩心夹持器竖直固定在CT扫描仪载物台上，连接流体注入系统和夹持器温压保持系统的管线；

步骤三，利用CT扫描仪获取支撑剂嵌入前岩心裂缝壁面多个点到基准面的初始距离；

步骤四，启动远程控制和数据采集系统，启动夹持器温压保持系统，根据页岩储层温度设置夹持器温压保持系统的温度，根据页岩储层内支撑剂所受有效应力设置回压阀的压力，设置夹持器温压保持系统的恒速恒压泵流速为1 ml/min；

步骤五，启动流体注入系统和流体收集系统，打开流体注入系统出口阀，关闭其入口阀，关闭流体收集系统入口阀，打开真空泵对充填支撑剂的人工裂缝抽真空；关闭流体注入系统出口阀，打开其入口阀，打开流体预热器，根据页岩储层温度设置其温度，打开恒速恒压泵，使流体充满人工裂缝；设置回压阀压力为2.5MPa，打开流体注入系统出口阀和流体收集系统入口阀；设置流体注入系统的恒速恒压泵流速为2 ml/min；利用流体收集系统实时计量通过人工裂缝的流量，进行页岩充填支撑剂裂缝导流能力测试实验；

步骤六，在进行页岩充填支撑剂裂缝导流能力测试实验过程中，每隔5小时，利用CT扫描仪获取页岩储层条件下、对应时刻支撑剂嵌入后岩心裂缝壁面多个点到步骤一所述基准面的距离，通过实时在线测量，得到在储层温度和支撑剂所受有效应力条件下、不同时刻支撑剂嵌入后岩心裂缝壁面多个点到步骤一所述基准面的距离；将不同时刻获取的距离与步骤一所述初始距离作差，差值即为该时刻在储层温度和支撑剂所受有效应力条件下页岩裂缝壁面各个点对应的支撑剂嵌入深度，从而实现页岩裂缝导流能力测试实验过程中，在储层温度和支撑剂所受有效应力条件下利用CT扫描仪实时地反应地层条件下的支撑剂在页岩中的嵌入情况；

步骤七，导流能力测试50小时后结束，此时利用CT扫描仪获取页岩储层条件下、支撑剂嵌入后岩心裂缝壁面多个点到步骤一所述基准面的最终距离，将导流能力测试结束时获取的最终距离与步骤一所述初始距离作差，差值即为导流能力测试结束时在储层温度和支撑剂所受有效应力条件下页岩裂缝壁面各个点对应的支撑剂嵌入深度，导流能力测试实验结束，支撑剂嵌入深度测定也结束，实现页岩储层条件下裂缝导流能力测试中支撑剂嵌入过程模拟以及储层温度和压力作用下嵌入深度的准确测定。

上述方案中测试系统包括CT扫描仪、CT扫描专用岩心夹持器、流体注入系统、夹持器温压保持系统、流体收集系统、远程控制和数据采集系统，岩心置于CT扫描专用岩心夹持器内，流体注入系统通过管线连接至CT扫描专用岩心夹持器入口，CT扫描专用岩心夹持器设置温度传感器，CT扫描专用岩心夹持器出口通过管线连接流体收集系统；夹持器温压保持系统与CT扫描专用岩心夹持器构成循环回路；流体注入系统、夹持器温压保持系统、流体收集系统和温度传感器均连接远程控制和数据采集系统。

上述方案中流体注入系统包括恒速恒压泵、流体预热器、入口阀、出口阀、真空泵和回压阀，恒速恒压泵、流体预热器、入口阀、出口阀、真空泵和回压阀串连连接，恒速恒压泵和流体预热器均与远程控制和数据采集系统连接。

上述方案中夹持器温压保持系统包括恒速恒压泵、流体预热器、入口阀、出口阀和回压阀，恒速恒压泵、流体预热器、入口阀、出口阀和回压阀串连连接，流体预热器出口与CT扫描专用岩心夹持器围压入口之间设置入口阀，回压阀与CT扫描专用岩心夹持器围压出口之间设置出口阀，恒速恒压泵、流体预热器均连接远程控制和数据采集系统。

上述方案中流体收集系统与流体注入系统回压阀之间设置流体收集系统入口阀。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明是一种基于CT扫描技术的页岩储层条件下裂缝导流能力测试过程中支撑剂嵌入深度实时确定方法，测量过程简单、测量结果精度高，并且能够模拟储层温压和岩石物性条件，真实地反应储层压力作用下不同时刻支撑剂在页岩中的嵌入情况，为量化支撑剂嵌入程度并指导页岩油气压裂施工参数设计提供了可靠且可行的方法。

2、本发明提供的基于CT扫描技术的页岩裂缝导流能力测试过程中支撑剂嵌入深度实时测定方法，解决了由于页岩通常具有明显的层理结构，难以获得API导流室规模的页岩岩板的问题。页岩裂缝导流能力测试实验过程中，在储层温度和支撑剂所受有效应力条件下利用CT扫描仪获取裂缝壁面多个点到基准面的距离，因此测量结果能够真实地反应地层条件下的支撑剂在页岩中的嵌入情况。

3、本发明导流能力测试实验过程中，可在不同时刻对岩心和支撑剂进行CT扫描，从而获取页岩储层中支撑剂嵌入深度随时间的变化规律。

4、本发明利用计算机处理CT扫描结果，能够实现支撑剂嵌入情况的实时三维可视化，进一步提高了页岩储层条件下模拟支撑剂嵌入深度测定的准确性。

附图说明：

图1为本申请提供的测试系统的示意图；

图2为本申请提供的测试系统的流体注入系统示意图；

图3为本申请提供的测试系统的夹持器温压保持系统示意图；

图4为本申请提供的测试方法应用过程中岩心不同状态示意图。

图1-图3中：1 CT扫描仪X线发生器、2温度传感器、3页岩岩心、4CT扫描专用岩心夹持器、5流体预热器、6管线、7恒速恒压泵、8回压阀、9流体收集系统、10远程控制和数据采集系统、11真空泵、12 CT扫描仪探测器、13 CT扫描仪载物台、14阀门；

图4中：4-1 步骤一中长5cm、直径2.5cm的岩心、4-2步骤一中完成人工造缝的岩心、4-3步骤三中支撑剂嵌入前岩心、4-4支撑剂嵌入后岩心、4-5人工裂缝、4-6支撑剂。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

结合图1-图4所示，这种基于CT扫描技术的页岩支撑剂嵌入深度实时测定方法利用预置裂缝的2.5cm岩心柱、CT扫描专用岩心夹持器4和CT扫描仪实现页岩储层条件下裂缝导流能力测试中支撑剂嵌入过程模拟以及储层温度和压力作用下嵌入深度的准确测定，其包括以下具体步骤：

步骤一，从页岩全尺寸岩心中钻取长约5cm、直径2.5cm原始岩心柱4-1，将岩心柱沿轴向切开进行人工造缝，得到步骤一中完成人工造缝的岩心4-2，在人工裂缝4-5中预置两根支撑棒，用热塑膜包裹住岩心，然后用热吹风机加热使热塑膜压紧岩心，在缓慢抽出支撑棒的过程中，慢慢向人工裂缝4-5中装填支撑剂4-6。将填充好的页岩岩心3放入CT扫描专用岩心夹持器4内，用岩心夹持器的岩心定位辅助堵头将岩心固定在中间位置。

步骤二，将CT扫描专用岩心夹持器竖直固定在CT扫描仪载物台13上，连接流体注入系统（图2）和夹持器温压保持系统（图3）的管线。

步骤三，利用CT扫描仪获取步骤三中支撑剂嵌入前岩心4-3裂缝壁面多个点到基准面的初始距离。

步骤四，启动远程控制和数据采集系统10，启动夹持器温压保持系统，打开夹持器温压保持系统的流体预热器（图3中5），根据页岩储层温度设置其温度，根据页岩储层内支撑剂4-6所受有效应力设置夹持器温压保持系统的回压阀（图3中8）压力，设置夹持器温压保持系统的恒速恒压泵（图3中7）流速为1 ml/min。

步骤五，启动流体注入系统和流体收集系统，打开流体注入系统出口阀，关闭其入口阀，关闭流体收集系统入口阀门（图2中14），打开真空泵11对充填支撑剂的裂缝抽真空。关闭流体注入系统出口阀，打开其入口阀，打开流体注入系统的流体预热器（图2中5），根据页岩储层温度设置其温度，打开恒速恒压泵（图2中7），使流体充满裂缝并憋压至5MPa进行流体注入系统验漏。设置回压阀（图2中8）压力为2.5MPa，打开流体注入系统出口阀和流体收集系统入口阀门（图2中14），设置恒速恒压泵（图2中7）流量为2 ml/min；利用流体收集系统9的高精度天平实时计量通过裂缝的流量，进行页岩充填支撑剂裂缝导流能力测试实验。

步骤六，在进行页岩充填支撑剂裂缝导流能力测试实验过程中，每隔5小时和实验开始50小时后，即导流能力测试结束时，利用CT扫描仪获取页岩储层条件下、不同时刻支撑剂嵌入后岩心4-4裂缝壁面多个点到步骤一所述基准面的距离。

步骤七，将步骤六所述不同时刻获取的距离与步骤一所述初始距离作差，差值即为该时刻在储层温度和支撑剂所受有效应力条件下页岩裂缝壁面各个点对应的支撑剂嵌入深度；导流能力测试实验结束，支撑剂嵌入深度测定也结束，实现页岩储层条件下裂缝导流能力测试中支撑剂嵌入过程模拟以及储层温度和压力作用下嵌入深度的准确测定。

CT扫描仪包括CT扫描仪X线发生器1、CT扫描仪载物台13、CT扫描仪探测器12。

本发明中测试系统包括CT扫描仪、CT扫描专用岩心夹持器4、流体注入系统、夹持器温压保持系统、流体收集系统9、远程控制和数据采集系统10，岩心置于CT扫描专用岩心夹持器4内，流体注入系统通过管线6连接至CT扫描专用岩心夹持器入口，CT扫描专用岩心夹持器设置温度传感器2，CT扫描专用岩心夹持器出口通过管线6连接流体收集系统9；夹持器温压保持系统与CT扫描专用岩心夹持器构成循环回路；流体注入系统、夹持器温压保持系统、流体收集系统和温度传感器均连接远程控制和数据采集系统10。

流体注入系统包括恒速恒压泵7、流体预热器5、入口阀、出口阀、真空泵和回压阀8，恒速恒压泵7、流体预热器5、入口阀、出口阀、真空泵和回压阀8通过管线6串连连接，恒速恒压泵7和流体预热器5均与远程控制和数据采集系统10连接。

夹持器温压保持系统包括恒速恒压泵7、流体预热器5、入口阀、出口阀和回压阀8，恒速恒压泵7、流体预热器5、入口阀、出口阀和回压阀串连连接，流体预热器出口与CT扫描专用岩心夹持器围压入口之间设置入口阀，回压阀与CT扫描专用岩心夹持器围压出口之间设置出口阀，恒速恒压泵、流体预热器均连接远程控制和数据采集系统。

流体收集系统与流体注入系统回压阀之间设置流体收集系统入口阀。

本发明首先在支撑剂未嵌入条件下获取岩心裂缝壁面多个点到基准面的初始距离；然后在页岩模拟储层温度和支撑剂受到有效应力条件下进行页岩支撑剂充填层长期导流能力测定实验，模拟支撑剂在页岩裂缝壁面的嵌入过程；在导流能力测试过程中，实时获取支撑剂嵌入后岩心裂缝壁面多个点到上述基准面的距离；页岩岩心裂缝壁面各点两次测量距离的差值即为该时刻对应各点的支撑剂嵌入深度。本方法实施过程中，在储层温度和支撑剂所受有效应力条件下获取裂缝壁面多个点到基准面的距离，即在支撑剂未卸压的状态下进行测量，测量结果精度高，且能够真实地反应地层条件下的支撑剂在页岩中的嵌入情况。

此外，可在储层温度和支撑剂所受有效应力条件下获取不同时刻裂缝壁面多个点到基准面的距离，获得页岩裂缝壁面多个点到基准面的距离随时间的变化规律，进而获得地层条件下的支撑剂在页岩中的嵌入深度随时间的变化规律。

本发明中步骤一目的在于为建立页岩储层条件下裂缝-支撑剂模拟系统做准备工作。由于页岩通常具有明显的层理结构，难以获得API导流室规模的页岩岩板，本发明提供的基于CT扫描技术的页岩支撑剂嵌入深度测定方法采用长约5cm、直径2.5cm的岩心柱，易于获得步骤一中实验用页岩材料。

因支撑剂嵌入深度由实验前后多个点到基准面距离的差值获得，所以对人工裂缝壁面的粗糙度要求较低，步骤一中可采用常规线切割方式进行人工造缝。步骤一中可使用不同类型的支撑剂、不同粒径的支撑剂、不同支撑剂铺置方式、不同的铺砂浓度（通过使用不同直径的支撑棒实现），研究不同因素对页岩中支撑剂嵌入深度的影响。

步骤三中可采用常规CT数据处理软件获得页岩岩心裂缝壁面各点的三维坐标数据、裂缝壁面和两个半岩心柱的三维形态，实现支撑剂嵌入情况的三维可视化。

步骤四中可设置不同的夹持器温压保持系统回压阀（图3中8）压力，即向支撑剂施加不同的压力，研究不同裂缝闭合压力对支撑剂嵌入深度的影响。回压阀（图3中8）压力设置可通过外接手摇泵实现。远程控制和数据采集系统10可控制流体注入系统（图2）流体预热器的温度以及恒速恒压泵7的压力和流速、夹持器温压保持系统（图3）流体预热器的温度以及恒速恒压泵的压力和流速、CT扫描仪、采集温度传感器2的温度、采集流体收集系统9的流量。

步骤五中流体收集系统9利用高精度天平实现通过裂缝流量的实时计量。

实验过程中利用夹持器温压保持系统实现页岩储层裂缝-支撑剂模拟系统的温度和闭合压力，步骤六中在此条件下进行页岩裂缝导流能力测试并获取裂缝壁面多个点到基准面的距离，因此测量结果能够真实地反应地层条件下的支撑剂在页岩中的嵌入情况。此外，可在不同时刻获取研究地层条件下的支撑剂在页岩中的嵌入深度随时间的变化规律。

综上所述，本申请提供的基于CT扫描技术的页岩裂缝导流能力测试过程中支撑剂嵌入深度实时测定方法能够在模拟页岩储层温压和岩石物性条件下实现支撑剂嵌入深度的实时测定，真实地反应储层压力作用下不同时刻支撑剂在页岩中的嵌入情况并实现其三维可视化，研究不同因素对嵌入深度的影响。本方法测量过程简单，提高了页岩储层条件下模拟支撑剂嵌入深度测定的准确性。

Claims (5)

1.一种页岩裂缝导流能力测试中支撑剂嵌入深度实时测定方法，其特征在于：这种页岩裂缝导流能力测试中支撑剂嵌入深度实时测定方法通过在测试系统中进行如下步骤实现：

步骤一，从页岩全尺寸岩心中钻取长5cm、直径2.5cm的岩心，岩心为圆柱形，将岩心沿轴向切开进行人工造缝，在人工裂缝中预置两根支撑棒，用热塑膜包裹住岩心，然后用热吹风机加热使热塑膜压紧岩心，在缓慢抽出支撑棒的过程中，慢慢向人工裂缝中装填支撑剂；将填充好支撑剂的岩心放入CT扫描专用岩心夹持器内，用岩心夹持器的岩心定位辅助堵头将其固定在岩心夹持器中间位置；

步骤二，将CT扫描专用岩心夹持器竖直固定在CT扫描仪载物台上，连接流体注入系统和夹持器温压保持系统的管线；

步骤三，利用CT扫描仪获取支撑剂嵌入前岩心裂缝壁面多个点到基准面的初始距离；

步骤四，启动远程控制和数据采集系统，启动夹持器温压保持系统，根据页岩储层温度设置夹持器温压保持系统的温度，根据页岩储层内支撑剂所受有效应力设置回压阀的压力，设置夹持器温压保持系统的恒速恒压泵流速为1ml/min；

步骤五，启动流体注入系统和流体收集系统，打开流体注入系统出口阀，关闭其入口阀，关闭流体收集系统入口阀，打开真空泵对充填支撑剂的人工裂缝抽真空；关闭流体注入系统出口阀，打开其入口阀，打开流体预热器，根据页岩储层温度设置其温度，打开恒速恒压泵，使流体充满人工裂缝；设置回压阀压力为2.5MPa，打开流体注入系统出口阀和流体收集系统入口阀；设置流体注入系统的恒速恒压泵流速为2ml/min；利用流体收集系统实时计量通过人工裂缝的流量，进行页岩充填支撑剂裂缝导流能力测试实验；

步骤六，在进行页岩充填支撑剂裂缝导流能力测试实验过程中，每隔5小时，利用CT扫描仪获取页岩储层条件下、对应时刻支撑剂嵌入后岩心裂缝壁面多个点到步骤三所述基准面的距离，通过实时在线测量，得到在储层温度和支撑剂所受有效应力条件下、不同时刻支撑剂嵌入后岩心裂缝壁面多个点到步骤三所述基准面的距离；将不同时刻获取的距离与步骤三所述初始距离作差，差值即为该时刻在储层温度和支撑剂所受有效应力条件下页岩裂缝壁面各个点对应的支撑剂嵌入深度，从而实现页岩裂缝导流能力测试实验过程中，在储层温度和支撑剂所受有效应力条件下利用CT扫描仪实时地反应地层条件下的支撑剂在页岩中的嵌入情况；

步骤七，导流能力测试50小时后结束，此时利用CT扫描仪获取页岩储层条件下、支撑剂嵌入后岩心裂缝壁面多个点到步骤三所述基准面的最终距离，并得到导流能力测试结束时在储层温度和支撑剂所受有效应力条件下页岩裂缝壁面各个点对应的支撑剂嵌入深度，实现页岩储层条件下裂缝导流能力测试中支撑剂嵌入过程模拟以及储层温度和压力作用下嵌入深度的准确测定。

2.根据权利要求1所述的页岩裂缝导流能力测试中支撑剂嵌入深度实时测定方法，其特征在于：所述的测试系统包括CT扫描仪、CT扫描专用岩心夹持器、流体注入系统、夹持器温压保持系统、流体收集系统、远程控制和数据采集系统，岩心置于CT扫描专用岩心夹持器内，流体注入系统通过管线连接至CT扫描专用岩心夹持器入口，CT扫描专用岩心夹持器设置温度传感器，CT扫描专用岩心夹持器出口通过管线连接流体收集系统；夹持器温压保持系统与CT扫描专用岩心夹持器构成循环回路；流体注入系统、夹持器温压保持系统、流体收集系统和温度传感器均连接远程控制和数据采集系统。

3.根据权利要求1所述的页岩裂缝导流能力测试中支撑剂嵌入深度实时测定方法，其特征在于：所述的流体注入系统包括恒速恒压泵、流体预热器、入口阀、出口阀、真空泵和回压阀，恒速恒压泵、流体预热器、入口阀、出口阀、真空泵和回压阀串连连接，恒速恒压泵和流体预热器均与远程控制和数据采集系统连接。

4.根据权利要求1所述的页岩裂缝导流能力测试中支撑剂嵌入深度实时测定方法，其特征在于：所述的夹持器温压保持系统包括恒速恒压泵、流体预热器、入口阀、出口阀和回压阀，恒速恒压泵、流体预热器、入口阀、出口阀和回压阀串连连接，流体预热器出口与CT扫描专用岩心夹持器围压入口之间设置入口阀，回压阀与CT扫描专用岩心夹持器围压出口之间设置出口阀，恒速恒压泵、流体预热器均连接远程控制和数据采集系统。

5.根据权利要求1所述的页岩裂缝导流能力测试中支撑剂嵌入深度实时测定方法，其特征在于：所述的流体收集系统与流体注入系统回压阀之间设置流体收集系统入口阀。

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