CN115095310B - 基于地质靶引的碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及油气田开发技术，公开了一种基于地质靶引的碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验方法及装置。该方法包括以下步骤：制备碳酸盐岩储层模拟试样，确定模拟井筒和射孔的方位；在碳酸盐岩储层模拟试样上开设模拟井眼，根据射孔的方位确定模拟层的数量，对模拟井眼进行分层，在每个模拟层开设至少一组射孔簇；将模拟井筒安装在模拟井眼内，压裂液输送机构能够独立地向每个模拟层内的射孔簇输送压裂液；将压裂液通过压裂液输送机构依次或者同时注入每个模拟层内的射孔簇，监测碳酸盐岩储层模拟试样的压裂信息。该方法能真实地反映碳酸盐岩储层分层酸化压裂过程中的裂缝起裂与扩展规律，为合理地进行酸化压裂设计优化提供理论支持。
Description
技术领域
本发明涉及油气田开发技术，具体地，涉及一种基于地质靶引的碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验方法及装置。
背景技术
由于碳酸盐岩储层埋藏较深，其多数基质不具备储渗能力，非均质程度高，自然投产率低，因此，酸化压裂改造技术已成为该类油气田主要的增产和稳产技术。分层酸化压裂是国内外解决巨厚储层勘探评价和有效开发的重要技术，它能提高储层动用程度，实现纵向上各油气层的均衡改造，提高单井产量，而在碳酸盐岩储层的开发中对酸化压裂工艺的选择必须具有针对性，才能够实现对碳酸盐岩储层的改造效果。
在碳酸盐岩储层的酸化压裂改造中，射孔的开启程度、裂缝延伸规律以及裂缝形态受到层数、簇数、簇间距以及射孔数因素等影响。国内外专家学者大多从力学机理的角度进行水平井分层压裂研究，而针对碳酸盐岩储层的多层、多簇以及多孔室内物理模拟实验很少。虽然，已有通过对实验室水力压裂金属井筒进行改造实现压裂实验，从而得到裂缝起裂与延伸规律；但是，目前碳酸盐岩储层酸化压裂物理模拟的实验方案在设计上仍存在一些不足，未能反映不同层数、簇数、孔数条件下碳酸盐岩酸化压裂的裂缝起裂与延伸规律。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的不同层数、簇数、孔数条件下碳酸盐岩酸化压裂的裂缝起裂与延伸规律无法反映的问题，提供一种基于地质靶引的碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验方法及装置，该实验方法及装置能真实地反映碳酸盐岩储层在分层酸化压裂过程中的裂缝起裂与扩展规律，为合理地进行分层酸化压裂设计优化提供理论支持。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种基于地质靶引的碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验方法，该方法包括以下步骤：
S1、根据碳酸盐岩储层的现场地质情况，制备碳酸盐岩储层模拟试样，根据所述碳酸盐岩储层模拟试样的内部构造，确定模拟井筒的安装方位和射孔的方位，并设置三轴围压；
S2、在所述碳酸盐岩储层模拟试样上的所述模拟井筒的安装方位处开设模拟井眼，根据所述射孔的方位确定模拟层的数量，并对所述模拟井眼进行分层，在每个所述模拟层对应的所述模拟井眼的内壁上开设至少一组包括所需模拟数量的所述射孔的射孔簇，每组所述射孔簇的所述射孔绕所述模拟井眼的内周分布；
S3、将所述模拟井筒安装在所述模拟井眼内，所述模拟井筒上设置有压裂液输送机构，所述压裂液输送机构能够独立地向每个所述模拟层内的所述射孔簇输送压裂液；
S4、在所述碳酸盐岩储层模拟试样处于所述三轴围压的条件下，将所述压裂液通过所述压裂液输送机构依次或者同时注入每个所述模拟层内的所述射孔簇，监测所述碳酸盐岩储层模拟试样的压裂信息。
优选地，步骤S1中，所述碳酸盐岩储层的现场地质情况通过以下步骤获得：
(1)在所述碳酸盐岩储层的现场进行地震波阻抗反演，预测所述碳酸盐岩储层的厚度；
(2)在所述碳酸盐岩储层的现场进行叠前AVO同时反演，获取纵横波速度、密度及其衍生叠前弹性参数，预测所述碳酸盐岩储层的含油量，确定所述碳酸盐岩储层的富含油气区域；
(3)基于步骤(1)中所述碳酸盐岩储层厚度、步骤(2)中所述富含油气区域，利用测井仪器测定所述富含油气区域的测井数据，基于所述测井数据利用测井软件和测井解释计算公式计算所述富含油气区域的脆性、水平应力差、裂缝发育指数，以确定最适合压裂的区域作为所述碳酸盐岩储层模拟试样的取芯位置。
优选地，所述制备碳酸盐岩储层模拟试样的过程包括：在步骤(3)中所述取芯位置处采集所述碳酸盐岩储层现场的碳酸盐岩岩心，并切割成边长为250-350mm的立方体。
优选地，所述碳酸盐岩储层模拟试样的内部构造的获取过程包括：采用CT扫描的方式，获得所述碳酸盐岩储层模拟试样内部的缝洞位置，将所述缝洞位置确定为酸化压裂靶点的位置。
优选地，所述模拟井筒的安装方位为顺着所述酸化压裂靶点位置的排列方向，所述射孔的方位为所述酸化压裂靶点位置与所述模拟井筒的连线处。
优选地，所述设置三轴围压的过程包括：先采用Kaiser效应进行声发射测量所述碳酸盐岩储层的富含油气区域的地应力大小及方向，再根据相似准则设定所述碳酸盐岩储层模拟试样的三轴围压。
优选地，步骤S2中每个所述模拟层的层深通过所述碳酸盐岩储层现场的实际层深与所述碳酸盐岩储层模拟试样的尺寸进行比例换算获得。
优选地，相邻的所述模拟层之间采用植筋胶进行分隔。
优选地，所述射孔簇设置为多组时，相邻的所述射孔簇之间采用橡胶圈进行分隔。
优选地，步骤S2中所述射孔簇的开设过程包括：先在所述模拟井眼的内壁上进行刻槽，然后在所述刻槽形成的凹槽处进行机械造孔形成所述射孔。
优选地，所述射孔的深度为8-12mm，直径为3-5mm。
优选地，步骤S3中所述模拟井筒的直径为20-30mm，长度为160-210mm，所述模拟井眼的大小与所述模拟井筒的大小相匹配。
优选地，所述模拟井筒为金属井筒，更优选为不锈钢井筒。
优选地，步骤S3中所述压裂液输送机构包括注液机构、位于所述模拟井筒内的管线和位于所述模拟井筒侧壁上的出液口，所述管线与所述模拟层一一对应设置，所述出液口与所述射孔簇一一对应设置，每个所述管线的一端与对应的所述模拟层内的所述出液口连接、另一端与所述注液机构连接。
优选地，所述将模拟井筒安装在所述井眼内的过程包括：将所述出液口封闭，再将固井胶倒入所述模拟井眼中，直至所述固井胶灌满所述模拟井眼，然后将所述模拟井筒居中放入装有固井胶的所述模拟井眼中，放入过程中旋转所述模拟井筒缓慢下入，直至所述模拟井筒下入到预定深度，最后对所述模拟井筒的顶端进行压制。
优选地，所述出液口采用橡皮泥进行封闭，所述压制的过程包括：将铁板平衡放置于所述模拟井筒的顶端，在自然条件下放置24-48h。
优选地，步骤S4中所述压裂液为酸性溶液。
优选地，所述压裂液中含有示踪剂，所述示踪剂为荧光物质。
优选地，步骤S4中所述压裂信息包括裂缝走向、射孔起裂位置和裂缝扩展路径。
优选地，所述压裂信息采用声发射仪测得。
优选地，步骤S3还包括：将所述压裂信息利用模拟软件进行模拟，动态展示所述碳酸盐岩储层模拟试样在分层酸化压裂时的裂缝扩展行为。
本发明第二方面提供一种基于地质靶引的碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验装置，包括模拟井筒和位于所述模拟井筒上的压裂液输送机构，所述压裂液输送机构包括注液机构、位于所述模拟井筒内的管线和位于所述模拟井筒侧壁上的出液口，所述管线与所述碳酸盐岩储层模拟试样的模拟井眼内的模拟层一一对应设置，所述出液口与所述碳酸盐岩储层模拟试样的模拟井眼内的射孔簇一一对应设置，每个所述管线的一端与对应的所述模拟层内的所述出液口连接、另一端与所述注液机构连接。
优选地，所述注液机构包括与所述管线一一对应设置的注液接头，每个所述管线远离所述出液口的一端伸出所述模拟井筒且与对应的所述注液接头连接。
优选地，所述模拟井筒靠近所述模拟井眼的开口的一端设有封盖，所述管线穿过所述封盖与所述注液接头连接。
通过上述技术方案，本发明的有益效果为：
本发明提供的碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验方法，对于碳酸盐岩储层的裂缝扩展，针对性地设计分层且具有多射孔簇、多射孔的模拟井筒，实现通过室内实验模拟分层酸化压裂的过程，从而为现场施工提供指导；利用声发射仪作为监测设备采集声发射信号，定位真三轴酸化压裂物理模拟中裂缝的走向，实时监测裂缝起裂压力、射孔起裂位置、裂缝扩展形态及延伸规律等压裂信息，有效解释压后裂缝形态；进一步地，利用模拟软件动态展示酸化压裂物理模拟实验中酸化裂缝在岩样内的扩展路径，重现实验中酸化裂缝扩展过程中遭遇层理面、天然裂缝后的扩展行为，保证了模拟结果的准确性，对于裂缝的监测和分析具有借鉴意义，为碳酸盐岩储层酸化压裂实验研究与压裂施工提供理论支撑。
附图说明
图1是本发明中碳酸盐岩储层模拟试样的CT扫描仪扫描出的缝洞位置及大小；
图2是根据图1所示的缝洞位置得到的模拟井筒的安装方位示意图；
图3是本发明中碳酸盐岩储层的富含油气区域的岩样进行二次加工的示意图；
图4是本发明中碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验装置的一种具体实施方式的结构示意图；
图5是本发明中碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验装置的一种具体实施方式的实物图；
图6是本发明中经刻槽造孔形成的射孔簇的主视图；
图7是本发明中经刻槽造孔形成的射孔簇的俯视图；
图8是本发明中经刻槽造孔形成射孔簇的操作图；
图9是本发明中模拟井筒放置于碳酸盐岩储层模拟试样的模拟井眼中的示意图；
图10是实施例1中碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验后酸化裂缝扩展形态俯视实物图；
图11是实施例1中碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验后酸化裂缝扩展形态侧视实物图；
图12是实施例1中碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验后酸化裂缝扩展形态的模拟示意图；
图13是实施例2中碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验后酸化裂缝扩展形态俯视实物图；
图14是实施例2中碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验后酸化裂缝扩展形态侧视实物图；
图15是实施例2中碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验后酸化裂缝扩展形态的模拟示意图；
图16是实施例1中圆柱岩心的声发射积累数与时间的关系图。
附图标记说明
1模拟井筒 11封盖
12管线 13出液口
2射孔簇 21射孔
3注液接头 4碳酸盐岩储层模拟试样
5模拟层 6模拟井眼
7酸化裂缝 8缝洞
具体实施方式
首先需要说明的是，在下文的描述中为清楚地说明本发明的技术方案而涉及的一些方位词，例如“上”、“下”、“内”、“外”等，“上”是指碳酸盐岩储层模拟试样4放置于水平面时顶部所在的方向，“下”是指碳酸盐岩储层模拟试样4放置于水平面时底部所在的方向，“内”是指模拟井筒1或者模拟井眼6的内腔，“外”是指模拟井筒1或者模拟井眼6的外部。术语为基于附图所示的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”、“安装”应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者是一体连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，或者是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
第一方面，本发明提供了一种基于地质靶引的碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验方法，该方法包括以下步骤：
S1、根据碳酸盐岩储层的现场地质情况，制备碳酸盐岩储层模拟试样，根据碳酸盐岩储层模拟试样的内部构造，确定模拟井筒的安装方位和射孔的方位，并设置三轴围压；
S2、在碳酸盐岩储层模拟试样上的模拟井筒的安装方位处开设模拟井眼，根据射孔的方位确定模拟层的数量，并对模拟井眼进行分层，在每个模拟层对应的模拟井眼的内壁上开设至少一组包括所需模拟数量的射孔的射孔簇，每组射孔簇的射孔绕所述模拟井眼的内周分布；
S3、将模拟井筒安装在模拟井眼内，模拟井筒上设置有压裂液输送机构，压裂液输送机构能够独立地向每个模拟层内的射孔簇输送压裂液；
S4、在碳酸盐岩储层模拟试样处于三轴围压的条件下，将压裂液通过压裂液输送机构依次或者同时注入每个模拟层内的射孔簇，监测碳酸盐岩储层模拟试样的压裂信息。
本发明的发明人在研究过程中，设计出一种基于地质靶引的碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验方法及与之配合的模拟井筒，其中，模拟层的数量、射孔簇的数量、射孔簇的间距和射孔簇中的射孔数量均可以根据碳酸盐岩储层的现场地质情况进行设计，以能够模拟不同的水平井压裂层数、射孔簇数、射孔簇的射孔数对酸化压裂裂缝形态的影响，以便能够真实反映碳酸盐岩储层酸化压裂过程中裂缝起裂与扩展规律，为合理的进行分层酸化压裂设计优化提供理论支持。
根据本发明，碳酸盐岩储层模拟试样处于三轴围压的条件下，通过中国石油大学(北京)岩石力学实验室自主研发的大型真三轴物理模拟实验系统来实现，向试样的垂向和水平方向施加三个方向的应力模拟岩石在真实地层中所处的地应力状态。
根据本发明，所述碳酸盐岩储层的现场地质情况使用碳酸盐岩储层现场的叠前和叠后地震资料识别获得，以用于确定在碳酸盐岩储层现场的取芯位置；其中，叠前和叠后地震资料识别的方法原理为：采用地震波遇到不同岩性的介质会发生反射、透射、折射等现象，通过对地震记录中的数据进行处理和解释，即可推断地下岩层的性质和形态，因此，使用地震勘探携带着地下介质信息的地震波来回复地下岩层的结构和参数信息这一原理，能够识别富含油气且有利于酸化压裂的区域。
根据本发明，优选地，步骤S1中，碳酸盐岩储层的现场地质情况通过以下步骤获得：
(1)在碳酸盐岩储层的现场进行地震波阻抗反演，预测碳酸盐岩储层的厚度；
(2)在碳酸盐岩储层的现场进行叠前AVO(Amplitude Variation with Offset，振幅随炮检距变化)同时反演，获取纵横波速度、密度及其衍生叠前弹性参数，预测碳酸盐岩储层的含油量，确定碳酸盐岩储层的富含油气区域；
(3)基于步骤(1)中碳酸盐岩储层厚度、步骤(2)中富含油气区域，利用测井仪器测定富含油气区域的测井数据，基于测井数据利用测井软件和测井解释计算公式计算富含油气区域的脆性、水平应力差、裂缝发育指数，以确定最适合压裂的区域作为碳酸盐岩储层模拟试样的取芯位置。例如，可将测井数据输入Techlog软件中，利用该软件中的计算公式获得富含油气区域处的脆性、水平应力差、裂缝发育指数。
根据本发明，所述制备碳酸盐岩储层模拟试样可以从碳酸盐岩储层现场采集获得，也可以采用碳酸盐岩储层采集的碎屑粉末与粘接剂混合浇筑制成。优选地，步骤S1中所述制备碳酸盐岩储层模拟试样的过程包括：在上述步骤(3)中取芯位置处采集碳酸盐岩储层现场的碳酸盐岩岩心，并切割成边长为250-350mm的立方体。示例性地，碳酸盐岩储层模拟试样为300mm×300mm×300mm的立方体。
根据本发明，优选地，步骤S1中碳酸盐岩储层模拟试样的内部构造的获取过程包括：采用CT扫描仪进行扫描的方式，获得碳酸盐岩储层模拟试样内部的缝洞位置，将缝洞位置确定为酸化压裂靶点的位置；以了解碳酸盐岩储层模拟试样的内部构造，确定酸压裂缝沟通目标，为后续实验参数(例如，地应力大小以及金属井筒射孔方位的设定)提供导向依据。具体地，参见图1所示，球状为碳酸盐岩储层模拟试样内部经CT扫描仪扫描出的缝洞位置及大小，以将扫描出的球状确定为酸化压裂靶点位置。
本发明中，根据上述确定的酸化压裂靶点的位置，设置模拟井筒安装方位以及射孔的方位，并设置三轴围压，从而控制酸化裂缝沟通目的区域。优选地，参见图2，模拟井筒的安装方位为顺着所述酸化压裂靶点位置的排列方向，射孔的方位为酸化压裂靶点位置与模拟井筒的连线处；具体地，在酸化压裂靶点位置与模拟井筒的连线在模拟井筒上的交点位置处进行开孔。
根据本发明，优选地，设置三轴围压的过程包括：先采用Kaiser效应进行声发射测量上述的碳酸盐岩储层的富含油气区域的地应力大小及方向，再根据相似准则，基于富含油气区域的地应力大小及方向，设定碳酸盐岩储层模拟试样的三轴围压的大小。其中，Kaiser效应指的是物体在受到循环荷载的作用下，如果载荷在未超过前次加载的最大载荷时，物体不会有声发射现象，或者声发射现象很弱，而当载荷超过前次加载的最大载荷时，则出现声发射现象的剧变。Kaiser效应是测试岩石应力的有效方法。
示例性地，设置三轴围压的具体步骤如下：
(1)参见图3，使用所述碳酸盐岩储层的富含油气区域的岩样进行二次加工，按0°、45°、90°进行加工形成直径为25mm，长度为50mm的圆柱岩心；
(2)运用MTS286岩石测试系统绘出应力-应变关系曲线，SAMOSTM声发射检测系统绘出声发射强度与时间的关系及声发射积累数与时间的关系；所述圆柱岩心在轴加载过程中声发射率突然增大点对应着的轴向应力是沿该岩样钻取方向曾经受过的最大压应力，实验结果为测得的地应力大小；
(3)根据上述的酸化压裂靶点位置和相似准则，在实验设备上进行碳酸盐岩储层模拟试样的三轴围压的设置。
根据本发明，优选地，步骤S2中每个所述模拟层的层深通过碳酸盐岩储层现场的实际层深与所述碳酸盐岩储层模拟试样的尺寸进行比例换算获得。具体地，可以按照碳酸盐岩储层模拟试样与碳酸盐岩储层的实际尺寸之间的比例，按照现场碳酸盐岩中的实际层深换算出碳酸盐岩储层模拟试样中模拟层的层深。
根据本发明，优选地，相邻的模拟层之间采用植筋胶进行分隔。
根据本发明，每个模拟层内射孔簇的所需模拟数量根据碳酸盐岩储层的实际需求进行设定，具体可以为2簇、3簇、4簇或者更多。优选地，射孔簇设置为多组时，多组射孔簇为沿模拟井眼的长度方向分布，相邻的射孔簇之间采用橡胶圈进行分隔，以能够在模拟井眼的模拟层内形成多组射孔簇。相邻的射孔簇之间的间距也可以根据实际需求以及碳酸盐岩储层模拟试样的尺寸比例进行设定。
根据本发明，参见图6和图7，每个所述射孔簇包括所需模拟数量的射孔，具体可以为4个、5个、6个或者更多；多个射孔可以绕模拟井眼的内周均匀分布，也可以是不均匀地分布。
根据本发明，优选地，参见图8，步骤S2中射孔簇的开设过程包括：先在所述模拟井眼的内壁上进行刻槽，然后在刻槽形成的凹槽处进行机械造孔形成射孔。具体地，可以采用金刚石切割片进行刻槽，采用钢钉进行机械造孔。
根据本发明，射孔簇的每个射孔的尺寸可以根据碳酸盐岩储层模拟试样与碳酸盐岩储层的实际尺寸之间的比例进行相应的设计。优选地，射孔的深度为8-12mm，直径为3-5mm。示例性地，每个射孔的深度为10mm，直径为4mm。
根据本发明，模拟井眼和模拟井筒的尺寸大小也可根据碳酸盐岩储层模拟试样与碳酸盐岩储层的实际尺寸之间的比例进行设计。优选地，步骤S3中所述模拟井筒的直径为20-30mm，长度为160-210mm，所述模拟井眼的大小与所述模拟井筒的大小相匹配。
根据本发明，优选地，模拟井筒为金属井筒，更优选为不锈钢井筒。
根据本发明，优选地，步骤S3中压裂液输送机构包括注液机构、位于模拟井筒内的管线和位于模拟井筒侧壁上的出液口，管线与模拟层一一对应设置，出液口与射孔簇一一对应设置，每个管线的一端与对应的模拟层内的出液口连接、另一端与注液机构连接。模拟井筒内的管线能够将注液机构注入的压裂液传输至该管线对应的模拟层内的出液口，从出液口输入该管线对应的模拟层内的射孔中，模拟压裂过程。
根据本发明，优选地，将模拟井筒安装在所述井眼内的过程包括：将出液口封闭，再将固井胶倒入模拟井眼中，直至固井胶灌满模拟井眼，然后将模拟井筒居中放入装有固井胶的模拟井眼中，放入过程中旋转模拟井筒缓慢下入，直至模拟井筒下入到预定深度，最后对模拟井筒的顶端进行压制。需要说明的是，模拟井眼的底部开设射孔簇，模拟井筒底部设有与之相应的出液口时，或者在模拟井筒底部设计有圆孔时，模拟井筒安装前需要将模拟井筒底部的开孔封闭，例如，可以采用透明胶带封闭。将模拟井筒上的出液口封闭能够有效防止固井胶内流；模拟井眼放入过程中可以按照顺时针的方向旋转下入，也可以按照逆时针的方向旋转下入。
根据本发明，出液口可以采用粘性物质进行封闭，以能够在管线输入压裂液时能够将出液口的粘性物质冲破，顺利地将压裂液输送至射孔簇的各个射孔内。优选地，出液口利用橡皮泥进行封闭。
根据本发明，模拟井筒放入模拟井眼后需要进行压制，以使得模拟井筒安装固定得更加稳定。优选地，压制的过程包括：将铁板平衡放置于模拟井筒的顶端，在自然条件下放置24-48h。示例性地，铁板采用能够覆盖模拟井筒顶端的方形铁板。
根据本发明，优选地，步骤S4中压裂液为酸性溶液，具体地，可以根据模拟的压裂液类型进行压裂液的制备。
根据本发明，优选地，压裂液中含有示踪剂，示踪剂为荧光物质，以能够更好地观察酸化裂缝在试样中的扩展形态。示例性地，选择绿色荧光粉作为示踪剂加在压裂液中。
根据本发明，优选地，步骤S4中压裂信息包括裂缝走向、射孔起裂位置和裂缝扩展路径，以能够有效解释压后裂缝的形态。
根据本发明，优选地，压裂信息采用声发射仪测得。
根据本发明，优选地，步骤S4还包括：将压裂信息利用模拟软件进行模拟，动态展示碳酸盐岩储层模拟试样在分层酸化压裂时的裂缝扩展行为，观察酸化裂缝形态以及裂缝扩展方位，判断酸化裂缝是否沟通到目的区域。裂缝扩展行为包括碳酸盐岩储层模拟试样在酸化裂缝扩展过程中遭遇层理面、天然裂缝后的射孔起裂位置、扩展路径等扩展行为。具体地，模拟软件可以采用3D绘图软件。
第二方面，本发明提供了一种基于地质靶引的碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验装置，参见图4-图5所示，包括模拟井筒1和位于模拟井筒1上的压裂液输送机构，压裂液输送机构包括注液机构、位于模拟井筒1内的管线12和位于模拟井筒1侧壁上的出液口13，管线12与碳酸盐岩储层模拟试样4的模拟井眼6内的模拟层5一一对应设置，出液口13与碳酸盐岩储层模拟试样4的模拟井眼6内的射孔簇2一一对应设置，每个管线12的一端与对应的模拟层5内的出液口13连接、另一端与注液机构连接。
本发明提供的碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验装置，能够有效模拟不同模拟层的数量、射孔簇的数量、射孔簇的间距和射孔簇的射孔数量等条件，以进行碳酸盐岩储层的酸化压裂室内模拟实验，为碳酸盐岩储层压裂实验研究与压裂施工提供理论支撑。
根据本发明，注液机构可以独立地分别向不同的管线12中输入压裂液，也可以是与多个管线12均连通，进行多个管线12同时输入压裂液。优选地，注液机构包括与管线12一一对应设置的注液接头3，每个管线12远离出液口13的一端伸出模拟井筒1且与对应的注液接头3连接，以能够分别通过注液接头3单独向每个管线12输入压裂液。
根据本发明，优选地，模拟井筒1靠近模拟井眼6的开口的一端设有封盖11，管线12穿过封盖11与注液接头3连接。封盖11能够更好地保持模拟井筒1与模拟井眼6的安装稳定性。
作为本发明中基于地质靶引的碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验装置的一种相对优选的具体实施方式，参见图4和图5，包括模拟井筒1和位于模拟井筒1上的压裂液输送机构，模拟井筒1靠近模拟井眼6的开口的一端设有封盖11，压裂液输送机构包括注液机构、位于模拟井筒1内的管线12和位于模拟井筒1侧壁上的出液口13，管线12与碳酸盐岩储层模拟试样4的模拟井眼6内的模拟层5一一对应设置，注液机构包括与管线12一一对应设置的注液接头3，每个管线12的一端伸出封盖11且与对应的注液接头3连接，另一端与对应的模拟层5内的出液口13连接；出液口13与碳酸盐岩储层模拟试样4的模拟井眼6内的射孔簇2一一对应设置。
相应地，作为本发明中碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验方法的一种相对优选的具体实施方式，该方法包括以下步骤：
S1、根据碳酸盐岩储层的现场地质情况，制备碳酸盐岩储层模拟试样，根据碳酸盐岩储层模拟试样的内部构造，确定模拟井筒的安装方位和射孔的方位，并设置三轴围压；
具体为：(1)在碳酸盐岩储层的现场进行地震波阻抗反演，预测碳酸盐岩储层的厚度；
(2)在碳酸盐岩储层的现场进行叠前AVO同时反演，获取纵横波速度、密度及其衍生叠前弹性参数，预测碳酸盐岩储层的含油量，确定碳酸盐岩储层的富含油气区域；
(3)基于步骤(1)中的碳酸盐岩储层厚度、步骤(2)中的富含油气区域，利用测井仪器测定富含油气区域的测井数据，基于测井数据利用测井软件和测井解释计算公式计算富含油气区域的脆性、水平应力差、裂缝发育指数，以确定最适合压裂的区域作为碳酸盐岩储层模拟试样的取芯位置；
(4)在步骤(3)得到的取芯位置处采集碳酸盐岩储层现场的碳酸盐岩岩心，并切割成边长为250-350mm的立方体，作为碳酸盐岩储层模拟试样4；
(5)采用CT扫描的方式，获得步骤(4)得到的碳酸盐岩储层模拟试样4内部的缝洞位置，将缝洞位置确定为酸化压裂靶点的位置，将模拟井筒1的安装方位设置为顺着酸化压裂靶点位置的排列方向，射孔21的方位设置为酸化压裂靶点的位置与模拟井筒1的连线处；
(6)取碳酸盐岩储层的富含油气区域的岩样进行二次加工，按0°、45°、90°进行加工形成圆柱岩心，运用MTS286岩石测试系统绘出应力-应变关系曲线，SAMOSTM声发射检测系统绘出声发射强度与时间的关系及声发射积累数与时间的关系；圆柱岩心在轴加载过程中声发射率突然增大点对应着的轴向应力是沿该岩样钻取方向曾经受过的最大压应力，根据步骤(5)得到的酸化压裂靶点位置和相似准则，在实验设备(大型真三轴物理模拟实验系统)上设置碳酸盐岩储层模拟试样4的三轴围压，由于酸化压裂的裂缝沿着垂直于最小主应力方向扩展(三轴实验中沿着最大主应力扩展)，进而设置最大主应力为X方向，根据相似准则设定地应力大小；
S2、根据步骤(1)得到的碳酸盐岩储层的厚度，选择模拟井筒1的直径和长度，在步骤(5)得到的模拟井筒1的安装方位处开设与模拟井筒1相匹配的模拟井眼6，并根据步骤(5)得到的射孔21的方位，设置模拟层5的数量并对模拟井眼6进行分层，相邻的模拟层5之间采用植筋胶进行分隔，参见图6至图8，在模拟井眼6的内壁先采用金刚石切割片进行刻槽，再采用钢钉在刻槽形成的凹槽处沿着酸化压裂靶点与模拟井筒1的连线在模拟井筒1的交点位置进行机械造孔，使得每个模拟层5对应的模拟井眼6内壁上开设至少一组射孔簇2，每组射孔簇2包括所需模拟数量的射孔21，相邻的射孔簇2之间采用橡胶圈进行分隔，每个射孔21的深度为8-12mm，直径为3-5mm；
S2、将模拟井筒1安装在模拟井眼6内，模拟井筒1为不锈钢井筒，直径为20-30mm，长度为160-210mm，结构采用上述装置相对优选的具体实施方式，具体安装过程为：首先用透明胶带封住模拟井筒1的底部开孔，用橡皮泥封住模拟井筒1侧壁上的出液口13，然后将配置好的固井胶倒入模拟井眼6中，当固井胶灌满模拟井眼6后停止继续倒入，随后将模拟井筒1居中放入装有固井胶的模拟井眼6中，放入过程中按照顺时针的方向旋转模拟井筒1缓慢下入，当模拟井筒1下入到预定深度后停止继续下入，使得每个管线12连接的出液口13与该管线12对应的模拟层5中射孔簇2的位置相对应，最后将准备好的方形铁板平衡放置于模拟井筒1顶端，自然条件下放置24-48h，参见图9，至此，针对碳酸盐岩储层水平井分层多簇多孔的模拟井筒1与试样配合完成；
S3、配制含有绿色荧光粉的酸性溶液作为压裂液，在碳酸盐岩储层模拟试样处于三轴围压的条件下，将压裂液通过注液接头3依次或者同时注入每个管线12中，并从出液口13输入各个模拟层5内的射孔簇2，利用声发射仪采集声发射信号，定位裂缝走向，实时监测真三轴酸化压裂物理模拟中射孔起裂位置、裂缝扩展路径等信息，有效解释压后裂缝形态；利用软件动态展示酸化压裂物理模拟实验中酸化裂缝在岩样内的扩展路径，重现实验中酸化裂缝扩展过程中遭遇层理面、天然裂缝后的扩展行为，判断酸化压裂裂缝是否沟通到目的区域。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
以下实施例中，碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验采用中国石油大学(北京)自主研发的大型真三轴物理模拟实验系统，在物理模拟过程中，通过向试样的垂向和水平方向施加三个方向的应力模拟岩石在真实地层中所处的地应力状态。其他的仪器设备、软件等采用本领域内常规的仪器设备或软件。
实施例1
S1、根据碳酸盐岩储层(塔里木盆地顺北油田)的现场地质情况，制备碳酸盐岩储层模拟试样，根据碳酸盐岩储层模拟试样的内部构造，确定模拟井筒的安装方位和射孔的方位，并设置三轴围压；
具体为：(1)在碳酸盐岩储层的现场进行地震波阻抗反演，预测碳酸盐岩储层的厚度；
(2)在碳酸盐岩储层的现场进行叠前AVO同时反演，获取纵横波速度为51us/ft、密度为2.3g/cm3及其衍生叠前弹性参数，将上述数据利用Zoeppritz方程可以得到AVO交会图，根据不同油气属性产生不同的响应，从而标定储层含油气性，再利用容积法预测碳酸盐岩储层的含油量为35.8×103吨，确定碳酸盐岩储层的富含油气区域；
(3)基于步骤(1)中的碳酸盐岩储层厚度、步骤(2)中的富含油气区域，利用测井仪器测定富含油气区域的测井数据，基于测井数据利用测井软件(Techlog软件)和测井解释计算公式(黄荣樽六五模型法)，计算富含油气区域的脆性指数在0.008-0.475之间、平均值为0.236，水平应力差为50，裂缝密度20m/m2～50m/m2，结合上述三个参数数据，根据可压裂性计算软件Fracpro PT确定最适合压裂的区域，作为碳酸盐岩储层模拟试样4的取芯位置；
(4)在步骤(3)得到的取芯位置处采集碳酸盐岩储层现场的碳酸盐岩岩心，并切割成边长为300mm的立方体，作为碳酸盐岩储层模拟试样4；
(5)参见图1，采用CT扫描的方式，获得步骤(4)得到的碳酸盐岩储层模拟试样4内部的缝洞位置，将缝洞位置确定为酸化压裂靶点的位置，参见图2，将模拟井筒1的安装方位设置为顺着酸化压裂靶点位置的排列方向，射孔21的方位设置为酸化压裂靶点的位置与模拟井筒1的连线处；
(6)取碳酸盐岩储层的富含油气区域的岩样进行二次加工，参见图3，按0°、45°、90°进行加工形成直径为25mm，长度为50mm的圆柱岩心，运用MTS286岩石测试系统绘出应力-应变关系曲线，SAMOSTM声发射检测系统绘出声发射强度与时间的关系及声发射积累数与时间的关系(如图16所示)；圆柱岩心在轴加载过程中声发射率突然增大点对应着的轴向应力是沿该岩样钻取方向曾经受过的最大压应力，实验结果为测得的地应力大小，得到垂向地应力200MPa、水平最大地应力180MPa、水平最小地应力160MPa，根据步骤(5)得到的酸化压裂靶点位置和相似准则，在实验设备(大型真三轴物理模拟实验系统)上设置碳酸盐岩储层模拟试样4的三轴围压，由于酸化压裂的裂缝沿着垂直于最小主应力方向扩展(三轴实验中沿着最大主应力扩展)，进而设置最大主应力为X方向，地应力大小根据相似准则设定为17-10-7MPa；
S2、根据步骤(1)得到的碳酸盐岩储层的厚度以及步骤(4)得到的碳酸盐岩储层模拟试样4的尺寸，设定模拟井筒1的直径为20mm、长度为210mm，利用外径为32mm的水钻在步骤(5)得到的碳酸盐岩储层模拟试样4上模拟井筒1的安装方位处钻取直径为32mm，长度为200mm的模拟井眼6，模拟井眼6下端预留的裸眼层长度为20mm；
根据步骤(5)得到的射孔21的方位，设置分层压裂需要实施的模拟层5的层数为2层，相邻的模拟层5之间采用植筋胶进行分隔，在模拟井眼6的内壁先采用金刚石切割片进行刻槽，再采用钢钉在刻槽形成的凹槽处沿着酸化压裂靶点与模拟井筒1的连线在模拟井筒1的交点位置进行机械造孔，使得每个模拟层5对应的模拟井眼6内壁上开设两簇射孔簇2，每个射孔簇2具有六个射孔21，相邻的射孔簇2之间采用橡胶圈进行分隔，射孔簇2中每个射孔21的深度为10mm，直径为4mm；
制备不锈钢材质的模拟井筒，模拟井筒的结构为：模拟井筒1的一端设有封盖11，模拟井筒1上设置有压裂液输送机构，压裂液输送机构包括注液机构、位于模拟井筒1内的管线12和模拟井筒1侧壁上开设的出液口13，管线12与模拟井眼6内的模拟层5一一对应设置，出液口13与模拟井眼6内的射孔簇2一一对应设置，注液机构包括与管线12一一对应设置的注液接头3，每个管线12的一端伸出封盖11且与对应的注液接头3连接，另一端与对应的模拟层5内的出液口13连接；
S3、将模拟井筒1安装在模拟井眼6内，具体安装过程为：首先用透明胶带封住模拟井筒1远离封盖11的底部开孔，用橡皮泥封住模拟井筒1侧壁上的出液口13，然后将配置好的固井胶倒入模拟井眼6中，当固井胶灌满模拟井眼6后停止继续倒入，随后将模拟井筒1远离封盖11的一端居中放入装有固井胶的模拟井眼6中，放入过程中按照顺时针的方向旋转模拟井筒1缓慢下入，当模拟井筒1下入到预定深度后停止继续下入，使得每个管线12连接的出液口13与该管线12对应的模拟层5中射孔簇2的位置相对应，最后将准备好的方形铁板平衡放置于模拟井筒1的顶端，自然条件下放置35h，至此，针对碳酸盐岩储层水平井分层多簇多孔的模拟井筒1与碳酸盐岩储层模拟试样4配合完成；
S4、配制含有绿色荧光粉的酸性溶液作为压裂液(酸性溶液为稠化酸、交联酸和清洁酸的混合液)后，在碳酸盐岩储层模拟试样4处于大型真三轴物理模拟实验系统的三轴围压的条件下，将压裂液通过注液接头3同时注入每个管线12中，并从出液口13输入各个模拟层5内的射孔簇2，利用声发射仪采集声发射信号，定位裂缝走向，实时监测碳酸盐岩储层模拟试样4中射孔21的起裂位置、裂缝扩展路径等信息，如图10和图11所示；利用3D绘图软件动态展示酸化压裂物理模拟实验中酸化裂缝7在岩样内的扩展路径，如图12所示，重现实验中酸化裂缝7扩展过程中遭遇层理面、天然裂缝后的扩展行为。
实施例1的多层酸化压裂室内模拟实验方法，可模拟水平井中的不同层数、不同射孔簇数以及不同射孔数，并且可以通过改变压裂施工排量、压裂液粘度进行酸化压裂物理模拟实验，能够更真实的反映水平井多层多簇多孔酸化裂缝7的扩展形态和延伸规律，从而更好的指导碳酸盐岩储层现场酸化压裂增产改造作业。
实施例2
按照实施例1的方法进行碳酸盐岩储层多层酸化压裂室内模拟实验，其制备步骤、原理和有益效果等均与实施例1相同，不同的是：
碳酸盐岩储层模拟试样4在步骤(5)中采用CT扫描后，内部的构造(缝洞位置和数量)与实施例1不同，进而确定模拟层5的数量为三层，每个模拟层5对应的模拟井眼6内壁上开设两簇射孔簇2，每个射孔簇2具有四个射孔21。
实施例2的碳酸盐岩储层模拟试样4中射孔21的起裂位置、裂缝扩展路径等信息，如图13和图14所示；利用3D绘图软件动态展示酸化压裂物理模拟实验中酸化裂缝7在岩样内的扩展路径，如图15所示，重现实验中酸化裂缝7扩展过程中遭遇层理面、天然裂缝后的扩展行为。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (13)
1.一种基于地质靶引的碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、根据碳酸盐岩储层的现场地质情况，制备碳酸盐岩储层模拟试样，根据所述碳酸盐岩储层模拟试样的内部构造，确定模拟井筒的安装方位和射孔的方位，并设置三轴围压；其中，所述碳酸盐岩储层的现场地质情况通过以下步骤获得：
(1)在所述碳酸盐岩储层的现场进行地震波阻抗反演，预测所述碳酸盐岩储层的厚度；
(2)在所述碳酸盐岩储层的现场进行叠前AVO同时反演，获取纵横波速度、密度及其衍生叠前弹性参数，预测所述碳酸盐岩储层的含油量，确定所述碳酸盐岩储层的富含油气区域；
(3)基于步骤(1)中所述碳酸盐岩储层厚度、步骤(2)中所述富含油气区域，利用测井仪器测定所述富含油气区域的测井数据，基于所述测井数据利用测井软件和测井解释计算公式计算所述富含油气区域的脆性、水平应力差、裂缝发育指数，以确定最适合压裂的区域作为所述碳酸盐岩储层模拟试样的取芯位置；
所述制备碳酸盐岩储层模拟试样的过程包括：在步骤(3)中所述取芯位置处采集所述碳酸盐岩储层现场的碳酸盐岩岩心，并切割成边长为250-350mm的立方体；所述碳酸盐岩储层模拟试样的内部构造的获取过程包括：采用CT扫描的方式，获得所述碳酸盐岩储层模拟试样内部的缝洞位置，将所述缝洞位置确定为酸化压裂靶点的位置；所述模拟井筒的安装方位为顺着所述酸化压裂靶点位置的排列方向，所述射孔的方位为所述酸化压裂靶点位置与所述模拟井筒的连线处；所述设置三轴围压的过程包括：先采用Kaiser效应进行声发射测量所述碳酸盐岩储层的富含油气区域的地应力大小及方向，再根据相似准则设定所述碳酸盐岩储层模拟试样的三轴围压；
S2、在所述碳酸盐岩储层模拟试样上的所述模拟井筒的安装方位处开设模拟井眼，根据所述射孔的方位确定模拟层的数量，并对所述模拟井眼进行分层，在每个所述模拟层对应的所述模拟井眼的内壁上开设至少一组包括所需模拟数量的所述射孔的射孔簇，每组所述射孔簇的所述射孔绕所述模拟井眼的内周分布；其中，每个所述模拟层的层深通过所述碳酸盐岩储层现场的实际层深与所述碳酸盐岩储层模拟试样的尺寸进行比例换算获得；相邻的所述模拟层之间采用植筋胶进行分隔；所述射孔簇设置为多组时，相邻的所述射孔簇之间采用橡胶圈进行分隔；
S3、将所述模拟井筒安装在所述模拟井眼内，所述模拟井筒上设置有压裂液输送机构，所述压裂液输送机构能够独立地向每个所述模拟层内的所述射孔簇输送压裂液；
S4、在所述碳酸盐岩储层模拟试样处于所述三轴围压的条件下，将所述压裂液通过所述压裂液输送机构依次或者同时注入每个所述模拟层内的所述射孔簇，监测所述碳酸盐岩储层模拟试样的压裂信息。
2.根据权利要求1所述的基于地质靶引的碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验方法，其特征在于，步骤S2中所述射孔簇的开设过程包括：先在所述模拟井眼的内壁上进行刻槽，然后在所述刻槽形成的凹槽处进行机械造孔形成所述射孔。
3.根据权利要求2所述的基于地质靶引的碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验方法，其特征在于，所述射孔的深度为8-12mm，直径为3-5mm。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的基于地质靶引的碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验方法，其特征在于，步骤S3中所述模拟井筒的直径为20-30mm，长度为160-210mm，所述模拟井眼的大小与所述模拟井筒的大小相匹配。
5.根据权利要求4所述的基于地质靶引的碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验方法，其特征在于，所述模拟井筒为金属井筒。
6.根据权利要求1至3中任意一项所述的基于地质靶引的碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验方法，其特征在于，步骤S3中所述压裂液输送机构包括注液机构、位于所述模拟井筒内的管线和位于所述模拟井筒侧壁上的出液口，所述管线与所述模拟层一一对应设置，所述出液口与所述射孔簇一一对应设置，每个所述管线的一端与对应的所述模拟层内的所述出液口连接、另一端与所述注液机构连接。
7.根据权利要求6所述的基于地质靶引的碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验方法，其特征在于，将所述模拟井筒安装在所述模拟井眼内的过程包括：将所述出液口封闭，再将固井胶倒入所述模拟井眼中，直至所述固井胶灌满所述模拟井眼，然后将所述模拟井筒居中放入装有固井胶的所述模拟井眼中，放入过程中旋转所述模拟井筒缓慢下入，直至所述模拟井筒下入到预定深度，最后对所述模拟井筒的顶端进行压制。
8.根据权利要求7所述的基于地质靶引的碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验方法，其特征在于，所述出液口采用橡皮泥进行封闭，所述压制的过程包括：将铁板平衡放置于所述模拟井筒的顶端，在自然条件下放置24-48h。
9.根据权利要求1至3中任意一项所述的基于地质靶引的碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验方法，其特征在于，步骤S4中所述压裂液为酸性溶液；所述压裂液中含有示踪剂，所述示踪剂为荧光物质。
10.根据权利要求1至3中任意一项所述的基于地质靶引的碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验方法，其特征在于，步骤S4中所述压裂信息包括裂缝走向、射孔起裂位置和裂缝扩展路径。
11.根据权利要求10所述的基于地质靶引的碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验方法，其特征在于，所述压裂信息采用声发射仪测得；
步骤S3还包括：将所述压裂信息利用模拟软件进行模拟，动态展示所述碳酸盐岩储层模拟试样在分层酸化压裂时的裂缝扩展行为。
12.根据权利要求1所述的基于地质靶引的碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验方法，其特征在于，该方法采用的模拟实验装置包括模拟井筒(1)和位于所述模拟井筒(1)上的压裂液输送机构，所述压裂液输送机构包括注液机构、位于所述模拟井筒(1)内的管线(12)和位于所述模拟井筒(1)侧壁上的出液口(13)，所述管线(12)与所述碳酸盐岩储层模拟试样(4)的模拟井眼(6)内的模拟层(5)一一对应设置，所述出液口(13)与所述碳酸盐岩储层模拟试样(4)的模拟井眼(6)内的射孔簇(2)一一对应设置，每个所述管线(12)的一端与对应的所述模拟层(5)内的所述出液口(13)连接、另一端与所述注液机构连接。
13.根据权利要求12所述的基于地质靶引的碳酸盐岩储层分层酸化压裂室内模拟实验方法，其特征在于，所述注液机构包括与所述管线(12)一一对应设置的注液接头(3)，每个所述管线(12)远离所述出液口(13)的一端伸出所述模拟井筒(1)且与对应的所述注液接头(3)连接；
所述模拟井筒(1)靠近所述模拟井眼(6)的开口的一端设有封盖(11)，所述管线(12)穿过所述封盖(11)与所述注液接头(3)连接。
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