CN117451526A - 一种模拟海域水合物沉积物压裂的实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水合物储层井下水力压裂技术领域、油气田开发技术领域，具体涉及一种模拟海域水合物沉积物压裂的实验方法，主要包括：根据目标水合物储层的矿物组成成分以及物理力学性质进行人造岩心骨架制备，模拟水合物储层的地质条件；定量控制人造岩心骨架内生成的类水合物的饱和度；对液压系统和压裂液进行防冻处理后，在低温环境中进行压裂模拟实验；实验结束后观察裂缝形态及分布规律，使用matlab对实验数据进行降噪处理，绘制压裂曲线，分析实验结果。本发明可以模拟海底水合物地层的地质、温度、压力条件进行压裂模拟实验，解决压裂模拟实验岩心受限、常温常压实验条件下无法进行压裂模拟实验的问题，且实验模拟结果可靠。
Description
技术领域
本发明属于水合物储层井下水力压裂技术领域、油气田开发技术领域，具体涉及一种模拟海域水合物沉积物压裂的实验方法。
背景技术
目前，水合物作为一种储量丰富且清洁高效的非常规天然气资源，被认为是21世纪最具有商业开发前景的洁净能源，其成功开采对缓解能源供需矛盾，确保能源战略安全，保障经济社会持续稳定发展具有重要意义。但海域水合物储层介质颗粒粒径较小，孔隙多被固态水合物占据，储层有效渗透率低，属于低渗透气藏，开采日产量不足，开采难度大，难以达到商业化开采。
水力压裂是低渗页岩气、致密气藏实现商业化开采的关键增产技术，采用水力压裂技术使水合物储层内部形成高渗透人造流动通道，是提高天然气水合物开采效率，实现增产的重要探索方向。与其他低渗油气储层不同的是，海洋水合物储层是由松散的沉积物颗粒和带有粘滞性的水合物颗粒组成，具有浅埋深、弱/未固结、非成岩等特征，且沉积物中水合物的赋存形式影响储层的力学性质，导致水合物储层的压裂行为具有一定的特殊性。且水合物作为非常规能源，其压裂后裂缝起裂与扩展规律尚未揭示清楚。为更高效的开发水合物资源，亟需围绕水合物储层的水力压裂裂缝的起裂与扩展规律开展研究，为提高水合物开发增产、稳产能力提供保障。
三轴压裂模拟实验是研究油气藏压裂开发中裂缝扩展方式和形态的主要物理模拟手段，因此可对水合物试样进行三轴压裂模拟实验，探究天然气水合物储层压裂后裂缝的起裂与扩展规律，为水合物压裂增产提供参考。然而一方面海域天然水合物岩心取样保存困难，岩心数量受限，实验可重复性差，可靠性差，为开展实验室水合物压裂模拟实验带来诸多不便；另一方面常温常压下水合物易分解会导致试样力学参数改变，常规三轴试验系统无法进行水合物压裂模拟实验。
发明内容
本发明旨在提供一种模拟海域水合物沉积物压裂的实验方法，可模拟水合物地层的地质、温度、压力条件开展压裂模拟实验，探究天然气水合物储层压裂后裂缝的起裂与扩展规律，解决压裂模拟实验岩心受限、常温常压实验条件下无法进行压裂模拟实验且实验结果不可靠的问题，为水合物储层压裂设计优化提供参考。
本发明所述的一种模拟海域水合物沉积物压裂的实验方法，包括以下步骤：
（1）根据目标储层矿物组成成分以及物理力学性质确定人造岩心试样所需材料组成成分以及所占比例。
（2）根据步骤（1）的配方，按比例称取材料，加水混合制备浆体填入大物模模具内，安装压裂模拟管柱后静置成型、水浴养护、常温常压下通风干燥得人造岩心骨架。
（3）采用冰模拟水合物，根据人造岩心骨架干燥前后的质量差计算孔隙度，根据预设含冰饱和度计算人造岩心骨架所需注入水的质量，由注射器沿人造岩心骨架表面均匀注水，然后冰冻，得人造岩心试样；称量人造岩心试样的质量，再由质量法复核人造岩心试样的实际含冰饱和度。
复核人造岩心试样实际含冰饱和度的目的是确定实际含冰饱和度与预设含冰饱和度差距多少，保障后续实验数据真实可靠；经过孔隙度法与质量法共同验证确知实际含冰饱和度与预设饱和度基本是一致的，孔隙度法只适用于可进行孔隙度测量的标准岩心，因此大物模试样制备过程用选用质量法进行复核，如出实际含冰饱和度与预设含冰饱和度不一致时，以实际含冰饱和度为准。
（4）将冰冻后人造岩心试样装载于模拟海域水合物沉积物压裂的实验系统中进行压裂模拟实验，采集实验数据。
（5）实验结束后取出人造岩心试样，观察裂缝形态及分布规律，处理采集的实验数据，进行压裂模拟实验结果分析。
所述步骤（1）中以目标储层的孔隙度、单轴抗压强度为关键模拟参数调整各类材料比例，直至与目标储层相符。
所述步骤（2）中大物模模具尺寸为300mm×300mm×300mm；采用少量多次的方式装填模具，每次装填后对其进行充分震荡消除气泡；静置成型时间为70~75小时；水浴养护20~25小时。
所述步骤（3）中岩心骨架孔隙度Φ由下式计算：
；
式中，m 1 表示人造岩心骨架干燥后的质量，单位kg；m 2 表示人造岩心骨架干燥前的质量，单位kg；ρ表示水的密度，单位kg/m3；v表示人造岩心骨架表观体积，单位m3。
所述步骤（3）中注入水的质量计算方法如下所示：
；
式中，ρ表示水的密度，单位kg/m3；Φ表示岩心骨架孔隙度，单位phi；m表示所需注入水的质量，单位kg；v表示岩石表观体积，单位m3；s表示预设含冰饱和度，单位%；。
所述步骤（3）中质量法计算公式如下所示：
；
式中，s 1表示实际含冰饱和度，单位%；m 3 表示冰冻后人造岩心试样质量，单位kg；ρ 2表示冰的密度，单位kg/m3。
所述步骤（4）中所述的模拟海域水合物沉积物压裂的实验系统，包括三轴应力加载系统、压裂液泵入系统和数据采集系统，所述系统还包括低温模拟系统，压裂液泵入系统连接加热装置；三轴应力加载系统、压裂液泵入系统、数据采集系统和加热装置均置于低温模拟系统内。
数据采集系统包括信号采集箱、压力传感器、流量传感器和数据采集软件；信号采集箱通过数据传输线分别与压力传感器和流量传感器相连；
三轴应力加载系统包括三轴压力机、液压站和控制柜，控制柜与液压站通过液压管线连接，液压站通过液压管线与三轴压力机连接；液压站与加热装置连接；
压裂液泵入系统包括三缸柱塞泵和水箱，水箱通过压裂液管线连接水箱，三缸柱塞泵通过液压管线连接三轴压力机；压力传感器和流量传感器设于缸柱塞泵与三轴压力机之间的液压管线上；
数据采集系统包括信号采集箱、压力传感器、流量传感器和数据采集软件；信号采集箱通过数据传输线分别与压力传感器和流量传感器相连。
本发明所述的模拟水合物沉积物压裂的实验系统可实现三轴应力独立控制、三轴应力同步加载，配备有压力控制精度0.1MPa的伺服阀，能够实现三向应力的精细控制；另外，压裂模拟实验在低温环境中进行，会导致液压站内的液压油密度、可压缩性改变，由此引起三向应力控制系统加载应力不够精确，因此该系统中配有加热装置，保证实验过程中液压站内液压油温度恒定，以此稳定控制三向应力的稳步精确加载。
所述步骤（4）中压裂模拟实验方法如下：打开低温模拟系统，在低温环境中将人造岩心试样放置于三轴压力机试块托盘上，并将固结在人造岩心试样内的压裂模拟管柱通过螺纹连接压裂液管线，压裂液管线另一端连接三缸柱塞泵以提供稳定的流量，启动控制柜控制液压站缓慢推动水平方向活塞缸前进，使人造岩心试样进入三轴压力机的中心加载区域，然后分别低速启动三个方向活塞缸，使三个方向的加载面分别与人造岩心试样的三个面对应接触，试样装载到位；分别设定三个活塞缸的加载压力值，通过控制柜同时启动三个电机使三个活塞缸同步加压；压力稳定后打开三缸柱塞泵开始向人造岩心试样内泵入压裂液，观察压裂模拟管柱输入端压力表示数和数据采集系统显示的实时压裂曲线，观察实时压裂曲线以及人造岩心试样状况，当人造岩心试样四周有压裂液流出时，停泵卸载三轴应力，停止数据采集，关闭低温模拟装置，实验结束；取出试样，记录试样裂缝形态，保存实验数据。
所述（4）压裂模拟实验中所使用的压裂液进行染色和防冻处理，为便于观察裂缝形态，压裂液中加入工业染色剂，为确保实验顺利进行防止压裂液在实验过程中受低温环境的影响在水箱或管线内凝结，压裂液中加入质量分数为5%~10%的氯化钙防冻剂。
所述步骤（4）中采集的实验数据包括最大主应力、最小主应力、垂向应力、压裂液流量、压裂液压力。最大主应力、最小主应力、垂向应力用于校核实验过程中三向应力加载是否精确；压裂液流量、压裂液压力是进行压裂模拟实验结果分析的重要参数。
所述步骤（5）中采用matlab对采集的实验数据进行降噪处理绘制试样压裂曲线：读取采集的实验数据，由信号与采样点构造时间序列，根据采样率对信号进行处理，在for循环内使用wden函数对实验数据进行小波降噪，绘制压裂曲线，其横坐标为时间，左y轴为压力，右y轴为流量。对实验数据进行降噪处理，获得更加清晰、精确的压裂曲线图像和数据，可快速同时绘制压力、流量曲线，操作方便快捷。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）常温常压条件下水合物极易分解，无法进行实验，本发明可模拟水合物地层的地质条件，温度、压力条件；模拟低温环境（成冰）；精细控制三向应力，三轴压力机的压力控制精度0.1MPa；液压系统控温，液压系统中配有加热装置，保证实验过程中液压系统内液压油温度恒定，防止由于温度改变引起液压油密度、可压缩性改变，导致三向应力控制系统加载应力不够精确稳定；另外压裂液进行防冻处理，避免出现实验过程中压裂液在管线内结冰的现象，影响实验的准确性等。
（2）试样的力学性质是否与目标储层相符，对压裂模拟实验的精确性来说比较重要。本发明以水合物沉积物骨架的孔隙度、单轴抗压强度为主要模拟参数，确定人造岩心所需材料组成成分以及所占比例，保证了人造岩心试样与储层在物理力学性质等方面的一致性，保证了压裂模拟实验结果的可靠性。
（3）冰与甲烷水合物在晶体结构、光谱特性、力学性能等方面是十分相似，利用冰模拟水合物，方便易得，且能定量控制冰饱和度，便于研究和分析不同含冰饱和度的裂缝起裂与扩展行为。
（4）本发明对实验数据进行降噪处理，获得更加清晰、精确的压裂曲线图像和数据，可快速同时绘制压力、流量曲线，操作方便快捷。
（5）本发明在水浴养护后得岩心骨架，水浴养护可以使水泥充分水化，形成水化产物，使制备的人造岩心骨架达到物理状态、力学性质稳定，避免后续注水过程水分被其他材料吸收转化为其他物质，保证了模拟结果的可靠性。
附图说明
图1为模拟海域水合物沉积物压裂的实验流程；
图2为模拟海域水合物沉积物压裂的实验系统；
图3为压裂液压力信号降噪前后对比；
图4为压裂液流量信号降噪前后对比；
图5为数据处理后绘制的压裂曲线。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1
模拟海域水合物沉积物压裂的实验系统，包括三轴应力加载系统、压裂液泵入系统和数据采集系统，所述系统还包括低温模拟系统，压裂液泵入系统连接加热装置；三轴应力加载系统、压裂液泵入系统、数据采集系统和加热装置均置于低温模拟系统内。
数据采集系统包括信号采集箱、压力传感器、流量传感器和数据采集软件；信号采集箱通过数据传输线分别与压力传感器和流量传感器相连；
三轴应力加载系统包括三轴压力机、液压站和控制柜，控制柜与液压站通过液压管线连接，液压站通过液压管线与三轴压力机连接；液压站与加热装置连接；
压裂液泵入系统包括三缸柱塞泵和水箱，水箱通过压裂液管线连接水箱，三缸柱塞泵通过液压管线连接三轴压力机；压力传感器和流量传感器设于缸柱塞泵与三轴压力机之间的液压管线上；
数据采集系统包括信号采集箱、压力传感器、流量传感器和数据采集软件；信号采集箱通过数据传输线分别与压力传感器和流量传感器相连。
实施例2
一种模拟海域水合物沉积物压裂的实验方法，采用实施例1所述的系统，以预设含冰饱和度为20%的试样的压裂模拟实验为例，包括以下步骤：
（1）目标区域天然气水合物储层主要为粉砂、粘土质粉砂，其中粘土矿物含量（TCCM）30%，石英33.8%，其余为方解石等。天然气水合物储层骨架的单轴抗压约为2MPa，孔隙度在33%左右。根据目标储层的矿物组成成分确定人造岩心的配方材料：800目的重钙粉、石英砂、伊利石粉作为砂基，水泥作为胶结剂，水泥为800目的普通硅酸盐水泥。砂基根据目标储层矿物组成确定各组分的占比，即重钙粉36份、石英砂34份、伊利石粉30份；
按不同比例称取砂基与水泥，加水混合后制备标准岩心块测试各项参数，以单轴抗压强度与孔隙度为关键参数，调配砂基与水泥的比例。最终筛选确定砂基与水泥的重量份数为水泥14份，砂基86份时人造岩心符合要求，其强度约为2-2.5MPa，孔隙度为33%-40%。
（2）制备一块大物模岩样所需材料为44kg，按上述比例称取材料，加入水搅拌制备浆体，加入水的质量为混合物（砂基与水泥）总质量的33%，即14.52kg。将浆体装填模具，模具尺寸为300mm×300mm×300mm，浆体装填模具时采用少量多次的方式，每次装填后对其进行震荡消除气泡；装填完毕后将压裂模拟管柱置于浆体内，静置72小时固定成型、脱模水浴养护24小时达到力学性能稳定；取出水浴人造岩心骨架后擦拭表面水分，称量其质量为50.20kg，然后常温常压下通风干燥，干燥后人造岩心骨架的质量为42.40kg，人造岩心骨架表观体积是2.7×10-2m3。
（3）根据人造岩心骨架干燥前后的质量差计算人造岩心骨架的孔隙度为30%；根据人造岩心骨架孔隙度以及预设含冰饱和度计算注入水的质量为1.44kg，称取后使用注射器沿人造岩心骨架表面均匀注入；放入-10℃的低温模拟装置中冷冻24小时即为人造岩心试样，冰冻后人造岩心试样质量为44.35kg，经质量法计算知人造岩心试样的实际含冰饱和度为22%。
（4）打开低温模拟装置，在低温环境中将人造岩心试样放置于三轴压力机试块托盘上，并将固结在试样内的压裂模拟管柱通过螺纹连接压裂液管线，压裂液管线另一端连接三缸柱塞泵以提供稳定的流量，启动控制柜控制液压站缓慢推动水平方向活塞缸前进，使试样进入三轴压力机的中心加载区域，然后分别低速启动三个方向活塞缸，使三个方向的加载面分别与试样的三个面对应接触，试样装载到位；由估算的储层上覆岩层压力、孔隙流体压力计算出水平有效应力，再分别设定三个活塞缸的加载压力值，即σv=2MPa、σH=1.16MPa、σh=1.16MPa，通过控制柜同时启动三个电机使三个活塞缸同步加压；压力稳定后打开三缸柱塞泵开始向试样内泵入压裂液，流量为9.36L/min，观察压裂模拟管柱输入端压力表示数和数据采集系统显示的实时压裂曲线，观察实时压裂曲线以及试样状况，当试样四周有压裂液流出时，停泵卸载三轴应力，停止数据采集，关闭低温模拟装置，实验结束。
由估算的储层上覆岩层压力、孔隙流体压力计算水平有效应力的过程为：
根据储层深度、储层孔隙压力、储层密度、泊松比进行估算。水合物储层水深1000~1400m，泥线以下200m，密度约为1.57~1.73g/cm3 ，孔隙流体压力 P p 约为15MPa，不考虑构造应力，取泊松比µ=0.34；
上覆岩层压力：；
水平有效应力：；
式中：sv为上覆岩层压力，单位MPa；r(z)为埋深为z处的密度，单位g/m3；g为重力加速度，单位m/s2；p p 为孔隙流体压力，单位MPa。
（5）实验结束后取出试样，观察含冰饱和度为22%试样的裂缝形态及分布规律，实验采集的压裂液压力、压裂液流量数据在matlab中构造信号与采样点的时间序列，根据采样率对信号进行处理，在for循环内使用wden函数对数据进行小波降噪，绘制含冰饱和度为22%试样的压裂曲线，结合裂缝形态与压裂曲线进行压裂模拟实验结果分析。降噪前后数据曲线以及数据处理后绘制的压裂曲线如图5所示。
Claims (10)
1.一种模拟海域水合物沉积物压裂的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）根据目标储层矿物组成成分以及物理力学性质确定人造岩心试样所需材料组成成分以及所占比例；
（2）根据步骤（1）的配方，按比例称取材料，加水混合制备浆体填入大物模模具内，安装压裂模拟管柱后静置成型、水浴养护、常温常压下通风干燥，得人造岩心骨架；
（3）采用冰模拟水合物，根据人造岩心骨架干燥前后的质量差计算孔隙度，根据预设含冰饱和度计算人造岩心骨架所需注入水的质量，由注射器沿人造岩心骨架表面均匀注水，然后冰冻，得人造岩心试样；称量人造岩心试样的质量，再由质量法复核人造岩心试样的实际含冰饱和度；
（4）将冰冻后人造岩心试样装载于模拟海域水合物沉积物压裂的实验系统中进行压裂模拟实验，采集实验数据；
（5）实验结束后取出人造岩心试样，观察裂缝形态及分布规律，处理采集的实验数据，进行压裂模拟实验结果分析。
2.根据权利1所述的一种模拟海域水合物沉积物压裂的实验方法，其特征在于，所述步骤（1）中以目标储层的孔隙度、单轴抗压强度为关键模拟参数调整各类材料比例，直至与目标储层相符。
3.根据权利1所述的一种模拟海域水合物沉积物压裂的实验方法，其特征在于，所述步骤（2）中大物模模具尺寸为300mm×300mm×300mm；采用少量多次的方式装填模具，每次装填后对其进行充分震荡消除气泡；静置成型时间为70~75小时；水浴养护20~25小时。
4.根据权利1所述的一种模拟海域水合物沉积物压裂的实验方法，其特征在于，所述步骤（3）中人造岩心骨架孔隙度由下式计算：
；
式中，m 1 表示人造岩心骨架干燥后的质量，单位kg；m 2 表示人造岩心骨架干燥前的质量，单位kg；ρ表示水的密度，单位kg/m3；v表示人造岩心骨架表观体积，单位m3。
5.根据权利1所述的一种模拟海域水合物沉积物压裂的实验方法，其特征在于，所述步骤（3）中注入水的质量计算方法如下所示：
；
式中，ρ表示水的密度，单位kg/m3；Φ表示岩心骨架孔隙度，单位phi；m表示所需注入水的质量，单位kg；v表示岩石表观体积，单位m3；s表示预设含冰饱和度，单位%。
6.根据权利1所述的一种模拟海域水合物沉积物压裂的实验方法，其特征在于，所述步骤（3）中质量法计算公式如下所示：
；
式中，s 1表示实际含冰饱和度，单位%；m 3 表示冰冻后人造岩心试样质量，单位kg；ρ 2表示冰的密度，单位kg/m3。
7.根据权利1所述的一种模拟海域水合物沉积物压裂的实验方法，其特征在于，所述步骤（4）中所述的模拟海域水合物沉积物压裂的实验系统，包括三轴应力加载系统、压裂液泵入系统和数据采集系统，所述模拟海域水合物沉积物压裂的实验系统还包括低温模拟系统，压裂液泵入系统连接加热装置；三轴应力加载系统、压裂液泵入系统、数据采集系统和加热装置均置于低温模拟系统内。
8.根据权利7所述的一种模拟海域水合物沉积物压裂的实验方法，其特征在于，数据采集系统包括信号采集箱、压力传感器、流量传感器和数据采集软件；信号采集箱通过数据传输线分别与压力传感器和流量传感器相连；
三轴应力加载系统包括三轴压力机、液压站和控制柜，控制柜与液压站通过液压管线连接，液压站通过液压管线与三轴压力机连接；液压站与加热装置连接；
压裂液泵入系统包括三缸柱塞泵和水箱，水箱通过压裂液管线连接水箱，三缸柱塞泵通过液压管线连接三轴压力机；压力传感器和流量传感器设于缸柱塞泵与三轴压力机之间的液压管线上；
数据采集系统包括信号采集箱、压力传感器、流量传感器和数据采集软件；信号采集箱通过数据传输线分别与压力传感器和流量传感器相连。
9.根据权利1所述的一种模拟海域水合物沉积物压裂的实验方法，其特征在于，所述步骤（4）中采集的实验数据包括最大主应力、最小主应力、垂向应力、压裂液流量、压裂液压力。
10.根据权利1所述的一种模拟海域水合物沉积物压裂的实验方法，其特征在于，所述步骤（5）中采用matlab对采集的实验数据进行降噪处理绘制试样压裂曲线：读取采集的实验数据，由信号与采样点构造时间序列，根据采样率对信号进行处理，在for循环内使用wden函数对实验数据进行小波降噪，绘制压裂曲线，其横坐标为时间，左y轴为压裂液压力，右y轴为压裂液流量。
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