一种页岩水平井分段压裂或同步压裂模拟实验方法.pdf

本发明提供了一种页岩水平井分段压裂或同步压裂模拟实验方法，该方法包括下列步骤：a)分析所要模拟地层中页岩的天然裂缝形态特征；选取制作模拟试件的页岩露头材料，根据页岩沉积层理特征，将所述页岩材料加工成立方体岩块；对所述块体表面用树脂胶涂刷将其密封；b)在试件中部钻出贯穿孔眼，模拟水平井同步压裂时，钻取两个相同孔眼；c)在所钻孔中加入无声破碎剂浆体充填段，并利用分隔件制造所需压裂段数；d)利用所述模拟试件进行模拟压裂实验；实验后获取岩芯内部的裂缝形态图像信息。对于天然裂缝发育的脆性页岩，该方法简易实现了对水平井分段压裂或同步压裂的实验模拟。同时，通过直线加速器无损检测系统对试件开展高能CT扫描，也实现了对页岩压裂缝网的精准观测。该实验方法可用于研究基质传压作用下页岩压裂缝网扩展规律。

1.  一种页岩水平井分段压裂或同步压裂模拟实验方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
a)分析所要模拟地层中页岩的天然裂缝形态特征；选取制作模拟试件的页岩露头材料，根据页岩沉积层理特征，将所述页岩材料加工成立方体岩块；对所述块体表面用树脂胶涂刷将其密封；
b)在试件中部钻出贯穿孔眼，模拟水平井同步压裂时，钻取两个相同孔眼；
c)在所钻孔中加入无声破碎剂浆体充填段，并利用分隔件制造所需压裂段数；
d)利用所述模拟试件进行模拟压裂实验；实验后获取岩芯内部的裂缝形态图像信息。

2.  如权利要求1所述的页岩水平井分段压裂或同步压裂模拟实验方法，其特征在于，所要模拟地层中页岩的天然裂缝形态特征包括：页岩裂缝的类型、走向、倾向、倾角、密度，裂缝面与原位地应力方向的空间关系等。

3.  如权利要求1所述的页岩水平井分段压裂或同步压裂模拟实验方法，其特征在于，在步骤a)中，要选取同目的层具有相同地质层位的页岩新鲜露头，并将所述页岩材料加工成各表面都平行或垂直于层理面的立方体块体；涂刷树脂密封胶时，保证完全密封试件表面，均匀且厚度为2mm左右。

4.  如权利要求1所述的页岩水平井分段压裂或同步压裂模拟实验方法，其特征在于，在步骤b)中，开展单水平井分段压裂时，所钻孔眼位于试件中心部位，沿平行层理面方向，直径为30mm，长30cm；模拟水平井同步压裂时，钻取的两个相同孔眼，位于中部的相同层位。

5.  如权利要求1所述的页岩水平井分段压裂或同步压裂模拟实验方法，其特征在于，在步骤c)中，所使用的无声破碎剂浆体是在无声破碎剂中加入质量分数为20％的水形成的混合体；分隔件为岩芯柱缠结胶带后制成的直径为30mm的分隔圆柱体。

6.  如权利要求1所述的页岩水平井分段压裂或同步压裂模拟实验方法，其特征在于，在步骤d)中，首先将所述模拟试件安装到大尺寸真三轴试验架中，设置实验参数进行模拟压裂实验。实验后，通过直线加速器无损检测系统获取压裂裂缝形态的图像信息。

7.  如权利要求3所述的页岩水平井分段压裂或同步压裂模拟实验方法，其特征在于，所述模拟试件的尺寸为30cm×30cm×30cm。

8.  如权利要求4所述的页岩水平井分段压裂或同步压裂模拟实验方法，其特征在于，所钻孔眼方向与最小水平地应力方向相同。

9.  如权利要求5所述的页岩水平井分段压裂或同步压裂模拟实验方法，其特征在于，无声破碎剂和水要混合均匀，在5min内将无声破碎剂浆体加入钻孔中，浆体配制的先后顺序控制充填段裂缝的起裂顺序。

10.  如权利要求6所述的页岩水平井分段压裂或同步压裂模拟实验方法，其特征在于，所述实验参数为三向围压；无声破碎剂浆体加入钻孔，静置24小时之后实验结束。

11.  如权利要求6所述的页岩水平井分段压裂或同步压裂模拟实验方法，其特征在于，所述直线加速器无损检测系统可针对该模拟试件提供高质量的高能CT断层扫描和DR透射扫描方式。

一种页岩水平井分段压裂或同步压裂模拟实验方法
技术领域
本发明是关于页岩气储层体积压裂增产技术，特别是关于一种页岩水平井分段压裂或同步压裂模拟实验方法。本发明为研究页岩水平井压裂缝网扩展规律提供技术支持。
背景技术
页岩气藏储层具有低孔、低渗的物性特征，若不实施体积压裂改造，形成大规模的裂缝网络带，给页岩气提供充分的流动通道，将无法获得产量和理想的采收率。目前页岩气开采技术，主要包括水平井分段压裂技术、滑溜水大型压裂技术和同步压裂技术，这些先进技术的有效实施，大幅度提高了页岩气井的产量。
水平井分段压裂技术：在水平井段采用多级多簇压裂，可有效产生裂缝网络，相同改造体积条件下大大降低了钻完井成本，其增产效率高、技术成熟，适用于产层较多、水平井段较长的井。分段压裂工艺主要包括：限流分段压裂技术、水力喷射加砂分段压裂技术、可钻式机械桥塞分段压裂技术和连续油管喷射环空加砂压裂技术。无气流或低产能的页岩气井因水平井多级压裂技术的广泛应用而获得工业价值，是目前美国页岩气高效开发的最关键技术。
同步压裂技术：对两口或两口以上的水平井实施同步的分段压裂工艺，利用井间水力裂缝的应力干扰，增加井间区域的裂缝密度和开裂程度，最大限度地连通天然裂缝。同步压裂技术使页岩气井短期内的增产非常明显，提高工作效率，节约压裂成本，对工作区环境影响小，是目前页岩气开发中比较常用的压裂技术。
页岩储层水力裂缝扩展机理，可为页岩气藏体积压裂技术的方案决策、施工参数设计等提供理论依据和技术支持，但目前尚不明确。大尺寸真三轴水力压裂模拟实验室是室内研究水力压裂技术的主要方法，也是明确页岩储层水力压裂裂缝扩展机理的重要手段。但由于页岩天然裂缝和沉积层理发育，且岩石本身的脆性特征，使其开展常规井筒分段压裂或同步压裂异常困难，要求基于研究的目标(裂缝扩展机理)，对实验方法进行改进。
页岩储层特有的属性，致使水力裂缝扩展过程中，由于应力场的不断变化，大量的弱胶结裂缝通过基质传压作用，在流体到达前开裂，这是体积裂缝产生的主因素。因而，开展非流体致裂的压裂实验可用于研究基质传压作用下水平井分段压裂和同步压裂条件下的缝网扩展规律。
另外，页岩压裂后，会形成复杂交织的大量微裂缝，依靠常规示踪剂(染色剂)很难识别完整的裂缝网络形态，难以区分水力裂缝和天然裂缝。
发明内容
本发明的目的是提供一种页岩水平井分段压裂或同步压裂模拟实验方法，该方法可方便地用于研究基质传压作用下水平井分段压裂和同步压裂条件下的缝网扩展规律，并能够清晰完整的获取岩芯内部的裂缝形态信息。
为实现上述目的，本发明提供了一种页岩水平井分段压裂或同步压裂模拟实验方法，该方法包括下列步骤：a)分析所要模拟地层中页岩的天然裂缝形态特征；选取制作模拟试件的页岩露头材料，根据页岩沉积层理特征，将所述页岩材料加工成立方体岩块；对所述块体表面用树脂胶涂刷将其密封；b)在试件中部 钻出贯穿孔眼，模拟水平井同步压裂时，钻取两个相同孔眼；c)在所钻孔中加入无声破碎剂浆体充填段，并利用分隔件制造所需压裂段数；d)利用所述模拟试件进行模拟压裂实验；实验后获取岩芯内部的裂缝形态图像信息。
进一步地，所要模拟地层中页岩的天然裂缝形态特征包括：页岩裂缝的类型、走向、倾向、倾角、密度，裂缝面与原位地应力方向的空间关系等。
进一步地，在步骤a)中，要选取同研究目的层具有相同地质层位的页岩新鲜露头，并将所述页岩材料加工成各表面都平行或垂直于层理面的立方体块体；涂刷树脂密封胶时，保证完全密封试件表面，均匀且厚度为2mm左右。
进一步地，在步骤b)中，开展单水平井分段压裂时，所钻孔眼位于试件中心部位，沿平行层理面方向，直径为30mm，长30cm；模拟水平井同步压裂时，钻取的两个相同孔眼位于中部的相同层位。
进一步地，在步骤c)中，所使用的无声破碎剂浆体是在无声破碎剂中加入质量分数为20％的水形成的混合体；分隔件为岩芯柱缠结胶带后制成的直径为30mm的分隔圆柱体。
进一步地，在步骤d)中，首先将所述模拟试件安装到大尺寸真三轴试验架中，设置实验参数进行模拟压裂实验。实验后，通过直线加速器无损检测系统获取压裂裂缝形态的图像信息。
进一步地，所述模拟试件的尺寸为30cm×30cm×30cm。
进一步地，所钻孔眼方向与最小水平地应力方向相同。
进一步地，无声破碎剂和水要混合均匀，在5min内将无声破碎剂浆体加入钻孔中，浆体配制的先后顺序控制充填段裂缝的起裂顺序。
进一步地，所述实验参数为三向围压；无声破碎剂浆体加入钻孔，静置24小时之后实验结束。
进一步地，所述直线加速器无损检测系统可针对该模拟试件提供高质量的高能CT断层扫描和DR透射扫描方式。
本发明的有益效果在于，对于天然裂缝发育的脆性页岩，该方法简易实现了对水平井分段压裂或同步压裂的实验模拟，同时，通过直线加速器无损检测系统对试件开展高能CT扫描，也实现了对页岩压裂缝网的精准观测。该实验方法可用于研究基质传压作用下页岩水平井分段压裂或同步压裂的压裂缝网扩展规律。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明实施例页岩水平井分段压裂或同步压裂模拟实验方法流程图；
图2为本发明实施例页岩水平井分段压裂模拟试件示意图；
图3为本发明实施例页岩同步压裂模拟试件示意图；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
为了对页岩进行水平井分段压裂或同步压裂模拟实验，在实验中更有效准确的观察压裂裂缝形态及几 何尺寸，克服现有技术无法准确观察复杂微裂缝方面的不足，本发明提供了一种操作简单的“页岩水平井分段压裂或同步压裂模拟实验方法”，如图1所示，该方法包括下列步骤：
步骤S101：分析所要模拟地层中页岩的天然裂缝形态特征；选取制作模拟试件的页岩露头材料，根据页岩沉积层理特征，将所述页岩材料加工成立方体岩块；对所述块体表面用树脂胶涂刷将其密封；
步骤S102：在试件中部钻出贯穿孔眼，模拟水平井同步压裂时，钻取两个相同孔眼；
步骤S103：在所钻孔中加入无声破碎剂浆体充填段，并利用分隔件制造所需压裂段数；
步骤S104：利用所述模拟试件进行模拟压裂实验；实验后获取岩芯内部的裂缝形态图像信息。
由上所述，本发明在块体表面用树脂胶涂刷将其密封后，弱化了外力对于天然裂缝发育的脆性页岩岩芯的损坏，并能实现对水平井分段压裂或同步压裂的实验模拟。实验结果采集时，通过直线加速器无损检测系统对试件开展高能CT扫描，也实现了对页岩压裂缝网的精准观测。
本发明中，所要模拟地层中页岩的天然裂缝形态特征包括：页岩裂缝的类型、走向、倾向、倾角、密度，裂缝面与原位地应力方向的空间关系等。
页岩是一种天然裂缝发育程度较高的岩石，在形成过程中，受沉积成岩作用和构造作用的影响，使其含有大量裂隙，包括构造缝(张性缝、剪性缝和挤压性缝)、成岩缝(层间页理缝、层面滑移缝、溶蚀缝和成岩收缩缝)和有机质演化异常压力缝。大多包含分布不规则的构造缝和层间页理缝，如图2和图3所示，1为层间页理缝，2为构造缝。这些弱胶结面对页岩试件的制备、岩石力学物理性质的测试，以及对于页岩压裂裂缝扩展机理都有不容忽视的影响。
因此，在模拟试件的制备过程中，要充分考虑目标地层的裂缝形态特征，具体主要涉及页岩裂缝的类型、走向、倾向、倾角、密度，裂缝面与原位地应力方向的空间关系等。
在步骤S101中，选取页岩材料时，取样地点应与目标层位的地质层位相符，且越接近实际研究地点越好，先清理露头附近风化岩石层，接着采用机械手段沿页岩厚度方向挖掘大块新鲜岩芯。对于选定的页岩岩块，根据对所要模拟地层中页岩的天然裂缝形态特征的分析，将选定的页岩岩块加工成各表面都平行或垂直于层理面的立方体块体，试件尺寸为30cm×30cm×30cm。本发明不以此为限，模拟试件的尺寸也可为40cm×40cm×40cm或50cm×50cm×50cm等。
由于页岩中裂隙发育程度较高，且性质较脆容易碎裂掉块，裂缝易开裂，影响压裂效果。建议加工后用树脂胶涂刷将页岩外表密封好，如图2和图3所示，5为树脂胶涂层，6为页岩岩心。此工艺可有效减少由于长时间暴露在空气中造成大量层理缝开裂。
模拟试件制备完成后，开展单水平井分段压裂时，沿平行层理面方向在试件中部钻出直径30mm，长30cm的贯穿孔眼，并用酒精清洗干净。模拟水平井同步压裂时，钻取的两个相同孔眼位于中部的相同层位。所钻孔眼方向与最小水平地应力方向相同。利用岩芯柱缠结胶带后制成的直径为30mm的分隔圆柱体，利用分隔件制造所需压裂段，如图2所示，3为分隔件，4为无声破碎剂充填段。使用的无声破碎剂浆体是在无声破碎剂中加入质量分数为20％的水形成的混合体，无声破碎剂和水要混合均匀，在5min内将无声破碎剂浆体加入钻孔中。压裂段致裂的先后顺序，可通过调整充填段无声破碎剂浆体加入时间的先后有效控制。
在步骤S104中，首先将已充填无声破碎剂浆体的模拟试件安装到大尺寸真三轴试验架上，根据实验参数进行模拟压裂实验。实验参数为三向围压，注意应先施加上覆岩层压力，保证沉积层理缝首先闭合，再施加最大和最小水平地应力，这样可减小沉积层理缝对实验的干扰。无声破碎剂浆体加入钻孔，静置24 小时之后，岩芯破裂，实验结束。实验结束后，采用直线加速器无损检测系统，对该模拟试件进行高质量的高能CT断层扫描和DR透射扫描，获取完整的压裂裂缝形态的图像信息。
本发明的有益效果在于，对于天然裂缝发育的脆性页岩，该方法简易实现了对水平井分段压裂或同步压裂的实验模拟，同时，通过直线加速器无损检测系统对试件开展高能CT扫描，也实现了对页岩压裂缝网的精准观测。该实验方法可用于研究基质传压作用下页岩水平井分段压裂或同步压裂的压裂缝网扩展规律。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。