基于岩心实验的储层可压裂性评价及压裂方案设计方法与流程

1.本发明属于石油天然气勘探开发技术领域，具体涉及一种基于岩心实验的储层可压裂性评价及压裂方案设计方法。


背景技术：

2.以页岩油气为代表的非常规能源已成为全球勘探开发的热点。由于该类储层岩性致密、自然产能低，为实现经济开发，必须进行压裂增产作业。可压裂性成为该类储层勘探开发中的重要参数，是页岩油气甜点评价和压裂施工设计的重要依据。页岩油气的勘探开发由于起步晚、时间短，理论方法远远不能满足需求。北美页岩油气“革命”的成功公认主要是由水平井钻井和水力压裂两项工程技术的进步带来的，工厂化的规模应用产生巨大的经济效益，而理论方法的发展落后于工程技术的进步，二者呈倒挂态势。我国页岩油气地质、地理条件与北美差异较大，勘探开发成本较高，无法复制北美经验，要实现降本增效、经济开发，必须发展理论方法，指导工程技术精确开展。在这一背景下，页岩油气储层可压裂性评价及压裂方案设计显得尤为重要。目前国内外可压裂性评价主要依据北美页岩气开发中提出的以“脆性指数”为基础的方法。脆性指数旨在描述岩石水力压裂形成复杂缝网的能力，其值越高压裂后越能形成复杂的网状缝。但脆性指数的计算方法“脆性矿物法”和“泊-杨法(声波法)”均来自北美开发经验，缺乏实验依据，存在明显的理论缺陷，被越来越多地发现适用性较差。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于岩心实验的储层可压裂性评价及压裂方案设计方法，为非常规油气储层工程甜点评价和压裂施工设计提供实验依据。
4.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于岩心实验的储层可压裂性评价及压裂方案设计方法，包括下列步骤：
5.a)选取待研究区典型岩样，加工成三轴压裂实验用标准圆柱状；
6.b)对岩心开展三轴压裂实验，在得到岩石抗压强度及应力－应变曲线的同时，完成岩心的人工压裂；
7.c)采集岩心压后裂缝图像；
8.d)基于所述裂缝图像分析岩心压后裂缝复杂度；
9.e)分析岩心强度，用三轴抗压标准强度ss表征；
10.f)基于三轴抗压实验中采集的应力－应变曲线分析岩心压后裂缝延伸能力，用裂缝延展度fei表征；
11.g)基于三轴抗压实验中采集的应力－应变曲线计算岩心压后应变能密度；
12.h)基于裂缝延展度fei和压后应变能密度计算岩心综合可压裂性指数；
13.i)根据岩心压后裂缝延伸能力、岩心强度、岩心压后应变能密度、岩心综合可压裂
性指数进行所述待研究区压裂方案设计。
14.在步骤a)中，圆柱状岩心按轴向平行地层的方向加工，高径比为2
±
0.2。
15.在步骤b)中，采用恒应变法控制加压和以压后首级残余强度确认为依据终止加压来控制三轴压裂实验岩心压裂程度。
16.在步骤c)中，采集岩心压后裂缝图像采用光学滚动扫描的方式，将压后岩心侧表面裂缝展开成一副二维图像或采用三维x-ct扫描的方式采集压后岩心内部三维裂缝图像。
17.在步骤d)中，对于二维图像，提取裂缝长度、宽度及倾角，对于三维图像，则提取裂缝面积、厚度以及倾角；对于二维图像计算面缝率和倾角离散度，对于三维图像计算裂缝的裂缝孔隙度和倾角离散度；倾角离散度是指所有裂缝倾角的离散程度，将其与面缝率或裂缝孔隙度归一化后取平均值计算裂缝复杂度。
18.在步骤e)中，分析岩心强度，指将三轴压裂实验中得到的三轴抗压强度进行校正，得到和岩心尺寸无关的三轴抗压强度－标准强度ss，用其表征岩心强度特征。
19.在步骤f)中，分析岩心压后裂缝延伸能力是在三轴抗压实验中采集的应力－应变曲线上，用岩心破裂后应力跌落角大小表征，应力－应变曲线上峰值压力点c，残余强度点d，以应力 cd为一边、点d向应力轴的垂线为另一边构成的角的大小表征裂缝延展度fei。
20.在步骤g)中，延长cd至与水平轴相交于点q，点c与应变轴作垂线相交于点p，岩心压后应变能密度由应力－应变曲线图上所示δcpq面积s
δcpq
计算：
[0021][0022]
代表岩心破裂后至完全压裂所需能量密度，单位为j/cm3；在步骤h)中，岩心可压裂性指数为压后裂缝复杂度与完全破裂所需应变能密度的比值，物理意义为对单位体积岩石作用单位能量可产生的裂缝复杂度，单位为cm3/j：
[0023][0024]
在步骤i)中，基于岩心三轴压裂实验分析第一步到第六步得到岩心压后裂缝复杂度fc、标准强度ss和裂缝延展度fei，进行储层压裂参数设计。
[0025]
储层岩石标准强度ss越高，压裂所需破裂压力就越大；压后裂缝延展度fei越低，则需要采取加大支撑剂用量及大尺寸支撑剂比例、减小压裂簇间距和延长焖井时间的措施；压后裂缝复杂度fc则与压裂地层所需压裂液和支撑剂的量成正比，根据上述原则，刻度建立地区储层压裂参数计算方法，进行地区压裂方案量化设计。
[0026]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：一是有可靠的实验及理论基础，可直接和岩石物理参数结合建立测井可压裂性评价新模型，也可为现有泊－杨法及脆性矿物法等岩石可压裂性分析方法提供建模和刻度的依据。二是全面分析了岩石压裂过程中破裂、启缝和扩张阶段特征，综合考虑了岩石强度、启缝能力和首张延伸能力，评价岩石可压裂性更全面合理。三是采用的实验方法与水力压裂过程具有对应性，可压裂性参数可直接指导压裂施工设计。
附图说明
[0027]
图1为岩心可压裂性分析实验及处理流程示意图。
[0028]
图2为岩心滚动光学扫描原理图。
[0029]
图3为应力－应变曲线上分析裂缝延展度的原理图。
[0030]
图4为应变能量密度计算原理图。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图对本发明进行详细阐述。
[0032]
本发明提供一种基于岩心实验的储层可压裂性评价及压裂方案设计方法，可压裂性分析基于如下理论认识：将岩石的压裂过程分为三个阶段——破裂、启缝和裂缝扩张。在破裂阶段压力逐渐增大，达到岩石强度即发生破裂，破裂强度小的岩石可压裂性好。岩石破裂时结构发生破坏，产生裂缝，产生裂缝数量多、且纵横交错的岩石渗透性增大更多，可压裂性就越好。岩石破裂后继续加压，结构进一步破坏，裂缝延伸，延伸远且速度快的岩石可压裂性好。综上所述，岩石可压裂性可用破裂强度、压后裂缝复杂程度和裂缝延伸能力三个方面综合表征。岩石各种形式的破裂均可用这三个方面特征来描述可压裂性，包括储层水力压裂，用实验分析量化表征储层可压裂性三个方面特征，即可用于指导储层压裂方案设计。
[0033]
三轴(单轴)抗压是实验室里研究岩石力学性质最常用的一种方法，该实验一般将岩心加工成圆柱状，压盘在两端面沿轴向加压压裂岩心，实时采集压力及应变，计算岩石力学参数。油气储层水力压裂是通过增大孔隙压力压裂岩石的，二者虽然方式不一样，但压裂过程三个阶段都受岩石本身力学性质影响，因此都可用前述三个阶段分析可压裂性。本发明利用三轴抗压实验定量分析岩石可压裂性三个特征，实验及分析流程如图1所示。
[0034]
第一步：岩心按轴向平行地层的方向加工成标准圆柱状，高径比为2
±
0.2(直径1in岩心长度需在4.5cm～5.5cm)。
[0035]
第二步：对岩心开展三轴压裂实验，在得到岩石抗压强度及应力－应变曲线的同时，完成岩心的人工压裂；与传统三轴压裂实验不同的是，本发明需控制压裂程度：一是采用恒应变法 (恒定的轴向变形速率)控制加压，二是以压后首级残余强度确认为依据终止加压。通过上述两个措施使岩心具有可比的压裂程度，且裂而不散，可以采集分析压后裂缝。
[0036]
第三步：采集岩心压后裂缝图像。采用光学滚动扫描的方式采集岩心压后裂缝图像，将岩心放置在滚筒上匀速滚动，上方的相机实时采集图像，滚动一周，将岩心侧表面扫描为一张平面图像(如图2所示)。所用相机为线阵相机，采集分辨率不低于400dpi(分辨率越高图像中裂缝识别效果越好)。
[0037]
也可采用三维x-ct扫描的方式采集压后岩心内部三维裂缝图像。
[0038]
第四步：分析岩心压后裂缝复杂度fc。提取岩心压后裂缝图像中每条裂缝参数，对于二维图像，提取裂缝长度、宽度及倾角，对于三维图像，则提取裂缝面积、厚度以及倾角)，对于二维图像计算面缝率和倾角离散度，对于三维图像计算裂缝的裂缝孔隙度和倾角离散度倾角离散度是指所有裂缝倾角的离散程度，可用方差表征，将其与面缝率(三维为裂缝孔隙度)二者归一化后取平均值计算裂缝复杂度。
[0039]
第五步：分析岩心强度。将三轴压裂实验中得到的三轴抗压强度进行校正，得到和岩心尺寸无关的三轴抗压强度－标准强度ss，用其表征岩心强度特征。
[0040]
第六步：基于三轴抗压实验中采集的应力－应变曲线分析岩心压后裂缝延伸能力。在三轴抗压实验中采集的应力－应变曲线上，用岩心破裂后应力跌落角大小表征。应力－应变曲线上峰值压力点c，残余强度点d，以应力cd为一边、点d向应力轴的垂线为另一边构成的角的大小表征裂缝延展度fei。，如附图3所示，应力－应变曲线上c点为峰值压力，d 点为残余强度，cd段应力跌落快，可描述为右图中的∠a小，即余角∠b大。因此，裂缝延展度fei可用∠b的大小来表征：
[0041]
fei＝90
°‑
arctan(ε
cd
/σ
cd
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0042]
fei的单位为度，其值越大，应力跌落越快，岩心压后裂缝延伸性越好。需要注意的是，∠b计算时将应力和应变在数值和单位上做统一处理。
[0043]
第七步：基于应力－应变曲线计算岩心压后应变能密度。岩样可压裂性好要求强度小、裂缝延伸性好，基于第六步所述，延长cd至与水平轴相交于点q，延长所述直角三角形的竖直直角边与水平轴相交于点p，在应力－应变曲线上可统一为附图4中所示δcpq面积s
δcpq
小，δcpq面积的面积：
[0044][0045]sδcpq
物理意义为单位体积内发生c点到d点变形所消耗的能量，在材料力学中称为应变能密度，代表岩心破裂后至完全压裂所需能量密度，单位为j/cm3。
[0046]
第八步：计算岩心综合可压裂性指数fi。定义岩心可压裂性指数为压后裂缝复杂度与完全破裂所需应变能密度的比值，物理意义为对单位体积岩石作用单位能量可产生的裂缝复杂度，单位为cm3/j。
[0047]fi
＝fc/s
δcpq
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0048]
代入式2，式3可转化为：
[0049][0050]
基于岩心三轴压裂实验分析第一步到第六步得到岩心压后裂缝复杂度fc、标准强度ss和裂缝延展度fei，进行储层压裂参数设计。储层岩石标准强度ss越高，压裂所需破裂压力就越大；压后裂缝延展度fei越低，则需要采取提高支撑剂用量及大尺寸支撑剂比例、减小压裂簇间距、延长焖井时间等措施；压后裂缝复杂度fc则与压裂地层所需压裂液和支撑剂的量成正比。根据上述原则，刻度建立地区储层压裂参数计算方法，则可进行地区压裂方案量化设计。
[0051]
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。参阅附图1，本发明提供了一种基于岩心实验的储层可压裂性评价及压裂方案设计方法，分析储层岩心可压裂性流程包括如下步骤：
[0052]
第一步：在研究地区d全直径取心样品上选取典型层段，钻取直径2.54cm的小柱塞样20 块，所有岩心轴向与深度方向垂直(平行地层方向)，端面切磨平整，长度为5.0cm。
[0053]
第二步：对20块岩心开展三轴压裂实验，在得到岩石抗压强度及应力－应变曲线的同时，完成岩心的人工压裂。一是采用恒应变法(恒定的轴向变形速率)控制加压，二是以压后首级残余强度确认为依据终止加压。通过上述两个措施使岩心具有可比的压裂程度，且裂而不散，可以采集分析压后裂缝。
[0054]
第三步：采集20块岩心压后裂缝图像。采用光学滚动扫描的方式采集，将压后岩心侧表面裂缝展开成一副二维图像。对其中15块采用三维x-ct扫描的方式采集了压后岩心内部三维裂缝图像。
[0055]
第四步：分析岩心压后裂缝复杂度fc。提取采集图像中每条裂缝参数(二维图像为长度、宽度及倾角，三维图像为面积、厚度、倾角)，计算面缝率(二维，三维为裂缝孔隙度)和倾角离散度(所有裂缝倾角的离散程度，可用方差表征)，将二者归一化后取平均值计算裂缝复杂度。
[0056]
第五步：分析岩心强度。将三轴压裂实验中得到的三轴抗压强度进行校正，得到和岩心尺寸无关的三轴抗压强度－标准强度ss，用其表征岩心强度特征。
[0057]
第六步：轴抗压实验中采集的应力－应变曲线分析岩心压后裂缝延伸能力。在三轴抗压实验中采集的应力－应变曲线上，用岩心破裂后应力跌落角大小表征。如附图2所示，应力－应变曲线上c点为峰值压力，d点为残余强度，cd段应力跌落快可描述为右图中的∠a 小，即余角∠b大。因此，裂缝延展度fei可用∠b的大小来表征：
[0058]
fei＝90
°‑
arctan(ε
cd
/σ
cd
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0059]
第七步：计算岩心压后应变能密度。岩样可压裂性好要求强度小、裂缝延伸性好，在应力－应变曲线上可统一为附图3中所示δcpq面积s
δcpq
小，δcpq面积的面积：
[0060][0061]sδcpq
物理意义为单位体积内发生c点到d点变形所消耗的能量，材料力学中称为应变能量密度。s
δcpq
在材料为应变能密度，代表岩心破裂后至完全压裂所需能量密度，单位为j/cm3。
[0062]
第八步：计算岩心综合可压裂性指数fi。定义岩心可压裂性指数为压后裂缝复杂度与完全破裂所需应变能密度的比值，物理意义为对单位体积岩石作用单位能量可产生的裂缝复杂度，单位为cm3/j。
[0063]fi
＝fc/s
δcpq
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0064]
代入式2，式3转化为：
[0065][0066]
参考表1，d地区20块岩心按上述步骤分别计算岩心压后裂缝复杂度fc、标准强度ss和裂缝延展度fei及综合可压性指数fi，与另外三个地区a、b、c可压裂性参数进行对比。d地区岩心压后裂缝复杂度较低、强度异常高，但延展度较高，综合可压裂性指数较低。综合可压性指数fi较低。对该类储层，在压裂施工时宜采取如下措施：大簇间距、高泵压、大粒径支撑剂、较短焖井时间。
[0067]
表1四个地区页岩可压裂性特征参数对比
[0068]
[0069][0070]
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。