一种页岩油藏超临界CO2压裂多尺度试验分析方法

一种页岩油藏超临界co2压裂多尺度试验分析方法
技术领域
1.本发明涉及页岩油气藏压裂改造技术领域，更具体地，涉及一种页岩油藏超临界co2压裂多尺度试验分析方法。


背景技术：

2.目前主要采用水平井大规模水力压裂技术来实现页岩油的商业开采，然而采用水基压裂液存在以下缺点：储层黏土膨胀、水资源消耗大、地下水污染以及返排液处理困难等。因此，采用超临界co2压裂引起了广泛的关注。与水力压裂相比，超临界co2压裂机理更加复杂：在微观方面，超临界co2表面张力接近于零，很容易进入页岩孔隙，从而改变页岩微观结构；在介观方面，超临界co2很容易诱发剪切裂缝，裂缝时空分布及破坏类型更加复杂；在宏观方面，超临界co2压裂形成的裂缝形态和壁面粗糙度更加复杂。采用传统的水力压裂试验分析方法研究页岩油藏超临界co2压裂机理存在仅在单一尺度实验现象进行描述的局限性，必须革新相关试验技术方法，综合宏观-介观-微观多尺度对超临界co2压裂内在机理进行研究。


技术实现要素：

3.提供了本发明以解决现有技术中存在的上述问题。本发明提供一种页岩油藏超临界co2压裂多尺度试验分析方法，从宏观裂缝形态-裂纹破裂模式-微观孔隙结构变化等多尺度上分析其压裂机理，此方法极大地完善了超临界co2压裂相关实验技术，具有分析尺度更加全面和可靠性更高的有益效果。
4.本发明具体采用如下技术方案：
5.一种页岩油藏超临界co2压裂多尺度试验分析方法，所述方法包括如下步骤，
6.试样制备：对同一块页岩岩心进行加工成多个第一小尺寸全直径岩心柱和一个大尺寸立方体岩心，并将所述大尺寸立方体岩心钻孔加工成压裂试样；
7.压前测试：对所述第一小尺寸全直径岩心柱进行微米ct扫描，通过数字岩心技术获得压前页岩岩心微观孔隙结构分布特征；对大尺寸立方体岩心进行全岩心三维工业ct扫描，获得压前页岩岩心初始裂纹分布形态，并进行定量表征；
8.压裂实验：对所述压裂试样进行超临界co2压裂实验，利用声发射仪监测页岩破裂过程中的应力波信号，记录超临界co2压裂时注入压力变化数据；
9.宏观分析：对压后页岩立方体岩心进行全岩心三维工业ct扫描，获得岩心裂缝分布形态特征，与压前岩心初始裂纹分布形态特征进行对比分析，获得页岩超临界co2压裂形成裂缝分布规律；对宏观压裂裂缝进行断面扫描，获得页岩超临界co2压裂裂缝壁面形貌分布结果；
10.介观分析：根据声发射仪监测结果，获得页岩超临界co2压裂裂缝时空演化分布，并对声发射信号进行处理，获得岩心裂缝破坏模式，分析页岩超临界co2压裂时不同模式裂缝占比规律；
11.微观分析：将所述压后页岩立方体岩心加工成若干个第二小尺寸全直径岩心柱，并对所述第二小尺寸全直径岩心柱进行微米ct扫描，通过数字岩心技术获得压后页岩岩心微观孔隙结构分布特征，与压前页岩岩心微观孔隙结构特征对比分析，获得页岩超临界co2压裂对微观结构变化的影响规律。
12.进一步地，采用线切割技术将同一页岩岩心制备得到第一小尺寸全直径岩心柱；采用水力切割技术将同一页岩岩心制备得到大尺寸立方体岩心。
13.进一步地，所述将所述大尺寸立方体岩心钻孔加工成压裂试样，包括：
14.在所述大尺寸立方体岩心中部钻孔作为预制井眼，使用钢管作为套管，并在预设位置切割宽缝，所述套管底端封闭、顶端内置螺纹与注入管线密封连接，利用高强度树脂粘结剂将套管与预制井眼封固，得到压裂试样。
15.进一步地，采用线切割技术将同一页岩岩心制备成尺寸为φ25mm
×
40mm的第一小尺寸全直径岩心柱；采用水力切割技术将同一页岩岩心制备尺寸为300mm
×
300mm
×
300mm的大尺寸立方体岩心，利用φ14mm金刚石钻头在试件中部钻深170mm孔作为预制井眼，使用外径10mm的高强度钢管作为套管，并在135-165mm位置进行切割1.5mm宽缝，套管底端封闭、顶端内置螺纹与注入管线密封连接，利用高强度树脂粘结剂将套管与预制井眼封固。
16.进一步地，所述对所述第一小尺寸全直径岩心柱进行微米ct扫描，通过数字岩心技术获得压前页岩岩心微观孔隙结构分布特征，包括：
17.采用微米ct扫描仪对所有的第一小尺寸页岩全直径岩心柱进行扫描，基于扫描图像构建页岩三维数字岩心，采用居中轴法提取孔隙网络模型，计算各个第一小尺寸页岩全直径岩心柱的孔隙度、孔隙半径、配位数和迂曲度，并求取平均值，获得压前页岩数字岩心微观孔隙结构分布特征；
18.进一步地，所述对大尺寸立方体岩心进行全岩心三维工业ct扫描，获得压前页岩岩心初始裂纹分布形态，并进行定量表征，包括：
19.采用全岩心三维工业ct扫描仪对大尺寸立方体岩心进行扫描，对岩心扫描图像进行二值化处理，识别出含有初始裂纹的像素单元，获得压前页岩岩心初始裂纹分布形态，并计算得到含有初始裂纹的单元占所有单元的体积比例。
20.进一步地，所述对所述压裂试样进行超临界co2压裂实验，利用声发射仪监测页岩破裂过程中的应力波信号，记录超临界co2压裂时注入压力变化数据，包括如下步骤：
21.启动应力模拟装置，对压裂试样施加三向应力，以真实模拟储层应力环境；
22.启动温度和压力模拟装置，对压裂试样所在密封罐施加液压和温度条件，以保持注入co2保持超临界状态；
23.启动声发射仪，采集岩石压裂过程中的应力波信号；
24.启动高压泵，将已制备的超临界co2通过管线注入压裂试样进行压裂直至结束。
25.进一步地，对压后页岩立方体岩心进行全岩心三维工业ct扫描，将岩心扫描图像转化为二值化图像，识别出含有初始裂纹和压裂裂缝的像素单元，计算这些裂缝单元占所有单元的体积比例；采用断面扫描仪对压后宏观压裂裂缝进行扫描，获得页岩超临界co2压裂裂缝面形貌分布结果，进而计算得到裂缝壁面粗糙度，所述裂缝壁面粗糙度用于修正压裂液沿裂缝面的流动方程。
26.进一步地，采用矩张量分析方法对声发射信号结果进行处理，得到岩心裂缝破坏
模式，所述岩心裂缝破坏模式通过拉伸破坏、剪切破坏和混合破坏模式裂缝占比来表征。
27.进一步地，所述将所述压后页岩立方体岩心加工成若干个第二小尺寸全直径岩心柱，并对所述第二小尺寸全直径岩心柱进行微米ct扫描，通过数字岩心技术获得压后页岩岩心微观孔隙结构分布特征，包括：
28.对压裂完且进行全岩心三维工业ct扫描完的试样，挑选裂缝周围部分，采用线切割技术制备得到第二小尺寸全直径岩心柱；采用微米ct扫描仪对所述第二小尺寸全直径岩心柱进行扫描，基于扫描图像构建页岩三维数字岩心，采用居中轴法提取孔隙网络模型，计算各个第二小尺寸全直径岩心柱的孔隙度、孔隙半径、配位数和迂曲度等，求取压后各岩心柱结果的平均值。
29.本发明至少具有以下技术效果：
30.本发明公开了一种页岩油藏超临界co2压裂多尺度试验分析方法，从微观孔隙结构变化-裂纹破裂模式到宏观裂缝形态等多尺度上分析其压裂机理，此方法极大地完善了超临界co2压裂相关实验技术，具有分析尺度更加全面和可靠性更高的有益效果。
具体实施方式
31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为本发明的流程示意图；
33.图2为本发明岩心制备试样尺寸示意图，其中(a)为第一小尺寸全直径岩心柱，(b)为大尺寸立方体岩心；
34.图3为本发明小尺寸试样三维数字岩心和孔隙网络模型的示意图，其中(a)为小尺寸试样三维数字岩心，(b)为孔隙网络模型；
35.图4为本发明大尺寸压裂试样压前压后扫描结果示意图，其中(a)为大尺寸压裂试样压前扫描结果，(b)为大尺寸压裂试样压后扫描结果；
36.图5为本发明压裂实验声发射信号定位图。具体实施方式
[0037][0038]
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明的实施例作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。本文中所描述的各个步骤，如果彼此之间没有前后关系的必要性，则本文中作为示例对其进行描述的次序不应视为限制，本领域技术人员应知道可以对其进行顺序调整，只要不破坏其彼此之间的逻辑性导致整个流程无法实现即可。
[0039]
本发明实施例提供一种页岩油藏超临界co2压裂多尺度试验分析方法，如图1所示，包括如下步骤：
[0040]
s1.试样制备：取页岩露头岩心，对同一块页岩岩心进行加工成第一小尺寸全直径岩心柱3-4块和大尺寸立方体岩心1块，并将大尺寸立方体岩心进一步钻孔加工成压裂试样。需要说明的是，第一小尺寸全直径岩心柱的具体数量可根据实际试验需求来进行确定，
例如还可以是2块、5块、6块、10块等等，本实施例此处不作具体限制。
[0041]
在一些实施例中，步骤s1中，将页岩露头岩心加工成第一小尺寸全直径岩心柱，其具体方法为：采用线切割技术将第一小尺寸全直径岩心柱制备成尺寸为φ25mm
×
40mm的全直径岩心柱，获得的结构如图2中的(a)所示。其中第一小尺寸全直径岩心柱的尺寸参数此处仅为示例，其还可以实现为其他尺寸的全直径岩心柱，本实施例此处不作具体限制。
[0042]
在一些实施例中，所述步骤s1中，将页岩露头岩心加工成大尺寸立方体岩心，并进一步加工成压裂试样，其具体方法为：采用水力切割技术将其制备尺寸为300mm
×
300mm
×
300mm的立方体，利用φ14mm金刚石钻头在试件中部钻深170mm孔作为预制井眼，使用外径10mm的高强度钢管作为套管，并在135-165mm位置进行切割1.5mm宽缝，套管底端封闭、顶端内置螺纹可与注入管线密封连接，利用高强度树脂粘结剂将套管与预制井眼封固，得到的结构形式如图2中的(b)所示。
[0043]
s2.压前测试：对第一小尺寸全直径岩心柱进行微米ct扫描，通过数字岩心技术获得压前页岩岩心微观孔隙结构分布特征；对大尺寸立方体岩心进行全岩心三维工业ct扫描，获得压前页岩岩心初始裂纹分布形态，并进行定量表征。
[0044]
在一些实施例中，步骤s2中，对第一小尺寸全直径岩心柱进行微米ct扫描，通过数字岩心技术获得压前页岩岩心微观孔隙结构分布特征，其具体方法为：采用微米ct扫描仪对所有制备的小尺寸页岩全直径岩心柱进行扫描，基于扫描图像构建页岩三维数字岩心，如图3中的(a)所示，采用居中轴法提取孔隙网络模型，如图3中的(b)所示，基于孔隙网络模型计算第一小尺寸全直径岩心柱的孔隙度、孔隙半径、配位数和迂曲度等，求取各岩心柱结果的平均值，获得压前页岩数字岩心微观孔隙结构分布特征。
[0045]
在一些实施例中，步骤s2中，对页岩岩心初始裂纹分布形态进行定量表征方法具体为：对岩心扫描图像进行二值化处理，识别出含有初始裂纹的像素单元，计算含有初始裂纹的单元占所有单元的体积比例。
[0046]
s3.压裂实验：采用真三轴压裂实验系统对大尺寸页岩岩心进行超临界co2压裂实验，利用声发射仪监测页岩破裂过程中的应力波信号，并记录超临界co2压裂时注入压力变化数据。
[0047]
在一些实施例中，步骤s3中，采用真三轴压裂实验系统对大尺寸页岩岩心进行超临界co2压裂实验，其步骤包括：
[0048]
s3.1.启动应力模拟装置，对试样施加三向应力，可真实模拟储层应力环境；
[0049]
s3.2.启动温度和压力模拟装置，对试样所在密封罐施加液压和温度条件，以保持注入co2保持超临界状态；
[0050]
s3.3.启动声发射仪，采集岩石压裂过程中的应力波信号；
[0051]
s3.4.启动高压泵，将已制备的超临界co2通过管线注入试样进行压裂直至结束。
[0052]
s4.宏观分析：对压后页岩立方体岩心进行全岩心三维工业ct扫描，获得岩心裂缝分布形态特征，与压前岩心初始裂纹分布形态特征进行对比分析，获得页岩超临界co2压裂形成裂缝分布规律；对宏观压裂裂缝进行断面扫描，获得页岩超临界co2压裂裂缝壁面形貌分布结果。
[0053]
在一些实施例中，步骤s4中，对岩心压裂裂缝进行定量表征方法为，对岩心扫描图像进行二值化处理，识别出含有初始裂纹和压裂裂缝的像素单元，计算这些裂缝单元占所
有单元的体积比例，压前压后岩心扫描结果分别如图4中的(a)、(b)所示。
[0054]
在一些实施例中，步骤s4中，对宏观压裂裂缝进行断面扫描，获得页岩超临界co2压裂裂缝壁面形貌分布，其具体方法为：利用断面形态扫描仪对宏观压裂裂缝进行扫描，获得页岩超临界co2压裂裂缝面形貌分布结果，进而计算得到裂缝壁面粗糙度，该粗糙度可用于修正压裂液沿裂缝面的流动方程。
[0055]
s5.介观分析：根据声发射仪监测结果，获得页岩超临界co2压裂裂缝时空演化分布，进一步对声发射信号进行处理，获得岩心裂缝破坏模式，分析页岩超临界co2压裂时不同模式裂缝占比规律。
[0056]
在一些实施例中，步骤s5中，对声发射信号进行处理，获得岩心裂缝破坏模式，其具体方法为：采用矩张量分析方法对信号结果进行处理，声发射信号定位图如图5所示，计算出拉伸破坏、剪切破坏和混合破坏模式裂缝占比。
[0057]
s6.微观分析：对压后页岩立方体岩心进一步加工，挑选裂缝周围部分，制备成第二小尺寸全直径岩心柱3-4块，对其进行微米ct扫描，通过数字岩心技术获得压后页岩岩心微观孔隙结构分布特征，与压前页岩岩心微观孔隙结构特征对比分析，获得页岩超临界co2压裂对微观结构变化的影响规律。
[0058]
在一些实施例中，步骤s6中，挑选裂缝周围部分，制备成第二小尺寸全直径岩心柱3-4块，其具体方法为：对压裂完且进行全岩心三维工业ct扫描完的试样，挑选裂缝周围部分，采用线切割技术制备成尺寸为φ25mm
×
40mm的全直径岩心柱。
[0059]
在一些实施例中，步骤s6中，通过数字岩心技术获得压后页岩岩心微观孔隙结构分布特征，其方法与步骤s2中压前处理方法一样，具体为，采用微米ct扫描仪对所有制备的压后小尺寸页岩全直径岩心柱进行扫描，基于扫描图像构建页岩三维数字岩心，采用居中轴法提取孔隙网络模型，计算其孔隙度、孔隙半径、配位数和迂曲度等，求取压后各岩心柱结果的平均值。
[0060]
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。