一种致密岩石自吸能力的评价方法及系统与流程

1.本发明涉及非常规油气勘探与开发技术领域，具体地说，涉及一种致密岩石自吸能力的评价方法及系统。


背景技术：

2.岩石自吸作用现象是指由于受到毛细管力、渗透压力、重力及表面水化力等作用，液体自发地进入岩石微小孔道内的一种现象。水力压裂是致密储层有效动用的关键技术。压裂液自吸进入岩石孔隙后，一方面，与岩石中的矿物发生作用，如黏土膨胀，引起岩石强度降低；另一方面，由于压裂液滞留，造成压后生产过程中裂缝周围岩石孔隙内的两相流动，影响压后产能。因此，准确认识压裂液的自吸能力，对评价岩石在压裂液作用后的力学和物性参数以及指导压裂优化设计具有重要的意义。
3.由于压裂液与地层岩石之间存在多种物理化学作用，其在岩石中的自吸受岩石孔隙结构、矿物组成、压裂液组成等因素的影响。目前，对压裂液自吸能力的评价基本都是通过开展自吸实验测试，(ghanbari e,dehghanpour h.impact of rock fabric on water imbibition and salt diffusion in gas shales[j].international journal of coal geology,2015,138:55-67.)或数值模拟(hu y,devegowda d,striolo a,et al.microscopic dynamics of water and hydrocarbon in shale-kerogen pores of potentially mixed wettability[j].spe journal,2014,20(5):112-124.)进行评价，但这些模型需要输入的参数较多，不利于应用。
[0004]
cn201711471343.6的中国专利中，提出了一种页岩自吸能力评价实验方法，但未考虑模拟页岩所处的地层环境，如压力、关井阶段页岩的自吸情况。
[0005]
国内外大量研究发现大部分致密储层受表面水化力、渗透水化力、氢键力及范德华力作用的水分子难以返排，大量工作液滞留在储层中不知去向且其是否对储层造成伤害也尚不明确。目前，国内外尚无学者用一个量化的参数来表征致密储层自吸能力的大小，从而导致区块压裂施工返排制度优化存在一定的盲目性，亟需一种针对致密储层压裂液自吸能力的评价方法。
[0006]
因此，本发明提供了一种致密岩石自吸能力的评价方法及系统。


技术实现要素：

[0007]
针对现有技术的现状，本发明的目的在于提供一种致密岩石自吸能力的评价方法及系统，其操作较为简单，可以突破现有的技术壁垒，有效解决致密岩石对工作液吸入能力的评价问题，为实际返排制度优化与施工提供指导性意见。
[0008]
本发明提供了一种致密岩石自吸能力的评价方法，所述方法包含以下步骤：
[0009]
岩样制备步骤：制备符合实验条件的标准岩样；
[0010]
无围压测试步骤：测试无围压条件下标准岩样在第一测试溶液以及不同浓度第二测试溶液环境下的顺向以及逆向自吸的自吸能力；
[0011]
围压测试步骤：测试加载不同围压条件下标准岩样对第一测试溶液顺向自吸的自吸能力；
[0012]
结果拟合步骤：根据实验测试结果拟合自吸能力表征参数与时间的关系式，计算得到各实验条件下自吸能力表征参数的拟合程度。
[0013]
根据本发明的一个实施例，所述岩样制备步骤中，具体包含以下步骤：
[0014]
取岩样，对所述岩样全直径岩心径向钻取预设直径的圆柱形试样，为避免端部效应，将所述圆柱形试样保持长度与直径为固定比例；
[0015]
将所述圆柱形试样制成长度不同的第一规格标准岩样以及第二规格标准岩样；
[0016]
将所有标准岩样置于烘箱内干燥，直至重量不变。
[0017]
根据本发明的一个实施例，符合实验条件的标准岩样为：岩样长度20-50mm，端面平行度范围为0-0.02mm，端面与岩样轴线的垂直度范围为0-0.05mm。
[0018]
根据本发明的一个实施例，所述无围压测试步骤中，具体包含以下步骤：
[0019]
在进行顺向自吸实验时，将标准岩样的侧面完全密封，仅裸露出标准岩样的两个端面；
[0020]
在称量装置下端悬挂标准岩样，悬挂标准为保持标准岩样裸露的上下端面水平，上端面裸露在空气中，且下端面伸入不同浓度的第二测试溶液中。
[0021]
根据本发明的一个实施例，所述无围压测试步骤中，具体包含以下步骤：
[0022]
在进行逆向自吸实验时，将标准岩样的侧面和其中一个端面完全密封，仅裸露一个端面；
[0023]
在称量装置下端悬挂标准岩样，悬挂标准为保持标准岩样的侧面水平且完全浸泡于第一测试溶液以及第二测试溶液中。
[0024]
根据本发明的一个实施例，所述无围压测试步骤中，具体包含以下步骤：
[0025]
在顺向自吸以及逆向自吸实验中，间隔固定时间记录一次标准岩样对第一测试溶液以及第二测试溶液的吸入体积；
[0026]
绘制出标准岩样对第一测试溶液以及第二测试溶液累计吸入的体积与时间的关系图。
[0027]
根据本发明的一个实施例，所述围压测试步骤中，具体包含以下步骤：
[0028]
基于围压条件下自吸能力测试装置，取标准岩样分别置于不同围压环境下进行测试；
[0029]
每隔预设时间记录一次标准岩样对第一测试溶液的吸入体积，并绘制出岩样对第一测试溶液累计吸入的体积与时间的关系图。
[0030]
根据本发明的一个实施例，所述结果拟合步骤中的所述自吸能力表征参数计算公式为：
[0031][0032]
其中，v
imb
表示吸入量体积，m3；c
t
表示自吸能力表征参数；a表示标准岩样的横截面积，m2，t表示时间。
[0033]
根据本发明的另一个方面，还提供了一种存储介质，其包含用于执行如上任一项所述的方法步骤的一系列指令。
[0034]
根据本发明的另一个方面，还提供了一种致密岩石自吸能力的评价系统，通过如上任一项所述的方法进行致密岩石自吸能力的评价，所述系统包含：
[0035]
岩样制备装置，其用于制备符合实验条件的标准岩样；
[0036]
顺向自吸装置，其用于测试无围压条件下标准岩样在第一测试溶液以及不同浓度第二测试溶液环境下的顺向自吸的自吸能力；
[0037]
逆向自吸装置，其用于测试无围压条件下标准岩样在第一测试溶液以及不同浓度第二测试溶液环境下的逆向自吸的自吸能力；
[0038]
围压条件下自吸能力测试装置，其用于测试加载不同围压条件下标准岩样对第一测试溶液顺向自吸的自吸能力；
[0039]
拟合装置，其用于根据实验测试结果拟合自吸能力表征参数与时间的关系式，计算得到各实验条件下自吸能力表征参数的拟合程度。
[0040]
本发明提供的致密岩石自吸能力的评价方法及系统与现有技术相比，操作较为简单且实验参数容易获取，同时对于具有特定特征的致密储层，通过自吸能力表征参数，本发明能够对其自吸能力进行较为准确的预测，从而对致密储层的压后返排制度优化进行有效指导，提高压裂效果。
[0041]
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
[0042]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0043]
图1显示了根据本发明的一个实施例的致密岩石自吸能力的评价方法流程图；
[0044]
图2显示了根据本发明的一个实施例的顺向自吸装置结构示意图；
[0045]
图3显示了根据本发明的一个实施例的逆向自吸装置结构示意图；
[0046]
图4显示了根据本发明的一个实施例的围压条件下自吸能力测试装置结构示意图；
[0047]
图5显示了根据本发明的一个实施例的无围压下自吸能力表征参数拟合图示意图(清水、2％、4％kcl逆向自吸)；
[0048]
图6显示了根据本发明的一个实施例的无围压下自吸能力表征参数拟合图示意图(6％、8％、10％kcl顺向自吸)；
[0049]
图7显示了根据本发明的一个实施例的无围压下自吸能力表征参数拟合图示意图(2％、4％、10％kcl顺向自吸)；
[0050]
图8显示了根据本发明的一个实施例的无围压条件下不同浓度溶液累计自吸量与时间曲线图示意图(清水、2％、4％kcl逆向自吸)；
[0051]
图9显示了根据本发明的一个实施例的无围压条件下不同浓度溶液累计自吸量与时间曲线图示意图(6％、8％、10％kcl顺向自吸)；
[0052]
图10显示了根据本发明的一个实施例的无围压条件下不同浓度溶液累计自吸量与时间曲线图示意图(2％、4％、10％kcl顺向自吸)；
[0053]
图11显示了根据本发明的一个实施例的带围压条件下自吸能力表征参数拟合图示意图(0mpa、5mpa、10mpa清水顺向自吸)；
[0054]
图12显示了根据本发明的一个实施例的带围压条件下累计自吸量与时间曲线图示意图(0mpa、5mpa、10mpa清水顺向自吸)。
具体实施方式
[0055]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。
[0056]
图1显示了根据本发明的一个实施例的致密岩石自吸能力的评价方法流程图。
[0057]
如图1所示，步骤s101为岩样制备步骤：制备符合实验条件的标准岩样。
[0058]
在一个实施例中，步骤s101中，包含以下步骤：
[0059]
s1011、取岩样，对岩样全直径岩心径向钻取预设直径的圆柱形试样，为避免端部效应，将圆柱形试样保持长度与直径为固定比例。具体来说，取12块火成岩岩样，对火成岩全直径岩心径向钻取直径为0.025m的圆柱形试样，部分岩样保持长度与直径为2:1，以避免端部效应。
[0060]
s1012、将圆柱形试样制成长度不同的第一规格标准岩样以及第二规格标准岩样。具体来说，将圆柱形试样制成长度为0.02m的第一规格标准岩样以及长度为0.05m的第二规格标准岩样。
[0061]
s1013、将所有标准岩样置于烘箱内干燥，直至重量不变。具体来说，将所有标准岩样置于100℃烘箱内干燥，直至重量不变。
[0062]
在一个实施例中，标准岩样参数如下表1所示：
[0063]
表1标准岩样参数表
[0064]
[0065][0066]
在一个实施例中，符合实验条件的标准岩样为：岩样长度20-50mm，端面平行度范围为0-0.02mm，端面与岩样轴线的垂直度范围为0-0.05mm。
[0067]
如图1所示，步骤s102为无围压测试步骤：测试无围压条件下标准岩样在第一测试溶液以及不同浓度第二测试溶液环境下的顺向以及逆向自吸的自吸能力。在一个实施例中，第一测试溶液为清水，第二测试溶液为氯化钾(kcl)溶液。不同浓度的第二测试溶液为：2％、4％、6％、8％、10％的kcl溶液。
[0068]
具体来说，在进行顺向自吸实验时，将标准岩样的侧面完全密封，仅裸露出标准岩样的两个端面；在称量装置下端悬挂标准岩样，悬挂标准为保持标准岩样裸露的上下端面水平，上端面裸露在空气中，且下端面伸入不同浓度的第二测试溶液中。配制实验所需的第二测试液体：配制好适量的2％、4％、6％、8％、10％的kcl溶液放入烧杯中以备用。
[0069]
如图2所示，顺向自吸装置包含：称量装置1、细线2、烧杯3、标准岩样4、密封膜5、透明箱体6以及第二测试溶液7。
[0070]
通过顺向自吸装置进行顺向自吸实验时，将多块(可以选取5块)标准岩样4(可以选取第二规格标准岩样)分别放入浓度为2％、4％、6％、8％、10％的kcl溶液中开展顺向自吸实验。
[0071]
顺向自吸实验具体步骤为：利用热塑管将标准岩样4的侧面完全密封，仅裸露出岩样的两个端面。利用细线2(不浸水、无弹性的细鱼线)将标准岩样4的上端面悬挂于称量装置1(称量装置可以为分析天平，型号为：赛多利斯quintix224-1cn，量程220g，精度0.0001g)下端，保持标准岩样4裸露的上下端面水平(细线2的一端悬挂在称量装置1的下端，另一端悬挂在上端面的圆心处)，上端面裸露在空气中，且下端面伸入不同浓度的kcl溶液中，将烧杯3口用密封膜5(可以选取保鲜膜)密封，将烧杯3置于透明箱体6内，防止外界风吹动细线2，影响实验结果，透明箱体6上方放置称量装置1。
[0072]
在一个实施例中，在进行逆向自吸实验时，将标准岩样的侧面和其中一个端面完全密封，仅裸露一个端面；在称量装置下端悬挂标准岩样，悬挂标准为保持标准岩样的侧面水平且完全浸泡于第一测试溶液以及第二测试溶液中。
[0073]
如图3所示，逆向自吸装置包含：称量装置1、细线2、烧杯3、标准岩样4、密封膜5、透明箱体6以及测试溶液。具体来说，测试溶液可以为第一测试溶液以及第二测试溶液。
[0074]
通过逆向自吸装置进行逆向自吸实验时，将多块(可以选取3块)标准岩样4(可以选取第一规格标准岩样)分别放入清水和浓度为2％、4％的kcl溶液中开展顺向自吸实验。
[0075]
逆向自吸具体步骤为：利用热塑管将标准岩样4的侧面和其中一个端面完全密封，仅裸露一个端面。利用细线2(不浸水、无弹性的细鱼线)将标准岩样悬挂于称量装置1下端(细线2的一端固定在岩样的侧面，另一端悬挂在称量装置1下端)，保持标准岩样4的侧面水平且完全浸泡于测试液体(清水和浓度为2％、4％的kcl溶液)中，将烧杯3口密封，将烧杯3置于透明箱体6内，防止外界风吹动细线2，影响实验结果，透明箱体6上方放置称量装置1。
[0076]
进一步地，在顺向自吸以及逆向自吸实验中，间隔固定时间(可以选取1小时)记录一次标准岩样对第一测试溶液以及第二测试溶液的吸入体积；绘制出标准岩样对第一测试溶液以及第二测试溶液累计吸入的体积与时间的关系图。
[0077]
具体来说，顺向自吸、逆向自吸实验中，每隔1h记录一次称量装置1的读数，即为1h内标准岩样对测试液体或清水的吸入体积并绘制出岩样对测试液体或清水累计吸入的体积v
imb
与时间的关系图，如图5至图7所示。
[0078]
本发明采用称重法进行测量，称重法的基本原理是测量岩样孔隙中气体被测试液体置换时的岩样重量增加。测试液体和气体间的密度不同会导致重量变化，此变化可以认为是自吸引起的，称量装置1自动记录重量数据的变化并且作为时间函数。
[0079]
如图8-图10所示，kcl浓度越高，岩样的自吸量越小，清水的吸入量明显大于10％kcl的吸入量，说明高浓度的kcl溶液对粘土矿物具有一定的抑制性，降低了粘土的渗透压，降低了岩样中粘土矿物对压裂液的吸收。
[0080]
根据图8可以明显的发现，相比于顺向自吸，逆向自吸在大约在7-8h就会趋于平衡，并且逆向自吸的吸入量低于顺向自吸的自吸量。在实验过程中，在标准岩样与测试液体接触的端面处，有气泡产生，这是由于当岩样接触到另一种润湿性更强的液体时，这种液体的吸入会置换出岩样中原有的流体，当吸入方向和排除方向不同，这就发生了逆向自吸。气泡的生成验证了逆向自吸的存在。正是由于逆向自吸，当kcl溶液吸入一定程度后，岩样中的原有流体将无法排除，导致kcl溶液也无法继续吸入，所以逆向自吸量明显小于顺向自吸量。
[0081]
如图1所示，步骤s103为围压测试步骤：测试加载不同围压条件下标准岩样对第一测试溶液顺向自吸的自吸能力。
[0082]
在一个实施例中，步骤s103中，基于围压条件下自吸能力测试装置，取标准岩样分别置于不同围压环境下进行测试；每隔预设时间记录一次标准岩样对第一测试溶液的吸入体积，并绘制出岩样对第一测试溶液累计吸入的体积与时间的关系图。具体来说，不同围压为：围压为10mpa、5mpa、0mpa中的一种。
[0083]
如图4所示，围压条件下自吸能力测试装置包含：标准岩样4、测试液体7、煤油8、滴定管9、支架10、围压泵11、岩心夹持器12以及橡胶管13。
[0084]
在进行围压环境下自吸能力测试时，取多块(可以选取3块)标准岩样4(可以选取第二规格标准岩样)分别置于围压为10mpa、5mpa、0mpa(利用围压泵11对岩心夹持器12加载设定的围压)岩心夹持器12中，保持岩心夹持器12的出口端密封。
[0085]
之后，将滴定管9(或计量管，量程5ml，精度0.05ml)竖直固定在支架10上，滴定管9吸取适量的清水并利用橡胶管13连接至岩心夹持器12的进口端，在滴定管9上部加入少量煤油8密封，防止清水挥发，并保持整个装置的密封性。
[0086]
进一步地，每隔预设时间(可以为1小时)记录一次称量装置的读数，即在围压条件
下预设时间内记录标准岩样对清水的吸入体积，并绘制出标准岩样对清水累计吸入的体积v
imb
与时间的关系图，如图11所示。
[0087]
本发明基于体积法设计了围压条件下的自吸实验，利用岩心夹持器12以及围压泵11对标准岩样进行围压控制，自吸液体(清水)与样品一端接触，并进入样品，可以通过滴定管对自吸量随时间的变化进行计量清水的吸入量(通过滴定管内清水体积的差值计算吸入量)。
[0088]
如图12所示，岩样在0mpa围压下的自吸量是岩样在10mpa下的自吸量的42倍。明显的看出，随着围压不断增加，岩样对于清水的自吸能力下降。围压增大时，会挤压岩样的外表体积以及孔隙体积，从而使岩样的孔隙空间减小，吸入量大大减小。
[0089]
如图1所示，步骤s104为结果拟合步骤：根据实验测试结果拟合自吸能力表征参数与时间的关系式，计算得到各实验条件下自吸能力表征参数的拟合程度。
[0090]
为了更方便地研究岩样的自吸特征，用c
t
表征自吸能力表征参数。自吸能力表征参数主要与火成岩的微观结构、实验流体的性质、火成岩与实验流体的相互作用和粘土矿物组成等有关，自吸能力表征参数排除了岩样形状与尺寸对实验结果的影响，只考虑岩样与液体接触的面积，标准岩样的接触面积是一定的，便于自吸能力表征参数c
t
的求解，根据达西定律，则有：
[0091][0092]
又有：
[0093][0094]
根据以上两个公式(1)与(2)，则有：
[0095][0096]
对公式(3)求积分
[0097][0098]
则有：
[0099][0100]
则，
[0101][0102]
将公式(6)代入公式(1)中，则有：
[0103][0104]
令：
[0105][0106]
则有：
[0107][0108]
式中，u—吸入速度，m/min；t—时间，min；k—渗透率，m2；μ—粘度，pa
·
s；δp—压差，pa；l—侵入距离，m。
[0109]
将公式(9)积分并且乘以横截面积即取得吸入量v
imb
，有：
[0110][0111]
式中，v
imb
—吸入量体积，m3；c
t
—自吸能力表征参数；a—岩心的横截面积，m2。
[0112]
由公式(10)计算化简并带入单位得到自吸能力表征参数计算公式为：
[0113][0114]
其中，v
imb
表示吸入量体积，m3；c
t
表示自吸能力表征参数；a表示标准岩样的横截面积，m2，t表示时间。
[0115]
在坐标系下，自吸曲线斜率的1/2即为自吸能力表征参数c
t
，可以表征岩样自吸的速度快慢。根据拟合所得到的直线的斜率的1/2即为自吸能力表征参数c
t
，通过计算直线的斜率可以得出表2所示的自吸能力表征参数c
t
。
[0116]
表2各实验条件下计算所得自吸能力表征参数c
t
表
[0117]
[0118][0119]
根据测试结果拟合自吸能力表征参数与时间的关系式，即根据步骤s102、s103得到的致密岩石对测试液体的自吸能力曲线图，结合步骤s104中的公式(11)绘制出岩样对测试液体累计吸入的体积vimb与的关系曲线图。根据v
imb
与的关系曲线图拟合步骤s104计算的自吸能力表征参数，得到各实验条件下自吸能力表征参数的拟合程度，如图5至图7，图11所示。
[0120]
单位面积的自吸量随着时间的平方根的关系图中的直线的斜率的1/2即为自吸能力表征参数，自吸能力表征参数越大岩样的自吸速度越快，即为直线的斜率越大自吸速度越快。如图6、图7、图11所示，当岩样处于低浓度的kcl溶液中的环境中c
t
大，单位面积的吸水量较大。随着kcl的浓度增加，自吸能力表征参数降低，单位面积的自吸速率变慢。从图11可以发现，围压越大时，其自吸能力表征参数越小，岩样在0mpa围压下的自吸能力表征参数为10mpa围压下的42倍，说明围压对于岩样的自吸能力有很大的影响。
[0121]
实验表明，本发明与现有技术相比，操作较为简单且实验参数容易获取，同时对于具有特定特征的致密储层，通过自吸能力表征参数，能够对其自吸能力进行较为准确的预测，从而对致密储层的压后返排制度优化进行有效指导。
[0122]
另外，本发明还提供一种存储介质，其包含用于执行致密岩石自吸能力的评价方法步骤的一系列指令。
[0123]
本发明还提供一种致密岩石自吸能力的评价系统，其通过致密岩石自吸能力的评价方法进行致密岩石自吸能力的评价，所述系统包含：岩石制备装置、顺向自吸装置、逆向自吸装置、围压条件下自吸能力测试装置以及拟合装置。
[0124]
岩样制备装置用于制备符合实验条件的标准岩样。
[0125]
顺向自吸装置(如图2)用于测试无围压条件下标准岩样在第一测试溶液以及不同浓度第二测试溶液环境下的顺向自吸的自吸能力。
[0126]
逆向自吸装置(如图3)用于测试无围压条件下标准岩样在第一测试溶液以及不同浓度第二测试溶液环境下的逆向自吸的自吸能力。
[0127]
围压条件下自吸能力测试装置(如图4)用于测试加载不同围压条件下标准岩样对第一测试溶液顺向自吸的自吸能力。
[0128]
拟合装置用于根据实验测试结果拟合自吸能力表征参数与时间的关系式，计算得到各实验条件下自吸能力表征参数的拟合程度。
[0129]
综上，本发明提供的致密岩石自吸能力的评价方法及系统与现有技术相比，操作较为简单且实验参数容易获取，同时对于具有特定特征的致密储层，通过自吸能力表征参数，本发明能够对其自吸能力进行较为准确的预测，从而对致密储层的压后返排制度优化
进行有效指导，提高压裂效果。
[0130]
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
[0131]
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
[0132]
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。