一种岩芯裂缝制作方法及装置

技术领域

本发明属于油藏开发技术领域，特别涉及一种岩芯裂缝制作方法及装置。

背景技术

随着世界经济的发展，对石油天然气的需求量不断增加，而常规油气产量不断下降，资源潜力较大的非常规油气逐渐成为全球石油勘探开发的重要领域。其中致密油成为继页岩气开发之后又一热点，被石油工业誉为“黑金”。我国致密油储量巨大，但储层低孔、低渗、非均质性较强、渗流通道结构复杂，导致致密油藏开发难度大。研究表明，致密砂岩储层中大多发育有微裂缝，不仅增大了储存空间，还大幅度提高了致密储层渗透率。因此研究裂缝对致密砂岩储层的有效开发具有非常重要的意义。

研究裂缝离不开岩芯实验，因此，制作符合实验要求的裂缝岩芯的方法成为研究裂缝的必要手段。关于岩芯造缝，目前常用的技术手段主要是在基质岩芯上通过物理或者化学方法造一条或者数条可见缝以及微尺度缝。在对造缝结果的评价上，也只是机械地针对裂缝本身的形态特征进行评价，无法直接看出与生产过程中的关系，无法描述有效裂缝的作用，例如：当裂缝方向垂直于驱替方向时，裂缝的作用就微乎其微了，此时单纯的描述裂缝的数量、形态等特征已无法满足需求。因此，需要一种能够被直接有效地描述造缝结果的制作裂缝及评价裂缝的方法。

现有的实验室造缝方法主要有：巴西试验劈裂岩样人造裂缝法、玻璃腐蚀法、玻璃镀膜法等。巴西试验劈裂岩样人造裂缝法即为将岩芯沿轴截面切成两个半圆柱，对截面进行除尘处理，之后将两个半圆柱拼接在一起，中间劈裂的缝作为模拟的裂缝。此方法用于只能用于模拟单一大裂缝的情况，且与实际储层的裂缝相差较大。玻璃腐蚀法即为利用化学药物在石英半圆柱进行预处理后，在半圆柱拼接的中心处进行腐蚀。此法费用较高、过程不易控制、对产生的有效裂缝效果较差。玻璃镀膜法分为物理法与化学法，物理法需要专门的仪器设备、操作复杂，化学法一般需要精密的仪器、反应温度高、速度慢。

由于现有制作裂缝的方法存在成本高、不易操作等问题，在评价造缝结果上也是简单的对裂缝特征参数进行识别测量，这样就不能对造缝效果进行保证。因此，亟需一种适用于室内的、简单、易行、成本低且有效的岩芯裂缝制作方案。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种岩芯裂缝制作方法，包括：

对目标岩芯加载一定轴压以固定目标岩芯；

对所述目标岩芯加载一定围压；

卸载轴压；

对所述目标岩芯加载一定驱替压力；

对所述目标岩芯加载轴压值为裂缝开启点的轴压，制作岩芯裂缝；

所述裂缝开启点为对目标岩芯的同类岩芯造缝过程中，裂缝开启时的轴压值。

进一步地，在对目标岩芯制作岩芯裂缝之前，还通过试样岩芯确定所述裂缝开启点。

进一步地，通过试样岩芯确定所述裂缝开启点包括：

对试样岩芯加载一定轴压以固定试样岩芯；

对所述试样岩芯加载一定围压；

卸载轴压；

对所述试样岩芯加载一定驱替压力；

对所述试样岩芯加载按照第一步长增大的轴压，并监测试样岩芯在每步的轴压值下的裂缝情况；

根据裂缝情况随轴压值的变化情况确定所述裂缝开启点。

进一步地，

对所述试样岩芯加载一定驱替压力的过程中，监测气体驱替速度，待监测气体驱替速度稳定时开始加载按照第一步长增大的轴压。

进一步地，

根据裂缝情况随轴压值的变化情况确定所述裂缝开启点包括：

确定每个轴压值对应的气测渗透率，监测气测渗透率的变化情况，当气测渗透率发生突变增大时，确定此时的轴压值为裂缝开启点。

进一步地，

监测试样岩芯在每步的轴压值下的裂缝情况包括：

监测每步的轴压值下的驱替气流的气流速率；

根据气流速率确定气测渗透率；

根据所述气测渗透率确定裂缝情况；

其中，通过以下公式确定所述气测渗透率：

其中，K为气测渗透率，Q为气流速率，L为岩芯长度，A为岩芯横截面积，P

进一步地，

对所述目标岩芯加载轴压值为裂缝开启点的轴压，制作岩芯裂缝包括：

在加载裂缝开启点的轴压之后，不再继续增加轴压或者增加轴压小于一定阈值，使得岩芯在轴压作用下的气测渗透率增加到指定范围，以制作微裂缝。

进一步地，

对所述目标岩芯加载轴压值为裂缝开启点的轴压，制作岩芯裂缝包括：

在裂缝开启点继续增加轴压后继续持续增加轴压，增大到一定值，制作可见缝。

本发明还提供一种岩芯裂缝制作装置，用于执行如权利要求1-9中任一项所述的岩芯裂缝制作方法，装置包括：三轴岩芯夹持器、轴压加压泵、围压加压泵、氮气气源和气体流速测量系统；

轴压加压泵、围压加压泵、氮气气源和气体流速测量系统均与三轴岩芯夹持器相连接；

三轴岩芯夹持器用于夹持岩芯；

轴压加压泵与三轴岩芯夹持器通过管线连接，轴压加压泵用于为岩芯提供轴向压力；

围压加压泵与三轴岩芯夹持器通过管线连接，围压加压泵用于为岩芯提供围压；

氮气气源与三轴岩芯夹持器通过管线连接，氮气气源用于为岩芯提供驱替压力；

气体流速测量系统通过管线与三轴岩芯夹持器相连接，用于测量氮气气源的流速。

进一步地，装置还包括：纳米CT；

纳米CT用于对岩芯的微裂纹进行扫描验证，包括：

采用纳米CT对造缝岩芯进行扫描建模，获取裂缝信息：裂缝数量、走向及尺寸，比较微裂缝产生前后CT扫描图像的区别。

本发明的岩芯裂缝制作方法及装置，可以在室内制作出不同裂缝开启程度的岩芯用于实验，并且用于评价产生裂缝开启程度的方法简单直接，有效，方便应用。因而，在室内制作岩芯裂缝领域具有广阔的应用前景。

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指出的结构来实现和获得。

附图说明

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。

图1示出了根据本发明实施例的岩芯造缝装置示意图；

图2示出了根据本发明实施例的岩芯夹持器横截示意图面；

图3示出了根据本发明实施例的造缝过程中轴压与气测渗透率的变化关系图。

附图标记说明：

1-三轴岩芯夹持器、2-轴压加压泵、3-围压加压泵、4-氮气气源、41-压力稳定装置、5-气体流速测量系统、6-控制系统、61-接线装置、7-阀门。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种岩芯裂缝制作方法及装置，可以用于对致密砂岩进行岩芯裂缝室内制作。

如图1所示，本发明实施例的岩芯裂缝制作装置包括：三轴岩芯夹持器1、轴压加压泵2、围压加压泵3、氮气气源4、气体流速测量系统5和纳米CT，纳米CT的精度最少为1000nm。其中，轴压加压泵2、围压加压泵3、氮气气源4和气体流速测量系统5均与三轴岩芯夹持器1相连接。

三轴岩芯夹持器1用于夹持岩芯。三轴岩芯夹持器1耐压在70Mpa以上，加压泵的加压上限为70MPa以上。

轴压加压泵2与三轴岩芯夹持器1通过管线连接，管线上设置有阀门7。轴压加压泵2用于为岩芯提供轴向压力。制作岩芯裂缝时，轴压加压泵2还与控制系统6通过接线装置61相连接，控制系统6用于通过控制轴压加压泵2控制对三轴岩芯夹持器1对岩芯施加的轴压(轴向压力)。

围压加压泵3与三轴岩芯夹持器1通过管线连接，管线上设置有阀门7。围压加压泵3用于为岩芯提供围压(径向压力)。

氮气气源4与三轴岩芯夹持器1通过管线连接，管线上设置有阀门7和压力稳定装置41。氮气气源4用于为岩芯提供驱替压力。氮气气源4压力可以自行设定，一般使用1MPa～3MPa。示例性地，氮气气源4为氮气瓶。压力稳定装置41用于控制该驱替压力。

气体流速测量系统5通过管线与三轴岩芯夹持器1相连接，用于测量氮气气源4的流速。示例性地，气体流速测量系统5为微流量计或气排水计量系统。气排水计量系统，包括容水器、天平、量筒。三轴岩芯夹持器1中的氮气通过管线排入容水器，容水器通过管线与量筒连接，并通过管线将水排入量筒。量筒放置在天平上，通过天平称量量筒及其中水的质量，记录质量变化后换算为氮气气源4的流速。本发明实施例中采用微流量计进行流速测量。控制系统6通过接线装置61与微流量计相连接，用于获取微流量计测得的气流速率。

本发明实施例的岩芯裂缝制作装置用于造缝的载荷主要为由轴压加压泵2提供的轴压和围压加压泵3提供的围压。所造裂缝的走向主要沿着最大主应力方向即轴向。围压的作用主要体现在两个方面：(1)模拟真实地层压力，实际岩芯所在地下储层内是受到全方位应力的作用，加载围压可以更加真实体现岩芯在地层中的状态。(2)实验中，氮气的驱替压力大于围压时，氮气会从三轴岩芯夹持器1的橡胶套筒处窜流，从而实验测量的渗透率不能反映岩芯的真实渗流能力。因此，围压用于限制测量渗透率的驱替流体在三轴岩芯夹持器1窜流。本发明实施例中，驱替流体即为氮气。

纳米CT用于岩芯裂纹进行扫描验证，精度最少为1000nm。

本发明实施例还提供一种岩芯裂缝制方法，能够但不限于采用上述岩芯裂缝制装置实施。

下面对本发明实施例的岩芯裂缝制作方法进行示例性描述，包括：通过试样岩芯确定裂缝开启点的过程和确定裂缝开启点之后对目标岩芯进行造缝的过程。

本发明实施例的通过试样岩芯确定裂缝开启点的过程包括以下步骤：(1)按照图1所示连接实验设备，并检测装置的气密性；(2)截取一定尺寸的岩芯作为试样，示例性地，岩芯为Φ25mm×(50～80)mm的基质岩芯。其中，Φ是指岩芯的直径，(50～80)mm是指岩芯的长度为(50～80)mm。对岩芯进行表面光滑处理，100℃烘干24h以上。(3)将基质岩芯放入三轴岩芯夹持器1内，首先加载1MPa的轴压以固定基质岩芯在三轴岩芯夹持器1里的位置，如图2所示，随后加载5MPa的围压(围压可以根据基质岩芯的实际情况设定，一般不超过10MPa)，在实验过程中始终保持围压不变；(4)卸载1MPa轴压，并打开氮气瓶，调节氮气的驱替压力为1MPa～3MPa，通气一定时间，如0.5h，到气体驱替速度稳定，此时记录初始气流速率。气体流速通过上述微流量计测得，通过达西公式根据初始速率确定初始渗透率的值；(5)开始对所述试样岩芯加载按照第一步长(如1MPa)增大的轴压，并监测试样岩芯在每步的轴压值下的裂缝情况。具体地，依次加载轴压值1MPa、2MPa、3MPa……15MPa、16MPa，并评价这些轴压值对应的裂缝情况，以确定裂缝开启点。具体地，通过造缝评价方法确定观察各个轴压下的裂缝情况，确定裂缝开启点，即裂缝开启时的轴压值。在造缝评价方法中，计算每个轴压值下的气测渗透率，气测渗透率随着轴压增大而增大的过程中，出现气测渗透率变化率峰值时对应的轴压值即为裂缝开启点。示例性地，该试样岩芯在15MPa时渗透率急剧增加，气测渗透率变化率达到最大值，可知，15MPa为该种岩芯的裂缝开启点。本发明实施例还提供一种造缝评价方法，用于评价造缝效果，步骤如下：

将所有实验得到的气体驱替流量通过公式(1)计算相应的气测渗透率:

K——气测渗透率，mD；

Q——气流速率，mL/s；

L——岩芯长度，cm；

A——岩芯横截面积，cm

P

P

μ——为气体粘度，mPa·s。

确定每个轴压值对应的气测渗透率，监测气测渗透率的变化情况，当气测渗透率发生突变增大(变化率最大)时，确定此时的轴压值为裂缝开启点。将气测渗透率与相应的轴压值绘制关系曲线(轴压值为横坐标，气测渗透率变化率为纵坐标)。气测渗透率会随着轴压的增大先小幅度减小，然后增大。关系曲线在轴压增大的过程中，会有一个瞬时渗透率急剧增大的点，此时的轴压值即为裂缝开启点，如图3所示。一般造缝岩芯最终气测渗透率会增大为初始基质岩芯气测渗透率的数倍。制作微裂缝，即在裂缝开启点不再继续增加轴压或者增加轴压很小(小于一定阈值)，使得增加轴压的加载时间时，关系曲线不会和制作可见缝一样有一个很明显的拐点，但是气测渗透率会随时间增加而增加，一般造缝岩芯最终气测渗透率会增大为初始基质岩芯气测渗透率的120％～200％不等，加载时间长短影响造缝程度。示例性地，可以在加载裂缝开启点的轴压之后，按照第二步长依次增加轴压，直到制作出理想的裂缝程度。裂缝制作过程中首先测试不加轴压下的渗透率，以便比较加载轴压后的岩芯渗透率和初始状态的关系。因此，在制作微裂缝时，施加裂缝开启点的轴压后，渗透率变化率也会有一个拐点，但没有制作可见缝的过程中拐点明显。裂缝验证：对于制备好的微裂缝岩芯，需要对产生的微裂缝进行验证，证明在此造缝方法中可以产生有效的微裂缝。因此，本实验使用纳米CT(精度最低为1000nm)对造缝岩芯(包括目标岩芯或试样岩芯)进行扫描建模，得出裂缝产生的数量、走向及尺寸等信息。比较微裂缝产生前后CT扫描图像的区别。

示例性地，对目标岩芯进行造缝的过程包括以下步骤：(1)按照图1所示连接实验设备，并检测装置的气密性；(2)对一定尺寸的目标岩芯进行表面光滑处理，100℃烘干24h以上。(3)将目标岩芯放入三轴岩芯夹持器1内，首先加载1MPa的轴压以固定基质岩芯在三轴岩芯夹持器1里的位置，如图2所示，随后加载5MPa的围压(围压可以根据基质岩芯的实际情况设定，一般不超过10MPa)，在造缝过程中始终保持围压不变；(4)卸载1MPa轴压，并打开氮气瓶，调节氮气的驱替压力为1MPa～3MPa，通气一定时间，到气体驱替速度稳定，此时记录初始气流速率。气体流速通过上述微流量计测得，通过达西公式根据初始速率确定初始渗透率的值；(5)加载裂缝开启点大小的轴压，如15MPa轴压，此后加载按照第二步长(0.1MPa)依次增加的轴压，如加载依次为15.1MPa、15.2MPa……的轴压，将这些轴压值作为测点来评价对应的造缝情况，直到制作出理想的裂缝程度。注：当在裂缝开启点继续增大轴压时，增大到一定值，制作的裂缝一般是可见缝。当在裂缝开启点不再继续增加轴压或者增加轴压很小(小于一定阈值)，但是增加轴压的加载时间时，制作的裂缝一般属于微裂缝，肉眼很难观察到，需要借助于纳米CT对产生的裂缝进行验证。

由于目标岩芯和试样岩芯属于同批次岩芯即胶结方式和矿物含量等相似时，可以首先使用一到两块基质岩芯作为试样岩芯进行裂缝制造实验，以确定裂缝开启点，即裂缝开启时的轴压值，之后可以直接将轴压加载到根据裂缝开启点确定的所需压力进行造缝，可以节省造缝时间，以达到批量造缝的目的。如直接加载裂缝开启点的轴压值(或略大于、略小于该值)，进行造缝。

尽管参照前述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精神和范围。