一种基于真实裂缝导流能力的测试方法

技术领域

本发明涉及导流能力测试技术领域，尤其涉及一种基于真实裂缝导流能力的测试方法。

背景技术

近年来，国内油气资源品质劣质化、开发储层复杂化已成为油气勘探开发面临的新挑战。准噶尔盆地致密油资源丰富，资源量高达29.4亿吨，占盆地油气总资源量的1/3，主要集中在盆地东南部的吉木萨尔凹陷和西北部的玛湖凹陷。吉木萨尔芦草沟组面积1278km2，厚度200～350m，上、下甜点体有利区资源量11.12亿吨，其中上甜点4.46亿吨，下甜点6.66亿吨，吉木萨尔页岩油已经成为新疆油田增储上产重要的接替区域，探索经济有效的开发吉木萨尔页岩油具有重要的现实意义。

目前的先导试验井探索实施效果并不理想，如何突破现有的技术瓶颈，实现储量的经济有效动用是科研人员面临的重大难题。

页岩油藏储层物性差，常规开采技术效果不理想，体积压裂技术是开发页岩油的有效手段，而页岩压裂裂缝导流能力直接决定着页岩油的开发效果。裂缝导流能力是页岩网络裂缝流动能力的基础，其粗糙错位裂缝形态在受力状态下形成油气流动的基础流动通道。由于地下裂缝系统的复杂性，目前常通过实验手段对其导流能力进行直接测试，然而在实验过程中，大多以光滑平面或劈裂方式获得的裂缝作为实验研究对象，造成实验测试值与真实值相差较大，其结果不能反映储层裂缝的真实导流能力，从而失去对油田开采的指导意义。

现有技术至少存在以下不足：

1.由于导流能力测试常以光滑平面或劈裂方式获得的裂缝作为实验研究对象，未能反映出裂缝在地层的真实形态，所得结果准确性和可靠性都不高。

发明内容

为解决现有技术中存在的实验裂缝不能代表地层真实裂缝的问题，本发明提供了一种基于真实裂缝导流能力的测试方法，制作岩块，在岩块中心安装钢管；将岩块放入真三轴水力压裂系统内，施加压力至岩块破裂产生裂缝，得到具有真实裂缝的岩块，通过模拟地层压裂来获得储层水力压裂后裂缝的真实形态，结合三维扫描技术，根据计算得到的裂缝壁面参数筛选出能体现储层表面特征的裂缝，通过测试其导流能力来准确评价支撑裂缝的导流能力，为优化压裂施工参数提供依据。发明中的岩块裂缝为地层真实裂缝，其优点在于体现了地层压裂过程中裂缝的延伸和扩展形态，使得产生的裂缝与地层裂缝足够相似，从而得到更准确的导流能力。地层裂缝的导流能力数值是油气田开采的基础，准确的导流能力数值可以得到合理的施工参数，从而减少开采成本，提高油田的经济效益。

本发明提供了一种基于真实裂缝导流能力的测试方法，包括如下步骤：

制作岩块，在岩块中心安装钢管；

将所述岩块放入真三轴水力压裂系统内，施加压力至岩块破裂产生裂缝，得到具有真实裂缝的岩块，所述裂缝具有粗糙表面；

对岩块真实裂缝表面进行三维扫描，得到岩块表面的三维点云数据；

计算岩块的壁面参数，所述壁面参数包括：分形维数D、纵横迂曲度比率Ecl和轮廓均方根偏差R

对岩块表面的所述三维点云数据进行去噪声处理，得到岩块表面的点云数据的去噪声坐标数据；

对所述去噪声坐标数据进行处理，得到不同的岩块样块曲面模型；

根据现场水力压裂后储层岩石实际裂缝的形貌和壁面参数，对所述岩块样块进行对比，选择代表真实裂缝的岩块表面；

将选择的岩块沿着裂缝延伸的方向切割为岩板，所述岩板保留有完整的裂缝剖面；

对切割好的岩板进行导流能力测试，得到不同表面形态岩板的导流能力随闭合压力的变化规律曲线。

优选地，所述分形维数根据如下方法获取：

在平面XOY上定义一个尺寸为δ的正方形网格，网格的4个角分别对应4个点：h(i，j)、h(i+1，j)h(i，j+1)h(i+1，j+1)；

其中i≥1，j≤n-1，n是每条边的测量点数；

用边长为δ的立方体网格对裂缝表面进行覆盖，计算求取覆盖的区域内立方体的个数，那么根据分形理论与立方体投影覆盖法，在(i，j)个网格内，立方体的个数Ni，j为如下公式所示：

其中，

INT为取整函数；

h(i,j)为网格投影正方形的边角点；

i，j为每条边的测量点数；

δ为立方体的边长；

N

覆盖裂缝表面需要的立方体数目N(δ)通过如下公式获取：

其中，

n为正方形边长的测量点数；

对于所述裂缝，根据分形理论，则存在

N(δ)＝δ

根据上述公式，得到裂缝表面分形维数D。

优选地，所述纵横迂曲度比率Ecl根据如下公式获取：

L＝N×Δx

其中：

L

L为裂缝剖切线的投影长度；

z(i)为数据点i所对应的z轴坐标值；

Δx为每个数据点的投影距离；

N为裂缝剖切线上数据点个数；

T

T

T

优选地，Δx取0.01mm。

优选地，所述轮廓均方根偏差R

其中，

N为裂缝剖切线上数据点个数；

z

i为数据点编号；

b为z轴平均高度基准面值。

优选地，所述岩块为立方体。

优选地，所述岩块的边长为300mm。

优选地，所述钢管直径为15mm-20mm。

优选地，所述钢管直径为16mm。

优选地，所述岩板的尺寸为长177mm，宽38mm，厚度15mm。

优选地，利用sufer软件中的克里金插值法对去噪声坐标数据进行处理。

与现有技术相对比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明通过真三轴水力压裂系统得到地层压裂后裂缝延伸和扩展的真实形态，从而获得真实裂缝。

(2)本发明通过三维扫描技术计算裂缝壁面参数得到代表区域压裂地层裂缝形貌的真实裂缝。

附图说明

图1为本发明的一个实施例测试实验专用的真三轴水力压裂系统的示意图；

图2a为本发明的一个实施例提供的压裂地层岩块裂缝示意图；

图2b为本发明的一个实施例提供的压裂地层岩块裂缝示意图；

图2c为本发明的一个实施例提供的压裂地层岩块裂缝示意图；

图2d为本发明的一个实施例提供的压裂地层岩块裂缝示意图；

图3为本发明的一个实施例提供的求取裂缝壁面参数示意图；

图4a为本发明的一个实施例的经真三轴水力压裂系统压开后的岩块实物图；

图4b为本发明的一个实施例的经真三轴水力压裂系统压开后的岩块实物图；

图5a为本发明的一个实施例的通过三维扫描技术绘得真实裂缝的表面形态图；

图5b为本发明的一个实施例的通过三维扫描技术绘得真实裂缝的表面形态图；

图6a为本发明的一个实施例的切割好具有真实裂缝面的岩板实物图；

图6b为本发明的一个实施例的切割好具有真实裂缝面的岩板实物图；

图6c为本发明的一个实施例的切割好具有真实裂缝面的岩板实物图；

图7为本发明的一个实施例的不同表面形态岩板的导流能力对比图；

图8为本发明的一个实施例的基于真实裂缝导流能力的测试方法流程图。

图中，1-液压缸；2-液压泵；3-模拟井筒；4-裸眼段；5-试件；6-装载架；7-承压板；8-压裂液；9-液体分离器；10-注入泵。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作详细的说明。

本发明提供了一种基于真实裂缝导流能力的测试方法，包括如下步骤：

制作岩块，在岩块中心安装钢管；

将所述岩块放入真三轴水力压裂系统内，施加压力至岩块破裂产生裂缝，得到具有真实裂缝的岩块，所述裂缝具有粗糙表面；

本发明的通过模拟地层压裂过程来产生真实裂缝，并结合三维扫描技术对裂缝进行筛选，得到具有地层代表性的真实裂缝。

对岩块真实裂缝表面进行三维扫描，得到岩块表面的三维点云数据；

计算岩块的壁面参数，所述壁面参数包括：分形维数D、纵横迂曲度比率Ecl和轮廓均方根偏差R

对岩块表面的所述三维点云数据进行去噪声处理，得到岩块表面的点云数据的去噪声坐标数据；

对所述去噪声坐标数据进行处理，得到不同的岩块样块曲面模型；

利用sufer软件对三维扫描仪输出的三维坐标进行网格划分，将网格点进行3D绘制便可得到曲面模型图。不同岩块的裂缝与真三轴水力压裂系统的排量有关，其数值决定了岩块内裂缝的延伸与扩展。

根据现场水力压裂后储层岩石实际裂缝的形貌和壁面参数，对所述岩块样块进行对比，选择代表真实裂缝的岩块表面；

在裂缝筛选的过程中，不能做到与地层裂缝完全一样，只能得到具有代表性的真实裂缝。不同区块的压裂裂缝具有不同的形貌，筛选之前要结合具体的工程参数，通过地层裂缝形貌与参数来定性与定量筛选。

将选择的岩块沿着裂缝延伸的方向切割为岩板，所述岩板保留有完整的裂缝剖面；

对切割好的岩板进行导流能力测试，得到不同表面形态岩板的导流能力随闭合压力的变化规律曲线。

根据本发明的一个具体实施方案，所述分形维数根据如下方法获取：

在平面XOY上定义一个尺寸为δ的正方形网格，网格的4个角分别对应4个点：h(i，j)、h(i+1，j)h(i，j+1)h(i+1，j+1)；

其中i≥1，j≤n-1，n是每条边的测量点数；

用边长为δ的立方体网格对裂缝表面进行覆盖，计算求取覆盖的区域内立方体的个数，那么根据分形理论与立方体投影覆盖法，在(i，j)个网格内，立方体的个数Ni，j为如下公式所示：

其中，

INT为取整函数；

h(i,j)为网格投影正方形的边角点；

i，j为每条边的测量点数；

δ为立方体的边长；

N

覆盖裂缝表面需要的立方体数目N(δ)通过如下公式获取：

其中，

n为正方形边长的测量点数；

对于所述裂缝，根据分形理论，存在

N(δ)＝δ

根据上述公式，得到裂缝表面分形维数D。

分形特征包括具有复杂性、不规则性以及自相似性。一般来说，只要是粗糙裂缝表面就会有分型特征。在真三轴水力压裂过程中，岩块受到的流体压力大于其破裂压力，会产生破裂并形成粗糙裂缝，因此本发明不必考虑裂缝不具有分型特征。

根据本发明的一个具体实施方案，所述纵横迂曲度比率Ecl根据如下公式获取：

L＝N×Δx

其中：

L

L为裂缝剖切线的投影长度；

z(i)为数据点i所对应的z轴坐标值；

Δx为每个数据点的投影距离；

N为裂缝剖切线上数据点个数；

T

T

T

根据本发明的一个具体实施方案，Δx取0.01mm。

根据本发明的一个具体实施方案，所述轮廓均方根偏差R

其中，

N为裂缝剖切线上数据点个数；

z

i为数据点编号；

b为z轴平均高度基准面值。

根据本发明的一个具体实施方案，所述岩块为立方体。

根据本发明的一个具体实施方案，所述岩块的边长为300mm；其为真三轴水力压裂系统所用岩样的标准尺寸，目的是确保岩块能被完整地压开。

根据本发明的一个具体实施方案，所述钢管直径为15mm-20mm，钢管的作用为模拟地层中的井筒。在压裂过程中，压裂液通过钢管进入岩块，因此钢管的直径不宜过大，防止增加岩块的破裂压力；也不宜过小，防止产生的裂缝较短。

根据本发明的一个具体实施方案，所述钢管直径为16mm。

根据本发明的一个具体实施方案，所述岩板的尺寸为长177mm，宽38mm，厚度15mm，其为导流室的标准尺寸，目的是确保岩板能周在导流室中完全闭合。

根据本发明的一个具体实施方案，利用sufer软件中的克里金插值法对去噪声坐标数据进行处理；

克里金插值法将被插值的数据当做一个区域化地变量来看待，通过近点之间有某种程度上的空间相关性对区域进行补充，所得的数据为不同空间点的三维坐标集合。其优点在于处理较多数据点时，结果更加可靠。

实施例1

根据本发明的一个具体实施方案，结合附图，对本发明的基于真实裂缝导流能力的测试方法进行详细说明。

本发明提供了一种基于真实裂缝导流能力的测试方法，包括如下步骤：

制作岩块，在岩块中心安装钢管；

将所述岩块放入真三轴水力压裂系统内，施加压力至岩块破裂产生裂缝，得到具有真实裂缝的岩块，所述裂缝具有粗糙表面；

对岩块真实裂缝表面进行三维扫描，得到岩块表面的三维点云数据；

计算岩块的壁面参数，所述壁面参数包括：分形维数D、纵横迂曲度比率Ecl和轮廓均方根偏差R

对岩块表面的所述三维点云数据进行去噪声处理，得到岩块表面的点云数据的去噪声坐标数据；

对所述去噪声坐标数据进行处理，得到不同的岩块样块曲面模型；

根据现场水力压裂后储层岩石实际裂缝的形貌和壁面参数，对所述岩块样块进行对比，选择代表真实裂缝的岩块表面；

将选择的岩块沿着裂缝延伸的方向切割为岩板，所述岩板保留有完整的裂缝剖面；

对切割好的岩板进行导流能力测试，得到不同表面形态岩板的导流能力随闭合压力的变化规律曲线。

实施例2

根据本发明的一个具体实施方案，结合附图，对本发明的计算壁面参数的过程进行详细描述。

分形维数根据如下方法获取：

在平面XOY上定义一个尺寸为δ的正方形网格，网格的4个角分别对应4个点：h(i，j)、h(i+1，j)h(i，j+1)h(i+1，j+1)；

其中i≥1，j≤n-1，n是每条边的测量点数；

用边长为δ的立方体网格对裂缝表面进行覆盖，计算求取覆盖的区域内立方体的个数，那么根据分形理论与立方体投影覆盖法，在(i，j)个网格内，立方体的个数Ni，j为如下公式所示：

其中，

INT为取整函数；

h(i,j)为网格投影正方形的边角点；

i，j为每条边的测量点数；

δ为立方体的边长；

N

覆盖裂缝表面需要的立方体数目N(δ)通过如下公式获取：

其中，

n为正方形边长的测量点数；

对于所述裂缝，根据分形理论，存在

N(δ)＝δ

根据上述公式，得到裂缝表面分形维数D。

纵横迂曲度比率Ecl根据如下公式获取：

L＝N×Δx

其中：

L

L为裂缝剖切线的投影长度；

z(i)为数据点i所对应的z轴坐标值；

Δx为每个数据点的投影距离，Δx此处取0.01mm；

N为裂缝剖切线上数据点个数；

T

T

T

轮廓均方根偏差R

其中，

N为裂缝剖切线上数据点个数；

z

i为数据点编号；

b为z轴平均高度基准面值。

下面表1为本发明采用上述壁面参数计算过程，针对不同的岩块样块的裂缝表面获取的壁面参数。

表1裂缝表面表征参数计算结果

根据表1，可以看出不同表面形态岩板的分形维数D较为接近，其数值相差最大只有1.6％，差异显著的参数为轮廓均方根偏差Rq，其最大差异达到了42.3％，说明轮廓均方根偏差Rq更能体现出不同表面形态的区别，因此在实际操作过程中，可以将此参数作为筛选地层真实裂缝的第一标准。

实施例3

根据本发明的一个具体实施方案，结合附图，对本发明的基于真实裂缝导流能力的测试方法进行详细说明。

本发明提供了一种基于真实裂缝导流能力的测试方法，包括如下步骤：

制作岩块，在岩块中心安装钢管；所述岩块为立方体，边长此处取300mm，钢管直径为16mm；

将所述岩块放入真三轴水力压裂系统内，施加压力至岩块破裂产生裂缝，得到具有真实裂缝的岩块，所述裂缝具有粗糙表面；

对岩块真实裂缝表面进行三维扫描，得到岩块表面的三维点云数据；

计算岩块的壁面参数，所述壁面参数包括：分形维数D、纵横迂曲度比率Ecl和轮廓均方根偏差R

分形维数根据如下方法获取：

在平面XOY上定义一个尺寸为δ的正方形网格，网格的4个角分别对应4个点：h(i，j)、h(i+1，j)h(i，j+1)h(i+1，j+1)；

其中i≥1，j≤n-1，n是每条边的测量点数；

用边长为δ的立方体网格对裂缝表面进行覆盖，计算求取覆盖的区域内立方体的个数，那么根据分形理论与立方体投影覆盖法，在(i，j)个网格内，立方体的个数Ni，j为如下公式所示：

其中，

INT为取整函数；

h(i,j)为网格投影正方形的边角点；

i，j为每条边的测量点数；

δ为立方体的边长；

N

覆盖裂缝表面需要的立方体数目N(δ)通过如下公式获取：

其中，

n为正方形边长的测量点数；

对于所述裂缝，根据分形理论，存在

N(δ)＝δ

根据上述公式，得到裂缝表面分形维数D。

纵横迂曲度比率Ecl根据如下公式获取：

L＝N×Δx

其中：

L

L为裂缝剖切线的投影长度；

z(i)为数据点i所对应的z轴坐标值；

Δx为每个数据点的投影距离，取Δx此处取0.01mm；

N为裂缝剖切线上数据点个数；

T

T

T

轮廓均方根偏差R

其中，

N为裂缝剖切线上数据点个数；

z

i为数据点编号；

b为z轴平均高度基准面值。

对岩块表面的所述三维点云数据进行去噪声处理，得到岩块表面的点云数据的去噪声坐标数据；

对所述去噪声坐标数据进行处理，得到不同的岩块样块曲面模型；此处利用sufer软件中的克里金插值法对去噪声坐标数据进行处理；

根据现场水力压裂后储层岩石实际裂缝的形貌和壁面参数，对所述岩块样块进行对比，选择代表真实裂缝的岩块表面；

将选择的岩块沿着裂缝延伸的方向切割为岩板，所述岩板保留有完整的裂缝剖面；岩板尺寸为长177mm，宽38mm，厚度15mm；

对切割好的岩板进行导流能力测试，得到不同表面形态岩板的导流能力随闭合压力的变化规律曲线，如图7所示。

根据图7可见，当分形维数D较大，横纵迂曲度比率Ecl越小时，在10Mpa闭合压力时导流能力越大。导流能力对应力变化极其敏感，导流能力以较快的速度下降。这一方面是因为由于闭合压力增大，裂缝间流动通道减少，另一方面受裂缝表面凸起大小的影响，凸起越高受压后破碎概率越大。轮廓均方根偏差Rq的大小反映了裂缝表面整体的凸起大小，Rq数值越大凸起越大，因此导流能力下降越快。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。