深层页岩自支撑剪切裂缝长期导流能力测试方法及系统

技术领域

本发明涉及石油天然气行业深层页岩裂缝导流能力测试的技术领域，具体涉及深层页岩自支撑剪切裂缝长期导流能力测试方法及系统。

背景技术

页岩气藏储层孔喉细小，页岩气井必须要经过压裂改造后才能投产。页岩气井通过压裂改造，能将压裂改造的人工裂缝与天然裂缝相沟通，形成复杂裂缝网络，达到提高初始产量和采收率的目的。在压裂改造时，储层岩体受到剪切应力破坏并在高压流体作用下形成的粗糙断裂面，在高压流体经过后，粗糙断裂面不能完全闭合，形成具有一定导流能力的人工裂缝。由于深层页岩储层埋深高、高温、高闭合压力，支撑剂会发生嵌入和破碎现象，常规裂缝导流能力逐渐下降，但是自支撑裂缝长期导流能力变化规律还不清楚。因此研究深层页岩剪切裂缝长期导流能力变化规律与主控因素，指导压裂改造和制定后期生产方案具有重大意义。

前人研究成果显示：对于常规裂缝，随着闭合压力的增大，导流能力整体呈下降趋势；随着时间的增大，导流能力整体也呈下降的趋势。自支撑裂缝具有较强的应力敏感，短期导流能力随着闭合应力增加呈现指数下降趋势，对于深层页岩储层自支撑剪切裂缝的长期导流能力没深入研究。

目前国内外对于裂缝导流能力的研究主要集中在短期导流能力。E.J.Novotny(1977)、P.C.Harris(2005)、Bokane(2013)、温庆志(2009)、高金剑(2016)等学者研究了常规裂缝的导流能力变化规律，以及压裂液粘度、施工排量、砂比和支撑剂粒径等参数对导流能力的影响；Barton(1985)、Branagan(1996)、Fredd(2001)、Morales(2011)、苟兴豪(2017)等学者用研究了自支撑裂缝的变化规律，但是研究对象都是常规储层。在室内实验，对岩心进行人工造缝用单一变量法研究其他因素对导流能力的影响时，无法保障所有岩心自支撑裂缝形态和粗糙度相同，因此无法真正做到单一变量，自支撑裂缝形态和粗糙度会对导流能力有较大的影响。深层页岩储层埋深高、闭合应力高，温度高的特征，是使得前面的研究成果不能适用。

基本以上原因，需要建立深层页岩自支撑剪切裂缝长期导流能力测试方法，研究深层页岩自支撑剪切裂缝长期导流能力变化规律与主控因素，为深层页岩气藏压裂改造和制定后期生产方案提供理论指导。

发明内容

本发明的目的在于：针对目前还没有测试深层页岩剪切裂缝长期导流能力的方法，无法给出剪切裂缝长期导流能力的变化规律与主控因素的问题，提供了深层页岩自支撑剪切裂缝长期导流能力测试方法及系统，解决了上述问题。

本发明的技术方案如下：

深层页岩自支撑剪切裂缝长期导流能力测试方法，包括如下步骤：

步骤S1：剪切深层页岩储层典型岩心，根据对应储层的储层岩石力学参数，制作剪切裂缝断层面，并获取剪切裂缝断层面三维形貌模型；

步骤S2：按照剪切裂缝断层面三维形貌模型，在两块待测岩心上雕刻出相同形状和粗糙度的剪切裂缝断层面；

步骤S3：将两块待测岩心的剪切裂缝断层面相对扣合，再使两个剪切裂缝断层面错动预定距离形成自支撑剪切裂缝；

步骤S4：将两块待测岩心放入导流室，并分别在同一闭合压力和不同试验液流速下，进行导流实验，并记录实验数据；

步骤S5：根据实验数据，采用达西公式计算自支撑剪切裂缝在同一闭合压力和不同试验液流速下的渗透率；

步骤S6：根据渗透率平均值和实验数据，计算自支撑剪切裂缝在该闭合压力下的导流能力；

步骤S7：切换闭合压力，重复步骤S4-步骤S5,得到自支撑剪切裂缝在不同闭合压力下的导流能力，并绘制自支撑剪切裂缝长期导流能力变化曲线。

优选地，所述步骤S1中所述剪切深层页岩储层典型岩心，包括：

将深层页岩储层典型岩心置于剪切实验装置内，法向力按预设速率加载至预定值后，保持其恒定，在剪切实验装置的水平剪切位移控制模式下施加剪切荷载，待深层页岩储层典型岩心破坏后停止，完成深层页岩储层典型岩心剪切裂缝断层面的制作。

优选地，所述步骤S1中所述获取剪切裂缝断层面三维形貌模型，包括：

采用3D扫描仪扫描剪切裂缝断层面，获取剪切裂缝断层面的点云数据图；

利用数据图像处理软件处理点云数据图，形成剪切裂缝断层面特征图，并提取剪切裂缝断层面三维形貌模型。

优选地，所述步骤S2的详细步骤为：

步骤S21：将剪切裂缝断层面三维形貌模型导入到雕刻设备中；

步骤S22：将岩心切割成两块具有平整断面的待测岩心；

步骤S23：将两块待测岩心放入雕刻设备中，雕刻设备根据剪切裂缝断层面三维形貌模型在两块待测岩心上雕刻出相同形状和粗糙度的剪切裂缝断层面。

优选地，所述步骤S4还包括预处理；

所述预处理包括将两块待测岩心的端面搓平。

优选地，所述步骤S5还包括：

将导流室温度加热至深层页岩的地层温度，同时对装有待测岩心的导流室，按预设的加载速率施加压力，直到导流室的闭合压力达到预设值为止；

分别泵入不同流速的试验液，分别进行实验，并记录相应实验数据。

优选地，所述步骤S4中所述实验数据包括：

闭合压力、导流室温度、左右缝宽、导流室入口和出口的压差、导流室入口流量、导流室出口流量。

优选地，所述步骤S6，包括：

计算左右缝宽的平均值；

左右缝宽的平均值和渗透率平均值的乘积为自支撑剪切裂缝在该闭合压力下的导流能力。

深层页岩自支撑剪切裂缝长期导流能力测试系统，包括：

移动终端，所述移动终端用于数据采集和控制；

剪切实验装置，所述剪切实验装置根据移动终端指令，剪切深层页岩储层典型岩心，完成剪切裂缝断层面制作；

3D扫描仪，所述3D扫描仪用于扫描剪切裂缝断层面；

雕刻设备，所述雕刻设备用于待测岩心的雕刻；

导流室，所述导流室为待测岩心提供实验空间；

加压仓，所述加压仓用于放置导流室，为导流室提供闭合压力；

数据采集系统，所述数据采集系统用于采集实验数据。

优选地，所述数据采集系统包括：

用于采集左右缝宽的缝宽采集模块、用于采集导流室温度的温度采集模块、用于采集导流室入口和出口的压差的压差采集模块、用于采集导流室入口流量和导流室出口流量的流量采集模块。

与现有的技术相比本发明的有益效果是：

1、深层页岩自支撑剪切裂缝长期导流能力测试方法，包括如下步骤：步骤S1：剪切深层页岩储层典型岩心，根据对应储层的储层岩石力学参数，制作剪切裂缝断层面，并获取剪切裂缝断层面三维形貌模型；步骤S2：按照剪切裂缝断层面三维形貌模型，在两块待测岩心上雕刻出相同形状和粗糙度的剪切裂缝断层面；步骤S3：将两块待测岩心的剪切裂缝断层面相对扣合，再使两个剪切裂缝断层面错动预定距离形成自支撑剪切裂缝；步骤S4：将两块待测岩心放入导流室，并分别在同一闭合压力和不同试验液流速下，进行导流实验，并记录实验数据；步骤S5：根据实验数据，采用达西公式计算自支撑剪切裂缝在同一闭合压力和不同试验液流速下的渗透率；步骤S6：根据渗透率平均值和实验数据，计算自支撑剪切裂缝在该闭合压力下的导流能力；步骤S7：切换闭合压力，重复步骤S4-步骤S5,得到自支撑剪切裂缝在不同闭合压力下的导流能力，并绘制自支撑剪切裂缝长期导流能力变化曲线；本发明通过上述方法，完成自支撑剪切裂缝长期导流能力的测试，研究深层页岩自支撑剪切裂缝长期导流能力变化规律与主控因素，为深层页岩气藏压裂改造和制定后期生产方案提供理论指导。

2、深层页岩自支撑剪切裂缝长期导流能力测试系统，本发明根据上述方法还提出了一种测试系统，解决了目前无法真正做到单一变量的问题。

附图说明

图1为深层页岩自支撑剪切裂缝长期导流能力测试方法的流程图。

图2为深层页岩自支撑剪切裂缝长期导流能力测试方法中的剪切原理图；

图3为深层页岩自支撑剪切裂缝长期导流能力测试方法中3D扫描仪的示意图；

图4为深层页岩自支撑剪切裂缝长期导流能力测试系统的原理图；

图5为实施例二中钢垫板厚度计算的示意图；

图6为自支撑剪切裂缝长期导流能力变化曲线的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例一

目前还没有测试深层页岩剪切裂缝长期导流能力的方法，无法给出剪切裂缝长期导流能力的变化规律与主控因素。

本实施例针对上述问题，提供了深层页岩自支撑剪切裂缝长期导流能力测试方法及系统，为深层页岩自支撑剪切裂缝长期导流能力测试提供了技术支持，解决了上述问题。

请参阅图1-6，深层页岩自支撑剪切裂缝长期导流能力测试方法，具体包括如下步骤：

步骤S1：剪切深层页岩储层典型岩心，根据对应储层的储层岩石力学参数，制作剪切裂缝断层面，并获取剪切裂缝断层面三维形貌模型；

步骤S2：按照剪切裂缝断层面三维形貌模型，在两块待测岩心上雕刻出相同形状和粗糙度的剪切裂缝断层面；

步骤S3：将两块待测岩心的剪切裂缝断层面相对扣合，再使两个剪切裂缝断层面错动预定距离形成自支撑剪切裂缝；

步骤S4：将两块待测岩心放入导流室，并分别在同一闭合压力和不同试验液流速下，进行导流实验，并记录实验数据；

步骤S5：根据实验数据，采用达西公式计算自支撑剪切裂缝在同一闭合压力和不同试验液流速下的渗透率；

步骤S6：根据渗透率平均值和实验数据，计算自支撑剪切裂缝在该闭合压力下的导流能力；

步骤S7：切换闭合压力，重复步骤S4-步骤S5,得到自支撑剪切裂缝在不同闭合压力下的导流能力，并绘制自支撑剪切裂缝长期导流能力变化曲线。

在本实施例中，具体的，所述步骤S1中所述剪切深层页岩储层典型岩心，包括：

将深层页岩储层典型岩心置于剪切实验装置内，法向力按预设速率加载至预定值后，保持其恒定，在剪切实验装置的水平剪切位移控制模式下施加剪切荷载，待深层页岩储层典型岩心破坏后停止，完成深层页岩储层典型岩心剪切裂缝断层面的制作；优选地，所述剪切实验装置为现有剪切设备，这里对其结构不再进行赘述；

在本实施例中，具体的，所述步骤S1中所述获取剪切裂缝断层面三维形貌模型，包括：

采用3D扫描仪扫描剪切裂缝断层面，获取剪切裂缝断层面的点云数据图；优选地，在实际操作时，直接将深层页岩储层典型岩心置于3D扫描仪的扫描台上，并固定好后，通过3D扫描仪进行扫描即可，将形成的点云数据图保存至计算机即可；

利用数据图像处理软件处理点云数据图，形成剪切裂缝断层面特征图，并提取剪切裂缝断层面三维形貌模型；优选地，本实施例中，采用的数据图像处理软件为Surfer。

在本实施例中，具体的，所述步骤S2的详细步骤为：

步骤S21：将剪切裂缝断层面三维形貌模型导入到雕刻设备中；优选地，通过计算机，将计算机内储存的剪切裂缝断层面三维形貌模型导入至雕刻设备的软件件；

步骤S22：将岩心切割成两块具有平整断面的待测岩心；优选地，对岩心采用线切割设备切割成两个平整断面的待测岩心即可；

步骤S23：将两块待测岩心放入雕刻设备中，雕刻设备根据剪切裂缝断层面三维形貌模型在两块待测岩心上雕刻出相同形状和粗糙度的剪切裂缝断层面。

在本实施例中，具体的，所述步骤S4还包括预处理；

所述预处理包括将两块待测岩心的端面搓平；搓平的目的是便于放入导流室中，为测试长期导流能力做准备。

在本实施例中，具体的，所述步骤S5还包括：

将导流室温度加热至深层页岩的地层温度，同时对装有待测岩心的导流室，按预设的加载速率施加压力，直到导流室的闭合压力(闭合压力等于施加在导流室上的压力减去实验流体的压力)达到预设值为止；

分别泵入不同流速的试验液，分别进行实验，并记录相应实验数据。

在本实施例中，具体的，所述步骤S4中所述实验数据包括：

闭合压力、导流室温度、左右缝宽、导流室入口和出口的压差、导流室入口流量、导流室出口流量。

在本实施例中，具体的，所述步骤S6，包括：

计算左右缝宽的平均值；

左右缝宽的平均值和渗透率平均值的乘积为自支撑剪切裂缝在该闭合压力下的导流能力。

深层页岩自支撑剪切裂缝长期导流能力测试系统，包括：

移动终端，所述移动终端用于数据采集和控制；优选地，所述移动终端为计算机；

剪切实验装置，所述剪切实验装置根据移动终端指令，剪切深层页岩储层典型岩心，完成剪切裂缝断层面制作；即所述剪切实验装置可与移动终端进行通讯，实现指令控制；

导流室，所述导流室为待测岩心提供实验空间；即所述导流室内的实验空间用于放置待测岩心；

加压仓，所述加压仓用于放置导流室，为导流室提供闭合压力；优选地，所述加压仓为液压机提供；

数据采集系统，所述数据采集系统用于采集实验数据；

3D扫描仪，所述3D扫描仪用于扫描剪切裂缝断层面；

雕刻设备，所述雕刻设备用于待测岩心的雕刻。

在本实施例中，具体的，所述数据采集系统包括：

用于采集左右缝宽的缝宽采集模块、用于采集导流室温度的温度采集模块、用于采集导流室入口和出口的压差的压差采集模块、用于采集导流室入口流量和导流室出口流量的流量采集模块。

实施例二

实施例二根据实施一中对深层页岩自支撑剪切裂缝长期导流能力测试系统的描述，搭建了一个完整的测试系统，请参阅图4。

深层页岩自支撑剪切裂缝长期导流能力测试系统，所述移动终端为计算机，所述剪切实验装置在图中并未体现出来，但是，实质上其是与计算机是进行通讯连接的；所述3D扫描仪同样也未在图中体现出来；但是，实质上其是与计算机是进行通讯连接的；所述雕刻设备同样也未在图中体现出来；但是，实质上其是与计算机是进行通讯连接的，所述雕刻设备为激光雕刻机；所述导流室在实验进行时，是放置在液压机内的，由液压机提供闭合压力，即所述加压仓即为液压机的放置部位；所述用于采集左右缝宽的缝宽采集模块为设置在导流室两端的位移传感器；所述用于采集导流室温度的温度采集模块为设置在导流室上的温度传感器，同时，其还可以检测进口温度和出口温度，通过可通过计算机实现导流室控温作用；所述用于采集导流室入口和出口的压差的压差采集模块为设置在导流室入口和出口的压差传感器；所述用于采集导流室入口流量和导流室出口流量的流量采集模块包括：设置在入口处的流量计和设置在出口处的电子天平；其中图中还包括在实验中起协助调节作用的其余设备，详细见图4。

本实施例根据上述和图4中所示的测试系统，针对某岩心具体进行了测试，具体的测试步骤如下：

1、将深层页岩储层典型岩心放入剪切实验装置内，法向力按1kN/s的速率加载至预定值后，保持其恒定，以水平剪切位移控制模式施加剪切荷载，加载速率为0.002mm/s，待岩心破坏后终止；具体的，上述参数均由对应储层的储层岩石力学参数决定，本领域的技术人员能够进行具体选择，这里不再进行赘述；即完成了剪切裂缝断层面的制作。

2、将深层页岩储层典型岩心放置在3D扫描仪的工作平台上，并固定，启动3D扫描仪扫描裂缝断裂面，将形成的点云数据图保存至计算机。

3、计算机采用数据图像处理软件Surfer，对点云数据图进行处理，形成剪切裂缝断层面特征图，并提取剪切裂缝断层面三维形貌模型，储存在计算机内。

4、将剪切裂缝断层面三维形貌模型传输至激光雕刻机的软件中，然后将需要做长期导流测试的岩心，先用线切割设备切割成两个具有平整断面的待测岩心，然后将两个待测岩心放入到激光雕刻机的工作台上进行雕刻，这样就可以实现在不同待测岩心上雕刻出相同形状和粗糙度的剪切裂缝断层面。

5、将两块待测岩心的剪切裂缝断层面相对扣合，再使两个剪切裂缝断层面错动1mm形成自支撑剪切裂缝。

6、在实验开始前，还需要对左右缝宽进行初始化；其初始化的方法为，用钢垫板代替待测岩心放入导流室内，再将导流室放入加压仓内，然后在不连接管线的情况下，设定一个较小的闭合压力(2～5MPa之间)，待导流室内的压力到达设定压力，然后稳定10分钟左右，完成左右缝宽的初始化；其中闭合压力的设置，主要是进一挤压，避免密封圈带来的误差。

其中，钢垫板的厚度通过如下方式计算：

根据错动距离(1mm)、上下两个待测岩心的最大高度和裂缝面的平均高程差计算出钢垫板的厚度

参阅图5，可采用如下公式计算：

钢垫板厚度＝L

式中：

L

L

h

h

7、取出导流室，然后将钢垫板取出，在导流室内放入上下两个待测岩心和与之匹配的垫板，并涂好密封胶，装导流室放入加压仓内，连接好管线，开始实验。

8、将出口处阀门关闭，将压差传感器处的两个阀门打开，以一定的恒定流速进行泵入试验液，排出管线里面的空气，待压差传感器附近的两个出口没有气体时，关闭阀门，同时打开出口处的阀门。

9、设定相对应的导流室闭合压力和温度稳定(将导流室温度加热到110℃的深层页岩的地层温度，用液压机对导流室施加压力，加载速率为60KPa/s，直到导流室的闭合压力达到10MPa为止)后，打开恒温恒压泵，以2.5cm

10、然后将流速改为5cm

11、采用达西公式计算得到自支撑剪切裂缝在同一闭合压力和三种试验液流速下的渗透率和相应的左右缝宽；

12、将左右缝宽的平均值和渗透率平均值相乘则得出自支撑剪切裂缝在该闭合压力下的导流能力。

13、将闭合压力更改为30MPa、50MPa、70MPa和90MPa，重复步骤9和10；将所得的数据进行整理就可以得到自支撑剪切裂缝长期导流能力变化曲线，如图6所示。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。