標準巖心尺寸人工縫網模具的研制

戰永平，羅明良，馬宇奔，雷 明，付春麗

(1.中國石油大學(華東)石油工程實驗教學中心；非常規油氣開發教育部重點實驗室，山東 青島 266580；2.中國石油集團海洋工程有限公司，山東 青島 266520)

0 引 言

Mayerhofer等[1-2]提出SRV(Stimulated Reservoir Volume)概念后，水力壓裂支撐裂縫導流能力的研究對象由單一平面裂縫轉向復雜縫網，實驗手段或方法由API(American Petroleum Institute)導流室進展到縫網導流室，計算方法由達西公式計算法發展到“體積等效式(裂縫網絡等效為一定延展面積和縫寬的單一裂縫)”達西公式計算法[3-5]。這些改進為非常規油氣儲層體積壓裂工藝優化提供了一個實驗評價手段，具有重大現實意義。但也存在著一些不足：① 縫網地應力場模擬效果差，只能模擬主裂縫地應力作用，無法模擬次生、二級次生裂縫地應力作用；② 巖板拼接式的模擬縫網存在著次生裂縫無流體滲流和流體沿巖板與導流室內壁繞流的問題。本文在現有人造巖心制備模具的結構上，對比分析縫網模擬理論模型，設計一個標準巖心尺寸的人工縫網模具，解決縫網導流室測試過程存在的問題，并實驗分析不同縫網巖心的導流能力，提升室內實驗數據的現實價值。

1 理論基礎

關于復雜縫網幾何形態描述的理論模型主要有：雙重介質模型[6]，線網模型[7-9]，離散化縫網模型[10]。對比分析各理論模型，為縫網模具的研制奠定理論基礎。

1.1 雙重介質模型(Warren-Root)

雙重介質是指巖石既有孔隙又有裂縫的儲層，Warren和Root將該儲層簡化為由3組正交裂縫切割基質巖塊呈六面體的理想地質模塊，假設孔隙存在于基質巖塊中，且是均質的，裂縫方向與主滲透率方向一致，裂縫寬度為常數，裂縫網絡可以是均勻分布，也可以是非均勻分布，且在三維空間離散發展，如圖1所示。流動能力用幾何平均滲透率來表征：

(1)

式中：Kt為幾何平均滲透率，μm2；Kmatrix為基質滲透率，μm2；Kf為裂縫網絡滲透率，μm2。

圖1 Warren-Root模型

1.2 線網模型(HFN)

Xu等將儲層改造體積(SRV)假設為一個井眼為中心橢球體，利用兩簇垂直平面裂縫組成線網系統模擬解釋SRV形成過程，每簇裂縫縫寬恒定，如圖2所示。縫網導流能力用平均縫寬與平均滲透率乘積來表征：

(2)

圖2 HFN幾何模型示意圖

1.3 離散化縫網模型(DFN)

Meyer也將SRV假設為一個以井眼為中心橢球體，基于Warren-Root，利用由一條主裂縫和多條次生裂縫組成網格系統模擬解釋裂縫在3個主平面內離散擴展，主裂縫為垂直井眼的橢圓，次生裂縫又分為垂直次生裂縫和水平次生裂縫，主、次裂縫縫寬恒定，比值為定值，如圖3所示。縫網導流能力用平均縫寬與平均滲透率乘積來表征：

(3)

圖3 DFN幾何模型示意圖

1.4 對比分析

由表1可知，對于存在天然裂縫的復雜滲流系統，或者水力壓裂誘導裂縫與天然裂縫相互連通的復雜縫網系統，在一定的假設條件下，通過離散化模擬處理均可得到較好的應用效果。因此，針對巖板拼接式縫網模擬存在的不足，基于離散化縫網模型，開展標準巖心尺寸人工縫網巖心制備模具設計與制備，提升縫網導流能力測試結果的現實價值。

2 人工縫網巖心模具設計

2.1 設計思路

標準巖心是指Dd=2.54 cm，L=4～8 cm的圓柱型巖心。運用標準巖心進行儲層物性參數、開發效果以及儲層傷害評價時，巖心夾持器圍壓系統可以全方位的模擬地應力場，也可以有效保障流體在多孔介質中滲流。因此，分析現有人造巖心制備模具的結構[12-16]，合理地引入能模擬垂直交叉平面裂縫的切割板系統，設計一套標準巖心尺寸的人工縫網巖心制備模具。

表1 離散理論模型對比

2.2 巖心模設計

運用三維繪圖軟件UG NX設計巖心模，巖心模主要由主體和底座兩部分構成。主體是由兩片光滑帶耳翼的半圓柱凹形體以配合結構組成，直徑Dd=2.54 cm，厚度2.5 cm，耳翼帶有螺栓孔。通過螺栓緊固使主體呈現標準巖心的形狀，方便人工巖心脫模取芯，如圖4所示。底座是一塊帶有主體插槽的長方體底板，通過螺栓固定、封閉主體，方便主體與底座的拆卸，如圖5所示。

(a)

(b)

(c)

(a)

(b)

(c)

2.3 切割板設計

在前文所述3種離散縫網模型當中，HFN、DFN離散模型應用較為廣泛，都是假設縫網是由兩類不同縫寬的正交裂縫組成。實際裂縫網絡是一個水力裂縫與天然裂縫相互連通而形成的復雜系統。因此，設計一個主縫寬為1.5 mm，次生縫寬為1 mm的不同交叉角度垂向切割板，用來模擬水力裂縫與天然裂縫交互，如圖6所示。

2.4 標準巖心尺寸縫網模具參數與實物

經過上述設計，結合儀器制造廠商方便加工的建議，確定模具的基本參數，如圖6所示:外觀尺寸80 mm×70 mm×160 mm,巖心模內徑25.4 mm,底座80 mm×70 mm×20 mm,1#切割板尺寸25.3 mm×1.5 mm×140 mm,2#切割板尺寸25.3 mm×1.0 mm×140 mm,按照此參數制備了標準巖心尺寸縫網模具的實物，如圖7所示。

(a)主、次縫交叉角度30°

(b)主、次縫交叉角度45°

(c)主、次縫交叉角度90°

(a)切割板

(b)巖心模

3 人工縫網巖心導流能力測試

3.1 人工縫網巖心制備

按照100 g水泥，40 g水的比例配置水泥漿，置于涂抹黃油的巖心模中，用導壓棒壓實，插入切割板，用濕毛巾包裹模具防止水泥漿中水分蒸發，24 h后，待水泥漿凝固，打開模具即可獲得標準巖心尺寸的人工縫網巖心，如圖8所示，基本參數如表3所示。

(a)單縫

(b)交叉30°

(c)交叉45°

(d)交叉90°

表3 人工縫網巖心參數

3.2 導流能力測試

裂縫導流能力是裂縫滲透率與裂縫寬度的乘積。縫網離散模型是運用平均滲透率與平均縫寬的乘積來計算。本實驗所使用的是標準巖心尺寸的人工縫網巖心，其滲透率較易獲得。因此，可用人工縫網巖心的滲透率與平均縫寬的乘積來計算縫網導流能力,

(4)

實驗過程中，以空氣為流體介質。因此，kf測試可用下式計算：

(5)

由于制備人工縫網巖心的長度不等，為研究裂縫交叉角度對導流能力影響，將式(5)兩端同時除以L，可獲得縫網巖心單位長度的滲透率，即視滲透率kp，

(6)

式中：kp為縫網巖心視滲透率，μm2/cm；p1為進口壓力，MPa；p2為出口壓力，MPa；p0為大氣壓力，MPa；μ為氣體黏度，mPa·s；Q0為標況下氣體的體積流量，cm3/s；A為縫網巖心樣品的截面積，cm2。

根據式(4)、(6)對實驗數據進行處理，可獲得人工縫網巖心的視裂縫導流能力，結果如圖9所示。

圖9 人工縫網巖心視裂縫導流能力

對比分析，縫網視裂縫導流能力高于單一裂縫，且交叉角度對縫網視裂縫導流能力影響不大。因此，在制模擬多條(≥2)裂縫構成的復雜縫網時，可用不同寬度且相互垂直相交的切割板模擬制備更加復雜縫網結構的人工縫網巖心。

4 結 論

(1)開發了一套標準巖心尺寸的人工縫網巖心模具，所制備的縫網巖心在常規驅替裝置測試過程中，可以較好地模擬地應力對主、次裂縫閉合作用，有效解決現有縫網物理模型中次生裂縫無流體滲流，以及流體繞流的問題。

(2)基于Warren-Root、HFN、DFN縫網導流能力計算方法，提出一種以縫網巖心測試滲透率與平均縫寬乘積為導流能力計算方法，提升室內實驗數據的現實價值。

(3)人工縫網巖心導流能力實驗，發現縫網中裂縫交叉角度對導流能力幾乎沒有影響，可利用該模具制備“T、F、E、口、中、豐”等復雜縫網結構人工縫網巖心，研究縫網結構導流能力的影響；

本文未進行支撐劑充填縫網導流能力測試，建議在支撐劑縫網中運移和沉降規律的指導下開展支撐縫網導流能力測試。