新三区改造的模拟实验方法、系统与物理模拟装置与流程

本发明属于油气田开发，具体涉及一种新三区改造的模拟实验方法、系统与物理模拟装置。

背景技术：

1、目前，湖相页岩油气压裂正如火如荼开展，取得了一定的效果，但仍有很大一部分井压裂效果差强人意，究其原因，在于湖相页岩本身的特殊性与复杂性，一些关键的压裂机理问题没有搞清楚，具体有单井eur(估算的最终采收率)的主控因素不清、页岩气流动中出现反凝析的范围太广、压后闷井渗吸的作用范围及效果不清等。一般通过数值模拟或小尺寸岩心的室内模拟实验来分析压裂机理问题，但是模拟结果难以令人信服，更难以用于指导实际压裂施工，主要在于以下两方面原因：1)模拟条件与现场实际条件有较大出入，如温度、压力及流动过程与现场实际存在较大出入；2)单井eur的数值模拟中，多岩性和多层理及各种强非均质等因素难以建立精细的地质模型。

2、需要指出的是，目前提出的所谓三区改造理念主要指的是近井以页岩油流动为主区域、中井油气同时存在的流动区域和远井以页岩气流动为主的区域。对应的压裂措施主要有以主裂缝为主的高导流压裂、以主裂缝为主分支缝为辅的复杂缝压裂和复杂缝网压裂。这种三区划分及对应对策有一定合理性，但所谓的三区不是静态而是不断变化的动态过程，另外，实际的压裂过程在前置高黏压裂液劈开多岩性夹层和层理缝后，早期大量注入的低黏度压裂液产生的复杂缝网更多的应是出现在近井筒裂缝地带，而不是远井地带。即使后期采用暂堵措施，出现转向缝的可能性也是更多地在近井筒或中井裂缝地带。

3、因此，上述三区改造概念的提出，对实际的压裂设计与施工，并无多少实际指导意义。而本发明提出的新三区，包括水力缝网系统波及区域(相当于水力裂缝区域与裂缝附近区域诱导应力发生转向的区域之和)、诱导应力存在但没有发生应力反转的区域，以及没有应力扰动的原始油气藏介质区。按此新的三区概念，则压裂设计的目标应是在单井控制面积内，最大限度地提高上述应力反转区面积，由此，非应力反转区的面积也相应增大，而维持原始状态的面积最小。为此，可最大限度地提高单井eur，也能最大限度地增加闷井渗吸的作用范围及效果(压裂液可以在水力裂缝的末端渗吸，加上非应力反转区因诱导应力作用，吼道直径进一步缩小，由此必然带来毛细管力的增加和渗吸效果的增加)。但上述新的三区概念，还缺乏直接的数据支撑，因此，亟需研发一种针对新的三区概念的物模装置及相应的实验评价方法。

4、中国专利公开文献(cn108801739b)本发明公开了一种天然砂岩的人工物理岩心制作方法，本发明利用石英、水泥、减水剂混合物来模拟天然砂岩岩心的脆性矿物成份；利用黏土材料来模拟天然砂岩岩心的黏土矿物成份。本发明通过调整石英、水泥、减水剂和黏土材料的配比，使得人工物理岩心在力学性质(包括抗压强度、弹性模量和泊松比)、全岩矿物成份和黏土矿物成分上和天然砂岩一致。该专利提供了一种通过材料配比制作人工岩样的技术措施，并不涉及湖相页岩油气新三区划分及对压裂工艺参数的优化指导。

5、中国公开文献“地球物理学进展、2013年12月”公开了一种分散泥质胶结疏松砂岩的人工岩样制作新方法,并考察了石英粒度、粘土含量、胶结剂用量、压制压力等因素对物性的影响.结果表明,制作的人工岩样在结构上与分散泥质胶结疏松砂岩有很好的相似性,孔喉分选性好,可通过控制石英粒度、泥质(粘土)含量和制作压力获得期望孔隙度、孔隙结构、渗透率的人工岩样.该方法制作的人工岩样具有惰性好(物理化学性质稳定)、制作成功率高、价格低廉等优点,可为开展相关储层物理性质及其机理的研究提供满意的实验样品.本文主要从工艺上提出了提高岩心制作的成功率，并不涉及湖相页岩油气三区划分及对压裂工艺参数的优化指导。本次研究开发了一种分散泥质胶结疏松砂岩的人工岩样制作新方法,并考察了石英粒度、粘土含量、胶结剂用量、压制压力等因素对物性的影响.结果表明,制作的人工岩样在结构上与分散泥质胶结疏松砂岩有很好的相似性,孔喉分选性好,可通过控制石英粒度、泥质(粘土)含量和制作压力获得期望孔隙度、孔隙结构、渗透率的人工岩样.该方法制作的人工岩样具有惰性好(物理化学性质稳定)、制作成功率高、价格低廉等优点,可为开展相关储层物理性质及其机理的研究提供满意的实验样品.本文主要从工艺上提出了提高岩心制作的成功率，并不涉及湖相页岩油气新三区划分及对压裂工艺参数的优化指导。

6、中国公开文献“科学技术与工程、2015年4月”本文针对渤海地区32-6和36-1油田储层岩样的胶结类型多样性、渗透率差异较大等现有特征，提出了露头岩石制取、人工压制、液压机压制三种方法制取疏松砂岩岩样，并对三种方法获取的疏松岩样进行了渗透率、矿物成分、岩石力学、胶结程度等四方面的测试，与天然储层岩样进行比较，探究了三种方法制取疏松砂岩岩样代替目标区块岩样进行相关实验方法的可行性。本文主要针对渤海地区疏松砂岩地层从工艺上提出了提高岩样制备合格率的设计思路，并不涉及湖相页岩油气三区划分及对压裂工艺参数的优化指导。本文针对渤海地区32-6和36-1油田储层岩样的胶结类型多样性、渗透率差异较大等现有特征，提出了露头岩石制取、人工压制、液压机压制三种方法制取疏松砂岩岩样，并对三种方法获取的疏松岩样进行了渗透率、矿物成分、岩石力学、胶结程度等四方面的测试，与天然储层岩样进行比较，探究了三种方法制取疏松砂岩岩样代替目标区块岩样进行相关实验方法的可行性。本文主要针对渤海地区疏松砂岩地层从工艺上提出了提高岩样制备合格率的设计思路，并不涉及湖相页岩油气新三区划分及对压裂工艺参数的优化指导。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种新三区改造的模拟实验方法，解决基于旧的三区改造进行模拟实验得到的实验结果难以指导实际的压裂设计与施工。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种新三区改造的模拟试验方法，按照诱导应力的作用效果划分新三区：水力缝网系统波及区域、诱导应力存在但没有发生应力反转的区域以及没有应力扰动的原始油气藏介质区；其中，水力缝网系统波及区域由水力裂缝区域与应力反转区组成，所述应力反转区是指在所述水力裂缝区域附近发生诱导应力转向的区域；制备岩样进行物理模拟试验，以所述应力反转区面积最大为目标，优化压裂施工参数。

4、进一步的，制备岩样的步骤包括：制备岩样的步骤包括：目标井层取岩心，对岩心进行ct扫描分析以获取岩心的内部微观结构特征，基于岩心的内部微观结构特征构建数字模型文件并3d打印出岩坯；所述岩坯中钻制水平盲孔用以模拟出水平井筒，岩坯中加工出沿水平通孔外径分布的矩形槽用以模拟出水力裂缝；矩形槽中填充支撑剂用以模拟水力裂缝的导流能力。

5、进一步的，所述岩坯为0.125m3以上的大尺寸岩坯。

6、进一步的，物理模拟试验包括单一主裂缝模拟试验：以具有单一主裂缝的岩样作为试验对象，不断加工调整主裂缝尺寸与支撑剂参数，支撑剂参数包括浓度与粒径，加载试验条件，以应力反转区面积最大为目标，优化主裂缝几何尺寸与支撑剂参数。

7、进一步的，物理模拟试验还包括闷井渗吸模拟试验：模拟不同的闷井渗吸时间下的渗吸作用范围，以作用范围最大化并且寻找时间上的临界拐点为最佳的闷井渗吸时间。

8、进一步的，加载试验条件包括加载三向应力、加载试验温度以及注入试验压裂液，三向应力与实际应力的比例为1：1，试验温度与实际温度的比例为1：1，试验压裂液流量根据试验流动系统与实际流动系统的几何相似性原理确定。

9、进一步的，所述主裂缝是通过沿水平井筒的轴线的垂线方向依次层叠的多级矩形槽来模拟的，所述多级矩形槽包括分别用于模拟缝根、缝腰、缝尖的一级矩形槽、二级矩形槽与三级矩形槽；从一级矩形槽至三级矩形槽，缝宽逐渐变窄，缝长逐渐变短；所述复杂裂缝包括分支缝与微缝，所述分支缝是通过从主裂缝的缝根开始向主裂缝旁侧延伸的矩形槽来模拟的，所述微缝是通过从分支缝末端开始向主裂缝的缝尖方向延伸的矩形槽来模拟的。

10、进一步的，裂缝远离水平井筒的一端通过橡胶条密封。

11、本发明还提供一种新三区改造的物理模拟装置，包括岩样仓、三向挤压装置与应力采集模块；

12、所述岩样仓中央开设有用于容纳岩样的凹槽，岩样仓的一个侧面上设有注液孔，岩样仓的另外三个相邻侧面上分别设有轴孔，所述注液孔与岩样上的水平井筒的井眼位置对应，轴孔上还设有密封轴套；

13、所述三向挤压装置包括三块独立的加压顶板，每块加压顶板上均垂直连接有加压顶轴，加压板插入岩样仓的凹槽后加压顶轴从轴孔伸出并套接在密封轴套上；

14、所述应力采集模块用于将应变数据转化为应力数据，并通过若干围绕水力裂缝区域并均匀密布在岩样顶面的二轴90°应变花采集应变数据。

15、本发明还提供一种新三区改造的模拟试验系统，其特征在于，包括本发明所提供的新三区改造的物理模拟装置，还包括三向应力加载系统、温度加载系统、注液系统与上位机；

16、所述三向应力加载系统通过所述三向挤压装置向岩石样施加三向载荷，以使岩样产生三向应力；

17、所述温度加载系统包括电加热片、温度传感器与恒温控制器，电加热片用于加热岩样，温度传感器用于采集岩样温度并发送给恒温控制器，恒温控制器用于控制输出给电加热片的电流以使岩样温度维持在设定温度；

18、所述上位机用于根据应力采集模块采集的应力数据识别应力反转区：统计应力数据发生90°翻转的二轴90°应变花所覆盖的岩样面积作为应力反转区面积。

19、进一步的，上位机通过图像识别算法计算岩样面积：采集密布有二轴90°应变花的岩样顶面图片；在所述岩样顶面图片上标记应力数据发生90°翻转的二轴90°应变花作为反转点；提取反转点所覆盖区域的外轮廓曲线，计算所述外轮廓曲线内的面积作为应力反转区域面积。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

21、本发明基于提出的湖相页岩气的新三区改造概念，建立了湖相页岩新的三区概念的物模装置及相应的实验评价方法，通过在3d打印的岩样预制不同尺度主裂缝、支裂缝及微缝，模拟现场条件开展压裂试验，能够判断不同尺度裂缝诱导应力反转区、非应力反转诱导应力区及维持原始状态区的边界情况，并通过应力反转区域优化主裂缝、支裂缝的几何尺寸、支撑剂参数(决定了导流能力)及闷井时间，解决目前湖相页岩油气压裂工艺缺乏理论指导等各种问题，可有效提高湖相页岩油气体积压裂改造效果。