岩石裂缝模型及岩石裂缝内支撑剂运移铺置装置和方法

摘要

本发明实施例提供一种岩石裂缝模型及岩石裂缝内支撑剂运移铺置装置和方法，属于地质勘探开发技术领域。该岩石裂缝模型包括：模型主体；该岩石裂缝内支撑剂运移铺置装置包括：所述岩石裂缝模型，驱动混合系统，以及数据采集分析系统；所述驱动混合系统用于将压裂液和/或含支撑剂的液体注入到所述岩石裂缝模型；所述数据采集分析系统用于采集和分析与所述压裂液和/或含支撑剂的液体在所述岩石裂缝模型中的状态有关的数据，利用该测试装置可以真实模拟裂缝的真实形态，从而准确探究岩石裂缝内支撑剂的运移及堆积规律。

说明书

技术领域

本说明书实施例涉及地质勘探开发技术领域，特别涉及一种岩石裂缝模型及岩石裂缝内支撑剂运移铺置装置和方法。

背景技术

随着油气资源开发的日益深入，其埋藏地质条件也日趋复杂，增产改造措施在油气资源开发中的应用日益广泛；借鉴美国在页岩气开发上的成功，以及国内在页岩气藏和致密砂岩气藏等储量上的潜力，这些非常规储层开发成为目前油气勘探开发领域的研究热点问题。中国致密油技术可采资源量43.6×10

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种岩石裂缝模型及岩石裂缝内支撑剂运移铺置装置和方法，通过采用该实验装置和方法，可以真实模拟非常规储层压裂后支撑剂在裂缝内的运移问题，为复杂粗糙裂缝网支撑剂输送研究提供技术基础。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种岩石裂缝模型，所述岩石裂缝模型包括模型主体，所述模型主体包括第一部分和第二部分，所述第一部分至少一个表面是粗糙的，所述第二部分至少一个表面是粗糙的，所述第一部分粗糙的表面与所述第二部分粗糙的表面能够贴合并且在两个表面之间形成裂缝，所述第一部分和第二部分中的至少一者是透明的。

可选的，所述第一部分由不透明硅树脂橡胶制成，所述第二部分由透明塑料制成。

可选的，所述模型主体通过以下步骤制得：将岩石分裂成两半；在其中一半的裂面上用不透明硅树脂橡胶，通过铸造成型法，形成所述第一部分；在另一半的裂面上用透明塑料，通过铸造成型法，形成所述第二部分。

可选的，所述岩石为石灰岩、大理石、花岗岩或致密砂岩。

可选的，所述岩石裂缝模型还包括模型架，所述模型架用于支撑所述模型主体。

相应的，本发明实施例还提供了一种岩石裂缝内支撑剂运移铺置装置，所述岩石裂缝内支撑剂运移铺置装置包括：岩石裂缝模型，驱动混合系统，以及数据采集分析系统；所述驱动混合系统用于将压裂液和/或含支撑剂的液体注入到所述岩石裂缝模型；所述数据采集分析系统用于采集和分析与所述压裂液和/或含支撑剂的液体在所述岩石裂缝模型中的状态有关的数据。

可选的，所述驱动混合系统包括：混合器、搅拌机、螺杆泵、变频驱动器；所述混合器和搅拌机用于制备混合均匀的所述压裂液和/或含支撑剂的液体；所述螺杆泵用于将所述压裂液和/或含支撑剂的液体泵入所述岩石裂缝模型的裂缝；所述变频驱动器用于控制所述螺杆泵的流量从而控制注入速率。

可选的，所述数据采集分析系统包括数据采集模块，所述数据采集模块包括：扫描仪、紫外线光源、录像设备、压力传感器；所述扫描仪用于对岩石壁面进行扫描；所述紫外线光源用于对所述岩石裂缝模型进行照射；所述录像设备用于对所述压裂液和/或含支撑剂的液体在所述岩石裂缝模型中的流动进行录像；所述压力传感器用于监测所述岩石裂缝模型的裂缝注入口处的压降。

可选的，所述数据采集分析系统还包括数据分析模块，包括数据采集仪、上位机；所述数据采集仪用于将压力传感器数据传输至上位机；所述上位机用于将通过所述扫描仪获取的岩石壁面的三维坐标绘制成3D数字图像，用于计算所述岩石壁面的与粗糙度相关的参数；所述上位机还用于根据所述录像设备采集的图像计算所述岩石裂缝模型的裂缝中所述支撑剂的相对覆盖率。

相应的，本发明实施例还提供一种岩石裂缝内支撑剂测试方法，包括以下步骤：将压裂液和所述含支撑剂的液体注入到岩石裂缝模型；采集和分析与所述压裂液和/或含支撑剂的液体在所述岩石裂缝模型中的状态有关的数据。

可选的，所述压裂液含有荧光剂，用紫外线光源对所述岩石裂缝模型进行照射。

可选的，所述与压裂液和/或含支撑剂的液体在岩石裂缝模型中的状态有关的数据包括：岩石壁面的3D图像，岩石壁面的与粗糙度相关的参数，录像设备采集的图像，所述支撑剂的相对覆盖率，裂缝注入口处的压降。

可选的，所述岩石壁面的3D图像用于计算所述岩石壁面的与粗糙度相关的参数；所述录像设备采集的图像用于研究所述支撑剂在所述岩石裂缝模型中的运移和堆积情况，以及计算所述支撑剂的相对覆盖率。

通过本发明的上述技术方案，可以真实模拟裂缝的真实形态，高度仿真非常规储层地层压裂后，支撑剂及压裂液在复杂粗糙裂缝内的输送过程。

利用本发明提供的技术方案，还可以通过更换不同岩石裂缝模型可研究不同岩石裂缝壁面粗糙度对裂缝中支撑剂运移的影响规律。

利用本发明提供的技术方案，还可以通过改变压裂液的粘度、泵注排量等可研究水力参数对裂缝内支撑剂的铺置规律。

利用本发明提供的技术方案，还可以通过改变支撑剂粒径和裂缝缝宽，可研究粒径缝宽比对沿裂缝不同位置支撑剂填充能力的影响规律。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是岩石裂缝模型的结构框图；

图2是岩石裂缝内支撑剂运移铺置装置的结构框图；

图3是驱动混合系统的结构框图；

图4是数据采集分析系统的结构框图；

图5是岩石裂缝内支撑剂测试方法的流程示意图；

图6是压裂液和支撑剂在不同岩石裂缝模型中的流动情况全过程示意图；

图7是压裂液和支撑剂在不同岩石裂缝模型中的流动情况结果示意图；

图8是压裂液和不同浓度的支撑剂在岩石裂缝模型中的流动情况结果示意图；

图9是不同粘度压裂液在岩石裂缝模型中的流动情况结果示意图；

图10是石灰岩断裂面3D图像；

图11是大理石断裂面3D图像；

图12为花岗岩断裂面3D图像；

图13为致密砂岩断裂面3D图像。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

本发明实施例提供一种岩石裂缝模型，所述岩石裂缝模型包括模型主体，所述模型主体包括第一部分和第二部分，所述第一部分至少一个表面是粗糙的，所述第二部分至少一个表面是粗糙的，所述第一部分粗糙的表面与所述第二部分粗糙的表面能够贴合并且在两个表面之间形成裂缝，所述第一部分和第二部分中的至少一者是透明的。

可选的，所述第一部分由不透明硅树脂橡胶制成，所述第二部分由透明塑料制成。

可选的，所述模型主体通过以下步骤制得：将岩石分裂成两半；在其中一半的裂面上用不透明硅树脂橡胶，通过铸造成型法，形成所述第一部分；在另一半的裂面上用透明塑料，通过铸造成型法，形成所述第二部分。

例如，可以采用巴西劈裂试验将岩石劈成两半，使岩石块体沿一个粗糙的断裂面均匀分成两半，本实施例中为20×20×20cm的断裂块，其中断裂块的大小也可以根据实验需要调整，通过调整断裂块的大小可以改变裂缝的长度，从而探究不同裂缝长度下支撑剂运移的影响规律；将一半的断裂块复制到不透明硅树脂制橡胶上，再将裂缝的另一半复制到透明塑料上，通过铸造和成型工艺获得相邻表面完全匹配的模型裂缝，缝宽可根据需求进行调整，本实施例制得的模型尺寸为20×20×5cm。

可选的，所述岩石为石灰岩、大理石、花岗岩或致密砂岩。

其中，通过更换不同岩石裂缝模型可研究不同岩石裂缝壁面粗糙度对岩石裂缝中支撑剂运移的影响规律。

可选的，所述岩石裂缝模型还包括模型架，所述模型架用于支撑所述模型主体。

如图1所示，其中所述岩石裂缝模型还包括入口槽130，出口槽140，所述岩石裂缝模型的模型主体110被安装到模型架120上，入口槽和出口槽的位置可以根据需要调整，如本实施例中入口槽设置在模型的右下角，出口槽设置在模型的左边缘。

相应的，本发明实施例还提供了一种岩石裂缝内支撑剂运移铺置装置，所述岩石裂缝内支撑剂运移铺置装置包括：岩石裂缝模型，驱动混合系统，以及数据采集分析系统；所述驱动混合系统用于将压裂液和/或含支撑剂的液体注入到所述岩石裂缝模型；所述数据采集分析系统用于采集和分析与所述压裂液和/或含支撑剂的液体在所述岩石裂缝模型中的状态有关的数据。

如图2所示，所述驱动混合系统230用于将压裂液和/或含支撑剂的液体注入到所述岩石裂缝模型220；所述数据采集分析系统210用于采集和分析与所述压裂液和/或含支撑剂的液体在所述岩石裂缝模型中的状态有关的数据；本实施例中所述含支撑剂的液体选用的支撑剂类型为硅砂，可以根据实验需要选用不同类型的支撑剂，通过改变支撑剂粒径和裂缝缝宽，可以研究粒径缝宽比对沿裂缝不同位置支撑剂填充能力的影响规律。

可选的，所述驱动混合系统包括：混合器、搅拌机、螺杆泵、变频驱动器；所述混合器和搅拌机用于制备混合均匀的所述压裂液和/或含支撑剂的液体；所述螺杆泵用于将所述压裂液和/或含支撑剂的液体泵入所述岩石裂缝模型的裂缝；所述变频驱动器用于控制所述螺杆泵的流量从而控制注入速率。

其中，本实施例中的混合器310安装在所述螺杆泵的顶部，与搅拌机320用于制备混合均匀的所述压裂液和/或含支撑剂的液体；本实施例中所选的螺杆泵330的最大流量为26ml/s,所述螺杆泵也可以用其它的输送装置代替，所述螺杆泵的流量可通过操作变频驱动器340来进行控制，通过改变所述压裂液的粘度、所述螺杆泵注排量等可研究水力参数对裂缝内支撑剂的铺置规律。

可选的，所述数据采集分析系统包括数据采集模块，所述数据采集模块包括：扫描仪、紫外线光源、录像设备、压力传感器；所述扫描仪用于对岩石壁面进行扫描；所述紫外线光源用于对所述岩石裂缝模型进行照射；所述录像设备用于对所述压裂液和/或含支撑剂的液体在所述岩石裂缝模型中的流动进行录像；所述压力传感器用于监测所述岩石裂缝模型的裂缝注入口处的压降。

可选的，所述数据采集分析系统还包括数据分析模块，包括数据采集仪、上位机；所述数据采集仪用于将压力传感器数据传输至上位机；所述上位机用于将通过所述扫描仪获取的岩石壁面的三维坐标绘制成3D图像，用于计算所述岩石壁面的与粗糙度相关的参数；所述上位机还用于根据所述录像设备采集的图像计算所述岩石裂缝模型的裂缝中所述支撑剂的相对覆盖率。

如图4所示，所述录像设备430可以选用数码摄像机等，对所述压裂液和/或含支撑剂的液体在所述岩石裂缝模型中的流动进行录像；所述压力传感器440可以安装在裂缝模型入口处，用于监测所述岩石裂缝模型的裂缝注入口处的压降，本实施例选用的压力传感器的测量范围为0～30psi，最大测量精度为0.05％，可以根据实验需要选择不同的压力传感器，所述数据采集仪460用于将压力传感器数据传输至上位机。

所述上位机450控制所述扫描仪410对岩石壁面进行扫描，将获得的三维坐标绘制成3D图像，通过所述3D图像得到岩石壁面的与粗糙度相关的参数，如变差函数，功率谱密度基于高度分散的壁面数据组成的谱图，三棱镜表面积、粗糙曲面总面积与截面积之比等，从而研究不同岩石裂缝壁面粗糙度对岩石裂缝中支撑剂运移的影响规律。

相应的，本发明实施例还提供一种岩石裂缝内支撑剂测试方法，包括以下步骤：将压裂液和所述含支撑剂的液体注入到所述的岩石裂缝模型；采集和分析与所述压裂液和/或含支撑剂的液体在所述岩石裂缝模型中的状态有关的数据。

可选的，所述压裂液含有荧光剂，用紫外线光源对所述岩石裂缝模型进行照射。

具体的，如图5所示，所述岩石裂缝内支撑剂测试方法包括步骤S510至S570。

步骤S510，对模型主体的裂缝表面使用扫描仪进行扫描，用上位机将扫描获得的三维坐标绘制成3D图像；步骤S520将压力传感器安装在所述岩石裂缝模型的入口，与数据采集仪相连并最终连接到上位机；步骤S530使用荧光剂对所述压裂液进行染色；步骤S540打开所述紫外线光源对所述岩石裂缝模型进行照射，实验是在一个黑暗的房间进行的，染过荧光剂的压裂液在紫外线的照射下清晰可见；步骤S550通过螺杆泵将含支撑剂与压裂液的液体泵入裂缝，需要先在混合器中放入适宜尺寸的支撑剂和适宜浓度的压裂液并通过搅拌机将其连续混合至均匀；步骤S560使用录像设备记录压裂液和支撑剂在所述岩石裂缝模型中的流动情况；步骤S570通过上位机对采集到的数据进行处理。

如图6所示为录像设备记录的压裂液和支撑剂在不同岩石裂缝模型中的流动情况全过程。

如图7所示，通过更换不同的岩石裂缝模型可研究不同岩石裂缝壁面粗糙度对裂缝中支撑剂运移的影响规律。

如图8所示，通过更换不同的支撑剂浓度可研究岩石裂缝中支撑剂运移的影响规律。

如图9所示，通过更换不同粘度压裂液可研究岩石裂缝中支撑剂运移的影响规律。

可选的，所述与压裂液和/或含支撑剂的液体在岩石裂缝模型中的状态有关的数据包括：岩石壁面的3D图像，岩石壁面的与粗糙度相关的参数，录像设备采集的图像，所述支撑剂的相对覆盖率，裂缝注入口处的压降。

可选的，所述岩石壁面的3D图像用于计算所述岩石壁面的与粗糙度相关的参数；所述录像设备采集的图像用于研究所述支撑剂在所述岩石裂缝模型中的流动和堆积情况，以及计算所述支撑剂的相对覆盖率。

其中，所述上位机中安装的ImageJ软件导入不同时刻所获得的数字图像来计算所述支撑剂的相对覆盖率。

另外，扫描获得断裂粗糙面3D图像如图10至图13所示，图10为石灰岩断裂面3D图像，图11为大理石断裂面3D图像，图12为花岗岩断裂模型表面3D图像，图13为致密砂岩断裂模型表面3D图像，通过所述的岩石壁面的3D图像，可计算岩石壁面的与粗糙度相关的参数，如变差函数，功率谱密度(Dpsd)基于高度分散的壁面数据组成的谱图，三棱镜表面积(Dtp)、粗糙曲面总面积与截面积之比，实验发现，

(1)变差函数(Dva)减小，支撑剂相对覆盖率上升。具有自仿射性质的变差函数对壁面粗糙度的增加体现在粗糙凸起的波动频率与波动尺度，该值越小壁面凸起频率降低，但波动尺度增大；较大的凸起导致缝内孔隙减小，颗粒与壁面相互作用加强，卡槽沉降颗粒增多，实验中导致更多支撑剂沉降。在实际粗糙裂缝中，较大壁面Dva值有助于支撑剂向裂缝深处运移，而较小的Dva值可以预测一定的施工参数条件下有助于促进支撑剂在粗糙裂缝内铺置。

(2)功率谱密度(Dpsd)基于高度分散的壁面数据组成的谱图，调整后根据拟合直线斜率计算得到，值越大粗糙凸起分布随机性越强。粗糙裂缝内支撑剂相对覆盖率随Dpsd增加而缓慢增大，后期有一定下降趋势。

(3)实验发现三棱镜表面积(Dtp)、粗糙曲面总面积与截面积之比(At/Ap)会对裂缝内支撑剂覆盖率产生影响，但相关性较变差函数低。

(4)粗糙度表征参数(Dva、Dpsd、Dtp和At/Ap)可以对携砂液流动过程中支撑剂相对覆盖率趋势进行有效预测。实验结果表明变差函数(Dva)比其他参数更具代表性，粗糙壁面该特征对流动过程影响更大。Dva越小，壁面凸起波动频率降低，波动尺度变大，颗粒与壁面相互作用加强，卡槽沉降颗粒数增多，覆盖率增大。

有关本发明提供的上述用于岩石裂缝内支撑剂测试方法的具体细节及益处，可参阅上述针对本发明提供的岩石裂缝模型和岩石裂缝内支撑剂运移铺置装置的描述，于此不再赘述。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。