頁巖儲層成縫能力測試方法及裝置與流程
2023-04-28 07:45:02
本發明涉及頁巖測試領域，尤其涉及一種頁巖儲層成縫能力測試方法及裝置。
背景技術：
頁巖氣開採已列入我國油氣資源開發戰略。由於頁巖儲層基質滲透率極低，需要通過壓裂改造才能形成產能。與常規儲層壓裂不同，頁巖儲層的壓裂要求形成彌散式體積裂縫網絡(體積壓裂)。這取決於頁巖儲層形成縫網的能力和壓裂施工參數。然而並非所有的儲層都能通過大規模的壓裂施工實現大範圍的體積壓裂改造，因此，頁巖儲層成縫能力評價對於優選壓裂井段、預測經濟效益具有重要意義。
研究表明，儲層是否具備實施體積改造的條件，取決於巖石的塑脆性、天然裂縫發育狀況以及各向異性。到目前為止，國內外頁巖儲層成縫能力測試方案中，通常將頁巖儲層成縫能力等價於「脆性係數」評價。但實際上脆性並不等同於成縫能力，因此，通過現有的頁巖儲層成縫能力測試方案不能準確地對頁巖的可壓性進行評價。
技術實現要素：
本發明提供一種頁巖儲層成縫能力測試方法及裝置，用於解決現有的頁巖儲層成縫能力測試方案不能準確地對成縫能力進行評價的技術問題。
本發明的第一個方面是提供一種頁巖儲層成縫能力測試方法，包括：
獲取樣品的各評價係數，所述各評價參數包括所述樣品的脆性係數、速度應力敏感性指數、以及聲發射活動性指數；
通過對所述各評價係數進行歸一化，獲得所述樣品的成縫能力評價係數。
本發明的另一個方面是提供一種頁巖儲層成縫能力測試裝置，包括：
獲取模塊，用於獲取樣品的各評價係數，所述各評價參數包括所述樣品的脆性係數、速度應力敏感性指數、以及聲發射活動性指數；
處理模塊，用於通過對所述各評價係數進行歸一化，獲得所述樣品的成縫能力評價係數。
本發明提供的頁巖儲層成縫能力測試方法及裝置，將樣品的脆性係數、速度應力敏感性指數以及聲發射活動性指數作為評價頁巖儲層樣品成縫能力的評價係數，從而在對頁巖儲層成縫能力進行測試的過程中，綜合考慮了頁巖的塑脆性、天然裂縫發育程度以及形成裂縫的破裂活動性，通過基於上述各評價係數共同評價成縫能力的方案，使得測試更為全面準確，且操作簡單，適用於油田緻密儲層成縫能力的評價。
附圖說明
圖1為本發明實施例一提供的頁巖儲層成縫能力測試方法的流程示意圖；
圖2為本發明實施例二提供的頁巖儲層成縫能力測試方法的流程示意圖；
圖3為本發明實施例三提供的頁巖儲層成縫能力測試裝置的結構示意圖。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。
圖1為本發明實施例一提供的頁巖儲層成縫能力測試方法的流程示意圖如圖1所示，所述方法包括：
101、獲取樣品的各評價係數，所述各評價參數包括所述樣品的脆性係數、速度應力敏感性指數、以及聲發射活動性指數。
本實施例中，天然裂縫發育程度以及各向異性等也是成縫能力評價的關鍵因素。實際應用中，可以在實驗室內建立實驗裝置，針對標準樣品(一英寸或兩英寸小巖心柱)，開展室內超聲測試研究。利用超聲波和聲發射共同評價頁巖儲層的塑脆性、裂隙發育的方法，進行頁巖儲層的成縫能力綜合評價。
其中，所述樣品可以為取自井下或露頭的緻密儲層巖心，比如頁巖、緻密砂巖等巖心，將巖心切割並打磨成25毫米(mm)×50mm巖心柱、38mm×76mm巖心柱、或50*100mm的巖心柱(一英寸或兩英寸小巖心柱)，樣品的側壁和兩個端面保持光滑，其中樣品兩個端面平行度在±0.01mm以內，以保證在加壓情況下受力均勻。相應的，在101之前，所述方法還可以包括：將緻密儲層巖心製備成所述樣品，所述樣品為圓柱體，所述樣品的兩個端面平行度在±0.01mm範圍內。
可選的，頁巖儲層的塑脆性可以通過巖心脆性礦物成分比例、彈性模量和泊松比、抗壓強度與抗拉強度之比等來評價。實際應用中，可以通過脆性係數反映頁巖樣品的塑脆性，進一步的，脆性參數可以由縱橫波波速反映。
具體的，獲取脆性係數的過程可以為，首先對樣品進行常溫常壓下縱波和橫波波速測量，波速測量可以採用超聲脈衝技術，即測量樣品內部已知路徑上的超聲波傳過的時間。舉例來說，圖2為本發明實施例一中利用超聲脈衝技術監測到的波形示意圖，如圖2所示，前面的初至為縱波p波到達時間，後面的初至為橫波s波到達時間，讀取p波和s波的到達時間，根據已知距離，即可計算出標準樣品的縱波和橫波波速，進一步利用獲得的縱橫波波速計算楊氏模量和泊松比，評價了樣品的脆性指數。相應的，101中，所述獲取所述樣品的脆性係數，具體可以包括：
利用超聲脈衝技術，採集沿所述樣品的直徑方向的縱波波速和橫波波速；
根據所述縱波波速、所述橫波波速和第三公式，計算獲得楊氏模量和泊松比，所述第三公式為：其中，vp為所述縱波波速，vs為所述橫波波速，e為所述楊氏模量，ν為所述泊松比；
根據第四公式，對所述楊氏模量進行歸一化，獲得歸一化後的楊氏模量，所述第四公式為：ebrit＝(e-10)/(80-10)×100，其中，ebrit為歸一化後的楊氏模量；
根據第五公式，對所述泊松比進行歸一化，獲得歸一化後的泊松比，所述第五公式為：νbrit＝(0.4-ν)/(0.4-0.15)×100，其中，νbrit為歸一化後的泊松比；
根據所述歸一化後的楊氏模量和泊松比、以及第六公式，計算獲得所述脆性係數，所述第六公式為：bi＝0.5ebrit+0.5υbrit，其中，bi為所述脆性係數。
其中，歸一化後的楊氏模量ebrit的單位具體可以為gpa。本實施方式中，由脆性係數來反映頁巖樣品的塑脆性，具體的，脆性係數越大，則頁巖的脆性越強。舉例來說，當脆性係數bi>40時，巖石是脆性的；bi>60時，巖石脆性則很強。
基於上述實施方式，實際應用中，可以利用超聲波探頭監測波速。具體的，將一對探頭固定在標準樣品的側面，測量標準樣品沿直徑方向的波速。利用脈衝信號發生器發生信號，通過發射探頭，超聲波在樣品中傳播，由另一側相應的接收探頭接收，讀取波形的到達時間，獲得縱波和橫波波速。則相應的，所述利用超聲脈衝技術，採集沿所述樣品的直徑方向的縱波波速和橫波波速，具體可以包括：
在所述樣品的側壁上對稱設置發射探頭和接收探頭，利用超聲脈衝技術，獲得所述樣品中的縱波和橫波波形；
根據所述縱波和橫波波形，獲得沿所述樣品的直徑方向，所述縱波和所述橫波穿過所述樣品所用的時長；
通過計算所述樣品的直徑分別除以所述縱波和所述橫波穿過樣品所用的時長，獲得所述縱波波速和所述橫波波速。
再具體的，獲得脆性係數之後可以通過對標準樣品進行單軸加載，並在加載過程中記錄每單位應力，例如，每兆帕(mpa)，變化獲得波速。利用波速隨應力變化得到其應力敏感性。相應的，101中所述獲取所述樣品的速度應力敏感性指數，具體可以包括：
按預設的步長，增加單軸加載在所述樣品上的壓力，直至所述樣品破裂；
在所述樣品破裂前，通過採集各第一時刻下沿所述樣品直徑方向的波速，獲得所述波速隨應力變化的關係，所述第一時刻為與上次採集波速時施加在所述樣品上的壓力相比，當前施加在所述樣品上的壓力增加了預設的閾值時對應的時刻；
根據所述波速隨應力變化的關係，獲得所述樣品的速度應力敏感性指數。
又具體的，所述聲發射活動性指數具體可以包括聲發射率，其中，所述聲發射率為單位時間內發生的聲發射數。實際應用中，在前述的單軸加載過程中，可以採用超聲探頭記錄裂縫擴展中所產生的聲發射率，以獲得儲層巖心破裂的活動性指數。相應的，所述獲取所述樣品的聲發射活動性指數，具體可以包括：
按預設的步長，增加單軸加載在所述樣品上的壓力，並記錄在此期間發生的所有聲發射數，直至所述樣品破裂；
根據所述聲發射數，計算獲得所述聲發射率。
可選的，可以利用超聲波探頭監測聲發射。相應的，所述按預設的步長，增加單軸加載在所述樣品上的壓力，並記錄在此期間發生的所有聲發射數，直至所述樣品破裂，具體可以包括：
按預設的步長，增加單軸加載在所述樣品上的壓力，並利用設置在所述樣品側壁上的超聲探頭，記錄所有聲發射數，直至所述樣品破裂。
102、通過對所述各評價係數進行歸一化，獲得所述樣品的成縫能力評價係數。
具體的，利用脆性係數、速度應力敏感性係數、破裂的活動性指數，建立一個綜合評價緻密儲層樣品的成縫能力的方法，該方法考慮了巖石的塑脆性、天然裂縫發育程度以及最後形成裂縫的破裂活動性。總的來說，本實施例中，儲層成縫能力綜合評價指數(fracbilityindex)由三部分組成，即脆性係數、應力敏感性係數或裂隙密度、聲發射活動性。相應的，102具體可以包括：
根據第一公式，分別對所述各評價係數進行歸一化，獲得歸一化後的各評價係數，所述第一公式為：其中，xid為歸一化後的評價係數；
根據歸一化後的各評價係數和第二公式，計算獲得所述成縫能力評價係數，所述第二公式為：其中，fi為成縫能力綜合評價係數，n為所述各評價係數的個數。
其中，成縫能力綜合評價係數fi具體可以為百分比數值，本實施例中所述各評價係數的個數n的取值具體為3，xid分別為歸一化以後的單個評價係數，即表示脆性係數、應力敏感性係數、ae活動性等。
具體的，首先對標準樣品進行常溫常壓下縱波和橫波波速測量，利用獲得的速度計算楊氏模量和泊松比，評價樣品的脆性指數。並對巖心樣品進行單軸加壓至最後破裂，此過程中採用超聲探頭記錄了裂縫擴展所產生的聲發射，以及每mpa應力變化獲得波速。利用波速隨應力變化得到其應力敏感性，採用聲發射獲得儲層巖心破裂的活動性指數。利用脆性係數、應力敏感性係數、破裂的活動性指數，綜合評價緻密儲層樣品的成縫能力。
本實施例提供的頁巖儲層成縫能力測試方法，將樣品的脆性係數、速度應力敏感性指數以及聲發射活動性指數作為評價頁巖儲層樣品成縫能力的評價係數，從而在對頁巖儲層成縫能力進行測試的過程中，綜合考慮了頁巖的塑脆性、天然裂縫發育程度以及形成裂縫的破裂活動性，通過基於上述各評價係數共同評價成縫能力的方案，使得測試更為全面準確，且操作簡單，適用於油田緻密儲層成縫能力的評價。
圖2為本發明實施例二提供的頁巖儲層成縫能力測試方法的流程示意圖，如圖2所示，所述方法包括：
201、將緻密儲層巖心製備成樣品；
202、在所述樣品的側壁上布置至少三個超聲探頭，一個探頭用來記錄聲發射，一對探頭用來監測沿標準樣品直徑方向的縱波波速和橫波波速；
203、利用監測的縱橫波速度獲得樣品的楊氏模量和泊松比，並評估其脆性指數；
204、對樣品單軸加載至破裂，每增加單位mpa記錄縱波和橫波波速，並相應記錄破裂前發生的所有聲發射數；
205、對獲得的脆性指數、速度應力敏感性、以及破裂聲發射數進行歸一化，綜合評價緻密儲層的成縫能力。
具體的，本實施例中的具體過程及方法可以參照實施例一中的相關內容。
本實施例提供的頁巖儲層成縫能力測試方法，將樣品的脆性係數、速度應力敏感性指數以及聲發射活動性指數作為評價頁巖儲層樣品成縫能力的評價係數，從而在對頁巖儲層成縫能力進行測試的過程中，綜合考慮了頁巖的塑脆性、天然裂縫發育程度以及形成裂縫的破裂活動性，通過基於上述各評價係數共同評價成縫能力的方案，使得測試更為全面準確，且操作簡單，適用於油田緻密儲層成縫能力的評價。
圖3為本發明實施例三提供的頁巖儲層成縫能力測試裝置的結構示意圖，如圖3所示，所述裝置包括：
獲取模塊31，用於獲取樣品的各評價係數，所述各評價參數包括所述樣品的脆性係數、速度應力敏感性指數、以及聲發射活動性指數；
處理模塊32，用於通過對所述各評價係數進行歸一化，獲得所述樣品的成縫能力評價係數。
實際應用中，可以在實驗室內建立實驗裝置，針對標準樣品(一英寸或兩英寸小巖心柱)，開展室內超聲測試研究。利用超聲波和聲發射共同評價頁巖儲層的塑脆性、裂隙發育的方法，進行頁巖儲層的成縫能力綜合評價。
其中，所述樣品可以為取自井下或露頭的緻密儲層巖心，比如頁巖、緻密砂巖等巖心，將巖心切割並打磨成25mm×50mm巖心柱、38mm×76mm巖心柱、或50*100mm的巖心柱(一英寸或兩英寸小巖心柱)，樣品的側壁和兩個端面保持光滑，其中樣品兩個端面平行度在±0.01mm以內，以保證在加壓情況下受力均勻。相應的，所述樣品的兩個端面平行度在±0.01mm範圍內。
可選的，頁巖儲層的塑脆性可以通過巖心脆性礦物成分比例、彈性模量和泊松比、抗壓強度與抗拉強度之比等來評價。實際應用中，可以通過脆性係數反映頁巖樣品的塑脆性，進一步的，脆性參數可以由縱橫波波速反映。
具體的，獲取脆性係數的過程可以為，首先對樣品進行常溫常壓下縱波和橫波波速測量，波速測量可以採用超聲脈衝技術，即測量樣品內部已知路徑上的超聲波傳過的時間。相應的，獲取模塊31可以包括：
第一採集單元，用於利用超聲脈衝技術，採集沿所述樣品的直徑方向的縱波波速和橫波波速；
第一計算單元，用於根據所述縱波波速、所述橫波波速和第三公式，計算獲得楊氏模量和泊松比，所述第三公式為：其中，vp為所述縱波波速，vs為所述橫波波速，e為所述楊氏模量，ν為所述泊松比；
所述第一計算單元，還用於根據第四公式，對所述楊氏模量進行歸一化，獲得歸一化後的楊氏模量，所述第四公式為：ebrit＝(e-10)/(80-10)×100，其中，ebrit為歸一化後的楊氏模量；
所述第一計算單元，還用於根據第五公式，對所述泊松比進行歸一化，獲得歸一化後的泊松比，所述第五公式為：νbrit＝(0.4-ν)/(0.4-0.15)×100，其中，νbrit為歸一化後的泊松比；
所述第一計算單元，還用於根據所述歸一化後的楊氏模量和泊松比、以及第六公式，計算獲得所述脆性係數，所述第六公式為：bi＝0.5ebrit+0.5υbrit，其中，bi為所述脆性係數。
其中，歸一化後的楊氏模量ebrit的單位具體可以為gpa。本實施方式中，由脆性係數來反映頁巖樣品的塑脆性，具體的，脆性係數越大，則頁巖的脆性越強。
基於上述實施方式，實際應用中，可以利用超聲波探頭監測波速。具體的，將一對探頭固定在標準樣品的側面，測量標準樣品沿直徑方向的波速。利用脈衝信號發生器發生信號，通過發射探頭，超聲波在樣品中傳播，由另一側相應的接收探頭接收，讀取波形的到達時間，獲得縱波和橫波波速。則相應的，所述第一採集單元包括：
第一採集子單元，用於通過對稱設置在所述樣品的側壁上的發射探頭和接收探頭，利用超聲脈衝技術，獲得所述樣品中的縱波和橫波波形；
第一處理子單元，用於根據所述縱波和橫波波形，獲得沿所述樣品的直徑方向，所述縱波和所述橫波穿過所述樣品所用的時長；
第一計算子單元，用於通過計算所述樣品的直徑分別除以所述縱波和所述橫波穿過樣品所用的時長，獲得所述縱波波速和所述橫波波速。
再具體的，獲得脆性係數之後可以通過對標準樣品進行單軸加載，並在加載過程中記錄每單位應力，例如，每mpa，變化獲得波速。利用波速隨應力變化得到其應力敏感性。相應的，獲取模塊31還可以包括：
第一加壓單元，用於按預設的步長，增加單軸加載在所述樣品上的壓力，直至所述樣品破裂；
第二採集單元，用於在所述樣品破裂前，通過採集各第一時刻下沿所述樣品直徑方向的波速，獲得所述波速隨應力變化的關係，所述第一時刻為與上次採集波速時施加在所述樣品上的壓力相比，當前施加在所述樣品上的壓力增加了預設的閾值時對應的時刻；
第一處理單元，用於根據所述波速隨應力變化的關係，獲得所述樣品的速度應力敏感性指數。
又具體的，所述聲發射活動性指數具體可以包括聲發射率，其中，所述聲發射率為單位時間內發生的聲發射數。實際應用中，在前述的單軸加載過程中，可以採用超聲探頭記錄裂縫擴展中所產生的聲發射率，以獲得儲層巖心破裂的活動性指數。相應的，獲取模塊31還可以包括：
第二處理單元，用於按預設的步長，增加單軸加載在所述樣品上的壓力，並記錄在此期間發生的所有聲發射數，直至所述樣品破裂；
第二計算單元，用於根據所述聲發射數，計算獲得所述聲發射率。
可選的，可以利用超聲波探頭監測聲發射。相應的，所述第二處理單元，具體用於按預設的步長，增加單軸加載在所述樣品上的壓力，並利用設置在所述樣品側壁上的超聲探頭，記錄所有聲發射數，直至所述樣品破裂。
具體的，利用脆性係數、速度應力敏感性係數、破裂的活動性指數，建立一個綜合評價緻密儲層樣品的成縫能力的方法，該方法考慮了巖石的塑脆性、天然裂縫發育程度以及最後形成裂縫的破裂活動性。總的來說，本實施例中，儲層成縫能力綜合評價指數(fracbilityindex)由三部分組成，即脆性係數、應力敏感性係數或裂隙密度、聲發射活動性。相應的，處理模塊32包括：
歸一化單元，用於根據第一公式，分別對所述各評價係數進行歸一化，獲得歸一化後的各評價係數，所述第一公式為：其中，xid為歸一化後的評價係數；
第三計算單元，用於根據歸一化後的各評價係數和第二公式，計算獲得所述成縫能力評價係數，所述第二公式為：其中，fi為成縫能力綜合評價係數，n為所述各評價係數的個數。
其中，成縫能力綜合評價係數fi具體可以為百分比數值，xid分別為歸一化以後的單個評價係數，即表示脆性係數、應力敏感性係數、ae活動性等。
具體的，首先對標準樣品進行常溫常壓下縱波和橫波波速測量，利用獲得的速度計算楊氏模量和泊松比，評價樣品的脆性指數。並對巖心樣品進行單軸加壓至最後破裂，此過程中採用超聲探頭記錄了裂縫擴展所產生的聲發射，以及每mpa應力變化獲得波速。利用波速隨應力變化得到其應力敏感性，採用聲發射獲得儲層巖心破裂的活動性指數。利用脆性係數、應力敏感性係數、破裂的活動性指數，綜合評價緻密儲層樣品的成縫能力。
本實施例提供的頁巖儲層成縫能力測試裝置，將樣品的脆性係數、速度應力敏感性指數以及聲發射活動性指數作為評價頁巖儲層樣品成縫能力的評價係數，從而在對頁巖儲層成縫能力進行測試的過程中，綜合考慮了頁巖的塑脆性、天然裂縫發育程度以及形成裂縫的破裂活動性，通過基於上述各評價係數共同評價成縫能力的方案，使得測試更為全面準確，且操作簡單，適用於油田緻密儲層成縫能力的評價。
所屬領域的技術人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡潔，上述描述的裝置的具體工作過程，可以參考前述方法實施例中的對應過程，在此不再贅述。
需要說明的是，本發明各實施例中的各功能單元可以集成在一個處理單元中，也可以是各個單元單獨物理存在，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個單元中。上述集成的單元既可以採用硬體的形式實現，也可以採用硬體加軟體功能單元的形式實現。
本領域普通技術人員可以理解：實現上述各方法實施例的全部或部分步驟可以通過程序指令相關的硬體來完成。前述的程序可以存儲於一計算機可讀取存儲介質中。該程序在執行時，執行包括上述各方法實施例的步驟；而前述的存儲介質包括：rom、ram、磁碟或者光碟等各種可以存儲程序代碼的介質。
最後應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的範圍。