GEOFLUIDS Geofluids 1468 - 8123 1468 - 8115 Hindawi 10.1155 / 2021/1157626 1157626 研究文章 自吸特性试验研究不同层的压裂液在岩心在涪陵页岩气藏 https://orcid.org/0000 - 0002 - 6284 - 8870 方 Sidong 1 2 https://orcid.org/0000 - 0001 - 6065 - 7256 太阳 京 1 3 https://orcid.org/0000 - 0002 - 3003 - 9294 刘 道德化 1 3 https://orcid.org/0000 - 0003 - 2831 - 8726 姚 志远 1 3 https://orcid.org/0000 - 0002 - 9566 - 5958 聂 本 1 3 吴 Yonghui 1 国家重点实验室的页岩油气富集机制和有效的发展 北京 中国 100089年 2 中石化石油勘探开发研究院 北京 中国 100089年 3 石油工程学院 长江大学 武汉 中国 430100年 yangtzeu.edu.cn 2021年 15 9 2021年 2021年 21 5 2021年 9 8 2021年 15 9 2021年 2021年 版权©2021方Sidong et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

低孔隙度、低渗透率、页岩储层不能没有大型水力压裂开采经济运行。然而,丰富的压裂液进入水库的过程中断裂。然而,并没有具体的研究成果在涪陵的自吸规律在中国页岩气储层。在这项研究中,一个自吸实验进行页岩Jiaoshiba块涪陵页岩气藏的核心学习自吸涪陵页岩气藏的特征。基于实验结果,涪陵页岩气藏压裂液的自吸过程分为两个阶段。在第一阶段,即。,the former 30 hours, imbibition velocity is high, with the cumulative imbibition occupying more than 70% of the total imbibition; during the second stage, i.e., the latter 30 hours, the imbibition velocity substantially drops towards balance. There is a typical power function relationship between the average imbibition velocity and imbibition time, and this function relationship runs throughout the whole imbibition process. Nonetheless, the imbibition process of shale core cannot be described directly by the Handy equation. The imbibition velocity is closely related to clay mineral content and pore structure characteristics of shale core. The higher the clay mineral content, the higher the imbibition velocity. According to the relationship between the average imbibition velocity and imbibition time, we derived the estimation equation of fracture area formed by fractured shale gas well to estimate the fracture scale formed by shale gas well fracturing.

 中国国家自然科学基金 51804039 1。介绍

随着全球经济的发展,页岩气作为一种新型的清洁能源,逐渐引发了一场革命的浪潮在中国开发。在中国四川盆地页岩气资源丰富,地质资源的储备 40.02 × 10 12 米 3 ,表明勘探和开发潜力巨大( 1]。特殊的地质特征,页岩气藏才能投入生产大型水力压裂水平井通过。骨折可以扩大页岩气的运移通道,提高页岩气的渗流能力( 2]。然而,在进行大型水力压裂水平井,大量的压裂液进入水库。与nano-micropores发达,页岩储层粘土矿物含量高,毛细力强,与矩阵在吸取压裂液水库发挥了强大的作用。matrix-fracture系统的自吸在页岩储层会影响天然气页岩气井的生产。自吸的作用下,在储层含水饱和度往往是相对较高,导致基质渗透率的下降,甚至“水锁”的现象严重影响有效生产的石油和天然气储层( 3]。一分钱等人认为入侵压裂液损害储层,导致水锁在页岩气井 4]。通过进行大量研究,谢尔曼和霍迪克[ 5),Bazin et al。 6),和程 7)发现的过程中引入的储层流体压裂将大大影响储层的物理性质,从而破坏储层。然而,根据一派et al。 8),Xiaozhe和长沙 9),石城et al。 10],和Ghanbari Dehghanpour [ 11],气藏的压裂液保留可能不仅损害气藏,而且诱发骨折在气体传输发挥积极作用。因此,非常规储层的压裂液吸入一直是一个关键的问题在页岩储层的开发。

关于自吸特点,相关的研究已经开展,建立了相应的计算模型自吸速度。沃什伯恩在1921年建立了一个单毛细管自吸模型根据Hagen-Poiseuille定律,这对探索自吸法[奠定了基础 12]。根据相似准则,Mattax和胃 13)提出研究自吸通过室内实验,获得自吸速度的表达公式。1960年,吸水性假设过程是一个活塞式驱替过程,方便建立气体饱和的吸水性模型核心( 14]。在那之后,古普塔和Civan [ 15),李和霍恩( 16],梅森et al。 17对自吸)提出了修改后的模型。

然而,目前没有很多研究成果在中国页岩气储层的自吸法,和涪陵页岩气储层的自吸法在中国尚未清楚。在此基础上,我们进行了自吸实验4核的不同层涪陵页岩气领域在中国。实验结果表明,从不同的层次有不同的储层岩心自吸的特点。基于实验结果,自吸模型建立了涪陵页岩气储层的反射特征。研究表明,它是不恰当的描述页岩气储层的自吸速度在中国使用方便的模型,因此,模型还有待修改。此外,我们推导出估算裂缝断裂表面的方法,初步估计骨折区域产生的页岩气。在这项研究中获得的研究成果可以为优化提供有效的指导页岩裂缝水平井的设计和增加在中国页岩气井的产量。

 2。自吸实验 2.1。材料

实验中使用的岩石样本提取的第一部分Wufeng-Longmaxi Jiaoshiba大酒店形成生产和建筑面积,涪陵,中国。岩石样本纵向分为9层。其中,1 - 5层是降低储层和6 - 9层是上游水库,降低5层主要目标层。4岩石样本编号1 #,2 #,3 #和4 #,分别。1 #和2 #样品收集Wufeng-Longmaxi降低储层的形成,与TOC含量40 - 50%,粘土矿物含量约26%。3 #和4 #样品的上水库Wufeng-Longmaxi形成相对低TOC含量为0.64 -1.78%,粘土矿物含量高为38.4 - -58.8%。表 1显示选中的岩石样本,表 2显示了岩石样本的特征参数。

选定的岩石样本。

样品 1 # 2 # 3 # 4 #
照片

岩石样本的特征参数。

样品 长度(厘米) 直径(cm) 横截面积(cm2) 卷(厘米3) 孔隙度(%) TOC (%) 粘土含量(%) 层
1 # 3.71 2.51 4.95 18.35 5.63 5.37 26.1 较低的
2 # 3 2.51 4.95 14.72 4.38 4.12 27.6 较低的
3 # 3.552 2.51 4.95 17.57 5.82 1.26 61.6 上
4 # 3所示。5 2.51 4.95 17.31 4.17 0.64 58.8 上

根据压裂液配方的建筑工地,实验中使用的压裂液用99.5%的水和0.5%的添加剂。

磁共振成像(MRI)系统是用来测试每个页岩的孔隙结构分布特征核心样本,如图 1- - - - - - 4。

分配1 #页岩岩样的孔隙结构特征。

孔隙结构的分布特征2 #页岩矿样。

分布特征的3 #页岩岩心样品的孔隙结构。

分布4 #页岩岩心样品的孔隙结构特征。

基于上述原理图分布特征的孔隙结构和定义的国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC) [ 18),1 #和2 #岩石样本的毛孔是由中孔和大孔隙直径大于10 nm,孔隙体积的比例大于10 nm达到50%以上;3 #和4 #样品的低水库的第一部分Wufeng-Longmaxi形成。3 #和4 #样品的孔隙主要是微孔隙直径小于10纳米,和孔隙的体积直径小于10纳米占据的比例超过80%。3 #和4 #样品提取的上水库Wufeng-Longmaxi Jiaoshiba大酒店形成生产和建筑面积,涪陵,中国。

 2.2。实验装置和程序

这个实验主要是模拟压裂液的自吸页岩储层。所谓的自吸是指多孔介质的过程中自发吸收一些湿液体毛细力。图 5显示了自吸实验装置。首先,岩石样本在120°C干24小时来确定样品的干重。之后,被包裹的样品用聚四氟乙烯胶带,然后放置在自吸实验装置如图 6,样品的底面是联系与压裂液的容器。由于页岩孔隙密度核心和丰富的页岩中粘土矿物的核心,压裂液的99.5%是水。压裂液接触后,底部的岩石样本会产生强大的毛细力吸页岩压裂液进入多孔介质的核心。这个实验进行模拟压裂液的自吸页岩气压裂过程中裂缝基岩系统水平。自吸实验开始后,核心是称重的重量和定期记录,直到样品的重量几乎保持不变。根据上述方法,自吸实验进行了岩石样本收集4日Jiaoshiba大酒店生产和建筑面积的涪陵,中国。

自吸实验装置。

曲线累积自吸和自吸时间之间的关系。

 2.3。实验结果 2.3.1。自吸能力的核心从不同的层次

根据以上实验步骤,每个岩石样本的核心重量为每2小时的自吸,记录和实验持续了114小时。减去干重的岩石样本的核心重量测量在不同自吸时间,我们获得的数量体积压裂液吸收的岩石样本在不同自吸时间。通过计算的自吸1 #,2 #,3 #,4 #岩石样本测试在不同自吸时间,累积之间的关系的曲线自吸和自吸时间,如图 6。岩石样本有不同的孔隙体积。因此,减少孔隙体积差异的影响自吸,我们画曲线之间的关系自吸单位孔隙体积和自吸时间,如图 7。

曲线之间的关系自吸单位孔隙体积和自吸时间(自吸单位横截面积)。

如图 6,自吸不同层的压裂液在岩心是分为2个阶段。在第一阶段,即自吸的第一个30小时,累计自吸激增与自吸时间的增加,累积的自吸占总额70%以上的自吸;在第二阶段,即自吸30小时后,累积的增加自吸慢了下来。在这个阶段,不同层次的自吸在核心开始2模式(数据的变化 6和 7)。在第一模式中,吸入30小时后,随着时间的推移,压裂液的自吸上的核心水库几乎没有增加,基本上保持稳定(例如,3 #和4 #岩石样本)。如表所示 1和数字 1- - - - - - 4等核心粘土矿物含量高,低TOC含量,很少有毛孔的直径大于10纳米。等核心可以迅速达到饱和状态的粘土矿物含量高,自吸速度高。此外,由于水化,页岩膨胀和自吸通道的数量减少。因此,自吸持续了一段时间后,压裂液量的增加保持基本稳定。至于第二种模式,自吸30小时后,随着时间的流逝,水库的自吸上核心与自吸时间继续增加,但非常缓慢(例如,1 #和2 #岩石样本)。等核心TOC含量高和大量的气孔直径大于10纳米。因为核心粘土矿物含量相对较低,压裂液可以渗透的深度核心和需要很长时间才能达到一种饱和的状态。

图 7显示了曲线之间的关系自吸单位孔隙体积和自吸时间。从图可以看出,有自吸单位在岩心孔隙体积的差异从不同的层次。在114小时的自吸,4 #核心单位孔隙体积最大自吸,0.717克/厘米3,占80%的总孔隙体积的4 #核心。最低自吸孔隙体积单位,0.415克/厘米3,发现2 #核心,这个核心的总孔隙体积的64.43%。单位自吸孔隙体积密切相关的核心孔隙结构特征和粘土矿物含量。粘土矿物含量越高,较强的储层的润湿性和自吸单位孔隙体积越大。大孔隙的比例越高,单位自吸孔隙体积越大。

 2.3.2。自吸速度的特点

(1)自吸速度的变化规律。自吸速度也是一个重要的特性来理解水库的自吸法。根据实验结果,我们计算平均自吸速度核心之间的关系从不同的层次和自吸时间。这里的平均自吸速度指的是总自吸除以自吸时间。自吸速度平均核从不同层次对应不同的自吸计算,分别和所绘制的曲线关系,如图 8。

曲线的平均自吸速率和自吸时间之间的关系。

如图 8,曲线表明平均自吸速率和自吸时间之间的关系在核心不同层通常是一致的,这符合幂函数关系。此外,在初始阶段平均自吸率迅速下降,而吸入30小时后,自吸的减少速度减慢。通过拟合平均自吸速度和自吸时间之间的关系4页岩岩心在涪陵页岩气藏,方程( 1)方法如下: (1) V = 一个 t − n , 在哪里 V 表示平均自吸速度(g / h); t 指的是自吸时间; 一个 和 n 表示常量与核心特征有关。

然而,随着不同的岩心孔隙结构特征和矿物的内容,不过考虑到相同的自吸时间,平均自吸速度核心从不同的层次是不同的。之间的关系来分析这种差异,每个岩石的平均自吸速率和自吸时间获得的样本如表所示 3基于自吸数据不同的样品图 8。

平均自吸速度和自吸时间之间的关系。

样品 平均自吸速度和自吸时间之间的关系 R 2 初始平均自吸速度(g / h) 最终自吸速度(g / h)
1 # V = 0.15208 t − 0.695 0.99 0.0801 0.0063
2 # V = 0.073 t − 0.577 0.99 0.0976 0.0057
3 # V = 0.19 t − 0.72 0.99 0.11205 0.0042
4 # V = 0.127 t − 0.604 0.98 0.0806 0.0045

每个核心的平均自吸速度与自吸时间,相关系数 R 2 大于0.98。平均自吸速度在初始和最终阶段的自吸。最初的平均自吸速度指的是平均自吸自吸速度在第一次2小时,最后自吸速度是速度当吸入持续114小时。如表所示 313-40时代的,有一个区别之间的初始和最终的平均自吸速度4岩石样本。

(2)比较方便的模型。在实际的自吸过程中,核心端面吸附压裂液。根据方便的模式 14),单位面积上的自吸的变异模式计算。方便( 14)建立了一个模型自吸的水饱和气体核心: (2) V 海事局 2 = 2 一个 C 2 P C k ∅ 年代 w f t μ w 。

让自吸速率 一个 我 被表达如下: (3) 一个 我 = 2 P C ϕ k 年代 w f μ w 。

根据方程( 2),自吸速率 一个 我 可以用曲线的斜率吸水单位横截面积之间的关系和的平方根时间: (4) V 海事局 一个 C = 一个 我 t , 在哪里 V 海事局 表示自吸压裂液的体积 厘米 3 , 一个 C 代表核心的横截面积 厘米 2 , 一个 我 代表了自吸速率 厘米 / h 0.5 , P C 表示毛细力( P 一个 ), ϕ 代表了孔隙度(十进制), k 表示渗透率(mD), 年代 w f 代表前面水饱和度(十进制),和 μ w 代表水的粘度(cP)。

基于实验数据的收集的5层岩石样本来自不同的涪陵页岩气藏,我们计算每个样本的单位横截面积吸水,吸水率之间的关系曲线的单位横截面积和自吸时间的平方根,如图 9。

曲线吸水单位横截面积之间的关系和自吸时间的平方根。

每个曲线在图 9有2段。第一部分是通过原点的直线,这符合方便模型的线性特征。至于第二段,与自吸时间的增加,自吸速度较慢。第二段的斜率小于第一部分。因此,对于页岩的自吸过程的核心,自吸速度页岩气井的压裂液不能直接方便的方程描述和分析。虽然方便模型的预测结果( 14)是在良好的协议与砂岩和灰岩样品的实验数据,结果不能直接用来计算自吸速度页岩气井的压裂液。

表 4显示了混凝土吸收单位横截面积之间的关系和自吸时间的平方根。

自吸速度方便模型的拟合关系。

样品 方便的自吸速度(cm / (h1/2)) 拟合方程 R 2
1 # 0.0182 y = 0.0182 x + 0.0087 0.97
2 # 0.0115 y = 0.0115 x + 0.0029 0.99
3 # 0.0164 y = 0.0164 x + 0.00178 0.87
4 # 0.0176 y = 0.0176 x + 0.0082 0.95

的吸水单位横截面积之间的关系和自吸时间的平方根(图 10),最初的自吸速率与粘土矿物含量。如果粘土矿物含量高,储层欠饱和时,岩石样本的初始自吸速度将会很高。3 #,4 #,1 #岩石样本有较高的自吸速度。提取层8和9的Wufeng-Longmaxi形成,3 #和4 #的粘土矿物含量岩石样本分别为61.6%和58.8%,分别高于其他岩石样本。可见骨折1 #岩石样本(表中被发现 1),这导致了高初始自吸速度。它完全显示,当有骨折,最初的自吸将加速。因此,当裂缝储层开发,压裂液进入水库很快,压裂施工曲线的压力迅速下降。压裂30小时后,粘土矿物含量较低的岩石样本和大比例的大孔隙(超过50%的这个样例)有自吸率高,与累积自吸继续增加。例如,在1 #和2 #岩石样本,这样可以吸收深层储层压裂液代替更多的页岩气。除此之外,在以后的生产阶段,返排率低,虽然最初的产量高。此外,根据计算结果见表 4,自吸速率芯层8和9涪陵Longmaxi形成的页岩气藏在第一阶段可以0.02厘米/ (h0.5),自吸速率芯层3和4的Longmaxi形成在第一阶段可以0.01厘米/ (h0.5)。

不同层次的特征参数和自吸速度之间的关系。

(3)计算累计自吸和断裂破碎页岩气井的领域。累计自吸和断裂的断裂区域页岩气井可以估计结果的基础上自吸实验。实验岩心样品代表不同的页岩储层。表 3方程表明,计算平均自吸速度的变化时,压裂液流经页岩的核心部分不同的水库(横截面积是4.95厘米2)。基于实验结果见表 3所代表的,我们选择了类似水库计算累积自吸实验岩心,和方法也适用于自吸断裂表面的计算水平裂缝井。

基于方程( 1)计算平均自吸速度,累计自吸的方程 W 通过4.95厘米的横截面积2是通过积分操作。 (5) W = 一个 ∫ 0 t t t − n d t = 一个 t 2 − n 2 − n , 在哪里 一个 和 n 从表可以选择吗 1根据页岩储层的特征; t 表示压裂施工时间(h); W 通过部分累计自吸的横截面积4.95厘米2(g)。

累计自吸页岩气井压裂液的不同压裂时间可以计算基于方程( 5)。上面的分析是基于自吸法获得的核心部分,在同等条件下,单位面积累积自吸的页岩。

水平井的裂缝表面被认为是 一个 (m2),注入压裂液的总量应该是 问 我 (m3),返排压裂液的体积是设置为 问 p (m3)。由于压裂液主要由水、密度设置为1克/厘米3。因此,1米3压裂液的转换成1000克的水,和方程计算累积自吸表示如下: (6) 问 我 − 问 p = 一个 × W × 10 − 6 4.95 × 10 − 4 。

用方程( 5)方程( 6),引入有效利用率 C 压裂液的方程计算的断裂表面获得页岩气水平井如下: (7) 一个 = C 495年 × 问 我 − 问 p × 2 − n 一个 t 2 − n , 在哪里 C 的有效利用率是压裂液(95 - 98%)和断裂表面的面积断裂的水平井可以估计基于方程( 7),所以可以分析压裂规模。

 2.3.3。主要因素影响自吸的特点

由于储层非均质性强,小的孔喉,粘土矿物含量高、页岩和强亲水性,不同的核心特征会影响自吸速度和自吸。不同层次的特征参数之间的关系和自吸速度的四核,如图 10。

基于特征参数的变化不同的核心,不同层的特征参数之间的关系和自吸速度可以概括如下:(1)粘土含量越高,初始自吸速率越高。(2)孔隙度与初始自吸速度,和孔隙度越高,越快初始自吸。(3)不存在良好的相关性累积自吸和孔隙体积,这表明累积自吸不仅是由孔隙体积,但密切相关,孔隙结构特征和页岩矿物组成。

 3所示。讨论

中使用的岩石样本提取自吸实验的第一部分Wufeng-Longmaxi大酒店形成生产和建筑面积Jiaoshiba块涪陵页岩气藏在中国。核心的具体参数是衡量标准工具,以确保实验结果的可靠性。

基于核的自吸数据从不同的层,页岩的平均自吸速度生活幂函数递减定律。自吸被分为两个阶段。在第一阶段,即第一个30小时的自吸自吸速度高,累积自吸占总额72%以上的自吸。在第二阶段,自吸速度保持稳定或略有增加。由于强烈的表面吸附,自吸速度高。平均自吸速度增加在后期因为有一个比例高(大于50%)的大孔隙喉道直径超过10 nm的核心。页岩储层的平均自吸速率和自吸时间核心符合幂函数关系,贯穿整个自吸过程。然而,方便模型并不适合描述页岩的自吸特征的核心。根据方便的模型、自吸时间的平方根是线性相关的单位面积上的自吸,但实际的关系分为两段。幂函数的关系使它方便我们计算和分析实际的自吸速度和累积自吸。 Nevertheless, to calculate the actual imbibition velocity and cumulative imbibition of the shale gas reservoir using the power function, relevant parameters should be obtained by experiment, which brings inconvenience to later applications. It is suggested that imbibition experiments should be carried out based on different shale gas core characteristics so as to obtain the template formula of calculating the declining imbibition representing different types of cores, that is, different power function parameter values. In this way, the imbibition of different shale gas reservoirs can be directly calculated using the template formula.

基于变化模式的平均自吸速度,我们获得的公式计算累积自吸和估算页岩气水平井的裂缝表面,这有助于获得单位面积累积自吸的页岩气藏。断裂表面的估计可以应用于分析压裂的规模和复杂性。尽管如此,在实际压裂过程中,除了自吸,压裂液的注入还包括流入、泄漏和损失的压差。因此,它是至关重要的,以确定的价值 C 在方程( 7)。

根据计算结果表 5,较低的储层的压裂规模由1 #核心大于上游水库与3 #核心代表。涪陵页岩气井,降低储层压裂规模更大、更大的输出比上游水库,这是与预测结果一致。

压裂规模的估计。

层 压裂液的利用率(%) 压裂液注入体积(m3) 体积压裂液返排(m3) 系数 一个 在方程( 1) 系数 n 在方程( 1) 时间的压裂液进入水库(h) 压裂裂缝区域(m3)
较低的层 0.98 45000年 2250年 0.152 0.69 114年 474957年
上层 0.98 45000年 2250年 0.19 0.72 114年 374189年

自吸时间是114个小时的实验。在矿井的生产领域,页岩气水平井压裂后关井时间可以被视为自吸时间。然而,基于自吸实验结果的分析,吸取开始慢下来后60小时后30个小时,保持基本稳定。因此,3天足够的页岩气水平井压裂后关井时间。

 4所示。结论

由于非均质性,纳米孔,粘土矿物含量高,页岩气储层和强亲水性,其自吸过程大大不同于普通砂岩。在这项研究中,丰富实验进行页岩气的不同层次和不同特点的涪陵页岩气藏得到以下结论。

页岩吸入可分为两个阶段由30个小时。最初的自吸速度,累计自吸在第一个30小时占总数的72 - 95%自吸。30小时后,自吸速度大大降低。当比例的孔喉直径大于10 nm的核心是不到20%,累积自吸曲线是稳定的;这样的比例大于20%时,累积自吸曲线呈现好转

在整个自吸过程中,有一个幂函数的平均自吸速度和自吸时间之间的关系。这个结果可以用来初步估计单位面积累积自吸和断裂的断裂表面。涪陵页岩气藏的初始自吸速率范围内0.05 - -0.11 g / h

方便的模型无法描述页岩储层自吸的整个过程,和页岩储层的自吸法不能仅仅基于方便的模型。方便的模型适用于估计自吸自吸在前30个小时,和一个新的模型需要建立在以后的阶段。自吸速率芯层8和9的Longmaxi在涪陵页岩气藏形成在第一阶段 0.02 厘米 / h 0.5 ,自吸速率芯层3和4的Longmaxi形成在第一阶段 0.01 厘米 / h 0.5

累积自吸与核心体积无关,但与孔喉特征和粘土含量有关。粘土矿物含量越高和大孔隙喉的比例越高,较大的累积自吸。压裂液的吸入是基于多个动作,即。,core surface adsorption, pore throat diffusion, and capillary force, on the core

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关这篇文章的出版。

 确认

这份出版物是基于工作在中国国家自然科学基金的支持下,在格兰特(51804039)。

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