CN105334090A - 一种含煤产层组压裂物模试样的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含煤产层组压裂物模试样的制备方法，其按照先后顺序包括以下步骤：分析所要模拟的含煤产层组的特征，选择制备物模试样的煤岩和岩石，根据实际含煤产层组中各岩样的岩性特征，将露头的煤岩和岩石加工成尺寸相同的长方体薄板；在岩石薄板上钻取模拟井眼，并在模拟井眼内粘固模拟井筒；将粘固了模拟井筒的岩石薄板作为中间层，并在岩石薄板的两侧分别粘固煤岩薄板，形成含煤产层组合体；选择包裹层对含煤产层组合体进行外部浇筑，形成含煤产层组压裂物模试样。本发明的制备方法可模拟含煤产层组中不同岩性组合的分层试样，相比于人造分层试样，能够更准确地模拟真实储层的煤岩割理、天然裂缝和水力裂缝等岩石物理性质。

Description

一种含煤产层组压裂物模试样的制备方法

技术领域

本发明属于岩样制备技术领域，具体涉及一种含煤产层组压裂物模试样的制备方法。

背景技术

我国以鄂尔多斯盆地为主的煤层气田广泛分布着含煤系的煤层气、致密气和页岩气，气量丰富，开发潜力巨大。由于煤层的厚度变化大、层数多，层间发育的页岩气、致密气与煤层气具有连续成藏、区内共存的特点，达不到机械分层压裂的条件，因此难以单独开采煤层气。“十三五”提出将煤层气与周边的页岩气和致密气组合开采，即三气合采，实施滑套连续多层水力压裂改造技术，进而综合开发非常规资源。

在多产层组合压裂开采过程中，水力裂缝垂向扩展范围是压裂设计中需要重点考虑的因素之一，它在一定程度上影响着水力压裂的效率，也决定着压裂作业的成败。在实验室内通过对分层介质进行真三轴水力压裂模拟实验，是认识水力裂缝垂向穿层扩展规律和高效开发非常规资源的重要手段。目前，在实验室内制备的分层试样通常采用混凝土等人造岩芯加工而成，然而采用这种方法制备的分层试样与地下实际储层相比存在明显差异，此外其力学性质与天然岩样相比存在很大不同，人工模拟的天然裂缝性质与真实岩芯相比也存在很大不同，因此，采用目前的方法不能反映岩石的真实物性情况。

申请公布号为CN104034563A的发明专利公开了一种节理性页岩人造岩芯的制备方法，该人造岩芯采用水泥和石英砂模拟层状页岩，通过添加麦片和碎纸片模拟天然裂缝，通过在层与层之间涂抹润滑油以及改变层间不同组分的配比模拟层间差异。此类采用混凝土试样模拟分层试样的方法不能有效地模拟岩层内发育的天然裂缝性质，如煤层割理或页岩层理，更不能准确地模拟分层试样的层间物性差异。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种含煤产层组压裂物模试样的制备方法，其目的在于：利用天然岩石制备含煤产层组压裂物模试样，以更好地模拟多层介质的层间物性差异，真实地反映各岩层中天然裂缝的特征和岩石力学的性质。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种含煤产层组压裂物模试样的制备方法，其按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：分析所要模拟的含煤产层组的特征，选择制备物模试样的煤岩和岩石，根据实际含煤产层组中各岩样的岩性特征，将露头的煤岩和岩石加工成尺寸相同的长方体薄板；

步骤二：在岩石薄板上钻取模拟井眼，并在模拟井眼内粘固模拟井筒；

步骤三：将粘固了模拟井筒的岩石薄板作为中间层，并在岩石薄板的两侧分别粘固煤岩薄板，形成含煤产层组合体；

步骤四：选择包裹层对含煤产层组合体进行外部浇筑，形成含煤产层组压裂物模试样。

优选的是，所述步骤一中，选择的岩石为页岩、砂岩和灰岩中的一种。物模试样取自与模拟地层所在地区岩石力学性质相近的露头岩石。

在上述任一方案中优选的是，所述岩石的特征包括天然裂缝产状、层理面产状、层理面与原位地应力方向的空间关系。煤岩中会发育层理面、端割理和面割理等天然弱面，通常层理面与岩性交界面平行，面割理和端割理与层理面垂直或陡交，这些发育着的弱面在空间上会交割成立体网状，从而把煤岩切割成一系列的斜方形基质块，因此在模拟薄板加工过程中，需要充分考虑目标地层的天然裂隙形态特征。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤一中，长方体薄板的尺寸为100mm×300mm×300mm，其中宽面平行于层理面。使用大型岩石切割机辅助加工长方体薄板。层理面是影响水力裂缝扩展规律的重要因素，如果不能正确模拟层理面的产状，将严重影响模拟实验结果的准确性和可靠性。若地层后期不发生大的构造运动，则根据地层顺序沉积的特性，层理面与岩层的交界面应平行沉积。若将宽面作为煤岩与岩石的交界面，则宽面平行于层理面，由于宽面作为交界面，煤岩与岩石接触的面积较大，水力裂缝扩展区域较大，裂缝扩展更加充分，更符合实际情况，有助于含煤产层组的压裂模拟实验，误差较小，结果更真实可靠；若将窄面作为煤岩与岩石的交界面，则窄面平行于层理面，由于窄面作为交界面，煤岩与岩石接触的面积较小，水力裂缝扩展区域较小，裂缝扩展受到阻碍，不利于含煤产层组的压裂模拟实验，误差较大，实验结果失真。

在上述任一方案中优选的是，所述煤岩薄板为两块，所述岩石薄板为一块。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤二中，在岩石薄板的窄面中心位置上钻取模拟井眼。选择强度较大、裂缝不发育的岩石薄板。

在上述任一方案中优选的是，所述模拟井眼的直径为20mm、长度为160-180mm。

在上述任一方案中优选的是，所述模拟井筒的内径为6mm、外径为16mm、长度为180-200mm。

在上述任一方案中优选的是，所述模拟井眼下端预留的裸眼段为30-50mm，所述模拟井眼上端预留的未被粘固的模拟井筒为50-70mm。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤二中，使用AB硅胶将模拟井筒粘固于模拟井眼内，粘固时间为8-10h。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤三中，含煤产层组合方式为煤岩-页岩-煤岩组合、煤岩-砂岩-煤岩组合、煤岩-灰岩-煤岩组合。

在上述任一方案中优选的是，使用AB硅胶将煤岩薄板粘固于岩石薄板两侧的宽面上，粘固时间为10-15h。按照含煤产层组的压裂方式将煤岩薄板与岩石薄板进行粘固。粘固过程中，在含煤产层组合体上方放置一适度重物对其施加压力，以使煤岩薄板与岩石薄板之间达到良好的粘固效果。

在上述任一方案中优选的是，所述含煤产层组合体为正方体，其边长为300mm。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤四中，包裹层为砂浆，其厚度为50-70mm。包裹层的材料应选择与所有材料性质相近的物质，以防止材料性质差异过大而造成结果偏差。需要对含煤产层组合体进行均匀包裹。含煤产层组合体在浇筑过程中，需要对物模试样的放置方向进行标示，以便后期实验中施加围压。

在上述任一方案中优选的是，所述砂浆由水泥和石英砂按照1:1的配比搅拌制成，搅拌时间为10-15min。

在上述任一方案中优选的是，所述含煤产层组合体的外部浇筑后，自然干燥15-20天，此时包裹层的强度较高且均匀。

在上述任一方案中优选的是，所述含煤产层组压裂物模试样为正方体，其边长为400-440mm。

压裂实验采用中国石油大学自主开发的大尺寸真三轴模拟试验系统。在模拟水平井压裂开采含煤产层组时，上覆岩层压力(σ_v)沿着垂直于岩层界面方向施加，最大水平地应力(σ_H)沿着平行于岩层界面方向施加，最小水平地应力(σ_h)沿着井筒方向施加。为便于在压裂实验结束后观察水力裂缝扩展的几何形态，在压裂液中添加一定量的荧光粉作为裂缝示踪剂，以获得良好的裂缝监测效果。

本发明的含煤产层组压裂物模试样的制备方法，可模拟含煤产层组中不同岩性组合的分层试样，相比于人造分层试样，能够更准确地模拟真实储层的煤岩割理、天然裂缝和水力裂缝等岩石物理性质。由于煤层较脆且容易破碎，裂缝发育，强度较低，因此通过在非煤岩层中钻孔模拟井眼轨迹，可降低井壁失稳的风险。采用先固定井筒，再进行薄板组合，最后对含煤产层组合体浇筑包裹层的方法，既能保证模拟井筒最终居于模拟试样的中心，也可防止在包裹完成后钻孔损伤岩层交界面和裂隙煤岩，同时使模拟试样的每个表面都平整规则，在围压加载过程中防止煤岩被压坏。通过对含煤产层组合体浇筑包裹层，可确保三向地应力均匀加载，为开展真三轴水力压裂物理模拟实验和准确认识水力裂缝垂向扩展过程中的扩展形态奠定了基础。

附图说明

图1为按照本发明的含煤产层组压裂物模试样的制备方法的一优选实施例的制备流程图；

图2为按照本发明的含煤产层组压裂物模试样的制备方法的图1所示实施例的含煤产层组压裂物模试样的结构示意图；

图3为按照本发明的含煤产层组压裂物模试样的制备方法的图1所示实施例的煤岩-页岩-煤岩组合物模试样压裂后水力裂缝的形态示意图；

图4为按照本发明的含煤产层组压裂物模试样的制备方法的图1所示实施例的煤岩-砂岩-煤岩组合物模试样压裂后水力裂缝的形态示意图；

图5为按照本发明的含煤产层组压裂物模试样的制备方法的图1所示实施例的煤岩-灰岩-煤岩组合物模试样压裂后水力裂缝的形态示意图。

图中标注说明：1-岩石薄板，2-煤岩薄板，3-模拟井眼，4-模拟井筒，5-包裹层，6-宽面，7-窄面，8-裸眼段，9-层理面，10-面割理，11-端割理，12-水力裂缝，13-压裂液。

具体实施方式

为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本发明。

实施例一：

如图1所示，按照本发明的含煤产层组压裂物模试样的制备方法的一实施例，其按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：分析所要模拟的含煤产层组的特征，选择制备物模试样的煤岩和岩石，根据实际含煤产层组中各岩样的岩性特征，将露头的煤岩和岩石加工成尺寸相同的长方体薄板；

步骤二：在岩石薄板1上钻取模拟井眼3，并在模拟井眼3内粘固模拟井筒4；

步骤三：将粘固了模拟井筒4的岩石薄板1作为中间层，并在岩石薄板1的两侧分别粘固煤岩薄板2，形成含煤产层组合体；

步骤四：选择包裹层5对含煤产层组合体进行外部浇筑，形成含煤产层组压裂物模试样。

本实施例选用中国鄂尔多斯盆地东缘临兴地区的天然煤岩露头和天然页岩露头，制备煤岩-页岩-煤岩组合压裂物模试样，研究水力裂缝在该物模试样中的扩展行为。

所制备的含煤产层组压裂物模试样的结构如图2所示。所述岩石的特征包括天然裂缝产状、层理面产状、层理面与原位地应力方向的空间关系。煤岩中会发育层理面9、端割理11和面割理10等天然弱面，通常层理面9与岩性交界面平行，面割理10和端割理11与层理面9垂直或陡交，这些发育着的弱面在空间上会交割成立体网状，从而把煤岩切割成一系列的斜方形基质块，因此在模拟薄板加工过程中，需要充分考虑目标地层的天然裂隙形态特征。

所述步骤一中，使用大型岩石切割机辅助加工长方体薄板，长方体薄板的尺寸为100mm×300mm×300mm，其中宽面6平行于层理面9。煤岩薄板2为两块，岩石薄板1为一块。

所述步骤二中，选择强度较大、裂缝不发育的岩石薄板1，在岩石薄板1的窄面7中心位置上钻取模拟井眼3。所述模拟井眼3的直径为20mm、长度为160mm；所述模拟井筒4的内径为6mm、外径为16mm、长度为180mm；所述模拟井眼3下端预留的裸眼段8为30mm，所述模拟井眼3上端预留的未被粘固的模拟井筒4为50mm。使用AB硅胶将模拟井筒4粘固于模拟井眼3内，粘固时间为8h。

所述步骤三中，使用AB硅胶将煤岩薄板2粘固于岩石薄板1两侧的宽面6上，粘固时间为10h。按照含煤产层组的压裂方式将煤岩薄板与岩石薄板进行粘固。粘固过程中，在含煤产层组合体上方放置一适度重物对其施加压力，以使煤岩薄板与岩石薄板之间达到良好的粘固效果。所述含煤产层组合体为正方体，其边长为300mm。

所述步骤四中，包裹层5为砂浆，其厚度为50mm。包裹层的材料应选择与所有材料性质相近的物质，以防止材料性质差异过大而造成结果偏差，需要对含煤产层组合体进行均匀包裹。含煤产层组合体在浇筑过程中，需要对物模试样的放置方向进行标示，以便后期实验中施加围压。所述砂浆由水泥和石英砂按照1:1的配比搅拌制成，搅拌时间为10min。所述含煤产层组合体的外部浇筑后，自然干燥15天，此时包裹层的强度较高且均匀。所述含煤产层组压裂物模试样为正方体，其边长为400mm。

压裂实验采用中国石油大学自主开发的大尺寸真三轴模拟试验系统。在模拟水平井压裂开采含煤产层组时，上覆岩层压力(σ_v)沿着垂直于岩层界面方向施加，最大水平地应力(σ_H)沿着平行于岩层界面方向施加，最小水平地应力(σ_h)沿着井筒方向施加。为便于在压裂实验结束后观察水力裂缝12扩展的几何形态，在压裂液13中添加一定量的荧光粉作为裂缝示踪剂，以获得良好的裂缝监测效果。煤岩-页岩-煤岩组合物模试样压裂后水力裂缝的形态如图3所示。

本实施例的含煤产层组压裂物模试样的制备方法，可模拟含煤产层组中不同岩性组合的分层试样，相比于人造分层试样，能够更准确地模拟真实储层的煤岩割理、天然裂缝和水力裂缝等岩石物理性质。由于煤层较脆且容易破碎，裂缝发育，强度较低，因此通过在非煤岩层中钻孔模拟井眼轨迹，可降低井壁失稳的风险。采用先固定井筒，再进行薄板组合，最后对含煤产层组合体浇筑包裹层的方法，既能保证模拟井筒最终居于模拟试样的中心，也可防止在包裹完成后钻孔损伤岩层交界面和裂隙煤岩，同时使模拟试样的每个表面都平整规则，在围压加载过程中防止煤岩被压坏。通过对含煤产层组合体浇筑包裹层，可确保三向地应力均匀加载，为开展真三轴水力压裂物理模拟实验和准确认识水力裂缝垂向扩展过程中的扩展形态奠定了基础。

实施例二：

按照本发明的含煤产层组压裂物模试样的制备方法的另一实施例，其制备步骤、原理和有益效果等均与实施例一相同，不同的是：

选用中国鄂尔多斯盆地东缘临兴地区的天然煤岩露头和天然砂岩露头，制备煤岩-砂岩-煤岩组合压裂物模试样。所述模拟井眼的直径为20mm、长度为170mm；所述模拟井筒的内径为6mm、外径为16mm、长度为190mm；所述模拟井眼下端预留的裸眼段为40mm，所述模拟井眼上端预留的未被粘固的模拟井筒为60mm。使用AB硅胶将模拟井筒粘固于模拟井眼内，粘固时间为9h。使用AB硅胶将煤岩薄板粘固于岩石薄板两侧的宽面上，粘固时间为12h。包裹层为砂浆，其厚度为60mm。所述砂浆由水泥和石英砂按照1:1的配比搅拌制成，搅拌时间为12min。所述含煤产层组合体的外部浇筑后，自然干燥18天，此时包裹层的强度较高且均匀。所述含煤产层组压裂物模试样为正方体，其边长为420mm。煤岩-砂岩-煤岩组合物模试样压裂后水力裂缝的形态如图4所示。

实施例三：

按照本发明的含煤产层组压裂物模试样的制备方法的另一实施例，其制备步骤、原理和有益效果等均与实施例一相同，不同的是：

选用中国鄂尔多斯盆地东缘临兴地区的天然煤岩露头和天然灰岩露头，制备煤岩-灰岩-煤岩组合压裂物模试样。所述模拟井眼的直径为20mm、长度为180mm；所述模拟井筒的内径为6mm、外径为16mm、长度为200mm；所述模拟井眼下端预留的裸眼段为50mm，所述模拟井眼上端预留的未被粘固的模拟井筒为70mm。使用AB硅胶将模拟井筒粘固于模拟井眼内，粘固时间为10h。使用AB硅胶将煤岩薄板粘固于岩石薄板两侧的宽面上，粘固时间为15h。包裹层为砂浆，其厚度为70mm。所述砂浆由水泥和石英砂按照1:1的配比搅拌制成，搅拌时间为15min。所述含煤产层组合体的外部浇筑后，自然干燥20天，此时包裹层的强度较高且均匀。所述含煤产层组压裂物模试样为正方体，其边长为440mm。煤岩-灰岩-煤岩组合物模试样压裂后水力裂缝的形态如图5所示。

本领域技术人员不难理解，本发明的含煤产层组压裂物模试样的制备方法包括上述本发明说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种含煤产层组压裂物模试样的制备方法，其按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：分析所要模拟的含煤产层组的特征，选择制备物模试样的煤岩和岩石，根据实际含煤产层组中各岩样的岩性特征，将露头的煤岩和岩石加工成尺寸相同的长方体薄板；

步骤二：在岩石薄板上钻取模拟井眼，并在模拟井眼内粘固模拟井筒；

步骤三：将粘固了模拟井筒的岩石薄板作为中间层，并在岩石薄板的两侧分别粘固煤岩薄板，形成含煤产层组合体；

步骤四：选择包裹层对含煤产层组合体进行外部浇筑，形成含煤产层组压裂物模试样。

2.如权利要求1所述的含煤产层组压裂物模试样的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，选择的岩石为页岩、砂岩和灰岩中的一种。

3.如权利要求2所述的含煤产层组压裂物模试样的制备方法，其特征在于：所述岩石的特征包括天然裂缝产状、层理面产状、层理面与原位地应力方向的空间关系。

4.如权利要求1所述的含煤产层组压裂物模试样的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，长方体薄板的尺寸为100mm×300mm×300mm，其中宽面平行于层理面。

5.如权利要求4所述的含煤产层组压裂物模试样的制备方法，其特征在于：所述煤岩薄板为两块，所述岩石薄板为一块。

6.如权利要求1所述的含煤产层组压裂物模试样的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，在岩石薄板的窄面中心位置上钻取模拟井眼。

7.如权利要求6所述的含煤产层组压裂物模试样的制备方法，其特征在于：所述模拟井眼的直径为20mm、长度为160-180mm。

8.如权利要求7所述的含煤产层组压裂物模试样的制备方法，其特征在于：所述模拟井筒的内径为6mm、外径为16mm、长度为180-200mm。

9.如权利要求8所述的含煤产层组压裂物模试样的制备方法，其特征在于：所述模拟井眼下端预留的裸眼段为30-50mm，所述模拟井眼上端预留的未被粘固的模拟井筒为50-70mm。

10.如权利要求1所述的含煤产层组压裂物模试样的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，使用AB硅胶将模拟井筒粘固于模拟井眼内，粘固时间为8-10h。