标准岩心尺寸人工缝网模具的研制

战永平，罗明良，马宇奔，雷 明，付春丽

(1.中国石油大学(华东)石油工程实验教学中心；非常规油气开发教育部重点实验室，山东 青岛 266580；2.中国石油集团海洋工程有限公司，山东 青岛 266520)

0 引 言

Mayerhofer等[1-2]提出SRV(Stimulated Reservoir Volume)概念后，水力压裂支撑裂缝导流能力的研究对象由单一平面裂缝转向复杂缝网，实验手段或方法由API(American Petroleum Institute)导流室进展到缝网导流室，计算方法由达西公式计算法发展到“体积等效式(裂缝网络等效为一定延展面积和缝宽的单一裂缝)”达西公式计算法[3-5]。这些改进为非常规油气储层体积压裂工艺优化提供了一个实验评价手段，具有重大现实意义。但也存在着一些不足：① 缝网地应力场模拟效果差，只能模拟主裂缝地应力作用，无法模拟次生、二级次生裂缝地应力作用；② 岩板拼接式的模拟缝网存在着次生裂缝无流体渗流和流体沿岩板与导流室内壁绕流的问题。本文在现有人造岩心制备模具的结构上，对比分析缝网模拟理论模型，设计一个标准岩心尺寸的人工缝网模具，解决缝网导流室测试过程存在的问题，并实验分析不同缝网岩心的导流能力，提升室内实验数据的现实价值。

1 理论基础

关于复杂缝网几何形态描述的理论模型主要有：双重介质模型[6]，线网模型[7-9]，离散化缝网模型[10]。对比分析各理论模型，为缝网模具的研制奠定理论基础。

1.1 双重介质模型(Warren-Root)

双重介质是指岩石既有孔隙又有裂缝的储层，Warren和Root将该储层简化为由3组正交裂缝切割基质岩块呈六面体的理想地质模块，假设孔隙存在于基质岩块中，且是均质的，裂缝方向与主渗透率方向一致，裂缝宽度为常数，裂缝网络可以是均匀分布，也可以是非均匀分布，且在三维空间离散发展，如图1所示。流动能力用几何平均渗透率来表征：

(1)

式中：Kt为几何平均渗透率，μm2；Kmatrix为基质渗透率，μm2；Kf为裂缝网络渗透率，μm2。

图1 Warren-Root模型

1.2 线网模型(HFN)

Xu等将储层改造体积(SRV)假设为一个井眼为中心椭球体，利用两簇垂直平面裂缝组成线网系统模拟解释SRV形成过程，每簇裂缝缝宽恒定，如图2所示。缝网导流能力用平均缝宽与平均渗透率乘积来表征：

(2)

图2 HFN几何模型示意图

1.3 离散化缝网模型(DFN)

Meyer也将SRV假设为一个以井眼为中心椭球体，基于Warren-Root，利用由一条主裂缝和多条次生裂缝组成网格系统模拟解释裂缝在3个主平面内离散扩展，主裂缝为垂直井眼的椭圆，次生裂缝又分为垂直次生裂缝和水平次生裂缝，主、次裂缝缝宽恒定，比值为定值，如图3所示。缝网导流能力用平均缝宽与平均渗透率乘积来表征：

(3)

图3 DFN几何模型示意图

1.4 对比分析

由表1可知，对于存在天然裂缝的复杂渗流系统，或者水力压裂诱导裂缝与天然裂缝相互连通的复杂缝网系统，在一定的假设条件下，通过离散化模拟处理均可得到较好的应用效果。因此，针对岩板拼接式缝网模拟存在的不足，基于离散化缝网模型，开展标准岩心尺寸人工缝网岩心制备模具设计与制备，提升缝网导流能力测试结果的现实价值。

2 人工缝网岩心模具设计

2.1 设计思路

标准岩心是指Dd=2.54 cm，L=4～8 cm的圆柱型岩心。运用标准岩心进行储层物性参数、开发效果以及储层伤害评价时，岩心夹持器围压系统可以全方位的模拟地应力场，也可以有效保障流体在多孔介质中渗流。因此，分析现有人造岩心制备模具的结构[12-16]，合理地引入能模拟垂直交叉平面裂缝的切割板系统，设计一套标准岩心尺寸的人工缝网岩心制备模具。

表1 离散理论模型对比

2.2 岩心模设计

运用三维绘图软件UG NX设计岩心模，岩心模主要由主体和底座两部分构成。主体是由两片光滑带耳翼的半圆柱凹形体以配合结构组成，直径Dd=2.54 cm，厚度2.5 cm，耳翼带有螺栓孔。通过螺栓紧固使主体呈现标准岩心的形状，方便人工岩心脱模取芯，如图4所示。底座是一块带有主体插槽的长方体底板，通过螺栓固定、封闭主体，方便主体与底座的拆卸，如图5所示。

(a)

(b)

(c)

(a)

(b)

(c)

2.3 切割板设计

在前文所述3种离散缝网模型当中，HFN、DFN离散模型应用较为广泛，都是假设缝网是由两类不同缝宽的正交裂缝组成。实际裂缝网络是一个水力裂缝与天然裂缝相互连通而形成的复杂系统。因此，设计一个主缝宽为1.5 mm，次生缝宽为1 mm的不同交叉角度垂向切割板，用来模拟水力裂缝与天然裂缝交互，如图6所示。

2.4 标准岩心尺寸缝网模具参数与实物

经过上述设计，结合仪器制造厂商方便加工的建议，确定模具的基本参数，如图6所示:外观尺寸80 mm×70 mm×160 mm,岩心模内径25.4 mm,底座80 mm×70 mm×20 mm,1#切割板尺寸25.3 mm×1.5 mm×140 mm,2#切割板尺寸25.3 mm×1.0 mm×140 mm,按照此参数制备了标准岩心尺寸缝网模具的实物，如图7所示。

(a)主、次缝交叉角度30°

(b)主、次缝交叉角度45°

(c)主、次缝交叉角度90°

(a)切割板

(b)岩心模

3 人工缝网岩心导流能力测试

3.1 人工缝网岩心制备

按照100 g水泥，40 g水的比例配置水泥浆，置于涂抹黄油的岩心模中，用导压棒压实，插入切割板，用湿毛巾包裹模具防止水泥浆中水分蒸发，24 h后，待水泥浆凝固，打开模具即可获得标准岩心尺寸的人工缝网岩心，如图8所示，基本参数如表3所示。

(a)单缝

(b)交叉30°

(c)交叉45°

(d)交叉90°

表3 人工缝网岩心参数

3.2 导流能力测试

裂缝导流能力是裂缝渗透率与裂缝宽度的乘积。缝网离散模型是运用平均渗透率与平均缝宽的乘积来计算。本实验所使用的是标准岩心尺寸的人工缝网岩心，其渗透率较易获得。因此，可用人工缝网岩心的渗透率与平均缝宽的乘积来计算缝网导流能力,

(4)

实验过程中，以空气为流体介质。因此，kf测试可用下式计算：

(5)

由于制备人工缝网岩心的长度不等，为研究裂缝交叉角度对导流能力影响，将式(5)两端同时除以L，可获得缝网岩心单位长度的渗透率，即视渗透率kp，

(6)

式中：kp为缝网岩心视渗透率，μm2/cm；p1为进口压力，MPa；p2为出口压力，MPa；p0为大气压力，MPa；μ为气体黏度，mPa·s；Q0为标况下气体的体积流量，cm3/s；A为缝网岩心样品的截面积，cm2。

根据式(4)、(6)对实验数据进行处理，可获得人工缝网岩心的视裂缝导流能力，结果如图9所示。

图9 人工缝网岩心视裂缝导流能力

对比分析，缝网视裂缝导流能力高于单一裂缝，且交叉角度对缝网视裂缝导流能力影响不大。因此，在制模拟多条(≥2)裂缝构成的复杂缝网时，可用不同宽度且相互垂直相交的切割板模拟制备更加复杂缝网结构的人工缝网岩心。

4 结 论

(1)开发了一套标准岩心尺寸的人工缝网岩心模具，所制备的缝网岩心在常规驱替装置测试过程中，可以较好地模拟地应力对主、次裂缝闭合作用，有效解决现有缝网物理模型中次生裂缝无流体渗流，以及流体绕流的问题。

(2)基于Warren-Root、HFN、DFN缝网导流能力计算方法，提出一种以缝网岩心测试渗透率与平均缝宽乘积为导流能力计算方法，提升室内实验数据的现实价值。

(3)人工缝网岩心导流能力实验，发现缝网中裂缝交叉角度对导流能力几乎没有影响，可利用该模具制备“T、F、E、口、中、丰”等复杂缝网结构人工缝网岩心，研究缝网结构导流能力的影响；

本文未进行支撑剂充填缝网导流能力测试，建议在支撑剂缝网中运移和沉降规律的指导下开展支撑缝网导流能力测试。