一种描述页岩裂缝-孔隙流体自吸的方法技术

本发明专利技术公开了一种描述页岩裂缝‑孔隙流体自吸的方法，包括如下步骤：假设有一理想圆柱体页岩岩样，圆柱体在端面中心发育一条贯穿平板裂缝，岩样的一端面与自吸流体充分接触，使其在无外加流体压力的条件下发生流体自吸；当自吸时间为t时，该页岩岩样总流体自吸质量S(t)包括三个部分，接触端面自吸进入页岩基块孔隙的自吸流体质量S

A method of describing shale fracture pore fluid self absorption

【技术实现步骤摘要】
一种描述页岩裂缝-孔隙流体自吸的方法
本专利技术涉及油气田开发
，特别涉及岩石致密多孔介质自吸描述方法，具体是一种描述页岩多尺度孔隙结构中裂缝-孔隙流体自吸的方法。
技术介绍
目前，页岩气开发是非常规油气田开发的主要工程，页岩气藏普遍采用水平井加大规模水力压裂的开发模式，在页岩气井的钻完井、增产改造和后期生产过程中，页岩与水基工作液的大范围接触始终存在。由于页岩纳米级孔隙发育、亲水性强，且具有超低含水饱和度等特征，大量水基工作液将通过毛管自吸作用进入页岩储层。页岩极强的自吸吸水能力及后续相互作用是导致储层段井壁失稳、压裂液大量滞留和工作液损害等工程问题的根本原因之一。页岩流体自吸行为研究已经成为储层段钻完井井壁失稳控制，压裂工艺设计、压裂液性能及压后返排制度优化，工作液损害评价和储层保护对策研究，页岩气产出机理及产能模型研究等方向的重要基础。目前，Lucas-Washburn模型(LW模型)常被用于描述流体向页岩孔隙中的自吸过程，该模型假设毛管力为流体自吸过程的唯一动力，且自吸流动通道截面均匀圆形。但对于页岩中复杂的流体自吸行为，LW模型存在如下几个方面的不足和局限性：(1)页岩裂缝/微裂缝发育，然而现有自吸模型通常仅考虑了页岩的孔隙自吸，并不能充分反映裂缝对自吸过程和最终自吸量的影响；(2)页岩粘土矿物含量高且其中发育大量纳米级孔隙，其中的流体自吸除了受毛管力作用，还受到渗透压影响，如何计算页岩流体自吸过程渗透压的大小，并将其在自吸模型中进行表征仍需深入研究；(3)现有自吸模型通常假设自吸流动通道为圆形，但页岩基块孔隙形状发育极不规则，已明显偏离圆形孔隙假设，如何得到可靠的页岩孔隙形状因子表征参数，相关研究尚鲜有报道；(4)页岩纳米级孔隙中的流体自吸流动将受到明显纳微尺度孔隙壁面效应影响，但现有模型中尚缺乏相关作用的表征参数。
技术实现思路
针对现有页岩流体自吸模型在描述和分析页岩多尺度孔隙中流体自吸过程方面的局限性，本专利技术提供了一种描述页岩裂缝-孔隙流体自吸的方法，建立了一种新的同时考虑页岩裂缝和纳米孔隙效应的流体自吸新模型，提升模型对页岩中流体自吸过程的描述和预测精度。本专利技术的技术方案如下：一种描述页岩裂缝-孔隙流体自吸的方法，包括如下步骤：1.一种描述页岩裂缝-孔隙流体自吸的方法，它包括以下步骤：S1、假设有一直径为d，长度为L的理想圆柱体页岩岩样，且沿圆柱体长轴方向在端面中心发育一条缝宽w的贯穿平板裂缝，其中w<<d，岩样的一端面与自吸流体充分接触，使其在无外加流体压力的条件下发生流体自吸；当自吸时间为t时，该页岩岩样总流体自吸质量S(t)包括三个部分，接触端面自吸进入页岩基块孔隙的自吸流体质量Sm(t)、自吸进入裂缝并储存于裂缝中的自吸流体质量Sf(t)和进入裂缝并通过裂缝壁面再自吸进入基块孔隙的自吸流体质量Sf-m(t)，且满足如下关系：S(t)＝Sm(t)+Sf(t)+Sf-m(t)(1)式中S(t)—自吸时间为t时，测试页岩岩样总流体自吸质量，kg；Sm(t)—自吸时间为t时，由接触端面自吸进入页岩基块孔隙的自吸流体质量，kg；Sf(t)—自吸时间为t时，自吸进入裂缝并储存于裂缝中的自吸流体质量，kg；Sf-m(t)—自吸时间为t时，自吸进入裂缝并通过裂缝壁面再自吸进入基块孔隙的自吸流体质量，kg；S2、假设页岩基块孔隙中的自吸流体前缘为均匀推进，当自吸时间为t时，由接触端面自吸进入页岩基块孔隙的自吸流体质量Sm(t)表达为如下形式：式中ρ—自吸流体密度，kg/m3；A—自吸接触端面面积且A＝πd2/4，m2；—页岩基块孔隙度，无因次；ξ—流体自吸过程页岩基块孔隙中的自吸流体驱替系数，ξ介于在0～1之间，无因次；hm(t)—自吸时间为t时，由接触端面自吸进入页岩基块的流体自吸深度，m；S3、假设页岩裂缝中的自吸流体前缘同样呈均匀推进，当自吸时间为t时，由裂缝端面自吸进入并储存于页岩裂缝中的自吸流体质量Sf(t)可以表达为如下形式：Sf(t)＝ρdwhf(t)(3)式中d—圆柱体页岩岩样的直径，m；w—圆柱体页岩岩样中自吸裂缝缝宽，m；hf(t)—自吸时间为t时，自吸流体在页岩裂缝中的自吸深度，m；步骤S4、在流体自吸进入页岩裂缝的同时，自吸流体会通过裂缝壁面自吸进入基块孔隙，当自吸时间为t时，由裂缝壁面自吸进入基块孔隙的流体会形成自吸前缘推进剖面；把总自吸时间t均分为n等分，每等分的时间则为Δt，由裂缝壁面自吸进入页岩基块的总的自吸流体质量可以表示为：式中Af-m(tfi)—自吸时间为t时第i时间等分所对应的由裂缝壁面向基块孔隙自吸的有效自吸接触面积，m2；hf-m(tmi)—自吸时间为t时第i时间等分内自吸流体由裂缝壁面向基块孔隙的自吸深度，m；该值可以带入相关参数直接采用方程(11)进行计算；S5、通过步骤S2-S4，分别计算得到接触端面自吸进入页岩基块孔隙的自吸流体质量Sm(t)、自吸进入裂缝并储存于裂缝中的自吸流体质量Sf(t)、进入裂缝并通过裂缝壁面再自吸进入基块孔隙的自吸流体质量Sf-m(t)，将步骤S2-S4得到的结果代入方程(1)，得到页岩裂缝-孔隙总流体自吸量。分析方程(4)可知，当n值趋于无穷大时，计算结果无限趋近于理论值，不过在实际室内实验和工程计算中当n取20时，计算结果已具有足够的精度，能够满足实验数据分析和工程计算需求。优选的，所述步骤S2中，hm(t)，其计算方法是：基于毛管束模型，假设页岩基块孔隙均为半径为r的圆形毛细管；自吸流体所受到的毛管力用经典的Young-Laplace方程进行描述：式中Pc—自吸流体所收到的毛管压力，Pa；r—页岩基块孔隙半径，m；θ—自吸流体对页岩的润湿润湿角，°；γ—自吸流体在实验测试条件下的界面张力，N/m；当自吸流体为不可压缩牛顿流体，且自吸流动为充分发展的Hagen-Poiseuille流动时，流体在孔隙中所受到的粘滞阻力表示为：Fvisco＝8hπμv(6)式中Fvisco—自吸流体在自吸过程中所受到的流动通道的粘滞阻力，N；h—自吸流体自吸深度，m；μ—自吸流体粘度，Pa·s；v—自吸流体的自吸瞬时流动速率，m/s；对于页岩基块孔隙中的流体自吸，根据动量定理，得如下描述方程：式中Pπ—自吸流体所受到的页岩黏土矿物渗透压，Pa；m—自吸流体流体单元体质量，kg；结合方程(5)～(7)，可得如下方程：由于实际页岩基块孔隙有较多曲折，且孔隙截面并非理想圆形，不同于毛管束模型的假设，因而，方程(8)引入孔隙形状因子和迂曲度两个参数进行修正：式中δ—页岩基块孔隙形状因子，无因次；τ—页岩基块孔隙迂曲度，无因次；页岩基块纳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种描述页岩裂缝-孔隙流体自吸的方法，它包括以下步骤：/nS1、假设有一直径为d，长度为L的理想圆柱体页岩岩样，且沿圆柱体长轴方向在端面中心发育一条缝宽w的贯穿平板裂缝，其中w<<d，岩样的一端面与自吸流体充分接触，使其在无外加流体压力的条件下发生流体自吸；当自吸时间为t时，该页岩岩样总流体自吸质量S(t)包括三个部分，接触端面自吸进入页岩基块孔隙的自吸流体质量S

【技术特征摘要】
1.一种描述页岩裂缝-孔隙流体自吸的方法，它包括以下步骤：
S1、假设有一直径为d，长度为L的理想圆柱体页岩岩样，且沿圆柱体长轴方向在端面中心发育一条缝宽w的贯穿平板裂缝，其中w<<d，岩样的一端面与自吸流体充分接触，使其在无外加流体压力的条件下发生流体自吸；当自吸时间为t时，该页岩岩样总流体自吸质量S(t)包括三个部分，接触端面自吸进入页岩基块孔隙的自吸流体质量Sm(t)、自吸进入裂缝并储存于裂缝中的自吸流体质量Sf(t)和进入裂缝并通过裂缝壁面再自吸进入基块孔隙的自吸流体质量Sf-m(t)，且满足如下关系：
S(t)＝Sm(t)+Sf(t)+Sf-m(t)(1)
式中S(t)—自吸时间为t时，测试页岩岩样总流体自吸质量，kg；
Sm(t)—自吸时间为t时，由接触端面自吸进入页岩基块孔隙的自吸流体质量，kg；
Sf(t)—自吸时间为t时，自吸进入裂缝并储存于裂缝中的自吸流体质量，kg；
Sf-m(t)—自吸时间为t时，自吸进入裂缝并通过裂缝壁面再自吸进入基块孔隙的自吸流体质量，kg；
S2、假设页岩基块孔隙中的自吸流体前缘为均匀推进，当自吸时间为t时，由接触端面自吸进入页岩基块孔隙的自吸流体质量Sm(t)表达为如下形式：



式中ρ—自吸流体密度，kg/m3；
A—自吸接触端面面积且A＝πd2/4，m2；

—页岩基块孔隙度，无因次；
ξ—流体自吸过程页岩基块孔隙中的自吸流体驱替系数，ξ介于在0～1之间，无因次；
hm(t)—自吸时间为t时，由接触端面自吸进入页岩基块的流体自吸深度，m；
S3、假设页岩裂缝中的自吸流体前缘同样呈均匀推进，当自吸时间为t时，由裂缝端面自吸进入并储存于页岩裂缝中的自吸流体质量Sf(t)可以表达为如下形式：
Sf(t)＝ρdwhf(t)(3)
式中d—圆柱体页岩岩样的直径，m；
w—圆柱体页岩岩样中自吸裂缝缝宽，m；
hf(t)—自吸时间为t时，自吸流体在页岩裂缝中的自吸深度，m；
步骤S4、在流体自吸进入页岩裂缝的同时，自吸流体会通过裂缝壁面自吸进入基块孔隙，当自吸时间为t时，由裂缝壁面自吸进入基块孔隙的流体会形成自吸前缘推进剖面；把总自吸时间t均分为n等分，每等分的时间则为Δt，由裂缝壁面自吸进入页岩基块的总的自吸流体质量可以表示为：



式中Af-m(tfi)—自吸时间为t时第i时间等分所对应的由裂缝壁面向基块孔隙自吸的有效自吸接触面积，m2；
hf-m(tmi)—自吸时间为t时第i时间等分内自吸流体由裂缝壁面向基块孔隙的自吸深度，m；该值可以带入相关参数直接采用方程(11)进行计算；
S5、通过步骤S2-S4，分别计算得到接触端面自吸进入页岩基块孔隙的自吸流体质量Sm(t)、自吸进入裂缝并储存于裂缝中的自吸流体质量Sf(t)、进入裂缝并通过裂缝壁面再自吸进入基块孔隙的自吸流体质量Sf-m(t)，将步骤S2-S4得到的结果代入方程(1)，得到页岩裂缝-孔隙总流体自吸量。
分析方程(4)可知，当n值趋于无穷大时，计算结果无限趋近于理论值，不过在实际室内实验和工程计算中当n取20时，计算结果已具有足够的精度，能够满足实验数据分析和工程计算需求。


2.根据权利要求1所述的一种描述页岩裂缝-孔隙流体自吸的方法，其特征在于：
所述步骤S2中，hm(t)，其计算方法是：
基于毛管束...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨斌，张浩，何志君，王旭东，邓菱璐，章江，潘冠昌，
申请(专利权)人：成都理工大学，
类型：发明
国别省市：四川;51