基于裂缝闭合理论和3D打印的导流能力预测方法.pdf

DOI:10.12358/j.issn.1001-5620.2024.01.015基于裂缝闭合理论和3D打印的导流能力预测方法纪国法1，2，余豪1，2，田鸿照3（1.长江大学非常规油气省部共建协同创新中心,武汉430100；2.长江大学油气钻采工程湖北省重点实验室,武汉430100；3.中国石油集团长城钻探工程有限公司地质研究院,辽宁盘锦124010）纪 国 法，余 豪，田 鸿 照.基 于 裂 缝 闭 合 理 论和3D打 印 的 导 流 能 力 预 测 方法J.钻 井 液 与 完 井 液，2024，41（1）：125-132.JIGuofa,YUHao,TIANHongzhao.Conductivitypredictionbasedonfractureclosuretheoryand3DprintingJ.Drilling Fluid&Completion Fluid，2024,41（1）：125-132.摘 要 酸 蚀 裂 缝 导 流 能 力 对 于 酸 压 方 案 的 优 化 和 产 能 评 估 具 有 十 分 重 要 的 意 义，但 是 在 酸 蚀 导 流 能 力 测 试 过 程 中 存 在高 闭 合 压 力 下 岩 心 柱 破 裂 情 况，影 响 实 验 数 据 的 准 确 性。基 于 以 上 问 题，综 合 采用3D扫 描和3D打 印 技 术 以 及 受 压 情 况 下裂 缝 闭 合 理 论 对 酸 蚀 裂 缝 导 流 能 力 进 行 研 究。首 先 对 岩 样 进 行 酸 蚀 实 验，通 过 逆 向 建 模 技 术 获 取 到 酸 蚀 后 岩 心 三 维 模 型，采用SLA3D打 印 技 术 制 备 含 粗 糙 壁 面 的 三 维 岩 心 模 型，对 酸 蚀 岩 心和3D打 印 岩 心 开 展 不 同 围 压 下 渗 流 实 验。运 用 离 散 化数 据 处 理 方 法，结 合 赫 兹 接 触 模 型和N-K模 型 编 写 导 流 能 力 预 测 界 面，使 用 数 值 模 拟 方 法 反 映 闭 合 应 力 下 裂 缝 形 变 情 况。研 究 结 果 表 明，结 合 真 实 岩 体 三 维 数 字 模 型及SLA3D打 印 技 术 制 备 真 实 岩 样，为 制 作 复 杂 裂 缝 岩 心 模 型 提 供 了 有 效 途径；酸 蚀 岩 心和3D打 印 岩 心 导 流 能 力 实 验 结 果、3D打 印 岩 心 实 验 结 果 和 数 值 模 拟 结 果 误 差 均 小于7.7%，数 值 模 拟 与 碳 酸盐 岩 心 实 验 值 的 误 差 小于9.6%；以 低 闭 合 压 力 下 实 验 和 模 拟 结 果 为 基 础 可 以 预 测 高 闭 合 压 力 下 裂 缝 导 流 能 力，提 出 的 研 究方法为定量化表征酸蚀裂缝导流能力提供了可靠途径。关键词碳酸盐岩；酸蚀裂缝；3D打印；导流能力中图分类号：TE357.2文献标识码：A文章编号：1001-5620（2024）01-0125-08ConductivityPredictionBasedonFractureClosureTheoryand3DPrintingJIGuofa1,2,YUHao1,2,TIANHongzhao3(1.Cooperative Innovation Center of Unconventional Oil and Gas(Ministry of Education&Hubei Province),YangtzeUniversity,Wuhan,Hubei 430100;2.Key Laboratory of Drilling and Production Engineering for Oil and Gas,HubeiProvince,Wuhan,Hubei 430100;3.Geological Research Institute of China National Petroleum Group Great Wall DrillingEngineering Company Limited,Panjin,Liaoning 124010)AbstractTheconductivityofacid-etchedfracturesisimportanttotheoptimizationofacid-fracturingprogramandtheproductionevaluationofawell.Intestingtheconductivityofacid-etchedfractures,thecorecolumnundertestmaybreakdownathighclosurepressuresandthiswillcausethetestresultstobecomeinaccurate.Todealwiththisproblem,theconductivityofacid-etchedfracturesisstudiedusingthe3Dscanningand3Dprintingtechnologiesaswellasthetheoryontheclosureoffracturesunderpressure.Inthestudy,the core samples were first acid etched.Using reverse modeling technology,the 3D model of the acid-etched cores wasobtained.UsingtheSLA3Dprintingtechnology,a3Dcoremodelwithroughwallswasprepared.Thenseepageexperimentwasconducted under different confining pressures on the acid-etched cores and the 3D printed cores.Using the discretized data基金项目：国 家 自 然 科 学 基 金 项 目“基 于 分 形 理 论 及 多 尺 度 方 法 的 页 岩 体 积 改 造 压 裂 液 滤 失 机 理 研 究”（51804042）；油 气 资 源 勘 探 技 术 教 育 部 重 点 实 验 室（长 江 大 学）青 年 创 新 团 队 项 目“页 岩 气 水 平 井 重 复 压 裂 关 键 技 术”（PI2021-04）；非 常 规 油 气 省 部 共 建 协 同 创 新 中 心（长 江 大 学）开 放 基 金 项 目“考 虑 页 岩 弱 结 构 面 的 人 工 裂 缝 穿 层 延 展 机理研究”（UOG2022-38）。第一作者简介：纪 国 法，1985年 生，博 士，副 教 授，现 在 从 事 非 常 规 油 气 储 层 改 造、水 合 物 开 采 与 防 治、油 气 开 采等研究。E-mail：。第41卷第1期 钻井液与完井液 Vol.41No.12024 年1 月 DRILLINGFLUID&COMPLETIONFLUID Jan.2024processingmethod,thedeformationofthefracturesundertheactionoftheclosurestresswaspresentedusingnumericalsimulationin combination with the Hertz contact model and a conductivity prediction interface programed with the N-K model.The studyresultsshowthatthe3DdigitalmodeloftherealrocksandtherealcoresamplesmadewiththeSLA3Dprintingtechnologytogethercanbeaneffectivewayofpreparingcomplexfracturedcoremodels.Theerrorsoftheconductivitytestmadeontheacid-etchedcoresandthe3Dprintedcores,thetestmadeonthe3Dprintedcoresaswellasthenumericalsimulationarealllessthan7.7%,andthe errors between the numerical simulation results and the carbonate core test results are less than 9.6%.The experiment andnumericalsimulationresultsobtainedunderlowclosurepressurescanbeusedtopredicttheconductivityofthefracturesunderhighclosurepressures.Thestudymethodproposedprovidesareliableapproachforquantitativelycharacterizingtheconductivityofacid-etchedfractures.KeywordsCarbonaterock;Acid-etchingfractures;3Dprinting;Flowconductivity 0引言碳 酸 盐 岩 油 气 资 源 分 布 全 球 且 储 量 约 占 全 球 可采 储 量的50.6%，其 主 要 增 产 手 段 为 酸 压，导 流 能力 是 酸 压 效 果 的 重 要 评 估 指 标。酸 蚀 裂 缝 导 流 能 力是 裂 缝 被 酸 液 侵 蚀 为 非 均 匀 沟 槽 而 形 成 的，其 随 机性 较 大，给 裂 缝 内 部 流 动 模 拟 带 来 不 小 困 难，此外，常 见 的 室 内 研 究 酸 蚀 裂 缝 导 流 能 力 方 式 往 往 不能 准 确 测 量 导 流 能 力 或 无 法 完 成 高 闭 合 压 力 下 的 导流 能 力 测 量。因 此 研 究 一 项 快 捷 方 便 的 预 测 高 闭 合压 力 下 导 流 能 力 的 综 合 技 术，可 视 化 展 现 裂 缝 内 流体 流 动，解 决 岩 石 尺 寸 效 应 引 起 的 问 题，可 为 优 化酸压方案提供理论依据和指导作用。目 前，国 内 外 学 者 在 裂 缝 导 流 能 力 方 面 的 研 究主 要 分 为 室 内 模 拟 和 导 流 能 力 预 测 模 型 两 大 类18，从 酸 蚀 形 态 和 导 流 能 力 方 面 对 酸 蚀 裂 缝 变 化 规 律 进行 表 征911。3D打 印 技 术 在 工 程 领 域 受 到 学 者 们重 视 和 运 用1215，恰 当 的 打 印 技 术 与 打 印 材 料 可 以显 著 减 小 尺 寸 效 应 带 来 的 影 响、增 加 打 印 精 度、模拟 岩 石 破 裂 机 制1620。尽 管 前 人 做 了 很 多 工 作，但是 由 于 室 内 设 备 环 境 限 制，目 前 尚 未 解 决 酸 蚀 导 流过程中高闭合应力下的相关问题。针 对 高 闭 合 应 力 下 酸 蚀 裂 缝 导 流 能 力 进 行 研究，通 过 对 不 同 裂 缝 形 态 岩 心 进 行 酸 蚀 实 验，利 用三 维 扫 描 构 建 酸 蚀 裂 缝 数 字 模 型 并 结合3D打 印 技术 制 备 岩 样；对 酸 蚀 岩 样和3D打 印 岩 样 进 行 不 同围 压 下 裂 缝 导 流 能 力 实 验，结 合 导 流 能 力 预 测 模 型编 制 软 件 界 面 完 成 数 值 模 拟 验 证；并 对 高 闭 合 压 力下 导 流 能 力 进 行 预 测。笔 者 综 合 采用3D扫 描 和3D打 印 技 术 以 及 受 压 情 况 下 裂 缝 闭 合 理 论 对 酸 蚀裂 缝 导 流 能 力 进 行 研 究,提 出 的 研 究 方 法 为 定 量 化表征酸蚀裂缝导流能力提供了可靠途径。1酸蚀裂缝导流能力预测方法研究1.1酸蚀实验仪 器：高 温 高 压 酸 岩 反 应 流 动 仪，江 苏 联 友 科研 仪 器 有 限 公 司；恒 压 恒 速 泵，联 友 科 技；电 热 鼓风 干 燥 机，绍 兴 苏 珀 仪 器 有 限 公 司；自 研 高 精 三 维扫描仪。药 品 与 材 料：20%盐 酸+1%缓 蚀 剂+1%铁 离子 稳 定 剂+1%助 排 剂+1%缓 速 剂；所 用 试 剂 为 分析纯，国药。实验所用岩心为碳酸盐储层岩心。实 验 方 法：实 验 条 件 模 拟 温度110；注 入 速度 方 面 为 了 使 裂 缝 的 渗 流 模 拟 更 具 可 靠 性，笔 者 将以 弗 劳 德 数 和 雷 诺 数 为 基 础 进 行 相 似 换 算，具 体 见式(1)、式(2)，计 算 结 果 如表1所 示；注 入 时 间15min；模拟压力对应围压2MPa20MPa。V2mAm V2SAS（1）(l2v2 gl3)1(l2v2 gl3)2（2）表1实验设计数据模拟参数 实际参数 实验室参数缝长（L）80m 50mm缝宽（w）10mm 2mm缝高（h）80m 25mm流量（Q）5m3/min 7.81mL/min 1.2裂缝导流能力数值模拟由 于 实 验 时 岩 心 具 有 裂 缝 不 透 明、壁 面 信 息 复杂、裂 缝 宽 度 难 以 观 测、单 元 导 流 能 力 无 法 量 化 等问 题，因 此，在 物 理 实 验 的 基 础 之 上，还 需 应 用 数126 钻井液与完井液 2024 年1 月