本发明涉及油气资源开发领域，特别是一种注水扩容膨胀施工参数优选的实验方法。
技术背景
世界上的油气资源大约70%分布在砂岩地层中，该类地层在我国的海上和陆上分布范围广，油藏储量大，产量指标在油气田开发中占有重要地位。砂岩油藏具有独特的地质及物性特征，经常出现砂堵现象，从而造成井筒附近渗透率的下降，进而油井产量受到影响。特别的，对于我国海上砂岩油藏，多数油井开采过程中易出现砂堵现象，对油气井危害极大，造成油井减产或停产作业，甚至油井报废。砂堵已成为影响油藏产能的突出问题之一。
注水扩容施工是缓解砂堵的一种解决方案，可到达缓解粉砂在井周堵塞污染的目的，同时注水扩容会在地层附近产生微裂缝，以改善储层物性和防止防砂层污染，进而可以提高产能。但现有技术中对注水膨胀扩容实验的探究不足，无法准确的预测不同地层条件下的最优的注水参数，更没有针对扩容参数的确定的优化分析，导致无法得到科学和实用的模型及结果来指导注水扩容施工。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明通过以下技术方案来实现，一种注水扩容膨胀施工参数优选的实验方法，包括以下步骤：s1：对储层岩石进行力学性质及物性参数的测试，得出所述岩石的粒度组成分布曲线、孔隙度、渗透率、应力-应变曲线和弹性参数；s2：制备出与所述储层岩石性质最吻合的人工岩样；s3：制备多个s2中所得的人工岩样，并将多个人工岩样分成若干组，每组包含两个人工岩样，在所述人工岩样的截面中心钻一井眼，下入模拟套管，用于模拟开采场景；s4：对s3中所得的人工岩样进行地层条件和污染带的模拟试验；
s5：对s4中所得的人工岩样进行注水扩容膨胀室内模拟试验，得出扩容的最佳注水参数；
s6：分析所述注水扩容膨胀室内模拟试验的结果并建立扩容方程；s7：对所述注水扩容膨胀室内模拟试验后形成的破裂面进行微观形态观察试验和分析；s8：根据所述岩石膨胀扩容方程及破裂面微观形态观察试验分析结果，建立一套数学模型，并作为建立数值模型的理论指导。
进一步的，所述步骤具体包括如下内容：
s1：储层岩石力学性质及物性参数的测试。试验测试目的层岩样的粒度，获得粒度组成分布曲线。试验测量岩样孔隙度、渗透率，并对对目的层岩样进行单/三轴抗压强度试验和单轴抗拉强度试验。通过试验得到的应力-应变曲线，分析得到储层岩石的弹性参数（包括弹性模量、泊松比、抗压强度、残余强度、体积应变、扩容率、剪胀角、内摩擦角、内聚力、抗剪强度等）；
s2：制备出与所述储层岩石性质最吻合的人工岩样。依据s1中所得粒度组成分布曲线，制备多组各种粒度石英砂不同占比的岩样。试验测试所制岩样的物性参数和力学性质参数，包括岩样的孔隙度、渗透率、应力-应变曲线和弹性参数，分别与s1中所测储层岩石物性参数和力学性质参数做比较。分析得到一组与储层岩石物性最吻合的石英砂颗粒粒径占比情况。
s3：制备符合开采场景的人工岩样。利用s2中所确定的最佳石英砂颗粒粒径配比，制备多组相同性质岩样。在岩样截面中心钻一微小井眼，下入模拟套管，在模拟套管底部均匀钻孔模拟真实地层射孔孔眼。
s4：岩样的地层条件及污染带的模拟。从岩样顶部截面注入清水，注入压力为目的层孔隙压力，一直保持孔隙压力至试验结束。同时，为岩样设置地层温度。岩样污染带模拟是用放射性同位素示踪剂标记的粉砂混合物流体来模拟四组相同性质岩样中的每组两个岩样污染程度不同的情况。
s5：进行注水扩容膨胀室内模拟试验。分别进行恒定压力的低流速扩容室内模拟试验、恒定流量的低流速扩容室内模拟试验、不同频率下的循环水压力扩容室内模拟试验，步骤如下：s51：向s4中所得的人工岩样的模拟井眼进行注水试验，所述试验分别在不同的注水参数下进行，所述注水参数包括注水压力、注水流量和注水频率；s52：根据人工岩样的应力应变和渗透率，分析出最佳注水压力、最佳注水流量和最佳注采时间比。其中，不同频率下的循环水压力扩容室内模拟试验分别在所述最佳注水压力和最佳注水流量的条件下进行。
s6：扩容膨胀试验结果分析及扩容方程的建立。连续记录三类扩容膨胀试验结果，对扩容膨胀试验结果进行分析，确定注入参数与岩石应力-应变、渗透率之间的匹配关系，建立岩石膨胀扩容条件下的方程，为数学模型的建立提供基础理论指导。
s7：扩容膨胀后破裂面（微裂缝）微观形态试验，利用计算机控制x光断层扫描技术观察三类扩容试验后岩样内部结构和不同污染程度岩样试验后的扩容区大小，得到微裂缝形态、位置的可视化描述等一系列观察结果，并对试验结果加以比较分析。
s8：建立疏松砂岩储层注水扩容膨胀数学模型及数值模型。根据岩石膨胀扩容方程及破裂面微观形态观察试验分析结果，建立一套数学模型，并作为建立数值模型的理论指导。建立温度-渗流-应力耦合的水力扩容数值模型，试验结果和数值模型结果进行比较，互相验证。最后，应用模型对不同的目的层进行水力参数确定，通过改变注入参数，计算分析后得最佳的注水扩容膨胀方案。
本发明的优点在于：
（1）本实验方案立足于还原真实的地层条件：通过地层条件的室内模拟实验与温度-渗流-应力耦合的数值模拟相结合的方法，模拟不同地层在不同注入条件下的应力-应变及渗透率变化，使得实验环境和实际情况相吻合，保证了实验结果的准确性；
（2）本实验方案采用破裂面观察实验对已建立的模型进行验证：建立注入参数与岩石应变、孔隙度、渗透率之间的数学模型，探寻具体的最佳注水压力、注水流量和注采时间比，并采用扩容破裂面的观察实验去验证和优化最佳注入参数，进一步确保模型的准确性；
（3）本实验方案考虑到实际开采中的注水问题：本方案研究在最佳注水压力和最佳注水流量下，注入时间和采出时间的最佳比值，这样更符合油田实际情况，使得实验模型更具科学性和实用性。
综上，本方案为注水扩容施工提供了最佳的优化方案和理论依据，可更方便快速准确地进行砂岩疏松施工。
附图说明
图1为本发明的试验中的应力-应变曲线图；
图2为本发明的试验设备中测试岩心模具原理图；
图3为本发明的试验中φ100mm×100mm大岩样模型图；
图4为本发明的试验设备中三轴岩石力学测试系统原理图；
图5为本发明的试验中扩容前的粉砂污染模型图；
图6为本发明的试验中轴向应力-应变关系和岩心渗透率-应变关系曲线；
图7为本发明的试验中扩容后污染分布剖面图；
图8为本发明的试验中扩容破裂面等高值线；
图9为本发明的试验中微裂缝形态、位置的可视化描述图；
图10-11分别为本发明的试验中试样颗粒胶结程度及孔缝分布表征图；
图12为本发明建立的砂岩储层水力扩容几何模型图；
图13为本发明中模型计算结果部分截图；
图14为本发明的实验结果中孔隙度随注入时间的变化曲线；
图15为本发明的实验中不同角度有效应力的变化曲线；
图16为本发明的实验流程图。
图2中：21-上夹持盘，22-岩心模具本体，23-下夹持盘，24-岩心压杆；
图3中：31-模拟套管，32-模拟孔眼；、
图4中：101-储油罐，102-轴压泵，103-轴压控制装置，201-空气压缩泵，202-储气罐，203-恒温恒压装置，301-活塞，302-高压釜体，303-进气口，304-排气口，305-岩心夹持器，306-自粘密封带，307-第一橡胶密封垫，308-全直径岩心，309-岩心中孔，310-第二橡胶密封垫，401-进口压力显示及传感器，402出口压力显示及传感器，403-旋进旋涡气体流量计，404-数据采集卡，405-数据输出显示，501-过滤器，502-高温烤箱，503-电子天平；
图5中：51-扩容前的细粉砂堵塞带；
图6中：61-应力应变曲线，62-渗透率应变曲线；
图7中：71-微裂缝，72-主裂缝，73-扩容后的细粉砂堵塞带；
图12中：p1-周向孔隙压力，p2-上覆岩层压力。
具体实施方式
一种注水扩容膨胀施工参数优选的实验方法，包括以下步骤：s1：对储层岩石进行力学性质及物性参数的测试，得出所述岩石的粒度组成分布曲线、孔隙度、渗透率、应力-应变曲线和弹性参数；s2：制备出与所述储层岩石性质最吻合的人工岩样；s3：制备多个s2中所得的人工岩样，并将多个人工岩样分成若干组，每组包含两个人工岩样，在所述人工岩样的截面中心钻一井眼，下入模拟套管，用于模拟开采场景；s4：对s3中所得的人工岩样进行地层条件和污染带的模拟试验；s5：对s4中所得的人工岩样进行注水扩容膨胀室内模拟试验，得出扩容的最佳注水参数；s6：分析所述注水扩容膨胀室内模拟试验的结果并建立扩容方程；s7：对所述注水扩容膨胀室内模拟试验后形成的破裂面进行微观形态观察试验和分析；s8：根据所述岩石膨胀扩容方程及破裂面微观形态观察试验分析结果，建立一套数学模型，并作为建立数值模型的理论指导。如图16所示：
s1：储层岩石物性及力学特性参数的测试，具体实验步骤如下：
s11：利用取芯钻头取出目的层的岩心，加工成若干规格为φ25mm×100mm的微小岩样。需要说明的是，岩样规格只要符合国标和实验设备的要求即可，本发明不对岩样规格做限定。
s12：把微小岩样加工研磨为大约30微米厚度的薄片，利用超长焦距连续变焦视频显微镜对二维薄片的单个颗粒横截面的长轴尺寸进行测量，从而确定岩样粒径的大小。绘制粒度组成分布曲线，分析确定不同粒度颗粒所占比例情况。
s13：利用西南石油大学高温高压岩石多参数测量仪测量微小岩心孔隙度和渗透率，通过电脑记录仪记录测量结果。
s14：对微小岩心进行抗压强度试验，先将目标区块储层岩心加工成规格为φ25mm×100mm的微小岩心，进行包括单轴抗压强度和储层温压条件下的三轴抗压强度的试验。采用rtr-1000高温高压三轴岩石力学测试系统，针对目标区块微小岩心开展抗压强度试验。
s15：对微小岩心进行抗拉强度试验，将目标区块储层岩心加工成规格为φ25mm×100mm且两端平整的扁圆柱体，然后在三轴试验机上进行巴西圆盘试验直到试样破坏。
通过以上s14、s15两项试验，分析应力-应变曲线，如图1所示，获取弹性模量、泊松比、抗压强度、残余强度、体积应变、剪胀角、内摩擦角、内聚力、抗剪强度等岩石性质参数。
s2：制备出与所述储层岩石性质最吻合的人工岩样，具体实验步骤如下：
岩样的制备。依据s1中所得粒度组成分布曲线，在每一颗粒直径区间所对应的颗粒重量占比不变的情况下，对每一粒径区间内的颗粒粒径组成进行调整，形成多组各种粒度石英砂不同分布的情况。然后制备多组各种粒度石英砂不同占比的岩样。岩样制备的操作步骤如下：
将每组不同占比的石英砂混合，按照石英砂与胶结物的基本配比加入一定量的磷酸铝胶结剂，均匀搅拌，然后放入φ25mm×100mm的岩心模具中，如图2所示。先用压杆手工压实，然后加力4.9kn，压力持续时间5min。卸下，取出岩样烘干。烘干后，温度升至500℃进行烧结，持续恒温8h。最后停火，炉内自然降温。
石英砂粒径配比的确定。按照s1同样的方式测试所制每组岩样的孔隙度、渗透率、抗拉强度、抗压强度等力学性质参数，所得实验结果与s1中所测储层岩石的物性参数、力学参数对比。分析得到一组与储层岩石物性最吻合的石英砂制备岩样，确定不同粒径的石英砂颗粒最佳配比。
s3：制备符合开采场景的人工岩样。利用s2中所确定的最佳石英砂颗粒粒径配比，制备多组相同性质岩样。在岩样截面中心钻一微小井眼，下入模拟套管，在模拟套管底部均匀钻孔模拟真实地层射孔孔眼，具体步骤如下：
s31：依据s2所确定的不同粒径石英砂最佳配比值，用和s2(1)同样的方法制备abcd四组性质相同的岩样，每组两个，规格均为φ100mm×100mm。
s32：在每组岩样截面中心钻一φ10mm×80mm的小孔，制作与小孔同等规格的薄壁钢管作为模拟套管，钢管底部钻一些均匀分布的小孔模拟射孔孔眼。把模拟套管旋转下入微小模拟孔眼中，结果如图3所示。
需要说明的是，该步骤中岩样的规格是依据本实施例中改进的实验设备来设置，只要符合扩容实验设备的要求的规格即可。钻孔的大小是根据现场井与油藏的比例设置，没有严格标准。
s4：岩样的地层条件及污染带的模拟，具体步骤如下：
把s3所制备的四组岩样放入改进的三轴岩石力学测试系统的三轴室中，改进的三轴岩石力学测试系统原理图，如图4所示。通过液体注入系统从岩样顶部截面注入清水，注入压力为目的储层的孔隙压力，孔隙压力一直持续加至注水扩容膨胀试验结束。同时给岩样施加轴压和围压，从而实现围压孔压条件下饱和流体，并施加温度目的地层温度。
在注入清水压力达到孔压后，从模拟井眼中注入用放射性同位素示踪剂标记的粉砂混合物流体，同时测量岩样的渗透率变化。为模拟不同的污染程度，设置两个不同的渗透率a、b,其中a>b。本实施例中设定渗透率a、b分别为0.4和0.2，abcd四组岩样中的每两个岩样渗透率分别达到设定的渗透率时，停止注粉砂。四组岩样污染模拟程度如表1所示，模拟不同渗透率下模拟污染程度不同的岩样，污染带模型图如图5所示。
表1
s5：进行注水扩容膨胀室内模拟试验。
（1）恒定压力的低流速注水扩容膨胀室内模拟试验。试验过程中，对已经模拟了污染带的四组岩样持续同步施加相同的径向、轴向压力，向每组不同污染程度的岩样的模拟井眼中注入清水，注入压力分别为：a组为50%的围压，b组为75%的围压，c组为95%的围压，d组为120%的围压，长时间（48h）通过注水设备向岩心中注入流体来产生扩容区，试验过程中连续记录轴向、径向应力及应变和岩心渗透率，对试验结果的分析，得出最佳的扩容压力。
（2）恒定流量的低流速注水扩容膨胀室内模拟试验。另取四组岩样，对四组试验持续同步施加相同的径向、轴向压力，对每组不同污染程度的岩样注入不同的流量，分别为：0.1ml/min，0.5ml/min，2ml/min以及10ml/min，长时间（48h）向岩芯中注入流体来产生扩容区，试验过程中连续记录轴向、径向应力及应变和岩心渗透率，对试验结果的分析，得出最佳的扩容流量。
（3）不同频率下的循环水压力扩容膨胀室内模拟试验。它包括不同频率下的循环恒定压力的低流速扩容膨胀室内模拟试验和不同频率下的循环恒定流量的低流速扩容膨胀室内模拟试验。
（a）对于不同频率下的循环恒定压力的低流速扩容膨胀室内模拟试验，试验过程中，对四组试验持续同步施加相同的径向、轴向压力。用在s5(2)恒定压力的低流速扩容膨胀室内模拟试验中得到的扩容效果最好的注水压力当做每组试验的径向流压。对每组不同污染程度的岩样改变注采时间比例（a组，注48h:采12h；b组，注48h:采24h；c组，注48h:采36h；d组，注48h:采48h），长时间（48h）向岩芯中注入流体来产生扩容区。
（b）对于不同频率下的循环恒定流量的低流速扩容解堵室内模拟试验，试验过程中，对四组试验持续同步施加相同的径向、轴向压力。用s5(3)恒定流量的低流速扩容膨胀室内模拟试验中得到的扩容效果最好的注水流量作为每组试验的径向注入流量，对每组不同污染程度的岩样改变注采时间比例（a组，注48h:采12h；b组，注48h:采24h；c组，注48h:采36h；d组，注48h:采48h），长时间（48h）向岩芯中注入流体来产生扩容区。
s6：扩容膨胀试验结果分析及扩容方程的建立。试验过程中，连续记录三类扩容膨胀试验的轴向、径向应力-应变和岩心渗透率，如图6所示，对扩容试验结果建立注入参数与岩石应力-应变、渗透率之间的匹配关系。分析后得出最佳扩容压力、最佳的扩容流量、最佳的注采时间比，根据试验分析结果建立岩石膨胀扩容条件下的方程，为数学模型的建立提供理论指导。
s7：扩容膨胀后破裂面（微裂缝）微观形态试验。注水扩容膨胀试验结束后，取出岩样。对不同频率下的循环水压力扩容解堵室内模拟试验后的岩样进行观察。使用三维重构成像x射线显微镜，利用计算机控制x光断层扫描技术进行如下观察：
（1）观察恒定压力的低流速扩容膨胀室内模拟试验后岩样的扩容剖面分散情况。计算微裂缝密度，分析各试验参数与岩石孔隙度、渗透率、裂缝参数的变化关系，确定扩容效果最佳的注水压力。
（2）观察恒定流量的低流速扩容膨胀室内模拟试验后岩样的破裂扩容面的变化，分析岩石的孔隙度、渗透率的变化，确定扩容效果最佳的注入流量。
（3）观察不同频率下的循环水压力扩容膨胀室内模拟试验后岩样的破裂扩容面，比较循环恒定压力的低流速扩容膨胀室内模拟试验岩样和循环恒定流量的低流速扩容膨胀室内模拟试验岩样的破裂面扩容解堵情况，为后面数值模型的建立提供最佳的循环水压力扩容膨胀实施方案。
（4）对扩容试验中每组不同污染程度岩样的污染带扩容剖面进行观察，对比不同污染程度下的扩容情况。
通过对三类扩容试验岩样微裂缝的变化，计算不同扩容条件下的微裂缝密度，建立各试验参数与岩石孔隙度、渗透率、裂缝参数的变化关系。试验观察结果如下：扩容剖面分散情况（如图7所示），破裂面高度等值线图（如图8所示），微裂缝形态、位置的可视化描述（如图9所示）。扩容后试样颗粒胶结程度及孔缝分布表征（如图10-11所示）。
s8：建立疏松砂岩储层扩容膨胀数学模型及数值模型。根据破裂面微观形态观察试验分析结果及岩石膨胀扩容方程建立数学模型。利用s6中建立的岩石膨胀扩容方程先定性描述注入参数与岩石应变、孔隙度、渗透率之间的比例关系，再用s7中微观形态观察实验结果对比例关系进行验证，建立一套注水扩容膨胀数学模型，为建立注水扩容膨胀数值模型提供理论基础。
根据现场储层参数，应用建立的数学模型求得最佳注水扩容参数，从井筒尺度出发，建立温度-渗流-应力耦合的注水扩容膨胀数值模型，其具体方法为：
（1）用有限元分析软件，建立井筒尺度砂岩储层水力扩容解堵几何模型如图12所示；
（2）依据s1试验所测得的岩石力学参数，定义模型的材料属性；
（3）对模型进行网格划分，定义单元属性，对于模拟污染区进行网格加密；
（4）依据现场储层资料，对模型施加边界条件、载荷和温度；
（5）定义扩容参数，对试验s6所得的扩容参数按照几何模型井眼截面与岩样模拟井眼截面的比例进行放大，再对模型定义放大后的扩容参数；
（6）提交模型计算，计算结果云图，如图13所示；
（7）通过将温度-渗流-应力耦合的水力扩容数值模型的计算结果，与注水扩容膨胀室内试验结果进行对比，不断修正数值模型，直至该模型能够与注水扩容膨胀室内试验结果互相验证。
经过试验结果验证的温度-渗流-应力水力扩容数值耦合模型，分别在油田不同目的层进行应用。先在模型中输入目的层地质力学参数（包括岩石力学参数、地层井筒附近应力环境等）。然后通过改变水力扩容注入参数，计算与之对应的孔隙度、渗透率、微裂缝密度等参数的变化（如图14和图15所示），在不压漏井壁的前提下，以孔隙度、渗透率增大效果最佳为目的，确定不同岩石力学参数条件下的扩容注水施工参数，并用实验结果对注入施工参数进行优化，得出最佳的扩容注入方案。
以上所述仅是本发明的实验方案及数值模型建立实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
需要说明的是，对于前述的各个方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。