CN104777035A - 一种基于单轴强度实验的页岩可压性综合评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于单轴强度实验的页岩可压性综合评价方法。它包括以下步骤：①取岩心试样进行单轴抗压强度测试，测弹性参数，绘应力-应变曲线图；②计算归一化弹性模量、归一化泊松比，求得脆性指数；③获取应力应变曲线上关键点，计算应力应变曲线形态指数；④获取固定后试样侧面裂缝分布图，通过盒维数法计算裂缝分布指数；⑤用筛网和天平测得不同尺度下崩落碎片质量分布，求得块度分布指数；⑥求得的脆性指数、应力应变曲线形态指数、裂缝分布指数、碎片块度分布指数取算数平均值得到综合可压性指数。该方法用于评价页岩压后形成缝网的能力，不仅实验简便易行，而且后期处理直观简单，适用于室内评价及油田现场应用。

Description

一种基于单轴强度实验的页岩可压性综合评价方法

技术领域

本发明涉及一种基于单轴强度实验的页岩可压性综合评价方法，属于石油开发的技术领域。

背景技术

开发页岩气是我国能源战略的重大需求，但不同于美国页岩气开发情况，我国页岩气具有赋存复杂，开发难度大的特点，特低孔隙度、超低渗透率、高黏土含量、埋藏更深、地形更复杂等成为制约我国页岩气开发的主要因素；长水平井大规模水力压裂成为页岩气开发的必要手段。研究发现，页岩的初始损伤程度和脆性对压裂的效果影响显著，也是评价页岩储层力学特性的关键指标，还对井壁的稳定性产生显著的影响，因此对页岩储层进行可压性评价尤为重要。

不同于现场数据评价，室内页岩的可压性评价具有测试评价周期短、费用少、代表性强等特点。但现有的页岩可压性室内评价技术大多采用的是基于脆性矿物组分、弹性参数等单一的脆性指标，难以反映页岩的初始损伤复杂、层理极为发育、成分非均质、力学非线性等特性，造成了钻井过程中井下事故频发、体积压裂效果差等后果，严重制约了我国页岩气的勘探开发。因此，现阶段急需一种通过室内实验来综合评价页岩可压性的方法。

发明内容

本发明的目的在于为了有效评价页岩储层可压性，克服现有技术仅针对影响缝网形成的单一因素进行分析或实验条件的缺乏，提供一种基于单轴强度实验的页岩可压性综合评价方法。本方法简单且有效。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

本发明一种基于单轴强度实验的页岩可压性综合评价方法，该方法包括以下步骤：

①取目的层页岩岩心或露头岩样加工为直径25mm高40-50mm的标准圆柱试样，磨平端面，置于伺服实验机内进行单轴抗压强度试验至试样失效破坏，并实时记录应力应变数据，记录试样的弹性模量、泊松比，绘制应力-应变曲线图；

②将测得的弹性模量、泊松比结合本区块弹性模量、泊松比极值计算出归一化弹性模量和归一化泊松比，根据Rickman经典方法加权平均求得脆性指数；

③在应力-应变曲线图中获取峰值强度、峰值应变、残余强度、残余应变参数，求得峰前形态系数、应力跌落相对幅度和应力跌落速率，并按加权平均计算得到应力应变曲线形态指数；

④为防止碎裂后试样散落先将其固定为一整体，通过拓印或扫描的方式得到试样侧面裂缝分布图并在方格纸上展开，通过盒维数法计算得到裂缝迹长分维值，取其的一半为裂缝分布指数；

⑤解除固定，得到试样的崩落碎片，使用不同孔眼大小的筛网筛选和电子天平称量得到不同尺度下的崩落碎片质量分布，在双对数坐标上采用最小二乘法线性回归计算求得崩落碎片块度分维值，取其三分之一为碎片块度分布指数；

⑥对求得的脆性指数、应力应变曲线形态指数、裂缝分布指数、碎片块度分布指数取算数平均值得到综合可压性指数，其值越大该试样所代表的页岩储层可压性越好，缝网形成能力越强。

本发明用于综合评价页岩的可压性，具有以下优点：1、考虑了页岩的弹性参数，认为弹性模量大、泊松比小的页岩脆性更强；2、考虑了屈服应变的相对大小和屈服后应力降落的绝对速率，认为峰值应变越小的页岩，越容易在较小的应力加载下发生屈服破坏、产生裂缝；3、考虑了页岩的初始裂缝分布和层理发育情况，认为页岩单轴强度实验后试样表面裂缝分布情况反映了页岩初始损伤和层理结构，压后试样表面裂缝越多、分布越复杂、崩落碎片小而多，该页岩的可压性越好；4、承认页岩作为一种非均质复杂自然材料，其天然损伤和微观结构分布近似符合分形规律，裂缝迹长分维值和块度分维值可以较好地定量表征裂缝和崩落碎片分布的复杂程度；5、实验过程简便易行，对仪器设备要求不高，大多数页岩储层都会取芯或取露头分析，实验条件容易实现；6、数据处理方便易操作。

该方法综合体现了页岩脆性和初始损伤，用于评价页岩压后形成缝网的能力，不仅实验简便易行，而且后期处理直观简单，适用于室内评价及油田现场应用。

附图说明

图1为本发明一种基于单轴强度实验的页岩可压性综合评价方法的技术方案流程示意图；

图2为本发明的应力应变曲线分析示意图；

图3为本发明的试样侧面裂缝分布盒维数网格分析图；

图4为本发明的试样侧面裂缝迹长分维计算示意图；

图5为本发明的崩落碎片块度分维计算示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明一种基于单轴强度实验的页岩可压性综合评价方法，该方法包括以下步骤：

①取目的层页岩岩心或露头岩样加工为直径25mm高40-50mm的标准圆柱试样，磨平端面，置于伺服实验机内进行单轴抗压强度试验至试样失效破坏，实时记录应力应变数据，记录试样的弹性模量、泊松比，绘制应力-应变曲线图。

②将测得的弹性模量E、泊松比v结合本区块弹性模量、泊松比极值计算出归一化弹性模量E_n和归一化泊松比v_n，根据Rickman经典方法(式1)加权平均求得脆性指数F₁，其中E_max、E_min和v_max、v_min分别为研究区块弹性模量和泊松比的极值；

$\begin{array}{c}{F}_1=(E_n+v_n)/2\\ E_n=\frac{E-E_{\max }}{E_{\max }-E_{\min }}\\ v_n=\frac{v_{\max }-v}{v_{\max }-v_{\min }}\end{array}---\left(1\right)$

这里认为弹性模量越大、泊松比越小，页岩脆性越强，可压性即越好，脆性指数F₁可以定量描述页岩的脆性对可压性的贡献。

③如图2，在应力-应变曲线图中获取峰值强度τ_p、峰值应变ε_p、残余强度τ_r、残余应变ε_r，根据式(2)求得应力应变峰前形态系数B₁、峰后应力跌落相对幅度B₂和应力跌落绝对速率B₃，并按加权平均计算得到应力应变曲线形态指数F₂；

$\begin{array}{c}{F}_2=(B_1+B_2+B_3)/3\\ B_1=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\max }-\mathrm{\ϵ}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\max }-{\mathrm{\ϵ}}_{\min }}\\ B_2=\frac{{\mathrm{\τ}}_p-{\mathrm{\τ}}_r}{{\mathrm{\τ}}_p}\\ B_3=\frac{\lg \left|k\right|}{10}\\ k=\frac{{\mathrm{\τ}}_p-{\mathrm{\τ}}_r}{{\mathrm{\ϵ}}_p-{\mathrm{\ϵ}}_r}\end{array}---\left(2\right)$

研究表明，应力应变曲线是页岩力学性质的基本表现。且峰值强度处应变越小，页岩发生屈服破坏的阈值越小，更容易在低应力应变条件下发生破裂，即可压性越好。另一方面，应力从峰值强度跌落至残余强度最终趋于平缓的过程中，应力跌落的相对幅度越大(即跌落的应力幅度与峰值应力的比值)，且跌落速率越快(即峰后应力降落曲线斜率越大)，则脆性越强，在应力作用下越容易产生连通性较好的缝网，可压性越强。

④为防止碎裂后试样散落先将其固定为一整体，通过拓印或扫描的方式得到试样侧面裂缝分布图并在方格纸上展开，通过盒维数法计算得到裂缝分维值D₁，取D₁的一半为裂缝分布指数F₃。

已有研究表明岩石断裂与变形行为具有分形特征，且满足式(3)，

lg N(δ)＝lg A-D₂lgδ           (3)

实际操作过程如图3采用边长δ为的正方形网格覆盖所有裂缝，统计包含有裂缝的方格数目，记为N(δ)，逐步改变正方形方格的边长δ统计相应的N(δ)，求得N(δ)-δ后再取对数，如图4将得到的lgN(δ)-lg(δ)在坐标系中采用最小二乘法对数据作回归分析，其回归直线斜率的相反数即为岩芯上裂缝分布的分维数值D₁，其中1<D₁<2，即可得到F₃。

这里认为单轴实验压后试样的表面裂缝是页岩复杂缝网在二维平面上的集中体现，页岩初始损伤越严重，破裂后形成的缝网连通性越好、越复杂，其侧面裂缝也必定越弯曲复杂，且裂缝迹长分维数可定量描述裂缝的复杂程度。因此，采用裂缝分布指数评价页岩可压性具有重要的意义。

⑤解除固定，得到试样的崩落碎片，使用不同孔眼大小的筛网筛选和电子天平称量得到不同尺度下的崩落碎片质量分布，如图5在双对数坐标上采用最小二乘法线性回归计算(如式(4))求得崩落碎片块度分维值D₂，取D₂的三分之一为块度分布指数F₄。

$\lg \left(\frac{M\left(r\right)}{M}\right)=(3-D_2)\lg \left(r\right)+b---\left(4\right)$

其中为通过筛网筛出的直径小于r的岩块的质量占总质量的百分比，r为筛网(即不同等级下岩块)的尺寸，(3-D₂)为回归直线的斜率，1<D₂<3，b为回归直线的截距。

研究发现，岩石在受到冲击压碎破裂后的崩落碎片分布情况与其内部初始损伤密切相关，且碎块分布具有分形特征。碎块分布是页岩内部缝网在三维空间展布特征的直接体现，且该分布也具有分形特征，页岩初始损伤越严重，页岩脆性越强，则碎片多而尺度小，此时页岩破碎程度高，可压性越好，在水力压裂时更容易形成沟通性较好的缝网。

⑥对求得的F₁、F₂、F₃、F₄取算数平均值得到综合可压性指数F，如式(5)所示，F值越大该试样所代表的页岩储层可压性越好，缝网形成能力越强。

$F=\frac{F_1+F_2+F_3+F_4}{4}---\left(5\right)$

本发明用于综合评价页岩的可压性，具有以下优点：(1)考虑了页岩的弹性参数，认为弹性模量大、泊松比小的页岩脆性更强；(2)考虑了屈服应变的相对大小和屈服后应力降落的绝对速率，认为峰值应变越小的页岩，越容易在较小的应力加载下发生屈服破坏、产生裂缝；(3)考虑了页岩的初始裂缝分布和层理发育情况，认为页岩单轴强度实验后试样表面裂缝分布情况反映了页岩初始损伤和层理结构，压后试样表面裂缝越多、分布越复杂、崩落碎片小而多，该页岩的可压性越好；(4)承认页岩作为一种非均质复杂自然材料，其天然损伤和微观结构分布近似符合分形规律，裂缝迹长分维值和块度分维值可以较好地定量表征裂缝和崩落碎片分布的复杂程度；(5)实验过程简便易行，对仪器设备要求不高，大多数页岩储层都会取芯或取露头分析，实验条件容易实现；(6)数据处理方便易操作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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。

Claims (1)

1.一种基于单轴强度实验的页岩可压性综合评价方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

①取目的层页岩岩心或露头岩样加工为直径25mm高40-50mm的标准圆柱试样，磨平端面，置于伺服实验机内进行单轴抗压强度试验至试样失效破坏，并实时记录应力应变数据，记录试样的弹性模量、泊松比，绘制应力-应变曲线图；

②将测得的弹性模量、泊松比结合本区块弹性模量、泊松比极值计算出归一化弹性模量和归一化泊松比，根据Rickman经典方法加权平均求得脆性指数；

③在应力-应变曲线图中获取峰值强度、峰值应变、残余强度、残余应变参数，求得峰前形态系数、应力跌落相对幅度和应力跌落速率，并按加权平均计算得到应力应变曲线形态指数；

④为防止碎裂后试样散落先将其固定为一整体，通过拓印或扫描的方式得到试样侧面裂缝分布图并在方格纸上展开，通过盒维数法计算得到裂缝迹长分维值，取其的一半为裂缝分布指数；

⑤解除固定，得到试样的崩落碎片，使用不同孔眼大小的筛网筛选和电子天平称量得到不同尺度下的崩落碎片质量分布，在双对数坐标上采用最小二乘法线性回归计算求得崩落碎片块度分维值，取其三分之一为碎片块度分布指数；

⑥对求得的脆性指数、应力应变曲线形态指数、裂缝分布指数、碎片块度分布指数取算数平均值得到综合可压性指数，其值越大该试样所代表的页岩储层可压性越好，缝网形成能力越强。