CN115600425B - 一种基于蛭石热膨胀致裂的页岩可压性评价装置及方法 - Google Patents

一种基于蛭石热膨胀致裂的页岩可压性评价装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于蛭石热膨胀致裂的页岩可压性评价装置及方法，应用于非常规页岩油气开发领域，针对目前采用的页岩可压性评价实验普遍存在实验设备操作复杂，实验成本高，不能直接获得页岩可行性评价的问题，本发明通过温度变化控制蛭石与氧化镁混合物以0.02MP/s对页岩试样进行致裂，获得页岩试样裂缝最大变形量和破裂应力峰值，统计实验后页岩破碎块数，利用CT扫描和盒维数的网格覆盖法分别获得CT数和分形维数，将以上数据代入公式F＝β1ε+β2θ+β3σ+β4n可直接计算出页岩可压性指数。

Description

一种基于蛭石热膨胀致裂的页岩可压性评价装置及方法
技术领域
本发明属于非常规页岩油气开发技术领域，特别涉及一种页岩可压性评价装置及方法。
背景技术
随着我国浅层常规油气的开采，其常规油气含量日益减少，油气生产逐渐转向深层非常规油气开采，非常规油气资源可采储量中页岩油气可采储量占63％，因此非常规页岩油气生产占主导地位，页岩的可压性评价对非常规油气田压裂设计改造具有重要的指导意义，目前对页岩可压性评价主要还是通过实验测量其矿物成分、泊松比、杨氏模量和脆性指数、断裂韧性等方法进行页岩可压性分析，以上页岩可压性评价方法它们主要存在以下两个方面缺点：
(1)目前页岩可压性分析评价都要通过大量的实验获得，如三轴、剪切和巴西劈裂等实验，都是通过分析页岩的力学性质间接地来获取页岩可压性评价。
(2)实验仪器设备复杂、操作困难、取样困难、实验周期长、耗材大、需要投入大量的财力、人力和物力等缺点。
基于上述原因，亟需发明一种简便高效的页岩可压性评价装置及方法，降低实验成本，简化实验步骤，提高实验的可靠性。
发明内容
为解决上述技术难题，本发明提出一种基于蛭石热膨胀致裂的页岩可压性评价装置及方法，能直接获取页岩可压性评价，并显著提高实验的效率，降低实验成本。
本发明采用的技术方案之一为：一种基于蛭石热膨胀致裂的页岩可压性评价装置，包括：上盒、下盒、页岩试样、蛭石与氧化镁混合物、裂缝监测***、应力监测***、温度控制***；
所述页岩试样置于上盒与下盒之间，上盒与下盒通过下盒上的四颗螺栓固定；
所述页岩试样包括装样室，所述蛭石与氧化镁混合物填充在装样室中；
所述页岩试样与裂缝监测***、压力监测***和温度控制***连接；
裂缝监测***包括：应变片，所述应变片粘贴在页岩试样在实验过程中可能产生裂缝的地方，用于当页岩试样产生裂缝时采集裂缝最大变形量。
温度控制***包括：加热棒和温度计，所述加热棒用于给蛭石与氧化镁混合物加热，所述温度计用于监测页岩试样致裂整个过程蛭石与氧化镁混合物的温度。
压力监测***包括：应力传感器，所述应力传感器埋在蛭石与氧化镁混合物中，用于采集蛭石与氧化镁混合物因受热而产生膨胀应力的大小。
本发明采用的技术方案之二为：一种基于蛭石热膨胀致裂的页岩可压性评价方法，包括：
S1、加工页岩试样；将获取的井下岩心沿垂直层理面进行切割，加工成管状体标准页岩试样，同时加工与管状体标准页岩试样一样的铁质模具，对蛭石进行打磨，打磨后将蛭石与氧化镁按体积比1：3进行均用混合；
S2、确定膨胀混合物膨胀应力与温度关系；
根据铁质模具的装料室体积、加热棒体积、应力传感器体积、温度计体积计算出所需蛭石与氧化镁的混合物体积；将铁质模具放置下盒，将应力传感器、温度计和加热棒放入铁质模具的装料室中；蛭石和氧化镁混合物放入铁质模具的装料室中，通过下盒螺栓与上盒连接使铁质模具固定；按照设定的温度梯度对蛭石和氧化镁混合物进行加热，并测量每个温度梯度下蛭石产生的体积膨胀应力，获得蛭石和氧化镁混合物致裂应力与温度的关系；
S3、设备安装准备；将加工好的页岩试样放置下盒，装料室内壁涂上隔热胶，加热棒放置装料室中间，温度计和应力传感器分别放在加热棒两侧，根据S2计算出的蛭石与氧化镁混合物的体积量填满装料室，在主裂缝可能的扩展路径上粘贴应变片，通过下盒上的螺栓连接上盒固定页岩试样；
S4、膨胀混合物加热；将加热棒初始温度设置为室温，通过步骤S2获得蛭石与氧化镁混合物膨胀应力与温度关系，控制加热棒的温度来控制蛭石与氧化镁混合物产生的膨胀应力的大小，实现膨胀混合物产生的膨胀应力以0.02MPa/s(消除动荷载对页岩试样的影响)对页岩试样施加应力，直至应力传感器读数由峰值骤降为0，此时页岩试样产生裂缝，停止加热；
S5、数据收集；
统计实验后页岩的破碎块数；将实验后的破碎的页岩拼接成整体从上到下间隔1cm水平切割5份页岩切片，利用盒维数网格覆盖二维统计方法建立边长为δ的正方形网格覆盖整个实验后页岩岩心切片，统计有裂缝的正方形的数目，然后将含有裂缝正方形再分为边长为δ/2的4个相同的正方形，以此类推每次划分正方形的边长为上一次划分正方形边长的1/2，统计相应的N(δ)，N(δ)＝Aδ-D，式中为A裂缝面分布初值，其数值等于岩石中面积大于2δ的裂缝个数，D为裂缝分布的分形维数，对N(δ)＝Aδ-D两边取对数,然后采用最小二乘法对统计数据作回归分析，获取回归直线的斜率为岩芯上裂缝分布的分形维数，依次测完5份页岩切片取其分形维数平均值作为实验后页岩的分形维数；将实验后的产生裂缝的5份页岩岩心切面进行CT三维形貌扫描获取CT数取其均值作为整块页岩试样的CT数；根据裂缝监测***和应力监测***获得页岩试样产生裂缝的最大变形量和峰值应力。
S6、数据处理；
将步骤S5获取的实验后页岩的破碎块数、分形维数、CT数、裂缝的最大变形量和页岩的破裂峰值应力，代入F＝β1ε+β2θ+β3σ+β4n计算出页岩可压性指数。其中，β1表示综合影响系数，取值0.4-0.45；β2表示页岩致裂裂缝复杂程度系数，取值0.2-0.3；β3表示应力权重系数，取值0.2-0.3；β4表示页岩破碎系数，0.1-0.15；ε为CT数；σ为峰值应力；θ页岩试样产生裂缝的最大变形量；n为实验后页岩破碎块数。
本发明的有益效果：本发明的实验操作步骤简洁，操作人员不容易出现操作错误；本发明的实验设备仪器简单；对页岩试样尺寸要求小，可直接利用井下页岩试样加工成标准实验试样；实验耗材少，每次实验仅需要少量的蛭石和氧化镁混合物，可直接给出页岩可压性评价指数。
附图说明
图1是基于蛭石热膨胀致裂页岩可压性评价装置示意图；
图2是蛭石热膨胀致裂页岩可压性评价实验流程图。
附图标记：1为下盒；2为螺栓；3为页岩试样；4为应变片；5为装样室；6为应力传感器；7为蛭石与氧化镁混合物；8为温度计；9为加热棒；10为上盒；11为裂缝；12为压力监测***；13为温度控制***；14为裂缝监测***。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
如图1所示，本发明的页岩可压性评价装置，包括：下盒、上盒、蛭石与氧化镁混合物、裂缝监测***、应力监测***、温度控制***；其中：页岩试样连接裂缝监测***、压力监测***和温度控制***，用于采集应变数据、应力数据和温度数据。
下盒安装有4个螺栓，用于连接上盒，使页岩试样固定上盒与下盒之间；蛭石与氧化镁混合物充填装样室，用于受热膨胀后给页岩试样提供致裂应力；裂缝监测***，包括应变片，将应变片粘贴在页岩试样上顶面可能产生裂缝的位置，用于当页岩试样产生裂缝时采集裂缝最大变形量；温度控制***包括加热棒和温度计，用于给蛭石与氧化镁混合物加热和监测实验过程中蛭石与氧化镁混合物的温度；压力监测***包括应力传感器，应力传感器填埋在蛭石与氧化美混合物中，用于采集蛭石与氧化镁混合物因受热而产生膨胀应力的大小。
基于图1所示的页岩可压性评价装置，本发明给出了如图2所示的页岩可压性评价方法，具体包括以下步骤：
S1、加工页岩试样
将获取的井下岩心沿垂直层理面进行线线切割，加工成外直径为10cm内直径为4cm高度为5cm管状体标准页岩试样，同时加工一个与管状体标准页岩试样尺寸一样的铁质模具，将蛭石打磨直径为0.05-0.01mm球形颗粒，将打磨的后蛭石与氧化镁按体积比1：3进行均用混合。本领域的技术人员应注意，本实施例所给出的试样尺寸并不是唯一取值情况，在实际应用中可以根据仪器设备情况，自行确定试样的尺寸。
S2、确定膨胀混合物膨胀应力与温度关系
根据铁质模具的装料室体积、加热棒体积、应力传感器体积、温度测量计体积计算出所需蛭石与氧化镁的混合物体积；将铁质模具放置下盒，将应力传感器、温度计和加热棒放入铁质模具的装料室中；蛭石和氧化镁混合物放入铁质模具的装料室中，通过下盒螺栓与上盒连接使铁质模具固定；以温度梯度为5℃/min对蛭石和氧化镁混合物进行加热，并测量每个温度梯度下蛭石产生的体积膨胀应力，获得蛭石和氧化镁混合物室温至800℃范围致裂应力与温度的关系。
S3、设备安装准备
将加工好的页岩试样放置下盒，装料室内壁涂上隔热胶，加热棒放置装料室中间，温度计和应力传感器分别放在加热棒两侧，蛭石与氧化镁混合物填满装料室，在主裂缝可能的扩展路径上粘贴应变片，通过下盒上的螺栓连接上盒固定页岩试样；
S4、膨胀混合物加热；将加热棒初始温度设置为室温，通过步骤S2获得蛭石与氧化镁混合物膨胀应力与温度关系，控制加热棒的温度来控制蛭石与氧化镁混合物产生的膨胀应力的大小，实现膨胀混合物产生的膨胀应力以0.02MPa/s(消除动荷载对页岩试样的影响)对页岩试样施加应力，直至应力传感器读数由峰值骤降为0，此时页岩试样产生裂缝，停止加热；
S5、数据收集；
统计实验后页岩的破碎块数；将实验后的破碎的页岩拼接成整体从上到下间隔1cm水平切割5份页岩切片，利用盒维数网格覆盖二维统计方法建立边长为δ的正方形网格覆盖整个实验后页岩岩心切片，统计有裂缝的正方形的数目，然后将含有裂缝正方形再分为边长为δ/2的4个相同的正方形，以此类推每次划分正方形的边长为上一次划分正方形边长的1/2，统计相应的N(δ)，N(δ)＝Aδ-D，式中为A裂缝面分布初值，其数值等于岩石中面积大于2δ的裂缝个数，D为裂缝分布的分形维数，对N(δ)＝Aδ-D两边取对数，然后采用最小二乘法对统计数据作回归分析，获取回归直线的斜率为岩芯上裂缝分布的分形维数，依次测完5份页岩切片取其分形维数平均值作为实验后页岩的分形维数；将实验后的产生裂缝的5份页岩岩心切面进行CT三维形貌扫描获取CT数取其均值作为整块页岩试样的CT数；根据裂缝监测***和应力监测***获得页岩试样产生裂缝的最大变形量和峰值应力。
S6、数据处理；
将步骤S5获取的实验后页岩的破碎块数、分形维数、CT数、裂缝的最大变形量和页岩的破裂峰值应力，代入F＝β1ε+β2θ+β3σ+β4n计算出页岩可压性指数。其中，β1表示综合影响系数，取值0.4-0.45；β2表示页岩致裂裂缝复杂程度系数，取值0.2-0.3；β3表示应力权重系数，取值0.2-0.3；β4表示页岩破碎系数，0.1-0.15；ε为CT数；σ为峰值应力；θ页岩试样产生裂缝的最大变形量；n为实验后页岩破碎块数。
综上，利用本发明方法可以解决传统页岩可压性评价分析试验操作过程复杂，不能直接获得页岩可压性评价等难题，具实验成本低，操作步骤简单的优点。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种基于蛭石热膨胀致裂的页岩可压性评价方法，其特征在于，包括：
S1、加工页岩试样；将获取的井下岩心沿垂直层理面进行切割，加工成管状体标准页岩试样，同时加工与管状体标准页岩试样尺寸一样的铁质模具，对蛭石进行打磨，打磨后将蛭石与氧化镁按体积比1：3进行均用混合；
S2、确定膨胀混合物膨胀应力与温度关系；
根据铁质模具的装料室体积、加热棒体积、应力传感器体积、温度计体积计算出所需蛭石与氧化镁的混合物体积；将铁质模具放置下盒，将应力传感器、温度计和加热棒放入铁质模具的装料室中；蛭石和氧化镁混合物放入铁质模具的装料室中，通过下盒上的螺栓与上盒连接使铁质模具固定；按照设定的温度梯度对蛭石和氧化镁混合物进行加热，并测量每个温度梯度下蛭石产生的体积膨胀应力，获得蛭石和氧化镁混合物致裂应力与温度的关系；
S3、设备安装准备；将加工好的页岩试样放置下盒，装料室内壁涂上隔热胶，加热棒放置装料室中间，温度计和应力传感器分别放在加热棒两侧，然后将蛭石与氧化镁混合物填满装料室，在主裂缝可能的扩展路径上粘贴应变片，通过下盒上的螺栓连接上盒固定页岩试样；
S4、膨胀混合物加热；将加热棒初始温度设置为室温，通过步骤S2获得蛭石与氧化镁混合物膨胀应力与温度关系，控制加热棒的温度来控制蛭石与氧化镁混合物产生的膨胀应力的大小，实现膨胀混合物产生的膨胀应力以0.02MPa/s对页岩试样施加应力，直至应力传感器读数由应力峰值骤降为0，此时页岩试样产生裂缝，停止加热；
S5、数据收集；具体为：获取的实验后页岩的破碎块数、分形维数、CT数、裂缝的最大变形量和页岩的破裂峰值应力；
S6、数据处理；
将步骤S5获取的实验后页岩的破碎块数、分形维数、CT数、裂缝的最大变形量和页岩的破裂峰值应力，代入以下公式计算出页岩可压性指数：
F＝β1ε+β2θ+β3σ+β4n
其中，F表示页岩可压性指数，β1表示综合影响系数；β2表示页岩致裂裂缝复杂程度系数；β3表示应力权重系数；β4表示页岩破碎系数；ε为CT数；σ为峰值应力；θ页岩试样产生裂缝的最大变形量；n为实验后页岩破碎块数。
2.根据权利要求1所述的一种基于蛭石热膨胀致裂的页岩可压性评价方法，其特征在于，所基于的评价装置，包括：上盒、下盒、页岩试样、蛭石与氧化镁混合物、裂缝监测***、应力监测***、温度控制***；
所述页岩试样置于上盒与下盒之间，上盒与下盒通过下盒上的四颗螺栓固定；
所述页岩试样包括装样室，所述蛭石与氧化镁混合物填充在装样室中；
所述页岩试样与裂缝监测***、压力监测***和温度控制***连接；
裂缝监测***包括：应变片，所述应变片粘贴在实验过程中页岩试样上顶面可能产生裂缝的地方，用于当页岩试样产生裂缝时采集裂缝最大变形量。
3.根据权利要求2所述的一种基于蛭石热膨胀致裂的页岩可压性评价方法，其特征在于，温度控制***包括：加热棒和温度计，所述加热棒用于给蛭石与氧化镁混合物加热，所述温度计用于监测页岩试样致裂整个过程蛭石与氧化镁混合物的温度。
4.根据权利要求3所述的一种基于蛭石热膨胀致裂的页岩可压性评价方法，其特征在于，压力监测***包括：应力传感器，所述应力传感器埋在蛭石与氧化镁混合物中，用于采集蛭石与氧化镁混合物因受热而产生膨胀应力的大小。
5.根据权利要求1所述的一种基于蛭石热膨胀致裂的页岩可压性评价方法，其特征在于，温度梯度为5℃/min。
6.根据权利要求1所述的一种基于蛭石热膨胀致裂的页岩可压性评价方法，其特征在于，步骤S5中分形维数的确定过程为：
将实验后的破碎的页岩拼接成整体从上到下等间隔水平切割成若干份页岩切片；
利用盒维数网格覆盖二维统计方法建立边长为δ的正方形网格覆盖整个实验后页岩岩心切片，统计有裂缝的正方形的数目；
然后将含有裂缝正方形再分为边长为δ/2的4个相同的正方形，以此类推每次划分正方形的边长为上一次划分正方形边长的1/2，统计相应的N(δ)，N(δ)＝Aδ-D，式中为A裂缝面分布初值，其数值等于岩石中面积大于2δ的裂缝个数，D为裂缝分布的分形维数；
对N(δ)＝Aδ-D两边取对数,然后采用最小二乘法对统计数据作回归分析，获取回归直线的斜率为岩芯上裂缝分布的分形维数；
将这若干份页岩切片的分形维数平均值作为实验后页岩的分形维数。
7.根据权利要求1所述的一种基于蛭石热膨胀致裂的页岩可压性评价方法，其特征在于，步骤S5中CT数的确定过程为：将实验后的破碎的页岩拼接成整体从上到下等间隔水平切割成若干份页岩切片；分别对每份页岩切片进行CT三维形貌扫描，得到每份页岩切片的CT数，将这若干份页岩切片的CT数均值作为整块页岩试样的CT数。
8.根据权利要求1所述的一种基于蛭石热膨胀致裂的页岩可压性评价方法，其特征在于，步骤S5中裂缝的最大变形量和页岩的破裂峰值应力具体根据裂缝监测***和应力监测***获得。
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