CN100449296C - 一种计算岩石ⅱ型断裂韧性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算岩石II型断裂韧性的方法，包括有下列步骤：1)测试岩石的II型断裂韧性；2)测试岩石的抗压强度；3)建立岩石II型断裂韧性计算模型；4)利用步骤3)中的计算模型获得岩石II型断裂韧性。本发明中获取了准确的岩石II型断裂韧性后，可很大程度的提高各种水力压裂模型的预测精度。可预测水力压裂裂缝从开始起裂、裂缝扩展过程中在地层空间的弯曲几何形态，从而可计算出裂缝宽度分布和裂缝面摩阻大小，为压裂支撑剂和压裂液性能设计提供科学的基础，可保证压裂支撑剂有效分布在水裂裂缝面上，形成有效的泄油通道，而不是堵在井壁裂缝口处造成压裂作业失效。

Description

一种计算岩石Ⅱ型断裂韧性的方法

技术领域

本发明涉及深部地层的一种计算岩石II型断裂韧性的方法。

背景技术

岩石断裂韧性在石油工程，如：水力压裂、井壁稳定问题、节理性岩层稳定、岩土爆破以及岩石钻井设备设计等方面都有很广泛的应用。

水力压裂作为油气增产的主要措施已被广泛应用于现代石油工程，对低渗油气藏的生产起到了重要的作用。同时在地热资源、核废料的储存等其他领域也起到了重要应用。水力压裂力学理论是建立在对深部地层中裂纹扩展特性认识的基础上。由于岩石是一种主要呈脆性的材料，因此常常采用线弹性断裂力学理论来分析水力压裂裂缝扩展行为。岩石的断裂韧性是水力压裂模型中重要参数之一。

根据裂纹开裂的位移形态可将裂纹分为三种类型，即张开型、错开型和撕开型，又称I型、II型、III型裂纹。

张开型(I型)：在垂直于裂缝面拉应力的作用下，使裂缝张开而扩展，如图1中的a所示；

滑开型(II型)：在平行于裂缝表面而垂直于裂纹前缘的剪应力作用下，使裂缝滑开而扩展，如图1中的b所示；

撕开型(III型)：在既平行于裂缝表面又平行于裂缝前缘的剪应力作用下，使裂纹撕开而扩展，如图1中的c所示。

任何一种裂纹变形状态均可由这三种基本形式迭加得到。与裂缝形态相对应的岩石断裂临界应力强度因子分别被称为I型、II型和III型岩石断裂韧性。

在实际的水力压裂中，即使I型为最主要加载条件，但实际工程的断裂问题仍涉及II型及I-II复合型断裂，也就是存在II型以及I-II复合型断裂韧性的问题。为获取准确的岩石II型断裂韧性，可预测水力压裂裂缝从开始起裂、裂缝扩展过程中在地层空间的弯曲几何形态，从而可计算出裂缝宽度分布和裂缝面摩阻大小，为压裂支撑剂和压裂液性能设计提供科学的基础，可保证压裂支撑剂有效分布在水裂裂缝面上，形成有效的泄油通道，而不是堵在并壁裂缝口处造成压裂作业失效。

目前岩石II型断裂韧性数据通过常压条件下断裂韧性测试获得，在矿山工程中由于岩石所处深度很浅(常小于100米)，且容易获得地层岩石，所以可简单地通过常规测试获得II型断裂韧性。但是对于石油工程，岩石埋藏比较深(已经达到7000m)，岩石的性状与地压因素关系密切，岩石处于一定的地应力场中，其组成和结构不是人工所能改变的，断裂韧性随围压(主要是地应力)变化而变化。油田同一层系地层深度、组成和地应力在地层空间都会发生变化，因此有限的深部地层岩石II型断裂韧性测试值不具有广泛的代表性。此外对于每一口水力压裂井的深部地层进行钻取岩芯实验测试岩石断裂韧性不切实际，因大规模钻取岩芯的成本十分昂贵。所以目前由于深部地层断裂韧性的缺乏，很大程度上限制了各种水力压裂模型的使用和模型预测的精度。

根据断裂力学理论，岩石的II型断裂是剪切断裂，其难易程度在宏观上与岩石抗剪强度(粘聚力)有关，而大量岩石力学实验证明粘聚力与抗压强度有很好的相关性，因此II型断裂韧性与岩石的抗压强度有一定的联系。在石油工程中，深部地层岩石的粘聚力和地应力可通过石油测井资料解释获得，将深部地层岩石在围压条件下测得的II型断裂韧性与岩石抗压强度和地应力建立相关的关系式，在后续的其它油水井压裂设计中，结合相应地层的测井资料可计算出II型断裂韧性。这可以有效解决上述问题。

为此本发明中的创作人凭借其多年从事相关行业的经验与实践，并经潜心研究与开发，终于创造出一种计算岩石II型断裂韧性的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种计算岩石II型断裂韧性的方法，利用该方法可以有效解决上述问题。

本发明中计算岩石II型断裂韧性的方法包括有下列步骤：

1)测试岩石的II型断裂韧性；

2)测试岩石的抗压强度；

3)建立岩石II型断裂韧性计算模型；

4)利用步骤3)中的计算模型获得待压裂地层的岩石的II型断裂韧性；

其中，所述步骤3)中建立岩石II型断裂韧性计算模型的方法包括下列步骤：

1)将抗压强度、围压和II型断裂韧性值组成多行三列的数据序列；

2)对上述步骤中的数据序列进行多元非线性回归，得出岩石II型断裂韧性K_IIC、围压P_c和抗压强度UCS之间关系：

K_IIC＝0.0956P_c+0.0115UCS-0.0820

其中：抗压强度UCS＝(0.0045+0.0035V_cl)E_d

围压P_c＝σ_h-P_p；

式中的V_cl为岩石的泥质含量，E_d为岩石的动态弹性模量，σ_h为最小水平地应力，P_p为地层岩石孔隙流体压力。

所述步骤1)中测试岩石工工型断裂韧性的方法包括下列步骤：

1)使用金刚石切片机把岩芯切割成厚度不等的圆盘形岩芯段，使用车床把切下的岩芯段两个端面车平，把柱面车圆，使柱面比较光滑，然后在圆盘正中心使用钻头钻取一个贯穿孔，最后通过中心的贯穿孔加工合适的预制初始裂缝，初始预制裂缝长度和试件直径比在0.1-0.3之间；

2)在预制裂缝中放入充填物(如牛皮纸等)，并使用水泥浆把试件端面抹平，最后在表面及裂缝处均匀涂抹防油油漆；

3)把试件放入围压缸，并固定在底座上，使初始裂缝与轴向加载P呈确定角度θ，其中II型断裂韧性的计算公式为：

$K_{\mathrm{II}}=\frac{P_f\sqrt{a}}{\sqrt{\mathrm{\π}}\mathrm{RB}}{N}_{\mathrm{II}}$

其中，N_II为无因次应力强度因子，P_f为岩样破裂压力，R为试件的圆盘半径，B为试件的厚度，2a为初始裂缝长度，θ为预制裂缝与加载方向的夹角；

无因次应力强度因子N_II为

$N_{\mathrm{II}}=[2+(8{\cos }^2\mathrm{\θ}-5){\left(\frac{a}{R}\right)}^2]\sin 2\mathrm{\θ}$

所述步骤2)中测试岩石抗压强度的方法包括下列步骤：

1)用金刚石取芯钻头在与加工断裂韧性试件相同的岩芯上套取一个圆柱形试样，然后将圆柱形试样的两端车平、磨光，使岩样的长径比为一确定值；

2)将试样在材料试验机上进行压缩试验，记录岩石破坏时的应力，即抗压强度。

本发明中获取了准确的岩石II型断裂韧性后，可很大程度的提高各种水力压裂模型的预测精度。可预测水力压裂裂缝从开始起裂、裂缝扩展过程中在地层空间的弯曲几何形态，从而可计算出裂缝宽度分布和裂缝面摩阻大小，为压裂支撑剂和压裂液性能设计提供科学的基础，可保证压裂支撑剂有效分布在水裂裂缝面上，形成有效的泄油通道，而不是堵在井壁裂缝口处造成压裂作业失效。

附图说明

图1是现有裂缝三种类型的具体示意图；

图2本发明中巴西圆盘断裂韧性试验试件的尺寸图；

图3是本发明中围压压下断裂韧性实验的装置图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明中的具体实施例作进一步详细说明。

本发明中计算岩石II型断裂韧性的方法，包括下列步骤：

1.针对一个油田开发区域的油层及上下隔层，通过围压条件下的断裂韧性测试，获得不同围压下岩石断裂韧性，其具体操作如下：

1)使用金刚石切片机把直径100mm左右的岩芯切割成厚度为30-50mm不等的圆盘形岩芯段，使用车床把切下的岩芯段两个端面车平，把柱面车圆，使柱面比较光滑，然后在圆盘正中心使用直径为5mm左右钻头钻取一个贯穿孔，最后通过中心的贯穿孔加工合适的预制初始裂缝，初始预制裂缝长度和试件直径比分别在0.1-0.3之间不等。

2)在预制裂缝中放入充填物(如牛皮纸等)，并使用水泥浆把试件端面抹平，最后在表面及裂缝处均匀涂抹防油油漆，以防止施加围压时液压油进入试件和初始预制裂缝中。

3)把试件放入围压缸，使用502瞬间强力胶将其固定在底座上，使初始裂缝与轴向加载P呈确定角度θ，θ的确定方法如下：

对于圆盘的半径为R，厚度为B，初始裂缝的长度为2a的圆盘形试件，如图2所示，其II型断裂韧性的计算公式：

$K_{\mathrm{II}}=\frac{p_f\sqrt{a}}{\sqrt{\mathrm{\π}}\mathrm{RB}}{N}_{\mathrm{II}}---\left(1\right)$

其中N_II是无因次应力强度因子，N_II的大小与无因次切口长度a/R和预制裂缝与加载方向的夹角θ有关。P为施加的径向载荷。

对于满足a/R小于等于0.3的微小裂缝，N_II的近似多项式：

$N_{\mathrm{II}}=[2+(8{\cos }^2\mathrm{\θ}-5){\left(\frac{a}{R}\right)}^2]\sin 2\mathrm{\θ}---\left(2\right)$

在纯剪切状态平面，对于给定的a/R，我们可以很方便地计算出发生纯剪切状态时预制裂缝与加载方向需要的夹角θ。

4)使用围压泵给围压缸增压直至预定围压p_c，当试验开始时，加载的径向压力由MTS816岩石测试系统的伺服液压增压器提供，通过增压器控制器缓慢、匀速地提高压力(压力升高速率可以控制在0.1-0.2MPa/s之间)，直到岩样破裂，注液过程中，与控制器相连的计算机数据采集系统自动记录压力、注入体积等参数。确定岩样破裂压力p_f。岩样破裂后，打开泄油口，放出液压油，使围压降至为0，然后把把围压缸与高压氮气源接通，使用高压氮气把围压缸中的液压油吹出，即可取出岩芯，进行下一轮实验，如图3所示；

5)根据(2)式，由确定的a/R和θ计算N_II，再根据(1)式计算出II型断裂韧性，见表1。

表1不同围压下II型断裂韧性测试岩样尺寸和试验结果

2、进行抗压强度测试

1)用金刚石取芯钻头在与加工断裂韧性试件相同的岩芯上套取一个φ25mm的圆柱形试样，然后将圆柱形试样的两端车平、磨光，使岩样的长径比为1.5；

2)将试样在材料试验机上进行压缩试验，记录岩石破坏时的应力，即抗压强度(见表1)。

3、建立岩石II型断裂韧性的计算模型，具体包括下列步骤：

1)对表1的抗压强度、围压和II型断裂韧性值组成多行三列的数据序列；

2)对1)中的数据序列进行多元非线性回归，得出岩石II型断裂韧性K_IIC、围压P_c和抗压强度UCS之间关系：

K_IIC＝0.0956P_c+0.0115UCS-0.0820                     (3)

由上面的式子可知，若已知地层深处岩石的所受围压与抗压强度，就可利用上面的公式来确定岩石断裂韧性，而围压与抗压强度可由测井获得。

3)抗压强度的计算

砂泥岩的抗压强度UCS和动态弹性模量E_d以及岩石的泥质含量V_cl之间的一般关系(大量的岩石力学试验已证明)

UCS＝(0.0045+0.0035V_cl)E_d                            (4)

式中岩石的动态弹性模量E_d以及泥质含量V_cl在岩石力学测井解释结果图上可获得。

4)围压P_c的计算

围压P_c可由下式计算

P_c＝σ_h-P_p                                            (5)

式中σ_h为最小水平地应力，在岩石力学测井解释结果图上可获得；P_p为地层岩石孔隙流体压力，由采油厂提供。

4、利用步骤3中的计算模型(3)获得岩石II型断裂韧性。

下面进一步举例说明利用本发明中计算模型具体计算某一地层的II型断裂压力的方法，具体如下：

某一待压裂地层，油层、上隔层和下隔层的岩石力学测井解释结果见表2。

表2待压裂地层岩石力学测井解释结果

	上隔层	油层	下隔层
				最小水平地应力，MPa	50.13	48.22	54.51
动态弹性模量，MPa	20568	15126	22284
				泥质含量，％	70.55	20.52	74.71
地层岩石孔隙流体压力，MPa	30.12	35.84	30.01

1)算岩石的抗压强度

油层、上隔层和下隔层的动态弹性模量以及泥质含量代入公式(4)，得岩石的抗压强度，见表3

表3待压裂地层岩石抗压强度

	上隔层	油层	下隔层
				抗压强度，MPa	143.34	78.93	158.54

2)计算岩石的围压；

油层、上隔层和下隔层的最小水平地应力以及岩石孔隙流体压力代入公式(5)，得岩石的抗压强度，见表4

表4待压裂地层围压

	上隔层	油层	下隔层
				围压，MPa	20.01	12.38	24.5

3)计算岩石的II型断裂韧性。

将岩石的围压与抗压强度代入公式(3)计算岩石II型断裂韧性，见表5

表5待压裂地层岩石的II型断裂韧性

Claims (4)

1.一种计算岩石II型断裂韧性的方法，包括有下列步骤：

1)针对一个油田开发区域的油层及上下隔层，通过围压条件下的断裂韧性测试，获得不同围压条件下岩石的II型断裂韧性；

2)测试岩石的抗压强度；

3)建立岩石II型断裂韧性计算模型；

4)利用步骤3)中的计算模型获得待压裂地层的岩石的II型断裂韧性；

其中，所述步骤3)中建立岩石II型断裂韧性计算模型的方法包括下列步骤：

1)将抗压强度、围压和II型断裂韧性值组成多行三列的数据序列；

2)对上述步骤中的数据序列进行多元非线性回归，得出岩石II型断裂韧性K_IIC、围压P_c和抗压强度UCS之间关系：

K_IIC＝0.0956P_c+0.0115UCS-0.0820

其中：抗压强度UCS＝(0.0045+0.0035V_cl)E_d

围压P_c＝σ_h-P_p；

式中的V_cl为岩石的泥质含量，E_d为岩石的动态弹性模量，σ_h为最小水平地应力，P_p为地层岩石孔隙流体压力。

2.根据权利要求1中所述的计算岩石II型断裂韧性的方法，其特征在于：所述步骤1)中测试岩石II型断裂韧性的方法包括下列步骤：

1)使用金刚石切片机把岩芯切割成厚度不等的圆盘形岩芯段，使用车床把切下的岩芯段两个端面车平，把柱面车圆，使柱面比较光滑，然后在圆盘正中心使用钻头钻取一个贯穿孔，最后通过中心的贯穿孔加工合适的预制初始裂缝，初始预制裂缝长度和试件直径比在0.1-0.3之间；

2)在预制裂缝中放入充填物，并使用水泥浆把试件端面抹平，最后在表面及裂缝处均匀涂抹防油油漆；

3)把试件放入围压缸，并固定在底座上，使初始裂缝与轴向加载P呈确定角度θ，其中II型断裂韧性的计算公式为：

$K_{\mathrm{II}}=\frac{P_f\sqrt{a}}{\sqrt{\mathrm{\π}}\mathrm{RB}}{N}_{\mathrm{II}}$

其中，N_II为无因次应力强度因子，P_f为岩样破裂压力，R为试件的圆盘半径，B为试件的厚度，2a为初始裂缝长度，θ为预制裂缝与加载方向的夹角；

无因次应力强度因子N_II为

$N_{\mathrm{II}}=[2+({8\cos }^2\mathrm{\θ}-5){\left(\frac{a}{R}\right)}^2]\sin 2\mathrm{\θ}.$

3.根据权利要求2中所述的计算岩石II型断裂韧性的方法，其特征在于：

所述步骤2)中测试岩石抗压强度的方法包括下列步骤：

1)用金刚石取芯钻头在与加工断裂韧性试件相同的岩芯上套取一个圆柱形试样，然后将圆柱形试样的两端车平、磨光，使岩样的长径比为一确定值；

2)将试样在材料试验机上进行压缩试验，记录岩石破坏时的应力，即抗压强度。

4.根据权利要求2中所述的计算岩石II型断裂韧性的方法，其特征在于：所述预制裂缝中放入的填充物为牛皮纸。

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