CN104865124A - 基于岩石应力-应变曲线和超声波纵波速度的页岩脆性指数测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于三轴压缩应力-应变全曲线和超声波纵波速度的页岩脆性指数测定方法，包括：采用动静态结合的三轴压缩实验，获取实验过程中各个时间点的应力-应变全曲线和超声波纵波速度；利用纵波速度的变化曲线确定页岩微裂缝开始发生损伤破坏的时间点；根据纵波速度变化和应力-应变全曲线的形状，把应力-应变全曲线分成微裂隙闭合、压实后至微裂缝开始破坏、微裂隙扩展至破坏失稳和岩石破坏失稳后等4个阶段；利用应力-应变全曲线，计算相应阶段的页岩试件吸收的单位体积能量；利用弹性阶段吸收的单位体积能量与吸收的总单位体积能量的比值计算页岩的脆性指数。本方法是一种考虑页岩各个阶段力学性能的综合计算方法，提高了岩石脆性评价的准确性和合理性。

Description

基于岩石应力-应变曲线和超声波纵波速度的页岩脆性指数测定方法

技术领域

本发明涉及岩石力学测量技术领域，具体涉及测定岩石脆性指数的方法。

背景技术

我国页岩气资源储量丰富、开发潜力大，但是页岩岩石的力学性能和常规砂岩有巨大区别，页岩的脆性是页岩的力学性能的反映，目前，页岩脆性的表征方法有多种，部分脆性计算公式基于现场结果的统计，部分计算公式只是研究了单轴条件下的脆性，与现场的脆性有很大的区别。因此，建立科学的页岩气储层脆性实验方法和计算公式，对于页岩钻井和压裂评估具有重要意义。

脆性是页岩可钻性和可压裂性的综合体现，是页岩本身的一种固有本质，但是页岩的脆性与内部结构和外部条件有关，不像杨氏模量和泊松比等参数为单一的力学参数，页岩的脆性是页岩在加载条件作用下，评价页岩微裂隙延伸至失稳时过程中的行为能力。

页岩的脆性测试是储层力学评价、遴选射孔改造层段和设计压裂规模的重要基础。针对脆性岩石的脆性指数评价方法有20多种，其计算公式主要基于岩石强度(抗压和抗拉)、硬度、弹性模量、能量、泊松比和矿物组分进行计算。完全针对页岩的脆性指数方法少于10中，通过现有的页岩脆性指数方法分析，可以发现：

(1)注重结果参数对脆性的影响。目前许多的计算公式单纯利用页岩的阀值结果进行脆性计算，例如利用强度进行脆性指数的计算公式中，只需要考虑单轴压缩实验的抗压强度和巴西劈裂实验的抗张强度值。

(2)部分计算公式为统计结果。有些页岩脆性计算的公式只是利用现场压裂结果和页岩参数的统计，例如利用矿物组分进行页岩脆性计算公式，主要利用岩石的脆性矿物进行计算，忽略了成岩环境、构造等对页岩脆性的影响。

(3)忽略了储层条件对脆性的影响。目前大部分基于强度的脆性指数计算公式都是不考虑储层实际压力条件的计算，实际页岩在储层深度条件下的脆性与实际计算的脆性差别较大。

发明内容

本发明提供一种基于岩石应力-应变曲线和超声波纵波速度的页岩脆性指数测定方法，该方法基于页岩三轴压缩应力-应变全曲线的形状和超声波纵波速度变化的分析，可以方便的计算页岩储层条件下的脆性指数。

岩石微裂纹开裂和宏观开裂是岩石脆性的表观形象，也是轴向应力和围压做功的过程，本发明提出的方法是利用三轴压缩实验和超声波纵波测试，确定页岩发生损伤的时间点，根据应力-应变曲线形状和纵波速度变化曲线，将应力-应变全曲线划分为4个阶段，分别计算相应阶段的轴向应力所做的单位体积功和克服围压所做的单位体积功，从而计算页岩每个阶段试件吸收的单位体积能量，利用破坏前弹性阶段吸收的单位体积能量和全曲线单位体积能量的比值计算页岩的脆性指数，该方法能够计算不同储层条件下的页岩的脆性指数。

本发明具体包括步以下骤

1、根据室内实验或者测井曲线获得实验岩心层位的地应力大小，三轴压缩测试的围压等于待测试件所处地层的水平最小主应力的大小；

2、对待测岩样进行三轴压缩实验，利用轴向位移传感器和径向位移传感器测量待测试件实验过程中的应变，获得应力-应变全曲线；

3、三轴压缩测试的同时，轴向应力每隔2.0MPa时，利用试件上压头内部安装的超声波纵波发射器适时发射纵波信号，利用下压头内部纵波接收器进行接收，确定纵波在待测页岩轴向的传播时间，确定页岩轴向的超声波速度随轴向应力和时间的变化曲线；

4、根据超声波纵波速度随时间的变化曲线，确定页岩压缩过程中，岩石发生微裂隙开始发生损伤破坏的时间点；

5、根据纵波速度变化确定的时间点和应力-应变全曲线的形状，将应力-应变全曲线分为压实、弹性、初始破坏至失稳前、失稳后至残余强度等4个阶段；

6、利用应力-应变全曲线和单位体积功的计算公式，分别计算4个阶段待测试件的轴向应力所做的单位体积功和试件克服围压所做的单位体积功(能量)，每个阶段向应力所做的单位体积功减去试件克服围压所做的单位体积功等于页岩该阶段吸收的单位体积能量；

7、计算页岩的脆性指数。每个阶段页岩吸收的单位体积能量等于轴向应力的单位体积能力减去克服围压做功的单位体积能量，三轴压缩条件下的页岩的脆性指数等于弹性阶段页岩吸收的单位体积能量与全阶段页岩吸收的单位体积能量的比值。

本发明是一种综合评价方法，该方法既考虑到了破坏对波速的影响，也考虑到了压缩过程各个阶段的变化对页岩脆性指数的影响，是一种考虑页岩各个阶段力学性能的综合计算方法，提高了岩石脆性评价的准确性和合理性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明实施提供的实验测定系统示意图

图1中，1-三轴压缩实验主体框架；2-围压加载管线；3-围压液体回收管线；4-轴向应变测量传感器；5-纵波速度测试传感器；6-待测页岩试件；7-径向应变测量传感器；8-连接测试装置和实验装置总控制的数据线；9-实验装置总控制台；10-围压加载系统；11-处理计算机。

图2是本发明利用超声波速度确定弹性阶段末端的示意图；

图2中，左图表示页岩天然裂缝发生损伤前的示意图；中图表示实验获得的应力-应变全曲线和三轴压缩过程中的纵波速度变化曲线，其中，损伤前和损伤后的阶段界限利用超声波速度的变化进行界定；右图表示页岩开始发生微裂隙扩展时的微裂隙扩展示意图；14-应力-应变全曲线；15-超声波纵波速度与轴向应变的关系曲线；16-微裂隙发生损伤的界限点。

图3是本发明脆性指数的实验测定流程图

图4是本发明基于应力-应变全曲线计算单位体积能量的示意图

图4中，W₁'-压实阶段轴向压力作的单位体积功；W₁”-压实阶段克服围压作的单位体积功；W₂'-弹性阶段轴向压力作的单位体积功；W₂”-弹性阶段克服围压作的单位体积功；W₃'-微裂隙初始破坏至失稳阶段轴向压力作的单位体积功；W₃”-微裂隙初始破坏至失稳阶段克服围压作的单位体积功；W₄'-失稳后至残余应力阶段轴向压力作的单位体积功；W₄”-失稳后至残余应力阶段克服围压作的单位体积功；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。

本发明的脆性指数计算方法是一种三轴条件下的计算方法，具体为：实验前，利用测井解释结果或页岩地应力大小测试，获得页岩的地应力大小值，三轴压缩实验过程中的围压等于水平最小主应力的值，确定页岩试件在实际储层应力条件下的脆性指数。

本发明的实施流程如图3所示：

(1)利用测井解释或地应力大小室内实验确定待测岩心层段的地应力大小，为三轴压缩室内实验的围压设定提供基础参数。

(2)根据图2所示的实验装置连接图，连接实验管线和数据传输线，其中，装置1为实验的核心部分；连接后管线和数据线后，安装实验试件6，实验试件的安装主要包括径向应变传感器和轴向应变传感器、上下压头的安装，其中上下压头中装有超声波纵波发射器和接收器5，连接密封腔内部的管线，保证数据能够传入计算机13；安装好试件后，放下三轴压力试验装置的密封腔，利用增压系统12加载围压，围压加载至设定值后，稳定围压2分钟后，利用三轴压缩实验主体框架1上部的液压增压泵进行轴向应力加载，实验过程中，轴向应变测量装置4和径向应力测量传感器7记录实验过程中的应变值；利用超声波发射器发射超声波，利用相应的接收装置接收并记录相应的时间；利用数据传输线8将数据传输至实验装置总控制台11后，然后传输至计算机13。实验过程中应力-应变曲线测至获得页岩的残余强度，记录页岩实验过程中的应力-应变全曲线；实验过程中轴向应力每隔2.0MPa时记录纵波在页岩中的传播时间，以便实验后计算页岩的纵波速度；

(3)根据获得超声波纵波速度变化曲线，如示意图2所示，根据纵波速度与轴向应变的曲线的峰值确定三轴压缩过程中微裂隙损伤开始扩展的时间，同时确定该时间点在应力-应变全曲线上的位置；

(4)根据实验获得的应力-应变全曲线形状和纵波速度变化曲线，将应力-应变全曲线划分为4段，如示意图4所示，主要包括：(1)压实阶段；(2)压实后至微裂缝开始发生损伤破坏前阶段；(3)微裂缝开始破坏至峰值阶段；(4)峰后至残余应力阶段；

(5)根据应力-应变全曲线及分段范围，利用单位体积能量计算公式分别计算压实阶段轴向压力的单位体积做功能量(公式2)和克服围压(公式3)的单位体积能量，其它3个阶段向应力的单位体积能量分别利用公式(4)-(9)进行计算，然后计算页岩每个阶段吸收的单位体积能量；

${W_1}^{\′}=\underset{0}{\overset{{\mathrm{\ϵ}}_c}{\∫}}{\mathrm{\σ}}_1{\mathrm{d\ϵ}}_1---\left(2\right)$

$W_1^{\′\′}=2\mathrm{\υ}*\underset{0}{\overset{{\mathrm{\ϵ}}_c}{\∫}}{\mathrm{\σ}}_3{\mathrm{d\ϵ}}_1---\left(3\right)$

${W_2}^{\′}=\underset{{\mathrm{\ϵ}}_c}{\overset{{\mathrm{\ϵ}}_e}{\∫}}{\mathrm{\σ}}_1{\mathrm{d\ϵ}}_1---\left(4\right)$

$W_2^{\′\′}=2\mathrm{\υ}*\underset{{\mathrm{\ϵ}}_c}{\overset{{\mathrm{\ϵ}}_e}{\∫}}{\mathrm{\σ}}_3{\mathrm{d\ϵ}}_1---\left(5\right)$

${W_3}^{\′}=\underset{{\mathrm{\ϵ}}_e}{\overset{{\mathrm{\ϵ}}_m}{\∫}}{\mathrm{\σ}}_1{\mathrm{d\ϵ}}_1---\left(6\right)$

${W_3}^{\′\′}=2\mathrm{\υ}*\underset{{\mathrm{\ϵ}}_e}{\overset{{\mathrm{\ϵ}}_m}{\∫}}{\mathrm{\σ}}_3{\mathrm{d\ϵ}}_1---\left(7\right)$

${W_4}^{\′}=\underset{{\mathrm{\ϵ}}_m}{\overset{{\mathrm{\ϵ}}_T}{\∫}}{\mathrm{\σ}}_1{\mathrm{d\ϵ}}_1---\left(8\right)$

${W_4}^{\′\′}=2\mathrm{\υ}*\underset{s_m}{\overset{{\mathrm{\ϵ}}_T}{\∫}}{\mathrm{\σ}}_3{\mathrm{d\ϵ}}_1---\left(9\right)$

(6)根据4个阶段的页岩吸收的单位体积能量，利用本发明的公式(1)计算三轴压缩条件下的页岩脆性指数。

$B=\frac{{W_2}^{\′}-{W_2}^{\′\′}}{({W_1}^{\′}-{W_1}^{\′\′})+({W_2}^{\′}-{W_2}^{\′\′})+({W_3}^{\′}-{W_3}^{\′\′})+({W_4}^{\′}-{W_4}^{\′\′})}---\left(1\right).$

Claims (2)

1.一种基于三轴压缩应力-应变曲线和超声波纵波速度的页岩脆性指数测定方法，其特征在于，主要步骤包括：

（1）根据测井解释结果或者地应力室内实验测试，获取待测页岩取出前的地应力大小，取三轴压缩测试实验的围压值等于水平最小主应力；

（2）利用待测的页岩岩样进行三轴压缩测试实验，采集从轴向偏应力开始加载至获取残余强度时的应力-应变全曲线；

（3）三轴压缩测试实验过程中，轴向压力每隔2.0MPa时，上压头上的超声波纵波发射器从试件端部自动发射纵波，利用超声波纵波接收部件接收超声波以获得纵波在试件轴向的传播时间，然后计算各个时间段轴向方向的纵波速度，得到轴向纵波速度变化曲线；

（4）根据超声波纵波速度随时间的变化曲线，确定页岩压缩过程中，岩石发生微裂隙开始发生损伤破坏的时间点；

（5）根据获得的应力-应变全曲线的形状和根据纵波速度变化确定的时间点，确定页岩实验过程中的压实阶段、弹性阶段和微裂隙破坏至试件失稳阶段和破坏后至残余强度阶段在应力-应变全曲线上的分布范围；

（6）利用应力-应变曲线计算4个阶段的相应单位体积能量，其中单位体积能量的计算包括轴向压力做功和页岩试件克服围压所做的功两个部分，利用4个阶段的应力-应变全曲线，计算4个阶段的试件吸收的单位体积能量；

（7）页岩脆性指数计算，每个阶段页岩吸收的单位体积能量等于轴向应力的单位体积能力减去克服围压做功的单位体积能量，三轴压缩条件下的页岩的脆性指数等于弹性阶段页岩吸收的单位体积能量与全阶段页岩吸收的单位体积能量的比值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（4）具体为：利用超声波速度测试实验测定压缩过程中的纵波速度，当纵波速度在增大后开始下降时，确定为页岩微裂隙开始扩展，页岩由弹性阶段转化为微裂隙扩展阶段的时间点。