CN106092694A - 一种页岩力学参数测试样品 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种页岩力学参数测试样品，该样品为棱柱，棱柱的轴线与页岩页理方向平行，棱柱包括三对平行侧面，三对平行侧面分别与页岩页理方向的夹角分别为0°、45°、90°。本发明可在同一块样品上同时实现5个方向纵、横声波速度的测量，正确表征页岩的各向异性。

Description

一种页岩力学参数测试样品

技术领域

本发明涉及地质领域，尤其涉及一种用于纵、横波波速各向异性的测试的页岩样品。

背景技术

1、页岩的横向各向异性

沉积岩常发育厚度不一的水平页理。在野外露头，可观察到岩石骨架颗粒大小、形状或颜色沿垂直方向发生变化，其横向延伸可以是几厘米至数米。

在页岩气储层的岩过程中，粘土受压实作用的影响，其构造特征及成分逐渐演化为纹层状泥(页)岩、纹层状含灰质泥(页)岩、纹层状含云质泥(页)岩、纹层状碳酸盐泥(页)岩或纹层状粉砂质泥(页)岩。

在富含有机质的页岩气储层，有机分子的丰度高。由于有机分子末端的氢原子被活性基团交代，有机分子具有一定的极性，在层状粘土之间易形成定向排列。由于有机分子的非极端之间的引力较弱，在水平方向上，页岩具有容易沿水平页理面裂开成薄板状或薄片状的特点。

受压实作用、有机质分子结构和有机质丰度的综合影响，页理是页岩气储层的典型沉积构造。厚度在1cm以下的水平页理称为页理，又称页状页理。

在储层地质和岩石力学中，已认识到在水平方向和垂直方向的页岩力学性质具有较大差异。但是，在过去的压裂设计中，对页岩气藏的各向异性特征缺乏正确认识。在压裂设计中，采用的传统各向同性模型不能正确计算地层的破裂压力、压裂缝的闭合应力，直接影响了页岩气的压裂增产改造效果。根据WIGGER(2014)对北美页岩气分段压裂水平井的试气结果，在Barnett页岩气层，采用传统的各向同性模型确定的压裂井段，约有30％的压裂段不产气；在Eagle Ford页岩气层，约有34％压裂段不产气。

2、VTI模型和波速测量方法

受水平页理发育的影响，在水平面上，页岩的力学参数具有各向同性的特点，但是垂直方向上力学参数与水平面上的力学参数有较大差异。在岩石力学中，Mavko(2009)提出的VTI模型可以表征页岩的这种各向异性特征，即：具有旋转对称轴的横向各向同性。VTI模型的刚度矩阵为

$\left(\begin{array}{cccccc}{C}_{11}& C_{12}& C_{13}& 0& 0& 0\\ C_{12}& C_{11}& C_{13}& 0& 0& 0\\ C_{13}& C_{13}& C_{33}& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& C_{44}& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& C_{44}& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& C_{66}\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中，C₁₁、C₁₂、C₁₃、C₃₃、C₄₄和C₆₆为刚度系数，单位为Mpa；

在VTI模型的刚度矩阵中，共有6个系数，因为C₁₂＝C₁₁-2C₆₆，独立系数只有5个：C₃₃、C₄₄、C₁₁、C₆₆、和C₁₃。

Mavko(2009)提出的刚度系数与岩石力学参数的关系是：

水平杨氏模量E_horz：

垂向杨氏模量E_vert：

水平泊松比υ_horz：

垂向泊松比υ_vert：

Thiercelin(1994)基于VTI模型提出地应力计算方法，最小水平主应力σ_Hmin：

${\mathrm{\σ}}_{H\min }-{\mathrm{\αp}}_p=\frac{E_{horz}}{E_{vert}}\frac{v_{vert}}{1-v_{horz}}\[{\mathrm{\σ}}_{vert}-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\ξ})p_p\]+\frac{E_{horz}}{1-v_{horz}^2}{\∈}_{H\min }+\frac{E_{horz}{v}_{horz}}{1-v_{horz}^2}{\∈}_{H\max }---\left(6\right)$

最大水平主应力σ_Hmax：

${\mathrm{\σ}}_{H\max }-{\mathrm{\αp}}_p=\frac{E_{horz}}{E_{vert}}\frac{v_{vert}}{1-v_{horz}}\[{\mathrm{\σ}}_{vert}-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\ξ})p_p\]+\frac{E_{horz}}{1-v_{horz}^2}{\∈}_{H\max }+\frac{E_{horz}{v}_{horz}}{1-v_{horz}^2}{\∈}_{H\min }---\left(7\right)$

式中，E_horz为水平方向的杨氏模量，单位为Mpa

E_vert为垂直方向的杨氏模量，单位为Mpa

υ_horz为水平方向的泊松比，无量纲

υ_vert为垂直方向的泊松比，无量纲

σ_Hmin为最小水平主应力，单位为Mpa

σ_vert为垂向应力，单位为Mpa

α为BIOT系数，通常取1，无量纲

ξ为孔弹系数，通常取0，无量纲

p_p为孔隙内流体压力，单位为Mpa

∈_Hmax水平最大构造应变系数，通过小型测试压裂确定，无量纲

∈_Hmin水平最小构造应变系数，通过小型测试压裂确定，无量纲

σ_Hmax为最大水平主应力，单位为Mpa

由于页岩的E_horz是E_vert的2倍以上，所以基于VTI模型计算的σ_Hmin和σ_Hmax值，与基于传统的各向同性的地应力计算结果有较大差异。

VTI模型中的刚度系数和声波的关系式为：

C₁₁＝ρV_p ²(90°) (8)

C₆₆＝ρV_Sh ²(90°) (9)

C₃₃＝ρV_p ²(0°) (10)

C₄₄＝ρV_Sh ²(0°) (11)

式中，ρ为页岩密度，kg/m³；

V_p(90°)表示平行页理面方向传播的纵波速度，单位为m/s；

V_Sh(90°)表示振动方向平行于页理，且沿着平行页理面方向传播的横波速度，单位为m/s；

V_p(0°)表示垂直页理面方向传播的纵波速度，单位为m/s；

V_Sh(0°)表示振动方向平行于页理，且沿垂直于页理方向传播的横波速度，单位为m/s；

V_P(45°)表示与页理面方向成45度传播的纵波速度，单位为m/s。

Thomsen(1986)提出以下参数描述页岩的各向异性程度。

$\mathrm{\ϵ}=\frac{C_{11}-C_{33}}{2C_{33}}---\left(13\right)$

$\mathrm{\γ}=\frac{C_{66}-C_{44}}{2C_{44}}---\left(14\right)$

$\mathrm{\δ}=\frac{{(C_{13}+C_{44})}^2-{(C_{33}-C_{44})}^2}{2C_{33}(C_{33}-C_{44})}---\left(15\right)$

式中，ε、γ和δ为页岩各向异向系数，无量纲；

在岩心测试中，往往沿用常规的砂岩的钻样方法，在全直径岩心上应分别取三块岩样进行声波测量，钻样方式如图3所示，以虚线表示钻样的方向，β＝0°为垂直页理钻取的样品，β＝90°为平行页理钻取的样品，β＝45°为与页理成45角度钻取的样品。

如图4所示，分别表示了垂直页理钻取的样品、平行页理钻取的样品、与页理成45角度钻取的样品；向上的单箭头代表弹性波传播方向，岩样中的虚线表示页理面。以垂直于水平页理的方向作为对称轴，0°表示的波的传播方向与对称轴方向平行(垂直于页理)；90°表示波的传播方向与对称轴方向垂直(平行于页理)，45°表示波的传播方向与对称轴方向成45度夹角。在各物理量的下标中，p表示纵波，下标S表示横波，下标h表示横波的振动方向平行页理。

以上取样方式的缺点是：

1、在岩力力学理论中，采用(13)、(14)和(15)式进行计算ε、γ和δ时，要求C₃₃、C₄₄、C₁₁、C₆₆和C₁₃是同一块岩样的刚度系数。但是采用图3所示的岩样制备方式测试V_Sh(90°)、V_p(90°)、V_p(0°)、V_Sh(0°)和V_P(45°)时，必须分别钻取三块岩样。由于页岩的非均质性远强于常规的砂岩，虽然这种取样方式对砂岩的测试影响小，但对页岩的测试影响较大。

2、如果钻取的岩样尺寸太小，受仪器误差的影响，沿垂直页理方向和平行页理方向测量的声波速度差异较小，不能正确表征页岩的各向异性。

3、对于井下取心的岩样，采用图3所示的方式取样时，需要选择连续的长段全直径岩心钻取3段小岩样。由于页岩的取心成本较高，取心收获率低，取样困难。

发明内容

本发明旨在提供一种页岩力学参数测试样品，可在一块岩样同时实现5个声波速度的测量，降低取心成本。

为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：

本发明公开的页岩力学参数测试样品为棱柱，所述棱柱的轴线与页岩页理方向平行，棱柱包括三对平行侧面，所述三对平行侧面包括一对水平侧面、一对斜侧面、一对垂直侧面，所述水平侧面与页岩页理方向的夹角为0°，所述斜侧面与页岩页理方向的夹角为45°，所述垂直侧面与页岩页理方向的夹角为90°。

优选的，所述棱柱为八棱柱。

优选的，每对平行侧面的中心连线与棱柱的轴线交叉。

优选的，所述斜侧面与水平侧面、垂直侧面均相邻。

本发明可在一块岩样同时实现5个声波速度的测量，降低取心成本。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明的页理与波速测量方式关系示意图；

图3为现有技术的取样示意图；

图4为现有技术的页理与波速测量关系示意图,其中4a为垂直页理钻取的样品,4b为平行页理钻取的样品,4c为与页理成45角度钻取的样品；

图中：1-水平侧面、2-斜侧面、3-垂直侧面、4-页岩页理、5-轴线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，本发明公开的页岩力学参数测试样品为棱柱，优选为八棱柱，棱柱的轴线5与页岩页理4方向平行，棱柱包括三对平行侧面，三对平行侧面包括一对水平侧面1、一对斜侧面2、一对垂直侧面3，水平侧面1与页岩页理4方向的夹角为0°，斜侧面2与页岩页理4方向的夹角为45°，垂直侧面3与页岩页理4方向的夹角为90°；斜侧面与水平侧面、垂直侧面均相邻。

如图2所示，每对平行侧面的中心连线与棱柱的轴线5交叉，即每对平行侧面正对，保证5个声波的行程。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种页岩力学参数测试样品，其特征在于：所述样品为棱柱，所述棱柱的轴线与页岩页理方向平行，棱柱包括三对平行侧面，所述三对平行侧面包括一对水平侧面、一对斜侧面、一对垂直侧面，所述水平侧面与页岩页理方向的夹角为0°，所述斜侧面与页岩页理方向的夹角为45°，所述垂直侧面与页岩页理方向的夹角为90°。

2.根据权利要求1所述的页岩力学参数测试样品，其特征在于：所述棱柱为八棱柱。

3.根据权利要求1所述的页岩力学参数测试样品，其特征在于：每对平行侧面的中心连线与棱柱的轴线交叉。

4.根据权利要求1所述的页岩力学参数测试样品，其特征在于：所述斜侧面与水平侧面、垂直侧面均相邻。

5.根据权利要求1所述的页岩力学参数测试样品加工方式，其特征在于：在同一岩样，可测试密度ρ，以及3个方向的纵、横波速度：V_Sh(90°)、V_p(90°)、V_p(0°)、V_Sh(0°)和V_P(45°)。