CN106153460B - 一种利用钻屑测试岩石杨氏模量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用钻屑测试岩石杨氏模量的方法。该方法包括以下步骤：利用扫描电镜确定钻井过程中所产生的钻屑所含矿物组分的粒径尺寸大小；根据钻屑所含矿物组分的粒径尺寸大小选择相应压头角度的探针；确定探针最大压入深度并利用探针对钻屑进行垂直压入，获得钻屑的载荷—位移曲线；根据钻屑的载荷—位移曲线，计算出岩石的杨氏模量。该方法通过微米压入技术对钻屑进行测试，能够准确地求取岩石杨氏模量参数；有效地消除岩屑非均匀性，避免了测试中的误差；能够在钻井现场实时地求取岩石杨氏模量参数，可为钻井和完井提供准确的岩石杨氏模量参数；测试成本低，精度高；有广阔的应用前景。

Description

一种利用钻屑测试岩石杨氏模量的方法

技术领域

本发明涉及一种利用钻屑测试岩石杨氏模量的方法，用于测试油气井钻井过程中所产生的钻屑杨氏模量参数技术，属于石油、天然气钻井完井岩石力学参数检测领域。

背景技术

石油工程中普遍采用测井曲线资料计算和岩石力学三轴试验测试两种方法来求取岩石杨氏模量参数。由于影响测井曲线的因素很多，如井眼质量、钻井液体系等，在一定程度上只反映岩石力学参数变化趋势，存在很大的误差，所以利用测井曲线所计算出的杨氏模量具有很大的不确定性，很难满足钻完井设计和施工模拟分析。岩石力学三轴试验测试是岩石力学参数常规求取方法，该方法有很大的局限性，一方面，由于岩石的非均质性，岩石力学三轴试验数据离散性很大，需要大量的数据来克服；另一方面，由于取心成本较高，一般对探井目的层取心，而开发井不取心，盖层也不取心，泥页岩岩样制作成功率很低，因此岩石样品非常少。这一矛盾造成岩石力学三轴试验数据的准确性降低。

发明内容

为了克服现有技术的不足，准确地求取岩石杨氏模量参数，本发明的目的在于提供一种利用钻屑测试岩石杨氏模量的方法。该方法通过微米压入技术对钻屑进行测试，能够准确地求取岩石杨氏模量参数。

为了实现上述目的，本发明提供了一种利用钻屑测试岩石杨氏模量的方法，其包括以下步骤：利用扫描电镜确定钻屑所含矿物组分的粒径尺寸大小；根据钻屑所含矿物组分的粒径尺寸大小选择相应压头角度的探针；确定探针最大压入深度并利用探针对钻屑进行垂直压入，获得钻屑的载荷—位移曲线；根据钻屑的载荷—位移曲线，计算出岩石的杨氏模量。

根据本发明的具体实施方式，优选地，如图1的流程所示，上述的利用钻屑测试岩石杨氏模量的方法具体包括以下步骤：

(1)将钻井过程中所产生的钻屑干燥后，进行抛光，然后采用扫描电镜确定钻屑所含矿物组分的粒径尺寸W大小；

(2)根据钻屑所含矿物组分的粒径尺寸W大小不同选择相应压头角度的探针，并且所述压头为维氏压头，对于所含矿物组分的粒径尺寸W小于或等于250微米(W≤250μm)的钻屑，采用探针压头钝角角度Φ为68°的探针；对于所含矿物组分的粒径尺寸W大于250微米且小于1000微米(250μm<W<1000μm)的钻屑(一般而言，岩石中矿物组分的粒径尺寸不会出现大于等于1000μm的情况)，采用探针压头钝角角度Φ为86°的探针；

(3)根据钻屑所含矿物组分的粒径尺寸W大小和已选择的相应压头角度的探针，确定探针最大压入深度h_max，对于所含矿物组分的粒径尺寸W小于或等于250微米(W≤250μm)的钻屑，最大压入深度h_max≈2W(由于压入设备一般不是按照设定压入深度而进行压入的，所以实际操作的最大压入深度一般无法精确到具体数值，只要接近并稍大于2W即可)，对于所含矿物组分的粒径尺寸W大于250微米且小于1000微米的钻屑，最大压入深度h_max≈W/3(实际操作的最大压入深度只要接近并稍大于W/3即可)，有利于消除钻屑非均匀性影响因素，提高岩石杨氏模量参数测试的准确性，然后利用探针对钻屑按设计的最大压入深度h_max进行垂直压入，记录压入过程中的载荷和位移数据，获得载荷—位移曲线，如图2所示；

(4)根据钻屑的载荷—位移曲线，计算出探针和岩屑的联合杨氏模量其中S为接触刚度，其是通过对所述载荷—位移曲线中的卸载曲线求导，并在最大压入深度处取值而计算得到的(如图2所示，S＝dP/dh)；β＝1.012；π为圆周率；当探针压头钝角角度Φ为68°时，A＝24.5×h_c ²，且A的单位为μm²，当探针压头钝角角度Φ为86°时，A＝818.04×h_c ²，且A的单位为μm²；其中h_c＝h_max-ε×P_max÷S，且h_c的单位为μm；其中h_max为载荷—位移曲线中的最大压入深度，单位为μm；ε＝0.75；P_max为载荷—位移曲线中的最大压入载荷，单位为N；S为接触刚度，其是通过对所述载荷—位移曲线中的卸载曲线求导，并在最大压入深度处取值而计算得到的；最终根据方程计算出岩屑的杨氏模量E，即为岩石的杨氏模量，其中v为岩屑的泊松比，v_i为探针的泊松比，E_i为探针的杨氏模量，单位为Gpa。其中的β、ε都是与压头有关的常数，各类型的维氏压头的该常数数值一样。探针的杨氏模量和泊松比由探针的不同材质决定，对于金刚石探针而言，E_i＝1141GPa，ν_i＝0.01；岩屑的泊松比是根据岩石种类不同而给定的泊松比经验数值。

根据本发明的具体实施方式，优选地，上述的利用钻屑测试岩石杨氏模量的方法还包括以下步骤：对钻井过程中所产生的多个钻屑按照步骤(1)-(4)得出岩屑的杨氏模量，通过求取平均值，得到岩石的杨氏模量。

在上述的利用钻屑测试岩石杨氏模量的方法中，优选地，步骤(1)中的抛光是采用氩离子抛光机进行的。

在上述的利用钻屑测试岩石杨氏模量的方法中，优选地，利用探针对钻屑进行垂直压入是采用微米压入仪。

本发明提供的利用钻屑测试岩石杨氏模量的方法，根据钻屑所含矿物组分的粒径尺寸大小不同，选择相应的压头角度的探针，并确定探针所需压入的最大深度，利用微米压入仪对钻屑进行垂直压入，微米压入加载功、卸载功和硬度来测定岩石杨氏模量参数。本发明的岩石杨氏模量的测试方适合于所含矿物组份粒径较小的页岩、泥岩、粉砂岩、极细砂和细砂岩等岩石。该方法具有以下优点：能够有效地消除岩屑非均匀性，避免了测试中的误差；钻井过程中所产生的岩屑较多，能够做大量的探针压入实验，通过求取平均值，从而准确地求取岩石杨氏模量参数；能够在钻井现场实时地求取岩石杨氏模量参数，可为钻井和完井提供准确的岩石杨氏模量参数；测试成本低，精度高。该方法在石油工业中测定岩石杨氏模量参数是可行的且非常有效的，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的利用钻屑测试岩石杨氏模量方法的流程图；

图2是本发明方法中的载荷—位移曲线示意图；

图3是本发明一具体实施例中样品SH4-1的载荷—位移曲线示意图；

图4是本发明一具体实施例中样品SH4-1的载荷—位移曲线示意图；

图5是本发明一具体实施例中样品SH4-3的载荷—位移曲线示意图；

图6是本发明一具体实施例中样品SH4-4的载荷—位移曲线示意图；

图7是本发明一具体实施例中样品M1-1的载荷—位移曲线示意图；

图8是本发明一具体实施例中样品M1-2的载荷—位移曲线示意图；

图9是本发明一具体实施例中样品M1-3的载荷—位移曲线示意图；

图10是本发明一具体实施例中样品S2-1的载荷—位移曲线示意图；

图11是本发明一具体实施例中样品S2-2的载荷—位移曲线示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

下面以一具体实施例来详细说明本发明。

本实施例提供一种利用钻屑测试岩石杨氏模量的方法，如图1的流程所示，该方法包括以下步骤：

(1)将钻井过程中所产生的钻屑干燥后，采用氩离子抛光机进行抛光，然后采用扫描电镜确定钻屑所含矿物组分的粒径尺寸W大小；

(2)根据钻屑所含矿物组分的粒径尺寸W大小不同选择相应压头角度的探针，探针压头为维氏压头，对于所含矿物组分的粒径尺寸W小于或等于250微米(W≤250μm)的钻屑，采用探针压头钝角角度Φ为68°的探针；对于所含矿物组分的粒径尺寸W大于250微米且小于1000微米(250μm<W<1000μm)的钻屑，采用探针压头钝角角度Φ为86°的探针；

(3)根据钻屑所含矿物组分的粒径尺寸W大小和已选择的相应压头角度的探针，确定探针最大压入深度h_max，对于所含矿物组分的粒径尺寸W小于或等于250微米(W≤250μm)的钻屑，最大压入深度h_max≈2W，对于所含矿物组分的粒径尺寸W大于250微米且小于1000微米的钻屑，最大压入深度h_max≈W/3，有利于消除钻屑非均匀性影响因素，提高岩石杨氏模量参数测试的准确性，然后采用微米压入仪使探针对钻屑按设计的最大压入深度h_max进行垂直压入，记录压入过程中的载荷和位移数据，获得载荷—位移曲线，如图2所示；

(4)根据钻屑的载荷—位移曲线，计算出探针和岩屑的联合杨氏模量其中S为接触刚度，其是通过对所述载荷—位移曲线中的卸载曲线求导，并在最大压入深度处取值而计算得到的(如图2所示，S＝dP/dh)；β＝1.012；π为圆周率；当探针压头钝角角度Φ为68°时，A＝24.5×h_c ²，且A的单位为μm²，当探针压头钝角角度Φ为86°时，A＝818.04×h_c ²，且A的单位为μm²；其中h_c＝h_max-ε×P_max÷S，且h_c的单位为μm；其中h_max为载荷—位移曲线中的最大压入深度，单位为μm；ε＝0.75；P_max为载荷—位移曲线中的最大压入载荷，单位为N；S为接触刚度，其是通过对所述载荷—位移曲线中的卸载曲线求导，并在最大压入深度处取值而计算得到的；最终根据方程计算出岩屑的杨氏模量E，即为岩石的杨氏模量；其中v为岩屑的泊松比，v_i为探针的泊松比，E_i为探针的杨氏模量，单位为Gpa；

(5)可以对钻井过程中所产生的多个钻屑按照步骤(1)-(4)得出岩屑的杨氏模量，通过求取平均值，得到岩石的杨氏模量。

采用上述的利用钻屑测试岩石杨氏模量的方法对表1所示的钻井过程中所产生的钻屑进行测试，利用扫描电镜确定该钻屑所含矿物组分的粒径尺寸W大小，进而确定采用的探针压头钝角角度Φ，确定最大压入深度h_max，然后采用微米压入仪使探针对钻屑按设计的最大压入深度h_max进行垂直压入，获得载荷—位移曲线，分别如图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10和图11所示，分别根据图3-图11计算出探针和岩屑的联合杨氏模量最终根据方程分别计算出岩屑的杨氏模量E，即为岩石的杨氏模量，其中E_i＝1141GPa，v_i＝0.01，v＝0.2。测试过程的数据及测试结果如表1所示。

表1

岩性	样品编号	hmax(最大压入深度)/μm	Pmax(最大载荷)/N	v	E/GPa
						页岩	SH4-1	34.6	30	0.2	21.2
页岩	SH4-2	35.3	30	0.2	22.2
						页岩	SH4-3	61.1	100	0.2	23.3
页岩	SH4-4	64.9	100	0.2	21.0
						泥岩	M1-1	39.8	30	0.2	32.1
泥岩	M1-2	49.1	30	0.2	23.0
						泥岩	M1-3	46.3	30	0.2	22.1
细砂岩	S2-1	40.8	30	0.2	14.6
						细砂岩	S2-2	42.3	30	0.2	14.1

根据表1的实验数据以及本领域公知常识，可以看出：采用本实施例的岩石杨氏模量的测试方法得到的各类岩石的杨氏模量均在合理的范围内，证明本实施例的岩石杨氏模量的测试方法能够准确、有效地得到岩石的杨氏模量。

Claims (4)

1.一种利用钻屑测试岩石杨氏模量的方法，其包括以下步骤：

(1)将钻井过程中所产生的钻屑干燥后，进行抛光，然后采用扫描电镜确定钻屑所含矿物组分的粒径尺寸W大小；

(2)根据钻屑所含矿物组分的粒径尺寸W大小不同选择相应压头角度的探针，并且所述压头为维氏压头，对于所含矿物组分的粒径尺寸W小于或等于250微米的钻屑，采用探针压头钝角角度Φ为68°的探针；对于所含矿物组分的粒径尺寸W大于250微米且小于1000微米的钻屑，采用探针压头钝角角度Φ为86°的探针；

(3)根据钻屑所含矿物组分的粒径尺寸W大小和已选择的相应压头角度的探针，确定探针最大压入深度h_max，对于所含矿物组分的粒径尺寸W小于或等于250微米的钻屑，最大压入深度h_max≈2W，对于所含矿物组分的粒径尺寸W大于250微米且小于1000微米的钻屑，最大压入深度h_max≈W/3，然后利用探针对钻屑按设计的最大压入深度h_max进行垂直压入，记录压入过程中的载荷和位移数据，获得载荷—位移曲线；

(4)根据钻屑的载荷—位移曲线，计算出探针和岩屑的联合杨氏模量其中S为接触刚度，其是通过对所述载荷—位移曲线中的卸载曲线求导，并在最大压入深度处取值而计算得到的；β＝1.012；π为圆周率；当探针压头钝角角度Φ为68°时，A＝24.5×h_c ²，且A的单位为μm²，当探针压头钝角角度Φ为86°时，A＝818.04×h_c ²，且A的单位为μm²；其中h_c＝h_max-ε×P_max÷S，且h_c的单位为μm；其中h_max为载荷—位移曲线中的最大压入深度，单位为μm；ε＝0.75；P_max为载荷—位移曲线中的最大压入载荷，单位为N；S为接触刚度，其是通过对所述载荷—位移曲线中的卸载曲线求导，并在最大压入深度处取值而计算得到的；最终根据方程计算出岩屑的杨氏模量E，即为岩石的杨氏模量，其中v为岩屑的泊松比，v_i为探针的泊松比，E_i为探针的杨氏模量，单位为Gpa。

2.根据权利要求1所述的利用钻屑测试岩石杨氏模量的方法，其还包括以下步骤：对钻井过程中所产生的多个钻屑按照步骤(1)-(4)得出岩屑的杨氏模量，通过求取平均值，得到岩石的杨氏模量。

3.根据权利要求1所述的利用钻屑测试岩石杨氏模量的方法，其中，步骤(1)中的抛光是采用氩离子抛光机进行的。

4.根据权利要求1所述的利用钻屑测试岩石杨氏模量的方法，其中，利用探针对钻屑进行垂直压入是采用微米压入仪。