CN107290219A - 储气库盖层岩石的综合脆性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储气库盖层岩石的综合脆性评价方法，属岩石脆性评价技术领域。本发明首先，分别运用基于应力‑应变曲线的脆性评价方法、基于硬度的脆性评价方法和基于矿物组成的脆性评价方法对所取岩样的脆性进行评价，然后，运用基于优化理论的权重反分析方法求得三种脆性评价方法的权重值，最后，对待评价储气库盖层岩石的脆性进行综合评价。本发明有效解决了以往单一的脆性评价方法的局限性，实用性强，评价可靠性高，而且，本发明所取岩样一芯多用、实验成本低。

Description

储气库盖层岩石的综合脆性评价方法

技术领域

本发明涉及岩石脆性评价技术领域，具体涉及的是一种储气库盖层岩石的综合脆性评价方法。

背景技术

地下储气库在国家战略投资、事故应急、协调季节用气高峰低谷期以及优化供气系统等方面有着保护国家能源安全、维护社会稳定、缓解高峰油气资源分配压力、调控市场油气价格等作用，世界各国正大力推进储气库的建设。

岩石脆性是指岩石在发生很小变形即破坏的性质。储气库盖层岩石脆性评价对盖层力学性质研究、储气库最大允许压力确定和盖层封闭能力评价有着重要意义。储气库注气后，储层发生膨胀变形，致使盖层上抬；采气后，储层下沉，盖层随之下沉变形。若盖层脆性较大，变形过程中会产生裂缝，导致盖层渗透率提高、封闭能力变差，从而造成油气泄漏、污染环境、发生爆炸引起人员伤亡等问题。因此，有必要开展储气库盖层岩石脆性评价方法研究。迄今为止，表征盖层岩石的脆性定义和度量还没有统一的标准。现有的评价方法多从硬度或坚固性、强度、矿物组成及应力应变曲线等角度进行，存在着试验成本较高不易实现、适用性不强、缺乏理论依据、理论依据缺乏验证、评价方法过于单一等方面的局限。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题，提供一种实验成本低、实用性强、对岩石脆性评价可靠的储气库盖层岩石的综合脆性评价方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

储气库盖层岩石的综合脆性评价方法，包括以下步骤：

1)对待评价储气库盖层岩石进行钻井取样并将所取岩样打磨加工分成三类岩样，即完好岩样P_m、残缺岩样I_r和破坏岩样D_n；

2)取步骤1)中的完好岩样P_m进行三轴压缩试验以获取完好岩样P_m的应力-应变曲线，然后，运用基于应力-应变曲线的脆性评价方法评价所取岩样的脆性；

3)取步骤1)中的残缺岩样I_r进行硬度测试以获取残缺岩样I_r的硬度，然后，运用基于硬度的脆性评价方法评价所取岩样的脆性；

4)分别取步骤2)和步骤3)中试验后完好岩样P_m的破坏样和残缺岩样I_r的破坏样以及步骤1)中的破坏岩样D_n，并分别将其研磨成粉末后进行物相分析，然后，运用基于矿物组成的脆性评价方法获取脆性指数并进行所取岩样的脆性评价；

5)运用基于优化理论的权重反分析方法计算步骤2)、步骤3)和步骤4)中三种脆性评价方法的权重值，综合评价待评价储气库盖层岩石的脆性。

进一步地，所述步骤2)中基于应力-应变曲线的脆性评价方法的评价公式为：

式中，B'₁为峰后应力降的相对大小，B'₂为峰后应力降的绝对速率，B'₃为屈服影响系数，τ_p为峰值强度，τ_r为残余强度、k_ac(AC)为屈服阶段起点与残余阶段起点两点连线的斜率，ε_q1为屈服阶段起点应变、ε_q2为屈服阶段终点应变、ε_r为残余应变。

进一步地，所述步骤3)中基于硬度的脆性评价方法的评价公式为：

B_r1＝S_11.2

式中，S_11.2为冲击试验后统计得到的粒径小于11.2mm的碎屑百分比；

或为：

B_r2＝qσ_c

式中，q为冲击试验后统计得到的粒径小于0.60mm的碎屑百分比，σ_c为抗压强度，取值为步骤2)中完好岩样P_m三轴压缩试验围压为0MPa时的值。

进一步地，所述步骤4)中基于矿物组成的脆性评价方法的评价公式为：

式中，V_石英、V_方解石、V_黏土、V_{其他脆性矿物}依次为石英、方解石、黏土及其他脆性矿物的矿物体积，YM_石英、YM_方解石、YM_黏土、YM_{其他脆性矿物}依次为石英、方解石、黏土及其他脆性矿物的弹性模量，PR_石英、PR_方解石、PR_黏土、PR_{其他脆性矿物}依次为石英、方解石、黏土及其他脆性矿物的泊松比；

或为：

式中，a_i为各种脆性矿物相对石英的脆性系数，其中，a_i＝E_i/μ_i，i为矿物种类，M_i为地层中矿物的体积百分含量,E_i为第i种脆性矿物的弹性模量、μ_i为第i种脆性矿物的泊松比。

本发明具有以下有益效果：

本发明分别运用基于应力-应变曲线的脆性评价方法、基于硬度的脆性评价方法和基于矿物组成的脆性评价方法对所取岩样的脆性进行评价，然后，运用基于优化理论的权重反分析方法求得三种脆性评价方法的权重值，最后，对待评价储气库盖层岩石的脆性进行综合评价，有效解决了以往单一的脆性评价方法的局限性，实用性强，评价可靠性高，而且，本发明所取岩样一芯多用、实验成本低。

附图说明

图1为本发明储气库盖层岩石的综合脆性评价方法的流程图；

图2为本发明储气库盖层岩石的综合脆性评价方法中不同围压的简化岩样应力-应变曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，储气库盖层岩石的综合脆性评价方法，包括以下步骤：

1)对待评价储气库盖层岩石进行钻井取样并将所取岩样打磨加工分成三类岩样，即完好岩样P_m、残缺岩样I_r和破坏岩样D_n；

2)取步骤1)中的完好岩样P_m进行三轴压缩试验以获取完好岩样P_m的应力-应变曲线，然后，运用基于应力-应变曲线的脆性评价方法评价所取岩样的脆性；

3)取步骤1)中的残缺岩样I_r进行硬度测试以获取残缺岩样I_r的硬度，然后，运用基于硬度的脆性评价方法评价所取岩样的脆性；

4)分别取步骤2)和步骤3)中试验后完好岩样P_m的破坏样和残缺岩样I_r的破坏样以及步骤1)中的破坏岩样D_n，并分别将其研磨成粉末后进行物相分析，然后，运用基于矿物组成的脆性评价方法获取脆性指数并进行所取岩样的脆性评价；

5)运用基于优化理论的权重反分析方法计算步骤2)、步骤3)和步骤4)中三种脆性评价方法的权重值，综合评价待评价储气库盖层岩石的脆性。

其中，步骤2)中完好岩样P_m进行三轴压缩试验时，将完好岩样P_m加工成尺寸为直径×高＝50mm×100mm的标准圆柱体，试验围压取值范围为0MPa～模拟地层条件下的围压值，每隔5MPa取一个围压值，且围压值数量不得少于5个，试验温度为地表温度+地温梯度×地层埋深，地温梯度取值为25℃/km，各岩样在不同围压下的应力-应变曲线的简化结果如图2所示。

由图2可以看出，岩样在三轴试验获取的应力-应变曲线可简化为由弹性阶段、屈服阶段、软化阶段和残余阶段4个阶段组成。随着围压的升高，峰值强度越来越高、屈服阶段越来越长。这是因为三轴试验时的围压对岩样而言相当于套箍，起到约束的作用，且围压越高、套箍约束作用越强，岩样塑性变形能力越好、脆性越弱。当围压较低时(围压为P₁、P₂)，约束作用较弱，此时，岩样的应力-应变曲线没有表现出屈服阶段，但随着围压的升高，峰值强度越来越大。当围压进一步升高至P₃、P₄、P₅时，随着围压的升高，套箍约束作用越来越强，峰值强度进一步增大，从P₃开始出现屈服阶段，且随着围压的升高屈服阶段越来越长，当围压足够大(对应P₅)时，岩样的应力-应变曲线屈服阶段足够长，没有出现软化阶段和残余阶段。

将图2中试验数据代入基于应力-应变曲线的脆性评价方法的评价公式，可得不同围压下完好岩样P_m的脆性指数，其中，基于应力-应变曲线的脆性评价方法的评价公式为：

式中，B'₁为峰后应力降的相对大小，B'₂为峰后应力降的绝对速率，B'₃为屈服影响系数，τ_p为峰值强度，τ_r为残余强度、k_ac(AC)为屈服阶段起点与残余阶段起点两点连线的斜率，ε_q1为屈服阶段起点应变、ε_q2为屈服阶段终点应变、ε_r为残余应变。

步骤3)中残缺岩样I_r的硬度测试采用冲击试验，试验后将粒径小于11.2mm及0.60mm的碎屑百分比进行统计，并分别记为S_11.2、q，然后，将试验统计结果代入基于硬度的脆性评价方法的评价公式，可得残缺岩样I_r的脆性指数，其中，基于硬度的脆性评价方法的评价公式为：

B_r1＝S_11.2

式中，S_11.2为冲击试验后统计得到的粒径小于11.2mm的碎屑百分比；

或为：

B_r2＝qσ_c

式中，q为冲击试验后统计得到的粒径小于0.60mm的碎屑百分比，σ_c为抗压强度，取值为步骤2)中完好岩样P_m三轴压缩试验围压为0MPa时的值。

步骤4)中采用X射线衍射仪技术(X-ray diffraction，XRD)进行岩样的物相分析，试验时分别将步骤2)和步骤3)中试验后完好岩样P_m的破坏样和残缺岩样I_r的破坏样以及步骤1)中的破坏岩样D_n研磨至粒度在1～10微米左右，然后，将测试得到的各岩样的各矿物含量代入到基于矿物组成的脆性评价方法的评价公式，可得所取各岩样的脆性指数，其中，基于矿物组成的脆性评价方法的评价公式为：

式中，V_石英、V_方解石、V_黏土、V_{其他脆性矿物}依次为石英、方解石、黏土及其他脆性矿物的矿物体积，YM_石英、YM_方解石、YM_黏土、YM_{其他脆性矿物}依次为石英、方解石、黏土及其他脆性矿物的弹性模量，PR_石英、PR_方解石、PR_黏土、PR_{其他脆性矿物}依次为石英、方解石、黏土及其他脆性矿物的泊松比；

或为：

式中，a_i为各种脆性矿物相对石英的脆性系数，其中，a_i＝E_i/μ_i，i为矿物种类，M_i为地层中矿物的体积百分含量,E_i为第i种脆性矿物的弹性模量、μ_i为第i种脆性矿物的泊松比。

步骤5)中基于优化理论的权重反分析方法将直接求权重问题转化为通过实际工程样本反求各影响因素权重问题，不需先知经验，求解过程完全由实际样本驱动，具有很强的可操作性，其基本原理及求解步骤如下：

假设评价等级向量L＝(l₁,l₂,…,l_m-1,l_m)，等级个数为m，评价指标向量I＝(i₁,i₂,…,i_n-1,i_n)，指标个数为n，评价指标的权重向量为W＝(w₁,w₂,…,w_n-1,w_n)，且评价指标和评价等级之间的综合评价算法函数关系为f，有：

L＝f(I,W)

上式的含义为：由评价指标及评价指标的权重根据一定的综合评价算法函数f算出最终的评价等级，其中，综合评价算法有模糊综合评价法、灰色综合评价法。

将上式中“由评价指标、评价指标的权重及综合评价算法函数f求解评价等级”称为正问题，把“已知评价等级求解评价指标的权重及综合评价算法函数f”称为反问题，基于优化理论的权重反分析方法就是在已知评价等级、评价指标及综合评价算法函数f的前提下，依据一定的优化算法来求解评价指标的权重，其中，优化算法可选用粒子群算法、混沌优化算法，依据一定的优化算法来求解评价指标的权重的具体过程为：

若已知样本集S＝(s₁,s₂,…,s_k-1,s_k)，样本由评价指标值和评价等级组成，样本集S的个数k不应小于所求的权重个数n，则由样本集S求解各评价指标权重的数学优化问题表达式为：

式中，l_i为第i个样本的实际评价等级值，为第i个样本由综合评价算法函数f所得的等级值，w_i为第i个评价指标的权重。

上式的含义为：在约束条件的情况下，求解使得最小时的w_i。

上述基于优化理论的权重反分析方法计算步骤2)、步骤3)和步骤4)中三种脆性评价方法的权重值的实际过程是在确定综合评价算法函数f和优化算法后，在MATLAB平台上编制相应的权重反分析程序WeightCal.m即可求解权重向量。

其他未详细描述的部分均属于现有技术。

Claims (5)

1.储气库盖层岩石的综合脆性评价方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)对待评价储气库盖层岩石进行钻井取样并将所取岩样打磨加工分成三类岩样，即完好岩样P_m、残缺岩样I_r和破坏岩样D_n；

2)取步骤1)中的完好岩样P_m进行三轴压缩试验以获取完好岩样P_m的应力-应变曲线，然后，运用基于应力-应变曲线的脆性评价方法评价所取岩样的脆性；

3)取步骤1)中的残缺岩样I_r进行硬度测试以获取残缺岩样I_r的硬度，然后，运用基于硬度的脆性评价方法评价所取岩样的脆性；

4)分别取步骤2)和步骤3)中试验后完好岩样P_m的破坏样和残缺岩样I_r的破坏样以及步骤1)中的破坏岩样D_n，并分别将其研磨成粉末后进行物相分析，然后，运用基于矿物组成的脆性评价方法获取脆性指数并进行所取岩样的脆性评价；

5)运用基于优化理论的权重反分析方法计算步骤2)、步骤3)和步骤4)中三种脆性评价方法的权重值，综合评价待评价储气库盖层岩石的脆性。

2.根据权利要求1所述的储气库盖层岩石的综合脆性评价方法，其特征在于：所述步骤2)中基于应力-应变曲线的脆性评价方法的评价公式为：

<mrow> <msub> <mi>B</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>B</mi> <mn>1</mn> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <msubsup> <mi>B</mi> <mn>2</mn> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <msubsup> <mi>B</mi> <mn>3</mn> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mi>p</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mi>r</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mi>p</mi> </msub> </mfrac> <mfrac> <mrow> <mi>lg</mi> <mo>|</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>c</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>A</mi> <mi>C</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msub> <mo>|</mo> </mrow> <mn>10</mn> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mrow> <mi>q</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mrow> <mi>q</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>r</mi> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中，B′₁为峰后应力降的相对大小，B′₂为峰后应力降的绝对速率，B′₃为屈服影响系数，τ_p为峰值强度，τ_r为残余强度、k_ac(AC)为屈服阶段起点与残余阶段起点两点连线的斜率，ε_q1为屈服阶段起点应变、ε_q2为屈服阶段终点应变、ε_r为残余应变。

3.根据权利要求1或2所述的储气库盖层岩石的综合脆性评价方法，其特征在于：所述步骤3)中基于硬度的脆性评价方法的评价公式为：

B_r1＝S_11.2

式中，S_11.2为冲击试验后统计得到的粒径小于11.2mm的碎屑百分比；

或为：

B_r2＝qσ_c

式中，q为冲击试验后统计得到的粒径小于0.60mm的碎屑百分比，σ_c为抗压强度，取值为步骤2)中完好岩样P_m三轴压缩试验围压为0MPa时的值。

4.根据权利要求3所述的储气库盖层岩石的综合脆性评价方法，其特征在于：所述步骤4)中基于矿物组成的脆性评价方法的评价公式为：

式中，V_石英、V_方解石、V_黏土、V_{其他脆性矿物}依次为石英、方解石、黏土及其他脆性矿物的矿物体积，YM_石英、YM_方解石、YM_黏土、YM_{其他脆性矿物}依次为石英、方解石、黏土及其他脆性矿物的弹性模量，PR_石英、PR_方解石、PR_黏土、PR_{其他脆性矿物}依次为石英、方解石、黏土及其他脆性矿物的泊松比；

或为：

<mrow> <msub> <mi>B</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>m</mi> </munderover> <msub> <mi>a</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>M</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow>

式中，a_i为各种脆性矿物相对石英的脆性系数，其中，a_i＝E_i/μ_i，i为矿物种类，M_i为地层中矿物的体积百分含量,E_i为第i种脆性矿物的弹性模量、μ_i为第i种脆性矿物的泊松比。

5.根据权利要求4所述的储气库盖层岩石的综合脆性评价方法，其特征在于：所述步骤5)中基于优化理论的权重反分析方法是以综合评判算法和优化算法为基础进行的；所述综合评价算法为模糊综合评价法，或为灰色综合评价法；所述优化算法为粒子群算法，或为混沌优化算法。