CN108593436A - 一种基于应力应变曲线评价致密储层可压性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于应力应变曲线评价致密储层可压性的方法，包括以下步骤：测试岩样在一定围压下的应力应变曲线，获得弹性变形阶段的弹性模量和泊松比，从而得到弹性变形阶段体积应变，据此获得裂缝体积应变；根据轴向应变‑裂缝体积应变关系曲线，确定岩样的扩容点，通过从扩容点到破裂点围成的应力应变曲线包络面积，获得其应变能大小；然后通过对上述参数的变化数值大小进行无量纲化，建立该围下岩石的可压性指数数学模型，计算并比较其大小。本发明提供的实验评价方法不仅适用于页岩气、煤层气、致密油气、干热岩等非常规资源，还可应用于低渗透和超低渗透的常规油气藏。不仅考虑了围压作用，而且考虑了岩石扩容后形成的人工裂隙密度，可以用来评价地层条件下人工缝网形成能力，指导体积压裂施工进行选井选层。

Description

一种基于应力应变曲线评价致密储层可压性的方法

技术领域

本发明涉及一种石油天然气开采技术，尤其涉及一种基于应力应变曲线评价致密储层可压性的方法。

背景技术

水力压裂技术是提高低渗-特低渗透储层产量的必用手段，也是建立干热岩人工热储，提高其采热率的有效方式之一，其核心是压裂施工过程中能形成复杂裂缝网络，以增加与储层的接触面积。因此，评价岩石的可压性是评价储层是否适合缝网压裂的基础。

目前可压性评价有两个缺点，一是没有考虑围压作用，多数是在单轴加载条件下评价的；二是未考虑真实的人工裂隙密度，多数通过天然裂缝密度来近似表示实际人工裂缝密度。应力应变曲线包含了丰富的信息，基于以上两个缺点，本发明提出一种更真实的可压性评价方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于应力应变曲线评价致密储层可压性的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的基于应力应变曲线评价致密储层可压性的方法，包括步骤：

步骤1：将标准圆柱岩心置放于三轴压机内，在一定的围压P_c下，测试其应力应变特征，绘制其应力应变曲线；

步骤2：从应力应变曲线上获得其弹性变形阶段的弹性模量和泊松比，分别记为E和ν，计算公式如下：

其中σ_a为抗压强度50％时对应的轴向应力大小；ε_a和ε_r分别为应力σ_a时对应的轴向应变与径向应变大小；E为弹性模量；ν为泊松比；

步骤3：根据步骤2中的岩石力学参数计算岩样的脆性指数大小，公式如下：

式中，BI为脆性指数；E_BRIT为归一化弹性模量；ν_BRIT为归一化泊松比；E_max、E_min为步骤2中所有岩样弹性模量E构成向量中的最大元素值和最小元素值；ν_max、ν_min为步骤2中所有岩心泊松比ν构成向量中的最大元素值和最小元素值；

步骤4：根据线弹性阶段应力应变曲线，计算弹性体积应变ε_v ^elastic，公式如下：

式中，σ₁为轴向应力大小；P_c为围压大小；V_elastic为弹性变形阶段的体积大小；ΔV为弹性变形阶段体积变化量；E为弹性模量；ν为泊松比；

步骤5：根据应力应变曲线，计算体积应变ε_v，公式如下：

ε_v＝ε_a+2ε_r (7)

式中，ε_v为体积应变；ε_a为轴向应变；ε_r为径向应变；

步骤6：计算裂缝体积应变ε_crack，公式如下：

式中，ε_v为体积应变；ε_crack为裂缝体积应变；ε_v ^elastic为弹性体积应变；

步骤7：以轴向应变ε_a为横坐标，纵坐标为裂缝体积应变ε_crack，绘制二者间的关系曲线，从中找出拐点C，索定点C在应力应变曲线上的位置，读出扩容点应力大小σ_c；

步骤8：计算从扩容点应力σ_c到破裂点应力σ_f包围曲线下方的面积大小，即应变能大小W，公式如下：

式中，ε_c和ε_f分别是应力应变曲线上扩容点应力σ_c和破坏点应力σ_f对应的应变大小；W为从扩容点到破裂点包络曲线的应变能大小；

步骤9：分别对步骤3和步骤8中获得的脆性指数和应变能W进行无量纲化处理，公式如下：

式中，BI为脆性指数；BI_max和BI_min为所有岩样脆性指数构成向量中的最大值和最小值；W为步骤8中获得的应变能；W_max和W_min为步骤8中获得的所有岩样应变能构成向量中的最大值和最小值；W_d为无量纲应变能；BI_d为无量纲脆性指数；

步骤10：综合考虑步骤9中的无量纲化脆性指数和无量纲化应变能，计算岩样的可压性指数FI大小，公式如下：

FI＝λBI_d+(1-λ)W_d (12)

式中，λ为权重因子，其值为0-1范围内的小数；FI为可压性指数；W_d为无量纲应变能；BI_d为无量纲脆性指数；

步骤11：比较步骤10中的可压性指数大小，其值越大，说明该岩样的可压性越强。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的基于应力应变曲线评价致密储层可压性的方法，不仅考虑了围压作用，而且考虑岩石扩容后形成的人工裂隙密度(用扩容点至破裂阶段的应变能来表征)，因此可以用来评价地层条件下人工缝网形成能力。不仅适用于页岩气、煤层气、致密油气、干热岩等非常规资源，还可应用于低渗透和超低渗透的常规油气藏。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于应力应变曲线评价致密储层可压性的方法中确定扩容点示意图；

图2为本发明实施例中某岩心轴向应变与裂缝体积应变图，其中横坐标为轴向应变，纵坐标为裂缝体积应变。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本发明的基于应力应变曲线评价致密储层可压性的方法，其较佳的具体实施方式是：

包括步骤：

步骤1：将标准圆柱岩心置放于三轴压机内，在一定的围压P_c下，测试其应力应变特征，绘制其应力应变曲线；

步骤2：从应力应变曲线上获得其弹性变形阶段的弹性模量和泊松比，分别记为E和ν，计算公式如下：

其中σ_a为抗压强度50％时对应的轴向应力大小；ε_a和ε_r分别为应力σ_a时对应的轴向应变与径向应变大小；E为弹性模量；ν为泊松比；

步骤3：根据步骤2中的岩石力学参数计算岩样的脆性指数大小，公式如下：

式中，BI为脆性指数；E_BRIT为归一化弹性模量；ν_BRIT为归一化泊松比；E_max、E_min为步骤2中所有岩样弹性模量E构成向量中的最大元素值和最小元素值；ν_max、ν_min为步骤2中所有岩心泊松比ν构成向量中的最大元素值和最小元素值；

步骤4：根据线弹性阶段应力应变曲线，计算弹性体积应变ε_v ^elastic，公式如下：

式中，σ₁为轴向应力大小；P_c为围压大小；V_elastic为弹性变形阶段的体积大小；ΔV为弹性变形阶段体积变化量；E为弹性模量；ν为泊松比；

步骤5：根据应力应变曲线，计算体积应变ε_v，公式如下：

ε_v＝ε_a+2ε_r (7)

式中，ε_v为体积应变；ε_a为轴向应变；ε_r为径向应变；

步骤6：计算裂缝体积应变ε_crack，公式如下：

式中，ε_v为体积应变；ε_crack为裂缝体积应变；ε_v ^elastic为弹性体积应变；

步骤7：以轴向应变ε_a为横坐标，纵坐标为裂缝体积应变ε_crack，绘制二者间的关系曲线，从中找出拐点C，索定点C在应力应变曲线上的位置，读出扩容点应力大小σ_c；

步骤8：计算从扩容点应力σ_c到破裂点应力σ_f包围曲线下方的面积大小，即应变能大小W，公式如下：

式中，ε_c和ε_f分别是应力应变曲线上扩容点应力σ_c和破坏点应力σ_f对应的应变大小；W为从扩容点到破裂点包络曲线的应变能大小；

步骤9：分别对步骤3和步骤8中获得的脆性指数和应变能W进行无量纲化处理，公式如下：

式中，BI为脆性指数；BI_max和BI_min为所有岩样脆性指数构成向量中的最大值和最小值；W为步骤8中获得的应变能；W_max和W_min为步骤8中获得的所有岩样应变能构成向量中的最大值和最小值；W_d为无量纲应变能；BI_d为无量纲脆性指数；

步骤10：综合考虑步骤9中的无量纲化脆性指数和无量纲化应变能，计算岩样的可压性指数FI大小，公式如下：

FI＝λBI_d+(1-λ)W_d (12)

式中，λ为权重因子，其值为0-1范围内的小数；FI为可压性指数；W_d为无量纲应变能；BI_d为无量纲脆性指数；

步骤11：比较步骤10中的可压性指数大小，其值越大，说明该岩样的可压性越强。

所述非常规储层包括非常规油气藏中的页岩气、煤层气或致密油气储层或干热岩资源，常规油气藏中的低渗透或超低渗透储层。

该方法用于单轴加载或三轴条件加载，用于评价不同围压条件下岩样的可压性大小，从而为判断储层是否适合体积压裂改造提供依据。

本发明的基于应力应变曲线评价致密储层可压性的方法，不仅考虑了围压作用，而且考虑岩石扩容后形成的人工裂隙密度(用应力应变曲线下方从扩容点至破裂阶段包络曲线面积，即应变能大小来表征)，因此可以用来评价地层条件下人工缝网形成能力。不仅适用于页岩气、煤层气、致密油气、干热岩等非常规资源，还可应用于低渗透和超低渗透的常规油气藏。

具体实施例，如图1、图2所示：

具体步骤如下。

(1)分别将4块直径25毫米、高度50毫米的标准圆柱岩心置放于三轴压机内，在一定10MPa围压下，测试其应力应变特征，绘制其应力应变曲线；

(2)根据公式(1)至(2)，从应力应变曲线上分别获得每块样品的弹性变形阶段的弹性模量和泊松比；

(3)根据公式(3)至(5)，利用步骤2中的岩石力学参数计算岩样的脆性指数大小；

(4)利用公式(6)，根据线弹性阶段应力应变曲线，计算每块样品的弹性体积应变ε_v ^elastic；

(5)利用公式(7)，根据应力应变曲线，计算每块样品的体积应变ε_v；

(6)利用公式(8)，计算每块样品的裂缝体积应变ε_crack；

(7)以轴向应变ε_a为横坐标，纵坐标为裂缝体积应变ε_crack，绘制二者间的关系曲线，按图1中确定扩容点方法，从中找出拐点C，索定点C在应力应变曲线上的位置，读出每块样品的扩容点应力大小σ_c；

(8)利用公式(9)，针对每块样品，计算从扩容点σ_c到破裂点σ_f包围曲线下方的面积大小，即应变能大小W；

(9)：利用公式(10)至(11)，分别对步骤3和步骤8中获得的脆性指数和应变能W进行无量纲化处理；

(10)综合考虑步骤9中的无量纲化脆性指数和无量纲化应变能，利用公式(12)，取权重因子λ＝0.5，计算岩样的可压性指数FI大小，见表1；

(11)比较步骤10中的可压性指数大小，从中可以看出，编号为L4h-34岩石样品的可压性指数最大(0.57)，说明该岩样的可压性最强。

表1三轴条件下岩样可压性指数计算结果

编号	弹性模量	泊松比	扩容点	破裂点	应变能	E_BRIT	ν_BRIT	BI	W_D	FI
											P4h-8	35.4727	0.115	124.359	178.9777	28.5	1	0.77	0.88	0.12	0.50
YC8-12	25.9852	0.077	61.95692	113.9996	19.7	0.36	1	0.68	0	0.34
											L4h-30	23.9433	0.239	155.1796	202.6926	79.1	0.22	0	0.11	0.83	0.47
L4h-34	20.7577	0.194	137.6633	204.6602	91.4	0	0.28	0.14	1	0.57

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于应力应变曲线评价致密储层可压性的方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1：将标准圆柱岩心置放于三轴压机内，在一定的围压P_c下，测试其应力应变特征，绘制其应力应变曲线；

步骤2：从应力应变曲线上获得其弹性变形阶段的弹性模量和泊松比，分别记为E和ν，计算公式如下：

其中σ_a为抗压强度50％时对应的轴向应力大小；ε_a和ε_r分别为应力σ_a时对应的轴向应变与径向应变大小；E为弹性模量；ν为泊松比；

步骤3：根据步骤2中的岩石力学参数计算岩样的脆性指数大小，公式如下：

式中，BI为脆性指数；E_BRIT为归一化弹性模量；ν_BRIT为归一化泊松比；E_max、E_min为步骤2中所有岩样弹性模量E构成向量中的最大元素值和最小元素值；ν_max、ν_min为步骤2中所有岩心泊松比ν构成向量中的最大元素值和最小元素值；

步骤4：根据线弹性阶段应力应变曲线，计算弹性体积应变ε_v ^elastic，公式如下：

式中，σ₁为轴向应力大小；P_c为围压大小；V_elastic为弹性变形阶段的体积大小；ΔV为弹性变形阶段体积变化量；E为弹性模量；ν为泊松比；

步骤5：根据应力应变曲线，计算体积应变ε_v，公式如下：

ε_v＝ε_a+2ε_r (7)

式中，ε_v为体积应变；ε_a为轴向应变；ε_r为径向应变；

步骤6：计算裂缝体积应变ε_crack，公式如下：

式中，ε_v为体积应变；ε_crack为裂缝体积应变；ε_v ^elastic为弹性体积应变；

步骤7：以轴向应变ε_a为横坐标，纵坐标为裂缝体积应变ε_crack，绘制二者间的关系曲线，从中找出拐点C，索定点C在应力应变曲线上的位置，读出扩容点应力大小σ_c；

步骤8：计算从扩容点应力σ_c到破裂点应力σ_f包围曲线下方的面积大小，即应变能大小W，公式如下：

式中，ε_c和ε_f分别是应力应变曲线上扩容点应力σ_c和破坏点应力σ_f对应的应变大小；W为从扩容点到破裂点包络曲线的应变能大小；

步骤9：分别对步骤3和步骤8中获得的脆性指数和应变能W进行无量纲化处理，公式如下：

式中，BI为脆性指数；BI_max和BI_min为所有岩样脆性指数构成向量中的最大值和最小值；W为步骤8中获得的应变能；W_max和W_min为步骤8中获得的所有岩样应变能构成向量中的最大值和最小值；W_d为无量纲应变能；BI_d为无量纲脆性指数；

步骤10：综合考虑步骤9中的无量纲化脆性指数和无量纲化应变能，计算岩样的可压性指数FI大小，公式如下：

FI＝λBI_d+(1-λ)W_d (12)

式中，λ为权重因子，其值为0-1范围内的小数；FI为可压性指数；W_d为无量纲应变能；BI_d为无量纲脆性指数；

步骤11：比较步骤10中的可压性指数大小，其值越大，说明岩样的可压性越强。

2.根据权利要求1所述的基于应力应变曲线评价致密储层可压性的方法，其特征在于，所述非常规储层不仅包括非常规油气藏中的页岩气、煤层气或致密油气储层或干热岩资源，还包括常规油气藏中的低渗透或超低渗透储层。

3.根据权利要求1所述的基于应力应变曲线评价致密储层可压性的方法，其特征在于，该方法用于单轴条件加载或三轴条件加载，用于评价不同围压条件下岩样的可压性大小，从而为判断储层是否适合体积压裂改造提供依据。

4.根据权利要求1所述的基于应力应变曲线评价致密储层可压性的方法，其特征在于，该方法不仅考虑了围压作用，而且考虑岩石扩容后形成的人工裂隙密度(用应力应变曲线下方从扩容点至破裂阶段包络曲线面积，即应变能来表征)，能用来评价地层条件下人工缝网形成能力，指导压裂体积施工进行选井选层。