CN108827774A - 煤岩脆性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是煤岩脆性评价方法，具体为：一、测试得到应力、应变数据，及全应力‑应变曲线；二、建立幂函数分布的岩石损伤本构模型；三、根据全应力‑应变曲线，采幂函数分布的岩石损伤本构模型进行拟合；四、根据煤岩单轴压缩破坏全过程的能量演化规律推导得到考虑煤岩力学特性和割理、裂隙系统分布特征的脆性指标评价新模型；五、计算得到目标压裂井层的煤岩脆性指标数值；六、在整个煤层气开发区块内，对压裂效果不同的井，将评价结果与压裂效果对应，对整个煤层气开发区块煤岩脆性进行评价分级：将目标压裂井的煤岩脆性指标计算结果与评价分级标准对比。本发明提供的煤岩脆性分级和脆性指标评价结果，使煤层水力压裂的可压裂性评价更准确。

Description

煤岩脆性评价方法

技术领域

本发明涉及煤岩可压裂性评价技术，具体涉及煤岩脆性评价方法。

背景技术

煤层气是一种重要的非常规油气资源，其开发和利用越来越受到世界各国的关注和重视。我国煤层气储量丰富，高达36.8×10¹²m³，是仅次于俄罗斯和加拿大的全球第三大煤层气储量国。如果能高效开发煤层气资源，对我国能源供给意义重大。煤层气的主要成分为甲烷，当其空气浓度达到5％～16％时，遇明火就会爆炸，这也是煤矿瓦斯爆炸事故发生的根本原因。另外，如将煤层气直接排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21倍，对生态环境破坏作用极强。所以，在采煤之前如果能先开采煤层气，对煤矿安全生产和环境保护意义重大。

水力压裂是煤层气开采的一项有效技术措施，据统计我国日产量超过1000m³的煤层气井都使用过水力压裂增产措施。煤层气井开展水力压裂作业后，能够在井底附近形成复杂裂缝网络，增加煤层气井泄压面积，降低流体渗流阻力，极大地改善煤层渗流条件，从而有效增加煤层气井产能。

尽管水力压裂技术能够有效提高煤层气井产能，但也经常出现压裂改造后无法按照设计形成大面积的有效裂缝网络，而只在井底附近形成小范围裂缝延伸，无法有效增加压裂改造体积的现象。

产生压裂后压裂改造效果较差的原因有多方面，其中极为重要的一项是对要进行压裂改造煤层的可压裂性评价不够准确。可压裂性评价是在压裂施工开展前对目的储层进行的评价分析，通过可压裂性评价可以准确的分析目的储层是否具有可压裂性，即压裂以后能否形成有效的复杂裂缝网络，如果不具有可压裂性即使进行大规模压裂作业也很难形成大面积裂缝网络。只有具有较好可压裂性的储层通过压裂施工才能产生大面积裂缝网络，压裂改造效果明显。

可压裂性是一种涵盖多项指标的综合评价，包括岩石的脆性、地层的应力条件、压裂液的性能、压裂的规模等等多个方面。其中岩石的脆性评价是可压裂性评价中最为重要和关键一项评价指标，岩石的脆性评价准确与否直接影响到岩石可压裂性评价的正确性。

煤岩的脆性评价，是煤岩可压裂性评价的一项关键指标。

目前对于煤岩脆性的评价，基本都是沿用页岩脆性的评价方法，并没有完全针对煤岩力学特性提出合适的脆性评价方法，并建立相应的脆性评价理论模型。

借鉴页岩脆性评价方法，应用于煤岩的脆性评价，主要包括以下几类评价方法：

根据岩石矿物成分组成中脆性矿物含量来评价煤岩脆性。该方法尽管可以从岩石成岩矿物含量差异方面来评价煤岩的脆性，但其没有考虑煤岩力学参数的影响，以及煤岩中割理系统等结构弱面的影响，评价结果准确性较差。

根据煤岩力学实验测试得到的力学参数来评价煤岩的脆性。该方法可以反映煤岩力学特性对脆性的影响，评价结果具有一定的准确性，但其仍然没有考虑煤岩中割理系统等结构弱面的影响，使评价结果会出现一定的偏差。

所以现有的煤岩脆性评价方法，在评价煤岩脆性时都存在不同程度的不适用性，需要根据煤岩的力学特性和岩石结构特性，提出适用于煤岩脆性评价的新方法。

发明内容

本发明的目的是提供煤岩脆性评价方法，这种煤岩脆性评价方法用于水力压裂前目标压裂煤层可压裂性评价和选取问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种煤岩脆性评价方法：

步骤一、开展目标压裂井层的煤岩岩芯单轴压缩实验，测试得到应力、应变数据，及全应力-应变曲线；

步骤二、采用统计损伤理论描述煤岩内部割理和裂隙的发育，建立幂函数分布的岩石损伤本构模型：

式中：σ为施加的轴向应力，MPa；E为岩芯的弹性模量，MPa；ε为岩芯的应变量；m、ε₀为幂函数分布参数，通过对全应力-应变曲线的拟合得到；

步骤三、根据步骤一测试得到的全应力-应变曲线，采用步骤二得到的幂函数分布的岩石损伤本构模型进行拟合，使步骤二的幂函数分布的岩石损伤本构模型得到的计算应力-应变曲线与步骤一测试得到的全应力-应变曲线吻合，在应力峰值σ_B前采用一组拟合数据得到一对m和ε₀，在应力峰值σ_B后采用三组拟合数据得到三对m和ε₀；

步骤四、根据煤岩单轴压缩破坏全过程的能量演化规律，结合步骤二建立的幂函数分布的岩石损伤本构模型，推导得到考虑煤岩力学特性和割理、裂隙系统分布特征的脆性指标评价新模型：

式中：B_bf为煤岩的脆性指数；ε_E和ε_B为岩芯应力-应变曲线对应的E点和B点应变大小；W_s和W_r分别为应力峰值σ_B前和应力峰值σ_B后总能量：

在煤岩单轴压缩破坏全过程的能量演化规律图上，O为原点，B为应力峰值σ_B，A为从原点到应力峰值σ_B之间的一个转折点，C为做平行OA的直线过B点与横坐标轴的交点，D为位于横坐标上与B点具有相同横坐标值的点；

步骤五、将步骤三中拟合得到的应力峰值σ_B前的m和ε₀以及应力峰值σ_B后的三对m和ε₀代入步骤四所建立的煤岩脆性评价新模型中，计算得到目标压裂井层的煤岩脆性指标数值；

步骤六、在整个煤层气开发区块内，对压裂效果不同的井，分别采用步骤一至步骤五的方法对不同井的煤岩脆性进行评价，将评价结果与压裂效果对应，对所述整个煤层气开发区块煤岩脆性进行评价分级：

评价分级标准：脆性指数0-B_bf1为脆性差，脆性指数B_bf1-B_bf2为脆性较强，脆性指数B_bf2-B_bf3为脆性强，其中0<B_bf1<B_bf2<B_bf3,B_bf1、B_bf2、B_bf3分别与压裂效果差、效果较好、效果好的井对应；

将目标压裂井的煤岩脆性指标计算结果与评价分级标准进行对比，确定目标压裂井煤岩的脆性强弱，为可压裂性评价提供准确依据。

本发明具有以下有益效果：

1、通过本发明提供的煤岩脆性分级和脆性指标评价结果，可以使煤层水力压裂的可压裂性评价更为准确，保证压裂后有效增加煤层压裂改造体积，有效提高煤层气井产能；

2、通过本发明提供的煤岩脆性指标评价，可以避免以往脆性评价方法无法考虑煤岩力学特性和煤岩内部割理裂缝系统发育对脆性的影响，使脆性评价结果更真实可靠；

3、通过本发明提供的煤岩脆性评价新方法进行煤岩脆性评价时，只需要开展单轴压缩力学实验，简单易行，易于实现；

4、通过本发明提供的煤岩脆性指标评价，能够保证压裂取得更好压裂效果，避免由于脆性评价不准确导致压裂效果较差引起的生产成本增加，有利于提高经济效益；

5、本发明提供的煤岩脆性指标根据要进行压裂施工目的区块煤岩岩芯单轴压缩力学实验结果进行评价，应用于不同区块时，通过开展不同区块岩芯单轴压缩力学实验来重新进行评价，能够确保该方法适用于不同区块，实用性强。

附图说明

图1为煤岩单轴压缩实验测试得到的应力-应变曲线；

图2为幂函数分布的岩石损伤本构模型与煤岩单轴压缩实验测试得到的应力-应变曲线进行拟合的结果示意；

图3为煤岩单轴压缩破坏全过程的能量演化规律图。

图3中在应力峰值σ_B前阶段，S_OABC所代表的面积即为煤岩在压缩过程中的塑性变形所消耗的耗散能，S_CBD所代表的面积即为煤岩压缩过程中实际储存的弹性变形能。在应力峰值σ_B后阶段，S_CBED所代表的面积即为煤岩在破坏过程中所耗散的断裂能，S_DBEF所代表的面积即为煤岩在破坏过程中所需的外载继续做功来维持断裂的能量，S_DEF所代表的面积即为煤岩在破坏后剩余在试样中的残余能量。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

这种煤岩脆性评价方法如下：

步骤1、开展目标压裂井层的煤岩现场取芯，制备单轴压缩力学参数测试标准岩样，φ25*50mm或φ50*100mm岩芯，开展单轴压缩实验，测试得到全应力-应变曲线(如图1所示)和相应实验数据；

步骤2、采用统计损伤理论描述煤岩内部割理和裂隙的发育，建立幂函数分布的岩石损伤本构模型：

式中：σ为施加的轴向应力，MPa；E为岩芯的弹性模量，MPa；ε为岩芯的应变量；m、ε₀为幂函数分布参数，可通过对岩石应力-应变曲线的拟合得到。

步骤3、根据步骤1测试得到的全应力-应变曲线，采用步骤2的幂函数分布的岩石损伤本构模型进行拟合，使步骤2的幂函数分布的岩石损伤本构模型得到的计算应力-应变曲线与步骤1测试得到全应力-应变曲线吻合，在应力峰值σ_B前采用一组拟合数据得到一对m和ε₀，在应力峰值σ_B后采用三组拟合数据得到三对m和ε₀，(如图2所示)；

步骤4、根据煤岩单轴压缩破坏全过程的能量演化规律(如图3所示)，结合步骤2建立的幂函数分布的岩石损伤本构模型，推导得到考虑煤岩力学特性和割理、裂隙系统分布特征的脆性指标评价新模型：

式中：B_bf为煤岩的脆性指数；ε_E和ε_B为岩芯应力-应变曲线对应的E点和B点应变大小；W_s和W_r分别为应力峰值σ_B前和应力峰值σ_B后总能量：

式中O为原点，B为应力峰值σ_B，A为从原点到应力峰值σ_B之间的一个转折点，C为做平行OA的直线过B点与横坐标轴的交点，D为位于横坐标上与B点具有相同横坐标值的点；

步骤5、将步骤3中拟合得到的应力峰值σ_B前的m和ε₀以及应力峰值σ_B后的三对m和ε₀代入步骤4所建立的煤岩脆性评价新模型中，计算得到所述目标压裂井层的煤岩脆性指标数值；

步骤6、在整个煤层气开发区块内，对压裂效果不同的井，分别采用步骤1-5的方法对不同井的煤岩脆性进行评价，将评价结果与压裂效果对应，对该区域煤岩脆性进行评价分级：

评价分级标准：脆性指数0-B_bf1为脆性差，脆性指数B_bf1-B_bf2为脆性较强，脆性指数B_bf2-B_bf3为脆性强。其中0<B_bf1<B_bf2<B_bf3,B_bf1、B_bf2、B_bf3分别与压裂效果差、效果较好和效果好的井对应。

将目标压裂井的煤岩脆性指标计算结果与评价分级标准进行对比，确定目标压裂井煤岩的脆性强弱，为可压裂性评价提供准确依据。

Claims (1)

1.一种煤岩脆性评价方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、开展目标压裂井层的煤岩岩芯单轴压缩实验，测试得到应力、应变数据，及全应力-应变曲线；

步骤二、采用统计损伤理论描述煤岩内部割理和裂隙的发育，建立幂函数分布的岩石损伤本构模型：

式中：σ为施加的轴向应力，MPa；E为岩芯的弹性模量，MPa；ε为岩芯的应变量；m、ε₀为幂函数分布参数，通过对全应力-应变曲线的拟合得到；

步骤三、根据步骤一测试得到的全应力-应变曲线，采用步骤二得到的幂函数分布的岩石损伤本构模型进行拟合，使步骤二的幂函数分布的岩石损伤本构模型得到的计算应力-应变曲线与步骤一测试得到的全应力-应变曲线吻合，在应力峰值σ_B前采用一组拟合数据得到一对m和ε₀，在应力峰值σ_B后采用三组拟合数据得到三对m和ε₀；

步骤四、根据煤岩单轴压缩破坏全过程的能量演化规律，结合步骤二建立的幂函数分布的岩石损伤本构模型，推导得到考虑煤岩力学特性和割理、裂隙系统分布特征的脆性指标评价新模型：

式中：B_bf为煤岩的脆性指数；ε_E和ε_B为岩芯应力-应变曲线对应的E点和B点应变大小；W_s和W_r分别为应力峰值σ_B前和应力峰值σ_B后总能量：

O为原点，B为应力峰值σ_B，A为从原点到应力峰值σ_B之间的一个转折点，C为做平行OA的直线过B点与横坐标轴的交点，D为位于横坐标上与B点具有相同横坐标值的点；

步骤五、将步骤三中拟合得到的应力峰值σ_B前的m和ε₀以及应力峰值σ_B后的三对m和ε₀代入步骤四所建立的煤岩脆性评价新模型中，计算得到目标压裂井层的煤岩脆性指标数值；

步骤六、在整个煤层气开发区块内，对压裂效果不同的井，分别采用步骤一至步骤五的方法对不同井的煤岩脆性进行评价，将评价结果与压裂效果对应，对所述整个煤层气开发区块煤岩脆性进行评价分级：

评价分级标准：脆性指数0-B_bf1为脆性差，脆性指数B_bf1-B_bf2为脆性较强，脆性指数B_bf2-B_bf3为脆性强，其中0<B_bf1<B_bf2<B_bf3,B_bf1、B_bf2、B_bf3分别与压裂效果差、效果较好、效果好的井对应；

将目标压裂井的煤岩脆性指标计算结果与评价分级标准进行对比，确定目标压裂井煤岩的脆性强弱，为可压裂性评价提供准确依据。