CN110687141B - 一种钻井过程中储层页岩的渗透特性分析方法 - Google Patents

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Abstract

发明提供一种钻井中储层页岩的渗透特性分析方法。该方法包括制定方案、分析矿物类型及含量、制作标准试样、水化试验、页岩力学试验和建立页岩应力‑损伤‑渗流耦合的渗透率演化模型等步骤。该方法采用室内试验及理论分析相结合的方法，避免了纯理论分析的盲目性及随机性，精细化的试验剖析及理论建模的联合研究方法具有描述储层页岩水化效应清晰、水力学参数表征可靠性高等突出优点。可为页岩气开发的精细挖潜产生显著的经济效益。

Description

一种钻井过程中储层页岩的渗透特性分析方法
技术领域
本发明涉及储层页岩技术领域，特别涉及钻井过程中储层页岩的渗透特性分析方法。
背景技术
《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》明确提出“到2020年，天然气占我国一次能源消费比重将达到10％以上，大力开发页岩气符合我国能源发展大趋势”。我国页岩气可采储量居世界第一，开发前景广阔，2018年4月其探明量就超过1万亿方，仅涪陵气田就已超200亿方。然而，我国页岩气成藏类型和组成复杂，孔隙结构的低孔、低渗、纳米级等特征，极大地影响了页岩气的有效开发及可靠采收率，当前多以钻井和水平井压裂来增大页岩气的运移通道，改善页岩气储层的渗透性以提高其采收率和产量。
而国内外的页岩气开发过程表明，钻井扰动引起的储层页岩结构改变、应力场改变和钻井液的弱化效应，页岩的水力学特性明显改变，多场耦合效应也随之增强，井壁坍塌、井眼缩径等发展为我国页岩气有效开发亟待解决的重大问题。如我国第一口页岩气储层水平井W201-H1的钻井过程中，出现了严重的井壁坍塌问题，造成岩屑和钻屑不能随钻井液带出而卡钻，造成巨大的经济损失；长宁-威远页岩气示范区卡钻、埋钻等事故频发，严重影响钻井效率和压裂施工。究其原因，钻井的重复扰动改变了储层赋存环境，且钻井液的反复注入改变了页岩结构并弱化了页岩力学特性，表现出强烈的损伤-渗流-应力的非线性耦合特征，极大地影响了气井稳定性及后续的水力压裂实施。
鉴于储层页岩主要由脆性矿物和黏土矿物组成，钻井中常用水基液作业，水与储层页岩长时间接触并发生水化反应，页岩的力学弱化及其渗透性改变加剧了井壁失稳，严重影响了页岩气的有效开发，提出钻井过程中储层页岩井壁安全评价方法尤为重要。当前，我国四川盆地东南部涪陵地区的海相页岩气勘探取得了重大突破，展示了海相页岩气资源的潜力巨大。以现场采集的龙马溪组页岩为研究对象，基于XRD的衍射图谱分析页岩矿物成分，切割取心形成标准试验试样，设计反映页岩原生赋存环境及扰动过程的试验方案，对标准试样浸水若干天，进行水化页岩的水力学特性试验，获取并分析不同荷载作用过程中的水化页岩力学响应及渗透规律，基于岩体力学、损伤力学及渗流力学等建立页岩应力-损伤-渗透率演化模型，研究荷载作用过程中的页岩渗透率变化规律，揭示水化页岩的渗透特性演化机理。鉴于页岩气储层赋存环境的复杂性及开发过程的强扰动性，精细的岩体试验及理论分析可作为确定深部页岩水力学参数的理论基础，也可为分析页岩气采收率及促进页岩气商业开发进程提供科学依据。
为了更清晰地表征和描述钻井过程中储层页岩的物性特征改变及应力-损伤-渗透特性，提高深部储层页岩钻井过程中的稳定性及页岩气开采的可靠性，有必要发明一种有效的方法从理论上确定并描述储层页岩的力学响应及应力-损伤-渗透特性，从技术上通过水力学参数的演化规律来评价和预测井壁的稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种钻井过程中储层页岩的渗透特性分析方法，以解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种钻井过程中储层页岩的渗透特性分析方法，包括以下步骤：
1)调研页岩气储层的赋存环境、物性特征及结构组成，确定影响钻井过程中页岩水力学特性的控制因素，并制定储层页岩水力学特性试验方案。
2)现场采集露头页岩并粉碎为粉末，利用XRD设备进行矿物成分分析，得出页岩包含的矿物类型和矿物含量。
3)取心制作包含有层理面的页岩标准试样。并对标准试样进行不同水化天数的水化试验。
4)进行不同水化天数的页岩水力学试验，获得页岩状态变量的时程曲线及标准试样的最终破坏模式。其中，所述状态变量包括应力、应变和渗透率。
5)基于水力学试验，建立荷载作用下的页岩应力-损伤-渗流耦合模型，得到复杂荷载作用下的页岩力学参数、渗透率及破坏模式的演化过程。
进一步，步骤2)中，对现场采集的储层页岩粉碎成粉末，利用XRD设备进行矿物成分分析，得到衍射角和强度值的XRD测试数据文件，基于晶体与非晶体X射线衍射图谱分析软件JADE对XRD图谱不同衍射角2theta处峰的分离与拟合，与既有物质pdf卡比对，得出页岩包含的矿物类型和矿物含量。
进一步，步骤3)中，所述页岩标准试样为适用于多功能岩石三轴实验设备的圆柱试样。所述页岩标准试样的制作过程中，将采集岩块切割为规则的长方体。采用取心机沿层理方向和垂直层理方向分别取心，得到层理角度为0°和90°的页岩试件。采用打磨机打磨试样。
进一步，步骤3)水化试验中，将标准试样烘干后常温浸泡于钻井液中，浸泡时间分别为2天、5天和10天，并观察页岩水化后的裂缝演化特征及破坏模式。
进一步，步骤4)具体包括以下步骤：
4.1)水化页岩的三轴力学响应试验。
4.2)三轴压缩过程中的水化页岩渗透试验。
4.3)一次加卸载过程中的水化页岩渗透试验。
进一步，步骤4.1)具体包括以下步骤：
4.1.1)采用多功能流固耦合实验仪，该仪器由轴压、围压和渗透压三个独立的伺服加载系统组成，可加载的最大轴压为1000KN，轴压加载方式可采用位移加载和应力加载，最大围压和最大渗透压可加载到60MPa，将准备好的试验试件用橡胶套包裹并放入到承台后，安装轴向引伸计和环向引伸计。
4.1.2)安装好试件后，用手动泵升高承台至围压室，并用螺栓固定住承台，使围压室密封防止漏油，然后向围压室充满油后，打开轴向荷载油泵使试件与轴向加载端面接触。
4.1.3)通过软件系统控制加载方式，轴向加载采用应变控制式加载，加载速率设定为0.01mm/min，并设定加载位移的上限值。
4.1.4)自动采集试验数据，实时显示应力-应变曲线，显示试验曲线趋于水平或突然下降时，试件已破坏，停止加载，取出试验试件。通过如上的试验步骤，记录轴向加载过程中的轴向应力、轴向变形和径向变形，即可获得三轴试验中的页岩力学参数。
进一步，步骤4.2)具体包括以下步骤：
4.2.1)将饱水后试样装入围压室，调整轴向引伸计和向应变计的位置，设定初始值，拧好基座与围压室螺栓，将围压室充油。
4.2.2)把围压加载到初始值5MPa，当围压稳定之后将渗透压加载到初始值4MPa。
4.2.3)以0.01mm/min的加载速率开始施加轴向位移载荷至试件破坏，自动记录加载过程中的各项数据，测定一段时间内的流体体积，根据达西定律应计算某一时刻对的岩石平均渗透率，形成全应力-应变过程中的渗透率演化曲线。
进一步，步骤4.3)具体包括以下步骤：
4.3.1)将水化页岩装入围压室，调整轴向引伸计与和向应变计的位置，设定初始值，拧好基座与围压室螺栓，将围压室充油。
4.3.2)把围压加载到初始值5MPa，当围压稳定之后将渗透压加载到初始值4MPa。
4.3.3)以1MPa为间隔逐渐施加围压至设定值，待每级围压稳定后，采用稳态法测定该应力状态下的渗透率，直至围压升高到最大加载数值。
4.3.4)围压升高至加载最大加载数值时，通过降围压的方式，以1MPa为间隔逐级降低围压至初始值，每级围压稳定后采用同样的方法测定该级围压下的渗透率。
进一步，步骤5)之后还具有预测钻井过程中储层页岩的水力学特性对井壁稳定性影响的相关步骤。
进一步，步骤5)之后，还具有钻井过程中储层页岩的渗透特性预测和提出井壁安全预警建议的相关步骤。
本发明的技术效果是毋庸置疑的：在理论和技术两个层面上有效解决了钻井过程中储层页岩的水化效应及其水力学特性表征的问题，明确了储层页岩遇水过程中的物性差异，确定了水化效应与页岩力学参数之间的关系，考虑复杂荷载下的损伤-渗流-应力耦合的多场耦合试验避免了纯理论分析的盲目性及随机性，精细化的试验剖析及理论建模的联合分析方法具有描述储层页岩水化效应清晰、水力学参数表征可靠性高等突出优点。本发明的试验及理论分析是直接反映钻井过程中储层页岩水化效应及水力学特性的可靠方法，是描述页岩气开发中储层页岩水力学特性演化的重要依据，对深部储层的安全评价及预警提供新的思路，为页岩气开发的精细挖潜产生显著的经济效益。
附图说明
图1为分析方法流程图；
图2为JADE可识别的页岩XRD衍射数据文档及XRD图谱；
图3为页岩标准试样制作流程示意图；
图4为标准试样示意图；
图5为页岩水化试验示意图；
图6为不同层理倾角页岩的应力-应变曲线；
图7为弹性模量与水化天数关系曲线；
图8为页岩粘聚力与水化天数关系曲线；
图9为内摩擦角与水化天数关系曲线；
图10为不同水化天数的页岩破坏形态；
图11为水化页岩渗透率演化曲线；
图12为水化页岩渗透率与损伤变量关系曲线；
图13为一次加卸载中水化页岩渗透率曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
页岩气储层是具有生烃能力且蕴含有页岩气的地层，这类气体主体上以吸附和游离状态同时赋存于页岩地层，具有自生自储、吸附成藏、隐蔽聚集等地质特点。其特殊性在于：(1)页岩气储层富含有机质，有机质含量高是页岩气储层的基本特征，调研表明龙马溪组富有有机质页岩中的下寒武纪TOC(有机碳)含量平均为3.42％，下志留统TOC含量平均为2.54％。(2)页岩气储层富含黏土矿物，调研得到下古生界龙马溪组富有机质页岩黏土含量约20％～50％。(3)细小的矿物颗粒。(4)极低的孔隙度和渗透率，调研获得的下寒武统龙马溪组富有机质页岩孔隙度平均为6.96％，渗透率为0.018～0056毫达西，下志留统孔隙度平均为5.05％，渗透率为0.013～0.058毫达西。(5)纳米级孔喉结构，下志留统龙马溪组页岩的平均孔径大约3.51～6.76mm。(6)页岩的粒度细和孔喉小，导致其相对固相岩石中的大孔隙具有更大的矿物表面积。(6)页岩气储层具有异常压力，热成因储层多以高压为主，而生物成因储层以低压为主，作为不同于其他岩石储层岩石的重要依据。钻井中钻井液与页岩相互作用改变页岩的孔隙压力、力学参数及强度特性，影响井壁稳定性的过程涉及如下三个主要因素：(1)赋存环境改变：钻井前的页岩气储层处于上覆地层压力、地应力及流体压力的渗流-应力平衡状态，钻井中的井液柱压力替换上覆地层压力而导致井周围应力重分布；井液柱压力低，井壁页岩剪切破坏而形成井的塑性缩径或脆性扩径；井液柱压力偏高则造成井漏。(2)水化效应：储层页岩由水敏性黏土矿物组成，钻井中的井液与之产生离子交换作用、页岩与钻井液中水的化学势差异产生的渗透作用、井底压差导致井液中水沿页岩微裂隙侵入，此时页岩吸水膨胀而产生水化应力，井壁页岩的应力分布及材料特性变化明显，对井壁稳定性影响显著。(3)工程扰动：钻井中的井液性能、钻井液对井壁的冲刷、井眼循环波动压力等协同作用导致井壁失稳。
参见图1，本实施例提供一种钻井过程中储层页岩的渗透特性分析方法，包括以下步骤：
1)收集页岩气储层及页岩气开发过程的各项资料，了解不同于其他油气储层的页岩气储层赋存环境及物性特征，分析赋存环境对页岩气开发的重要影响，研究储层页岩的物性特征，包括页岩的结构特征、力学特征及分布状态，并根据已有页岩气储层钻井过程中的页岩力学响应及井壁稳定性，确定影响钻井过程中页岩水力学特性的控制因素，为后续储层页岩水力学特性试验方案的确定提供依据。
2)对现场采集的储层页岩粉碎成粉末，利用XRD(X-ray diraction，X射线衍射)设备进行矿物成分分析，得到衍射角和强度值的XRD测试数据文件(.txt格式)，基于晶体与非晶体X射线衍射图谱分析软件JADE对XRD图谱不同衍射角2theta处峰的分离与拟合，与既有物质pdf卡比对，可得到该矿物的类型、含量等。
3)取心制作包含有层理面的页岩标准试样。并对标准试样进行不同水化天数的水化试验。
所述页岩标准试样为适用于多功能岩石三轴实验设备的圆柱试样。所述页岩标准试样的制作过程中，将采集岩块切割为规则的长方体。采用取心机沿层理方向和垂直层理方向分别取心，得到层理角度为0°和90°的页岩试件。采用打磨机打磨试样。
制备好的页岩岩样烘干后置于干燥箱内，常温浸泡于钻井液中，浸泡时间分别2天、5天和10天，分析不同水化天数的页岩破坏特征以及水化效应对页岩层理及细裂纹发展的影响，为后续不同水化时间的页岩岩样试样做准备。
4)进行不同水化天数的页岩水力学试验，获得页岩状态变量的时程曲线及标准试样的最终破坏模式。其中，所述状态变量包括应力、应变和渗透率。页岩水力学试验包括水化页岩的三轴力学响应试验、三轴压缩过程中的水化页岩渗透试验和一次加卸载过程中的水化页岩渗透试验。
5)基于水力学试验，建立荷载作用下的页岩应力-损伤-渗流耦合模型，得到复杂荷载作用下的页岩力学参数、渗透率及破坏模式的演化过程。预测钻井过程中储层页岩的水力学特性对井壁稳定性影响。钻井过程中储层页岩的渗透特性预测和提出井壁安全预警建议。
本实施例分析复杂赋存环境中的储层页岩物性特征及钻井过程中的页岩水力学响应过程，采用XRD设备的衍射图谱分析页岩矿物成分，可为页岩水化过程中的裂纹发展提供依据，再进行页岩水化处理后的力学试验，强调水化作用对页岩力学参数的弱化及破坏模式的影响，基于获得的全应力-应变渗透试验时程曲线，建立考虑页岩损伤-渗流-应力耦合模型，获得包含损伤-应变、损伤-渗透率等演化模型，研究一次加卸载过程中的水化页岩渗透率演化规律，探讨钻井过程中储层页岩的水力学特征演化及多场耦合效应对井壁稳定性的影响，提出钻井过程中储层页岩的渗透特性预测方法及井壁安全预警建议。
实施例2：
本实施例提供一种基础的钻井过程中储层页岩的渗透特性分析方法，包括以下步骤：
1)调研页岩气储层的赋存环境、物性特征及结构组成，确定影响钻井过程中页岩水力学特性的控制因素，并制定储层页岩水力学特性试验方案。
2)现场采集露头页岩并粉碎为粉末，利用XRD设备进行矿物成分分析，得出页岩包含的矿物类型和矿物含量。
3)取心制作包含有层理面的页岩标准试样。并对标准试样进行不同水化天数的水化试验。
4)进行不同水化天数的页岩水力学试验，获得页岩状态变量的时程曲线及标准试样的最终破坏模式。其中，所述状态变量包括应力、应变和渗透率。
5)基于水力学试验，建立荷载作用下的页岩应力-损伤-渗流耦合模型，得到复杂荷载作用下的页岩力学参数、渗透率及破坏模式的演化过程。
本实施例能分析钻井过程中储层页岩的力学响应及渗透特征，实现复杂荷载作用下的水力学参数确定，确保研究水化效应影响储层页岩水力学特性演化机理的准确性，提高深部页岩钻井过程中的安全评价效率及精度。
实施例3：
参见图2，本实施例主要步骤同实施例1，其中步骤2)具体包括以下步骤：
2.1)物象分析；
2.1.1)XRD测试数据导入：建立JADE可识别的页岩XRD测试数据文档，如图2a所示，第一列为衍射角2theta，第二列为衍射峰强度(intensity)。基于JADE软件的读入命令导入XRD测试数据，得到样品XRD衍射图，如图2b所示。
2.1.2)初步物相检索：右键点击JADE软件界面中的
Figure BDA0002221077870000081
键，弹出检索对话框，设定初步检索条件：选择所有类型的数据库；检索主物相(Major Phase)，点击“OK”开始检索，得到初始检索最可能存在的物相。
2.1.3)限定条件的物相检索：根据初步分析结果，现对试样进行限定条件检索，由此可发现某种物相的衍射峰与试样衍射峰均能对应，由此可确定试样中含有该矿物成分。
2.2)PDF卡片查找；如果知道卡片号，直接在“光盘”右边的文本栏中输入卡片号，按回车键，在全谱窗口和放大窗口的间隔条上有一个PDF卡片列表组合框，输入的卡片在下框中被加入。点击卡片张数，可打开PDF卡片列表来查看。
2.3)寻峰；物相鉴定后，选择菜单命令“Report-Peak ID(Extended)”，打开峰检索报告，计算各矿物百分比含量。
通过如上的分析，可得到如表1所示的页岩矿物成分，主要为石英、方解石、白云石和黏性矿物，其中脆性矿物的相对含量超过64.78％，其中石英含量为37.3％，黏性矿物的相对含量为35.22％。
表1
Figure BDA0002221077870000091
实施例4：
本实施例主要步骤同实施例1，其中标准试样的制备过程如图3所示。3a为原页岩现场采集。3b为岩体切割。岩体切割形成的长方体内包含有层理面。3c为取心。切割完成的大块页岩在SC-300型自动取心机上进行取心，取心按照图3c所示的角度进行，可以得到不同层理倾角的岩样，切割成直径50mm、高度100mm的试件。最后采用图3d岩石所示的打磨机打磨，使得试样端面的高度控制在±0.02mm，形成的标准试样如4所示。
实施例5：
本实施例主要步骤同实施例1，其中，步骤3)水化试验中，将制备好的岩样烘干后放置于干燥箱内，常温浸泡于钻井液中。将标准试样烘干后常温浸泡于钻井液中。如图5所示，浸泡时间分别为2天、5天和10天，并观察页岩水化后的裂缝演化特征及破坏模式。制作好的水化页岩试样作为后续三类页岩试验的岩样。
实施例6：
本实施例主要步骤同实施例1，其中，步骤4)中，不同水化天数页岩的三轴力学响应试验具体包括以下步骤：
a)采用多功能流固耦合实验仪，该仪器由轴压、围压和渗透压三个独立的伺服加载系统组成，可加载的最大轴压为1000KN，轴压加载方式可采用位移加载和应力加载，最大围压和最大渗透压可加载到60MPa，将准备好的试验试件用橡胶套包裹并放入到承台后，安装轴向引伸计和环向引伸计。
b)安装好试件后，用手动泵升高承台至围压室，并用螺栓固定住承台，使围压室密封防止漏油，然后向围压室充满油后，打开轴向荷载油泵使试件与轴向加载端面接触。
c)通过软件系统控制加载方式，轴向加载采用应变控制式加载，加载速率设定为0.01mm/min，并设定加载位移的上限值。
d)自动采集试验数据，实时显示应力-应变曲线，显示试验曲线趋于水平或突然下降时，试件已破坏，停止加载，取出试验试件。通过如上的试验步骤，记录轴向加载过程中的轴向应力、轴向变形和径向变形，即可获得三轴试验中的页岩力学参数。
图6显示两种层理倾角的页岩应力-应变曲线变化趋势基本相同，表现为：初始加载时的压密阶段不明显，加载后很快进入弹性变形阶段，轴向应变随轴向应力呈线性增加，随着轴向应力的增大，页岩应力-应变斜率减小，表现出非线性特征，当轴向应力达到岩样峰值强度后，裂缝迅速扩展形成宏观断面而发生脆性破坏，峰值应力迅速下降。图6a显示不同水化时间的垂直层理页岩力学响应趋势基本一致，但随着时间的增大，其强度变小，脆性增强；图6b描述不同水化时间的平行层理页岩力学响应趋势与图6a基本一致，表明水化对页岩强度特性的弱化。
参见图7、8和9，基于上述页岩的三轴力学试验得到不同水化时间的页岩力学参数特征及破坏模式。图7所示不同层理倾角度页岩的弹性模量与水化天数的关系曲线。7a为平行层理页岩，7b为垂直层理页岩。其结果表明：平行层理页岩无水化且无围压时，弹性模量23.3GPa，垂直层理的弹性模量15.1GPa，两者比值1.54；围压30MPa时，平行层理页岩的弹性模量26.82GPa，垂直层理页岩的弹性模量20.2，两者比值为1.33；相比围压0MPa时两者的比值减小，说明围压作用使弹性模量的各向异性程度减小。水化10天时，围压0MPa时，平行层理和垂直层理页岩的弹性模量分别为16.6GPa和12.7GPa，两者比值1.31，水化作用使页岩弹性模量各向异性程度减小。图中显示平行层理和垂直层理页岩的弹性模量都随着水化时间的增加而减小，水化2天时减小幅度明显，随着水化时间的增加，弹性模量减小平缓；不同围压下的水化作用使弹性模量减小的幅度不同，围压越高，弹性模量减小的幅度越小，围压作用使页岩孔隙压密而变形减小，页岩的弹性模量增加，不同水化时间页岩的弹性模量都随着围压的增加有升高趋势。
图8和图9分别为页岩粘聚力和内摩擦角与水化天数的关系。无水化时的平行层理页岩粘聚力和内摩擦角分别为38.7MPa和25.03°，垂直层理页岩的粘聚力和内摩擦角分别为32.42MPa和21.94°，平行层理页岩的粘聚力和内摩擦角都大于垂直层理页岩，且两种层理倾角的页岩强度参数都随着水化时间的增加逐渐减小。
图10为不同水化天数的页岩破坏形态，页岩具有极低的渗透率，水化作用对层理面的弱化作用大于对页岩基质作用，页岩的破坏模式主要受层理面的影响。如图10a和10b所示垂直层理页在不同水化天数后的破坏模式。如图10c和10d所示平行层理页在不同水化天数后的破坏模式，主要以张拉破坏，张拉破坏产生沿着层理面的贯通裂隙，主要在于页岩层理面胶结程度较弱，水化时间越长，层理面的弱化作用越明显，层理面越容易产生张拉破坏，破坏后形成多条贯穿层理面的宏观裂隙。当施加荷载时，页岩更容易破坏，且破坏模式主要以剪切破坏为主。
实施例7：
本实施例主要步骤同实施例1，其中，步骤4)中储层页岩渗透试验具体包括以下步骤：
a)将饱水后试样装入围压室，调整轴向引伸计和向应变计的位置，设定初始值，拧好基座与围压室螺栓，将围压室充油。
b)把围压加载到初始值5MPa，当围压稳定之后将渗透压加载到初始值4MPa。
c)以0.01mm/min的加载速率开始施加轴向位移载荷至试件破坏，自动记录加载过程中的各项数据，测定一段时间内的流体体积，根据达西定律应计算某一时刻对的岩石平均渗透率，形成全应力-应变过程中的渗透率演化曲线。
如图11所示，水化10天的页岩应力-应变曲线及渗透率变化曲线，可知初始加载阶段页岩无明显的压密现象，此时的渗流通道较小，随着荷载的增大，则页岩由于塑性变形而产生较大的渗流通道，则渗透率逐渐增大。水化10天页岩的渗透率较大，主要在于水化天数越多，其原生裂纹越多，且强度特性也越弱，同样的荷载作用下，页岩破坏更容易，此时的裂纹演化更容易，其渗透率也越大。
参加图12，上述描述的页岩渗透率与内部微结构破坏、裂纹萌生扩展有关，而内部结构破坏是岩石损伤的过程，可引入损伤变量进一步阐明荷载作用下页岩裂纹扩展对渗透率的影响，揭示页岩损伤渐裂过程中的渗透率演化机理。其计算过程如下：
考虑页岩内部含有大量的微观孔裂隙，设总的微观孔裂隙数N，外荷载下发生损伤破坏的微观孔裂隙数目为Nf，定义损伤变量：
Figure BDA0002221077870000121
假设微观孔裂隙破坏概率服从Weibull分布，其分布密度函数为φ(F)。
Figure BDA0002221077870000122
式中：F为微元强度的随机分布变量，m和F0为反映岩石材料非均质性的常数，则损伤变量D可表示为：
Figure BDA0002221077870000123
式中：F为微元强度形式，取决于岩石的破坏机制及破坏准则，Hoek-Brown准则可用于描述含结构面、节理等缺陷的岩石，采用Hoek-Brown破坏准则作为页岩的岩石微元强度，则：
Figure BDA0002221077870000124
式中：σ0＝P/A为完整岩体的单轴抗压强度；m，s均为与岩体特征有关的常数；
Figure BDA0002221077870000125
分别为最大、最小主应力，则：
Figure BDA0002221077870000126
Figure BDA0002221077870000131
式中：ε1,ε2,ε3为最大、中间、最小主应变。
则表达式F为：
Figure BDA0002221077870000132
得到损伤变量D的表达式：
Figure BDA0002221077870000133
可见，分布参数n，F0通过试验确定，得出如下的表达式：
Figure BDA0002221077870000134
Figure BDA0002221077870000135
令F＝0可得：
Figure BDA0002221077870000136
令
Figure BDA0002221077870000137
则得到：
y＝mx+s
基于上述的试验数据拟合即可确定m、s，从而得到不同工况的页岩损伤变量与渗透率的关系。其结果表明：初始阶段不同水化时间页岩损伤变量基本保持不变，此时未产生新的裂纹，渗透率基本保持不变；随后内部裂纹开始萌生扩展，损伤变量缓慢增大，渗透率也开始逐渐增大，但增大的趋势滞后于损伤变量的变化；当荷载继续增大，此时的页岩损伤变量变化明显，渗透率也随之增大，两者的变化趋势基本说明了全应力-应变过程中的渗透率演化规律。
实施例8：
本实施例主要步骤同实施例1，其中，步骤4)中，一次加卸载过程中的水化页岩渗透试验具体包括以下步骤：
a)将水化页岩装入围压室，调整轴向引伸计与和向应变计的位置，设定初始值，拧好基座与围压室螺栓，将围压室充油。
b)把围压加载到初始值5MPa，当围压稳定之后将渗透压加载到初始值4MPa。
c)以1MPa为间隔逐渐施加围压至设定值，待每级围压稳定后，采用稳态法测定该应力状态下的渗透率，直至围压升高到最大加载数值。
d)围压升高至加载最大加载数值时，通过降围压的方式，以1MPa为间隔逐级降低围压至初始值，每级围压稳定后采用同样的方法测定该级围压下的渗透率。
参见图13，基于上述试验过程，得到两个岩样H-1和H-2的渗透率，围压5MPa时的页岩H-1渗透率14.8×10-18m2，H-2的渗透率10.7×10-18m2。其结果表明，加载阶段的H-2在围压由5MPa至7MPa时，渗透率由10.7×10-18m2降到2.0×10-18m2，渗透率减小近81％；围压由7MPa至11MPa的过程，渗透率由2.0×10-18m2降到0.21×10-17m2，渗透率减小仅16％。渗透率随着围压的增大而减小，加载初期渗透率减小的较快，随着围压的增大，渗透率减小的幅度变缓。而在卸载阶段，围压从11MPa卸至7MPa，岩样H-1渗透率由1.1×10-18m2升至1.4×10-18m2，渗透率恢复仅2.8％；当围压从7MPa卸载至5MPa时，渗透率由1.4×10-18m2升至2.5×10-18m2，渗透率恢复了10％，表明渗透率随着围压的减小而增大，卸载初期渗透率恢复较慢。而对比一次加卸载中的页岩渗透率演化规律，可知：同一围压下加载页岩的渗透率大于卸载页岩的渗透率，即便围压卸载至初始值，其渗透率也恢复不到原来的数值，如当围压7MPa时，H-1在加载阶段的渗透率为8.3×10-18m2，在卸载阶段的渗透率为1.4×10-18m2；H-2在加载阶段的渗透率为2.0×10-18m2，在卸载阶段的渗透率为0.59×10-18m2；围压卸载至初始值5MPa时，H-2的渗透率恢复到初始值的20％，H-1渗透率只恢复到初始值的16％，阐明整个加载过程的页岩损伤是不可逆的。
实施例9：
本实施例主要步骤同实施例1，其中，步骤5)之后还具有预测钻井过程中储层页岩的水力学特性对井壁稳定性影响的相关步骤。
实施例10：
本实施例主要步骤同实施例1，其中，步骤5)之后，还具有钻井过程中储层页岩的渗透特性预测和提出井壁安全预警建议的相关步骤。

Claims (4)

1.一种钻井过程中储层页岩的渗透特性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)调研页岩气储层的赋存环境、物性特征及结构组成，确定影响钻井过程中页岩水力学特性的控制因素，并制定储层页岩水力学特性试验方案；
2)现场采集露头页岩并粉碎为粉末，利用XRD设备进行矿物成分分析，得出页岩包含的矿物类型和矿物含量；
3)取心制作包含有层理面的页岩标准试样；并对标准试样进行不同水化天数的水化试验；
4)进行不同水化天数的页岩水力学试验，获得页岩状态变量的时程曲线及标准试样的最终破坏模式；其中，所述状态变量包括应力、应变和渗透率；
4.1)水化页岩的三轴力学响应试验；
4.1.1)采用多功能流固耦合实验仪；所述多功能流固耦合实验仪由轴压、围压和渗透压三个独立的伺服加载系统组成，可加载的最大轴压为1000KN，轴压加载方式可采用位移加载和应力加载，最大围压和最大渗透压可加载到60MPa；将准备好的试验试件用橡胶套包裹并放入到承台后，安装轴向引伸计和环向引伸计；
4.1.2)安装好试件后，用手动泵升高承台至围压室，并用螺栓固定住承台，使围压室密封防止漏油，然后向围压室充满油后，打开轴向荷载油泵使试件与轴向加载端面接触；
4.1.3)通过软件系统控制加载方式，轴向加载采用应变控制式加载，加载速率设定为0.01mm/min，并设定加载位移的上限值；
4.1.4)自动采集试验数据，实时显示应力-应变曲线，显示试验曲线趋于水平或突然下降时，试件已破坏，停止加载，取出试验试件；通过如上的试验步骤，记录轴向加载过程中的轴向应力、轴向变形和径向变形，即可获得三轴试验中的页岩力学参数；
4.2)三轴压缩过程中的水化页岩渗透试验；
4.2.1)将饱水后试样装入围压室，调整轴向引伸计和向应变计的位置，设定初始值，拧好基座与围压室螺栓，将围压室充油；
4.2.2)把围压加载到初始值5MPa，当围压稳定之后将渗透压加载到初始值4MPa；
4.2.3)以0.01mm/min的加载速率开始施加轴向位移载荷至试件破坏，自动记录加载过程中的各项数据，测定一段时间内的流体体积，根据达西定律计算某一时刻对应的岩石平均渗透率，形成全应力-应变过程中的渗透率演化曲线；
4.3)一次加卸载过程中的水化页岩渗透试验；
4.3.1)将水化页岩装入围压室，调整轴向引伸计与和向应变计的位置，设定初始值，拧好基座与围压室螺栓，将围压室充油；
4.3.2)把围压加载到初始值5MPa，当围压稳定之后将渗透压加载到初始值4MPa；
4.3.3)以1MPa为间隔逐渐施加围压至设定值，待每级围压稳定后，采用稳态法测定每级围压下的渗透率，直至围压升高到最大加载数值；
4.3.4)围压升高至加载最大加载数值时，通过降围压的方式，以1MPa为间隔逐级降低围压至初始值，每级围压稳定后采用同样的方法测定每级围压下的渗透率；
5)基于水力学试验，建立荷载作用下的页岩应力-损伤-渗流耦合模型，得到复杂荷载作用下的页岩力学参数、渗透率及破坏模式的演化过程；预测钻井过程中储层页岩的水力学特性对井壁稳定性影响；
6)对钻井过程中储层页岩的渗透特性进行预测，并提出井壁安全预警建议。
2.根据权利要求1所述的一种钻井过程中储层页岩的渗透特性分析方法，其特征在于：步骤2)中，对现场采集的储层页岩粉碎成粉末，利用XRD设备进行矿物成分分析，得到衍射角和强度值的XRD测试数据文件，基于晶体与非晶体X射线衍射图谱分析软件JADE对XRD图谱不同衍射角2theta处峰的分离与拟合，与既有物质pdf卡比对，得出页岩包含的矿物类型和矿物含量。
3.根据权利要求1所述的一种钻井过程中储层页岩的渗透特性分析方法，其特征在于：步骤3)中，所述页岩标准试样为适用于多功能岩石三轴实验设备的圆柱试样；所述页岩标准试样的制作过程中，将采集岩块切割为规则的长方体；采用取心机沿层理方向和垂直层理方向分别取心，得到层理角度为0°和90°的页岩试件；采用打磨机打磨试样。
4.根据权利要求1所述的一种钻井过程中储层页岩的渗透特性分析方法，其特征在于：步骤3)水化试验中，将标准试样烘干后常温浸泡于钻井液中，浸泡时间分别为2天、5天和10天，并观察页岩水化后的裂缝演化特征及破坏模式。
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