CN110726608B - 一种基于应力-应变曲线能量演化的页岩脆性评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于应力‑应变曲线能量演化的页岩脆性评价方法，包括以下步骤：基于应力‑应变曲线能量演化，建立页岩脆性评价模型，根据所述页岩脆性评价模型，评价页岩的脆性。本发明克服了现有技术中只考虑了峰后应力‑应变状态对于岩体脆性的影响，未考虑峰前特性对岩体脆性的表征的缺陷；克服了现有技术中引入起裂应力参数，但由于起裂应力与起裂应变取值方法较复杂且取值精度低，导致工程应用难度大的缺陷。本发明参数取值方便，脆性指数计算结果与实验现象吻合，能够准确地反映岩石的脆性特征，体现不同岩样间脆性差异，为水力压裂提供重要的技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及页岩脆性评价技术领域，特别涉及一种基于应力-应变曲线能量演化的页岩脆性评价方法。
背景技术
2018年我国天然气进口量约1254亿立方米，成为全球第一大天然气进口国，对外依存度升至45.3％。然而事实上，我国的页岩气储量高居全球第一位，可采资源量达21.8万亿立方米，开发潜力巨大。因此非常规资源尤其是页岩气资源的开发价值不言而喻。
页岩储层具有低孔低渗的特点，开发难度大，因此必须对其进行增产改造。水力压裂是一种对页岩储层改造以提高采收率的有效方法，主要手段是通过向地层注入超过其吸液能力的高粘压裂液，从而在储层中压出裂缝，形成复杂的裂缝网络。而脆性已被证实与复杂缝网的形成密切相关。岩石脆性越大，破裂后形成的裂缝越多，形成有效复杂裂缝网络的面积也越大；并且裂缝发育会促进页岩储层中游离态天然气体积的增加和吸附态天然气的解吸附，有助于提高气藏富集程度，增加产气量。因此，准确评价岩石脆性，对提高页岩气采收率至关重要。
现有技术中，周辉，孟凡震，张传庆等.基于应力–应变曲线的岩石脆性特征定量评价方法[J].岩石力学与工程学报,2014,33(06):1114-1122中公开了一种脆性评价模型，但该模型只考虑了峰后应力-应变状态对于岩体脆性的影响，没有考虑峰前特性对岩体脆性的表征，因此相对于整个应力-应变过程并不全面；陈国庆，赵聪，魏涛.基于全应力–应变曲线及起裂应力的岩石脆性特征评价方法[J].岩石力学与工程学报,2018,37(01):51-59中公开了一种脆性评价模型，该模型引入了起裂应力参数，用峰后应力跌落速率表征峰后脆性指数，用峰前起裂点至峰值点之间的应力增长速率表征峰前脆性指数，然而实际应用发现，其中起裂应力与起裂应变取值方法较复杂且取值精度低，将直接导致该模型计算的脆性评价结果误差较大，工程应用难度大。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种能够准确评价岩石脆的一种基于应力-应变曲线能量演化的页岩脆性评价方法。
本发明的技术方案如下：
一种基于应力-应变曲线能量演化的页岩脆性评价方法，包括以下步骤：
基于应力-应变曲线能量演化，建立页岩脆性评价模型，所述页岩脆性评价模型为：
式中：
Bi为脆性评价指标，无量纲；
Bi1为基于应力-应变曲线能量演化的能量指数，无量纲；
Bi2为考虑峰后跌落应力及峰后跌落应变大小的峰后脆性指标，无量纲；
E为杨氏弹性模量，MPa；
M为峰后弹性模量，MPa；
M＝dσ/dε (2)
式中：
d为微分符号；
σ为应力，MPa；
ε为应变，无量纲；
根据所述页岩脆性评价模型，评价页岩的脆性。
进一步地，所述能量指数的计算方法为：
式中：
dwr为峰值后的破裂能，MPa；
dwe为岩石破坏过程中被消耗的弹性能，MPa。
进一步地，所述弹性能的计算方法为：
式中：
σB为峰值应力，MPa；
σC为残余应力，MPa。
进一步地，对于I类岩石，所述破裂能为所述弹性能与附加能之和，所述附加能为峰后破坏过程中的弹性能不足以产生破坏而需要的额外能量；而对于II类岩石，所述破裂能为所述弹性能与释放能之差，所述释放能为峰后破坏过程中释放的多余能量；所述附加能或所述释放能的计算表达式如下：
因M＝dσ/dε，故I类岩石中M＜0、dwa＜0，故II类岩石中M＞0、dwa＞0，因此所述破裂能的计算式为：
式(5)、式(6)中：dwa为附加能或释放能，MPa。
进一步地，所述峰后脆性指标的计算方法为：
式中：
εC为残余应变，无量纲；
εB为峰值应变，无量纲。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明建立的模型克服了现有技术中只考虑了峰后应力-应变状态对于岩体脆性的影响，未考虑峰前特性对岩体脆性的表征的缺陷；克服了现有技术中引入起裂应力参数，但由于起裂应力与起裂应变取值方法较复杂且取值精度低，导致工程应用难度大的缺陷。本发明参数取值方便，脆性指数计算结果与实验现象吻合，能够准确地反映岩石的脆性特征，体现不同岩样间脆性差异，为水力压裂提供重要的技术支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为第I类和第II类岩石破坏过程的应力-应变曲线能量演化；
图2为一个具体实施例的页岩脆性评价模型计算结果示意图；
图3为当峰值应力作为单因素变化时，峰值应力与脆性指数关系示意图；
图4为当峰值应变作为单因素变化时，峰值应变与脆性指数关系示意图；
图5为当残余应力作为单因素变化时，残余应力与脆性指数关系示意图；
图6为当残余应变作为单因素变化时，残余应变与脆性指数关系示意图；
图7为当弹性模量作为单因素变化时，弹性模量与脆性指数关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
一种基于应力-应变曲线能量演化的页岩脆性评价方法，包括以下步骤：
基于如图1所示的第I类和第II类岩石破坏过程的应力-应变曲线能量演化，建立页岩脆性评价模型，根据所述页岩脆性评价模型，评价页岩的脆性。
所述页岩脆性评价模型为：
式中：
Bi为脆性评价指标，无量纲；
Bi1为基于应力-应变曲线能量演化的能量指数，无量纲；
Bi2为考虑峰后跌落应力及峰后跌落应变大小的峰后脆性指标，无量纲；
E为杨氏弹性模量，MPa；
M为峰后弹性模量，MPa；
M＝dσ/dε (2)
式中：
d为微分符号；
σ为应力，MPa；
ε为应变，无量纲；
所述能量指数的计算方法为：
式中：
dwr为峰值后的破裂能，MPa；
dwe为岩石破坏过程中被消耗的弹性能，MPa。
所述弹性能的计算方法为：
式中：
σB为峰值应力，MPa；
σC为残余应力，MPa。
对于I类岩石，所述破裂能为所述弹性能与附加能之和，所述附加能为峰后破坏过程中的弹性能不足以产生破坏而需要的额外能量；而对于II类岩石，所述破裂能为所述弹性能与释放能之差，所述释放能为峰后破坏过程中释放的多余能量；所述附加能或所述释放能的计算表达式如下：
因M＝dσ/dε，故I类岩石中M＜0、dwa＜0，故II类岩石中M＞0、dwa＞0，因此所述破裂能的计算式为：
式(5)、式(6)中：dwa为附加能或释放能，MPa。
所述峰后脆性指标的计算方法为：
式中：
εC为残余应变，无量纲；
εB为峰值应变，无量纲。
在一个具体的实施例中，以官东页岩区块为例，验证所述页岩脆性评价模型的准确性。所述页岩脆性评价模型输入参数及计算结果如表1所示：
表1模型输入参数及计算结果表
根据表1可绘制如图2所示的Bi指数与岩石破裂模式关系图，根据图2可以看出，本发明所述的页岩脆性评价模型符合实验现象，能够很好地反映脆性指数与岩样破坏模式间的关系，即岩样脆性指数越大，岩样越偏向于劈裂破坏，脆性越大。
在另一个具体的实施例中，还对本发明的所述页岩脆性评价模型进行了参数敏感性分析，采用单一参数变化的方法探讨各参数对所述页岩脆性评价模型的脆性评价结果的影响。
具体的，当峰值应力作为单一参数变化时，峰值应力与脆性指数关系如图3所示，由图3可知，峰值应力与脆性指数呈明显的线性关系，随着峰值应力增大，脆性指数也随之增大，峰值应力每增加10MPa，脆性指数相应增加632左右，分析原因是因为峰值应力增大将使得峰后指数这一参数增大。
具体的，当峰值应变作为单一参数变化时，峰值应变与脆性指数关系如图4所示，由图4可知，随着峰值应变增加，脆性指数也随之增加，二者呈正相关关系，随着峰值应变增大，脆性指数也随之增大，并且增大的速率越来越快，分析其原因是因为峰值应力增大将使得峰后应变减小，从而使得峰后指数这一参数增大。
具体的，当残余应力作为单一参数变化时，残余应力与脆性指数关系如图5所示，由图5可知，残余应力与脆性指数呈负相关关系，随着残余应力增大，脆性指数先随之线性减小，到后来减小速率加快，分析其原因是因为残余应力增大使得峰后应力降幅小，从而使得峰后指数这一参数减小。
具体的，当残余应变作为单一参数变化时，残余应变与脆性指数关系如图6所示，由图6可知，残余应变与脆性指数呈负相关关系，随着残余应变增大，脆性指数随之减小，并且减小速率逐渐变小，分析原因是因为残余应变增大将导致峰后应变增大，而这将使得峰后指数这一参数减小。
具体的，当弹性模量作为单一参数变化时，弹性模量与脆性指数关系如图7所示，由图7可知，弹性模量与脆性指数呈明显的线性关系，脆性指数随弹性模量增大而增大，弹性模量每增加5000MPa，脆性指数增加7.7左右，分析其原因是因为弹性模量增大将导致能量指数增大。
综上可知，在单因素变量的情况下，页岩脆性与峰值应力、峰值应变、弹性模量成正比，与残余应力、残余应变成反比。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (5)
1.一种基于应力-应变曲线能量演化的页岩脆性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于应力-应变曲线能量演化，建立页岩脆性评价模型，所述页岩脆性评价模型为：
式中：
Bi为脆性评价指标，无量纲；
Bi1为基于应力-应变曲线能量演化的能量指数，无量纲；
Bi2为考虑峰后跌落应力及峰后跌落应变大小的峰后脆性指标，无量纲；
E为杨氏弹性模量，MPa；
M为峰后弹性模量，MPa；
M＝dσ/dε (2)
式中：
d为微分符号；
σ为应力，MPa；
ε为应变，无量纲；
根据所述页岩脆性评价模型，评价页岩的脆性；所述页岩脆性评价模型计算得到的脆性评价指标越大，岩样越偏向于劈裂破坏，脆性越大。
2.根据权利要求1所述的基于应力-应变曲线能量演化的页岩脆性评价方法，其特征在于，所述能量指数的计算方法为：
式中：
dwr为峰值后的破裂能，MPa；
dwe为岩石破坏过程中被消耗的弹性能，MPa。
3.根据权利要求2所述的基于应力-应变曲线能量演化的页岩脆性评价方法，其特征在于，所述弹性能的计算方法为：
式中：
σB为峰值应力，MPa；
σC为残余应力，MPa。
4.根据权利要求3所述的基于应力-应变曲线能量演化的页岩脆性评价方法，其特征在于，对于I类岩石，所述破裂能为所述弹性能与附加能之和，所述附加能为峰后破坏过程中的弹性能不足以产生破坏而需要的额外能量；而对于II类岩石，所述破裂能为所述弹性能与释放能之差，所述释放能为峰后破坏过程中释放的多余能量；所述附加能或所述释放能的计算表达式如下：
因M＝dσ/dε，故I类岩石中M＜0、dwa＜0，故II类岩石中M＞0、dwa＞0，因此所述破裂能的计算式为：
式(5)、式(6)中：dwa为附加能或释放能，MPa。
5.根据权利要求1所述的基于应力-应变曲线能量演化的页岩脆性评价方法，其特征在于，所述峰后脆性指标的计算方法为：
式中：
εC为残余应变，无量纲；
εB为峰值应变，无量纲。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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