CN110864966A - 一种适用于裂缝型岩石的可压性评价方法 - Google Patents

一种适用于裂缝型岩石的可压性评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于裂缝型岩石的可压性评价方法；该评价方法根据地质环境和工程因素，优选可压性评价参数，从评价裂缝型储层脆性和裂缝扩展的角度出发，综合岩石脆性指数，断裂韧性指数，天然裂缝特征和水力裂缝与天然裂缝相互作用的情况，构建了对裂缝型储层的可压性评价模型。根据岩石三轴压缩曲线，计算岩石脆性指数；根据地质数据资料，获取岩石断裂韧性，天然裂缝特征，并根据地应力及压裂工艺参数，确定人工裂缝与水里裂缝的干扰指数，之后根据综合可压性模型，实现对裂缝型储层的可压性评价；该评价方法可以较为准确地划分有效改造层段，指导压裂设计与施工。

Description

一种适用于裂缝型岩石的可压性评价方法
【技术领域】
本发明属于能源技术领域，具体涉及一种适用于裂缝型岩石的可压性评价方法。
【背景技术】
储层可压裂性评价是压前设计和储层评价的一项重要内容，目前关于储层可压性的评价方法主要分为岩心实验评价法和可压性系数评价法两大类。目前，可压性评价方法主要分为实验评价法和系数评价法。实验法通过对储层岩心进行试验，得到实验数据后进行评价，但是该方法得到的结果难以代表整个地层；系数法应用较为广泛，但是由于考虑因素不够全面，因此现有的模型都存在一定的不足，难以准确评价储层可压性。因此，需要一套全面的评价方法裂缝型储层的改造提供指导。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种适用于裂缝型岩石的可压性评价方法；该方法可以较为准确地划分有效改造层段，指导压裂设计与施工。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种适用于裂缝型岩石的可压性评价方法，包括以下步骤：
步骤1，通过三轴压缩试验得到的试验结果，计算岩石脆性评价指数B；
步骤2，通过断裂韧性KiC计算裂缝扩展指数K；
步骤3，通过储层裂缝倾角Cθ和天然裂缝密度Cd计算天然裂缝特征指数C；
步骤4，通过天然裂缝与水力裂缝的夹角θ，裂缝开启的难易程度指标A，计算裂缝干扰指数T；
步骤5，结合上述步骤的四个指数，计算可压性指数F，计算公式为：
F＝(B+K)×C×T
步骤6，根据步骤5计算得到的可压性指数F，对裂缝性岩石进行可压性评价，评价标准为：
当F<1时，裂缝型岩石可压性差；
当1≤F≤1.5时，裂缝型岩石可压性一般；
当F>1.5时，裂缝型岩石可压性好。
本发明的进一步改进在于：
优选的，步骤1中，岩石脆性评价指数B的计算公式为：
Figure BDA0002231751810000021
其中：σp为峰值应力，εp为峰值应变，σr为残余应力，εr为残余应变，ε为应力应变曲线上的某一点的应变值，σ为与ε相对应的该点的应力值，V为岩心试样体积。
优选的，每一点应变值ε和应力值σ均通过三轴压缩试验测得，进而得到应力应变曲线。
优选的，所述峰值应力σp、峰值应变εp、残余应力σr、残余应变εr四个参数从应力应变曲线得出。
优选的，步骤2中，裂缝扩展指数K的计算公式为：
Figure BDA0002231751810000022
Figure BDA0002231751810000023
其中：KiC为岩石的断裂韧性，KiCmax为岩石最大断裂韧性，KiCmin为岩石最小断裂韧性，I为I型岩石，II为II型岩石。
优选的，公式(3)中，KIc的计算公式为：
Figure BDA0002231751810000024
KIIc的计算公式为：
KII＝0.0466Pc+0.1674St-0.1851 (5)
其中：
Figure BDA0002231751810000031
Figure BDA0002231751810000032
其中，Pc为围压(MPa)，St是单轴抗拉强度(MPa)，Vcl为地层的泥质含量，Ktc是岩石抗压强度比例系数，一般取值8-15，Ed是动态弹性模量，vs是横波速度，vp是纵波速度，ρ是岩石密度。
优选的，步骤3中，天然裂缝特征指数C的计算公式为：
C＝log(Cd×Cθ+1)+1 (8)
其中：Cd为天然裂缝密度，kg/m3；Cθ为天然裂缝倾角，度；Cd和Cθ均通过地质和测井资料获得。
优选的，步骤4中，裂缝开启的难易程度指标A的计算公式为：
Figure BDA0002231751810000033
其中：θ为天然裂缝与水力裂缝的夹角，度；A表征裂缝开启的难易程度指标，取值范围在0到1之间。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种适用于裂缝型岩石的可压性评价方法；该方法根据地质环境和工程因素，优选可压性评价参数，从评价裂缝型储层脆性和裂缝扩展的角度出发，综合岩石脆性指数，断裂韧性指数，天然裂缝特征和水力裂缝与天然裂缝相互作用的情况，构建了对裂缝型储层的可压性评价模型；该方法不同于现有只通过脆性指数评价裂缝型岩石可压性的评价方法，综合考虑了对裂缝性岩石可压性有影响的所有因素。该方法同时考虑了实验测试结果和现场地质资料，实验结果为评价方法提供了准确的参数，而结合地质资料从工程应用尺度进行分析评价，因此更加全面。最后一步，可压性指数的计算公式由多次试验参数后得到。
【附图说明】
图1为本发明的可压性评价流程示意图；
图2为本发明的用于计算脆性指数的岩石三轴压缩实验的应力应变曲线图；
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述，本发明公开了一种适用于裂缝型岩石的可压性评价方法；该评价方法根据地质环境和工程因素，优选可压性评价参数，从评价裂缝型储层脆性和裂缝扩展的角度出发，综合岩石脆性指数，断裂韧性指数，天然裂缝特征和水力裂缝与天然裂缝相互作用的情况，构建了对裂缝型储层的可压性评价模型。根据岩石三轴压缩曲线，计算岩石脆性指数；根据地质数据资料，获取岩石断裂韧性，天然裂缝特征，并根据地应力及压裂工艺参数，确定人工裂缝与水里裂缝的干扰指数，之后根据综合可压性模型，实现对裂缝型储层的可压性评价；该评价方法可以较为准确地划分有效改造层段，指导压裂设计与施工。
为了达到上述目的，参见图1，本发明的技术方案为：
(1)岩石脆性评价指数B
计算岩石脆性指数B，岩石脆性程度越高，岩石可压性越高；在待检测区域进行取心，制成标准试样，进行四组三轴压缩试验，得到该裂缝型储层的应力应变曲线，进而获得峰值应力、峰值应变、残余应力、残余应变、每一点的应变值、应力值和岩心试样体积；其中，每一点的应变值及应力值是由测试装置依据标准DZ/T0276.20-2015《岩石物理力学性质试验规程第20部分：岩石三轴压缩强度试验》直接测试得到，测试装置为美国GCTS公司的RTR-1500测试系统，得到应力应变曲线；峰值应力、峰值应变、残余应力、残余应变四个参数根据三轴压缩试验的应力应变曲线可直接得出，岩心试样体积在获取试样时即可得到。
根据上述参数，运用基于全应力应变曲线的脆性评价方法计算脆性指数B，计算公式如下所示：
Figure BDA0002231751810000051
其中：σp为峰值应力，εp为峰值应变，σr为残余应力，εr为残余应变，ε为应力应变曲线上的某一点的应变值，σ为与ε相对应的该点的应力值，V为岩心试样体积。
(2)裂缝扩展指数K
裂缝扩展指数，表征人工裂缝在储层中的扩展难易程度，指数越高表明裂缝扩展延伸的能力越强。根据地质数据资料，获取I、II型岩石断裂韧性，裂缝扩展指数K的计算公式为：
Figure BDA0002231751810000052
Figure BDA0002231751810000053
其中：KiC为岩石的断裂韧性，KiCmax为岩石最大断裂韧性，KiCmin为岩石最小断裂韧性；KiCmax和KiCmin为经验值。
KIc的计算方法为：
Figure BDA0002231751810000054
KIIc的计算方法为：KIIc＝0.0466Pc+0.1674St-0.1851(5)
Figure BDA0002231751810000055
Figure BDA0002231751810000056
Pc为围压(MPa)，St是单轴抗拉强度(MPa)，Vcl为地层的泥质含量，Ktc是岩石抗压强度比例系数，一般取值8-15，Ed是动态弹性模量，vs是横波速度，vp是纵波速度，ρ是岩石密度。
(3)天然裂缝特征指数C
表征储层天然裂缝发育情况，天然裂缝越多，倾角越高，指数越高，越易形成复杂缝网。根据地质以及测井资料获取储层裂缝倾角Cθ和天然裂缝密度Cd，其计算公式为：
C＝log(Cd×Cθ+1)+1 (8)
其中：Cd为天然裂缝密度，Cθ为天然裂缝倾角。
(4)裂缝干扰指数T
表征天然裂缝对人工裂缝扩展的干扰程度，指数越高，人工裂缝越容易开启天然裂缝。计算公式为：
Figure BDA0002231751810000061
其中：θ为天然裂缝与水力裂缝的夹角；A表征裂缝开启的难易程度指标，取值范围在0到1之间：
A＝0：表明水力裂缝只能穿过天然裂缝，不能通过任何天然裂缝；天然裂缝不能开启；
A＝1：表明水力裂缝只能沿天然裂缝扩展，打开了所有的天然裂缝；天然裂缝很容易开启；
天然裂缝与水力裂缝的夹角越小，水力裂缝越容易开启天然裂缝；反之，越难。具体取值过程中，对于某一个角度，例如天然裂缝与水力裂缝的夹角30度，认定天然裂缝有70％的概率被开启，A＝0.7；若天然裂缝与水力裂缝的夹角45度，认定天然裂缝有60％的概率被开启，A＝0.6。
(5)综合可压性模型
裂缝型岩石的可压性模型是反映岩石自身压裂的难易程度以及形成的裂缝网络效果的综合指标，因此综合以上四个参数，定义可压性指数为：
F＝(B+K)×C×T (10)
(6)评价模型截止值
根据可压性评价结果，将其分为三个等级：
当F<1时，岩石可压裂性为1级，可压性较差，难以形成复杂裂缝；
当1≤F≤1.5时，岩石可压裂性为2级，可压性一般，需要采用适合的压裂工艺，以形成复杂裂缝；
当F>1.5时，当F>1.5时，岩石可压裂性为3级，可压性较好，压裂容易形成体积缝网。
实施例
选取鄂尔多斯盆地某地的裂缝型储层进行可压性评价，评价步骤如下：
(1)岩石脆性评价指数B
对于岩石来说，岩石的脆性程度越高，岩石在受外力作用的情况下，越容易出现破裂而不是变形。对于岩石的脆性评价，采用对应力应变曲线分析的方法是最为直观和有效的。对该裂缝型储层进行取心，制成标准试样，进行4组三轴压缩试验，得到应力应变曲线，如图2所示。即可运用基于全应力应变曲线的脆性评价方法计算脆性指数：
Figure BDA0002231751810000071
其中：σp为峰值应力，εp为峰值应变，σr为残余应力，εr为残余应变，ε为应力应变曲线上的某一点的应变值，σ为与ε相对应的该点的应力值，V为岩心试样体积。
根据脆性评价指数，4组岩心试样的应力-应变曲线获得岩样各项应力值、应变值和峰前应变能密度如表1所示。
表1三轴压缩试验测得的试验数据
Figure BDA0002231751810000072
得到四组岩心的脆性指数分别为1.91，1.83，1.64和1.30。平均值为B＝1.67。
(2)裂缝扩展指数K
岩石的断裂韧性越大，裂缝尖端进行扩展所需的能量越大，裂缝越难以扩展。裂缝扩展指数表征人工裂缝在储层中的扩展难易程度，指数越高表明裂缝扩展延伸的能力越强。通过地质资料获取断裂韧性I、II型断裂韧性数据，便可计算裂缝扩展指数，计算公式为：
Figure BDA0002231751810000081
Figure BDA0002231751810000082
其中：KiC为评价岩石的断裂韧性，KiCmax为区域岩石最大断裂韧性，KiCmin为区域岩石最小断裂韧性。
根据地质资料，该储层的I型断裂韧性范围为0.4-1.6，II型断裂韧性范围为0.9-1.1，评价点的I型和II型断裂韧性为0.8和1，裂缝扩展指数为K＝0.583。
(3)天然裂缝特征指数C
采用天然裂缝特征指数来表征储层天然裂缝发育情况，天然裂缝越多，倾角越高，特征指数越高，说明储层裂缝越发育，越有利于形成复杂缝网。根据地质以及测井资料获取储层裂缝倾角和密度，便可天然裂缝特征指数，计算公式为：
C＝log(Cd×Cθ+1)+1 (8)
其中：Cd为天然裂缝密度，Cθ为天然裂缝倾角。
该储层裂缝密度为1.3条/m，倾角为65度。天然裂缝特征指数C＝1.169。
(4)裂缝干扰指数T
该指数表征水力裂缝在裂缝型储层中扩展时，天然裂缝对人工裂缝扩展的干扰程度。对于水力压裂而言，水力裂缝遇到天然裂缝会出现穿透，转向，止裂等单一情况以及复合情况。裂缝干扰指数，人工裂缝越容易开启天然裂缝，该裂缝的计算公式为：
Figure BDA0002231751810000091
其中：θ为天然裂缝与水力裂缝的夹角；
根据该储层施工参数以及水力裂缝与天然裂缝相交判据，认为水力裂缝遇到天然裂缝易转向，少数可以穿透，综合考虑，此处A＝0.75，得到裂缝干扰指数T＝0.541。
(5)综合可压性模型
根据综合可压性指数计算方法：
F＝(B+K)×C×T (10)
得到该裂缝型储层的可压性评价结果F＝1.425。
(6)评价模型截止值
根据可压性等级划分结果，该裂缝型储层的可压性结果为2级，可压性一般，需要采用适合的压裂工艺，以形成复杂裂缝。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于裂缝型岩石的可压性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，通过三轴压缩试验得到的试验结果，计算岩石脆性评价指数B；
步骤2，通过断裂韧性KiC计算裂缝扩展指数K；
步骤3，通过储层裂缝倾角Cθ和天然裂缝密度Cd计算天然裂缝特征指数C；
步骤4，通过天然裂缝与水力裂缝的夹角θ，裂缝开启的难易程度指标A，计算裂缝干扰指数T；
步骤5，结合上述步骤的四个指数，计算可压性指数F，计算公式为：
F＝(B+K)×C×T
步骤6，根据步骤5计算得到的可压性指数F，对裂缝性岩石进行可压性评价，评价标准为：
当F<1时，裂缝型岩石可压性差；
当1≤F≤1.5时，裂缝型岩石可压性一般；
当F>1.5时，裂缝型岩石可压性好。
2.根据权利要求1所述的一种适用于裂缝型岩石的可压性评价方法，其特征在于，步骤1中，岩石脆性评价指数B的计算公式为：
Figure FDA0002231751800000011
其中：σp为峰值应力，εp为峰值应变，σr为残余应力，εr为残余应变，ε为应力应变曲线上的某一点的应变值，σ为与ε相对应的该点的应力值，V为岩心试样体积。
3.根据权利要求2所述的一种适用于裂缝型岩石的可压性评价方法，其特征在于，每一点应变值ε和应力值σ均通过三轴压缩试验测得，进而得到应力应变曲线。
4.根据权利要求3所述的一种适用于裂缝型岩石的可压性评价方法，其特征在于，所述峰值应力σp、峰值应变εp、残余应力σr、残余应变εr四个参数从应力应变曲线得出。
5.根据权利要求1所述的一种适用于裂缝型岩石的可压性评价方法，其特征在于，步骤2中，裂缝扩展指数K的计算公式为：
Figure FDA0002231751800000021
Figure FDA0002231751800000022
其中：KiC为岩石的断裂韧性，KiCmax为岩石最大断裂韧性，KiCmin为岩石最小断裂韧性，I为I型岩石，II为II型岩石。
6.根据权利要求1所述的一种适用于裂缝型岩石的可压性评价方法，其特征在于，公式(3)中，KIc的计算公式为：
Figure FDA0002231751800000023
KIIc的计算公式为：
KII＝0.0466Pc+0.1674St-0.1851 (5)
其中：
Figure FDA0002231751800000024
Figure FDA0002231751800000025
其中，Pc为围压(MPa)，St是单轴抗拉强度(MPa)，Vcl为地层的泥质含量，Ktc是岩石抗压强度比例系数，一般取值8-15，Ed是动态弹性模量，vs是横波速度，vp是纵波速度，ρ是岩石密度。
7.根据权利要求1所述的一种适用于裂缝型岩石的可压性评价方法，其特征在于，步骤3中，天然裂缝特征指数C的计算公式为：
C＝log(Cd×Cθ+1)+1 (8)
其中：Cd为天然裂缝密度，kg/m3；Cθ为天然裂缝倾角，度；Cd和Cθ均通过地质和测井资料获得。
8.根据权利要求1所述的一种适用于裂缝型岩石的可压性评价方法，其特征在于，步骤4中，裂缝开启的难易程度指标A的计算公式为：
Figure FDA0002231751800000031
其中：θ为天然裂缝与水力裂缝的夹角，度；A表征裂缝开启的难易程度指标，取值范围在0到1之间。
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