CN110926941A - 一种页岩脆性指数评价方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩体力学技术领域，公开了一种页岩脆性指数评价方法、装置及系统，其中方法包括以下步骤：获取岩样在不同围压下的应力应变曲线，根据所述应力应变曲线计算峰前能量演化特征值以及峰后能量演化特征值；根据所述峰前能量演化特征值计算峰前脆性指数，根据所述峰后能量演化特征值计算峰后脆性指数；结合所述峰前脆性指数和所述峰后脆性指数获取综合脆性指数，根据所述综合脆性指数对页岩脆性进行评价。本发明提供的综合脆性指数全面考虑了不同围压下页岩变形破坏的全过程，能够很好地反映不同围压情况下不同岩石的脆性特征。

Description

一种页岩脆性指数评价方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及岩体力学技术领域，具体涉及一种页岩脆性指数评价方法、装置及系统。

背景技术

脆性是岩体在很小的塑性变形下就发生破坏的性质，同时在破坏过程中伴随着弹性能的急剧释放。作为岩体的重要基本特性，脆性评价对于岩体工程实际具有重要意义，例如在油气田开采工程中，岩体脆性作为储层评价的关键指标，与井壁稳定性、水力裂缝的起裂、延伸及最后缝网的有效沟通等密切相关；在深部岩体工程中，岩体脆性是岩爆、冲击地压等工程灾害的重要内部因素；在开挖及破碎工程中，岩体脆性决定了TBM掘进和钻机的钻孔效率；另外，岩体脆性对于煤矿开采过程也有重要影响。因此，开展岩体脆性评价对于岩体力学与工程具有重要指导意义。

目前，页岩脆性评价指标是采用矿物脆性指数还是力学脆性指数尚无统一认识，且研究成果大多出于学者对于各自研究目的提出的，缺乏统一的标准和方法,反映了页岩在矿物组成或岩石力学上的脆性特征比较单一，难以全面反映页岩的可压性特征,因此研究页岩脆性特征及可压性评价十分重要。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种页岩脆性指数评价方法、装置及系统，解决现有技术中页岩在矿物组成或岩石力学上的脆性特征比较单一，现有的页岩脆性指数难以全面反映页岩的脆性特征的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种页岩脆性指数评价方法，包括以下步骤：

获取岩样在不同围压下的应力应变曲线，根据所述应力应变曲线计算峰前能量演化特征值以及峰后能量演化特征值；

根据所述峰前能量演化特征值计算峰前脆性指数，根据所述峰后能量演化特征值计算峰后脆性指数；

结合所述峰前脆性指数和所述峰后脆性指数获取综合脆性指数，根据所述综合脆性指数对页岩脆性进行评价。

本发明还提供一种页岩脆性指数评价装置，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现所述页岩脆性指数评价方法。

本发明还提供一种页岩脆性指数评价系统，包括所述页岩脆性指数评价装置，还包括用于检测岩样在不同围压下的应力应变曲线的检测装置；

所述检测装置包括控制柜、加载压力机、三轴室、热缩塑料管、轴向应力片以及横向应力片；所述控制柜包括油泵以及油室，所述油泵以及所述加载压力机分别与所述页岩脆性指数评价装置电连接，所述油室内填充有液压油，所述油室通过所述油泵与所述三轴室连通，所述加载压力机包括上压头和下压头，所述下压头固定于所述三轴室内，所述上压头伸入所述三轴室内，所述岩样夹持于所述上压头与所述下压头之间，所述轴向应力片沿所述加载压力机的夹持方向安装于所述岩样的表面，所述横向应力片沿所述夹持方向的垂直方向安装于所述岩样的表面，所述热缩塑料管套设于所述岩样上，热缩后将所述轴向应力片以及横向应力片固定于所述岩样上。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：基于现有的页岩脆性评价主要是考虑页岩某种特性，并没有考虑岩石变形破坏全过程的特性，本发明为了克服以上局限性，首先获取不同围压下的应力应变曲线，应力应变曲线描述了不同围压下页岩的应力应变变化，根据应力应变曲线可以分析得到不同围压下页岩的能量变化规律，进而依次得出峰前阶段和峰后阶段的能量演化特征值，确定峰前脆性指数和峰后脆性指数，使得峰前脆性指数和峰后脆性指数考虑了不同围压下页岩变形破坏的全过程，能够很好地反映不同围压情况下不同岩石的脆性特征，有效地描述页岩峰值前后力学特性的变化规律。本发明提供的综合脆性指数能有效地描述岩石变形破坏全过程的脆性行为，为岩石脆性的定量评价提供了一条新思路，能为类似油气储层勘探开发或岩质边坡工程的设计和施工提供理论指导。

附图说明

图1是本发明提供的页岩脆性指数评价方法一实施方式的流程图；

图2是本发明提供的页岩脆性指数评价装置一实施方式的结构示意图；

图3是本发明提供的页岩脆性指数评价系统一实施方式的结构示意图；

图4是本发明中岩样脆性指数评价结果图。

附图标记：

1、页岩脆性指数评价装置，11、处理器，12、存储器，2、控制柜，3、液压油，4、加载压力机，5、上压头，6、下压头，7、三轴室，8、热缩塑料管，9、岩样，10、轴向应力片，11、横向应力片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，本发明的实施例1提供了页岩脆性指数评价方法，包括以下步骤：

S1、获取岩样在不同围压下的应力应变曲线，根据所述应力应变曲线计算峰前能量演化特征值以及峰后能量演化特征值；

S2、根据所述峰前能量演化特征值计算峰前脆性指数，根据所述峰后能量演化特征值计算峰后脆性指数；

S3、结合所述峰前脆性指数和所述峰后脆性指数获取综合脆性指数，根据所述综合脆性指数对页岩脆性进行评价。

本发明提出基于能量演化的页岩脆性指数，在前人研究基础上，进一步研究页岩脆性指数应该具备的特征或规律，讨论脆性指数与围压的关系。首先基于应力应变曲线分析页岩的能量演化过程，计算得到峰前能量演化特征值和峰后能量演化特征值，基于峰前能量演化特征值提出峰前脆性指数，基于峰后能量演化特征值提出峰后脆性指数，采用合成方法综合提出页岩脆性指数评价方法，结合峰前脆性指数和峰后脆性指数对页岩脆性进行综合评价。由于应力应变曲线描述了不同围压下页岩的应力应变变化，根据应力应变曲线可以分析得到不同围压下页岩的能量变化规律，进而依次得出峰前阶段和峰后阶段的能量演化特征值，确定峰前脆性指数和峰后脆性指数，使得峰前脆性指数和峰后脆性指数考虑了不同围压下页岩变形破坏的全过程，能够很好地反映不同围压情况下不同岩石的脆性特征，有效地描述页岩峰值前后力学特性的变化规律。本发明提供的综合脆性指数能有效地描述岩石变形破坏全过程的脆性行为，为岩石脆性的定量评价提供了一条新思路，能为类似油气储层勘探开发或岩质边坡工程的设计和施工提供理论指导。

优选的，根据所述应力应变曲线计算峰前能量演化特征值以及峰后能量演化特征值，具体为：

根据所述应力应变曲线获取各节点处的应力以及对应的应变，根据各节点处的应力以及对应的应变计算各阶段的不同种类能量的变化值；

根据峰值应力节点前的各阶段的不同种类能量的变化值计算峰前能量演化特征值，根据峰值应力节点后的各阶段的不同种类能量的变化值计算峰后能量演化特征值。

首先将应力应变曲线分为不同阶段，损伤应力前阶段、损伤应力至峰值应力阶段以及岩样破坏后阶段，获取各阶段分界的各节点处的应力以及对应的应变，根据应力应变曲线对各阶段应力、应变进行积分等运算，得到各阶段不同能量的变化值，进而计算峰前能量演化特征值和峰后能量演化特征值，峰前能量演化特征值和峰后能量演化特征值描述了岩样的能量演化过程，基于峰前能量演化特征值和峰后能量演化特征值即可计算出基于能量演化过程的峰前脆性指数和峰后脆性指数。

优选的，根据各节点处的应力以及对应的应变计算各阶段的不同种类能量的变化值，具体为：

先根据应力应变曲线，获取各节点处的应力以及对应的应变，各节点包括损伤应力节点、峰值应力节点以及岩样破坏节点，应力以及对应的应变包括轴向应力σ₁、轴向应变ε₁、围压σ₃以及环向应变ε₃；

岩石变形破坏全过程中的总吸收能和弹性应变能表示为：

U₀＝∫σ₁dε₁+2∫σ₃dε₃

其中，U₀为岩石变形破坏过程中的总吸收能，即外力对岩石所做的总功；U_e为岩石变形破坏过程中的弹性应变能，即岩石可释放的弹性应变能，E₀为弹性模量，μ为泊松比，；

进而确定各阶段不同种类能量，具体如下：

其中，U_ea为损伤应力节点前的弹性应变能，U_eb是峰值应力节点处对应的弹性应变能，U_ec为岩样破坏后残余的弹性应变能，U_0a为损伤应力节点处对应的总吸收能，U_0b为峰值应力节点处对应的总吸收能，U_oc为岩样破坏后残余强度节点处对应的总吸收能，U_da为损伤应力节点处对应的耗散能，U_db为峰值应力节点处对应的耗散能，σ_1a为损伤应力节点处对应的轴向应力，σ_3a为损伤应力节点处对应的围压，σ_1b为峰值应力处对应的轴向应力，σ_3b为峰值应力处对应的围压，σ_1c为岩样破坏后残余的轴向应力，σ_3c为岩样破坏后残余的围压，ε_1a为损伤应力节点处对应的轴向应变，ε_3a为损伤应力节点处对应的环向应变；ε_1b为峰值应力处对应的轴向应变，ε_3b为峰值应力处对应的环向应变，ε_1c为岩样破坏后残余的轴向应变，ε_3c为岩样破坏后残余的环向应变。

具体的，还包括，峰后阶段释放的弹性应变能表示为：

U_e-post＝U_eb-U_ec

其中，U_e-post为峰后阶段释放的弹性应变能；

峰后破坏阶段由于原始裂纹或新裂纹的贯通破坏消耗了能量，峰后阶段产生的耗散能表示为：

其中，U_d-post为峰后阶段产生的耗散能，ε_1r为残余强度节点处对应的轴向应变，ε_3r为残余强度节点处对应的环向应变。

优选的，根据峰值应力节点前的各阶段的不同种类能量的变化值计算峰前能量演化特征值，具体为：

T_pre1＝U_db-U_da

T_pre2＝U_db-U_da+U_eb-U_ea

其中，T_pre1和T_pre2为峰前能量演化特征值；

根据峰值应力节点后的各阶段的不同种类能量的变化值计算峰后能量演化特征值，具体为：

T_post1＝U_eb-U_ec+U_oc-U_ob

T_post2＝U_ob-U_oc

其中，T_post1和T_post2为峰后能量演化特征值。

优选的，根据所述峰前能量演化特征值计算峰前脆性指数，具体为：

由于U_db-U_da和U_db-U_da+U_eb-U_ea可以反映峰前阶段的脆性特征，固定义两种峰前脆性指数为：

其中，B_pre1和B_pre2为峰前脆性指数。

优选的，根据所述峰前能量演化特征值计算峰前脆性指数，还包括：

对于理想弹塑性材料，U_db-U_da非常小，甚至为0，使得计算得出的峰前脆性指数几乎等于1，导致脆性指数无法比较，因此，定义一个峰前破坏能指数并归一化：

其中，K₁为峰前破坏能指数；

根据所述峰前破坏能指数对所述峰前脆性指数进行修正：

B'_pre2＝K₁B_pre2。

优选的，根据所述峰后能量演化特征值计算峰后脆性指数，具体为：

如果峰前阶段储存足够的弹性应变能，则峰后阶段无需额外能量供给使页岩破坏，否则，需要做额外功。弹性应变能一定程度上能反映岩石脆性，因此，定义两种峰后脆性指数：

其中，B_post1和B_post2为峰后脆性指数。

优选的，结合所述峰前脆性指数和所述峰后脆性指数获取综合脆性指数，具体为：

采用乘法合成方法，得出两种综合反映峰前、峰后能量演化特征的综合脆性指数：

B₁＝B_pre1*B_post2

B₂＝B_pre2*B_post1

其中，B₁和B₂为综合脆性指数，B_pre1和B_pre2为峰前脆性指数，B_post1和B_post2为峰后脆性指数。

在计算综合脆性指数时，优选考虑上面设定的峰前破坏能指数，即通过修正后的峰前脆性指数计算修正后的综合脆性指数：

B₁＝B_pre1*B_post2

B₂＝B'_pre2*B_post1＝(K₁*B_pre2)*(B_post1)

其中，B'_pre2即修正后的峰前脆性指数。

为了验证本发明提出的页岩脆性指数评价方法的合理性，需要开展不同围压下页岩单、三轴试验，防止各向异性，在取芯时钻取方向与层理面垂直。本实施例采用加工好的圆柱体页岩岩样直径为50mm，长度为100mm，误差±0.5mm，端面平行度±0.02mm，岩样的高度与直径比为2:1。于试验前对岩样进行声波测试试验，剔除不合格即声波差别较大的岩样。为避免试验结果的离散性，每组试验至少做3个试样，并取平均值。在岩样中部安装测量仪，测量仪可采用轴向应变片和横向应变片实现，也可采用纵向引伸计和横向引伸计实现。将所述岩样安装在加载压力机的试样台上，加载压力机的试样台上设有岩石三轴试验系统，该系统配有伺服控制的全自动三轴加压和测量系统，采用荷载控制模式对所述岩样进行单轴或三轴加载；进行不同围压情况下页岩的压缩试验设计，设定围压为0、10MPa、20MPa、30MPa，开展单轴或三轴试验，加载速率设为0.25kN/s，直至岩样破坏，试验结束。由测量仪实时采集围压、轴向应力、轴向应变和横向应变；收集不同岩石的单轴、三轴压缩试验数据，绘制所有岩石的应力应变曲线。按照本发明提供的公式进行计算，先分别得出峰前脆性指数和峰后脆性指数，然后得出不同围压下的综合脆性指数；绘制不同围压下页岩脆性指数分布图，观察它们的变化趋势，验证本发明方法的合理性。图4是采用本发明对某一岩样进行页岩脆性指数评估的结果图，具体说明如下：从图中可知，随着围压的增加，B_pre1，B'_pre2和B_post2都增大，而B_post1减小，修正后的综合脆性指数B₁随围压增大而增大，而修正后的综合脆性指数B₂随围压增大而减小，皆表明了页岩脆性随着围压增大而减弱，用本发明得出的综合脆性指数具有单调性且连续性，因此本发明的方法适用于确定页岩的脆性指数。

本发明所建立的页岩脆性指数评价方法获取的预测值与其他脆性指数评价方法计算值吻合较好，能够很好地反映不同围压情况下页岩的脆性特征，有效地描述岩石变形破坏全过程的脆性行为，能为类似页岩储层或岩质边坡工程的设计和施工提供理论指导。本发明提供一种原理简单、操作方便、成本低廉、结果合理可靠的基于能量演化的页岩脆性指数评价方法，应用该方法在油气储藏勘探开发、开挖边坡工程设计时，可以依据不同扰动程度合理地确定岩体力学参数，使得深部岩石力学行为明显不同于浅部岩石力学行为，其脆性与围压呈明显的非线性特征，在保障地面已有建构筑物设施安全的前提下，最大限度地节省土地开发；在边坡安全的前提下，降低剥岩量，从而降低露天采矿成本，且最大限度地回收矿产资源。因此研究合理而准确地评价岩石脆性特征对页岩气的开发利用和地下工程建设具有重要的实践指导意义和理论价值。

实施例2

如图2所示，本发明的实施例2提供了页岩脆性指数评价装置1，包括处理器11以及存储器12，所述存储器12上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器11执行时，实现以上实施例提供的页岩脆性指数评价方法。

本发明实施例提供的页岩脆性指数评价装置1用于实现页岩脆性指数评价方法，因此，页岩脆性指数评价方法所具备的技术效果，页岩脆性指数评价装置1同样具备，在此不再赘述。

具体的，本实施例中页岩脆性指数评价装置1采用计算机实现。

实施例3

如图3所示，本发明的实施例3提供了页岩脆性指数评价系统，包括以上实施例提供的页岩脆性指数评价装置1，还包括用于检测页岩在不同围压下的应力应变曲线的检测装置；

所述检测装置包括控制柜2、加载压力机4、三轴室7、热缩塑料管8、轴向应力片10以及横向应力片11；所述控制柜2包括油泵以及油室，所述油泵以及所述加载压力机4分别与所述页岩脆性指数评价装置1电连接，所述油室内填充有液压油3，所述油室通过所述油泵与所述三轴室7连通，所述加载压力机4包括上压头5和下压头6，所述下压头6固定于所述三轴室7内，所述上压头5伸入所述三轴室7内，所述岩样9夹持于所述上压头5与所述下压头6之间，所述热缩塑料管8套设于所述岩样9上，所述轴向应力片10沿所述加载压力机4的夹持方向安装于所述热缩塑料管8的表面，所述横向应力片11沿所述夹持方向的垂直方向安装于所述热缩塑料管8的表面。

检测过程中，首先用热缩塑料管8包裹住岩样9，然后将轴向应变片10和横向应变片11安装在套有热缩塑料管8的岩样9表面，轴向应变片10垂直放置，横向应变片11水平放置，轴向应变片10与横向应变片11保持垂直；然后，打开三轴室7，将制备好的岩样9放置在下压头6上面；下放三轴室7，使加载压力机4中的上压头5、下压头6均与岩样9接触；页岩脆性指数评价装置1产生输入液压油3的指令，控制柜2将液压油3输入到三轴室7中，用于调节岩样9的围压，并产生压缩指令，控制加载压力机4，对岩样9进行压缩；利用页岩脆性指数评价装置1对加压过程中的各类数据进行采集和处理，得到应力应变曲线。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种页岩脆性指数评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取岩样在不同围压下的应力应变曲线，根据所述应力应变曲线计算峰前能量演化特征值以及峰后能量演化特征值；

根据所述峰前能量演化特征值计算峰前脆性指数，根据所述峰后能量演化特征值计算峰后脆性指数；

结合所述峰前脆性指数和所述峰后脆性指数获取综合脆性指数，根据所述综合脆性指数对页岩脆性进行评价。

2.根据权利要求1所述的页岩脆性指数评价方法，其特征在于，根据所述应力应变曲线计算峰前能量演化特征值以及峰后能量演化特征值，具体为：

根据所述应力应变曲线获取各节点处的应力以及对应的应变，根据各节点处的应力以及对应的应变计算各阶段的不同种类能量的变化值；

根据峰值应力节点前的各阶段的不同种类能量的变化值计算峰前能量演化特征值，根据峰值应力节点后的各阶段的不同种类能量的变化值计算峰后能量演化特征值。

3.根据权利要求2所述的页岩脆性指数评价方法，其特征在于，根据各节点处的应力以及对应的应变计算各阶段的不同种类能量的变化值，具体为：

其中，U_ea为损伤应力节点前的弹性应变能，U_eb是峰值应力节点处对应的弹性应变能，U_ec为岩样破坏后残余的弹性应变能，U_0a为损伤应力节点处对应的总吸收能，U_0b为峰值应力节点处对应的总吸收能，U_oc为岩样破坏后残余强度节点处对应的总吸收能，E₀为弹性模量，μ为泊松比，U_da为损伤应力节点处对应的耗散能，U_db为峰值应力节点处对应的耗散能，σ_1a为损伤应力节点处对应的轴向应力，σ_3a为损伤应力节点处对应的围压，σ_1b为峰值应力处对应的轴向应力，σ_3b为峰值应力处对应的围压，σ_1c为岩样破坏后残余的轴向应力，σ_3c为岩样破坏后残余的围压，σ₁为轴向应力，ε₁为轴向应变，σ₃为围压，ε₃为环向应变，ε_1a为损伤应力节点处对应的轴向应变，ε_3a为损伤应力节点处对应的环向应变；ε_1b为峰值应力处对应的轴向应变，ε_3b为峰值应力处对应的环向应变，ε_1c为岩样破坏后残余的轴向应变，ε_3c为岩样破坏后残余的环向应变。

4.根据权利要求3所述的页岩脆性指数评价方法，其特征在于，根据峰值应力节点前的各阶段的不同种类能量的变化值计算峰前能量演化特征值，具体为：

T_pre1＝U_db-U_da

T_pre2＝U_db-U_da+U_eb-U_ea

其中，T_pre1和T_pre2为峰前能量演化特征值；

根据峰值应力节点后的各阶段的不同种类能量的变化值计算峰后能量演化特征值，具体为：

T_post1＝U_eb-U_ec+U_oc-U_ob

T_post2＝U_ob-U_oc

其中，T_post1和T_post2为峰后能量演化特征值。

5.根据权利要求4所述的页岩脆性指数评价方法，其特征在于，根据所述峰前能量演化特征值计算峰前脆性指数，具体为：

其中，B_pre1和B_pre2为峰前脆性指数。

6.根据权利要求5所述的页岩脆性指数评价方法，其特征在于，根据所述峰前能量演化特征值计算峰前脆性指数，还包括：

定义峰前破坏能指数：

其中，K₁为峰前破坏能指数；

根据所述峰前破坏能指数对所述峰前脆性指数进行修正：

B'_pre2＝K₁B_pre2。

7.根据权利要求4所述的页岩脆性指数评价方法，根据所述峰后能量演化特征值计算峰后脆性指数，具体为：

其中，B_post1和B_post2为峰后脆性指数。

8.根据权利要求1所述的页岩脆性指数评价方法，结合所述峰前脆性指数和所述峰后脆性指数获取综合脆性指数，具体为：

B₁＝B_pre1*B_post2

B₂＝B'_pre2*B_post1

其中，B₁和B₂为综合脆性指数，B_pre1和B'_pre2为峰前脆性指数，B_post1和B_post2为峰后脆性指数。

9.一种页岩脆性指数评价装置，其特征在于，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如权利要求1-8任一所述的页岩脆性指数评价方法。

10.一种页岩脆性指数评价系统，其特征在于，包括如权利要求9所述的页岩脆性指数评价装置，还包括用于检测岩样在不同围压下的应力应变曲线的检测装置；

所述检测装置包括控制柜、加载压力机、三轴室、热缩塑料管、轴向应力片以及横向应力片；所述控制柜包括油泵以及油室，所述油泵以及所述加载压力机分别与所述页岩脆性指数评价装置电连接，所述油室内填充有液压油，所述油室通过所述油泵与所述三轴室连通，所述加载压力机包括上压头和下压头，所述下压头固定于所述三轴室内，所述上压头伸入所述三轴室内，所述岩样夹持于所述上压头与所述下压头之间，所述轴向应力片沿所述加载压力机的夹持方向安装于所述岩样的表面，所述横向应力片沿所述夹持方向的垂直方向安装于所述岩样的表面，所述热缩塑料管套设于所述岩样上，热缩后将所述轴向应力片以及横向应力片固定于所述岩样上。

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