CN111257536A - 一种岩石力学与储层工程参数评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩石力学与储层工程参数评估方法，属于岩石力学技术领域。所述岩石力学与储层工程参数评估方法包括：对岩屑进行X射线衍射，获取岩屑的矿物成分及含量；对岩屑进行CT扫描，并在显微镜下进行观察，获取岩屑的各矿物颗粒的微观结构特征；对岩屑进行微/纳米压痕试验，测定所述岩屑的各矿物成分的微观力学参数；根据岩屑微观特征基因构建三维计算模型，取代表性体积单元得到岩石宏观力学参数；根据岩石宏观力学参数及工程参数评估模型对现场需求的工程参数进行评估。本发明岩石力学与储层工程参数评估方法可以有效并准确地获取现场需求的工程参数，对现场钻井和压裂工程设计与优化具有重要意义。

Description

一种岩石力学与储层工程参数评估方法

技术领域

本发明涉及岩石力学技术领域，特别涉及一种岩石力学与储层工程参 数评估方法。

背景技术

充分了解深部储层岩石的力学特性对深部资源高效开发具有重要意 义。工程上，通常采用室内试验测试岩芯的基本力学参数。随着储层逐渐 向深部发展，地质构造环境复杂，取芯作业变得十分困难，也就难以通过 室内试验获取岩石力学参数，造成钻井和压裂作业具有一定的盲目性，导 致储层产能不理想等后果。但是，钻井过程中排出的岩屑包含了储层微观 尺度的矿物成分、矿物颗粒结构和矿物微观力学参数等特征基因，且这些 特征基因决定了岩石的宏观力学特性。因此，应充分利用随钻排出的岩屑， 在准确测定微观特征基因的基础上有效评估储层岩石的宏观力学性能，并 在深井勘探开发中应用，解决深部岩石力学参数难以获取的难题，为深部 资源高效开发提供科学依据。

现有技术中多采用地表露头岩芯开展室内试验，对实际井下岩石力学 参数进行估算，或通过测井信息进行评估，均存在较大的不确定性、估算 结果精度差等问题。

发明内容

本发明提供一种岩石力学与储层工程参数评估方法，解决了或部分解 决了现有技术中深部储层取芯费时费力、无法准确获取储层工程参数的技 术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种岩石力学与储层工程参数评 估方法包括：获取深井随钻排出的岩屑；对所述岩屑进行X射线衍射，获 取所述岩屑的矿物成分及含量；对所述岩屑进行CT扫描，并在显微镜下进 行观察，获取所述岩屑的各矿物颗粒的微观结构特征；对所述岩屑进行微/ 纳米压痕试验，测定所述岩屑的各矿物成分的微观力学参数；由所述岩屑 的矿物成分及含量、所述岩屑的各矿物颗粒的微观结构特征及所述岩屑的各矿物成分的微观力学参数获取岩屑微观特征基因；根据所述岩屑微观特 征基因构建三维计算模型，取代表性体积单元得到岩石宏观力学参数；根 据岩石宏观力学参数及工程参数评估模型对现场需求的工程参数进行评 估。

进一步地，所述对岩屑进行X射线衍射包括：将所述岩屑研磨成200 目。

进一步地，所述对岩屑进行CT扫描，并在显微镜下进行观察包括：将 所述岩屑进行微米CT扫描，将CT扫描切片进行三维重构，形成三维数字 岩芯，获取所述岩屑的矿物颗粒的微观结构特征；将所述岩屑制成薄片， 放置于偏光显微镜下观察，确定所述岩屑的矿物颗粒的微观结构特征，与 CT扫描结果互为补充。

进一步地，所述薄片的厚度为28-32μm。

进一步地，所述对岩屑进行微/纳米压痕试验包括：在压痕试验机的显 微镜下区分所述岩屑的各矿物的分布区域，对每种矿物进行单独测试，获 取每种矿物成分的微观力学参数。

进一步地，所述岩屑的矿物成分的微观力学参数包括：弹性模量、硬 度及断裂韧性。

进一步地，

式中，E为对应矿物的弹性模量；ν_s为待测样品的泊松比；E_i和ν_i分别为压头的弹性模量和泊松比；E_r为压痕模量；A(h_c)为压头与试 样的接触投影面积，与压入深度h_c有关；S为接触刚度；β和ε是与压头 形状有关的常数；F_max和h_max分别为最大力和最大压入深度；H为对应矿物 的硬度；U_t＝U_e+U_p＝U_e+U_pp+U_frac；

U_frac＝U_p-U_pp；

式中，U_t表示压痕过程中的总能量，主要 包括弹性能U_e和塑性能U_p；F_l和F_ul分别表示加载力和卸载力，力-位移曲 线满足幂函数关系，K，m，n，α均为数据拟合参数；h_h为饱载开始时的 压入深度；h_r为压痕残余深度；U_frac为断裂能；U_pp为纯塑性能；G_c为能量 释放率；K_c为对应矿物的断裂韧性。

进一步地，所述根据岩石宏观力学参数及工程参数评估模型对现场需 求的工程参数进行评估包括：结合测井资料，对脆性指标、断裂韧性和可 压裂性指标进行评估。

进一步地，所述测井资料包括：储层埋深及岩性。

进一步地，所述根据岩石宏观力学参数及工程参数评估模型对现场需 求的工程参数进行评估包括：B_I＝σ_cσ_t/2；K_I＝0.313+0.027E′；

式中，B_I为储层岩石的脆性指标；σ_c和σ_t分别为岩石单轴抗压强度和抗拉强度，由数值计算得出；K_I为储层岩 石的断裂韧性；E’为岩石宏观弹性模量，由数值计算得出；B_{I_n}和K_{I_n}分 别为归一化脆性指数和归一化断裂韧性；B_max和B_min为目标储层的最大和最 小脆性指标；K_max和K_min为目标储层的最大和最小断裂韧性。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果 或优点：

由于获取深井随钻排出的岩屑，对岩屑进行X射线衍射，获取岩屑的 矿物成分及含量，对岩屑进行CT扫描，并在显微镜下进行观察，获取岩屑 的各矿物颗粒的微观结构特征，对岩屑进行微/纳米压痕试验，测定所述岩 屑的各矿物成分的微观力学参数，由岩屑的矿物成分及含量、岩屑的各矿 物颗粒的微观结构特征及岩屑的各矿物成分的微观力学参数获取岩屑微观 特征基因，根据岩屑微观特征基因构建三维计算模型，取代表性体积单元得到岩石宏观力学参数，根据岩石宏观力学参数及工程参数评估模型可以 准确地评估现场需求的工程参数，对现场钻井和压裂工程设计与优化具有 重要意义，不需要深部储层取芯，准确性高，估算精度高。

附图说明

图1为本发明实施例提供的岩石力学与储层工程参数评估方法的流程 示意图；

图2为图1中岩屑微观特征基因测定中压痕载荷-位移曲线。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例提供的一种岩石力学与储层工程参数评估方 法，其特征在于，包括：

获取深井随钻排出的岩屑。

对岩屑进行X射线衍射，获取岩屑的矿物成分及含量。

对岩屑进行CT扫描，并在显微镜下进行观察，获取岩屑的各矿物颗粒 的微观结构特征。

对岩屑进行微/纳米压痕试验，测定岩屑的各矿物成分的微观力学参 数，获取岩屑微观特征基因。

根据岩屑微观特征基因构建三维计算模型，将岩屑的各矿物成分的微 观力学参数赋予模型中离散的材料点，进而选取合适尺寸的代表性体积单 元，用于评估储层岩石的宏观力学性能。

本申请具体实施方式由于获取深井随钻排出的岩屑，对岩屑进行X射 线衍射，获取岩屑的矿物成分及含量，对岩屑进行CT扫描，并在显微镜下 进行观察，获取岩屑的各矿物颗粒的微观结构特征，对岩屑进行微/纳米压 痕试验，测定所述岩屑的各矿物成分的微观力学参数，由岩屑的矿物成分 及含量、岩屑的各矿物颗粒的微观结构特征及岩屑的各矿物成分的微观力 学参数获取岩屑微观特征基因，根据岩屑微观特征基因构建三维计算模型， 取代表性体积单元得到岩石宏观力学参数，根据岩石宏观力学参数及工程 参数评估模型可以准确地评估现场需求的工程参数，对现场钻井和压裂工 程设计与优化具有重要意义，不需要深部储层取芯，准确性高，估算精度 高。

其中，构建三维计算模型，将岩屑的各矿物成分的微观力学参数赋予 模型中离散的材料点，进而选取合适尺寸的代表性体积单元，初步得到储 层岩石的宏观力学性能，包括抗压/拉强度、弹性模量和泊松比。

具体地，对岩屑进行X射线衍射包括：

将岩屑研磨成200目，将200目的岩屑，置于X射线衍射仪中进行主 要矿物成分定性和定量分析。

X射线衍射试验，是指从随钻排出的岩屑中筛选出代表性岩屑，并将 其辗磨成200目细粉，采用X-射线衍射仪进行定性和定量分析，获取岩屑 的主要矿物成分及含量。

具体地，对岩屑进行CT扫描，并在显微镜下进行观察包括：

将岩屑进行微米CT扫描，将CT扫描切片进行三维重构，形成三维数 字岩芯，获取所述岩屑的矿物颗粒的微观结构特征。

将岩屑制成薄片，放置于偏光显微镜下观察，确定岩屑的矿物颗粒的 微观结构特征，与CT扫描结果互为补充。

薄片的厚度为28-32μm。

CT扫描，是指将岩屑放置于微米CT机内进行高精度扫描，获取岩屑 矿物颗粒的微观结构信息。

具体地，对岩屑进行微/纳米压痕试验包括：

在压痕试验机的显微镜下区分所述岩屑的各矿物的分布区域，对每种 矿物进行单独测试，获取每种矿物成分的微观力学参数。

参见图2，所述微/纳米压痕试验，是指将岩屑表面抛光后在压痕试验 机上进行微观力学参数测试，应根据矿物颗粒结构和尺寸选择合适的压头 及加载条件。在压痕试验机的显微镜下区分各矿物的分布区域，对每种矿 物进行单独测试。压头，纳米尺度以Berkovich(金刚石玻氏压头)压头 为主，微米尺度以Vicker压头为主。加载条件包括最大力、加载速率、压 入深度和饱载时间。微观力学参数主要包括弹性模量、硬度和断裂韧性，均可由压痕载荷—位移曲线计算得出。

岩屑的矿物成分的微观力学参数包括：弹性模量、硬度及断裂韧性。

式中，E为对应矿物的弹性模量；ν_s为待测样品的泊松比；E_i和ν_i分 别为压头的弹性模量和泊松比；E_r为压痕模量；A(h_c)为压头与试样的接触 投影面积，与压入深度h_c有关；S为接触刚度；β和ε是与压头形状有关 的常数；F_max和h_max分别为最大力和最大压入深度；H为对应矿物的硬度。

U_t＝U_e+U_p＝U_e+U_pp+U_frac；

U_frac＝U_p-U_pp；

式中，U_t表示压痕过程中的总能量，主要包括弹性能U_e和塑性能U_p； F_l和F_ul分别表示加载力和卸载力，力-位移曲线满足幂函数关系，K，m，n， α均为数据拟合参数；h_h为饱载开始时的压入深度；h_r为压痕残余深度； U_frac为断裂能；U_pp为纯塑性能；G_c为能量释放率；K_c为对应矿物的断裂韧 性。

具体地，根据岩石宏观力学参数及工程参数评估模型对现场需求的工 程参数进行评估包括：

结合测井资料，对脆性指标、断裂韧性和可压裂性指标进行评估。

测井资料包括：储层埋深及岩性。

B_I＝σ_cσ_t/2；

K_I＝0.313+0.027E′；

式中，B_I为储层岩石的脆性指标；σ_c和σ_t分别为岩石单轴抗压强度 和抗拉强度，由数值计算得出；K_I为储层岩石的断裂韧性；E’为岩石宏观 弹性模量，由数值计算得出；B_{I_n}和K_{I_n}分别为归一化脆性指数和归一化断 裂韧性；B_max和B_min为目标储层的最大和最小脆性指标；K_max和K_min为目标储 层的最大和最小断裂韧性。

为了更清楚介绍本发明实施例，下面从本发明实施例的使用方法上予 以介绍。

将深井随钻排出的代表性岩屑烘干24h，然后将其分成若干份用于不 同的测试项目，便于比较。

取出其中一份岩屑碾磨成200目细粉，置于X射线衍射仪中进行主要 矿物成分定性和定量分析。

取出其中一份岩屑用于微米CT扫描，将CT扫描切片进行三维重构， 形成三维数字岩芯，获取矿物颗粒的微观结构特征；进一步将岩屑制成厚 度为30μm的薄片放置于偏光显微镜下观察，确定矿物颗粒的微观结构， 与CT扫描结果互为补充。

将其中一份岩屑表面抛光后在压痕试验机上进行微观力学参数测试， 根据矿物颗粒结构和尺寸选择合适的压头及加载条件。在压痕试验机的显 微镜下区分各矿物的分布区域，对每种矿物进行单独测试，获取每种矿物 成分的微观力学参数。微观力学参数主要包括弹性模量E、硬度H和断裂 韧性K_c，均可以通过荷载-位移曲线计算得出，公式如下：

式中，E为对应矿物的弹性模量；ν_s为待测样品的泊松比；E_i和ν_i分别 为压头的弹性模量和泊松比；E_r为压痕模量；A(h_c)为压头与试样的接触投 影面积，与压入深度h_c有关；S为接触刚度；β和ε是与压头形状有关的 常数；F_max和h_max分别为最大力和最大压入深度；H为对应矿物的硬度。

对于断裂韧性的求解，计算过程如下：

U_t＝U_e+U_p＝U_e+U_pp+Uf_rac

Uf_rac＝U_p-U_pp

式中，U_t表示压痕过程中的总能量，主要包括弹性能U_e和塑性能U_p； F_l和F_ul分别表示加载力和卸载力，力-位移曲线满足幂函数关系，K，m，n，α均为数据拟合参数；h_h为饱载开始时的压入深度；h_r为压痕残余深度； U_frac为断裂能；U_pp为纯塑性能；G_c为能量释放率；K_c为对应矿物的断裂 韧性。

基于上述岩屑的测试分析，获取岩石特征基因，包括矿物成分、矿物 结构特征和矿物微观力学参数。采用数值计算方法，构建三维计算模型， 将微观力学参数赋予模型中离散的材料点(各矿物成分)，选取合适尺寸 的代表性体积单元(RVE)，评估岩石的宏观力学性能，包括抗压/拉强度、 弹性模量和泊松比。

采用工程参数评价模型对储层宏观力学参数进行有效评估，如下所示：

B_I＝σ_cσ_t/2

K_I＝0.313+0.027E′

式中，B_I为储层岩石的脆性指标；σ_c和σ_t分别为岩石单轴抗压强度和抗 拉强度，由数值计算得出；K_I为储层岩石的断裂韧性；E’为岩石宏观弹性 模量，由数值计算得出；B_{I_n}和K_{I_n}分别为归一化脆性指数和归一化断裂 韧性；B_max和B_min为目标储层的最大和最小脆性指标；K_max和K_min为目标 储层的最大和最小断裂韧性。

上述工程参数可直接应用于现场钻井和压裂工程设计与优化，更加准确 和便捷。关于脆性、断裂韧性和可压裂性的评价方法有多种，本发明仅列 举了现场应用广泛且准确度高的方法。基于岩石微观特征基因，也可以通 过矿物成分含量、压痕载荷-位移关系以及数值计算中的应力-应变关系对 工程参数进行评估，从而指导压裂等相关工程设计和实施。

本申请提供了一种深井岩屑微观特征基因测定以及岩石力学与储层工 程参数评估方法，通过岩屑微观特征基因测定，可解决深部储层取芯费时 费力、无法准确获取储层工程参数的难题，基于岩屑微观特征基因可以更 准确地获取现场需求的工程参数，对钻井和压裂工程设计与优化具有重要 意义。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案 而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人 员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离 本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种岩石力学与储层工程参数评估方法，其特征在于，包括：

获取深井随钻排出的岩屑；

对所述岩屑进行X射线衍射，获取所述岩屑的矿物成分及含量；

对所述岩屑进行CT扫描，并在显微镜下进行观察，获取所述岩屑的各矿物颗粒的微观结构特征；

对所述岩屑进行微/纳米压痕试验，测定所述岩屑的各矿物成分的微观力学参数；

由所述岩屑的矿物成分及含量、所述岩屑的各矿物颗粒的微观结构特征及所述岩屑的各矿物成分的微观力学参数获取岩屑微观特征基因；

根据所述岩屑微观特征基因构建三维计算模型，取代表性体积单元得到岩石宏观力学参数；

根据岩石宏观力学参数及工程参数评估模型对现场需求的工程参数进行评估。

2.根据权利要求1所述的岩石力学与储层工程参数评估方法，其特征在于，所述对岩屑进行X射线衍射包括：

将所述岩屑研磨成200目。

3.根据权利要求1所述的岩石力学与储层工程参数评估方法，其特征在于，所述对岩屑进行CT扫描，并在显微镜下进行观察包括：

将所述岩屑进行微米CT扫描，将CT扫描切片进行三维重构，形成三维数字岩芯，获取所述岩屑的矿物颗粒的微观结构特征；

将所述岩屑制成薄片，放置于偏光显微镜下观察，确定所述岩屑的矿物颗粒的微观结构特征，与CT扫描结果互为补充。

4.根据权利要求3所述的岩石力学与储层工程参数评估方法，其特征在于：

所述薄片的厚度为28-32μm。

5.根据权利要求1所述的岩石力学与储层工程参数评估方法，其特征在于，所述对岩屑进行微/纳米压痕试验包括：

在压痕试验机的显微镜下区分所述岩屑的各矿物的分布区域，对每种矿物进行单独测试，获取每种矿物成分的微观力学参数。

6.根据权利要求5所述的岩石力学与储层工程参数评估方法，其特征在于：

所述岩屑的矿物成分的微观力学参数包括：弹性模量、硬度及断裂韧性。

7.根据权利要求6所述的岩石力学与储层工程参数评估方法，其特征在于：

式中，E为对应矿物的弹性模量；ν_s为待测样品的泊松比；E_i和ν_i分别为压头的弹性模量和泊松比；E_r为压痕模量；A(h_c)为压头与试样的接触投影面积，与压入深度h_c有关；S为接触刚度；β和ε是与压头形状有关的常数；F_max和h_max分别为最大力和最大压入深度；H为对应矿物的硬度；

U_t＝U_e+U_p＝U_e+U_pp+U_frac；

U_frac＝U_p-U_pp；

式中，U_t表示压痕过程中的总能量，主要包括弹性能U_e和塑性能U_p；F_l和F_ul分别表示加载力和卸载力，力-位移曲线满足幂函数关系，K，m，n，α均为数据拟合参数；h_h为饱载开始时的压入深度；h_r为压痕残余深度；U_frac为断裂能；U_pp为纯塑性能；G_c为能量释放率；K_c为对应矿物的断裂韧性。

8.根据权利要求1所述的岩石力学与储层工程参数评估方法，其特征在于，所述根据岩石宏观力学参数及工程参数评估模型对现场需求的工程参数进行评估包括：

结合测井资料，对脆性指标、断裂韧性和可压裂性指标进行评估。

9.根据权利要求8所述的岩石力学与储层工程参数评估方法，其特征在于：

所述测井资料包括：储层埋深及岩性。

10.根据权利要求1所述的岩石力学与储层工程参数评估方法，其特征在于，所述根据岩石宏观力学参数及工程参数评估模型对现场需求的工程参数进行评估包括：

B_I＝σ_cσ_t/2；

K_I＝0.313+0.027E′；

式中，B_I为储层岩石的脆性指标；σ_c和σ_t分别为岩石单轴抗压强度和抗拉强度，由数值计算得出；K_I为储层岩石的断裂韧性；E’为岩石宏观弹性模量，由数值计算得出；B_{I_n}和K_{I_n}分别为归一化脆性指数和归一化断裂韧性；B_max和B_min为目标储层的最大和最小脆性指标；K_max和K_min为目标储层的最大和最小断裂韧性。

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