CN112816354B - 一种泥页岩水化强度动态变化测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种泥页岩水化强度动态变化测试方法，包括以下步骤：步骤1：测量不同水化时间后的岩石三轴抗压强度和不同水化时间后的岩石硬度，通过拟合得到泥页岩水化不同时间后岩石的硬度与三轴抗压强度的变化经验公式；步骤2：制作大泥页岩心柱样品，采用泥页岩水化强度动态变化测试装置，分别测试样品端面上浸泡钻井液不同时间后对应位置点的岩石硬度，得到对应水化时间的硬度；步骤3：将测量得到的泥页岩硬度带入拟合公式，即可得到不同水化时间后对应的泥页岩三轴力学抗压强度；本发明可节省井下岩心和现场钻井液的使用量，降低成本，同时可降低因为岩心的非均质性给泥页岩水化强度力学参数测试带来的误差，实验简易、方便快捷。

Description

一种泥页岩水化强度动态变化测试方法
技术领域
本发明涉及泥页岩水化强度动态变化测试方法。
背景技术
井壁失稳是钻井工程中常遇到的井下复杂情况之一，严重影响钻井速度、质量和成本。水化作用是泥页岩地层井壁失稳的重要原因之一。由于泥页岩具有水敏性强、容易与水基钻井液发生反应等特殊性质，从而导致井壁岩石的应力状态和力学性能发生改变，进而引发井壁失稳。主要表现为井眼缩(扩)径、井壁坍塌等。统计表明，油气井钻遇地层大约75％以上是由泥页岩构成，而其中约有90％的井眼垮塌问题都与泥页岩的不稳定性有关。因此，准确得到的井下泥页岩的岩石力学强度，可以准确评价井下地层井壁稳定性，从而保证现场安全高效的钻进。
目前测试泥页岩水化强度的方法主要是将长为50mm、直径为25mm的标准岩心放入现场钻井液浸泡不同时间后进行三轴围压力学实验测试，从而得到不同水化时间后岩石的抗压强度，这样不仅工作量大，而且三轴力学实验操作复杂。众所周知，我们现在钻井深度越来越深，伴随的井下复杂情况也越来越多，从而导致井下取芯难度越来越大，成本越来越高。从井下取得大岩心柱，在室内制作小岩心样品的时候，受外力作用可能导致岩心产生微裂缝或者进一步加剧微裂缝的发展。再加上取芯数量较多，取芯的岩样可能并不是同一块大岩心柱子上得到。综合各种干扰因素，因为岩心的非均质性的影响导致测试得到的岩石力学强度产生误差，进而导致井壁稳定性评价的不准确。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题提供一种降低因为岩心的非均质性给岩石力学强度测试带来误差，减少井下岩心和现场钻井液使用量的一种泥页岩水化强度动态变化测试方法。
本发明采用的技术方案是：一种泥页岩水化强度动态变化测试方法，包括以下步骤：
步骤1：测量不同水化时间后的岩石三轴抗压强度和不同水化时间后的岩石硬度，通过拟合得到泥页岩水化不同时间后岩石的硬度与三轴抗压强度的变化经验公式；
步骤2：制作大泥页岩心柱样品，采用泥页岩水化强度动态变化测试新装置，分别测试样品端面上浸泡钻井液不同时间后对应位置点的岩石硬度，得到对应水化时间的硬度；
步骤3：将步骤2测量得到的泥页岩硬度带入步骤1得到的拟合公式，即可得到不同水化时间后对应的泥页岩三轴力学抗压强度。
进一步的，所述步骤2中的大泥页岩心柱长度为100mm，直径为50mm。
进一步的，所述步骤2中的大泥页岩心柱测试前用环氧树脂将周侧面密封。
进一步的，所述步骤1中拟合过程中采用隶属度函数剔除实验结果上下浮动偏差大的数据；
其中隶属度函数ηj构造如下：
Figure GDA0003467711020000021
式中：δ为设置参数，σ为标准差，Lj为确定的理想曲线上对应点的数值减去该点上下数值δ的差值。
进一步的，所述理想曲线为从试验测得的散点图确定的最可信的规律曲线。
进一步的，所述步骤1中拟合得到的经验公式如下：
y＝axm+bxn+cx+d
式中：a、b、c、d均为系数，m≥2，n≥1。
进一步的，所述步骤2测试前在样品端面上标定硬度测试点，在样品端面上滴定现场钻井液，根据岩石水化时间测定不同测试点的硬度。
进一步的，所述步骤2中控制泥页岩水化强度动态变化测试新装置上的十字旋转平口钳移动旋转样品，通过固定在载荷传感器上的硬质合金压头，测试样品的硬度。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用泥页岩水化强度动态变化测试新装置测试样品的硬度，样品采用长度为100mm，直径为50mm的岩心柱，采用同一块样品进行岩石硬度的测试，不需要进行多次硬度测试，避免由于样品的差异带来的误差；
(2)本发明首先拟合得到岩石硬度和岩石抗压强度的关系式，将测试得到的岩石硬度带入上述关系式即可得到对应不同水化时间后的岩石三轴力学抗压强度，无需再进行三轴力学实验测试；
(3)本发明可节省井下岩心和现场钻井液的使用量，降低成本，同时可降低因为岩心的非均质性给泥页岩水化强度力学参数测试带来的误差，实验简易、方便快捷，能减少实验时间。
附图说明
图1为本发明所用的岩心结构示意图。
图2为本发明需要测试的硬度点标记示意图。
图3为本发明实施例中不同水化时间后泥页岩硬度与岩石三轴抗压强度拟合图。
图4为本发明步骤1中实验测试所用的样品结构示意图。
图5为本发明实施例中数据的可信度和离散度示意图。
图6为本发明实施例中数据性隶属度函数图像示意图。
图7为本发明在力学实验机上测试泥页岩在不同水化时间后岩石硬度的整体的结构示意图。
图8为本发明所用的泥页岩水化强度动态变化测试新装置结构示意图。
图中：1-硬质合金压头，2-样品台，3-岩心夹具，4-十字旋转平口钳，5-左右移动控制手柄，6-360°旋转刻度底盘，7-前后移动控制手柄。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
一种泥页岩水化强度动态变化测试方法，包括以下步骤：
步骤1：测量不同水化时间后的岩石三轴抗压强度和不同水化时间后的岩石硬度，通过拟合得到泥页岩水化不同时间后岩石的硬度与三轴抗压强度的变化经验公式；从现场取回来的井下泥页岩样品制取大量长为50mm和直径为25mm的标准泥页岩心柱，如图4所示。利用超声波投射法对岩心进行测试，进一步测量计算岩心的密度和孔渗参数，最后选取基础物性参数最相近的岩心进行实验测试。
将筛选出的标准泥页岩心样品分别浸泡现场钻井液实验设计时间后进行三轴力学实验测试，记录实验结果得到不同水化时间后的岩石抗压强度。然后将筛选出的标准泥页岩心样品分别浸泡现场钻井液不同时间后进行岩石硬度实验测试，记录实验结果得到不同水化时间后的岩石硬度。
将实验测试得到的标准泥页岩心样品按照实验设计不同水化时间后的三轴抗压强度和岩石硬度数据结果进行拟合，进行数据拟合时剔除实验结果上下浮动偏差大的数据。只取“合理集中数据点”，保证满足“连续、光滑、单增”的曲线拟合，拟合结果的决定系数R2在0.9以上。拟合结果的决定系数越接近1结果更优。以三轴抗压强度为Y轴，岩石硬度数据为X轴画散点图。由于用大量样本进行试验测试得到大量的数据，需要从这些散点图中确定一条最可信的规律曲线。有了这根理想曲线，则可定义每个数据的可信度，同时可以得到数据分布的离散度，如图5所示，从而选择得到“合理集中数据点”。
理想曲线按以下方法选取：
(1)理想曲线的主要特征：岩石三轴抗压强度随着岩石硬度的增大而增大，随着岩石硬度的增加，岩石三轴抗压强度增大的速率减小，曲线呈现连续、光滑、单调增。
(2)首先利用“好点”，建立满足大致特征的初次理想曲线。“好”点很集中，且不严重偏离。“坏”点很分散，或虽然集中但是严重偏离。
(3)“坏点”的修复和替代。对离散坏点中的那些偏离数据，如果有测试前的CT扫描，知道样品内部缺陷(一般指内部微裂纹)的位置、尺寸，则可以用有限元仿真的方法予以修正(或修复)，修复后样本数据的位置应该接近理想曲线。或者，如果样本数量允许，再选一个无内部缺陷的样本替代、重复该点试验，结果应该接近理想线，对这样的坏点，最好是完全替代，重新测试。
(4)赋予每个样本数据可信度。利用模糊“隶属函数”，为每个样本赋予隶属度，这个隶属度就是该样本的可信度，越接近1越可信，越接近0越不可信。
(5)基于以上全部数据重新建立理想曲线。
(6)样本数据群正常离散度的估计。对于散点落在理想线±δ(正常离散距离)的区域内的数据是可用的。
基于满足以上特征和要求的数据，重新生成理想曲线为最终实用结果。
假设有δ(设定值)存在，凡是满足在理想曲线上对应点的数值减去该点上下的数值的绝对值小于等于δ，证明选择的数据点在正常的离散区域内，是可信的。再引用模糊“隶属函数”，为每个数据赋予隶属度，用ηj表示，取值在0～1之间。这个隶属度就是该数据的可信度，越接近1表明选择的数据越可信，越接近0越不可信(如图6所示)。数据隶属度函数的构造如下，其中Lj为理想曲线(此处理想曲线为初次理想曲线)上对应点的数值减去该点上下数值的差。
Figure GDA0003467711020000041
式中：δ为设置参数，σ为标准差，Lj为确定的理想曲线上对应点的数值减去该点上下数值δ的差值。
采用上述方法进行数据的筛选，可以保证拟合结果的决定系数R2在0.9以上。泥页岩水化不同时间后岩石的硬度与三轴抗压强度的变化经验公式如图3所示。
y＝axm+bxn+cx+d
式中：a、b、c、d均为系数，m≥2，n≥1。
步骤2：制作大泥页岩心柱样品，采用泥页岩水化强度动态变化测试新装置，分别测试样品端面上浸泡钻井液不同时间后对应位置点的岩石硬度，得到对应水化时间的硬度；
大泥页岩心柱样品如图1所示，其长为100mm，直径为50mm。用环氧树脂将岩心柱周侧面密封，防止钻井液渗流到岩样侧面而发生浸泡。与标准岩心样品结构相比，本发明采用的大泥页岩心柱样品能保证得到水化不同时间后的岩石硬度测试点均在同一个岩心端面，不像常规岩石硬度测试，一块标准岩心样品只能测试端面一次。从而消除了采用岩心实验由于岩石的非均质性导致实验测试结果带来的误差。同样消除了浸泡多岩心样品，由于岩心的非均质性给力学强度测试带来误差。
将本发明制作的如图1所示的样品放置到岩石硬度测试装置上，如图8所示测试装置(测试装置具体结构如2018111651470所示)上，将装好岩心样品的岩石硬度测试装置整体放到力学试验机上，如图7所示。在实验测试前用滴管在岩样端面滴定一层钻井液。待钻井液浸泡岩样端面一段时间后，通过控制岩石硬度测试装置上的十字旋转平口钳前后左右旋转岩心，分别测试岩样端面上浸泡钻井液不同时间后不同位置点的岩石硬度。测试前整个岩样端面滴定一层钻井液，按照设定的不同测试时间、测定标定点的岩石硬度。
由于力学实验机的硬质合金压头的位置是固定在载荷位移传感器而不能移动，常规标准岩心样品如图4所示同样不能移动。所以常规标准岩心样品硬度测试时只能测试一个点，从而测试不同水化时间后的岩石硬度需要较多岩样。最后将不同水化时间后岩石硬度结果的测试点如图2标记所示的结果通过电脑函数记录仪整理分析得出岩样对应的硬度大小。
步骤3：将步骤2测量得到的泥页岩硬度带入步骤1得到的拟合公式，即可得到不同水化时间后对应的泥页岩三轴力学抗压强度。从而无需再进行大量的三轴力学实验测试。
由于测试得到的不同水化时间后岩石硬度来自同一块岩心，从而经过转换计算得到对应的三轴力学强度也相对精确，降低了因使用过多的岩心由于岩心的非均质性给岩石力学强度测试带来的误差。减少了井下岩心和现场钻井液使用量，测试简易、拆装简单，减少实验时间。

Claims (7)

1.一种泥页岩水化强度动态变化测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：测量不同水化时间后的岩石三轴抗压强度和不同水化时间后的岩石硬度，通过拟合得到泥页岩水化不同时间后岩石的硬度与三轴抗压强度的变化经验公式；
拟合过程中采用隶属度函数剔除实验结果上下浮动偏差大的数据；
其中隶属度函数ηj构造如下：
Figure FDA0003467711010000011
式中：δ为设置参数，σ为标准差，Lj为确定的理想曲线上对应点的数值减去该点上下数值δ的差值；
步骤2：制作大泥页岩心柱样品，采用泥页岩水化强度动态变化测试装置，分别测试样品端面上浸泡钻井液不同时间后对应位置点的岩石硬度，得到对应水化时间的硬度；
步骤3：将步骤2测量得到的泥页岩硬度带入步骤1得到的拟合公式，即可得到不同水化时间后对应的泥页岩三轴力学抗压强度；水化强度通过三轴力学抗压强度表征。
2.根据权利要求1所述的一种泥页岩水化强度动态变化测试方法，其特征在于，所述步骤2中的大泥页岩心柱长度为100mm，直径为50mm。
3.根据权利要求1所述的一种泥页岩水化强度动态变化测试方法，其特征在于，所述步骤2中的大泥页岩心柱测试前用环氧树脂将周侧面密封。
4.根据权利要求1所述的一种泥页岩水化强度动态变化测试方法，其特征在于，所述理想曲线为从试验测得的散点图确定的最可信的规律曲线。
5.根据权利要求1所述的一种泥页岩水化强度动态变化测试方法，其特征在于，所述步骤1中拟合得到的经验公式如下：
y＝axm+bxn+cx+d
式中：a、b、c、d均为系数，m≥2，n≥1。
6.根据权利要求1所述的一种泥页岩水化强度动态变化测试方法，其特征在于，所述步骤2测试前在样品端面上标定硬度测试点，在样品端面上滴定现场钻井液，根据岩石水化时间测定不同测试点的硬度。
7.根据权利要求1所述的一种泥页岩水化强度动态变化测试方法，其特征在于，所述步骤2中控制泥页岩水化强度动态变化测试装置上的十字旋转平口钳移动旋转样品，通过固定在载荷传感器上的硬质合金压头，测试样品的硬度。
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GR01 Patent grant
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