CN113624603B - 一种含沉积韵律层的岩石弹性模量获取方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种含沉积韵律层的岩石弹性模量获取方法及系统，包括：获取含有沉积韵律层的岩石样品；利用荧光光谱仪测量所述岩石样品在测试点的岩石元素含量；所述测试点设置在所述岩石样品的不同韵律层上；根据所述岩石元素含量确定所述岩石样品的岩性；根据所述岩性确定元素‑矿物关系方程；利用所述岩性和所述元素‑矿物关系方程确定所述岩石样品的矿物组分；根据所述矿物组分确定矿物模量系数；根据所述矿物组分和所述矿物模量系数确定所述岩石样品的弹性模量。本发明能够实现对岩石样品的力学性质进行无损检测。
Description
技术领域
本发明涉及岩石力学性质检测领域，特别是涉及一种含沉积韵律层的岩石弹性模量获取方法及系统。
背景技术
弹性模量(岩石在压缩状态下发生弹性变形时，轴向应力与轴向应变之比，即应力-应变曲线的直线段的斜率)是表征岩石抵抗弹性变形能力的基本力学参数，岩石弹性模量越大，表明其在一定的应力作用下产生的变形越小。对于石质文物，查明文物本身的地质力学特性是进行文物修复的首要前提。在非常规油气开采中，弹性模量是衡量岩石的脆性程度的重要指标，许多学者也直接将其纳入非常规油气储层的可压性评价体系中，从而优选出工程甜点段以实现最高效的油气开采。现有获取岩石弹性模量的方法主要分为两种：一、通过实验室内的标准岩石力学试验直接测定，二、根据测井数据进行间接推测。前者要求需制备直径为50mm，高度为100mm或直径25mm，高度50mm的标准岩石样品，然后采用岩石力学试验机进行单轴/三轴压缩试验，根据试验获得的应力-应变曲线，计算岩石的弹性模量；后者则要求首先对待分析的岩层进行钻井，并开展地球物理测井，在获得测井数据后，结合研究区可靠的测井数据-弹性模量经验公式，计算岩石的弹性模量。因以上传统方法均有严格的分析前提，或依赖于标准样品或基于测井数据，对于无法取样或样品有限不满足标准力学试验的要求，并缺乏测井数据的岩石并不适用。
X射线荧光(XRF，X-ray fluorescence)是目前较为成熟的化学成分分析技术，在地球化学、工业和考古应用中都取得了巨大成功。在过去的几十年中，XRF已从实验室设备发展到手持式仪器，从而能够在野外调查时快速开展现场的岩石地球化学分析。便携式手持式XRF仪因其具有便捷、无损和经济高效等特点，正越来越广泛地被应用于地球化学领域，例如野外地质调查，文物材料鉴定和环境评估等。实际上，自然界的大多数岩石是由不同矿物组成的，而矿物通常都有标准化学式，即其元素组成基本是固定的；同时，矿物自身的弹性模量(即纳米级弹性模量)也是固定的。因此，针对无法利用传统方法获取弹性模量的岩石，可尝试基于元素-矿物-岩石之间的内在联系，将便携式XRF仪引入地质力学领域，即在获得岩石的元素含量后，通过系列变换，快速获取岩石的弹性模量，从而更加及时地为下一步的文物修复或油气开采方案设计提供重要的现场地质力学数据。
传统的岩石力学试验技术需制备尺寸足够大且完整的圆柱状岩石样品，样品要求高，并需对样品进行精细加工，特别是样品端面需磨平，加工过程耗时长、成本高，且试验过程为有损测试，试验后的样品不再完整，不方便开展其他分析测试，而地球物理测井需在钻井完成后开展，等待时间长且成本高。
由于石质文物非常珍贵，一般不允许取样，也无法开展地球物理测井；对于地球深部的岩石，因其埋藏深、取样困难，可获取的样品无论数量还是大小都非常有限，基本无法开展标准的岩石力学试验，地球物理测井也很难在所有钻井中均展开；因此，很难通过传统方法来测定石质文物围岩和地球深部岩石的弹性模量，亟需提出一种无损且快速的岩石弹性模量获取方法，从而在同时缺乏标准试验样品和测井数据的条件下仍可对此类岩石的力学性质进行快速预判。
发明内容
本发明的目的是提供一种含沉积韵律层的岩石弹性模量获取方法及系统，以实现对岩石样品的力学性质进行无损检测。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种含沉积韵律层的岩石弹性模量获取方法，包括：
获取含有沉积韵律层的岩石样品；
利用荧光光谱仪测量所述岩石样品在测试点的岩石元素含量；所述测试点设置在所述岩石样品的不同韵律层上；
根据所述岩石元素含量确定所述岩石样品的岩性；
根据所述岩性确定元素-矿物关系方程；
利用所述岩性和所述元素-矿物关系方程确定所述岩石样品的矿物组分；
根据所述矿物组分确定矿物模量系数；
根据所述矿物组分和所述矿物模量系数确定所述岩石样品的弹性模量。
可选的，所述元素-矿物关系方程的计算公式为：
[W]＝[C][T]
其中，[W]为三端元矿物含量矩阵，[T]为特征元素含量矩阵，[C]为系数矩阵。
可选的，所述矿物模量系数的计算公式为：
CEi＝αi×Ei
其中，CEi表示矿物i的模量系数，αi是矿物权重系数，Ei是矿物i的纳米级弹性模量。
可选的，所述弹性模量的计算公式为：
其中，El表示含沉积韵律层的岩石的弹性模量，CEi表示矿物i的模量系数，Wi是矿物i的重量百分数，n为矿物数量。
一种含沉积韵律层的岩石弹性模量获取系统，包括：
获取模块，用于获取含有沉积韵律层的岩石样品；
测量模块，用于利用荧光光谱仪测量所述岩石样品在测试点的岩石元素含量；所述测试点设置在所述岩石样品的不同韵律层上；
岩性测量模块，用于根据所述岩石元素含量确定所述岩石样品的岩性；
元素-矿物关系方程确定模块，用于根据所述岩性确定元素-矿物关系方程；
矿物组分确定模块，用于利用所述岩性和所述元素-矿物关系方程确定所述岩石样品的矿物组分；
矿物模量系数确定模块，用于根据所述矿物组分确定矿物模量系数；
弹性模量确定模块，用于根据所述矿物组分和所述矿物模量系数确定所述岩石样品的弹性模量。
可选的，所述元素-矿物关系方程的计算公式为：
[W]＝[C][T]
其中，[W]为三端元矿物含量矩阵，[T]为特征元素含量矩阵，[C]为系数矩阵。
可选的，所述矿物模量系数的计算公式为：
CEi＝αi×Ei
其中，CEi表示矿物i的模量系数，αi是矿物权重系数，Ei是矿物i的纳米级弹性模量。
可选的，所述弹性模量的计算公式为：
其中，El表示含沉积韵律层的岩石的弹性模量，CEi表示矿物i的模量系数，Wi是矿物i的重量百分数，n为矿物数量。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的一种含沉积韵律层的岩石弹性模量获取方法及系统，利用荧光光谱仪测量岩石样品的岩石元素含量，对样品的要求低，且为无损测试，对样品不会产生任何破坏，在确定岩石元素含量之后通过元素-矿物关系方程确定矿物组分和矿物模量系数，进而确定弹性模量，分析过程更为快速，不需要对样品进行加工，因此还实现了低成本检测。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的含沉积韵律层的岩石弹性模量获取方法流程图；
图2为本发明提供的含沉积韵律层的岩石弹性模量获取方法的一种更为具体的流程图；
图3为本发明含沉积韵律层岩石和利用X射线荧光(XRF)仪进行元素扫描的示意图；
图4为含沉积韵律层岩石经X射线荧光(XRF)仪元素扫描获得的元素含量-深度曲线图；
图5为含沉积韵律层岩石的三端元矿物分布图；
图6为含沉积韵律层岩石的矿物模量系数分布示意图；
图7为含沉积韵律层岩石的弹性模量预测值与实测值对比图；
图8为含沉积韵律层的岩石弹性模量获取系统示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种含沉积韵律层的岩石弹性模量获取方法及系统，以实现对岩石样品的力学性质进行无损检测。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供的一种含沉积韵律层的岩石弹性模量获取方法，包括：
步骤101：获取含有沉积韵律层的岩石样品。
步骤102：利用荧光光谱仪测量所述岩石样品在测试点的岩石元素含量；所述测试点设置在所述岩石样品的不同韵律层上。
步骤103：根据所述岩石元素含量确定所述岩石样品的岩性。
步骤104：根据所述岩性确定元素-矿物关系方程。
步骤105：利用所述岩性和所述元素-矿物关系方程确定所述岩石样品的矿物组分。
步骤106：根据所述矿物组分确定矿物模量系数。
步骤107：根据所述矿物组分和所述矿物模量系数确定所述岩石样品的弹性模量。
在实际应用中，所述元素-矿物关系方程的计算公式为：
[W]＝[C][T]
其中，[W]为三端元矿物含量矩阵，[T]为特征元素含量矩阵，[C]为系数矩阵。
在实际应用中，所述矿物模量系数的计算公式为：
CEi＝αi×Ei
其中，CEi表示矿物i的模量系数，αi是矿物权重系数，Ei是矿物i的纳米级弹性模量。
在实际应用中，所述弹性模量的计算公式为：
其中，El表示含沉积韵律层的岩石的弹性模量，CEi表示矿物i的模量系数，Wi是矿物i的重量百分数，n为矿物数量。
如图2所示，本发明还提供了更为具体的一种含沉积韵律层的岩石弹性模量获取方法，以黔北习水地区的科研钻井XK01井的页岩岩心为例，利用该方法获取页岩的弹性模量。XK01井深156.35m，目的层为距今约4.5亿年的上奥陶统五峰组–下志留统龙马溪组页岩，经现场含气量测定，五峰组-龙马溪组底部约有20–30m厚的页岩段含气量较高，每立方米岩石含气约2.2–3.9m3，在完井后曾对井口进行点火试验，效果很好，表明该区的页岩气具有较好的勘探开发潜力。
图2为获取页岩弹性模量的流程图，其关键步骤是基于元素扫描数据，确定其矿物组分，随后结合矿物模量系数，获取页岩的弹性模量。具体获取过程如下：
步骤100，获取含沉积韵律层岩石样品，将表面清理干净。
获取XK01井深度为10.94–142.65m的五峰组–龙马溪组页岩样品，将样品表面清洁干净，按一定的间距标记沉积韵律层。页岩样品可以是完整的岩心、破碎的岩块甚至岩屑。相邻两个测试点之间的间距由测试深度决定，一般取0.1–1m，优选为0.5m。
步骤200，采用便携式荧光光谱仪测量岩石样品中不同韵律层的元素含量。
采用便携式手持X射线荧光光谱(XRF)仪，在钻井现场可手持或配合三脚架使用，测量各标记处的页岩元素含量，标记处即为测试点，如图3(a)所示，图3(a)为含沉积韵律层的岩石，中部圆点代表元素扫描点，可获得Mg–U之间的多达30余种元素的含量，主要有Si，Al，K，Ca，Mg，P，S，Fe，V，Ti，U，Th，Ba，Zr，Mn，Sr等，其扫描结果如图3(b)所示，图3(b)为含沉积韵律层岩石的X射线荧光光谱示意图。
步骤300，根据各沉积韵律层的元素含量特征，判断含沉积韵律层岩石的岩性类别。
根据步骤200中含沉积韵律层岩石的代表性元素含量(如Ca、Fe、Al、S、U等)，对含沉积韵律层岩石的岩性进行细分。在根据含沉积韵律层岩石的颜色、结构和粒径观察大致判断岩石的岩性大类(如划分为页岩、砂岩或砾岩等)后，结合岩石中的特征元素(即代表性元素，如Ca、Fe、Al、S、U等)含量，进一步细分岩石的具体岩性(如钙质、砂质或富有机质页岩，主要为这三类，但也可能有铁质页岩)。对于本实施例XK01井的页岩岩心，当其Ca元素含量明显偏高，则判断为钙质页岩，当Fe、Al元素含量偏高则判断为砂质页岩，当S和U元素偏高，则判断为富有机质页岩。XK01井的岩心自上而下可分为钙质页岩(记为G1，对应深度为10.94–42.74m)，砂质页岩(记为G2，对应深度为43.08–101.46m)及富有机质页岩(记为G3，对应深度为102.05–142.65m)，对应的元素含量-深度曲线如图4所示，其中，图4(a)为高含量元素-深度曲线图，图4(b)为中含量元素-深度曲线图，图4(c)为低含量元素-深度曲线图，G1–G3分别代表三种不同岩性的含沉积韵律层岩石，即钙质页岩、砂质页岩和富有机质页岩。
步骤400，根据不同岩性选择对应的元素-矿物关系方程，确定含沉积韵律层岩石的矿物组分。
通过前期研究已建立了针对不同岩性的元素-矿物关系方程库，根据含沉积韵律层岩石的岩性，从不同岩性的岩石元素-矿物关系方程库中选择与待分析岩石的岩性匹配的元素-矿物关系方程。例如，对于钙质页岩，则选择方程库中钙质页岩的元素-矿物关系方程，对于砂质页岩，则选择方程库中针对砂质页岩的元素-矿物关系方程。随后根据对应的元素-矿物关系方程，即公式(1)，获得含沉积韵律层岩石的矿物组分，如图5所示，矿物组分与特征元素含量的关系可表达为如下形式：
[W]＝[C][T] (1)
其中，[W]为三端元矿物含量矩阵，包括硅质类矿物(石英、长石、黄铁矿等)、碳酸盐类矿物(方解石、白云石、铁白云石等)和黏土矿物(高岭石、伊利石、蒙脱石、绿泥石等)，[T]为特征元素含量矩阵，包括高含量元素(如K、Ca、Al、Si等)、中含量元素(如P、Ti、S、Fe等)及低含量元素(如U、Zr、V、Mn、Sr等)，矿物矩阵与元素矩阵的单位均为％，[C]为系数矩阵，无量纲。
以钙质页岩(G1)为例，对应的具体矩阵形式如下：
其中Wi1代表G1的三端元矿物i的含量，i＝1–3分别代表硅质类矿物、碳酸盐类矿物和黏土矿物，Tm1代表G1的特征元素m的含量，m＝1–7分别代表Sr、Fe、S、K、Ca、Al和常数1，Cim为矿物i对应的特征元素m的系数，具体数值如下：
C11＝-332.98，C12＝10.60，C13＝-3.20，C14＝0，C15＝0，C16＝0，C17＝13.97；
C21＝265.03，C22＝0，C23＝0，C24＝-3.56，C25＝1.56，C26＝0，C27＝16.74；
C31＝0，C32＝-11.41，C33＝3.98，C34＝0，C35＝-1.49，C26＝1.22，C37＝75.82。
步骤500，根据含沉积韵律层岩石的矿物组分特征，确定其对应的矿物模量系数。
根据步骤400得到的含沉积韵律层岩石的矿物组分特征，结合矿物纳米级弹性模量和矿物权重，根据二者的乘积确定各矿物的模量系数，矿物纳米级弹性模量根据岩石物理手册或参考文献确定，矿物权重可参考标准沉积韵律层的弹性模量与对应矿物含量的回归模型进行确定。
矿物模量系数与矿物纳米级弹性模量、矿物权重的关系可表达为如下形式：
CEi＝αi×Ei (3)
其中，CEi表示矿物i的模量系数，αi是矿物权重系数，Ei是矿物i的纳米级弹性模量(GPa)。
在本实施例中i的取值为1–5(i＝1代表石英，i＝2代表长石，i＝3代表黄铁矿，i＝4代表黏土矿物，i＝5代表有机质)，对应的矿物模量系数分布如图6所示。
步骤600，根据矿物组分和矿物模量系数，确定含沉积韵律层岩石的弹性模量。本发明基于元素-矿物-岩石三者之间的紧密联系，在获得含沉积韵律层岩石的元素含量后即可快速获取其弹性模量，该方法中的元素分析为无损测试且测试速度快，特别适用于缺乏标准试验样品和测井数据的岩石。
根据含沉积韵律层岩石的矿物组分特征和矿物模量系数，确定含沉积韵律层岩石的弹性模量。含沉积韵律层岩石的弹性模量与矿物权重系数、矿物含量的关系可表达为如下形式：
其中，El表示含沉积韵律层岩石的弹性模量(GPa)，Wi是矿物i的重量百分数(wt.％)，n为矿物数量。
根据上述方法，基于含沉积韵律层岩石的矿物组分特征，获得部分岩石的弹性模量预测值如图7所示，该预测值与通过岩石力学试验获得的弹性模量实测值基本一致，表明该方法可行，可直接将其应用于此类岩石的现场力学特性分析。
如图8所示，本发明提供的一种含沉积韵律层的岩石弹性模量获取系统，包括：
获取模块801，用于获取含有沉积韵律层的岩石样品。
测量模块802，用于利用荧光光谱仪测量所述岩石样品在测试点的岩石元素含量；所述测试点设置在所述岩石样品的不同韵律层上。
岩性测量模块803，用于根据所述岩石元素含量确定所述岩石样品的岩性。
元素-矿物关系方程确定模块804，用于根据所述岩性确定元素-矿物关系方程。
矿物组分确定模块805，用于利用所述岩性和所述元素-矿物关系方程确定所述岩石样品的矿物组分。
矿物模量系数确定模块806，用于根据所述矿物组分确定矿物模量系数。
弹性模量确定模块807，用于根据所述矿物组分和所述矿物模量系数确定所述岩石样品的弹性模量。
在实际应用中，所述元素-矿物关系方程的计算公式为：
[W]＝[C][T]
其中，[W]为三端元矿物含量矩阵，[T]为特征元素含量矩阵，[C]为系数矩阵。
在实际应用中，所述矿物模量系数的计算公式为：
CEi＝αi×Ei
其中，CEi表示矿物i的模量系数，αi是矿物权重系数，Ei是矿物i的纳米级弹性模量。
在实际应用中，所述弹性模量的计算公式为：
其中，El表示含沉积韵律层岩石的弹性模量，CEi表示矿物i的模量系数，Wi是矿物i的重量百分数，n为矿物数量。
本发明提供的一种含沉积韵律层的岩石弹性模量获取方法及系统的优势如下：
1、本发明采用便携式手持X射线荧光光谱仪对含沉积韵律层岩石表面进行元素扫描，随后根据特征元素含量划分岩性。对样品要求低，无需专门取样，完整岩体、岩心柱、岩块或岩屑均可。本发明中的元素扫描为无损测试，对样品不会产生任何破坏，特别适用于无法取样或样品稀少的岩石，如石质文物或来自地球深部的岩石，扫描后的样品可进一步用于开展其他分析测试。
2、本发明在确定含沉积韵律层岩石的岩性后，根据岩性选择对应的元素-矿物关系模型，从而根据特征元素含量确定其矿物组成；根据含沉积韵律层岩石的矿物组成，结合矿物纳米级弹性模量和矿物权重，确定对应的矿物模量系数，在此基础上获取含沉积韵律层岩石的弹性模量。本发明在获得含沉积韵律层岩石的元素含量后，即可划分岩性并确定其矿物组成，随后结合矿物模量系数即可获得其弹性模量，整个分析过程快速，在五分钟内即可完成，同时因无需对样品进行特别加工，因而成本低，且不受场地限制，在野外地质调查现场即可开展，可及时为下一步的文物修复或油气开采方案设计提供重要的地质力学参数。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (2)
1.一种含沉积韵律层的岩石弹性模量获取方法，其特征在于，包括：
获取含有沉积韵律层的岩石样品；
利用荧光光谱仪测量所述岩石样品在测试点的岩石元素含量；所述测试点设置在所述岩石样品的不同韵律层上；
根据所述岩石元素含量确定所述岩石样品的岩性；
根据所述岩性确定元素-矿物关系方程；所述元素-矿物关系方程的计算公式为：
[W]＝[C][T]
其中，[W]为三端元矿物含量矩阵，[T]为特征元素含量矩阵，[C]为系数矩阵；
利用所述岩性和所述元素-矿物关系方程确定所述岩石样品的矿物组分；
根据所述矿物组分确定矿物模量系数；所述矿物模量系数的计算公式为：
CEi＝αi×Ei
其中，CEi表示矿物i的模量系数，αi是矿物权重系数，Ei是矿物i的纳米级弹性模量；
根据所述矿物组分和所述矿物模量系数确定所述岩石样品的弹性模量；所述弹性模量的计算公式为：
其中，El表示含沉积韵律层的岩石的弹性模量，CEi表示矿物i的模量系数，Wi是矿物i的重量百分数，n为矿物数量。
2.一种含沉积韵律层的岩石弹性模量获取系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取含有沉积韵律层的岩石样品；
测量模块，用于利用荧光光谱仪测量所述岩石样品在测试点的岩石元素含量；所述测试点设置在所述岩石样品的不同韵律层上；
岩性测量模块，用于根据所述岩石元素含量确定所述岩石样品的岩性；
元素-矿物关系方程确定模块，用于根据所述岩性确定元素-矿物关系方程；所述元素-矿物关系方程的计算公式为：
[W]＝[C][T]
其中，[W]为三端元矿物含量矩阵，[T]为特征元素含量矩阵，[C]为系数矩阵；
矿物组分确定模块，用于利用所述岩性和所述元素-矿物关系方程确定所述岩石样品的矿物组分；
矿物模量系数确定模块，用于根据所述矿物组分确定矿物模量系数；所述矿物模量系数的计算公式为：
CEi＝αi×Ei
其中，CEi表示矿物i的模量系数，αi是矿物权重系数，Ei是矿物i的纳米级弹性模量；
弹性模量确定模块，用于根据所述矿物组分和所述矿物模量系数确定所述岩石样品的弹性模量；所述弹性模量的计算公式为：
其中，El表示含沉积韵律层的岩石的弹性模量，CEi表示矿物i的模量系数，Wi是矿物i的重量百分数，n为矿物数量。
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