CN114018697A - 一种基于微观力学实验的层理性页岩储层可压性评估方法 - Google Patents

一种基于微观力学实验的层理性页岩储层可压性评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于微观力学实验的层理性页岩储层可压性评估方法，收集标准页岩岩石柱样，并进行页岩岩心柱样加工，分别得到页岩层理和页岩基质测试式样；进行抛光处理；对加工页岩岩心进行微米压痕实验，得到页岩层理和页岩基质的硬度参数和杨氏模量；加工页岩岩心进行微米划痕实验，得到页岩层理和页岩基质的断裂韧性参数；对钻取层理页岩样品进行观测，通过统计地质学和分形理论计算得到层理厚度；对页岩岩屑进行矿物组分分析，得到页岩矿物组分特征；构建层理页岩组合体物理模型，并进行岩石力学参数尺度升级和计算，得到层理性页岩组合体的参数，通过组合权重方法得到层理性页岩可压性综合评价指标对拟压裂区域进行可压性判断。

Description

一种基于微观力学实验的层理性页岩储层可压性评估方法
技术领域
本发明属于油气田开发领域，尤其涉及一种基于微观力学实验的层理性页岩储层可压性评价方法。
背景技术
近年来随着压裂技术的不断进步，非常规油气在世界能源中的比重不断加大；页岩油气资源是一种非常重要的非常规资源，加快对页岩油气资源的高效开发对促进我国油气工业的发展具有重大战略意义。页岩油气储层通常因为渗透率极低，因此需要通过水平井多级压裂技术才能获得理想的油气工业油流。同时，页岩作为一种沉积岩在成岩过程中容易形成薄片层理，造成页岩储层层理极为发育，也使得页岩样品表现出比较明显的各向异性力学特征。层理性页岩独特的力学特征，为页岩油气的安全钻井、高效开采等工作造成了极大影响。
可压性评价是目前非常规油气开发时常用的压裂设计技术参数，被用于表征储层是否可以被有效压裂，产生复杂的裂缝性网络而有助于提升储层的开采效果。通常而言，地层的岩石力学参数，如岩石脆性、杨氏模量、抗拉强度、断裂韧性等都会一定程度影响地层的可压性，同时两向水平应力差、天然裂缝的性质(如走向、倾角、密度等)也都会影响可压性和裂缝扩展的最终形态。目前，国内外尚无统一的页岩可压性评价标准，但是岩石力学参数通常是进行可压性评估的重要基础参数。进行可压性评估的技术手段主要有基于测井、地震等地球物理资料的解释方法，同时也有一些室内可压性实验测试方法，其主要目的都是直接或者间接获取岩石力学参数，然后在此基础上再展开可压性评估。
对于层理性页岩而言，其物理化学性质的不稳定性，造成层理性页岩很多时候都难以取得高质量的标准岩芯，增大了常规力学实验，如单轴或者三轴力学实验、抗拉实验、断裂韧性等实验获取可靠岩石力学的难度。其次，页岩层理厚薄不一，对于具有较厚的层理页岩而言，还可以通过常规方法钻取和加工厘米级的取芯，并完成力学实验获得力学参数，但是对于较薄的层理页岩而言，很多时候受制于岩石样品尺度限制，常规力学实验根本无法展开。同时，目前常规单轴和三轴力学实验，以及拉伸、断裂力学实验都属于破坏性实验，即在得到实验结果后岩石就发生破裂，实验结果无法重复，为此得到力学实验结果存在一定不确定性和随机性。
传统力学性能测试技术包含了拉伸、弯曲、扭转等力学测试，但是样品需求尺度多为厘米级。微观力学实验(包括微米压痕和微米划痕实验)是目前进行材料表面力学性质测试中一种。其主要优势在于，测试样品小，实验结果可以反复验证，通过调节测试温度、载荷频率、保载载荷、幅值等参量，还可以对力学测试数值进行敏感性分析。目前，微米力学实验对象广泛的涉及到金属材料、陶瓷材料、非晶合金、生物材料等，但是在岩石力学领域中的测试应用相对较少。
综上所述，目前层理性页岩可压性评价中迫切需要解决的问题存在两个：(1)如何进行有效的力学实验来获取层理性页岩的力学性质；(2)如何利用小尺度的岩石样品进行尺度升级来表征页岩组合体等效的力学参数，并进行可压性建模。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)尽管微米力学实验已经在沉积岩岩石力学性质测试中得到应用，但并未应用于层理性页岩的力学性质测试。其次，现有技术中，没有从微观力学角度对页岩层理和页岩基质分别展开力学测试，并同时将获取的页岩层理和基质的力学性质进行等效组合，得到层理性页岩等效组合体等效的力学性质。
(2)现有的微观力学实验多强调在力学性质表征方面，欠缺相关的工程应用，而利用微观力学实验进行尺度升级后即可开展可压性评价，则是从原理分析上升到工程应用尺度，提出的相关力学模型可以为层理性页岩的甜点预测、钻井井身结构设计、压裂增产方案等工程问题提供重要参数支撑。
解决以上问题及缺陷的难度为：受层理物理化学性质的不稳定性影响，加工获取高质量的层理页岩样品十分困难。其次，层理性页岩的非均质性发育特征造成其力学性质复杂，得到微米级别的岩心力学实验结果后，目前并没有成熟的岩石物理模型将层理厚度和层理密度等参数考虑到力学建模和参数计算之中，而无法通过合理的岩石物理等效模型进行页岩组合体力学参数尺度升级，获得整个页岩层准确的力学性质，并进行可压性工程应用评估。
解决以上问题及缺陷的意义为：通过本发明的提出的微观力学方法，可以有效的解决实验测试样品质量和尺寸的限制，并且同步设计微米压痕和微米划痕实验，并用其开展力学性质表征，再通过分形理论方法进行可压性评估段层理厚度的计算。特别是，无论是针对薄层发育较多的页岩储层还是薄层发育较少的页岩储层而言，都可以运用建立的页岩组合体模型进行力学建模和参数计算，为从微观力学实验进行尺度升级进行可压性评估提供了新的方法和手段，也为从微观角度研究层理界面对页岩储层在压裂时水力裂缝的穿层扩展规律提供了理论支持。
基于该方法建立的层理性页岩模型可以充分考虑层理性页岩的力学性质特殊性，通过分别进行实验来获取层理和基质的力学特征，并组件页岩组合体等效物理模型进行力学参数评估，一方面通过微米级别的力学实验解决了层理页岩难以取芯加工，测试样品质量苛刻的问题，另一方面提出了页岩组合体等效力学物理力学模型，可以结合页岩层理和基质和力学特征，并融合实际地层发育的层理厚度，得到尺度升级样品的力学参数用以指导工程应用。通过构建的层理性页岩组合权重可压性评价模型，对指导现场工程人员进行层理性页岩储层压裂射孔层位的选择，改善和提升层理性页岩储层压裂效果和针对性具有重要意义。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供了一种基于微观力学实验的层理性页岩储层可压性评价方法，通过微米压痕测试和微米划痕测试实验，克服了现有岩石力学测试技术对岩芯尺寸要求高、测试成本高的缺陷，具有较高的操作性和准确性，再通过分形理论方法进行可压性评估段层理厚度的计算。运用建立的页岩组合体模型进行力学建模和参数计算，形成的可压性评价方法从矿物学特征、硬度、杨氏模量、和断裂韧性等四个角度建立了层理性页岩储层的可压性综合评价模型。同时，提出的微观力学实验将有效解决现有力学实验页岩样品物理化学性质不稳定，层理页岩标准尺寸岩芯加工困难，力学实验测试周期长等问题，同时具有较高的精度和可操作性，将对层理页岩储层的体积压裂设计和射孔层位选择等工作提供重要技术支持。
为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
一种基于微观力学实验的层理性页岩储层可压性评估方法，包括：(1)收集标准页岩样品，并进行页岩层理式样和页岩基质式样加工；(2)对页岩层理式样和页岩基质式样分别进行微米压痕实验，得到页岩层理式样和页岩基质式样的硬度参数和杨氏模量参数；(3)对页岩层理式样和页岩基质式样分别进行微米划痕实验，得到页岩层理式样和页岩基质式样的断裂韧性参数；(4)通过对钻取层理页岩进行观测，计算得到层理总厚度，实现可压性评估区间层理厚度的计算；(5)利用XRD衍射实验对页岩层理式样和页岩基质式样进行矿物组分分析，得到页岩矿物组分；(6)运用页岩组合体等效岩石力学参数重构并进行微观力学参数尺度升级，得到可压性评估区间层理性页岩组合体等效的岩石力学参数；(7)利用目的层所有页岩组合体等效计算岩石力学参数，并通过组合权重方法得到层理性页岩储层可压性的综合评价指标，对目的层可压性进行评估。
进一步，步骤1，标准页岩样品心柱加工，对页岩层理式样和页岩基质式样表面进行抛光处理，得到页岩层理式样和页岩基质式样，用于进行微观压痕和划痕力学实验。抛光处理为机械抛光和氩离子抛光处理。同步收集层理式样和基质式样位置样品进行称重和体积测量，计算得到层理组成部分的密度ρ1和基质组成部分的密度ρ2。
进一步，步骤2，微米压痕实验，利用收集的载荷位移曲线计算页岩层理式样和页岩基质式样的硬度和杨氏模量，并通过平均样品求取岩石的平均硬度和杨氏模量，同时分别计算页岩层理式样和页岩基质式样的岩石硬度和杨氏模量参数。平行样品，分别得到页岩层理式样和页岩基质式样样品，并将每个样品分成两块，用以分别开展微米压痕和微米划痕实验，并获得平行实验力学参数。
所述微米压痕试验，记录压痕过程中的载荷和位移曲线获取，其中硬度的计算公式为:
Figure BDA0003304082180000061
Figure BDA0003304082180000062
hc与hmax之间的关系表达式为：
Figure BDA0003304082180000063
Figure BDA0003304082180000064
式中，Pmax为最大载荷，Ac为相应载荷下的接触投影面积，hc是接触深度，hf是残余深度，hmax是总穿透深度，v是岩石泊松比，无因次；
所述微米压痕力学实验的杨氏模量，通过下面的计算公式如下：
Figure BDA0003304082180000071
式中，折算杨氏模量Er可以用来体现压头和试样的复合弹性形变，并可以转化为试样的真实弹性模量E。
进一步，步骤3，微米划痕实验，利用收集的摩擦曲线计算岩石的断裂韧性，并通过平均样品求取岩石的平均断裂韧性，同时基于岩心断裂韧性参数的断裂韧性缝网完善指标B3。
所述划痕实验包括预扫描、划痕和后扫描，其中预扫描和后扫描目的是用于检测样品实验前的表面形貌和式样后的划痕轨迹形貌，同时预扫描还可以对真实的压入深度和残余深度进行校正。划痕实验时在压头顶端产生水平裂纹的条件下求解应力分量，然后结合J积分求解系统的应变能释放率G。然后根据准断裂准则便可得到平面应变断裂韧性，G积分和平面应变断裂韧性的计算公式如下所示：
Figure BDA0003304082180000072
Figure BDA0003304082180000073
式中，E是杨氏模量，ν是泊松比，2pA为压头的形函数，p为压头与材料接触部位在x轴方向上投影的周长，A为压头与材料接触部位在x轴方向上的投影面积，Feq与切向力(FT)和垂直力(FV)有关。切向力FT和划痕深度d都能从划痕试验中得到，压头的形函数2pA可以通过下式进行计算：
2pA＝4(tanθ/cosθ)d3 (8)
同时需要注意的是，在评估岩石断裂韧性时需要考虑尺寸效应对最终测试结果的影响，最终测试的断裂韧性值还需要进一步通过尺寸效应定律(SEL)进行评估。
进一步，步骤4，利用地质统计学法和分形理论方法分析得到不同层位页岩层理的层理厚度。得到岩心的层理厚度后，通过不同尺度实验下的层理厚度分布频率参数，以及运用分形理论方法实现可压裂段整体的层理厚度建模。
进一步，步骤5，矿物组分分析，通过矿物组分分析对测试完毕后页岩层理式样和页岩基质式样岩石样品进行矿物组分分析，计算得到矿物的质量百分比。
所述矿物组分分析，岩石中的脆性矿物组分确定；，通常采用石英作为脆性矿物计算得到B1和B2：
Figure BDA0003304082180000081
Figure BDA0003304082180000082
其中，B1和B2分为页岩层理和基质矿物成分法计算的脆性指标；Wqua为石英质量的百分含量；Wfel为长石质量的百分含量；Wcalite为方解石质量的百分含量；Wdolomite为白云石质量的百分含量；Wcaly为黏土质量的百分含量。其中，a1，b1，c1，d1，e1为不同页岩储层层理脆性评价回归得到的相关系数；a2，b2，c2，d2，e2为不同页岩储层基质脆性回归得到的相关系数。
除了X光衍射扫描技术外，矿物组分分析法还可以通过QEMSCAN、EDX、背散射等其他光学分析技术并结合矿物学能谱分析得到岩石矿物组分的定量分析结果。
进一步，步骤6，构建所述页岩组合体等效力学参数的计算模型，进行页岩石力学参数升级，对利用微米压痕和微米划痕得到的力学实验数据层理和基质硬度参数、杨氏模量参数以及断裂韧性参数进行组合，
Figure BDA0003304082180000091
Figure BDA0003304082180000092
Figure BDA0003304082180000093
Figure BDA0003304082180000094
其中，Hz为页岩组合体岩石硬度，MPa；H1为页岩层理岩石硬度，MPa；H2为页岩基质硬度，MPa；Ez为页岩组合体岩石杨氏模量，MPa；E1为页岩层理杨氏模量，MPa；E2为页岩基质杨氏模量，MPa；Kz为页岩组合体断裂韧性，MPa·m1/2；K1为页岩层理断裂韧性，MPa·m1/2；K2为页岩基质断裂韧性，MPa·m1/2。
Figure BDA0003304082180000097
分别为层理和基质的体积占比，可以通过层理厚度在整个压裂评估段内的占比计算获取，计算公式如下所示：
Figure BDA0003304082180000095
Figure BDA0003304082180000096
其中，Hpef为压裂改造段的总厚度m。
进一步，步骤7，构建综合可压性模型，综合利用上述指标，并基于层次分析方法确定选择目标区块影响层理性页岩体积压裂效果的评价权重，其中:
(17)
Fn＝w1HZj+w2EZj+w3KZj++w4BZj
w1+w2+w3+w4＝1 (18)
式中，w1、w2、w3、w4是各种特征参数反映页岩储层可压性的权系数，可以通过已有压裂井体积压裂裂缝检测数据或者临井产量数据进行校正和反演。
在建立综合可压性评价模型中，相关参数HZj、EZj、KZj、BZj需要归一化处理消除量纲的不一致。同时，其中，归一化后的硬度HZj、归一化后的杨氏模量EZj和归一化后的脆性指数BZj为正向指标，归一化后的断裂韧性KZj为逆向指标。正向指标即指标值越大越好，逆向指标即指标值越小越好。采用极差变换标准化方法将定量化的参数归一化。
对于基于硬度的可压性指标，采用极大值归一化，归一之后的硬度可压性指标计算公式为：
Figure BDA0003304082180000101
式中，下标max、min分别表示选取样品中硬度的最大值和最小值。
对于基于杨氏模量的可压性指标，采用极大值归一化，硬度可压性指标计算公式为：
Figure BDA0003304082180000102
对于基于尺寸效应定律处理后断裂韧性计算后可以得到相关脆性指标，由于岩石断裂韧性代表着材料本身抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能，为此该值越小，裂缝越易扩展。所以采用极小值对断裂韧性进行归一化处理，归一之后的断裂韧性可压性指标计算公式为：
Figure BDA0003304082180000111
同时计算基于岩石断裂韧性参数的断裂韧性可压性指标。下标max、min分别表示选取样品中断裂韧性的最大值和最小值。
对于矿物学可压性指标，采用极大值归一化，归一之后的矿物学可压性计算公式为：
Figure BDA0003304082180000112
式中，下标max、min分别表示选取样品中矿物学可压性指标的最大值和最小值。
与现有技术相比较，本发明具有如下的有益效果：
综合可压性评估模型还包括选取四个因素中三种或者两种，如岩石力学参数方面只考虑划痕断裂韧性不考虑压痕硬度和杨氏模量，以及只考虑压痕硬度和杨氏模量不考虑划痕断裂韧性等衍生模型。
对页岩层理和基质分别进行加工，引入微米划痕和微米压痕技术对岩石力学性质进行测试，并且结合岩石矿物组分实验结果，便于进行平行实验分析，降低了对标准岩石样品尺寸的依赖性，加快实验测试周期且实验结果具有可重复性；提出了基于分形的理论多尺度层理厚度计算方法，通过建立力学参数尺度升级模型，形成了基于岩石压痕和划痕微观力学实验的层理性页岩储层可压性评价方法，该方面具有较高的工程实用价值，可用于快速评价压裂井不同层位的页岩储层可压性品质，也可以用以计算层理性页岩的核心力学参数。
附图说明
图1是本发明页岩微观力学岩心设计实验图。
图2是本发明页岩储层可压性评估方法的流程图。
图3是本发明页岩储层可压性评估方法基质的微米压痕力学试验测试结果示意图。
图4是本发明页岩储层可压性评估方法层理的微米压痕力学试验测试结果示意图。
图5是本发明页岩储层可压性评估方法微米压痕扫描电镜图。
图6是本发明页岩储层可压性评估方法基质微米划痕力学试验测试结果示意图。
图7是本发明页岩储层可压性评估方法层理微米划痕力学试验测试结果示意图。
图8是本发明页岩储层可压性评估方法的页岩表面微米划痕扫描电镜示意图。
图9是本发明页岩储层可压性评估方法的现场应用效果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-8所示，一种层理性页岩储层可压性评价方法，包括以下步骤：步骤1，收集页岩岩石，并进行页岩岩心柱样加工；
(1)收集研究重点层位的岩石样品，在选取需要进行试验的测试样品进行标准尺寸的岩心柱样加工后，将整个岩石柱样分开加工，得到页岩层理式样和页岩基质式样样品，用以分别开展微米压痕和微米划痕实验，并获得平行实验力学参数。页岩样品为长度1～2cm树脂包裹式样的页岩样品，且每块样品的压痕和划痕测试数量都应当高于50微米以上。
(2)对页岩层理式样和页岩基质式样表面进行先后机械抛光和氩离子抛光处理；在样品进行试验前应当采用选择丙酮、去离子水等低伤害药品对岩石表面进行清洗，最佳需要同步采用超声清洗半小时以上，采用机械抛光方法对岩石表面进行粗糙度处理，然后采用氩离子抛光处理，以消除岩石表面不平整对其最终力学测试结果的影响。
(3)对加工页岩层理和基质样品进行微米压痕力学实验，得到对加工页岩层理和基质样品的硬度参数和杨氏模量；
步骤2，微米压痕实验，利用收集的载荷位移曲线计算岩石的硬度和杨氏模量，并通过平均法求取岩石的平均硬度和杨氏模量，同时计算基于岩石硬度的硬度缝网完善指标B1和杨氏模量的杨氏模量缝网完善指标B2；
所述微米压痕力学试验，记录压痕过程中的载荷和位移曲线获取，其中硬度的计算公式为:
Figure BDA0003304082180000131
Figure BDA0003304082180000132
hc与hmax之间的关系表达式为：
Figure BDA0003304082180000133
Figure BDA0003304082180000134
式中，Pmax为最大载荷，Ac为相应载荷下的接触投影面积，hc是接触深度，hf是残余深度，hmax是总穿透深度，v是岩石泊松比，无因次；
所述压痕力学实验的杨氏模量，通过下面的计算公式如下：
Figure BDA0003304082180000141
式中，折算杨氏模量Er可以用来体现压头和试样的复合弹性形变，并可以转化为试样的真实弹性模量E。
(4)对加工页岩层理和基质样品进行微米划痕实验，得到页岩层理和基质样品的断裂韧性参数；
步骤3，微米划痕实验，运用微米划痕技术对岩石表面进行划痕实验，利用收集的摩擦曲线计算岩石的断裂韧性，并通过平均法求取岩石的平均断裂韧性，同时计算基于岩石断裂韧性参数的断裂韧性可压性指标B3；
所述微米划痕实验包括预扫描、划痕和后扫描，其中预扫描和后扫描目的是用于检测样品实验前的表面形貌和式样后的划痕轨迹形貌，同时预扫描还可以对真实的压入深度和残余深度进行校正。在测试过程中，辅助的声发射测试设备还可以对划痕裂缝产生的过程进行检测，保证最终的测试结果准确性。作为材料表面断裂韧性的测试的重要方法，划痕测试时需要在假设压头顶端产生水平裂纹的条件下求解应力分量，然后结合J积分求解系统的应变能释放率G。然后根据准断裂准则便可得到平面应变断裂韧性，G积分和平面应变断裂韧性的计算公式如下所示：
Figure BDA0003304082180000142
Figure BDA0003304082180000151
式中，E是杨氏模量，ν是泊松比，2pA为压头的形函数，p为压头与材料接触部位在x轴方向上投影的周长，A为压头与材料接触部位在x轴方向上的投影面积，Feq与切向力(FT)和垂直力(FV)有关。切向力FT和划痕深度d都能从划痕试验中得到，压头的形函数2pA可以通过下式进行计算：
2pA＝4(tanθ/cosθ)d3 (8)
同时需要注意的是，在评估岩石断裂韧性时需要考虑尺寸效应对最终测试结果的影响，最终测试的断裂韧性值还需要进一步通过尺寸效应定律(SEL)进行评估。
(5)页岩层理厚度统计和计算。
步骤4，观测野外露头层理发育特征，运用测尺进行分米级以上层理观察和厚度测量，观察评价层获取的全直径岩石样品，运用测尺进行厘米级层理观察和厚度测量，利用镜下薄片进行微米级层理观察和厚度测量，从而获取不同尺度下厚度，然后采用分形理论方法进行层理厚度分形维度函数，如下所示：
F1＝lg(Z1)/lg(S1) (23)
F2＝lg(Z2)/lg(S2) (24)
F3＝lg(Z3)/lg(S3) (25)
F4＝lg(Z4)/lg(S4) (26)
式中：F1是层理厚度分形维数，无因数；Z1是微米级层理厚度，μm；S1是微米级尺度大小，μm。Z2是厘米级层理厚度，cm；S2是厘米尺度大小，cm；Z3是分米级层理厚度，dm；S3是分米级尺度大小，dm；Z4是米级层理厚度，m；S4是米级尺度大小，m。
对于页岩层理密度而言，则需要得到相关地质学统计和概率频次分析，通过下式进行不同尺度条件下的层理密度：
Hc＝Z1+Z2+Z3+Z4 (27)
Hc是层理总厚度，m；Z1、Z2、Z3、Z4分别对应着不同尺度条件下(微米级、厘米级、分米级、米级)的层理厚度。
(6)利用XRD衍射实验对页岩层理和基质样品进行矿物组分分析，得到页岩层理和基质样品的矿物组分；
步骤5，矿物组分分析，通过矿物组分分析对测试完毕后的岩石样品进行矿物分析，得到页岩层理和基质样品中脆性矿物的质量百分比，并用所述矿物组确定岩石中的脆性矿物组分，分展开脆性分析。对于大多数层理性页岩储层来说，石英仍然是主要的脆性矿物，因此采用石英质量的百分含量作为脆性矿物计算脆性指数B1和B2：
Figure BDA0003304082180000161
Figure BDA0003304082180000162
其中，B1和B2分为页岩层理和基质矿物成分法计算的脆性指标；Wqua为石英质量的百分含量；Wfel为长石质量的百分含量；Wcalite为方解石质量的百分含量；Wdolomite为白云石质量的百分含量；Wcaly为黏土质量的百分含量。其中，a1，b1，c1，d1，e1为不同页岩储层层理脆性评价回归得到的相关系数；a2，b2，c2，d2，e2为不同页岩储层基质脆性回归得到的相关系数。
步骤7，微观力学实验结果向宏观岩石力学参数升级，对利用微米压痕和微米划痕得到的层理和基质硬度参数、杨氏模量参数以及断裂韧性参数进行组合，考虑层理厚度进行页岩组合体力学建模，相关公式如下：
Figure BDA0003304082180000171
Figure BDA0003304082180000172
Figure BDA0003304082180000173
Figure BDA0003304082180000174
其中，Hz为页岩组合体岩石硬度，MPa；H1为页岩层理岩石硬度，MPa；H2为页岩基质硬度，MPa；Ez为页岩组合体岩石杨氏模量，MPa；E1为页岩层理杨氏模量，MPa；E2为页岩基质杨氏模量，MPa；Kz为页岩组合体断裂韧性，MPa·m1/2；K1为页岩层理断裂韧性，MPa·m1/2；K2为页岩基质断裂韧性，MPa·m1/2。
Figure BDA0003304082180000175
分别为层理和基质的体积占比，可以通过层理厚度在整个压裂评估段内的占比计算获取，计算公式如下所示：
Figure BDA0003304082180000176
Figure BDA0003304082180000177
其中，Hpef为压裂改造段的总厚度，m。
(7)利用测试段所有页岩层理和页岩基质样品的岩石硬度、杨氏模量参数，断裂韧性参数、以及脆性矿物参数，通过组合权重方法得到层理性页岩压裂后可压性模型，并根据综合评价指标进行可压性分级。
步骤8，综合可压性度指标，综合利用上述四项指标，并基于层次分析方法确定选择目标区块影响可压性度的评价权重；根据不同可压性参数的权重，建立研究区层理性页岩储层的综合可压性度评价模型，计算综合可压性度指标Fn；其中:
(17)
Fn＝w1HZj+w2EZj+w3KZj++w4BZj
w1+w2+w3+w4＝1 (18)
式中，w1、w2、w3、w4是各种特征参数反映页岩储层可压性的权系数。建立层理页岩储层压裂可压性评价模型，相关权重系数可以通过邻井的实际产量或者微地震评价结果反演得到。
在建立综合可压性评价模型中，相关参数HZj、EZj、KZj、BZj需要归一化处理消除量纲的不一致。同时，其中，归一化后的硬度HZj、归一化后的杨氏模量EZj和归一化后的脆性指数BZj为正向指标，归一化后的断裂韧性KZj为逆向指标。正向指标即指标值越大越好，逆向指标即指标值越小越好。采用极差变换标准化方法将定量化的参数归一化。
对于基于硬度的可压性指标，采用极大值归一化，归一之后的硬度可压性指标计算公式为：
Figure BDA0003304082180000181
式中，下标max、min分别表示选取样品中硬度的最大值和最小值。
对于基于杨氏模量的可压性指标，采用极大值归一化，硬度可压性指标计算公式为：
Figure BDA0003304082180000191
对于基于尺寸效应定律处理后断裂韧性计算后可以得到相关脆性指标，由于岩石断裂韧性代表着材料本身抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能，为此该值越小，裂缝越易扩展。所以采用极小值对断裂韧性进行归一化处理，归一之后的断裂韧性可压性指标计算公式为：
Figure BDA0003304082180000192
同时计算基于岩石断裂韧性参数的断裂韧性可压性指标。下标max、min分别表示选取样品中断裂韧性的最大值和最小值。
对于矿物学可压性指标，采用极大值归一化，归一之后的矿物学可压性计算公式为：
Figure BDA0003304082180000193
式中，下标max、min分别表示选取样品中矿物学可压性指标的最大值和最小值。
计算后的层理页岩可压性指数可获得以下四种范围介于0～1之间的指数。利用综合可压性系数将储层的改造指标等级进行划分，认为综合可压性程度系数在0.33以下为低等可压级别，而可压性指数在0.33～0.66之间则地层属于中等可压级别，如果可压性指数在0.66～1之间，则地层属于高可压级别。
在开展微米压痕力学实验时需要首先通过载荷变换来确定测试每块压痕样品的实际压痕深度，主要考虑过低的压痕深度使得压头下的接触区主要为弹性变形阶段，而未进入塑性变形阶段，较少的位错数量可能会导致最终的测试结果无法真实的反映测试样品的具体力学参数。同样，对于划痕测试样，划痕深度同样不能较浅，否则有可能导致现有的线弹性断裂力学模型在计算划痕断裂韧性时误差过大。
采用微米压痕和微米划痕后的岩石硬度和断裂韧性数据应当采用算术平均值对所有数据进行处理。一般在测试时，压入深度应当高于10μm，一般为表面粗糙度的20倍以上，以便消除表面微裂缝对压痕和划痕结果的影响。
本发明包括的综合层理性页岩储层可压性模型还应包括选取四个因素中三种，如岩石力学参数方面只考虑划痕断裂韧性不考虑压痕硬度和杨氏模量，以及只考虑压痕硬度和杨氏模量不考虑划痕断裂韧性等衍生模型。
以上所述仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，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 (10)

1.一种基于微观力学实验的层理性页岩储层可压性评估方法，其特征在于，包括：(1)收集标准页岩样品，并进行页岩层理式样和页岩基质式样加工；
(2)对页岩层理式样和页岩基质式样分别进行微米压痕实验，得到页岩层理式样和页岩基质式样的硬度参数和杨氏模量参数；
(3)对页岩层理式样和页岩基质式样分别进行微米划痕实验，得到页岩层理式样和页岩基质式样的断裂韧性参数；
(4)通过对钻取层理页岩进行观测，计算得到层理总厚度，实现可压性评估区间层理厚度的计算；
(5)利用XRD衍射实验对页岩层理式样和页岩基质式样进行矿物组分分析，得到页岩矿物组分；
(6)运用页岩组合体等效岩石力学参数重构并进行微观力学参数尺度升级，得到可压性评估区间层理性页岩组合体等效的岩石力学参数；
(7)利用目的层所有页岩组合体等效计算岩石力学参数，并通过组合权重方法得到层理性页岩储层可压性的综合评价指标，对目的层可压性进行评估。
2.如权利要求1所述基于微观力学实验的层理性页岩储层可压性评估方法，其特征在于，步骤1，标准页岩样品心柱加工，对页岩层理式样和页岩基质式样表面进行抛光处理，得到页岩层理式样和页岩基质式样，用于进行微观压痕和划痕力学实验。
3.如权利要求1所述基于微观力学实验的层理性页岩储层可压性评估方法，其特征在于，步骤2，微米压痕力学实验，利用收集的载荷位移曲线计算页岩层理式样和页岩基质式样的硬度和杨氏模量，并通过平均法求取岩石的平均硬度和杨氏模量，同时分别计算页岩层理式样和页岩基质式样的岩石硬度和杨氏模量参数。
4.如权利要求1所述基于微观力学实验的层理性页岩储层可压性评估方法，其特征在于，步骤3，微米划痕实验，利用收集的摩擦曲线计算岩石的断裂韧性，并通过平均法求取岩石的平均断裂韧性，同时分别计算页岩层理式样和页岩基质式样的断裂韧性参数。
5.如权利要求1所述基于微观力学实验的层理性页岩储层可压性评估方法，其特征在于，步骤5，矿物组分分析，对测试完毕后页岩层理式样和页岩基质式样岩石样品进行矿物组分分析，计算得到矿物的质量百分比。
6.如权利要求1所述基于微观力学实验的层理性页岩储层可压性评估方法，其特征在于，步骤4，利用地质统计学法和分形理论方法分析得到不同层位页岩层理的层理厚度。
7.如权利要求6所述基于微观力学实验的层理性页岩储层可压性评估方法，其特征在于，得到岩心的层理厚度后，通过不同尺度实验下的层理厚度分布频率参数，以及运用分形理论方法实现可压裂段整体的层理厚度建模。
8.如权利要求6所述基于微观力学实验的层理性页岩储层可压性评估方法，其特征在于，步骤6，构建所述页岩组合体等效力学参数的计算模型，进行力学参数尺度升级，利用页岩层理式样和页岩基质式样岩石样品获取的力学实验数据计算页岩组合体等效力学参数。
9.如权利要求1所述基于微观力学实验的层理性页岩储层可压性评估方法，其特征在于，步骤7，组合体等效力学参数指标结合上述指标，基于层次分析方法确定选择目标区块影响层理性页岩可压性的评价权重；同时根据现场微地震或者产量对影响可压性参数的权重进行调整，建立层理性页岩可压性评价模型，计算综合可压性评价结果Fn。
10.如权利要求1所述基于微观力学实验的层理性页岩储层可压性评估方法，其特征在于，微米压痕实验和微米划痕实验均为力学实验，测试对象分别为同一块岩石样品上的页岩层理位置和页岩基质位置。
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