CN114486501B - 一种基于岩屑纳微米压入实验的岩石强度参数测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于岩屑纳微米压入实验的岩石强度参数测试方法，属于石油勘探开发技术领域。本发明旨在提供一种基于岩屑纳微米压入实验的岩石强度参数测试方法，通过开展岩屑纳米或微米压入实验，获取纳米或微米尺度下压入载荷‑深度曲线，获得岩石的三棱锥玻氏压入硬度、四棱锥立方角压入硬度、内摩擦角和内聚力、单轴强度、抗拉强度，实现对岩石强度参数的预测。本发明通过开展岩石岩屑纳米或微米压入实验，获取纳米或微米尺度下压入载荷‑深度曲线，计算获得岩石的硬度、内摩擦角和内聚力、单轴强度、抗拉强度的关系，实现对岩石强度参数的预测，可为油气钻井、完井和水力压裂提供基础参数依据，可以有效指导钻井、完井和水力压裂设计与施工。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于岩屑纳微米压入实验的岩石强度参数测试方法，属于石油勘探开发技术领域。
背景技术
在石油和天然气勘探开发过程中，储层岩石力学特性是影响油气安全、高效、经济开采的关键因素。勘探开发全过程均要求掌握岩石力学特性及其分布规律：内聚力、内摩擦角、单轴强度、抗拉强度是表征岩石抗压和抗剪强度的重要强度参数指标，也是井壁稳定分析、钻头选型、可压性评价、水力压裂设计等方面的重要基础参数，对于井下复杂事故预防、钻头及工具选型、水力压裂设计具有重要作用。
目前，岩石内聚力、内摩擦角、单轴强度、抗拉强度等强度参数的获取方法很多，石油工业主要采用的方法包括室内实验和测井方法：
(1)室内实验主要采用三轴压缩、直接剪切、单轴压缩、巴西劈裂等实验手段；但室内实验对所用试件的尺寸要求严格，由于岩石层理和裂隙发育，一方面标准岩样制备比较困难、制备成功率也较低，另一方面，岩石强度测试结果容易受裂缝、层理等影响，测试结果离散型强，不同试样的强度差异性较大；此外，室内实验很难独立改变一个预定破坏面上的剪切力和正切力，所获得的数据对于工程实用具有较大的局限性。
(2)测井方法利用声波测井资料对地层岩石各个力学参数进行计算，通过校正获得相应抗剪参数的静态结果。但是对于储层岩石，受矿物组分、构造应力、地层压力及各种微裂缝等方面的影响，对于地层岩石内聚力和内摩擦角的离散度比较高，给测井解释带来了很大的困难；而且以往的测井解释很少考虑到岩石三轴测试中剪切破裂曲线的非线性变换，所得参数很难反映岩石实际的力学特征；此外，过钻头测井技术虽然能够兼顾电缆和传输测井的优势，但国内仍处于研发阶段，尚未推广应用。
因此不难看出，石油工业已经开发了一系列基于均匀连续介质力学的岩石力学特性表征方法，如室内实验和测井方法等；但是，由于岩心获取困难、探测装备水平以及作业风险的限制，岩石内聚力、内摩擦角、单轴强度、抗拉强度等强度参数的获取依然困难，尤其是满足工程需求的岩石力学参数剖面。
发明内容
本发明主要是克服现有技术中的不足之处，本发明旨在提供一种基于岩屑纳微米压入实验的岩石强度参数测试方法，该方法通过开展岩屑纳米或微米压入实验，获取纳米或微米尺度下压入载荷-深度曲线，计算获得岩石的硬度、内摩擦角和内聚力、单轴强度、抗拉强度，实现对岩石强度参数的预测。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种基于岩屑纳微米压入实验的岩石强度参数测试方法，包括以下步骤：
S10、收集钻井液携带返回地面的储层岩屑，并制备用于纳微米压入实验的岩屑样品；
S20、采用三棱锥玻氏压头开展岩屑微米或纳米压入实验，获得玻氏压头压入实验载荷-深度曲线并确定三棱锥玻氏最大压入载荷PmB、三棱锥玻氏最大压入深度hmB，并计算得到三棱锥玻氏压入硬度HB；
S30、采用四棱锥立方角压头开展岩屑微米或纳米压入实验，获得立方角压头压入实验载荷-深度曲线并确定四棱锥立方角最大压入载荷PmC、四棱锥立方角最大压入深度hmC，并计算得到四棱锥立方角压入硬度HC；
S40、计算三棱锥玻氏压入硬度HB和四棱锥立方角压入硬度HC的硬度比值R；
S50、根据硬度比值R计算岩石内摩擦角
S60、根据岩石内摩擦角三棱锥玻氏压入硬度HB和四棱锥立方角压入硬度HC，分别计算三棱锥玻氏压头压入实验曲线对应的岩石内聚力CB和四棱锥立方角压头压入实验曲线对应的岩石内聚力CC；
S70、根据步骤S60计算得到的三棱锥玻氏压头压入实验曲线对应的岩石内聚力CB和四棱锥立方角压头压入实验曲线对应的岩石内聚力CC，计算得到岩石内聚力C；
S80、根据步骤S50和步骤S70计算得到的岩石摩擦角和岩石内聚力C，计算岩石单轴抗压强度σc和抗拉强度St。
进一步的技术方案为，所述步骤S20和步骤S30中岩屑纳米压入实验采用力加载模式，加载速率恒为20mN/min，加载至最大载荷400mN时停止加载并卸载，获取载荷及加载深度的变化曲线。
进一步的技术方案为，所述步骤S20和步骤S30中岩屑微米压入实验采用力加载模式，加载速率恒为15N/min，加载至最大载荷50N时停止加载并卸载，获取载荷及加载深度的变化曲线。
进一步的技术方案为，所述步骤S20中三棱锥玻氏压入硬度HB的计算公式为：
其中，
式中：HB为三棱锥玻氏压入硬度；A(hcB)为压头接触投影面积函数；hcB为接触深度；PmB为最大压入载荷；hmB为压头最大压入深度；εB为三棱锥玻氏压头形状因子，εB＝0.75；S为接触刚度；P为压入载荷；h为压入深度。
进一步的技术方案为，所述步骤S30中四棱锥立方角压入硬度HC的计算公式为：
其中，
式中：HC为四棱锥立方角压入硬度；A(hcC)为压头接触投影面积函数；hcC为接触深度；PmC为最大压入载荷；hmC为压头最大压入深度；εC为四棱锥立方角压头形状因子，ε＝0.72；S为接触刚度；P为压入载荷；h为压入深度。
进一步的技术方案为，所述步骤S40中硬度比值R的计算公式为：
式中：R为三棱锥玻氏压头和四棱锥立方角压头测试获得的硬度比值。
进一步的技术方案为，所述步骤S50中岩石内摩擦角的计算公式为：
式中：为岩石内摩擦角。
进一步的技术方案为，所述步骤S60中三棱锥玻氏压头压入实验曲线对应的岩石内聚力CB和四棱锥立方角压头压入实验曲线对应的岩石内聚力CC的计算公式分别为：
式中：CB为三棱锥玻氏压头压入实验曲线对应的岩石内聚力；CC为四棱锥立方角压头压入实验曲线对应的岩石内聚力；αk为三棱锥玻氏压头压入实验曲线对应的拟合系数；βk为四棱锥立方角压头压入实验曲线对应的拟合系数。
进一步的技术方案为，所述步骤S70中岩石内聚力C的计算公式为：
式中：C为岩石内聚力。
进一步的技术方案为，所述步骤S80中岩石单轴抗压强度σc和抗拉强度St的计算公式分别为：
式中：σc为岩石单轴强度；St为岩石抗拉强度；kt为岩石压拉强度比，取值为8～20。
本发明具有以下有益效果：本发明通过开展岩石岩屑纳米或微米压入实验，获取纳米或微米尺度下压入载荷-深度曲线，计算获得岩石的硬度、内摩擦角和内聚力、单轴强度、抗拉强度的关系，实现对岩石强度参数的预测，可为油气钻井、完井和水力压裂提供基础参数依据，可以有效指导钻井、完井和水力压裂设计与施工。
附图说明
图1为本发明流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的说明。
如图1所示，本发明的一种基于岩屑纳微米压入实验的岩石强度参数测试方法，包括以下步骤：
S10、收集钻井液携带返回地面的储层岩屑，并制备用于纳微米压入实验的岩屑样品；
S20、采用三棱锥玻氏压头开展岩屑微米压入实验或纳米压入实验，获得玻氏压头压入实验载荷-深度曲线并确定三棱锥玻氏最大压入载荷PmB、三棱锥玻氏最大压入深度hmB，再计算三棱锥玻氏压入硬度HB；
所述岩屑纳米压入实验采用力加载模式，加载速率恒为20mN/min，加载至最大载荷400mN时停止加载并卸载，获取载荷及加载深度的变化曲线；
所述岩屑微米压入实验采用力加载模式，加载速率恒为15N/min，加载至最大载荷50N时停止加载并卸载，获取载荷及加载深度的变化曲线；
所述三棱锥玻氏最大压入载荷PmB、三棱锥玻氏最大压入深度hmB，直接从压入实验载荷-深度曲线图读取；
所述三棱锥玻氏压入硬度HB采用如下公式计算：
其中，
式中：HB为三棱锥玻氏压入硬度；A(hcB)为压头接触投影面积函数；hcB为接触深度；PmB为最大压入载荷；hmB为压头最大压入深度；εB为三棱锥玻氏压头形状因子，εB＝0.75；S为接触刚度；
S30、采用四棱锥立方角压头开展岩屑微米或纳米压入实验，获得立方角压头压入实验载荷-深度曲线，并确定四棱锥立方角最大压入载荷PmC、四棱锥立方角最大压入深度hmC，再计算四棱锥立方角压入硬度HC；
所述岩屑纳米压入实验采用力加载模式，加载速率恒为20mN/min，加载至最大载荷400mN时停止加载并卸载，获取载荷及加载深度的变化曲线；
所述岩屑微米压入实验采用力加载模式，加载速率恒为15N/min，加载至最大载荷50N时停止加载并卸载，获取载荷及加载深度的变化曲线；
所述四棱锥立方角最大压入载荷PmC、四棱锥立方角最大压入深度hmC，直接从压入实验载荷-深度曲线图读取；
所述四棱锥立方角压入硬度HC采用如下公式计算：
其中，
式中：HC为四棱锥立方角压入硬度；A(hcC)为压头接触投影面积函数；hcC为接触深度；PmC为最大压入载荷；hmC为压头最大压入深度；εC为四棱锥立方角压头形状因子，ε＝0.72；S为接触刚度；
S40、计算三棱锥玻氏压头和四棱锥立方角压头测试获得的硬度比值R；
式中：R为三棱锥玻氏压头和四棱锥立方角压头测试获得的硬度比值；
所述三棱锥玻氏压头和四棱锥立方角压头测试获得的硬度比值R必须由相同类型的测试结果计算，即必须同时采用纳米压入实验结果，或必须同时采用微米压入实验结果，不得混用纳米和微米压入实验结果；
S50、根据硬度比值R，计算岩石内摩擦角
式中：为岩石内摩擦角；
S60、根据岩石内摩擦角三棱锥玻氏压入硬度HB和四棱锥立方角压入硬度HC，分别计算三棱锥玻氏压头和四棱锥立方角压头压入实验曲线对应的岩石内聚力CB和CC；
式中：CB为三棱锥玻氏压头压入实验曲线对应的岩石内聚力；CC为四棱锥立方角压头压入实验曲线对应的岩石内聚力；αk为三棱锥玻氏压头压入实验曲线对应的拟合系数；βk为四棱锥立方角压头压入实验曲线对应的拟合系数。
所述三棱锥玻氏压头压入实验曲线对应的拟合系数αk取值如表1所示：
表1
| α1 | α2 | α3 | α4 | α5 | α6 |
| 5.7946 | 2.9455 | -2.6309 | 4.2903 | -3.4887 | 2.7336 |
所述四棱锥立方角压头压入实验曲线对应的拟合系数βk取值如表2所示：
表2
| β1 | β2 | β3 | β4 | β5 | β6 |
| 5.9455 | 2.4253 | -2.7578 | 4.0152 | -3.2938 | 2.5369 |
S70、根据S60计算得到的三棱锥玻氏压头和四棱锥立方角压头压入实验曲线对应的岩石内聚力CB和CC，对二者取平均值即为岩石内聚力C；
式中：C为岩石内聚力；
S80、根据S50和S70计算得到的岩石摩擦角和岩石内聚力C，计算岩石单轴抗压强度σc和抗拉强度St；
式中：σc为岩石单轴强度；St为岩石抗拉强度；kt为岩石压拉强度比，对于油气储层岩石，取值8～20。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种基于岩屑纳微米压入实验的岩石强度参数测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、收集钻井液携带返回地面的储层岩屑，并制备用于纳微米压入实验的岩屑样品；
S20、采用三棱锥玻氏压头开展岩屑微米或纳米压入实验，获得玻氏压头压入实验载荷-深度曲线并确定三棱锥玻氏最大压入载荷PmB、三棱锥玻氏最大压入深度hmB，并计算得到三棱锥玻氏压入硬度HB；
S30、采用四棱锥立方角压头开展岩屑微米或纳米压入实验，获得立方角压头压入实验载荷-深度曲线并确定四棱锥立方角最大压入载荷PmC、四棱锥立方角最大压入深度hmC，并计算得到四棱锥立方角压入硬度HC；
S40、计算三棱锥玻氏压入硬度HB和四棱锥立方角压入硬度HC的硬度比值R；
S50、根据硬度比值R计算岩石内摩擦角
S60、根据岩石内摩擦角三棱锥玻氏压入硬度HB和四棱锥立方角压入硬度HC，分别计算三棱锥玻氏压头压入实验曲线对应的岩石内聚力CB和四棱锥立方角压头压入实验曲线对应的岩石内聚力CC；
S70、根据步骤S60计算得到的三棱锥玻氏压头压入实验曲线对应的岩石内聚力CB和四棱锥立方角压头压入实验曲线对应的岩石内聚力CC，计算得到岩石内聚力C；
S80、根据步骤S50和步骤S70计算得到的岩石摩擦角和岩石内聚力C，计算岩石单轴抗压强度σc和抗拉强度St。
2.根据权利要求1所述的一种基于岩屑纳微米压入实验的岩石强度参数测试方法，其特征在于，所述步骤S20和步骤S30中岩屑纳米压入实验采用力加载模式，加载速率恒为20mN/min，加载至最大载荷400mN时停止加载并卸载，获取载荷及加载深度的变化曲线。
3.根据权利要求1所述的一种基于岩屑纳微米压入实验的岩石强度参数测试方法，其特征在于，所述步骤S20和步骤S30中岩屑微米压入实验采用力加载模式，加载速率恒为15N/min，加载至最大载荷50N时停止加载并卸载，获取载荷及加载深度的变化曲线。
4.根据权利要求1所述的一种基于岩屑纳微米压入实验的岩石强度参数测试方法，其特征在于，所述步骤S20中三棱锥玻氏压入硬度HB的计算公式为：
其中，
式中：HB为三棱锥玻氏压入硬度；A(hcB)为压头接触投影面积函数；hcB为接触深度；PmB为最大压入载荷；hmB为压头最大压入深度；εB为三棱锥玻氏压头形状因子，εB＝0.75；S为接触刚度；P为压入载荷；h为压入深度。
5.根据权利要求1所述的一种基于岩屑纳微米压入实验的岩石强度参数测试方法，其特征在于，所述步骤S30中四棱锥立方角压入硬度HC的计算公式为：
其中，
式中：HC为四棱锥立方角压入硬度；A(hcC)为压头接触投影面积函数；hcC为接触深度；PmC为最大压入载荷；hmC为压头最大压入深度；εC为四棱锥立方角压头形状因子，ε＝0.72；S为接触刚度；P为压入载荷；h为压入深度。
6.根据权利要求1所述的一种基于岩屑纳微米压入实验的岩石强度参数测试方法，其特征在于，所述步骤S40中硬度比值R的计算公式为：
式中：R为三棱锥玻氏压头和四棱锥立方角压头测试获得的硬度比值。
7.根据权利要求1所述的一种基于岩屑纳微米压入实验的岩石强度参数测试方法，其特征在于，所述步骤S50中岩石内摩擦角的计算公式为：
式中：为岩石内摩擦角。
8.根据权利要求1所述的一种基于岩屑纳微米压入实验的岩石强度参数测试方法，其特征在于，所述步骤S60中三棱锥玻氏压头压入实验曲线对应的岩石内聚力CB和四棱锥立方角压头压入实验曲线对应的岩石内聚力CC的计算公式分别为：
式中：CB为三棱锥玻氏压头压入实验曲线对应的岩石内聚力；CC为四棱锥立方角压头压入实验曲线对应的岩石内聚力；αk为三棱锥玻氏压头压入实验曲线对应的拟合系数；βk为四棱锥立方角压头压入实验曲线对应的拟合系数。
9.根据权利要求1所述的一种基于岩屑纳微米压入实验的岩石强度参数测试方法，其特征在于，所述步骤S70中岩石内聚力C的计算公式为：
式中：C为岩石内聚力。
10.根据权利要求1所述的一种基于岩屑纳微米压入实验的岩石强度参数测试方法，其特征在于，所述步骤S80中岩石单轴抗压强度σc和抗拉强度St的计算公式分别为：
式中：σc为岩石单轴强度；St为岩石抗拉强度；kt为岩石压拉强度比，取值为8～20。
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2022
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