CN115184195A - 页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于页岩力学分析技术领域，公开了一种页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法，包括：利用纳米压痕仪测量页岩矿物颗粒的微观力学性质；同时采用Mori‑Tanaka模型的方法进行微观力学参数尺度升级，分析同一视域下页岩定向结构与弹性模量的联系，确定泥页岩颗粒定向排列特征对岩石力学性质影响。本发明分析了泥页岩颗粒定向排列特征对岩石力学性质的影响。采用Mori‑Tanaka模型的方法实现微观力学参数尺度升级，分析同一视域下泥页岩定向结构与弹性模量的联系，结果发现颗粒定向排列结构越好，岩石的弹性模量越低。为页岩结构特征对其力学性质的影响开辟了一条新的途径。
Description
技术领域
本发明属于页岩力学分析技术领域，尤其涉及一种页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法。
背景技术
目前，细观力学和本构模型已经被广泛应用于岩石力学的分析中。应用Voiget近似和Reuss近似方法可以求出平均模量的上限和下限。Hill自洽方法考虑了每个矿物颗粒与岩石基体之间的相互作用，并将每个矿物颗粒等效为嵌在等效生物弹性介质中，但是该方法高估了颗粒之间的相互作用。稀疏解法假定矿物的平均应变近似等于孤立的矿物嵌于无限大基体中的应变，忽略了矿物颗粒之间的相互作用，适用于矿物颗粒体积分数很小的情形。Mori-Tanaka方法相当于在能量方法中计算夹杂平均应变的一种独特的、具有清晰的物理意义的方法。Mori-Tanaka法假定夹杂的均匀应变近似等于孤立的夹杂嵌于无限大基体内时的应变，通过改变远处应变或应力的方法考虑介质的相互作用。泥页岩中非黏土矿物与多孔黏土基质的结构不同，可通过改变远处应变分析不同介质间的响应特征。将夹杂和基质嵌入均匀参考相中，参考相在远处所受到的应变力应视为均匀参考相的平均应变。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术缺乏页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法。
本发明是这样实现的，一种页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法，所述页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法包括：
利用纳米压痕仪测量页岩矿物颗粒的微观力学性质；同时采用Mori-Tanaka模型的方法进行微观力学参数尺度升级，分析同一视域下页岩定向结构与弹性模量的联系，确定泥页岩颗粒定向排列特征对岩石力学性质影响。
进一步，所述页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法包括以下步骤：
步骤一，在垂直岩心层理面方向上取一块页岩样品；采用多尺度多视域的扫描电镜拼接方法获取样品的微观特征，并利用结构定向熵公式计算颗粒定向排列程度；
步骤二，采用点阵式的纳米压痕测量方法精确测定样品中单个矿物颗粒的弹性模量；利用全岩衍射分析实验测定样品的矿物成分；
步骤三，建立局部化关系，应用矿物颗粒的纳米压痕数据，采用Mori-Tanaka模型的方法进行微观力学参数尺度升级；
步骤四，由点的力学性质升级到面，由微米级升级到厘米级，利用数学模型对样品中矿物颗粒的微观力学性质进行尺度升级计算；
步骤五，获取同个FE-SEM视域下泥页岩颗粒定向熵的熵值分析不同颗粒排列结构下力学参数的变化。
进一步，所述步骤一中，采用多尺度多视域的扫描电镜拼接方法获取样品的微观特征包括：
采用多尺度多视域的扫描电镜采用首尾拼接方式横向和竖向分别获取7组样品的图像，共获取样品图像49张。
进一步，所述步骤一中，结构定向熵公式如下：
其中，Edi表示颗粒排列熵，代表颗粒定向分形维数值；Epd表示颗粒粒度熵，代表粒度分形维数值；Ebi示孔隙排列熵，代表孔隙定向分形维数值。
进一步，所述步骤二中，点阵式的纳米压痕测量方法包括：采用10×10的排布方式，设置100个测量点，设置每个压痕点之间的间距为40μm。
进一步，所述步骤三中，建立局部化关系，应用矿物颗粒的纳米压痕数据，采用Mori-Tanaka模型的方法进行微观力学参数尺度升级包括：
基于纳米压痕实验获得的矿物微观力学参数，采用Mori-Tanaka方法进行微观力学参数从微米向厘米尺度升级，由点的力学性质拓展到面的力学性质，结合矿物三组分页岩微观力学模型，确定究颗粒排列结构对力学性质的影响；
所述建立局部化关系，应用矿物颗粒的纳米压痕数据，采用Mori-Tanaka模型的方法进行微观力学参数尺度升级还包括：
1)基于矿物颗粒的微观力学参数将矿物颗粒划分为三类；将泥页岩中的低硬度矿物视为基体相，高硬度矿物和中硬度矿物视为夹杂相；
2)基于Mori-Tanaka模型结合纳米压痕实验参数进行力学参数的尺度升级计算，根据不同矿物的体积分数获得纳米尺度向厘米尺度升级。
进一步，所述基于矿物颗粒的微观力学参数将矿物颗粒划分为三类包括：将黄铁矿划分为高硬度矿物；将石英、长石、白云石、方解石划分为中硬度矿物；将有机质和黏土划分为低硬度矿物。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法的步骤。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法的步骤。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于执行所述页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法的步骤。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
本发明借助纳米压痕实验刻画不同矿物颗粒的微观力学性质。本发明采用Mori-Tanaka模型方法实现微观力学参数尺度升级，确定颗粒定向排列结构对力学性质的影响。
第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
本发明分析了泥页岩颗粒定向排列特征对岩石力学性质的影响。采用Mori-Tanaka模型的方法实现微观力学参数尺度升级，分析同一视域下泥页岩定向结构与弹性模量的联系，结果发现颗粒定向排列结构越好，岩石的弹性模量越低。为页岩结构特征对其力学性质的影响开辟了一条新的途径。
第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：
本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：本发明从微观的角度出发，分析了颗粒的排列情况对其力学性质的影响，其中应用了颗粒结构定向熵数学模型和力学性质尺度升级的计算方法，在方法上和思想上都具有技术创新价值，为地质力学的基础研究提供了一种新的思路。
附图说明
图1是本发明实施例提供的页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响测定方法流程图；
图2是本发明实施例提供的10×10纳米压痕点阵式测量方式示意图；
图3是本发明实施例提供的泥页岩颗粒弹性模量值柱状误差图；
图4是本发明实施例提供的泥页岩物理模型与三相等效模型示意图；
图5是本发明实施例提供的#Kath-21样品等效弹性模量计算示意图；
图6是本发明实施例提供的泥页岩颗粒结构定向熵与弹性模量参数散点图
图7是本发明实施例提供的泥页岩钻井岩心和微观扫描电镜图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
本发明实施例提供的页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法包括：
利用纳米压痕仪测量页岩矿物颗粒的微观力学性质；同时采用Mori-Tanaka模型的方法进行微观力学参数尺度升级，并应用结构定向熵公式计算同视域下页岩颗粒的定向排列程度，分析同个FE-SEM视域下页岩定向结构与弹性模量的联系，确定泥页岩颗粒定向排列特征对岩石力学性质影响。
如图1所示，本发明实施例提供的页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法包括以下步骤：
S101，在垂直岩心层理面方向上取一块页岩样品；采用多尺度多视域的扫描电镜拼接方法获取样品的微观特征，并利用结构定向熵公式计算颗粒定向排列程度；
S102，采用点阵式的纳米压痕测量方法精确测定样品中单个矿物颗粒的弹性模量；利用全岩衍射分析实验测定样品的矿物成分；
S103，建立局部化关系，应用矿物颗粒的纳米压痕数据，采用Mori-Tanaka模型的方法进行微观力学参数尺度升级；
S104，由点的力学性质升级到面，由微米级升级到厘米级，利用数学模型对样品中矿物颗粒的微观力学性质进行尺度升级计算；
S105，获取同个FE-SEM视域下泥页岩颗粒定向熵的熵值分析不同颗粒排列结构下力学参数的变化。
步骤S101中，本发明实施例提供的采用多尺度多视域的扫描电镜拼接方法获取样品的微观特征包括：
采用多尺度多视域的扫描电镜采用首尾拼接方式横向和竖向分别获取7组样品的图像，共获取样品图像49张。
步骤S101中，本发明实施例提供的结构定向熵公式如下：
其中，Edi表示颗粒排列熵，代表颗粒定向分形维数值；Epd表示颗粒粒度熵，代表粒度分形维数值；Ebi示孔隙排列熵，代表孔隙定向分形维数值。
步骤S102中，本发明实施例提供的点阵式的纳米压痕测量方法包括：采用10×10的排布方式，设置100个测量点，设置每个压痕点之间的间距为40μm。
步骤S103中，本发明实施例提供的建立局部化关系，应用矿物颗粒的纳米压痕数据，采用Mori-Tanaka模型的方法进行微观力学参数尺度升级包括：
基于纳米压痕实验获得的矿物微观力学参数，采用Mori-Tanaka方法进行微观力学参数从微米向厘米尺度升级，由点的力学性质拓展到面的力学性质，结合矿物三组分页岩微观力学模型，确定究颗粒排列结构对力学性质的影响.
本发明实施例提供的建立局部化关系，应用矿物颗粒的纳米压痕数据，采用Mori-Tanaka模型的方法进行微观力学参数尺度升级还包括：
1)基于矿物颗粒的微观力学参数将矿物颗粒划分为三类；将泥页岩中的低硬度矿物视为基体相，高硬度矿物和中硬度矿物视为夹杂相；
2)基于Mori-Tanaka模型结合纳米压痕实验参数进行力学参数的尺度升级计算，根据不同矿物的体积分数获得纳米尺度向厘米尺度升级。
本发明实施例提供的基于矿物颗粒的微观力学参数将矿物颗粒划分为三类包括：将黄铁矿划分为高硬度矿物；将石英、长石、白云石、方解石划分为中硬度矿物；将有机质和黏土划分为低硬度矿物。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
选取鄂尔多斯长7段泥页岩为研究对象，借助纳米压痕实验刻画不同矿物颗粒的微观力学性质。采用Mori-Tanaka模型方法实现微观力学参数尺度升级，研究颗粒定向排列结构对力学性质的影响。
1.1纳米压痕实验
泥页岩中细粒岩颗粒的尺寸(<62.5μm)远小于常规的宏观物质，由于量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应等影响，其微观力学性能表现出区别于宏观物质的力学性能。细粒岩颗粒的力学性能测试不能效仿传统的力学测试手段，因此，本发明实施例借助纳米压痕实验在微观上定量测量颗粒的弹性模量等力学性能。
被测岩石的弹性模量E可由以下公式求出：
式中，E和v分别为样品的弹性模量和泊松比，Ei和vi分别为压头的弹性模量和泊松比。对于金刚石材质的压头的弹性模量和泊松比分别为1141GPa和0.07。
1.2矿物颗粒的微观力学性质
应用点阵式的测量方式，测量了不同矿物颗粒的弹性模量。在峰值荷载200mN的条件下测得了矿物颗粒的微观力学性质，实验测试数据显示矿物颗粒微观力学性质与矿物颗粒的种类关系密切，黄铁矿颗粒的弹性模量最大，其次为石英、长石、白云石和方解石等脆性矿物，黏土矿物和有机质的弹性模量最小(图7)，具体值见表1。
表1矿物颗粒的微观力学参数值
1.3基于颗粒微观力学性质尺度升级力学模型
基于Mori-Tanaka模型结合纳米压痕实验参数实现力学参数的尺度升级计算。根据不同矿物的体积分数可获得纳米尺度向厘米尺度升级。但是，有机质和黏土等低硬度矿物中发育孔隙和微裂缝，因此在力学参数计算的过程中必须考虑孔隙和微裂缝的存在对力学参数的影响。
将泥页岩等效为三相介质，介质等效的剪切模量和体积模量计算如下：
式中，r＝0代表高硬度矿物；r＝1代表中硬度矿物；r＝2代表低硬度矿物。高硬度矿物和中硬度矿物的力学参数源于纳米压痕测试的结果，而低硬度矿物中含有大量的孔隙和微裂缝，则需要在纳米压痕实验的结果上对其进行校正，具体见如下公式：
厘米尺度下的等效弹性模量如下：
通过点阵式的纳米压痕测试方式，分别测量了6块岩样的微观岩石力学参数，每个样品测量压痕点100个(10×10)，压痕数值作为尺度升级的数据计算页岩平面的弹性模量。此外，研究还测量了配套的XRD全岩衍射数据，用于获取矿物成分的百分数。6块样品尺度升级岩石力学参数值见表2。
表2尺度升级弹性模量参数值
1.4颗粒结构定向熵与力学性质联系
研究结果显示颗粒排列结构与力学性质呈现一定相关性，
值越小，弹性模量越小(R2＝0.5975)(图5)。即颗粒排列有序性越好(
值越低)，岩石在外界应力下越容易发生形变。当颗粒定向排列程度高时，颗粒间面-面接触概率增加，面与面的接触结构常伴有微裂缝发育，在外界应力的作用下接触面处容易产生滑移现象，因此，两个参数之间具有较好的相关性。
二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用的应用实施例。
将本发明实施例提供的页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法应用于计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法的步骤。
将本发明实施例提供的页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法应用于计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法的步骤。
将本发明实施例提供的页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法应用于信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于执行所述页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法的步骤。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法，其特征在于，所述页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法包括：
利用纳米压痕仪测量页岩矿物颗粒的微观力学性质；同时采用Mori-Tanaka模型的方法进行微观力学参数尺度升级，并应用结构定向熵公式计算同视域下页岩颗粒的定向排列程度，分析同个FE-SEM视域下页岩定向结构与弹性模量的联系，确定泥页岩颗粒定向排列特征对岩石力学性质影响。
2.如权利要求1所述页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法，其特征在于，所述页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法包括以下步骤：
步骤一，在垂直岩心层理面方向上取一块页岩样品；采用多尺度多视域的扫描电镜拼接方法获取样品的微观特征，并利用结构定向熵公式计算颗粒定向排列程度；
步骤二，采用点阵式的纳米压痕测量方法精确测定样品中单个矿物颗粒的弹性模量；利用全岩衍射分析实验测定样品的矿物成分；
步骤三，建立局部化关系，应用矿物颗粒的纳米压痕数据，采用Mori-Tanaka模型的方法进行微观力学参数尺度升级；
步骤四，由点的力学性质升级到面，由微米级升级到厘米级，利用数学模型对样品中矿物颗粒的微观力学性质进行尺度升级计算；
步骤五，获取同个FE-SEM视域下泥页岩颗粒定向熵的熵值分析不同颗粒排列结构下力学参数的变化。
3.如权利要求2所述页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法，其特征在于，所述步骤一中，采用多尺度多视域的扫描电镜拼接方法获取样品的微观特征包括：
采用多尺度多视域的扫描电镜采用首尾拼接方式横向和竖向分别获取7组样品的图像，共获取样品图像49张。
4.如权利要求2所述页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法，其特征在于，所述步骤一中，结构定向熵公式如下：
其中，Edi表示颗粒排列熵，代表颗粒定向分形维数值；Epd表示颗粒粒度熵，代表粒度分形维数值；Ebi示孔隙排列熵，代表孔隙定向分形维数值。
5.如权利要求2所述页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法，其特征在于，所述步骤二中，点阵式的纳米压痕测量方法包括：采用10×10的排布方式，设置100个测量点，设置每个压痕点之间的间距为40μm。
6.如权利要求2所述页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法，其特征在于，所述步骤三中，建立局部化关系，应用矿物颗粒的纳米压痕数据，采用Mori-Tanaka模型的方法进行微观力学参数尺度升级包括：
基于纳米压痕实验获得的矿物微观力学参数，采用Mori-Tanaka方法进行微观力学参数从微米向厘米尺度升级，由点的力学性质拓展到面的力学性质，结合矿物三组分页岩微观力学模型，确定究颗粒排列结构对力学性质的影响；
所述建立局部化关系，应用矿物颗粒的纳米压痕数据，采用Mori-Tanaka模型的方法进行微观力学参数尺度升级还包括：
1)基于矿物颗粒的微观力学参数将矿物颗粒划分为三类；将泥页岩中的低硬度矿物视为基体相，高硬度矿物和中硬度矿物视为夹杂相；
2)基于Mori-Tanaka模型结合纳米压痕实验参数进行力学参数的尺度升级计算，根据不同矿物的体积分数获得纳米尺度向厘米尺度升级。
7.如权利要求6所述页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法，其特征在于，所述基于矿物颗粒的微观力学参数将矿物颗粒划分为三类包括：将黄铁矿划分为高硬度矿物；将石英、长石、白云石、方解石划分为中硬度矿物；将有机质和黏土划分为低硬度矿物。
8.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1-7任意一项所述页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1-7任意一项所述页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法的步骤。
10.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于执行如权利要求1-7任意一项所述页岩颗粒定向排列结构对其微观力学性质影响的测定方法的步骤。
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