CN117054231A - 一种通过油砂针入度试验反演油砂岩石力学参数的方法 - Google Patents

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Abstract

一种通过油砂针入度试验反演油砂岩石力学参数的方法，采用针入度的测试方法评价油砂力学性质，从而建立疏松多孔介质岩石针入度与岩石力学参数的关系，只需要简单地进行针入度实验就可以快速预测岩石力学参数。

Description

一种通过油砂针入度试验反演油砂岩石力学参数的方法
技术领域
本发明属于岩石力学领域，具体涉及一种通过油砂针入度试验反演油砂岩石力学参数的方法。
背景技术
油砂是一种非常规性含原油的砂状矿藏，由砂、沥青、矿物质、黏土和水以相互结合的方式构成，是地壳表层的碎屑物或岩石与其中所含的水和沥青形成的混合物的统称，不同地区的油砂矿的组成不同，其中沥青是主要成分，其含量占1-20％。油砂又称沥青砂、稠油砂、重油砂或焦油砂。
然而，目前对油砂针入度的研究甚少，至今还没有一套较好的关于油砂岩石力学参数与针入度之间的理论关系，并且多数研究都集中在沥青针入度的测定方法，如何采用针入度的测试方法评价油砂力学性质，成为一个难题。因此，急需开发一种油砂针入度的测试方法,从而建立疏松多孔介质岩石针入度与岩石力学参数的关系。
发明内容：
本发明的目的是提供一种通过油砂针入度试验反演油砂岩石力学参数的方法。
本发明采用的技术方案是：
一种通过油砂针入度试验反演油砂岩石力学参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：进行油砂在不同围压和温度下的三轴力学实验，获取岩石力学参数。
步骤二：取下三轴力学实验后的油砂样品，进行油砂针入度实验。
步骤三：建立岩石力学参数与针入度之间的关系
步骤四：取待测油砂样品，只需要简单地进行针入度实验就可以快速预测岩石力学参数。
所述步骤一中，该实验主要采用高温高压三轴岩石力学测试系统，进行三轴压缩力学实验。
所述步骤一中，弹塑性岩石力学参数主要为粘聚力c、内摩擦角φ、弹性模量E、泊松比v、抗压强度σn、体积模量Kf。
所述步骤一中，在试验过程中，施加的围压范围设置为0～10MP，温度范围设置为0～100℃。
所述步骤一中，室内岩石力学三轴实验具体为，采用取芯钻头获取井下岩芯，采用取芯机钻取若干块25mm×50mm(直径×长度)的标准岩芯圆柱；采用三轴压机在不同有效围压、不同温度下进行三轴压缩实验，获得岩石岩心的轴向应变(εa)-轴向应力(σa)曲线、轴向应变(εa)-体积应变(εv)曲线；根据εa-σa曲线计算杨氏模量E，根据εa-εv曲线计算泊松比v；根据E和v计算岩石骨架的体积模量Kfr。
所述步骤一中，利用两组以上不同围压下的三轴应力测试数据可以求取岩样的粘聚力和内摩擦角，计算公式是τ＝c+σtanφ，式中τ为剪应力，c为粘聚力，φ为内摩擦角，σ为正应力。在不同围压下，得到破坏时的最大主应力和最小主应力，做出应力圆，至少在三种不同的围压下，这样可以做出三个应力圆，作三个圆的公切线，τ轴上的截距即为粘聚力，包络线与σ轴的倾斜角即为内摩擦角。
所述步骤一中，取轴向应变(εa)-轴向应力(σa)曲线的线性段AB，求AB斜率得到杨氏模量E，计算方法为E＝[(σa)B-(σa)A]/[(εa)B-(εa)A]，其中(σa)A和(σa)B分别为A点和B点对应的轴向应力；(εa)A和(εa)B分别为A和B点对应的轴向应变。
所述步骤一中，取轴向应变(εa)-体积应变(εv)曲线的CD段，使CD段和AB段轴向应变εa的范围一致，得到泊松比v，计算方法为v＝0.5{1-[(σv)D-(σv)C]/[(εa)D-(εa)C]}。
所述步骤一中，岩石骨架的体积模量Kfr的计算方法为Kfr＝E/[3(1-2v)]。
所述步骤一中，抗压强度σn的计算方法为σn＝(σ1+σ3)/2+[(σ1-σ3)/2]2+τ2/[σ1+σ3/2]1/2，其中σ1和σ3是主应力，τ为主应力之间的剪应力。
所述步骤二中，按实验要求将恒温水槽调节到与三轴力学试验相同的温度。
所述步骤二中，将试样放入盛样皿中，并且试样高度应该超过预计针入度值的10mm以上，盖上盛样皿盖，防止灰尘落入，并贴上样品标识。
所述步骤二中，调整沥青针入度测定仪使之水平。检查底、机架、悬臂、横支架、轨道、螺旋结构、加重砝码，以确认无水和其它外来物，无明显摩擦。用三氯乙烯或其它溶剂清洗标准针，并拭干。将标准针插入螺旋结构，用螺丝固紧。
所述步骤二中，取出达到预定温度的盛样皿，并移入水温控制在试验温度±0.1℃的平底玻璃皿的三脚架上，试验表面以上的水层深度不少于10mm。
所述步骤二中，将针入度仪的读数调整为0，同时将做完三轴力学实验后的盛有油砂样品平底玻璃皿置于针入度仪平台上固定好，调整灯光位置至能清晰看到针尖，慢慢放下针连杆是针尖恰好与试样表面接触。
所述步骤二中，启动针入度仪开始按钮，使标准针自动下落贯入试样，读取刻度盘指针或位移指示器的度数，准确至0.1mm。
所述步骤二中，同一试样平行试验至少三次，单次试验时间控制在10s，并且每次试验应该更换一根标准针。
所述步骤二中，测定针入度大于100的油砂试样时，至少使用三支标准针，每次试验后将针留在试样中，至少三次平行试验完成后，才能将标准针取出。
所述步骤三中，通过进行大量针入度试验数据与第二步中所得到的岩石力学参数测试数据进行相关性分析，找出它们之间的内在联系，并建立相应的经验关系式或相关关系。
所述步骤三中，以针入度值为横坐标，分别以弹性模量E、泊松比v、粘聚力c、内摩擦角φ、抗压强度σn为纵坐标，做出油砂力学参数关于针入度值的散点图，以平滑的曲线连接散点图，采用最小二乘法进行拟合和一元回归模型进行回归分析，进而得到拟合公式，把回归预测值与实测值作比较，从而来判断回归预测的实用性。
所述步骤四中，通过多次测试的针入度值取平均值，然后带入关系式中就可以预测岩石力学参数。
本发明的有益效果是：按照本发明的技术方案进行油砂针入度试验，可快速预测油砂的岩石力学参数，而且节省大量的人力、物力和时间。长期以来，岩石力学参数的测定是通过岩心进行三轴压缩力学实验测得的。虽然这种方法精度高，但这项工作复杂、耗资大，对于石油工程来说，这个问题显得尤为突出。本方法采用针入度的测试方法评价油砂力学性质，从而建立疏松多孔介质岩石针入度与岩石力学参数的关系，只需要简单地进行针入度实验就可以快速预测岩石力学参数。
附图说明
图1为一种通过油砂针入度试验反演油砂岩石力学参数的方法的流程图；
图2为疏松砂岩的强度包络线；
图3为疏松砂岩的轴向应变-轴向应力曲线；
图4为疏松砂岩的轴向应变-体积应变曲线；
图5为疏松砂岩弹性模量-针入度拟合关系图；
图6为疏松砂岩泊松比-针入度拟合关系图；
图7为疏松砂岩粘聚力-针入度拟合关系图；
图8为疏松砂岩内摩擦角-针入度拟合关系图；
图9为疏松砂岩抗压强度-针入度拟合关系图；
图10为疏松砂岩体积模量-针入度拟合关系图。
具体实施方式
以下结合实施例及附图对本发明进一步叙述。
实施例一：
如图1所示，一种通过油砂针入度试验反演油砂岩石力学参数的方法，其特征于，包含以下步骤：
步骤一：进行油砂在不同围压和温度下的三轴力学实验，获取岩石力学参数。
步骤二：取下三轴力学实验后的油砂样品，进行油砂针入度实验。
步骤三：建立岩石力学参数与针入度之间的关系
步骤四：取待测油砂样品，只需要简单地进行针入度实验就可以快速预测岩石力学参数。
所述步骤一中，该实验主要采用高温高压三轴岩石力学测试系统，进行三轴压缩力学实验。
所述步骤一中，弹塑性岩石力学参数主要为粘聚力c、内摩擦角φ、弹性模量E、泊松比v、抗压强度σn、体积模量Kfr。
所述步骤一中，在试验过程中，施加的围压范围设置为0～10MP，温度范围设置为0～100℃。
所述步骤一中，室内岩石力学三轴实验具体为，采用取芯钻头获取井下岩芯，采用取芯机钻取若干块25mm×50mm(直径×长度)的标准岩芯圆柱；采用三轴压机在不同有效围压、不同温度下进行三轴压缩实验，获得岩石岩心的轴向应变(εa)-轴向应力(σa)曲线、轴向应变(εa)-体积应变(εv)曲线；根据εa-σa曲线计算杨氏模量E，根据εa-εv曲线计算泊松比v；根据E和v计算岩石骨架的体积模量Kfr。
所述步骤一中，利用两组以上不同围压下的三轴应力测试数据可以求取岩样的粘聚力和内摩擦角，计算公式是τ＝c+σtanφ，式中τ为剪应力，c为粘聚力，φ为内摩擦角，σ为正应力。如图2所示，在不同围压下，得到破坏时的最大主应力和最小主应力，做出应力圆，至少在三种不同的围压下，这样可以做出三个应力圆，作三个圆的公切线，τ轴上的截距即为粘聚力，包络线与σ轴的倾斜角即为内摩擦角。
所述步骤一中，如图3所示取轴向应变(εa)-轴向应力(σa)曲线的线性段AB，求AB斜率得到杨氏模量E，计算方法为E＝[(σa)B-(σa)A]/[(εa)B-(εa)A]，其中(σa)A和(σa)B分别为A点和B点对应的轴向应力；(εa)A和(εa)B分别为A和B点对应的轴向应变。
所述步骤一中，如图4所示取轴向应变(εa)-体积应变(εv)曲线的CD段，使CD段和AB段轴向应变εa的范围一致，得到泊松比v，计算方法为v＝0.5{1-[(σv)D-(σv)C]/[(εa)D-(εa)C]}。
所述步骤一中，岩石骨架的体积模量Kfr的计算方法为Kfr＝E/[3(1-2v)]。
所述步骤一中，抗压强度σn的计算方法为σn＝(σ1+σ3)/2+[(σ1-σ3)/2]2+τ2/[σ1+σ3/2]1/2，其中σ1和σ3是主应力，τ为主应力之间的剪应力。
所述步骤二中，按实验要求将恒温水槽调节到与三轴力学试验相同的温度。
所述步骤二中，将试样放入盛样皿中，并且试样高度应该超过预计针入度值的10mm以上，盖上盛样皿盖，防止灰尘落入，并贴上样品标识。
所述步骤二中，调整沥青针入度测定仪使之水平。检查底、机架、悬臂、横支架、轨道、螺旋结构、加重砝码，以确认无水和其它外来物，无明显摩擦。用三氯乙烯或其它溶剂清洗标准针，并拭干。将标准针插入螺旋结构，用螺丝固紧。
所述步骤二中，取出达到预定温度的盛样皿，并移入水温控制在试验温度±0.1℃的平底玻璃皿的三脚架上，试验表面以上的水层深度不少于10mm。
所述步骤二中，将针入度仪的读数调整为0，同时将做完三轴力学实验后的盛有油砂样品平底玻璃皿置于针入度仪平台上固定好，调整灯光位置至能清晰看到针尖，慢慢放下针连杆是针尖恰好与试样表面接触。
所述步骤二中，启动针入度仪开始按钮，使标准针自动下落贯入试样，读取刻度盘指针或位移指示器的度数，准确至0.1mm。
所述步骤二中，同一试样平行试验至少三次，单次试验时间控制在10s，并且每次试验应该更换一根标准针。
所述步骤二中，测定针入度大于100的油砂试样时，至少使用三支标准针，每次试验后将针留在试样中，至少三次平行试验完成后，才能将标准针取出。
所述步骤三中，通过进行大量针入度试验数据与第一步中所得到的岩石力学参数测试数据进行相关性分析，找出它们之间的内在联系，并建立相应的经验关系式或相关关系。
所述步骤三中，如图5-图10所示以针入度值为横坐标，分别以弹性模量E、泊松比v、粘聚力c、内摩擦角φ、抗压强度σn为纵坐标，做出油砂力学参数关于针入度值的散点图，以平滑的曲线连接散点图，采用最小二乘法进行拟合和一元回归模型进行回归分析，进而得到拟合公式，把回归预测值与实测值作比较，从而来判断回归预测的实用性。
所述步骤四中，通过多次测试的针入度值取平均值，然后带入关系式中就可以预测岩石力学参数。
本实施例选择疏松砂岩样品，样品岩心尺寸为直径25mm、长度50mm，在三轴条件下进行排水压缩实验。疏松砂岩的强度包络曲线如图2所示，轴向应变-轴向应力曲线如图3所示，轴向应变-体积应变曲线如图4所示。
如图2所示，粘聚力c为30MPa，内摩擦角φ计算方法为φ＝a rctan(40/120)＝18.44°。
如图3所示，得到疏松砂岩的抗压强为10.8MPa。
取轴向应变(εa)-轴向应力(σa)曲线的线性段AB，求AB斜率得到杨氏模量E，计算方法为E＝[(σa)B-(σa)A]/[(εa)B-(εa)A]＝(6.4MPa-3.2MPa)/(1.5％-0.5％)＝320MPa。
取轴向应变εa-体积应变εv曲线的CD段，使CD段和AB段轴向应变εa的范围一致，得到泊松比v，计算方法为v＝0.5{1-[(σv)D-(σv)C]/[(εa)D-(εa)C]}＝0.5×[1-(1.29％-0.49％)/(1.5％-0.5％)]＝0.4。
岩石骨架的体积模量Kfr的计算方法为Kfr＝E/[3(1-2v)]＝320MPa/[3×(1-2×0.4)]＝533MPa。
某一块岩心，测了其岩石力学参数为：杨氏模量为E1、泊松比为v1、粘聚力为c1、内摩擦角为φ1、抗压强度为σn1、体积模量为Kfr1。测了3次针入度，针入度值分别为La、Lb、Lc，取平均是L1，现在获得了一个散点，比如杨氏模量-针入度图版的一个散点。
另一块岩心，测了其岩石力学参数为：杨氏模量为E2、泊松比为v2、粘聚力为c2、内摩擦角为φ2、抗压强度为σn2、体积模量为Kfr2。测了3次针入度，针入度值分别为La、Lb、Lc，取平均是L2，现在获得了第二个散点。
第三块岩心，测了其岩石力学参数为：杨氏模量为E3、泊松比为v3、粘聚力为c3、内摩擦角为φ3、抗压强度为σn3、体积模量为Kfr3。测了3次针入度，针入度值分别为La、Lb、Lc，取平均是L3，现在获得了第三个散点。
第n块岩心，测了其岩石力学参数为：杨氏模量为En、泊松比为vn、粘聚力为cn、内摩擦角为φn、抗压强度为σnn、体积模量为Kfrn。测了3次针入度，针入度值分别为La、Lb、Lc，取平均是Ln，现在获得了第n个散点。
如果有一个同区块的样品，按照上述操作方法，通过对测试该样品的针入度，然后根据上面的拟合曲线，就可以直接获取全套岩石力学参数。
按照本发明的技术方案进行油砂针入度试验，可快速预测油砂的岩石力学参数，而且节省大量的人力、物力和时间。长期以来，岩石力学参数的测定是通过岩心进行三轴压缩力学实验测得的。虽然这种方法精度高，但这项工作复杂、耗资大，对于石油工程来说，这个问题显得尤为突出。本方法采用针入度的测试方法评价油砂力学性质，从而建立疏松多孔介质岩石针入度与岩石力学参数的关系，只需要简单地进行针入度实验就可以快速预测岩石力学参数。

Claims (6)

1.一种通过油砂针入度试验反演油砂岩石力学参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：进行油砂在不同围压和温度下的三轴力学实验，获取岩石力学参数。
步骤二：取下三轴力学实验后的油砂样品，进行油砂针入度实验。
步骤三：建立岩石力学参数与针入度之间的关系
步骤四：取待测油砂样品，只需要简单地进行针入度实验就可以快速预测岩石力学参数。
2.根据权利要求1所述的一种通过油砂针入度试验反演油砂岩石力学参数的方法，其特征在于：
所述步骤一中，室内岩石力学三轴实验具体为，采用取芯钻头获取井下岩芯，采用取芯机钻取若干块25mm×50mm(直径×长度)的标准岩芯圆柱；采用三轴压机在不同有效围压、不同温度下进行三轴压缩实验，获得岩石岩心的轴向应变(εa)-轴向应力(σa)曲线、轴向应变(εa)-体积应变(εv)曲线；根据εa-σa曲线计算杨氏模量E，根据εa-εv曲线计算泊松比v；根据E和v计算岩石骨架的体积模量Kfr；
所述步骤一中，利用两组以上不同围压下的三轴应力测试数据可以求取岩样的粘聚力和内摩擦角，计算公式是τ＝c+σtanφ，式中τ为剪应力，c为粘聚力，φ为内摩擦角，σ为正应力。在不同围压下，得到破坏时的最大主应力和最小主应力，做出应力圆，至少在三种不同的围压下，这样可以做出三个应力圆，作三个圆的公切线，τ轴上的截距即为粘聚力，包络线与σ轴的倾斜角即为内摩擦角；
所述步骤一中，取轴向应变(εa)-轴向应力(σa)曲线的线性段AB，求AB斜率得到杨氏模量E，计算方法为E＝[(σa)B-(σa)A]/[(εa)B-(εa)A]，其中(σa)A和(σa)B分别为A点和B点对应的轴向应力；(εa)A和(εa)B分别为A和B点对应的轴向应变；
所述步骤一中，取轴向应变(εa)-体积应变(εv)曲线的CD段，使CD段和AB段轴向应变εa的范围一致，得到泊松比v，计算方法为v＝0.5{1-[(σv)D-(σv)C]/[(εa)D-(εa)C]}；
所述步骤一中，岩石骨架的体积模量Kfr的计算方法为Kfr＝E/[3(1-2v)]；
所述步骤一中，抗压强度σn的计算方法为σn＝(σ1+σ3)/2+[(σ1-σ3)/2]2+τ2/[σ1+σ3/2]1/2，其中σ1和σ3是主应力，τ为主应力之间的剪应力。
3.根据权利要求2所述的一种通过油砂针入度试验反演油砂岩石力学参数的方法，其特征在于：
所述步骤一中，该实验采用高温高压三轴岩石力学测试系统，进行三轴压缩力学实验；
所述步骤一中，弹塑性岩石力学参数主要为粘聚力c、内摩擦角φ、弹性模量E、泊松比v、抗压强度σn、体积模量Kf；
所述步骤一中，在试验过程中，施加的围压范围设置为0～10MP，温度范围设置为0～100℃。
4.根据权利要求1所述的一种通过油砂针入度试验反演油砂岩石力学参数的方法，其特征在于：
所述步骤二中，调整沥青针入度测定仪使之水平。检查底、机架、悬臂、横支架、轨道、螺旋结构、加重砝码，以确认无水和其它外来物，无明显摩擦；用三氯乙烯或其它溶剂清洗标准针，并拭干。将标准针插入螺旋结构，用螺丝固紧；
所述步骤二中，按实验要求将恒温水槽调节到与三轴力学试验相同的温度；
所述步骤二中，将试样放入盛样皿中，并且试样高度应该超过预计针入度值的10mm以上，盖上盛样皿盖，防止灰尘落入，并贴上样品标识；
所述步骤二中，取出达到预定温度的盛样皿，并移入水温控制在试验温度±0.1℃的平底玻璃皿的三脚架上，试验表面以上的水层深度不少于10mm；
所述步骤二中，将针入度仪的读数调整为0，同时将做完三轴力学实验后的盛有油砂样品平底玻璃皿置于针入度仪平台上固定好，调整灯光位置至能清晰看到针尖，慢慢放下针连杆是针尖恰好与试样表面接触；
所述步骤二中，启动针入度仪开始按钮，使标准针自动下落贯入试样，读取刻度盘指针或位移指示器的度数，准确至0.1mm；
所述步骤二中，同一试样平行试验至少三次，单次试验时间控制在10s，并且每次试验应该更换一根标准针；
所述步骤二中，测定针入度大于100的油砂试样时，至少使用三支标准针，每次试验后将针留在试样中，至少三次平行试验完成后，才能将标准针取出。
5.根据权利要求1所述的一种通过油砂针入度试验反演油砂岩石力学参数的方法，其特征在于：
所述步骤三中，通过进行大量针入度试验数据与第二步中所得到的岩石力学参数测试数据进行相关性分析，找出它们之间的内在联系，并建立相应的经验关系式或相关关系；
所述步骤三中，以针入度值为横坐标，分别以弹性模量E、泊松比v、粘聚力c、内摩擦角φ、抗压强度σn为纵坐标，做出油砂力学参数关于针入度值的散点图，以平滑的曲线连接散点图，采用最小二乘法进行拟合和一元回归模型进行回归分析，进而得到拟合公式，把回归预测值与实测值作比较，从而来判断回归预测的实用性。
6.根据权利要求1所述的一种通过油砂针入度试验反演油砂岩石力学参数的方法，其特征在于：
所述步骤四中，通过多次测试的针入度值取平均值，然后带入关系式中就可以预测岩石力学参数。
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