CN117094176A - 利用层理结构和微观力学性质评价页岩成缝能力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了利用层理结构和微观力学性质评价页岩成缝能力的方法，属于土层或岩石的钻进技术领域。该方法通过对页岩的层理进行直线拟合以及曲线拟合后得到的数据分别计算第一评价值和第二评价值，再通过制作页岩的样品，并对样品进行纳米压痕实验，利用实验数据计算第三评价值，最后根据三个评价值来计算页岩成缝能力评价值，用于评估页岩形成复杂缝网的能力。由于全面考虑了页岩的层理结构以及能量与力学性质等因素，因此根据评估结果选择的压裂地层段具有很好的复杂缝网的形成能力。解决了目前只采用矿物组成或力学性质来评估岩石脆性进而评估页岩成缝能力的方法中，由于未表征含层理页岩的缝网潜在发育能力导致优选压裂地层段不准确的问题。
Description
技术领域
本发明涉及土层或岩石的钻进技术领域，尤其涉及一种利用层理结构和微观力学性质评价页岩成缝能力的方法。
背景技术
页岩油气作为一种重要的非常规能源，可以改善世界的能源供给结构，而储层的结构与力学性质对于页岩油气高效开采至关重要。由于非常规开发方式难以对埋藏深且物性差的致密储集层进行有效开发，因此，利用水力压裂形成复杂缝网提高连通性已成为当今非常规储层商业开发的主要手段，因而有必要对页岩的复杂缝网的成缝能力进行评价，以优选压裂层段来提高页岩油气的采收率。
目前，常用的储层可压裂性评价方法是利用矿物的组成评价岩石脆性，储层岩石脆性越高，储层的可压裂性越强。但是，越来越多的学者指出，页岩化学物理性质不稳定，许多页岩油储层在漫长的地质演化中形成了毫米级纹层，被称为“千层小薄饼”式的结构，此结构对裂缝复杂缝网的发育具有决定性的作用。而由于矿物组成无法反映层理结构，因此利用矿物的组成评价岩石脆性的方法不能完全表征页岩缝网的潜在发育情况。另外，页岩发育的层理结构与泥化使得其取样较为困难，因此，进行传统力学试验的成本高、周期长，难以短时间内完成分析。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了如下技术方案。
本发明提供了一种利用层理结构和微观力学性质评价页岩成缝能力的方法，包括：
现场拍摄页岩层理的图像；
对图像中相同的多条页岩层理分别进行线性拟合和曲线拟合，进行线性拟合时得到与层理对应的满足第一预设条件的拟合直线及该拟合直线的斜率，进行曲线拟合时得到与层理对应的满足第二预设条件的拟合曲线及层理的项数值和幅值；
利用得到的拟合直线的斜率计算第一评价值，采用如下公式：
；
式中，为层理影响系数，且/>，其中/>是无量纲系数，取值10，单位Mpa；/>是页岩样品的平均抗拉强度，查阅资料或通过实验获得；/>为自然底数；/>为识别层理的数量；/>为满足第一预设条件的第j条拟合直线的斜率；
利用得到的层理的项数值和幅值计算第二评价值，采用如下公式：
；
式中，为第j条识别层理的项数，与波状层理的锯齿状特征有关；/>为第j条识别层理的幅值；/>为识别的层理数；/>和/>为无量纲系数，/>取1，/>取20；
制作页岩的样品，并对页岩样品进行纳米压痕实验，根据实验数据计算第三评价值，采用如下公式：
；
式中，为纳米压痕点的数量，具体参与计算的数量依据纳米压痕实验情况而定，最少为1个；/>表示第i个点对应的折算弹性模量；/>为第i个纳米压痕点对应的接触硬度；为第i个纳米压痕点压入过程中的纯弹性能；/>为第i个纳米压痕点压入过程中的总能量；/>为第i个纳米压痕点的裂缝断裂能量；
根据第一评价值、第二评价值和第三评价值计算页岩成缝能力评价值，采用如下公式：
；
式中，为页岩成缝能力评价值，/>的值越小表示页岩样品越容易生成复杂缝。
优选地，所述第一预设条件为：
；
式中，是层理上的点数，/>是拟合直线的第i个点的纵坐标，/>是层理的第i个点的纵坐标，/>为拟合直线的纵坐标的最大值，/>为拟合直线的纵坐标的最小值。
优选地，所述对图像中相同的多条页岩层理分别进行曲线拟合，采用如下公式：
；
式中，为波状层理的数学表达函数；/>为层理的横坐标；/>为识别层理的项数，与波状层理的锯齿状特征有关，/>为正整数；/>为识别层理的幅值；/>为指数，对于页岩波状层理，取值2.5；/>为常数，拟合时在{-1,0,1}中取值；/>为自然底数；/>为层理的截距；/>为整数，计算过程中从[-/>, />] 中依次取值。
优选地，所述第二预设条件为：
；
式中，为曲线拟合效果的判断值；/>为拟合曲线的最大斜率绝对值；为拟合曲线的最小斜率绝对值；/>为层理的最大斜率绝对值；/>为层理的最小斜率绝对值；/>为拟合曲线纵坐标的最大值；/>为拟合曲线纵坐标的最小值；/>为层理纵坐标的最大值；/>为层理纵坐标的最小值。
优选地，所述对页岩样品进行纳米压痕实验，根据实验数据计算第三评价值包括：
对页岩样品进行纳米压痕实验得到实验数据，
根据实验数据计算页岩力学参数；
利用页岩力学参数计算第三评价值。
优选地，所述根据实验数据计算页岩力学参数，采用如下公式：
；
；
；
；
；
；
；
式中，为接触刚度；/>为载荷；/>为压入深度；/>为接触深度；/>为最大深度；为最大载荷；/>为与几何形状相关的参数，/>为常数，取值0.75；/>为接触面积；/>为接触硬度；/>为折算弹性模量；/>为与压头几何形状相关的常数；/>为纯塑性阶段所失去的能量；/>为压入过程中的纯弹性能；/>为残余深度；/>为压入过程中的总能量；/>为裂缝断裂能量。
优选地，所述对样品进行纳米压痕实验包括：
在样品表面选取正方形点阵，对每个点进行纳米压痕实验；实验中，载荷初始以200μN/s的加载速率线性增加，达到最大载荷1000μN后保持2s，此时，压入深度达到最大；之后，压头以200μN/s的速率开始卸载。
优选地，所述对样品进行纳米压痕实验之前还包括：将样品切割成预设尺寸的小块，选定需要抛光的截面，用从粗到细的砂纸对其进行打磨；然后将样品固定在抛光仪上，利用高能氩离子束进行抛光处理，将加载面的粗糙度抛光至微米级。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于胶结弱界面层理结构和微观力学测试手段来全面评估页岩复杂缝成缝能力的方法，该方法全面考虑了页岩的层理结构以及能量与力学性质等因素，通过对页岩的层理进行直线拟合以及曲线拟合后得到的数据分别计算第一评价值和第二评价值，再通过制作页岩的样品，并对样品进行纳米压痕实验，利用实验数据计算第三评价值，最后根据三个评价值来计算页岩成缝能力评价值，用于评估页岩形成复杂缝网的能力，进而根据评估结果优选压裂地层段。解决了目前只采用矿物组成或力学性质来评估岩石脆性进而评估页岩成缝能力的方法中，由于不能表征含层理页岩的缝网潜在发育能力导致的评估不准确问题。
附图说明
图1为本发明所述利用层理结构和微观力学性质评价页岩成缝能力的方法流程示意图；
图2为本发明实施例一的层理图像及实际层理与拟合直线以及拟合曲线的对比示意图；
图3为本发明实施例一的纳米压痕实验数据结果示意图；
图4为本发明实施例二的层理图像及实际层理与拟合直线以及拟合曲线的对比示意图；
图5为本发明实施例二的纳米压痕实验数据结果示意图；
图6为本发明基于实施例一的数据建立的数值模拟模型的裂缝形成情况示意图；
图7为本发明基于实施例二的数据建立的数值模拟模型的裂缝形成情况示意图。
具体实施方式
为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。
本发明中，通过实验室实验和现场压裂开采实践发现，页岩的胶结弱界面层理结构是造成现场压裂困难、以及导流率较高的复杂缝网难以形成的重要原因，因而有必要提出一种充分考虑地层力学性质与复杂层理结构的方案去评估、优选压裂地层段。本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的局限，建立一套新的评价测量体系，充分考虑页岩“千层小薄饼”式层理结构对页岩复杂缝网发育能力造成的影响。
如图1所示，本发明实施例提供了一种利用层理结构和微观力学性质评价页岩成缝能力的方法，包括：
S101，现场拍摄页岩层理的图像；
S102，对图像中相同的多条页岩层理分别进行线性拟合和曲线拟合，进行线性拟合时得到与层理对应的满足第一预设条件的拟合直线及该拟合直线的斜率，进行曲线拟合时得到与层理对应的满足第二预设条件的拟合曲线及层理的项数值和幅值；
S103，利用得到的拟合直线的斜率计算第一评价值，采用如下公式：
；
式中，为层理影响系数，且/>，其中/>是无量纲化系数，取值10，单位Mpa；是页岩样品的平均抗拉强度，查阅资料或通过实验获得；/>为自然底数；/>为识别层理的数量；/>为满足第一预设条件的第j条拟合直线的斜率；
S104，利用得到的层理的项数值和幅值计算第二评价值，采用如下公式：
；
式中，为第j条识别层理的项数，与波状层理的锯齿状特征有关；/>为第j条识别层理的幅值；/>为识别的层理数；/>和/>为无量纲系数，/>取1，/>取20；
S105，制作页岩样品，并对页岩样品进行纳米压痕实验，根据实验数据计算第三评价值，采用如下公式：
；
式中， 为纳米压痕点的数量，具体参与计算的数量依据纳米压痕实验情况而定，最少为1个；/>表示第i个点对应的折算弹性模量；/>为第i个纳米压痕点对应的接触硬度；为第i个纳米压痕点压入过程中的纯弹性能；/>为第i个纳米压痕点压入过程中的总能量；/>为第i个纳米压痕点的裂缝断裂能量；
S106，根据第一评价值、第二评价值和第三评价值计算页岩成缝能力评价值，采用如下公式：
；
式中，为页岩成缝能力评价值，/>的值越小表示页岩样品越容易生成复杂缝。
其中，在对页岩层理进行线性拟合以及曲线拟合之前，首先建立坐标系。选取压裂预制裂缝方向的法向为x轴方向，压裂液注入方向的反向为y轴正向，使用右手系，x轴正向与层理的夹角为θ。提取层理上多个点的位置坐标信息。利用这些点对层理进行拟合。对于每条层理，都对应得到满足第一预设条件的拟合直线以及满足第二预设条件的拟合曲线。
其中，在进行线性拟合时，第一预设条件为：
；
式中，是层理上的点数，/>是拟合直线的第i个点的纵坐标，/>是层理的第i个点的纵坐标，/>为拟合直线的纵坐标的最大值，/>为拟合直线的纵坐标的最小值。
将满足上述第一预设条件的直线作为最终的拟合直线，进而得到该拟合直线的斜率和截距。并将斜率用于计算第一评价值，计算公式为：
；
即在得到了满足第一预设条件的第j条拟合直线的斜率后，即可根据上述公式计算得到第一评价值/>。
本发明实施例中，对图像中的页岩层理进行曲线拟合时，按照如下公式进行曲线拟合：
；
式中，为波状层理的数学表达函数；/>为层理的横坐标；/>为识别层理的项数，与波状层理的锯齿状特征有关，/>为正整数；/>为识别层理的幅值；/>为指数，对于页岩波状层理，取值2.5；/>为常数，拟合时在{-1,0,1}中取值；/>为自然底数；/>为层理的截距；/>为整数，计算过程中从[-/>, />] 中依次取值。
另外，所述第二预设条件为：
；
式中，为曲线拟合效果的判断值；/>为拟合曲线的最大斜率绝对值；为拟合曲线的最小斜率绝对值；/>为层理的最大斜率绝对值；/>为层理的最小斜率绝对值；/>为拟合曲线纵坐标的最大值；/>为拟合曲线纵坐标的最小值；/>为层理纵坐标的最大值；/>为层理纵坐标的最小值。
根据第二预设条件，计算得到拟合曲线中的参数第j条识别层理的项数的值以及第j条识别层理的幅值/>的值。并根据得到的两个参数值利用如下公式计算第二评价值/>：
。
以上步骤中，根据页岩的层理得到了第一评价值和第二评价值/>。
本发明中，在进行页岩成缝能力评价中，除了考虑层理结构外，还考虑了微观力学性质。主要是通过对页岩样品进行纳米压痕实验，根据实验数据计算微观力学参数，然后计算第三评价值。具体的，首先对页岩样品进行纳米压痕实验得到实验数据，然后根据实验数据计算页岩力学参数；最后利用页岩力学参数计算第三评价值/>。
其中，所述根据实验数据计算页岩力学参数，采用如下公式：
；
；
；
；
；
；
；
式中，为接触刚度；/>为载荷；/>为压入深度；/>为接触深度；/>为最大深度；为最大载荷；/>为与几何形状相关的参数，/>为常数，取值0.75；/>为接触面积；/>为接触硬度；/>为折算弹性模量；/>为与压头几何形状相关的常数；/>为纯塑性阶段所失去的能量；/>为压入过程中的纯弹性能；/>为残余深度；/>为压入过程中的总能量；/>为裂缝断裂能量。
本发明中，所述对样品进行纳米压痕实验包括：在样品表面选取正方形点阵，对每个点进行纳米压痕实验；实验中，载荷初始以200μN/s的加载速率线性增加，达到最大载荷1000μN后保持2s，此时，压入深度达到最大；之后，压头以200μN/s的速率开始卸载。
在本发明的一个优选实施例中，所述对样品进行纳米压痕实验之前还包括：将样品切割成预设尺寸的小块，选定需要抛光的截面，用从粗到细的砂纸对其进行打磨；然后将样品固定在抛光仪上，利用高能氩离子束进行抛光处理，将加载面的粗糙度抛光至微米级。
得到页岩力学参数之后，可以利用如下公式计算第三评价值：
；
最后根据第一评价值、第二评价值和第三评价值计算页岩成缝能力评价值，具体可以采用如下公式：
；
式中，为页岩成缝能力评价值，/>的值越小表示页岩样品越容易生成复杂缝。
实施例一
现场拍摄页岩层理的图像（如图2所示），获取一条层理（如图2中的虚线）的具体形状数据，对该层理进行线性拟合得到拟合直线（如图2中的点划线），进而得到该拟合直线的斜率为0.087，这里选取的为7 Mpa，计算得层理影响系数ξ为0.7，最后计算得到第一评价值α为1.889；对该层理进行曲线拟合，得到f=2.78%<3%符合要求的拟合曲线（如图2中的实线），进而得到对应的A为0.3，N为10，计算得到第二评价值β为2.079；根据纳米压痕实验结果（如图3所示），计算相关力学参数得到Ut/Uc=3.19，参与计算的纳米压痕点数为1个，计算得到第三评价值γ=10.51。最后计算得到BF值为11.567。
实施例二
现场拍摄页岩层理的图像（如图4所示），获取一条层理（如图4中的虚线）的具体形状数据，对该层理进行线性拟合得到拟合直线（如图4中的点划线），进而得到该拟合直线的斜率为0，这里选取的为6.9 Mpa，计算得层理影响系数ξ为0.69，最后计算得到第一评价值α为1.994；对该层理进行曲线拟合，得到f=2.566%<3%符合要求的拟合曲线（如图4中的实线），进而得到对应的A为0.1，N为8，计算得到第二评价值β为1.61；根据纳米压痕实验结果（如图5所示），计算相关力学参数得到Ut/Uc=2.128，参与计算的纳米压痕点数为1个，计算得到第三评价值γ=5.68。最后计算得到BF值为4.586。
可见，实施例一的BF值大于实施例二的BF值，因而可得出结论：实施例一中的样品更难生成复杂缝，其样品的复杂缝网发育能力较低，更易形成贯穿缝。为了验证该结果，本发明中，进一步地，根据实施例一和实施例二的层理结构以及通过纳米压痕实验测得的力学参数建立了与样品特征相符合的数值模拟模型。其中，数值模拟模型采用断裂相场法建立，断裂相场法在预测裂纹发育方面十分准确有效，使用的模型为行业内常用的模型。在数值模拟模型中采用三点弯模型来探究层理岩石的断裂性质，加载方式采用位移加载模式，加载速率为0.0001mm/s，样品大小采用80mm×40mm，杨氏模量为30GPa，泊松比为0.3，断裂能为30N/m，下侧接触点分别在距离中线30mm处，加载点在样品上侧中间位置。最终在数值模拟模型上得到的岩石断裂实验结果如图6、7所示，基于实施例一的数据建立的模型裂缝（如图6所示）比基于实施例二的数据建立的模型裂缝（如图7所示）要更易形成贯穿缝，几乎没有分支裂缝发育，证明实施例一中建立的页岩的复杂缝网的发育能力低；而基于实施例二建立的页岩断裂模型分支裂缝发育明显，证明其复杂缝网的发育能力强。以上结果与本发明的结论一致，验证了本发明提供的方法在评价页岩成缝能力中的有效性，可用于优选成缝能力好的地层段。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种利用层理结构和微观力学性质评价页岩成缝能力的方法，其特征在于，包括：
现场拍摄页岩层理的图像；
对图像中相同的多条页岩层理分别进行线性拟合和曲线拟合，进行线性拟合时得到与层理对应的满足第一预设条件的拟合直线及该拟合直线的斜率，进行曲线拟合时得到与层理对应的满足第二预设条件的拟合曲线及层理的项数值和幅值；
利用得到的拟合直线的斜率计算第一评价值，采用如下公式：
；
式中，为层理影响系数，且/>，其中/>是无量纲系数，取值10，单位Mpa；/>是页岩样品的平均抗拉强度，查阅资料或通过实验获得；/>为自然底数；/>为识别层理的数量；/>为满足第一预设条件的第j条拟合直线的斜率；
利用得到的层理的项数值和幅值计算第二评价值，采用如下公式：
；
式中，为第j条识别层理的项数，与波状层理的锯齿状特征有关；/>为第j条识别层理的幅值；/>为识别层理的数量；/>和/>为无量纲系数，/>取1，/>取20；
制作页岩样品，并对页岩样品进行纳米压痕实验，根据实验数据计算第三评价值，采用如下公式：
；
式中，为纳米压痕点的数量，具体参与计算的数量依据纳米压痕实验情况而定，最少为1个；/>表示第i个点对应的折算弹性模量；/>为第i个纳米压痕点对应的接触硬度；/>为第i个纳米压痕点压入过程中的纯弹性能；/>为第i个纳米压痕点压入过程中的总能量；为第i个纳米压痕点的裂缝断裂能量；
根据第一评价值、第二评价值和第三评价值计算页岩成缝能力评价值，采用如下公式：
；
式中，为页岩成缝能力评价值，/>的值越小表示页岩样品越容易生成复杂缝。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一预设条件为：
；
式中，是层理上的点数，/>是拟合直线的第i个点的纵坐标，/>是层理的第i个点的纵坐标，/>为拟合直线的纵坐标的最大值，/>为拟合直线的纵坐标的最小值。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对图像中相同的多条页岩层理分别进行曲线拟合，采用如下公式：
；
式中，为波状层理的数学表达函数；/>为层理的横坐标；/>为识别层理的项数，与波状层理的锯齿状特征有关，/>为正整数；/>为识别层理的幅值；/>为指数，对于页岩波状层理，取值2.5；/>为常数，拟合时在{-1,0,1}中取值；/>为自然底数；/>为层理的截距；/>为整数，计算过程中从[-/>, />] 中依次取值。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二预设条件为：
；
式中，为曲线拟合效果的判断值，/>为拟合曲线的最大斜率绝对值；/>为拟合曲线的最小斜率绝对值；/>为层理的最大斜率绝对值；/>为层理的最小斜率绝对值；/>为拟合曲线纵坐标的最大值；/>为拟合曲线纵坐标的最小值；/>为层理纵坐标的最大值；/>为层理纵坐标的最小值。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对页岩样品进行纳米压痕实验，根据实验数据计算第三评价值包括：
对页岩样品进行纳米压痕实验得到实验数据，
根据实验数据计算页岩力学参数；
利用页岩力学参数计算第三评价值。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据实验数据计算页岩力学参数，采用如下公式：
；
；
；
；
；
；
；
式中，为接触刚度；/>为载荷；/>为压入深度；/>为接触深度；/>为最大深度；/>为最大载荷；/>为与几何形状相关的参数，/>为常数，取值0.75；/>为接触面积；/>为接触硬度；为折算弹性模量；/>为与压头几何形状相关的常数；/>为纯塑性阶段所失去的能量；/>为压入过程中的纯弹性能；/>为残余深度；/>为压入过程中的总能量；/>为裂缝断裂能量。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述对样品进行纳米压痕实验包括：
在样品表面选取正方形点阵，对每个点进行纳米压痕实验；实验中，载荷初始以200μN/s的加载速率线性增加，达到最大载荷1000μN后保持2s，此时，压入深度达到最大；之后，压头以200μN/s的速率开始卸载。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述对样品进行纳米压痕实验之前还包括：将样品切割成预设尺寸的小块，选定需要抛光的截面，用从粗到细的砂纸对其进行打磨；然后将样品固定在抛光仪上，利用高能氩离子束进行抛光处理，将加载面的粗糙度抛光至微米级。
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2023
- 2023-10-16 CN CN202311335311.9A patent/CN117094176B/zh active Active
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