CN117191830B - 一种岩石低温水化损伤程度测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种岩石低温水化损伤程度测试方法，属于岩石损伤技术领域。测试方法为：对预处理的岩石进行CT测试、纵波波速测试和电导率测试；然后对预处理的岩石进行低温水化损伤处理后进行CT测试、纵波波速测试和电导率测试；获得低温水化损伤前后的岩石的CT损伤系数Da、波速损伤系数Db、电导率损伤系数Dc；通过综合损伤系数D评价岩石低温水化损伤程度；综合损伤系数通过以下公式计算得到：；D≤1.33，为轻度损伤；1.33＜D≤1.67，为中度损伤；D＞1.67，为重度损伤。通过本发明的测试方法，避免了单一检测方式无法对岩石损伤程度进行整体评价的问题，对损伤程度进行综合性更强的评价。
Description
技术领域
本发明涉及岩石损伤技术领域，更具体的涉及一种岩石低温水化损伤程度测试方法。
背景技术
岩石在漫长复杂的成岩过程中及外界各种复合扰动如温度、湿度、高地应力作用下，其内部或多或少会产生孔隙、裂隙、节理弱面、断层等损伤。低温条件下，岩石内部孔隙水变成冰，产生约9%的体积膨胀，在岩石骨架的约束下产生较大的冻胀力，使孔隙受拉发生破坏，对岩石造成损伤；温度上升冰融化产生的液态水在向新生裂隙中迁移，随着冻融循环的进行，损伤不断加剧，导致岩石物理力学性质发生变化。因此，冻融循环作用是引起寒区岩石强度损失的的主要因素。在长期的冻融循环作用影响下，岩体发生结构损伤和强度损失，导致工程岩体稳定性降低。因此，岩石损伤程度测试是尤为重要的。
水力压裂技术广泛地应用在地热能开采、核能铀矿开发、非常规油气开采等领域。水力压裂施工过程中常出现低温（常温）流体通过裂缝流入高温地层的情况。流体与地层之间的温度通常相差几十度到上百度不等，特殊地层温差甚至达到几百度。同时发生的还有蒙脱石水化膨胀等水岩反应，温度差异和水岩反应均会导致岩石损伤。确定岩石损伤机理及损伤程度是水力压裂研究的重要部分。在实验室条件下模拟水力压裂过程中的地层岩石损伤，并对比岩石损伤前后的性质变化，进而对损伤程度进行量化对于能源开发领域具有重要意义。
而现有对于岩石测定都是通过破坏岩石或单一检测方法测试，但是破坏岩石的测试方法难以重复，且难以克服岩石非均质性；单一检测方法难以对岩石损伤程度进行全面描述。例如：基于波速变化定义损伤系数，仅考虑了岩石孔隙结构的变化，难以定量分析岩石因溶蚀等作用导致的质量变化。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种岩石低温水化损伤程度测试方法，避免单一检测方式无法对岩石的损伤程度进行整体评价的问题，对岩心程度给出综合性更强的评价，且采用本发明的测试方法不需要对岩石进行破坏。
本发明的目的是提供一种岩石低温水化损伤程度测试方法，包括以下步骤：
对预处理的岩石进行CT测试、纵波波速测试和电导率测试；然后对预处理的岩石进行低温水化损伤处理得到低温水化损伤处理后的岩石；
对低温水化损伤处理后的岩石进行CT测试、纵波波速测试和电导率测试；
通过低温水化损伤前后的岩石的CT测试获得CT损伤系数Da；通过低温水化损伤前后的岩石的纵波波速测试获得波速损伤系数Db；通过低温水化损伤前后的岩石的电导率测试获得电导率损伤系数Dc；
通过计算岩石的综合损伤系数D来评价岩石低温水化损伤程度；综合损伤系数通过以下公式计算得到：
；
D≤1.33，为轻度损伤；1.33＜D≤1.67，为中度损伤；D＞1.67，为重度损伤。
在一个优选的实施方式中，Da的计算方法为：
其中，表示待测岩石基质材料的密度，g/cm3；/>表示待测岩石无损伤密度，g/cm3；/>表示待测岩石损伤后的CT数；/>表示待测岩石未损伤时的CT数；/>表示待测岩石基质材料的CT数。
在一个优选的实施方式中，采用CT扫描系统进行CT测试；
测试时，功率为28千瓦；扫描电压为140 KV；体素：200μm*200μm；最小扫描层厚：0.625 mm；扫描模式：连续扫描。
在一个优选的实施方式中，Db的计算方法为：
其中，Vp0为损伤前波速，Vp1为损伤后波速。
在一个优选的实施方式中，通过电导率测试低温水化损伤前后的岩石获得Dc；
Dc的计算方法为：
其中，为损伤前电导率；/>为损伤后电导率；/>为损伤系数。
在一个优选的实施方式中，预处理的岩石是测试前对岩石进行离心处理得到。
在一个优选的实施方式中，岩石低温水化损伤处理按照以下步骤进行：
将岩石进行加热，加热温度按照地温梯度公式进行计算：地温梯度=（地表温度-地层温度）/深度；
加热结束后，直接浸入水中模拟低温冲击；在水中浸泡120h模拟岩石水化作用，水化结束后离心、干燥；重复在水中浸泡3-5次，得到低温水化损伤处理后的岩石。
在一个优选的实施方式中，加热时间为24h。
在一个优选的实施方式中，离心速率为4000r/min。
在一个优选的实施方式中，岩石是直径为25±1mm、长度为50±2mm的岩石柱。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
现有技术通过破坏岩石或单一检测方法测试岩石的损伤程度，存在需要对岩石进行破坏或者是单一测试表征不全面的问题，本发明提供一种针对水力压裂施工过程中储层岩石的损伤程度测试方法，综合考虑了岩石孔隙结构、岩石密度、孔隙结构连通性等物理性质，采用提出以综合损伤系数量化表征储层岩石的损伤程度。避免单一测试方法难以满足对岩石损伤程度的整体评价的问题。同时，本发明可以在测试岩石损伤程度的同时不对岩石造成宏观破坏。
附图说明
图1为电导率测试系统图。
图2为本发明损伤程度测试流程图。
图3为对穿直透法波速测试示意图，其中，F为发射换能器；S为接收换能器。
图4为样品测试位置示意图。
图5为实施例2测试样品损伤前的状态图。
图6为实施例2的样品损伤前后CT图，其中，a图为损伤前的CT图，b图为损伤后的CT图。
图7为实施例2的样品损伤前后CT峰值变化图，其中，a图为损伤前的CT峰值变化图，b图为损伤后的CT峰值变化图。
图8为实施例3测试样品损伤前的状态图。
图9为实施例3的样品损伤前后CT图，其中，a图为损伤前的CT图，b图为损伤后的CT图。
图10为实施例3的样品损伤前后CT峰值变化图，其中，a图为损伤前的CT峰值变化图，b图为损伤后的CT峰值变化图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明在对岩石进行低温水化损伤程度时，采用三种测试方法，分别为CT扫描测试、纵波波速测试、电导率测试。
CT扫描的主要功能如下：
(1)实时观测岩心驱替过程中孔隙饱和度变化；
(2)提高采收率与调剖/调驱评估；
(3)岩心裂缝的三维成像描述。
技术指标：
(1)功率：28千瓦；
(2)扫描电压：80，100，120，140 KV；
(3)体素：200μm*200μm；
(4)最小扫描层厚：0.625 mm；
(5)扫描模式：单层扫描，连续扫描，螺旋扫描。
纵波波速测试的主要功能是反映岩块物理性质、裂隙发育情况、岩体完整程度的重要参数。岩块波速测试所采用的方法只有超声波法。一般来说，坚硬、致密、完整的岩块，纵波波速较大；反之，软弱、疏松、破碎的岩块，纵波波速较小。
声波测试系统按照如下步骤进行测试：
(1)打开发射器和示波器电源，将声波换能器抹上耦合剂后对到一起，按下开始采集键，用放大波形扭放大波幅到合适大小、将A光标调到起始波，系统自动记录初始值；
(2)将测试样抹上偶合济后放到两个换能器中间，开始采集，用放大波形扭放大波幅到合适大小，将B光标调到起始波，得到A到B之间的时长，也就是样品一端到另一端的时长；
(3)用样品长度除以声波时长，即可得到样品波速(M/S)；
(4)测试完毕后把样品和换能器偶合济用温布擦拭干净即可。
备注：样品两端尽量水平，光滑。
本发明所涉及的损伤主要是温度以及水岩反应的损伤，通过对比损伤前后纵波波速变化，体现岩石的软化情况。
电导率测试系统如图1所示，主要功能为：
(1)实时监测岩心驱替动态电阻率变化；
(2)岩心导电性质评估。
实施例1
本发明中损伤程度的测试流程如图2所示，具体按照以下步骤进行：
步骤1、以转速4000r/min离心岩心，离心时间不少于30分钟，减少孔隙内流体对测试的影响。
步骤2、测量岩心直径及长度，测量精度不低于0.1mm，多次测量取平均值。岩心并非如钢铁材料一样可以精密地打磨到指定尺寸，对于页岩等含大量天然裂缝、层理弱面的脆性岩石，常因为脆性断裂导致岩心柱尺寸发生细微偏差。且在岩石中含有大量粘土矿物，如岩石含有大量伊利石、蒙脱石则会在与水接触后发生水化膨胀，也会细微地改变岩石尺寸，需进行多次测量以求准确。用于后续电导率的测试。
步骤3、扫描岩心CT峰值，扫描单层厚度不超过0.625mm，扫描电压不低于140KV，扫描电流不低于160mA。
步骤4、测试岩心纵波波速，采用对穿直透法（图3），在圆柱两个底面之间测试纵波波速。测试表面两边均匀涂抹1ml凡士林（厚0.5mm）。
换能器位置：换能器直径50mm，共5个测试位置，如图4所示。1号位置是圆柱的同心圆，2号位置-5号位置在1号位置周围“十”字方向上的相切圆。两侧换能器同步调整位置，保证两换能器连线始终平行岩心轴线。
步骤5、在圆柱两个底面之间测试岩心电导率，测试方法与纵波测试相似。采用对穿直透法测试5个对应位置的电导率。
步骤6、采用恒温箱加热岩石，正式加热前需要将恒温箱调至目标温度提前预热10分钟。之后放入岩心加热24小时，加热过程中保持岩石悬于铁制加热架，以保证受热均匀。根据地温梯度公式计算加热温度，常规地温梯度不高于3℃/100米，6千米深地层正常温度不超过180℃。岩石加热温度最高不超过200℃。
地温梯度=（地表温度-地层温度）/深度
步骤7、加热结束，立即浸没于20℃蒸馏水，充分传热模拟低温冲击。
步骤8、岩心在蒸馏水中持续浸泡，浸泡时长120小时，以模拟岩石水化作用。
步骤9、水化后以转速4000r/min离心岩心，以减少孔隙流体，干燥岩心。
步骤10、重复步骤3-步骤5，测试岩石损伤后CT峰值、纵波波速、电导率。
步骤11、计算岩石损伤系数
步骤11.1、CT峰值测定CT损伤系数Da
岩石受到高温、低温冲击、水化影响造成损伤，根据CT数值定义损伤系数；
对所述CT峰值进行CT数变化分析，获得所述目标岩石的CT损伤系数Da为：
表示所述目标岩石基质材料的密度，g/cm3；/>表示所述目标岩石无损伤密度，g/cm3；/>表示所述目标岩石损伤后的CT数；/>表示所述目标岩石未损伤时的CT数；表示所述目标岩石基质材料的CT数。
步骤11.2、超声波测定波速损伤系数Db
其中，Vp0为测试位置的损伤前波速，Vp1为测试位置的损伤后波速。Dn为测试位置的损伤系数，n指样品的测试位置，n为测试位置1、测试位置2、测试位置3、测试位置4或测试位置5。
步骤11.3、电导率测定电导率损伤系数Dc
上式中：为测试位置的损伤前电导率；/>为测试位置的损伤后电导率；/>为测试位置的损伤系数，m指样品的测试位置，m为测试位置1、测试位置2、测试位置3、测试位置4或测试位置5。
步骤11.4 综合损伤系数
三种损伤系数加权重1/3，加权求和。
岩石低温水化损伤程度评价标准如表1所示。
表1 岩石低温水化损伤程度分级标准
实施例2
按照实施例1的测试步骤，对岩石进行测试，所用测试样品为江苏地区的岩心，记为PK-1，岩心柱的直径为25±1mm、长度为50±2mm，测试样品损伤前照片如图5所示。测试样品以转速4000r/min离心岩心，离心时间为30分钟进行损伤前的CT扫描测试、纵波波速测试和电导率测试。然后对测试样品进行损伤处理和测试。
具体损伤处理和测试步骤如下：
步骤1、岩石的预处理
采用恒温箱加热岩心柱，加热温度为180℃，加热时间为24h，加热结束后，立即浸没于20℃蒸馏水，充分传热模拟低温冲击。
岩心在蒸馏水中持续浸泡，浸泡时长120小时，以模拟岩石水化作用。
水化后以转速4000r/min离心岩心，以减少孔隙流体，干燥岩心。
步骤2、岩石损伤参数的测定
通过CT扫描测试、纵波波速测试和电导率测试对岩石损伤参数进行测定。
CT扫描测试
扫描单层厚度为0.625mm，扫描电压为140KV，扫描电流达到160mA，采用连续扫描的模式实现不间断扫描测试，无需为测试系统充能，在此测试条件下，保证扫描精的同时加快了扫描速度。
测试结果如表2和图6-图7。
实施例3
按照实施例1的测试步骤，对岩石进行测试，所用测试样品为江苏地区的岩心，记为TS-1，岩心柱的直径为25±1mm、长度为50±2mm。测试样品损伤前照片如图8所示。测试样品以转速4000r/min离心岩心，离心时间为30分钟进行损伤前的CT扫描测试、纵波波速测试和电导率测试。然后对测试样品进行损伤处理和测试。
具体损伤处理和测试步骤如下：
步骤1、岩石的预处理
采用恒温箱加热岩心柱，加热温度为180℃，加热时间为24h，加热结束后，立即浸没于20℃蒸馏水，充分传热模拟低温冲击。
岩心在蒸馏水中持续浸泡，浸泡时长120小时，以模拟岩石水化作用。
水化后以转速4000r/min离心岩心，以减少孔隙流体，干燥岩心。
步骤2、岩石损伤参数的测定
通过CT扫描测试、纵波波速测试和电导率测试对岩石损伤参数进行测定。
CT扫描测试
扫描单层厚度为0.625mm，扫描电压为140KV，扫描电流达到160mA，采用连续扫描的模式实现不间断扫描测试，无需为测试系统充能，在此测试条件下，保证扫描精的同时加快了扫描速度。
测试结果见表2和图9-图10。
表2 测试结果
由表2可以看出，PK-1采用CT测试、纵波波速测试、电导率测试的损伤系数分别为1.89%、1.34%和1.61%；TS-1采用CT测试、纵波波速测试、电导率测试的损伤系数分别为0.69%、1.56%和2.82%。由此可见单一方式测试结果存在一定偏差，单一方式测试难以满足对岩石损伤程度的整体评价，而采用本发明的测试方法测定的损伤系数分别为1.613%和1.69%，根据表1所规定的损伤系数与损伤程度的对应关系，测试两块岩石应是偏重的中等损伤，表明本发明可以对岩心损伤程度给出综合性更强的评价。
通过本发明的测试方法可以达到对同一岩石的多次损伤程度测量，例如，可对比同一岩石在不同损伤条件的损伤程度测量。例如对同一岩石依次在50℃、100℃、200℃加热后的损伤程度进行测量。此方法可避免岩石非均质性对测量结果产生影响。
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 (7)
1.一种岩石低温水化损伤程度测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
对预处理的岩石进行CT测试、纵波波速测试和电导率测试；然后对预处理的岩石进行低温水化损伤处理得到低温水化损伤处理后的岩石；
对低温水化损伤处理后的岩石进行CT测试、纵波波速测试和电导率测试；
通过低温水化损伤前后的岩石的CT测试获得CT损伤系数Da；Da的计算方法为：
其中，ρm表示待测岩石基质材料的密度，g/cm3；ρ0表示待测岩石无损伤密度，g/cm3；H1表示待测岩石损伤后的CT数；H2表示待测岩石未损伤时的CT数；Hm表示待测岩石基质材料的CT数；
通过低温水化损伤前后的岩石的纵波波速测试获得波速损伤系数Db；Db的计算方法为：
其中，Vp0为损伤前波速，Vp1为损伤后波速；
通过低温水化损伤前后的岩石的电导率测试获得电导率损伤系数Dc；Dc的计算方法为：
其中，σ为损伤前电导率；σ′为损伤后电导率；Dm为损伤系数；
通过计算岩石的综合损伤系数D来评价岩石低温水化损伤程度；综合损伤系数通过以下公式计算得到：
D≤1.33，为轻度损伤；1.33＜D≤1.67，为中度损伤；D＞1.67，为重度损伤。
2.根据权利要求1所述的岩石低温水化损伤程度测试方法，其特征在于，采用CT扫描系统进行CT测试；
测试时，功率为28千瓦；扫描电压为140KV；体素：200μm*200μm；最小扫描层厚：0.625mm；扫描模式：连续扫描。
3.根据权利要求1所述的岩石低温水化损伤程度测试方法，其特征在于，预处理的岩石是测试前对岩石进行离心处理得到。
4.根据权利要求1所述的岩石低温水化损伤程度测试方法，其特征在于，岩石低温水化损伤处理按照以下步骤进行：
将岩石进行加热，加热温度按照地温梯度公式进行计算：地温梯度＝(地表温度-地层温度)/深度；
加热结束后，直接浸入水中模拟低温冲击；在水中浸泡120h模拟岩石水化作用，水化结束后离心、干燥；重复在水中浸泡3-5次，得到低温水化损伤处理后的岩石。
5.根据权利要求4所述的岩石低温水化损伤程度测试方法，其特征在于，加热时间为24h。
6.根据权利要求4所述的岩石低温水化损伤程度测试方法，其特征在于，离心速率为4000r/min。
7.根据权利要求1所述的岩石低温水化损伤程度测试方法，其特征在于，岩石是直径为25±1mm、长度为50±2mm的岩石柱。
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