[发明专利]基于岩石应力‑应变曲线和超声波纵波速度的页岩脆性指数测定方法

说明书

技术领域

本发明涉及岩石力学测量技术领域，具体涉及测定岩石脆性指数的方法。

背景技术

我国页岩气资源储量丰富、开发潜力大，但是页岩岩石的力学性能和常规砂岩有巨大区别，页岩的脆性是页岩的力学性能的反映，目前，页岩脆性的表征方法有多种，部分脆性计算公式基于现场结果的统计，部分计算公式只是研究了单轴条件下的脆性，与现场的脆性有很大的区别。因此，建立科学的页岩气储层脆性实验方法和计算公式，对于页岩钻井和压裂评估具有重要意义。

脆性是页岩可钻性和可压裂性的综合体现，是页岩本身的一种固有本质，但是页岩的脆性与内部结构和外部条件有关，不像杨氏模量和泊松比等参数为单一的力学参数，页岩的脆性是页岩在加载条件作用下，评价页岩微裂隙延伸至失稳时过程中的行为能力。

页岩的脆性测试是储层力学评价、遴选射孔改造层段和设计压裂规模的重要基础。针对脆性岩石的脆性指数评价方法有20多种，其计算公式主要基于岩石强度(抗压和抗拉)、硬度、弹性模量、能量、泊松比和矿物组分进行计算。完全针对页岩的脆性指数方法少于10中，通过现有的页岩脆性指数方法分析，可以发现：

(1)注重结果参数对脆性的影响。目前许多的计算公式单纯利用页岩的阀值结果进行脆性计算，例如利用强度进行脆性指数的计算公式中，只需要考虑单轴压缩实验的抗压强度和巴西劈裂实验的抗张强度值。

(2)部分计算公式为统计结果。有些页岩脆性计算的公式只是利用现场压裂结果和页岩参数的统计，例如利用矿物组分进行页岩脆性计算公式，主要利用岩石的脆性矿物进行计算，忽略了成岩环境、构造等对页岩脆性的影响。

(3)忽略了储层条件对脆性的影响。目前大部分基于强度的脆性指数计算公式都是不考虑储层实际压力条件的计算，实际页岩在储层深度条件下的脆性与实际计算的脆性差别较大。

发明内容

本发明提供一种基于岩石应力-应变曲线和超声波纵波速度的页岩脆性指数测定方法，该方法基于页岩三轴压缩应力-应变全曲线的形状和超声波纵波速度变化的分析，可以方便的计算页岩储层条件下的脆性指数。

岩石微裂纹开裂和宏观开裂是岩石脆性的表观形象，也是轴向应力和围压做功的过程，本发明提出的方法是利用三轴压缩实验和超声波纵波测试，确定页岩发生损伤的时间点，根据应力-应变曲线形状和纵波速度变化曲线，将应力-应变全曲线划分为4个阶段，分别计算相应阶段的轴向应力所做的单位体积功和克服围压所做的单位体积功，从而计算页岩每个阶段试件吸收的单位体积能量，利用破坏前弹性阶段吸收的单位体积能量和全曲线单位体积能量的比值计算页岩的脆性指数，该方法能够计算不同储层条件下的页岩的脆性指数。

本发明具体包括步以下骤

1、根据室内实验或者测井曲线获得实验岩心层位的地应力大小，三轴压缩测试的围压等于待测试件所处地层的水平最小主应力的大小；

2、对待测岩样进行三轴压缩实验，利用轴向位移传感器和径向位移传感器测量待测试件实验过程中的应变，获得应力-应变全曲线；

3、三轴压缩测试的同时，轴向应力每隔2.0MPa时，利用试件上压头内部安装的超声波纵波发射器适时发射纵波信号，利用下压头内部纵波接收器进行接收，确定纵波在待测页岩轴向的传播时间，确定页岩轴向的超声波速度随轴向应力和时间的变化曲线；

4、根据超声波纵波速度随时间的变化曲线，确定页岩压缩过程中，岩石发生微裂隙开始发生损伤破坏的时间点；

5、根据纵波速度变化确定的时间点和应力-应变全曲线的形状，将应力-应变全曲线分为压实、弹性、初始破坏至失稳前、失稳后至残余强度等4个阶段；

6、利用应力-应变全曲线和单位体积功的计算公式，分别计算4个阶段待测试件的轴向应力所做的单位体积功和试件克服围压所做的单位体积功(能量)，每个阶段向应力所做的单位体积功减去试件克服围压所做的单位体积功等于页岩该阶段吸收的单位体积能量；

7、计算页岩的脆性指数。每个阶段页岩吸收的单位体积能量等于轴向应力的单位体积能力减去克服围压做功的单位体积能量，三轴压缩条件下的页岩的脆性指数等于弹性阶段页岩吸收的单位体积能量与全阶段页岩吸收的单位体积能量的比值。

本发明是一种综合评价方法，该方法既考虑到了破坏对波速的影响，也考虑到了压缩过程各个阶段的变化对页岩脆性指数的影响，是一种考虑页岩各个阶段力学性能的综合计算方法，提高了岩石脆性评价的准确性和合理性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。