[发明专利]一种基于岩屑微观特征的页岩可压裂性评价方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于岩屑微观特征的页岩可压裂性评价方法，属于非常规油气开发的技术领域，尤其针对于页岩气开发领域。

背景技术

随着我国国民经济的持续高速发展，我国成为世界第二大原油进口国，对外依存度已逼近60％。因此，在加大油气新区新领域的勘探开发力度的同时，寻找新型接替能源已经成为保障国家能源安全和国家安全的重要战略举措。为了实现我国能源工业的可持续发展，需加强页岩油气、煤层气和天然气水合物等非常规油气资源的勘探开发和利用。我国主要盆地地区的页岩气资源量约为15万亿～30万亿立方米，经济价值巨大，可开发利用的潜力大。

与常规的油气开采不同，页岩的开发手段主要依靠长水平井大规模水力压裂。页岩的脆性和初始损伤程度对压裂的效果影响显著，也是评价页岩储层力学特性的关键指标，对井壁的稳定性也会产生显著的影响。因此对页岩储层的可压裂性进行科学准确地评价直接关系到页岩油气的开发效果。

现有的页岩可压裂性室内评价技术考虑因素较为简单。常见的方法主要基于岩石矿物组分、岩石力学参数和岩石断裂面特征等。上述方法难以反映页岩的初始损伤复杂、层理极为发育、成分非均质等特性，导致在压裂设计时层位选择盲目，施工过程中井下事故频发、体积压裂效果差等后果。而且，破碎性地层取芯率低，能用于力学实验的全直径岩样少，总实验成本高、代表性差。故急需一种新型的综合评价页岩可压裂性的方法用以指导页岩气压裂开发设 计，该方法简单有效，成本低。

另一方面，相关岩石组分定量分析测试、室内力学测试、激光和电子扫描岩石表面裂缝成像技术发展迅猛，为本方法奠定了实验基础。本方法涉及到相关技术有：X射线衍射技术、纳米压痕技术、扫描电镜测试技术、3D激光扫描技术。

X射线衍射技术经过多年的研究，已经标定了各种矿物的标准图谱，包括石英、钾长石、斜长石、方解石、白云石、黄铁矿等近30种矿物成分。相关X射线图谱分析软件商业化程度高，能快速、准确地分析得到岩石样品的矿物种类及其相对含量。

纳米压痕技术也称深度敏感压痕技术，特别适用于测量微小体积材料力学参数，可在纳米尺度上测量材料的各种力学性质，如载荷-位移曲线、弹性模量等，是现阶段最准确最常用的测试材料力学性质的方法之一。Vikas Kumar，Carl H.Sondergeld和Chandra S.Rai等人曾成功地利用纳米压痕技术测得了页岩的硬度、弹性模量等一系列参数(Kumar V,Sondergeld C H,Rai C S.Nano to macro mechanical characterization of shale[C]//SPE Annual Technical Conference and Exhibition.Society of Petroleum Engineers,2012.)。其工作原理为将一特定形状和尺寸的压头在计算机控制的垂直压力作用下压入试样，通过压头载荷的连续变化，实时监测压深量，可以获得小到纳米级的压深。当压力撤除后，通过测量压痕的断截面面积，人们可以得到被测材料的硬度和其他力学参数。近年来，该技术在岩石材料力学参数测量方面也应用广泛，只需较小的岩样碎片即可测得对应岩样的力学性质。纳米压痕技术与传统井下取芯和野外露头取样进行力学实验相比，具有处理方法简单快捷，且准确度高，代表性强，费用更低等优点。

扫描电镜测试技术在石油工程领域，被大量应用于与岩石微观形貌有关的研究，是一项成熟的微观观察分析技术。通过此技术，研究人员可获得岩石裂缝的具体形态特征。大量研究人员通过实验和理论研究，认为岩石微观裂缝的形态近似符合分形理论相关特征。岩石裂缝的形态、内在的复杂程度、不规则等特性在统计学上均具有自相似性(陆冰洋.岩石类材料损伤演化的分形几何行为特征及其分形机理研究[D].贵州大学,2007.)。自二十世纪七十年代法裔美国数学家曼德尔布罗特(Mandelbrot B B.)创立分形几何学以来(Mandelbrot B B.The fractal geometry of nature[M].Macmillan,1983.)，分形在理论和应用方面都取得了很大的发展。在地层石油裂缝研究领域，分形为石油能源的充分开采提供了新的方法，且应用随机分形描述页岩裂缝形态的发展已经比较成熟。故可引入分形理论对岩石形成裂缝的复杂程度进行科学定量评价。