[发明专利]一种基于CT扫描的页岩水化损伤测试方法

说明书

本发明公开一种基于CT扫描的页岩水化损伤测试方法，包括以下步骤：制备目标页岩区标准岩样，并测得岩样的应力‑应变曲线；对岩样进行CT扫描，然后计算岩样的初始损伤变量D₀；对岩样进行模拟水化实验，并在至少三个水化阶段对浸泡后的岩样进行CT扫描；根据上述不同水化阶段页岩的损伤变量D(t)，采用非线性拟合方法得到了页岩水化损伤演化方程；建立页岩水化损伤后的本构方程，计算得到页岩在任意水化损伤时间情况下的全应力‑应变曲线。本发明定量提取页岩水化过程中的细观损伤特性，并建立损伤变量与水化时间的关系，进一步建立水化损伤页岩的本构模型，并得到页岩在任意水化损伤时间情况下的全应力‑应变曲线。

技术领域

本发明涉及一种基于CT扫描的页岩水化损伤测试方法，属于非常规油气勘 探与开发技术领域。

背景技术

页岩气是一种以游离或吸附状态存在于页岩层或泥岩层中的非常规天然 气，存在于几乎所有的盆地中，由于埋藏深度、含气饱和度等差异较大，分别 具有不同的工业价值。页岩气高效开发的关键技术主要是水平井钻井技术和分 段压裂改造技术。井壁失稳问题是钻井工程中经常遇到的复杂问题之一，在硬 脆性页岩地层钻水平井使井壁失稳问题更加突出，容易导致卡钻、埋钻等井下 复杂事故，严重时甚至导致井眼报废，造成巨大的经济损失。

考虑泥页岩水化的井壁稳定相关研究，主要经历了纯力学研究→钻井液化 学研究→力学-化学(M-C)耦合研究→热-水-力-化学(T-H-M-C)多场耦合研 究等几个阶段。井壁稳定通常需要具备3个要素：合理的钻井液密度、足够的 钻井液抑制性和足够的钻井液封堵能力。这3个要素的合理范围难以确定，其 主要原因在于缺乏准确测量和评价钻井液性能的方法，无法建立坍塌压力与 M-C耦合间的定量关系。因此，泥页岩井壁稳定研究难点仍集中于M-C耦合， 页岩水化问题是关键。过去几十年已有大量针对井壁稳定M-C耦合的研究，研 究重点是定量描述化学作用引起的力学效应的理论方法，目前能够用于定量计 算的理论方法有两种：热弹性比拟法和水分子自由能热动力学理论法。但这两 种方法仍然不能有效解决M-C耦合问题，因为建立定量描述方法的基础是先进 的实验评价方法，而尽管国内外已有多种评价M-C耦合的实验方法，但并不能 完全满足需求，且对硬脆性页岩地层M-C耦合井壁稳定的研究还比较少。

岩土损伤力学基本原理为依据，深部地层中页岩的破坏也是一种累积损伤 过程，通过岩石三轴实验可以对其进行评价，但并不能有效评价页岩损伤的细 观过程，宏观与细观研究相结合的方法已成为岩石力学研究的重要手段。马天 寿和陈平(2014)提出了一种基于CT扫描技术的页岩水化细观损伤特性定量评 价方法【马天寿，陈平.基于CT扫描技术研究页岩水化细观损伤特性[J].石油 勘探与开发，2014，41(2):227-233.】，他们通过开展不同水化阶段页岩样品上、 中、下3个断面的CT扫描实验，分析了页岩水化细观损伤特性。但是，该方法 仅仅以三个断面的CT图像为依据，对不同水化阶段CT断面图像扫描精度要求极高，如果所对比的三个断面并不在同一位置，将对测试结果产生巨大影响， 非常不利于实际操作。此外，他们采用了空隙面积为基准的损伤变量，而且仅 仅得到了不同水化阶段的损伤变量值，并未将宏观与细观研究结合起来，无法 测试得到不同水化阶段页岩的损伤应力-应变曲线。

发明内容

本发明主要是克服现有技术中的不足之处，提出一种基于CT扫描的页岩水 化损伤测试方法，以提升预测结果的准确性。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种基于CT扫描的页岩水 化损伤测试方法，包括以下步骤：

步骤S10、制备目标页岩区标准岩样，并测得岩样的应力-应变曲线；

步骤S20、对岩样进行CT扫描，利用CT扫描机自带的图像自动获取及处 理软件进行三维CT图像重构、滤波和二值化处理，并定理提取出岩样中空隙体 积以及岩样总体积，然后通过下式计算岩样的初始损伤变量D₀；