[发明专利]基于能量演化的页岩脆性指数评价方法

说明书

基于能量演化的页岩脆性指数评价方法，包括：步骤1：制作圆柱体页岩岩样；步骤2：将岩样安装在岩石三轴试验系统中，设定围压，对岩样开展单轴、三轴试验；步骤3：根据岩样的单轴、三轴压缩试验数据，绘制相应的应力应变曲线；步骤4：重复步骤2～3，绘制不同围压下的单轴、三轴应力应变曲线；步骤5：基于应力应变曲线，分析页岩的能量演化过程，计算各部分能量；步骤6：基于峰前能量演化计算峰前脆性指数；步骤7：基于峰后能量演化计算峰后脆性指数；步骤8：对峰前脆性指数和峰后脆性指数采用乘法合成方法，得出页岩脆性评价指数。本发明能有效地描述页岩峰值前后力学特性的变化规律，为岩石脆性的定量评价提供了一条新思路。

技术领域

本发明属于岩体力学和非常规油气勘探开发领域，涉及一种基于能量演化的页岩脆性指数评价方法。

背景技术

岩石的脆性是指岩石在荷载作用下发生较小的塑性变形就破坏，同时承载能力迅速丧失的性质。作为岩石一项重要的力学特性，脆性评价在许多工程领域具有广泛的应用价值。例如，深部岩体工程中，尤其对于硬脆性围岩，围岩的脆性程度与岩爆发生的可能性及岩爆烈度评估密切相关；页岩气开采中，页岩的脆性是评价井壁的稳定性及储层压裂改造效果的关键指标。因此，合理而准确地评价岩石的脆性，对深部地下工程安全建设及资源高效开采具有重要的指导意义。

目前，国内外评价岩石脆性的指标已有40多种。归纳起来，常用的脆性指标可分为以下5类：①基于硬度与断裂韧性的脆性指标；②基于矿物成分的脆性指标；③基于强度特征的脆性指标；④基于应力-应变曲线的脆性指标；⑤基于应变能的脆性指标。以上这些指标是根据不同的研究目的而提出的，在某些特定条件下具有较好的适用性，同时也存在一定的局限性，有些忽略了加载条件、成岩作用等外部因素对岩石脆性的影响，有些不能反映复杂应力状态下岩石的脆性程度，有些只考虑了峰值前或峰值后的力学特性对岩石脆性程度的影响。忽视了这些条件，所得出的脆性指数就不能完全反应不同岩石类型的脆性特征，不能反映岩石的脆性随围压变化的敏感性，用这些指数评价岩石的脆性，预测的结果的准确性可能欠缺。

近年来的研究发现，岩石的变形破坏实质上是能量不断耗散与突然释放的结果。因此，相比于其他几类，从能量角度构建的脆性指标更能体现岩石脆性断裂过程的本质，岩石脆性断裂是由于峰前能量的积聚、耗散和峰后阶段弹性应变能的释放导致的。

综上可知，建立科学合理的岩石脆性评价指标需综合考虑岩石破坏前及破坏后的脆性特征。因此，有必要综合考虑峰前和峰后阶段的能量演化特征提出一种改进的基于能量演化的脆性指数，并通过不同类型岩石试验结果的对比可验证其有效性与适用性。

发明内容

本发明的目的是为了弥补现有的页岩脆性指数的确定方法的不足，提出了一种基于能量演化的页岩脆性指数评价方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于能量演化的页岩脆性指数评价方法，包括如下步骤：

步骤1：制作圆柱体页岩岩样；

步骤2：将所述岩样安装在岩石三轴试验系统中，设定围压，对岩样开展单轴、三轴试验，实时采集围压、轴向应力、轴向应变和横向应变数据；

步骤3：根据岩样的单轴、三轴压缩试验数据，绘制相应的应力应变曲线；

步骤4：设定不同的围压，重复步骤2～3，绘制不同围压下的单轴、三轴应力应变曲线；

步骤5：基于应力应变曲线，分析页岩的能量演化过程，计算各部分能量；

步骤6：基于峰前能量演化计算峰前脆性指数；

步骤7：基于峰后能量演化计算峰后脆性指数；

步骤8：对峰前脆性指数和峰后脆性指数采用乘法合成方法，得出综合反映峰前峰后能量演化特征的页岩脆性评价指数。

进一步的，步骤5中页岩的能量演化过程中各部分能量计算公式具体如下：