[发明专利]一种基于岩屑微纳米压痕实验的页岩弹性模量评价方法

说明书

本发明公开了一种基于岩屑微纳米压痕实验的页岩弹性模量评价方法，包括：制备页岩储层的岩屑样品；对岩屑样品开展岩屑微米或纳米压痕实验获得多组压痕实验载荷‑位移曲线图；分别获取每组压痕实验载荷‑位移曲线图的最大压入载荷、最大压入深度、加载功、卸载功；再根据上述参数以及微米或纳米压痕测试条件下页岩弹性模量预测模型分别计算每组压痕实验载荷‑位移曲线对应的页岩弹性模量；最后再求取多个页岩弹性模量的平均值，该平均值即为页岩储层的页岩弹性模量。本发明获得的参数可以直接用于页岩钻井井壁稳定分析、钻头设计和优选，还可以有效指导页岩水平井水力压裂分段、压裂设计和压裂施工，对于页岩气钻井和水力压力意义重大。

技术领域

本发明涉及一种基于岩屑微纳米压痕实验的页岩弹性模量评价方法，属于石油勘探开发技术领域。

背景技术

近年来，我国清洁能源持续扩容，清洁低碳的能源体系正加快构建，天然气作为传统石化能源中最为清洁的能源，需求量不断增加，页岩气已成为我国天然气产业核心增长点。在页岩气勘探开发过程中，页岩储层的岩石力学特性是影响页岩油气安全、高效、经济开采的关键因素。勘探开发全过程均要求掌握页岩力学特性及其分布规律：①在勘探过程中，弹性模量及其各向异性对地震资料解释、地质模型建立影响显著，准确认识页岩特性有助于消除其影响；②在钻探过程中，页岩弹性模量是计算地应力、岩石强度等力学参数的基础，与井壁失稳(井塌和井漏)、机械钻速低等工程问题密切相关，准确掌握页岩弹性模量等力学参数等有助于预防井下复杂和事故、提高钻井效率；③在开采过程中，页岩弹性模量是影响脆性和可压性的关键参数，对完井分段、可压性评价、压裂设计与评估、支撑剂选择等影响显著，准确掌握页岩弹性模量等力学参数有助于优化完井和压裂方案，提升压裂增产改造的效果，进而提高页岩油气采收率。可见，在页岩油气勘探开发的全过程，页岩弹性模量等力学参数具有十分重要的作用和地位。

页岩弹性模量的获取方法很多，石油工业主要采用的方法包括室内实验、测井方法和物探方法三类：

(1)室内实验：主要包括单轴、三轴等实验手段，但室内实验对样品尺寸要求严格，岩石力学特征也具有显著的尺寸效应，并且，由于页岩脆性强、层理和裂隙发育，使得标准岩样制备比较困难、制备成功率也较低；另外，室内实验大都不能采用井下岩心开展全面测试，因此实验存在严重的随机性和差异性；此外，室内实验不能获得连续的岩石力学参数剖面(尤其是对于页岩储层水平井)，所获得数据对于工程实用具有较大的局限性。

(2)测井方法：以弹性介质中纵横波传播理论，可直接通过纵横波波速计算页岩的动态弹性模量等弹性力学参数，并通过动静态转换获得静态弹性模量参数剖面，但水平井测井难度大、风险高，国内水平井测井仍然存在一定困难；比如，井下爬行器的牵引力有限，加之水平段井眼上翘，难以克服电缆在三维水平井中产生的摩擦阻力，通常只能完成200m～400m左右的水平段测井；钻杆传输测井工艺相对复杂，存在卡钻、埋钻等风险，而且耗时长、成本高，极少被采用；此外，过钻头测井技术能够兼顾电缆和传输测井的优势，但国内仍处于研发阶段，尚未推广应用。

(3)物探方法：近年来，物探技术也被用来预测地层岩石力学参数。比如，地震资料反演岩石弹性力学参数，但二维、三维地震的尺度大、精度低，使得反演结果的准确度难以保证，目前仅用于钻完井与压裂作业措施制定的参考。

由此不难看出，石油工业已经开发了一系列基于均匀连续介质力学的岩石弹性力学特性表征方法，如室内实验、测井方法和物探方法等；但是，由于岩心获取困难、探测装备水平以及作业风险的限制，页岩水平井弹性力学参数的获取依然困难，尤其是难以获得满足工程需求的水平井岩石力学参数剖面。

发明内容

本发明主要是克服现有技术中的不足之处，本发明旨在提供一种基于岩屑微纳米压痕实验的页岩弹性模量评价方法，通过开展页岩岩屑微纳米压痕实验，获取不同尺度下压入载荷-深度曲线，计算获得页岩的微观力学参量，进一步建立弹性模量与微观力学参量之间的关系模型，实现对页岩宏观弹性模量的预测，从而准确获取页岩水平井的岩石力学参数。