[发明专利]一种页岩地层井壁天然裂缝扩展压力计算方法

权利要求书

1.一种页岩地层井壁天然裂缝扩展压力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：准备研究工区的实验岩心资料、地质资料、现场钻井用钻井液、测井资料；

步骤二：对获取的研究工区井下实验样品进行岩心描述，描述岩样的裂缝特征，统计分析储层裂缝的发育情况，或依据成像测井资料，统计分析储层裂缝的发育特征；钻取标准岩样30-50块，烘干岩样后，测量干燥岩样的电阻率和超声波波速，获取原岩岩样的电阻率和声波时差；

步骤三：采用现场钻井用钻井液对步骤二的干燥岩样进行浸泡实验，之后，测量并获得浸泡后岩样的电阻率、声波时差，结合步骤二的测量结果，得到电阻率改变量、声波时差改变量；以电阻率改变量为自变量，以声波时差改变量为因变量，拟合二者之间的数学关系式，

Δ(Δt)＝f(ΔR)＝aΔR+b (1)

式中：Δ(Δt)为水化作用导致岩样的声波时差改变量；ΔR为水化作用导致岩样的电阻率改变量；a、b为待定系数；

步骤四：按照人字型切槽巴西圆盘试样对步骤二的干燥岩样进行加工，并对加工岩样进行超声波测试，获取加工岩样的声波时差；在此基础上进行加工岩样断裂韧性测试，获取加工岩样断裂韧性值，并拟合得到岩样断裂韧性值的预测模型：

K_IC＝dΔt_c+e (2)

式中：K_IC为加工的干燥岩样的断裂韧性值，MPa·m^1/2；△t_c为室内实验测量的纵波时差，μs/ft；d、e为待定系数；

步骤五：对步骤四加工后的岩样进行浸泡实验，并测试浸泡后岩样的断裂韧性，获取不同浸泡时间下岩样的断裂韧性值，进而获取不同浸泡时间下岩样断裂韧性值与未浸泡岩样的断裂韧性值的比例系数，并拟合比例系数与时间关系式：

式中：t为浸泡时间，d；K_IC(t)/K_IC为比例系数；f、g为待定系数；

步骤六：利用光接触角法测量并获得不同浸泡时间下岩样的润湿接触角，页岩岩样润湿接触角与浸泡时间的关系式为：

θ＝k+i×exp(j×t) (4)

式中：θ为润湿接触角，°；k、i、j为待定系数；

步骤七：将步骤二的干燥岩样进行室内水化膨胀实验，测量页岩岩样水化膨胀线应力随时间的变化规律，并拟合水化膨胀线应力与时间的关系式为：

P/h＝m+n×exp(q×t) (5)

式中：P/h为水化膨胀线应力，MPa/m；h为岩样的长度，m；m、n、q为待定系数；

步骤八：在页岩地层中，井壁天然裂缝受到地应力、液柱压力、毛细管效应和水化作用的综合作用，且地应力、井底液柱压力、毛细管力和水化膨胀应力在裂纹表面都将产生正应力作用；

根据叠加原理，页岩地层井壁天然裂缝的应力强度因子由四个部分组成，分别为地应力作用下的尖端应力强度因子K_I(A)，井底液柱压力作用下的尖端应力强度因子K_I(B)，毛细管力作用下的尖端应力强度因子K_I(C)，水化作用下的尖端应力强度因子K_I(D)，计算式为

K_I＝K_I(A)+K_I(B)+K_I(C)+K_I(D) (6)

式中：σ_H、σ_h分别为水平最大、最小主应力，MPa；L为裂缝长度，mm；λ为水平最大、最小主应力的比值；R为井眼半径，mm；p_w为井底液柱压力，MPa；β为裂纹面与裂纹中轴线的夹角，°；w为裂缝的半宽度，mm；c为裂缝中液柱长度，mm；γ为界面张力，mN/m；P为作用于裂纹面上水化膨胀力，MPa；

步骤九：当裂纹尖端的应力强度因子K_I大于断裂韧度K_Ic时，裂纹将发生扩展，即当K_I＝K_Ic时，裂缝发生破坏，此时井底液柱压力即为天然裂缝的扩展压力，通过公式12计算求得，