利用层理结构和微观力学性质评价页岩成缝能力的方法

本发明涉及土层或岩石的钻进，尤其涉及一种利用层理结构和微观力学性质评价页岩成缝能力的方法。

背景技术：

1、页岩油气作为一种重要的非常规能源，可以改善世界的能源供给结构，而储层的结构与力学性质对于页岩油气高效开采至关重要。由于非常规开发方式难以对埋藏深且物性差的致密储集层进行有效开发，因此，利用水力压裂形成复杂缝网提高连通性已成为当今非常规储层商业开发的主要手段，因而有必要对页岩的复杂缝网的成缝能力进行评价，以优选压裂层段来提高页岩油气的采收率。

2、目前，常用的储层可压裂性评价方法是利用矿物的组成评价岩石脆性，储层岩石脆性越高，储层的可压裂性越强。但是，越来越多的学者指出，页岩化学物理性质不稳定，许多页岩油储层在漫长的地质演化中形成了毫米级纹层，被称为“千层小薄饼”式的结构，此结构对裂缝复杂缝网的发育具有决定性的作用。而由于矿物组成无法反映层理结构，因此利用矿物的组成评价岩石脆性的方法不能完全表征页岩缝网的潜在发育情况。另外，页岩发育的层理结构与泥化使得其取样较为困难，因此，进行传统力学试验的成本高、周期长，难以短时间内完成分析。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了如下技术方案。

2、本发明提供了一种利用层理结构和微观力学性质评价页岩成缝能力的方法，包括：

3、现场拍摄页岩层理的图像；

4、对图像中相同的多条页岩层理分别进行线性拟合和曲线拟合，进行线性拟合时得到与层理对应的满足第一预设条件的拟合直线及该拟合直线的斜率，进行曲线拟合时得到与层理对应的满足第二预设条件的拟合曲线及层理的项数值和幅值；

5、利用得到的拟合直线的斜率计算第一评价值，采用如下公式：

6、；

7、式中，为层理影响系数，且，其中是无量纲系数，取值10，单位mpa；是页岩样品的平均抗拉强度，查阅资料或通过实验获得；为自然底数；为识别层理的数量；为满足第一预设条件的第j条拟合直线的斜率；

8、利用得到的层理的项数值和幅值计算第二评价值，采用如下公式：

9、；

10、式中，为第j条识别层理的项数，与波状层理的锯齿状特征有关；为第j条识别层理的幅值；为识别的层理数；和为无量纲系数，取1，取20；

11、制作页岩的样品，并对页岩样品进行纳米压痕实验，根据实验数据计算第三评价值，采用如下公式：

12、；

13、式中，为纳米压痕点的数量，具体参与计算的数量依据纳米压痕实验情况而定，最少为1个；表示第i个点对应的折算弹性模量；为第i个纳米压痕点对应的接触硬度；为第i个纳米压痕点压入过程中的纯弹性能；为第i个纳米压痕点压入过程中的总能量；为第i个纳米压痕点的裂缝断裂能量；

14、根据第一评价值、第二评价值和第三评价值计算页岩成缝能力评价值，采用如下公式：

15、；

16、式中，为页岩成缝能力评价值，的值越小表示页岩样品越容易生成复杂缝。

17、优选地，所述第一预设条件为：

18、；

19、式中，是层理上的点数，是拟合直线的第i个点的纵坐标，是层理的第i个点的纵坐标，为拟合直线的纵坐标的最大值，为拟合直线的纵坐标的最小值。

20、优选地，所述对图像中相同的多条页岩层理分别进行曲线拟合，采用如下公式：

21、；

22、式中，为波状层理的数学表达函数；为层理的横坐标；为识别层理的项数，与波状层理的锯齿状特征有关，为正整数；为识别层理的幅值；为指数，对于页岩波状层理，取值2.5；为常数，拟合时在{-1,0,1}中取值；为自然底数；为层理的截距；为整数，计算过程中从[-, ] 中依次取值。

23、优选地，所述第二预设条件为：

24、；

25、式中，为曲线拟合效果的判断值；为拟合曲线的最大斜率绝对值；为拟合曲线的最小斜率绝对值；为层理的最大斜率绝对值；为层理的最小斜率绝对值；为拟合曲线纵坐标的最大值；为拟合曲线纵坐标的最小值；为层理纵坐标的最大值；为层理纵坐标的最小值。

26、优选地，所述对页岩样品进行纳米压痕实验，根据实验数据计算第三评价值包括：

27、对页岩样品进行纳米压痕实验得到实验数据，

28、根据实验数据计算页岩力学参数；

29、利用页岩力学参数计算第三评价值。

30、优选地，所述根据实验数据计算页岩力学参数，采用如下公式：

31、；

32、；

33、；

34、；

35、；

36、；

37、；

38、式中，为接触刚度；为载荷；为压入深度；为接触深度；为最大深度；为最大载荷；为与几何形状相关的参数，为常数，取值0.75；为接触面积；为接触硬度；为折算弹性模量；为与压头几何形状相关的常数；为纯塑性阶段所失去的能量；为压入过程中的纯弹性能；为残余深度；为压入过程中的总能量；为裂缝断裂能量。

39、优选地，所述对样品进行纳米压痕实验包括：

40、在样品表面选取正方形点阵，对每个点进行纳米压痕实验；实验中，载荷初始以200μn/s的加载速率线性增加，达到最大载荷1000μn后保持2s，此时，压入深度达到最大；之后，压头以200μn/s的速率开始卸载。

41、优选地，所述对样品进行纳米压痕实验之前还包括：将样品切割成预设尺寸的小块，选定需要抛光的截面，用从粗到细的砂纸对其进行打磨；然后将样品固定在抛光仪上，利用高能氩离子束进行抛光处理，将加载面的粗糙度抛光至微米级。

42、本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于胶结弱界面层理结构和微观力学测试手段来全面评估页岩复杂缝成缝能力的方法，该方法全面考虑了页岩的层理结构以及能量与力学性质等因素，通过对页岩的层理进行直线拟合以及曲线拟合后得到的数据分别计算第一评价值和第二评价值，再通过制作页岩的样品，并对样品进行纳米压痕实验，利用实验数据计算第三评价值，最后根据三个评价值来计算页岩成缝能力评价值，用于评估页岩形成复杂缝网的能力，进而根据评估结果优选压裂地层段。解决了目前只采用矿物组成或力学性质来评估岩石脆性进而评估页岩成缝能力的方法中，由于不能表征含层理页岩的缝网潜在发育能力导致的评估不准确问题。

技术特征：

1.一种利用层理结构和微观力学性质评价页岩成缝能力的方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一预设条件为：

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对图像中相同的多条页岩层理分别进行曲线拟合，采用如下公式：

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二预设条件为：

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对页岩样品进行纳米压痕实验，根据实验数据计算第三评价值包括：

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据实验数据计算页岩力学参数，采用如下公式：

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述对样品进行纳米压痕实验包括：

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述对样品进行纳米压痕实验之前还包括：将样品切割成预设尺寸的小块，选定需要抛光的截面，用从粗到细的砂纸对其进行打磨；然后将样品固定在抛光仪上，利用高能氩离子束进行抛光处理，将加载面的粗糙度抛光至微米级。

技术总结
本发明公开了利用层理结构和微观力学性质评价页岩成缝能力的方法，属于土层或岩石的钻进技术领域。该方法通过对页岩的层理进行直线拟合以及曲线拟合后得到的数据分别计算第一评价值和第二评价值，再通过制作页岩的样品，并对样品进行纳米压痕实验，利用实验数据计算第三评价值，最后根据三个评价值来计算页岩成缝能力评价值，用于评估页岩形成复杂缝网的能力。由于全面考虑了页岩的层理结构以及能量与力学性质等因素，因此根据评估结果选择的压裂地层段具有很好的复杂缝网的形成能力。解决了目前只采用矿物组成或力学性质来评估岩石脆性进而评估页岩成缝能力的方法中，由于未表征含层理页岩的缝网潜在发育能力导致优选压裂地层段不准确的问题。

技术研发人员：张子涵,余昊,徐文龙,吕成思,王全,杨柳,孟思炜,刘合,吴恒安
受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16