[發(fā)明專利]一種基于劃痕實驗的頁巖斷裂韌性計算方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710194591.4
• 申請日: 2017-03-29
• 公開（公告）號: CN107063905A
• 公開（公告）日: 2017-08-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李相臣;楊斌;康毅力;何志君;游利軍;白佳佳;閆霄鵬;程秋洋
• 申請（專利權(quán)）人: 西南石油大學(xué)
• 主分類號: G01N3/40
• 分類號: G01N3/40;G01N1/28;G01N1/44
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及頁巖氣開發(fā)過程儲層巖石力學(xué)參數(shù)實驗評價領(lǐng)域，具體涉及一種基于劃痕實驗的頁巖斷裂韌性計算方法。

背景技術(shù)

頁巖氣藏普遍采用水平井加分段水力壓裂的開采模式，在水力壓裂設(shè)計過程中所需的一項關(guān)鍵巖石力學(xué)參數(shù)即為頁巖的斷裂韌性。頁巖的斷裂韌性通常由室內(nèi)實驗測試得出，目前常用的實驗測試方法主要有中心裂紋圓盤法、三點彎曲法和四點彎曲法。這三種方法的測試標(biāo)準(zhǔn)已較為成熟，但也存在著缺點，主要包括以下三個方面：(1)試件尺寸較小，且需要對試件預(yù)制人工裂縫，不能完全反應(yīng)天然裂縫及物性變化對頁巖斷裂韌性的影響；(2)對試件的制樣要求較高，測試結(jié)果較為離散，需進行多樣次實驗保證結(jié)果的可靠性；(3)實驗測試結(jié)束試件完全破壞，對珍貴的井下巖心的消耗較大，經(jīng)濟成本高。同時，目前開采方式的頁巖氣井水平段的長度達(dá)到1500米，在如此大跨度的儲層范圍內(nèi)，頁巖非均質(zhì)性，尤其是巖石力學(xué)性質(zhì)上的非均質(zhì)性更為明顯。基于現(xiàn)有的頁巖斷裂韌性實驗測試方法，獲取全水平段的滿足工程設(shè)計需要，且連續(xù)性和代表性強的斷裂韌性實驗參數(shù)需進行工作量巨大的實驗分析工作。因而，在頁巖斷裂韌性參數(shù)的實驗獲取上，需要一種連續(xù)性更好，分析流程更簡潔、高效的實驗方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于劃痕實驗的頁巖斷裂韌性計算方法，該方法制樣簡單，實驗分析耗時短，對巖心的消耗小，能夠有效解決前述頁巖斷裂韌性實驗測試面臨的問題，為頁巖氣井水力壓裂優(yōu)化設(shè)計提供可靠的巖石斷裂韌性實驗測試數(shù)據(jù)。

為達(dá)以上技術(shù)目的，本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種基于劃痕實驗的頁巖斷裂韌性計算方法，依次包括以下步驟：

步驟1、選取待測層段頁巖，切割為直徑60～110mm，長度100～900mm的柱狀巖心，完成后將巖心在60℃下充分烘干備用；

步驟2、將準(zhǔn)備好的巖心固定于TerraTek MP劃痕實驗測試儀，并使巖心沿長軸方向呈嚴(yán)格水平放置；劃痕測試采用平行六面體合金鋼刀具，刀具與垂直方向夾角為θ(15°左右)；調(diào)整刀具上下位置，根據(jù)巖心特征設(shè)置刀具在巖心上端面的劃槽深度；設(shè)定刀具進尺速率，打開進刀按鈕，沿巖心柱面長軸方向進行劃痕測試；監(jiān)測刀具水平方向(F_H)和垂直方向(F_V)荷載，以及巖心表面的劃槽深度(D)沿劃痕軌跡方向的變化；

步驟3、將步驟2劃痕測試過程監(jiān)測到的水平方向(F_H)、垂直方向(F_V)荷載和劃槽深度(D)深度數(shù)據(jù)帶入如下方程，即可求得待測頁巖巖心的斷裂韌性：

式中：K₀為劃痕實驗測得的頁巖斷裂韌性，MPa/m^1/2；F_H、F_V分別為劃痕刀具水平方向和垂直方向所受荷載，N；W為刀具的寬度，mm；D為巖心表面的劃槽深度，mm。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)本發(fā)明方法制樣難度低，測試分析過程快速簡潔，測試過程僅破壞巖心淺表面，不影響巖心后續(xù)的其他測試分析；

(2)不需要對巖心進行人工預(yù)制裂縫，極大地降低了制樣過程損傷對頁巖斷裂韌性的影響，削弱了制樣過程造成的測試結(jié)果的離散型，能更真實地反應(yīng)天然井下頁巖的力學(xué)性質(zhì)；

(3)測試巖心尺寸和表征尺度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)測試方法采用的小尺寸巖樣，可獲得隨巖心長軸剖面連續(xù)的斷裂韌性曲線，更全面地反應(yīng)頁巖物性特征對斷裂韌性參數(shù)的影響，為工程設(shè)計提供更為全面的實驗支撐。

附圖說明

圖1劃痕實驗示意圖。

圖中：1.柱狀巖心沿長軸方向剖面，2.平行六面體合金鋼刀具。

圖2劃痕測試過程監(jiān)測的刀具在水平方向和垂直方向的荷載曲線。

圖3劃痕測試刀具形成的劃槽深度曲線。

圖4本發(fā)明方法計算得到的頁巖斷裂韌性曲線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例進一步詳細(xì)說明本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點及效果，劃痕實驗的頁巖斷裂韌性計算方法的具體步驟如下：

步驟1、選取某井下頁巖巖心，使用巖石切割機將巖心切割直徑106mm，長度250mm的柱狀巖心，完成后將巖心在60℃下充分烘干備用；