[發(fā)明專利]一種基于巖屑微納米壓痕實(shí)驗(yàn)的頁(yè)巖彈性模量評(píng)價(jià)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011046162.0
• 申請(qǐng)日: 2020-09-29
• 公開（公告）號(hào): CN112179769A
• 公開（公告）日: 2021-01-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬天壽;王雅輝;陳平;劉陽(yáng);蘇雪;桂俊川
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西南石油大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N3/08
• 分類號(hào): G01N3/08;G01N3/42;G01N1/28;G01N1/36;G01N1/44
• 代理公司: 北京中索知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11640
• 代理人: 房立普

本發(fā)明公開了一種基于巖屑微納米壓痕實(shí)驗(yàn)的頁(yè)巖彈性模量評(píng)價(jià)方法，包括：制備頁(yè)巖儲(chǔ)層的巖屑樣品；對(duì)巖屑樣品開展巖屑微米或納米壓痕實(shí)驗(yàn)獲得多組壓痕實(shí)驗(yàn)載荷?位移曲線圖；分別獲取每組壓痕實(shí)驗(yàn)載荷?位移曲線圖的最大壓入載荷、最大壓入深度、加載功、卸載功；再根據(jù)上述參數(shù)以及微米或納米壓痕測(cè)試條件下頁(yè)巖彈性模量預(yù)測(cè)模型分別計(jì)算每組壓痕實(shí)驗(yàn)載荷?位移曲線對(duì)應(yīng)的頁(yè)巖彈性模量；最后再求取多個(gè)頁(yè)巖彈性模量的平均值，該平均值即為頁(yè)巖儲(chǔ)層的頁(yè)巖彈性模量。本發(fā)明獲得的參數(shù)可以直接用于頁(yè)巖鉆井井壁穩(wěn)定分析、鉆頭設(shè)計(jì)和優(yōu)選，還可以有效指導(dǎo)頁(yè)巖水平井水力壓裂分段、壓裂設(shè)計(jì)和壓裂施工，對(duì)于頁(yè)巖氣鉆井和水力壓力意義重大。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于巖屑微納米壓痕實(shí)驗(yàn)的頁(yè)巖彈性模量評(píng)價(jià)方法，屬于石油勘探開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

近年來(lái)，我國(guó)清潔能源持續(xù)擴(kuò)容，清潔低碳的能源體系正加快構(gòu)建，天然氣作為傳統(tǒng)石化能源中最為清潔的能源，需求量不斷增加，頁(yè)巖氣已成為我國(guó)天然氣產(chǎn)業(yè)核心增長(zhǎng)點(diǎn)。在頁(yè)巖氣勘探開發(fā)過(guò)程中，頁(yè)巖儲(chǔ)層的巖石力學(xué)特性是影響頁(yè)巖油氣安全、高效、經(jīng)濟(jì)開采的關(guān)鍵因素。勘探開發(fā)全過(guò)程均要求掌握頁(yè)巖力學(xué)特性及其分布規(guī)律：①在勘探過(guò)程中，彈性模量及其各向異性對(duì)地震資料解釋、地質(zhì)模型建立影響顯著，準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)頁(yè)巖特性有助于消除其影響；②在鉆探過(guò)程中，頁(yè)巖彈性模量是計(jì)算地應(yīng)力、巖石強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)，與井壁失穩(wěn)(井塌和井漏)、機(jī)械鉆速低等工程問(wèn)題密切相關(guān)，準(zhǔn)確掌握頁(yè)巖彈性模量等力學(xué)參數(shù)等有助于預(yù)防井下復(fù)雜和事故、提高鉆井效率；③在開采過(guò)程中，頁(yè)巖彈性模量是影響脆性和可壓性的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)完井分段、可壓性評(píng)價(jià)、壓裂設(shè)計(jì)與評(píng)估、支撐劑選擇等影響顯著，準(zhǔn)確掌握頁(yè)巖彈性模量等力學(xué)參數(shù)有助于優(yōu)化完井和壓裂方案，提升壓裂增產(chǎn)改造的效果，進(jìn)而提高頁(yè)巖油氣采收率。可見，在頁(yè)巖油氣勘探開發(fā)的全過(guò)程，頁(yè)巖彈性模量等力學(xué)參數(shù)具有十分重要的作用和地位。

頁(yè)巖彈性模量的獲取方法很多，石油工業(yè)主要采用的方法包括室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、測(cè)井方法和物探方法三類：

(1)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)：主要包括單軸、三軸等實(shí)驗(yàn)手段，但室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)樣品尺寸要求嚴(yán)格，巖石力學(xué)特征也具有顯著的尺寸效應(yīng)，并且，由于頁(yè)巖脆性強(qiáng)、層理和裂隙發(fā)育，使得標(biāo)準(zhǔn)巖樣制備比較困難、制備成功率也較低；另外，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)大都不能采用井下巖心開展全面測(cè)試，因此實(shí)驗(yàn)存在嚴(yán)重的隨機(jī)性和差異性；此外，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)不能獲得連續(xù)的巖石力學(xué)參數(shù)剖面(尤其是對(duì)于頁(yè)巖儲(chǔ)層水平井)，所獲得數(shù)據(jù)對(duì)于工程實(shí)用具有較大的局限性。

(2)測(cè)井方法：以彈性介質(zhì)中縱橫波傳播理論，可直接通過(guò)縱橫波波速計(jì)算頁(yè)巖的動(dòng)態(tài)彈性模量等彈性力學(xué)參數(shù)，并通過(guò)動(dòng)靜態(tài)轉(zhuǎn)換獲得靜態(tài)彈性模量參數(shù)剖面，但水平井測(cè)井難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，國(guó)內(nèi)水平井測(cè)井仍然存在一定困難；比如，井下爬行器的牽引力有限，加之水平段井眼上翹，難以克服電纜在三維水平井中產(chǎn)生的摩擦阻力，通常只能完成200m～400m左右的水平段測(cè)井；鉆桿傳輸測(cè)井工藝相對(duì)復(fù)雜，存在卡鉆、埋鉆等風(fēng)險(xiǎn)，而且耗時(shí)長(zhǎng)、成本高，極少被采用；此外，過(guò)鉆頭測(cè)井技術(shù)能夠兼顧電纜和傳輸測(cè)井的優(yōu)勢(shì)，但國(guó)內(nèi)仍處于研發(fā)階段，尚未推廣應(yīng)用。

(3)物探方法：近年來(lái)，物探技術(shù)也被用來(lái)預(yù)測(cè)地層巖石力學(xué)參數(shù)。比如，地震資料反演巖石彈性力學(xué)參數(shù)，但二維、三維地震的尺度大、精度低，使得反演結(jié)果的準(zhǔn)確度難以保證，目前僅用于鉆完井與壓裂作業(yè)措施制定的參考。

由此不難看出，石油工業(yè)已經(jīng)開發(fā)了一系列基于均勻連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的巖石彈性力學(xué)特性表征方法，如室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、測(cè)井方法和物探方法等；但是，由于巖心獲取困難、探測(cè)裝備水平以及作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的限制，頁(yè)巖水平井彈性力學(xué)參數(shù)的獲取依然困難，尤其是難以獲得滿足工程需求的水平井巖石力學(xué)參數(shù)剖面。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明主要是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，本發(fā)明旨在提供一種基于巖屑微納米壓痕實(shí)驗(yàn)的頁(yè)巖彈性模量評(píng)價(jià)方法，通過(guò)開展頁(yè)巖巖屑微納米壓痕實(shí)驗(yàn)，獲取不同尺度下壓入載荷-深度曲線，計(jì)算獲得頁(yè)巖的微觀力學(xué)參量，進(jìn)一步建立彈性模量與微觀力學(xué)參量之間的關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)頁(yè)巖宏觀彈性模量的預(yù)測(cè)，從而準(zhǔn)確獲取頁(yè)巖水平井的巖石力學(xué)參數(shù)。