本發(fā)明涉及一種非常規(guī)油氣儲層評價技術領域，尤其涉及一種用于頁巖氣井儲層脆性綜合評價的方法。

背景技術：

頁巖氣藏在國內(nèi)分布廣泛，可采儲量為36.08×10¹²m³，居世界第一，但是頁巖本身具有低孔低滲特征，一般都需經(jīng)過大規(guī)模壓裂改造才能獲得商業(yè)產(chǎn)量，研究發(fā)現(xiàn)頁巖的脆性能夠顯著影響井壁的穩(wěn)定性以及壓裂效果，是評價儲層力學特性的關鍵指標，是遴選射孔改造層段和設計壓裂規(guī)模的重要基礎，因此對頁巖脆性的研究具有重要意義。

脆性是反映頁巖可壓性的關鍵參數(shù)，亦是材料的綜合特性，實質是在非均勻力下產(chǎn)生的一種由局部破壞演變?yōu)槎嗑S破裂面的動態(tài)破壞過程。目前頁巖脆性評價指標是采用礦物脆性指數(shù)還是力學脆性指數(shù)尚無統(tǒng)一認識，且研究成果大多出于學者對于各自研究目的提出的，缺乏統(tǒng)一的標準和方法，反映了頁巖在礦物組成或巖石力學上的脆性特征比較單一，難以全面反映頁巖的可壓性特征。

以巖石礦物組分、楊氏模量及泊松比等傳統(tǒng)靜態(tài)參數(shù)定義的脆性特征相對單一，一方面無法描述巖石破裂過程中的脆性變化和能量釋放，另一方面未考慮不同圍壓條件對巖石脆塑性影響，主要從宏觀上定性比較脆性的相對強弱，對相同儲層地質條件的頁巖較為適用，用于分析不同埋深、構造應力環(huán)境下的巖石脆性則存在較大的局限性。

以力學脆性指數(shù)為代表的專利申請?zhí)朇N104865124A，題名《基于巖石應力-應變曲線和超聲波縱波速度的頁巖脆性指數(shù)測定方法》，其特征在于基于三軸壓縮應力-應變?nèi)€和超聲波縱波速度進行頁巖脆性指數(shù)測定，具體采用動靜態(tài)結合的三軸壓縮實驗，獲取實驗過程中各個時間點的應力-應變?nèi)€和超聲波縱波速度；利用縱波速度的變化曲線確定頁巖微裂縫開始發(fā)生損傷破壞的時間點；根據(jù)縱波速度變化和應力-應變?nèi)€的形狀，把應力-應變?nèi)€分成微裂隙閉合、壓實后至微裂縫開始破壞、微裂隙擴展至破壞失穩(wěn)和巖石破壞失穩(wěn)后等4個階段；利用應力-應變?nèi)€，計算相應階段的頁巖試件吸收的單位體積能量；利用彈性階段吸收的單位體積能量與吸收的總單位體積能量的比值計算頁巖的脆性指數(shù)。

上述專利的目的是提供頁巖各個階段力學性能的綜合計算方法，提高巖石脆性評價的準確性和合理性。此方法主要基于室內(nèi)試驗方法對某一深度點的巖樣進行脆性指數(shù)測試評價，對于不同深度、不同井段頁巖氣儲層脆性進行綜合評價。其主要缺點如下：

(1)主要基于室內(nèi)試驗測試數(shù)據(jù)進行分析，無法應用于現(xiàn)場工程參數(shù)設計。

(2)用于分析不同深度、地質力學環(huán)境下的頁巖巖石脆性則存在較大的局限性。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題在于針對上述現(xiàn)有技術存在的不足提供一種用于頁巖氣井儲層脆性綜合評價的方法，該方法可以方便的計算頁巖氣井不同位置儲層的脆性指數(shù)，可用于指導頁巖氣井壓裂施工射孔層段選擇。

本發(fā)明所采用的技術方案為：

一種用于頁巖氣井儲層脆性綜合評價的方法，其特征在于：包括如下步驟：

(1)、利用待測的頁巖巖樣進行三軸壓縮測試實驗，獲取全應力-應變曲線；

(2)、根據(jù)實驗獲得的應力-應變?nèi)€，在曲線中讀取峰值應力σ_a、峰值應變ε_A、殘余應力σ_r、殘余應變ε_B，計算彈性模量E，計算脆性跌落系數(shù)R、應力降落系數(shù)P、軟化模量M；

(3)、定義脆性跌落系數(shù)R相應的脆性指標為B₁、應力降落系數(shù)P相應的脆性指標為B₂、軟化模量M相應的脆性指標為B₃，并分別進行歸一化處理；

(4)、通過脆性指標B₁、B₂、B₃，計算得到綜合脆性指數(shù)Bd；

(5)、通過某區(qū)域代表性頁巖氣井地質力學參數(shù)對綜合脆性指數(shù)Bd計算模型進行修正，得到適用于本區(qū)域的脆性指數(shù)計算公式Bd₃；

(6)以修正后的脆性指數(shù)計算公式Bd₃為目標函數(shù)，以測井數(shù)據(jù)中頁巖動態(tài)彈性模量E、動態(tài)泊松比μ、自然伽瑪API、斷裂韌性K II為自變量，進行函數(shù)回歸，得出Bd₃的多元回歸函數(shù)Y，

其中，

式中，a、b、c、n為常數(shù)；

(7)、應用該回歸函數(shù)代入不同層段儲層測井解釋的地質、力學參數(shù)，得到不同井段儲層的綜合脆性指數(shù)。

按上述技術方案，步驟3中：

B₂＝(σ_a-σ_r)/σ_a；

B₃＝1-exp(M/E)；

式中，μ-泊松比，σ₃-試驗加載圍壓。

按上述技術方案，步驟4中：當脆性指標B₁、B₂、B₃中至少一項權重系數(shù)大時，將B₁、B₂、B₃分別賦值權重系數(shù)α、β、γ，綜合脆性指數(shù)B_d1＝αB₁+βB₂+γB₃，其中，α+β+γ＝1。

按上述技術方案，還可以定義綜合脆性指數(shù)B_d2＝B₁*B₂*B₃。

按上述技術方案，B_d3＝α_XB₁+β_YB₂+γ_ZB₃，式中α_X表示不同的儲層中B₁的權重系數(shù)，β_Y表示不同的儲層中B₂的權重系數(shù)，γ_Z表示在不同的儲層中B₃的權重系數(shù)。

按上述技術方案，300＜a＜350，1＜b＜2，200＜c＜220，0.1＜n＜0.3，根據(jù)不同儲層條件選取不同數(shù)值。

本發(fā)明所取得的有益效果為：

1、本方法能夠反映材料在破壞前后抵抗非彈性變形的能力和喪失承載力的情況，同時可實現(xiàn)室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)與水平井段測井解釋數(shù)據(jù)的相互結合，使得該脆性指數(shù)具有綜合性，適應性較強。

2、本方法考慮了頁巖破壞的整體情況，綜合脆性指數(shù)Bd為多因素定量評價指標，可更全面地反映不同壓力條件下巖石的脆性破壞過程和特征，可以根據(jù)不同的目的選取不同參數(shù)，同時可以結合頁巖氣井測井資料對不同深度、不同圍壓、不同井段儲層的脆性進行分析，突破了傳統(tǒng)脆性評價僅考慮礦物成分、靜態(tài)參數(shù)等對脆性影響的局限，具有較好的實用性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的三軸壓縮試驗示意圖。

圖1中，1-三軸壓縮實驗主體框架；2-管線；3-管線；4-軸向應變測量傳感器；5-接收器；6-實驗試件；7-徑向應變測量傳感器；8-數(shù)據(jù)線；9-實驗裝置總控制臺；10-增壓系統(tǒng)；11-計算機。

圖2為待測頁巖巖樣的加卸載應力-應變曲線。

圖3為應力應變示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

本實施例提供了一種用于頁巖氣井儲層脆性綜合評價的方法，包括如下步驟：

(1)利用待測的頁巖巖樣進行三軸壓縮測試實驗，獲取全應力-應變曲線，其中，根據(jù)圖1所示的實驗裝置連接圖，連接實驗管線和數(shù)據(jù)傳輸線，其中，裝置為實驗的核心部分；連接后管線2、3和數(shù)據(jù)線8后，安裝實驗試件6(待測頁巖巖樣)，實驗試件6的安裝主要包括徑向應變傳感器和軸向應變傳感器、上下壓頭的安裝，其中，上下壓頭中裝有接收器5，連接密封腔內(nèi)部的管線，保證數(shù)據(jù)能夠傳入計算機11；安裝好試件后，放下三軸壓力試驗裝置的密封腔，利用增壓系統(tǒng)10加載圍壓，圍壓加載至設定值后，穩(wěn)定圍壓2分鐘后，利用三軸壓縮實驗主體框架1上部的液壓增壓泵進行軸向應力加載，實驗過程中，軸向應變測量裝置4和徑向應變測量傳感器7記錄實驗過程中的應變值；利用數(shù)據(jù)傳輸線8將數(shù)據(jù)傳輸實驗裝置總控制臺9及計算機11。實驗過程中應力-應變曲線測至獲得頁巖的殘余強度，記錄頁巖實驗過程中的應力-應變?nèi)€；

(2)如圖2所示，根據(jù)實驗獲得的應力-應變?nèi)€，讀取峰值應力σ_a、峰值應變ε_A、殘余應力σ_r、殘余應變ε_B，計算彈性模量E，

E＝σ_r/ε_B (1)

根據(jù)巖石加載及卸載過程定義了脆性跌落系數(shù)R，從峰值強度對應點A到殘余強度對應點B變化過程中，計算脆性跌落系數(shù)R為：

R＝-(ε_B-ε_A)/(ε_M-ε_A) (2)

其中ε_A、ε_B可在圖2中直接讀取，根據(jù)廣義的胡克定律σ＝Eε+2μσ₃有：

ε_M＝(σ_r+σ₃-2μσ₃)/E (3)

其中：R-脆性跌落系數(shù)；

ε_A-A點所對應的峰值應變，無量綱；

ε_B-B點所對應的殘余應變，無量綱；

ε_M-圖2中M點所對應的應變量，無量綱；

μ-泊松比，無量綱；

σ_a-A點所對應的峰值強度，MPa；

σ_r-B點所對應的殘余強度，MPa；

σ₃-試驗加載圍壓，MPa；

E-楊氏模量，GPa。

可以看出，R的值越低，脆性特征越明顯，巖石越易表現(xiàn)出脆性，故R可在一定程度上反映脆性破壞的難易。

脆性不僅和R有關，還和軟化模量M關系密切。巖石全應力應變曲線中如圖3所示，定義從峰值強度A到殘余強度B段應力應變曲線的斜率為軟化模量M，其中，定義軟化模量M的計算公式如下：

M＝(σ_a-σ_r)/(ε_A-ε_B) (4)

根據(jù)軟化模量M的不同，可將巖石分為以下四類：

(1)理想脆性：M→-∞；

(2)普通脆塑性：當-∞＜M≤-E時，脆性很強，塑性很弱，當-E＜M＜0時，塑性很強，脆性很弱；

(3)理想塑性：M＝0；

(4)應變硬化M＞0。

從圖3可以看出，當彈性模量一定時，軟化模量越大，脆性越弱，軟化模量越小，脆性越強，軟化模量M在一定程度上反映了脆性的強弱。

應力降是巖石破壞時應力由峰值強度降為殘余強度的現(xiàn)象，應力降落的程度不同，脆性特征不同；一般認為應力降落的越快，應力降落量越大，脆性越強，如圖1，定義應力降系數(shù)P如下：

P＝(σ_a-σ_r)/σ_a (5)

綜上，頁巖的脆性與脆性跌落系數(shù)R、應力降落系數(shù)P、軟化模量M關系密切，R反映了脆性破壞的難易程度，該值越低越容易表現(xiàn)為脆性，P和M反映了脆性的強弱，應力降落量越大，降落速度越快，軟化模量越小，脆性越強越顯著，巖石破壞越充分。

(3)為此，定義R相應的脆性指標為B₁(值在0～1之間)，并進行歸一化處理如下：

B₁＝exp(-R) (6)

將式(2)、(3)帶入式(6)中，得：

式中：

$B_1=\exp \[\frac{{\mathrm{\ϵ}}_B-{\mathrm{\ϵ}}_A}{({\mathrm{\σ}}_r+{\mathrm{\σ}}_3-2{\mathrm{\μ\σ}}_3)/E-{\mathrm{\ϵ}}_A}\]---\left(7\right)$

定義P相應的脆性指標為B₂(值在0～1之間)，并進行歸一化處理如下：

B₂＝P (8)

將式(5)帶入式(8)得：

B₂＝(σ_a-σ_r)/σ_a (9)

定義M相應的脆性指標為B₃(值在0～1之間)，并進行歸一化處理如下：

B₃＝1-exp(M/E) (10)

式中：

M-軟化模量，GPa；

E-彈性模量，GPa。

(4)當脆性指標B₁、B₂、B₃中至少一項權重系數(shù)大時，將B₁、B₂、B₃分別賦值權重系數(shù)α、β、γ，經(jīng)歸一化后B₁、B₂、B₃的值均從0到1逐漸增加，定義脆性總指標B_d1如下：

B_d1＝αB₁+βB₂+γB₃ (11)

且α+β+γ＝1 (12)

式中：α-B₁在總脆性指數(shù)中所占的權重

β-B₂在總脆性指數(shù)中所占的權重

γ-B₃在總脆性指數(shù)中所占的權重。

α、β、γ的取值可按同一標準取值后歸一化，也可以參考研究的側重點，一般情況下α＝β＝γ＝1/3。

如果目的性不強或主要是研究巖石脆性的相對情況(即脆性指標B₁、B₂、B₃中，三者所占的比例均不大時)，則可采用下面定義的脆性總指標B_d2：

B_d2＝B₁×B₂×B₃ (12)

(5)通過某區(qū)域代表性頁巖氣井地質力學參數(shù)對脆性指數(shù)計算模型(以公式11的情況為例進行說明)進行修正，得到適用于本區(qū)域的脆性指數(shù)計算公式Bd₃，

B_d3＝α_XB₁+β_YB₂+γ_ZB₃ (13)

式中，α_X表示不同的儲層中B₁的權重系數(shù)，β_Y表示不同的儲層中B₂的權重系數(shù)、γ_Z表示在不同的儲層中B₃的權重系數(shù)。

(6)以修正后的脆性指標Bd₃為目標函數(shù)，以水平井測井數(shù)據(jù)中頁巖動態(tài)彈性模量E、動態(tài)泊松比μ、自然伽瑪API、斷裂韌性K II為自變量，進行函數(shù)回歸得出Bd1的多元回歸函數(shù)Y，

$Y=\frac{E}{a\mathrm{\μ}}+\frac{b}{K_{II}}-\frac{API}{c}+n$

式中，a、b、c、n為常數(shù)，其中300＜a＜350，1＜b＜2，200＜c＜220，0.1＜n＜0.3，根據(jù)不同儲層條件選取不同數(shù)值，其中，a優(yōu)選324.14，b優(yōu)選1.67，c優(yōu)選215.56，n優(yōu)選0.15。

(7)應用該回歸函數(shù)，代入不同層段儲層測井解釋的地質、力學參數(shù)，可以得到不同井段儲層的綜合脆性指數(shù)。

本發(fā)明方法能夠反映材料在破壞前后抵抗非彈性變形的能力和喪失承載力的情況，同時可實現(xiàn)室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)與水平井段測井解釋數(shù)據(jù)的相互結合，使得該脆性指標具有綜合性，實用性、適應性較強。