一种用于页岩气井储层脆性综合评价的方法与流程

本发明涉及一种非常规油气储层评价技术领域，尤其涉及一种用于页岩气井储层脆性综合评价的方法。

背景技术：

页岩气藏在国内分布广泛，可采储量为36.08×10¹²m³，居世界第一，但是页岩本身具有低孔低渗特征，一般都需经过大规模压裂改造才能获得商业产量，研究发现页岩的脆性能够显著影响井壁的稳定性以及压裂效果，是评价储层力学特性的关键指标，是遴选射孔改造层段和设计压裂规模的重要基础，因此对页岩脆性的研究具有重要意义。

脆性是反映页岩可压性的关键参数，亦是材料的综合特性，实质是在非均匀力下产生的一种由局部破坏演变为多维破裂面的动态破坏过程。目前页岩脆性评价指标是采用矿物脆性指数还是力学脆性指数尚无统一认识，且研究成果大多出于学者对于各自研究目的提出的，缺乏统一的标准和方法，反映了页岩在矿物组成或岩石力学上的脆性特征比较单一，难以全面反映页岩的可压性特征。

以岩石矿物组分、杨氏模量及泊松比等传统静态参数定义的脆性特征相对单一，一方面无法描述岩石破裂过程中的脆性变化和能量释放，另一方面未考虑不同围压条件对岩石脆塑性影响，主要从宏观上定性比较脆性的相对强弱，对相同储层地质条件的页岩较为适用，用于分析不同埋深、构造应力环境下的岩石脆性则存在较大的局限性。

以力学脆性指数为代表的专利申请号CN104865124A，题名《基于岩石应力-应变曲线和超声波纵波速度的页岩脆性指数测定方法》，其特征在于基于三轴压缩应力-应变全曲线和超声波纵波速度进行页岩脆性指数测定，具体采用动静态结合的三轴压缩实验，获取实验过程中各个时间点的应力-应变全曲线和超声波纵波速度；利用纵波速度的变化曲线确定页岩微裂缝开始发生损伤破坏的时间点；根据纵波速度变化和应力-应变全曲线的形状，把应力-应变全曲线分成微裂隙闭合、压实后至微裂缝开始破坏、微裂隙扩展至破坏失稳和岩石破坏失稳后等4个阶段；利用应力-应变全曲线，计算相应阶段的页岩试件吸收的单位体积能量；利用弹性阶段吸收的单位体积能量与吸收的总单位体积能量的比值计算页岩的脆性指数。

上述专利的目的是提供页岩各个阶段力学性能的综合计算方法，提高岩石脆性评价的准确性和合理性。此方法主要基于室内试验方法对某一深度点的岩样进行脆性指数测试评价，对于不同深度、不同井段页岩气储层脆性进行综合评价。其主要缺点如下：

(1)主要基于室内试验测试数据进行分析，无法应用于现场工程参数设计。

(2)用于分析不同深度、地质力学环境下的页岩岩石脆性则存在较大的局限性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种用于页岩气井储层脆性综合评价的方法，该方法可以方便的计算页岩气井不同位置储层的脆性指数，可用于指导页岩气井压裂施工射孔层段选择。

本发明所采用的技术方案为：

一种用于页岩气井储层脆性综合评价的方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)、利用待测的页岩岩样进行三轴压缩测试实验，获取全应力-应变曲线；

(2)、根据实验获得的应力-应变全曲线，在曲线中读取峰值应力σ_a、峰值应变ε_A、残余应力σ_r、残余应变ε_B，计算弹性模量E，计算脆性跌落系数R、应力降落系数P、软化模量M；

(3)、定义脆性跌落系数R相应的脆性指标为B₁、应力降落系数P相应的脆性指标为B₂、软化模量M相应的脆性指标为B₃，并分别进行归一化处理；

(4)、通过脆性指标B₁、B₂、B₃，计算得到综合脆性指数Bd；

(5)、通过某区域代表性页岩气井地质力学参数对综合脆性指数Bd计算模型进行修正，得到适用于本区域的脆性指数计算公式Bd₃；

(6)以修正后的脆性指数计算公式Bd₃为目标函数，以测井数据中页岩动态弹性模量E、动态泊松比μ、自然伽玛API、断裂韧性K II为自变量，进行函数回归，得出Bd₃的多元回归函数Y，

其中，

式中，a、b、c、n为常数；

(7)、应用该回归函数代入不同层段储层测井解释的地质、力学参数，得到不同井段储层的综合脆性指数。

按上述技术方案，步骤3中：

B₂＝(σ_a-σ_r)/σ_a；

B₃＝1-exp(M/E)；

式中，μ-泊松比，σ₃-试验加载围压。

按上述技术方案，步骤4中：当脆性指标B₁、B₂、B₃中至少一项权重系数大时，将B₁、B₂、B₃分别赋值权重系数α、β、γ，综合脆性指数B_d1＝αB₁+βB₂+γB₃，其中，α+β+γ＝1。

按上述技术方案，还可以定义综合脆性指数B_d2＝B₁*B₂*B₃。

按上述技术方案，B_d3＝α_XB₁+β_YB₂+γ_ZB₃，式中α_X表示不同的储层中B₁的权重系数，β_Y表示不同的储层中B₂的权重系数，γ_Z表示在不同的储层中B₃的权重系数。

按上述技术方案，300＜a＜350，1＜b＜2，200＜c＜220，0.1＜n＜0.3，根据不同储层条件选取不同数值。

本发明所取得的有益效果为：

1、本方法能够反映材料在破坏前后抵抗非弹性变形的能力和丧失承载力的情况，同时可实现室内试验数据与水平井段测井解释数据的相互结合，使得该脆性指数具有综合性，适应性较强。

2、本方法考虑了页岩破坏的整体情况，综合脆性指数Bd为多因素定量评价指标，可更全面地反映不同压力条件下岩石的脆性破坏过程和特征，可以根据不同的目的选取不同参数，同时可以结合页岩气井测井资料对不同深度、不同围压、不同井段储层的脆性进行分析，突破了传统脆性评价仅考虑矿物成分、静态参数等对脆性影响的局限，具有较好的实用性。

附图说明

图1为本发明提供的三轴压缩试验示意图。

图1中，1-三轴压缩实验主体框架；2-管线；3-管线；4-轴向应变测量传感器；5-接收器；6-实验试件；7-径向应变测量传感器；8-数据线；9-实验装置总控制台；10-增压系统；11-计算机。

图2为待测页岩岩样的加卸载应力-应变曲线。

图3为应力应变示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本实施例提供了一种用于页岩气井储层脆性综合评价的方法，包括如下步骤：

(1)利用待测的页岩岩样进行三轴压缩测试实验，获取全应力-应变曲线，其中，根据图1所示的实验装置连接图，连接实验管线和数据传输线，其中，装置为实验的核心部分；连接后管线2、3和数据线8后，安装实验试件6(待测页岩岩样)，实验试件6的安装主要包括径向应变传感器和轴向应变传感器、上下压头的安装，其中，上下压头中装有接收器5，连接密封腔内部的管线，保证数据能够传入计算机11；安装好试件后，放下三轴压力试验装置的密封腔，利用增压系统10加载围压，围压加载至设定值后，稳定围压2分钟后，利用三轴压缩实验主体框架1上部的液压增压泵进行轴向应力加载，实验过程中，轴向应变测量装置4和径向应变测量传感器7记录实验过程中的应变值；利用数据传输线8将数据传输实验装置总控制台9及计算机11。实验过程中应力-应变曲线测至获得页岩的残余强度，记录页岩实验过程中的应力-应变全曲线；

(2)如图2所示，根据实验获得的应力-应变全曲线，读取峰值应力σ_a、峰值应变ε_A、残余应力σ_r、残余应变ε_B，计算弹性模量E，

E＝σ_r/ε_B (1)

根据岩石加载及卸载过程定义了脆性跌落系数R，从峰值强度对应点A到残余强度对应点B变化过程中，计算脆性跌落系数R为：

R＝-(ε_B-ε_A)/(ε_M-ε_A) (2)

其中ε_A、ε_B可在图2中直接读取，根据广义的胡克定律σ＝Eε+2μσ₃有：

ε_M＝(σ_r+σ₃-2μσ₃)/E (3)

其中：R-脆性跌落系数；

ε_A-A点所对应的峰值应变，无量纲；

ε_B-B点所对应的残余应变，无量纲；

ε_M-图2中M点所对应的应变量，无量纲；

μ-泊松比，无量纲；

σ_a-A点所对应的峰值强度，MPa；

σ_r-B点所对应的残余强度，MPa；

σ₃-试验加载围压，MPa；

E-杨氏模量，GPa。

可以看出，R的值越低，脆性特征越明显，岩石越易表现出脆性，故R可在一定程度上反映脆性破坏的难易。

脆性不仅和R有关，还和软化模量M关系密切。岩石全应力应变曲线中如图3所示，定义从峰值强度A到残余强度B段应力应变曲线的斜率为软化模量M，其中，定义软化模量M的计算公式如下：

M＝(σ_a-σ_r)/(ε_A-ε_B) (4)

根据软化模量M的不同，可将岩石分为以下四类：

(1)理想脆性：M→-∞；

(2)普通脆塑性：当-∞＜M≤-E时，脆性很强，塑性很弱，当-E＜M＜0时，塑性很强，脆性很弱；

(3)理想塑性：M＝0；

(4)应变硬化M＞0。

从图3可以看出，当弹性模量一定时，软化模量越大，脆性越弱，软化模量越小，脆性越强，软化模量M在一定程度上反映了脆性的强弱。

应力降是岩石破坏时应力由峰值强度降为残余强度的现象，应力降落的程度不同，脆性特征不同；一般认为应力降落的越快，应力降落量越大，脆性越强，如图1，定义应力降系数P如下：

P＝(σ_a-σ_r)/σ_a (5)

综上，页岩的脆性与脆性跌落系数R、应力降落系数P、软化模量M关系密切，R反映了脆性破坏的难易程度，该值越低越容易表现为脆性，P和M反映了脆性的强弱，应力降落量越大，降落速度越快，软化模量越小，脆性越强越显著，岩石破坏越充分。

(3)为此，定义R相应的脆性指标为B₁(值在0～1之间)，并进行归一化处理如下：

B₁＝exp(-R) (6)

将式(2)、(3)带入式(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)$

定义P相应的脆性指标为B₂(值在0～1之间)，并进行归一化处理如下：

B₂＝P (8)

将式(5)带入式(8)得：

B₂＝(σ_a-σ_r)/σ_a (9)

定义M相应的脆性指标为B₃(值在0～1之间)，并进行归一化处理如下：

B₃＝1-exp(M/E) (10)

式中：

M-软化模量，GPa；

E-弹性模量，GPa。

(4)当脆性指标B₁、B₂、B₃中至少一项权重系数大时，将B₁、B₂、B₃分别赋值权重系数α、β、γ，经归一化后B₁、B₂、B₃的值均从0到1逐渐增加，定义脆性总指标B_d1如下：

B_d1＝αB₁+βB₂+γB₃ (11)

且α+β+γ＝1 (12)

式中：α-B₁在总脆性指数中所占的权重

β-B₂在总脆性指数中所占的权重

γ-B₃在总脆性指数中所占的权重。

α、β、γ的取值可按同一标准取值后归一化，也可以参考研究的侧重点，一般情况下α＝β＝γ＝1/3。

如果目的性不强或主要是研究岩石脆性的相对情况(即脆性指标B₁、B₂、B₃中，三者所占的比例均不大时)，则可采用下面定义的脆性总指标B_d2：

B_d2＝B₁×B₂×B₃ (12)

(5)通过某区域代表性页岩气井地质力学参数对脆性指数计算模型(以公式11的情况为例进行说明)进行修正，得到适用于本区域的脆性指数计算公式Bd₃，

B_d3＝α_XB₁+β_YB₂+γ_ZB₃ (13)

式中，α_X表示不同的储层中B₁的权重系数，β_Y表示不同的储层中B₂的权重系数、γ_Z表示在不同的储层中B₃的权重系数。

(6)以修正后的脆性指标Bd₃为目标函数，以水平井测井数据中页岩动态弹性模量E、动态泊松比μ、自然伽玛API、断裂韧性K II为自变量，进行函数回归得出Bd1的多元回归函数Y，

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

式中，a、b、c、n为常数，其中300＜a＜350，1＜b＜2，200＜c＜220，0.1＜n＜0.3，根据不同储层条件选取不同数值，其中，a优选324.14，b优选1.67，c优选215.56，n优选0.15。

(7)应用该回归函数，代入不同层段储层测井解释的地质、力学参数，可以得到不同井段储层的综合脆性指数。

本发明方法能够反映材料在破坏前后抵抗非弹性变形的能力和丧失承载力的情况，同时可实现室内试验数据与水平井段测井解释数据的相互结合，使得该脆性指标具有综合性，实用性、适应性较强。