一种页岩储层Ⅰ型断裂韧性的测井评价方法与流程

本发明石油天然气勘探技术领域，具体涉及一种页岩储层i型断裂韧性的测井评价方法。

背景技术：

随着我国能源结构的调整和环境问题的日益突出，作为清洁能源的天然气越来越多的受到重视，特别是非常规油气资源，其中页岩气已成为全球非常规油气资源勘探与开发热点。2013年，美国能源信息署(eia)发布了包含美国在内的42个国家的页岩气资源评价成果报告，指出全球页岩气的技术可采资源量为220.73×10¹²m³，其中中国页岩气的技术可采资源量为31.57×10¹²m³，显示出我国页岩气资源开发潜力巨大的特点。压裂改造技术是页岩气资源的高效开发的关键技术之一，而页岩储层压裂改造效果的好坏与储层的岩石力学特征、储层性质等有较大关系。页岩储层进行压裂改造时，压裂过程中裂缝起裂和延伸是压裂的核心问题，页岩的脆性是评价压裂效果重要指标。针对页岩脆性评价方面，大量的研究学者已从室内评价、测井预测及其工程应用等方面取得了大量的认识成果，这些研究成果在页岩储层可压性评价方面起到重要作用。此外，压裂过程中裂缝起裂和延伸也受页岩断裂韧性的影响，当裂缝尖端应力强度因子超过页岩断裂韧性值时，裂缝开始扩展。这说明了页岩岩石断裂韧性也可作为页岩储层可压性的评价参数，然而基于测井信息的页岩岩石断裂韧性预测方法相对较少。

目前，关于岩石断裂韧性的测试方法，比如国际岩石力学协会推荐的岩石断裂韧性的测试方法，即1995年提出的人字型切槽巴西圆盘ccnbd，其中ccnbd方法的岩石试样体积小，且能承受较大的载荷，便于加载，容易实现i型、ii型及复合型加载。因此，人字型切槽巴西圆盘法是一种研究岩石断裂韧性的有效方法。但是，存在以下问题，首先，岩样的规格大致需求为直径为75mm、直径与厚度比例为5∶2，在实际采样中，很少有岩样满足上述直径需求，其需要较多岩样，制备岩样耗时长；其次，在实验测试过程中，需要参数多，耗时长。

技术实现要素：

本发明为了解决上述技术问题提供一种页岩储层i型断裂韧性的测井评价方法。

本发明通过下述技术方案实现：

一种页岩储层i型断裂韧性的测井评价方法，包括以下步骤：

a、制备ccnbd试样，测量该ccnbd试样的几何参数，并计算该试样的体积密度ρb；

b、测量ccnbd试样的纵波速度和横波速度以获得试样的纵波时差δtc和横波时差δts并计算试样的动态杨氏模量ed；

c、将上述纵波时差δtc、横波时差δts、动态杨氏模量ed输入页岩断裂韧性值的多元回归模型kic中得到页岩储层断裂韧性测井单井剖面；

d、根据多元回归模型kic的输出对i型断裂韧性进行评价。

作为优选，所述多元回归模型kic为：

kic＝aδtc+bδts+ced+d，其中，-0.002＜a＜0，-0.004＜b＜-0.002，-0.01＜c＜0.02，2＜d＜3。

作为优选，所述多元回归模型kic为：

kic＝-0.00112δtc-0.00333δts-0.00887ed+2.8101。

本方案的页岩断裂韧性值仅与纵波时差δtc、横波时差δts、动态杨氏模量ed相关，数据采集时，仅需采集一块岩样的上述数据，即可得出页岩断裂韧性值kic，其所需岩样数量少，采集岩样耗时短；采集数据少，岩储层i型断裂韧性的测井评价整体的耗时短，评价准确度高，满足实际测试要求。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明的评价方法整体仅需采集一块岩样，所需岩样数量少，采集岩样耗时短；仅需测试岩样的体积密度ρb、纵波时差δtc、横波时差δts的3个参数，数据测试量少，岩储层i型断裂韧性的测井评价整体的耗时短且准确度高。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。

图1为ccnbd试样加工图。

图2为图1中ccnbd试样的a-a剖视图。

图3为17组试样的纵波时差、横波时差图。

图4为17组试样的动态杨氏模量图。

图5为页岩断裂韧性与弹性参数间的关系图。

图6为页岩断裂韧性与纵波时差的关系图。

图7为页岩断裂韧性与横波时差的关系图。

图8为某地区的龙马溪组页岩断裂韧性a井的评价图。

图9为本发明的流程图。

图10为预测的页岩断裂韧性值与实测值的对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图9所示的一种页岩储层i型断裂韧性的测井评价方法，包括以下步骤：

a、制备ccnbd试样，测量该ccnbd试样的几何参数，并计算该试样的体积密度ρb；

b、测量ccnbd试样的纵波速度和横波速度以获得试样的纵波时差δtc和横波时差δts并计算试样的动态杨氏模量ed；

c、将上述纵波时差δtc、横波时差δts、动态杨氏模量ed输入页岩断裂韧性值的多元回归模型kic中得到页岩储层断裂韧性测井单井剖面，

d、根据多元回归模型kic的输出对i型断裂韧性进行评价。

实施例2

基于上述实施例的原理，本实施例公开一具体方法。

确定多元回归模型kic，其具体方法如下：

从矿场取回页岩井下或露头岩样，对岩样进行岩性描述，在此基础上，制备多组ccnbd岩样，本方案以17组岩样为例说明。

岩石断裂韧性测试的实验样品按照国际岩石力学协会isrm推荐的人字型切槽巴西圆盘ccnbd对岩样进行加工，将岩样制备为直径为75mm，直径与厚度比例为5∶2的试样，如图1、图2所示。

挑选几何尺寸满足式(1)、式(2)的ccnbd试样并计算ccnbd试样的体积密度ρb，

其中，式(1)为

式(2)为

其中，r为ccnbd试样半径，单位为mm；d为ccnbd试样直径，单位为mm；α0为无量纲初始裂纹长度，单位为mm；α1为无量纲最大切槽长度，单位为mm；αb为无量纲试样厚度，单位为mm；.αs为无量纲切割刀具半径，单位为mm；α0为ccnbd试样初始裂纹长度，，单位为mm；α1为ccnbd试样最大切槽长度，单位为mm；b为ccnbd试样厚度，单位为mm；ds为切割刀具直径，单位为mm。

采用超声波透射法对ccnbd试样进行纵波速度和横波速度进行测量，获取试样的纵波时差、横波时差，测量结果如图3所示。

计算试样的弹性参数，包括动态杨氏模量ed，

其中，为试样的动态杨氏模量，单位为gpa；、分别为试样的纵波时差、横波时差，单位为us/m；为试样的体积密度，g/cm³；为单位转换系数。17组岩样的计算结果如图4所示。

采用mts伺服刚性控制试验机对ccnbd试样进行加载试验，获取试样的载荷-位移曲线，并从该曲线中获取最大破坏载荷pmax；

结合试样的几何参数，计算标准断裂韧性，，

其中，标准断裂韧性的单位为mpa.m^0.5；最大破坏载荷pmax的单位为kn；d为试样直径，单位为cm；b为试样厚度，单位为cm；为试样的无量纲临界应力强度因子，仅由岩样的几何参数、和决定；

基于声波测试和断裂韧性测试结果，获取了页岩断裂韧性对声波属性参数的敏感性，如图5、6、7所示，其相关系数计算公式为

式中，r为相关系数，xi为第i个页岩样品断裂韧性响应参数实测值，为页岩断裂韧性响应参数所有实测值的平均值，yi为第i个页岩样品断裂韧性实测值，为页岩断裂韧性所有实测值的平均值。

根据标准断裂韧性kic1的响应规律特征，建立页岩断裂韧性值与页岩岩石纵波时差、横波时差、动态杨氏模量等多参数之间的多元回归模型kic。

kic＝-0.00112δtc-0.00333δts-0.00887ed+2.8101，其判定系数r²为0.8183。判定系数r²计算公式为

式中，yi为第i个页岩样品断裂韧性实测值，为页岩样品断裂韧性所有实测值的平均值，为拟合公式的计算值。

多次实验表明，多元回归模型kic满足下式条件时均可实现对i型断裂韧性的可靠预测。kic＝aδtc+bδts+ced+d，其中，-0.002＜a＜0，-0.004＜b＜-0.002，-0.01＜c＜0.02，2＜d＜3。

上述多元回归模型kic确定后，后期应用时：

从矿场取回页岩井下或露头岩样，对岩样进行岩性描述，在此基础上，制备1组ccnbd岩样。

岩石断裂韧性测试的实验样品按照国际岩石力学协会isrm推荐的人字型切槽巴西圆盘ccnbd对岩样进行加工，将岩样制备为直径为75mm，直径与厚度比例为5∶2的试样。

挑选几何尺寸满足式(1)、式(2)的ccnbd试样并计算ccnbd试样的体积密度ρb。

采用超声波透射法对ccnbd试样进行纵波速度和横波速度进行测量，获取试样的纵波时差、横波时差。

计算试样的弹性参数，包括动态杨氏模量ed，

将上述纵波时差δtc、横波时差δts、动态杨氏模量ed输入页岩断裂韧性值的多元回归模型kic＝-0.00112δtc一0.00333δts-0.00887ed+2.8101中得到页岩储层断裂韧性的测井单井剖面。

为了证明本方案方法的可行性，对其准确性进行了验证。具体的以13组实验数据予以证明，采用实测断裂韧性值与本方案的输出进行对比。引入相对误差e对其进行评价。

式中，vexp，i为实验中第i组样品的实测断裂韧性值，单位为mpa.m^1/2；vcal，i为采用本方案输出的第i组样品的断裂韧性值，mpa.m^1/2。

结果表明本方案的多元回归模型kic预测的页岩断裂韧性值和实测值较吻合，如图10所示，预测值的平均相对误差为8.82％，符合实际测试的使用要求。

根据多元回归模型计算得到页岩储层断裂韧性测井单井剖面，如图8所述。页岩层段的断裂韧性值剖面随深度的变化趋势与脆性指数的关系存在相反的趋势，即脆性指数增加的井段，而断裂韧性呈减小的趋势。由于岩石脆性指数越高，岩石断裂韧性越低，其储层越易进行压裂改造。这说明了断裂韧性和脆性指数一样也可用于页岩储层可压性的评价，同时也说明了构建了页岩断裂韧性预测评价方法的可靠性。

综上所述，本发明通过提供一种将断裂韧性测试、超声波测试等岩石物理测量结果和测井数据结合起来预测页岩储层i型断裂韧性的方法，从而实现了提供一种基于岩石物理测量结果和测井数据合理有效地预测页岩储层i型断裂韧性值的目的，通过本发明所提供的预测方法能够较为真实地描述出页岩储层断裂韧性特性。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。