一种基于划痕实验的页岩断裂韧性计算方法与流程

本发明涉及页岩气开发过程储层岩石力学参数实验评价领域，具体涉及一种基于划痕实验的页岩断裂韧性计算方法。

背景技术：

页岩气藏普遍采用水平井加分段水力压裂的开采模式，在水力压裂设计过程中所需的一项关键岩石力学参数即为页岩的断裂韧性。页岩的断裂韧性通常由室内实验测试得出，目前常用的实验测试方法主要有中心裂纹圆盘法、三点弯曲法和四点弯曲法。这三种方法的测试标准已较为成熟，但也存在着缺点，主要包括以下三个方面：(1)试件尺寸较小，且需要对试件预制人工裂缝，不能完全反应天然裂缝及物性变化对页岩断裂韧性的影响；(2)对试件的制样要求较高，测试结果较为离散，需进行多样次实验保证结果的可靠性；(3)实验测试结束试件完全破坏，对珍贵的井下岩心的消耗较大，经济成本高。同时，目前开采方式的页岩气井水平段的长度达到1500米，在如此大跨度的储层范围内，页岩非均质性，尤其是岩石力学性质上的非均质性更为明显。基于现有的页岩断裂韧性实验测试方法，获取全水平段的满足工程设计需要，且连续性和代表性强的断裂韧性实验参数需进行工作量巨大的实验分析工作。因而，在页岩断裂韧性参数的实验获取上，需要一种连续性更好，分析流程更简洁、高效的实验方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于划痕实验的页岩断裂韧性计算方法，该方法制样简单，实验分析耗时短，对岩心的消耗小，能够有效解决前述页岩断裂韧性实验测试面临的问题，为页岩气井水力压裂优化设计提供可靠的岩石断裂韧性实验测试数据。

为达以上技术目的，本发明通过下述技术方案实现：

一种基于划痕实验的页岩断裂韧性计算方法，依次包括以下步骤：

步骤1、选取待测层段页岩，切割为直径60～110mm，长度100～900mm的柱状岩心，完成后将岩心在60℃下充分烘干备用；

步骤2、将准备好的岩心固定于terratekmp划痕实验测试仪，并使岩心沿长轴方向呈严格水平放置；划痕测试采用平行六面体合金钢刀具，刀具与垂直方向夹角为θ(15°左右)；调整刀具上下位置，根据岩心特征设置刀具在岩心上端面的划槽深度；设定刀具进尺速率，打开进刀按钮，沿岩心柱面长轴方向进行划痕测试；监测刀具水平方向(fh)和垂直方向(fv)荷载，以及岩心表面的划槽深度(d)沿划痕轨迹方向的变化；

步骤3、将步骤2划痕测试过程监测到的水平方向(fh)、垂直方向(fv)荷载和划槽深度(d)深度数据带入如下方程，即可求得待测页岩岩心的断裂韧性：

式中：k0为划痕实验测得的页岩断裂韧性，mpa/m^1/2；fh、fv分别为划痕刀具水平方向和垂直方向所受荷载，n；w为刀具的宽度，mm；d为岩心表面的划槽深度，mm。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明方法制样难度低，测试分析过程快速简洁，测试过程仅破坏岩心浅表面，不影响岩心后续的其他测试分析；

(2)不需要对岩心进行人工预制裂缝，极大地降低了制样过程损伤对页岩断裂韧性的影响，削弱了制样过程造成的测试结果的离散型，能更真实地反应天然井下页岩的力学性质；

(3)测试岩心尺寸和表征尺度远大于传统测试方法采用的小尺寸岩样，可获得随岩心长轴剖面连续的断裂韧性曲线，更全面地反应页岩物性特征对断裂韧性参数的影响，为工程设计提供更为全面的实验支撑。

附图说明

图1划痕实验示意图。

图中：1.柱状岩心沿长轴方向剖面，2.平行六面体合金钢刀具。

图2划痕测试过程监测的刀具在水平方向和垂直方向的荷载曲线。

图3划痕测试刀具形成的划槽深度曲线。

图4本发明方法计算得到的页岩断裂韧性曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明的发明内容、特点及效果，划痕实验的页岩断裂韧性计算方法的具体步骤如下：

步骤1、选取某井下页岩岩心，使用岩石切割机将岩心切割直径106mm，长度250mm的柱状岩心，完成后将岩心在60℃下充分烘干备用；

步骤2、将准备好的岩心固定于terratekmp划痕实验测试仪，并使岩心沿长轴方向呈严格水平放置；划痕测试采用平行六面体合金钢刀具，调整刀具与垂直方向夹角为15°，刀具宽度(w)为5mm；调整刀具上下位置，保证刀具在岩心上端面的划槽深度在0.2mm左右；打开进刀按钮，沿岩心柱面长轴方向进行划痕测试，刀具进尺速率为3mm/s；监测刀具水平方向(fh)和垂直方向(fv)荷载(图2)，以及岩心表面的划槽深度(d)沿划痕轨迹方向的变化(图3)；

步骤3、将步骤2中选定的刀具参数，以及监测到的水平方向(fh)、垂直方向(fv)荷载和划槽深度(d)的实验数据带入方程(1)：

式中：k0为划痕实验测得的页岩断裂韧性，mpa/m^1/2；fh、fv分别为划痕刀具水平方向和垂直方向所受荷载，n；w为刀具的宽度，mm；d为岩心表面的划槽深度，mm；根据方程(1)求得的某井下页岩岩心沿长轴方向的断裂韧性参数如图4所示；

本发明方法测得的页岩断裂韧性参数在0.6～1.2mpa/m^1/2，随岩石沿测试剖面物性变化而有所波动，且与公开文献中采用中心裂纹圆盘法(陈建国，邓金根，袁俊亮，等.页岩储层i型和ii型断裂韧性评价方法研究[j].岩石力学与工程学报，2015：34(6)：1101-1105.)和三点弯曲法(衡帅，杨春和，郭印同，等.层理对页岩水力裂缝扩展的影响研究[j].岩石力学与工程学报，2015：34(2)：228-238.)测得的页岩断裂韧性处于同一区间，充分说明了本发明方法的有效性和可靠性；同时，相比于中心裂纹圆盘法和三点弯曲法等，本发明方法制样简单，实验分析快速，且可以提供连续的页岩断裂韧性剖面，是一种值得推广的页岩断裂韧性实验测试方法。

以上的具体实施方式已经结合附图和实施例对本发明的方法进行了详细描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，只要在不超出本发明的主旨范围内，可对实验条件与分析方法及对象进行灵活的变更，这些均属于本发明的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于划痕实验的页岩断裂韧性计算方法，该方法通过监测划痕测试过程中刀具水平方向和垂直方向荷载，以及岩心表面的划槽深度，带入页岩断裂韧性计算模型，计算页岩的断裂韧性。相比于现有的岩石断裂韧性实验测试方法，本发明方法本发明方法具有如下优势：1)岩心制样难度低，测试分析过程快速简洁；2)测试过程仅破坏岩心浅表面，不影响后续适用，岩心消耗小；3)测试岩心尺寸和表征尺度大，能极大削弱测试结果的随机性和离散性，且能够获得随岩心长轴方向连续的断裂韧性曲线剖面。本发明所述的断裂韧性测试方法能为页岩气井压裂工艺设计提供更为有效的实验支撑，是一种值得推广的页岩断裂韧性实验测试方法。

技术研发人员：李相臣;杨斌;康毅力;何志君;游利军;白佳佳;闫霄鹏;程秋洋
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：2017.03.29
技术公布日：2017.08.18