一种预测水化损伤页岩强度的方法与流程

本发明涉及非常规油气勘探与开发技术领域，具体涉及一种预测水化损伤页岩强度的方法。

背景技术：

页岩气，是指赋存于以富有机质页岩为主的储集岩系中的非常规天然气，是连续生成的生物化学成因气、热成因气或二者的混合，可以游离态存在于天然裂缝和孔隙中，以吸附态存在于干酪根、黏土颗粒表面，还有极少量以溶解状态储存于干酪根和沥青质中，游离气比例一般在20％～85％。

我国的埋深大于3500m的深层页岩气资源丰富，占页岩气资源的60％以上，具有良好的开发前景，但深层页岩气储层由于地应力高，压裂后形成的裂缝在高闭合压力下容易闭合，这是压裂效果差的一个重要原因。

目前深层页岩气储层水力压裂基本上大液量、大排量进行作业，大量水不会返排到地面，致使水在地下与页岩长期接触。而进入地层的水会对页岩的力学强度产生损伤，使页岩变软，导致自支撑裂缝闭合和支撑剂嵌入，这进一步加剧了深层页岩难以有效支撑的问题。

目前国内外针对深层页岩水化强度的研究较少，因此，急需建立一种预测页岩水化损伤强度的方法。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种预测结果准确性高，可以进行定量表述，方便快捷的预测页岩水化损伤强度的方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种预测水化损伤页岩强度的方法，包括以下步骤：

s1：制备目标页岩区块标准岩样n个，选取其中一个标准岩样不浸泡处理，其他n-1个标准岩样浸泡时间分别为t1、t2···tn-1；

s2：将步骤s1中浸泡后的标准岩样烘干后连同未浸泡的标准岩样一同开展三轴力学实验，根据目标区块的地应力特征确定三轴力学实验的围压，在确定的围压条件下开展三轴力学实验，获得每个标准岩样的岩石力学参数；

s3：利用步骤s2三轴力学实验结果，得到标准岩样的泊松比-浸水时间曲线和弹性模量-浸水时间曲线；

s4：利用步骤s2三轴力学实验结果，根据摩尔-库仑强度理论，确定各个标准岩样的内摩擦角，得到内摩擦角与浸泡时间的关系式；

s5：利用浸水作用下weibull分布的软化本构模型，获得浸水后的weibull分布参数m，得到页岩水化损伤后岩石抗压强度f0；

s6：根据未水化标准岩样的应力值与水化损伤的标准岩样的应力值，计算页岩水化损伤程度。

其中，步骤s1中，对标准岩样进行浸泡采用浸泡装置，所述浸泡装置包括处理系统、高精度天平、浸泡密封容器和浸泡液体，所述浸泡液体设置在所述浸泡密封容器内，待浸泡标准岩样放置在浸泡液体内进行浸泡，高精度天平与处理系统连接设置，标准岩样与高精度天平的检测端连接设置。

其中，步骤s2中，所述岩石力学参数包括抗压强度、弹性模量、泊松比和内摩擦角。

其中，步骤s3中，泊松比-浸水时间曲线和弹性模量-浸水时间曲线的表达式为：

vn＝ae^bx

en＝ce^dx

其中：x为浸水时间，d；vn为页岩水化后的泊松比，无量纲；en为页岩水化后的弹性模量，mpa；a、b、c、d为拟合参数，无量纲。

其中，步骤s4中，内摩擦角与浸泡时间的关系式为：

式中：为页岩的内摩擦角，度；其中f、g为拟合参数。

其中，步骤s5中，所述分布参数m和页岩水化损伤后岩石抗压强度f0采根据以下公式计算：

其中，步骤s6中，根据以下公式确定标准页岩的水化损伤程度：

式中：d0为标准页岩的水化损伤程度，无因次量；f为未损伤标准岩样的抗压强度，mpa。

综上所述，本发明具有以下优点：

1、采用本发明的预测方法，能够将围压和水化时间对页岩岩石力学参数的影响进行定量表述，从而达到预测水化损伤程度的效果。

2、克服了先前对于页岩水化强度损伤只能定性认识、只能采用实验测量的缺陷，采用本发明的预测方法，实现了快速预测，从而提高了现场工作效率，能够从理论上指导深层页岩压裂开发。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明浸泡装置的示意图；

图3为本发明一个实施例中岩样的浸水时间与弹性模量关系图；

图4为本发明一个实施例中岩样的浸水时间与泊松比关系图；

图5为本发明一个实施例中岩样的浸水时间与内摩擦角关系图；

其中，1、处理系统；2、高精度天平；3、浸泡密封容器；4、标准页岩岩心；5、侵泡液体。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在深层页岩勘探开发过程中，由于压裂液的注入从而使得地层页岩强度受到水化损伤，但现有技术中对页岩水化损伤强度无法定量预测，因此本发明针对此问题，提供了一种预测水化损伤页岩强度的方法。

实施例1：

图1为本发明实施例提供一种预测水化损伤页岩强度的方法流程图，如图1所示，本实施例的方法包括以下步骤：

s1：制备目标页岩区块标准岩样：制备目标页岩区块标准岩样n个，选取其中一个标准岩样不浸泡处理，其他n-1个标准岩样浸泡时间分别为t1、t2···tn-1；具体的，考虑到页岩的各项异性对岩石强度与变形的影响，制备目标页岩区块标准岩样时按照同一方向取样，标准岩样加工过程中避免用水，避免标准岩样在试验前发生水化作用。具体的，浸泡装置如说明书附图图2所示，所述浸泡装置包括处理系统1、高精度天平2、浸泡密封容器3和浸泡液体5，所述浸泡液体5设置在所述浸泡密封容器3内，待浸泡标准岩样4放置在浸泡液体5内进行浸泡，高精度天平2与处理系统1连接设置，标准岩样4与高精度天平2的检测端连接设置。

s2：将步骤s1中浸泡后的标准岩样烘干后连同未浸泡的标准岩样一同开展三轴力学实验，根据目标区块的地应力特征确定三轴力学实验的围压，在确定的围压条件下开展三轴力学实验，获得每个标准岩样的岩石力学参数；所述岩石力学参数包括抗压强度、弹性模量、泊松比和内摩擦角。

s3：利用步骤s2三轴力学实验结果，得到标准岩样的泊松比-浸水时间曲线和弹性模量-浸水时间曲线；其泊松比-浸水时间曲线和弹性模量-浸水时间曲线的表达式为：

vn＝ae^bx

en＝ce^dx

其中：x为浸水时间，d；vn为页岩水化后的泊松比，无量纲；en为页岩水化后的弹性模量，mpa；a、b、c、d为拟合参数，无量纲。

s4：利用步骤s2三轴力学实验结果，根据摩尔-库仑强度理论，确定各个标准岩样的内摩擦角，得到内摩擦角与浸泡时间的关系式；内摩擦角与浸泡时间的关系式为：

式中：为页岩的内摩擦角，度；其中f、g为拟合参数。

s5：利用浸水作用下weibull分布的软化本构模型，获得浸水后的weibull分布参数m，得到页岩水化损伤后岩石抗压强度f0；所述weibull分布的软化本构模型表达式为：

式中：σ1为三轴压缩实验中的轴向应力，mpa；σ3为三轴压缩试验中的围压，mpa；ε1为页岩水化后三轴力学试验中峰值应力对应的峰值应变，无量纲；d0为页岩损伤后程度，无量纲；v为页岩没有水化的泊松比，无量纲；为水化后页岩的内摩擦角，度；f0为页岩水化损伤后岩石抗压强度，mpa；m为weibull分布参数，无量纲。

不同围压下标准页岩水化后的m和页岩水化损伤后岩石抗压强度f0采用以下表达式计算。

s6：根据未水化标准岩样的应力值与水化损伤的标准岩样的应力值，计算不同围压、不同水化时间下页岩水化损伤程度；根据以下公式确定标准页岩的水化损伤程度：

式中：d0为标准页岩的水化损伤程度，无因次量；f为未损伤标准岩样的抗压强度，mpa。

实施例2：

下面以某页岩区块为例，对本发明实现方法作进一步详细说明，具体如下：

根据步骤s1，制备目标页岩区块标准岩样5个岩样，1个标准岩样不浸水，其余4个标准岩样分别在水中浸水3天、浸水5天、浸水10天和浸水20天。

根据步骤s2，得到该区块闭合压力为70mpa，将浸泡好的标准岩样烘干后，在围压为70mpa下开展三轴力学测试，获取各个标准岩样的岩弹性模量en、泊松比vn、内摩擦角测量结果如表1中所示。

表1三轴力学测试参数表

根据步骤s3，利用三轴岩石力学实验结果，得到泊松比-浸水时间曲线(说明书附图图3)和关系式和页岩的弹性模量-浸水时间曲线(说明书附图图4)和关系式。

围压为70mpa：

vn＝0.3406e^0.0051x

en＝27.406e^0.0179x

根据步骤s4，得到内摩擦角与浸泡时间的曲线(说明书附图图5)和关系公式。

根据步骤s5，获得浸水后weibull分布参数m和页岩水化损伤后岩石抗压强度f0。

根据步骤s6，计算在围压为70mpa下，浸泡任意时段的抗压强度，如计算15天后页岩的抗压强度为102.53mpa，未浸泡时岩样的抗压强度为150.5mpa，根据计算公式，计算得到页岩的强度损伤为31.87％。且在实验中采用直接实验测试的方法直接测试了页岩的强度损伤，实验测试结果为32.14％，由此可见看出，二者的差值较小，本发明的理论预测方法可以用于定量评估页岩的水化损伤程度。

本发明提供一种预测水化损伤页岩强度的方法，包括制备目标页岩区块标准岩样，并进行浸泡处理；将标准岩样烘干后开展三轴力学实验；利用三轴力学实验结果，得到标准岩样的泊松比-浸水时间曲线和弹性模量-浸水时间曲线；根据摩尔-库仑强度理论，确定各个标准岩样的内摩擦角，得到内摩擦角与浸泡时间的关系式；利用浸水作用下weibull分布的软化本构模型，获得浸水后的weibull分布参数m，得到页岩水化损伤后岩石抗压强度f0；计算页岩水化损伤程度。采用本方法能够将围压和水化时间对页岩岩石力学参数的影响进行定量表述，从而达到预测水化损伤程度的效果。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。