一种基于岩屑微观特征和钻井参数的储层脆性评价方法与流程

本发明涉及页岩气开发
技术领域：
，尤其涉及一种基于岩屑微观特征和钻井参数的储层脆性评价方法。
背景技术：
：自美国页岩气革命以来，非常规天然气开始大量涌入全球天然气市场，天然气市场分隔的历史格局将会被逐渐打破。天然气市场竞争日益激烈、市场流动性增强、天然气进口国议价能力增强，国际天然气市场正在走向融合，随着我国可持续发展战略进一步推进，页岩气和天然气水合物等非常规油气藏资源的勘探开发和利用也进一步推向了新高度。根据国土资源部2017年的权威声明，中国已成为与美国、加拿大鼎足而立的页岩气生产大国，页岩气在国内外的开发前景好，在国内可开发利用的潜力较大。在常规的脆性评价中，常常需要采取测井手段获取井下岩石力学参数或采取宏观岩石力学实验，而现有测取岩石宏观岩石力学实验手段主要包括单/三轴压缩试验和声波实验等技术手段获取宏观岩芯样本的全应力-应变曲线(cn201710137576-一种岩石脆性指数的获取方法及岩石的脆性评价方法，cn201610655794-一种岩石脆性试验方法)，但是以上常用的岩石学参数测取方法在页岩气钻井中具有取芯困难、测试成本高、岩芯代表性差等局限性，同时，测井可以获取井下储层的脆性评价参数(cn201610900051-岩石脆性指数获取的方法及系统，cn201410575775-一种岩石脆性的测井方法和装置-申请公开)，但是该技术手段的测试周期长，缺乏即时性，现已有学者提出应用岩屑微观特征评价页岩储层脆性的方法(cn201510799922-一种基于岩屑微观特征的页岩可压裂性评价方法)，但是没有将页岩的微观本构升级为宏观本构，无法对宏观页岩岩石力学性质进行完整和准确地表征，同时，上述常规方法中都没有建立基于钻井参数的脆性评价方法。技术实现要素：为了解决上述问题，本发明提出一种基于岩屑微观特征和钻井参数的储层脆性评价方法。具体的，一种基于岩屑微观特征和钻井参数的储层脆性评价方法，包括以下步骤；s1、对目标储层的岩屑进行粗糙度测试，根据岩屑粗糙度的定义得到基于岩屑表面粗糙度的脆性评价参数b1；s2、利用背散射电子成像(bse)和能谱分析(edx)技术，分析得到页岩矿物组分的质量百分数；s3、对岩屑进行纳米压痕实验，取得岩屑微观弹性模量e、压入硬度h，并通过硬度-颗粒堆积密度关系所得的均匀介质分析方法反演得到页岩储层微观尺度下的粘聚力cs和内摩擦角系数α，并计算出岩屑的内摩擦角s4、建立纳米压痕实验的有限元模型反向求取岩屑塑性阶段的应力-应变曲线cζ-ε，结合弹性模量e、粘聚力cs和内摩擦角建立适用岩屑的岩石力学微观本构模型，进一步基于mori-tanaka模型，根据微观本构模型得到宏观本构模型及对应的宏观弹性模量e’，粘聚力cs’，摩擦角和塑性应力应变曲线cζ-ε’，进而计算得到基于岩屑宏观岩石力学特征的脆性评价参数b2和b3；s5、利用有限元分析技术将宏观本构模型及其宏观弹性模量e’，粘聚力cs’，摩擦角塑性应力应变曲线cζ-ε’及其现场钻井信息应用于钻柱-钻头-岩石有限元数值模型，得到相关钻井参数，并求取各钻井参数的平均值和均方差s(iδ)；s6、根据现场钻井信息及其步骤s5所取得的钻井参数、平均值和均方差s(iδ)建立起基于钻井参数的页岩脆性评价模型，计算得到脆性评价参数b4；s7、根据脆性评价参数b1、b2、b3和b4建立基于钻井参数和岩屑微观特征的综合脆性评价模型，计算得到综合脆性评价参数b。进一步地，步骤s1中，所述基于岩屑表面粗糙度的脆性评价参数b1的计算公式如下：进一步地，步骤s3中，所述内摩擦角的计算公式如下：进一步地，步骤s4中,所述基于岩屑宏观岩石力学特征的脆性评价参数b2的计算公式如下：进一步地，步骤s4中，所述基于岩屑宏观岩石力学特征的脆性评价参数b3的计算公式如下：进一步地，步骤s5中，所述的现场钻井信息包括钻压wob和转盘转速vr3。进一步地，所述的钻井参数包括钻头本体的钻头进尺u3、机械钻速rop、横向力rf1&2和方钻杆处的反作用扭矩rm3。进一步地，步骤s6中，所述的脆性评价参数b4的计算公式如下：进一步地，步骤s7中，所述综合脆性评价参数b的计算公式如下：b＝π(b1,b2,b3,b4)进一步地，还包括岩屑的获取步骤：取储层特定深度的页岩岩屑，准确捞取岩屑，并按规定的时间距实测迟到时间，保证岩屑的连续性和代表性；剔除色调模糊、棱角不明显、个体较大的(非层位)假岩屑，或直接采用已取心的井下岩芯碎屑；获得原始岩屑后对岩屑进行清洗烘干，去除表面附着的钻井液；根据后续实验要求，提前筛选好实验要求尺寸范围内的碎屑岩样。本发明的有益效果在于：本发明中的页岩储层脆性评价方法简单有效、测试成本低，克服了目前页岩脆性评价手段的局限性。附图说明图1是本发明的流程图；具体实施方式为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。结合图1所示，以某区域r井相关数据为例，进一步说明。步骤①：取储层特定深度的页岩岩屑，准确捞取岩屑，并按规定的时间距实测迟到时间，保证岩屑的连续性和代表性。剔除色调模糊、棱角不明显、个体较大的(非层位)假岩屑，或直接采用已取心的井下岩芯碎屑。获得原始岩屑后对岩屑进行清洗烘干，去除表面附着的钻井液。根据后续实验要求，提前筛选好实验要求尺寸范围内的碎屑岩样。步骤②：对岩屑开展粗糙度测试，测取岩屑样本的aactual和aprojected，通过岩屑粗糙度的定义给出页岩岩屑样本脆性参数b1的表达式，经过计算得到如表1所示实验结果；式中，b1-基于岩屑表面粗糙度的脆性评价参数，aactual-被测岩屑真实表面面积，μm2，aprojected-被测岩屑投影表面面积，μm2；表1部分井深条件下脆性指数b1脆性评价参数计算表井深条件(m)实际面积/μm2表观面积/μm2b12239-2340507.135001.01432341-2342509.645001.0193步骤③：对岩屑进行背散射电子成像(bse)和能谱分析(edx)技术对岩样表面测试，得到bse背散射电子成像图和edx能谱分析图，由软件根据edx能谱和bse背散电子成像高分辨率扫描图分析得出岩屑待实验表层的相对含量fcmi,得到如下表2的待实验表层各矿物组分相对含量：表22239-2340井深条件下代表岩屑矿物组分相对含量利用扫描电镜背散射电子成像结合edx能谱分析来研究样品的微区成分变化，从而可以快速了解样品的组分和结构特征，为分析岩屑样品的矿物种类及其相对含量提供了有效的准确分析手段。步骤④：用环氧树脂冷镶处理岩屑样本后将样本固定于纳米压痕仪进行纳米压痕实验得到某深度条件下的岩屑样本载荷-位移曲线，由国际标准iso14577(metallicmaterials-instrumentedindentationtestforhardnessandmaterialsparameters-part1:testmethod)计算材料的折合模量er、弹性模量e和压入硬度h等其他微观岩石力学参数。具体的，由公式(2)计算接触刚度s、由公式(3)计算接触残余深度hc，由公式(4)计算压头-岩屑接触面积ac，由公式(5)计算折合模量er，由公式(6)计算岩屑微观尺度下的弹性模量，由公式(7)计算压入硬度h，然后根据cariouss等(cariou,s.,f.ulmandl.dormieux,hardness–packingdensityscalingrelationsforcohesive-frictionalporousmaterials.journalofthemechanicsandphysicsofsolids,2008.56(3):p.924-952.)由硬度-颗粒堆积密度关系所得出的均匀介质分析方法-式(8)和(9)反演得到页岩储层的粘聚力cs和内摩擦角系数α，进而由ganneau.f.p.等(ganneau,f.p.,g.constantinidesandf.j.u.m.ulm,dual-indentationtechniquefortheassessmentofstrengthpropertiesofcohesive-frictionalmaterials.internationaljournalofsolidsandstructures,2006(no.6):p.1727-1745.)提出的无量纲公式-式(10)计算岩屑样本的内摩擦角进而由式(11)-(12)得到页岩储层脆性参数b2、b3：具体数据处理如下：式中，a，m-载荷-位移(p-h)曲线的拟合参数，无量纲，hm-最大压深，μm，hf-卸载曲线在横轴上的截距，μm，s-接触刚度，无量纲；hc-卸载残余压入深度，μm，ε-与压头形状有关的形状参数，fm-最大载荷，n，无量纲，θ-压头半锥角，(°)，ac-压痕投影面积，μm2，β-压头校正系数，无量纲，er-折合模量，mpa；ν-岩样泊松比，无量纲，νi-金刚石压头泊松比，无量纲，ei-金刚石压头弹性模量，mpa，er-折合模量，mpa，e-岩屑微观尺度下的弹性模量，mpa，h-压入硬度，mpa，f-施加载荷，n，cijkl-刚度张量分量，无量纲，α-岩样的内摩擦系数，无量纲，cs-岩屑微观尺度下的粘聚力，mpa，无量纲，η-颗粒堆积密度，无量纲；η0-颗粒堆积密度阀值，无量纲，h-压入深度，μm，πλ-压入载荷量纲函数，πδ-接触面积量纲函数，π-量纲函数，-粘聚力量纲函数，无量纲，-岩屑微观尺度下的内摩擦角，(°)，ν-岩屑样本泊松比，无量纲；纳米压痕实验只需要较小的岩屑样本即可测取对应岩样的岩石力学性质参数，与常规宏观尺度岩石力学实验相比，具有处理方法简单快捷、准确度高、代表性强且成本较低等经济技术优点。步骤⑤：假设页岩材料服从ludwick硬化模型-式(13)(杨四辉.一种基于纳米压痕技术的材料弹塑性性能反推方法.in第11届中国cae工程分析技术年会.2015.中国广西桂林.)，正交假设若干组硬化指数n和屈服强度ζy并连同(6)中计算所得的岩屑弹性模量e代入纳米压痕有限元数值模型反向计算得到页岩塑性阶段的应力-应变曲线cζ-ε；如式(12)，取④中取得的页岩岩屑样本的弹性模量e、塑性参数曲线cζ-ε、粘聚力cs、内摩擦角建立适用页岩岩屑样本的岩石力学微观本构f1*，进而如式(13)，基于mori-tanaka模型将页岩微观本构均值化为宏观本构f2*并取得宏观本构对应的岩屑样岩石力学参数(弹性模量e’,粘聚力cs’,内摩擦角塑性阶段的应力应变曲线cζ-ε’)，进而取得基于岩屑岩石力学参数的脆性评价参数b2、b3；式中，ζ-塑性应力，mpa，ε-塑性应变，无量纲，e-微观尺度下岩屑的弹性模量，mpa，n-硬化指数，无量纲，k-硬化强度，无量纲，ζy-屈服强度，εp-塑性应变，cσ-ε-微观尺度下岩屑塑性阶段的应力应变曲线，cs'-微观尺度下岩屑的粘聚力，mpa，-微观尺度条件下岩屑的内摩擦角，(°)，e'-宏观尺度下岩屑的弹性模量，mpa，ν-岩屑泊松比，无量纲，cσ-ε'-宏观尺度下岩屑塑性阶段的应力应变曲线，cs'-宏观尺度下岩屑的粘聚力，mpa，-宏观尺度条件下岩屑的内摩擦角，(°)，b2、b3-基于岩屑微观岩石力学特征得到的页岩脆性评价参数，无量纲；步骤⑥：在有限元数值模拟软件中将⑤中的页岩宏观本构模型和岩屑宏观岩石力学参数(e’、cs’和塑性阶段应力应变曲线cζ-ε’)应用于钻柱-钻头-岩石有限元数值模型和输入现场现场钻井信息(钻压wob和转盘转速vr3)计算得到钻头本体的钻头进尺u3、横向力rf1&2和方钻杆处的反作用扭矩rm3等钻井参数，并求取各钻井参数的平均值和均方差s(iδ)，进而由计算所得的钻井参数计算脆性评价指数b4，具体计算公式如下：式中，rop-钻头的机械转速，m/r，u3-钻头进尺，m，ur3-钻头本体旋转过的角度，rad，iδ-钻头本体机械转速rop(δ＝1)，m/s；横向力rf1&2(δ＝2)，n；钻柱上节点处的反作用扭矩rm3(δ＝3)，nm，-各数据组(iδ(δ＝1,2,3))所有数据点的平均值，xi-单个数据点，n-数据点个数，s(iδ)-单个数据组内所有数据点的标准差，vr3-转盘转速，rad/s；步骤⑦：如式(20)，建立起基于⑥中所取得钻井参数的页岩脆性关联模型，并得出脆性指数b4；步骤⑧：用②-⑦中基于岩屑岩石力学特征和钻井参数获取得到的脆性评价参数b1、b2、b3和b4建立如(21)式的基于钻井参数和岩屑微观特征的储层脆性综合评价模型，为压裂选井选层和射孔优化提供理论依据；b＝π(b1,b2,b3,b4)(20)式中，b-页岩脆性综合评价参数，无量纲，bi(i＝1,2,3)-基于页岩岩屑微观特征的储层脆性评价参数，无量纲；b4-基于钻井参数的储层脆性评价参数，无量纲。当前第1页12