一种钻井取芯岩石断裂韧性连续定量表征方法、系统

本发明属于岩石力学试验技术与设备领域，具体涉及一种钻井取芯岩石断裂韧性连续定量表征方法、系统。

背景技术：

1、断裂韧性是反应材料抗断能力的一个固有性能指标，岩石断裂韧性是岩石断裂力学中最为重要的参数和指标，它表征岩石材料抵抗裂纹扩展的能力或产生新裂纹表面所需要克服的阻力，是油气储层岩石裂纹起裂及扩展的重要力学参数。岩石断裂韧度测试方法研究是准确获取岩石断裂韧度的重要前提，也是进行岩石断裂力学理论与应用探索的重要途径。在通过钻井取芯预测油气储层岩体的力学性质，岩石断裂韧性是目前的主要参数之一。然而，由于页岩的力学和化学不稳定性，取芯获得的页岩通常不是连续完整的，受尺寸效应、温度效应、预制裂缝尺寸和样式、加载方式、采用的试验方法以及加载设备等多种因素制约，若要准确获取岩石材料的断裂韧性十分困难。针对油气钻井取芯，研究现场如何快速准确获取岩石断裂韧性定量表征方法，现场准确获取油气储层断裂韧性剖面是油气勘探开发实践中实现突破的关键因素之一。针对上述技术问题，为了现场快速获取油气钻井取芯连续的断裂韧性剖面，减少岩心搬运过程中的扰动，本发明提供一种钻井取芯岩石断裂韧性连续定量表征方法。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有技术无法准确获取岩石材料的断裂韧性的问题，本发明提出了一种钻井取芯岩石断裂韧性连续定量表征方法，用于计算页岩层段中完整岩心和非完整岩心的断裂韧性，该方法包括：

2、获取待进行断裂韧性计算的完整岩心样品，并对所述完整岩心样品进行划痕测试，得到划痕测试期间作用在刀具上的力；所述作用在刀具上的力包括作用在切削面上的力、作用在耐磨平面上的力；

3、基于所述作用在切削面上的力、所述作用在耐磨平面上的力，计算平行于运动和垂直于运动的总切削力 f s；

4、结合所述 f s、材料的硬度以及划痕探头周长，通过尺寸效应定律、能量大小效应定律，进而得到所述完整岩心样品的断裂韧性；

5、获取待进行断裂韧性计算的非完整岩心样品，对所述非完整岩心样品进行压痕测试，得到压痕测试期间的总能量以及弹性能；所述压痕测试期间的总能量包括断裂能、弹性能、塑性能；

6、结合所述总能量、所述弹性能，计算得到塑性能，进而基于所述断裂能、所述弹性能与所述塑性能之间的关系，得到断裂能；

7、基于所述断裂能，结合临界能量释放率，计算得到所述非完整岩心样品的断裂韧性。

8、在一些优选的实施方式中，对所述完整岩心样品进行划痕测试，其方法为：

9、在划痕测试前，先对所述完整岩心样品的表面进行预处理；所述预处理包括levelling功能处理；

10、按照设定的切割速度，每次增加设定切割深度，在预处理后的完整岩心样品和所述预处理后的完整岩心样品中方向垂直于页理面的岩心进行划痕测试。

11、在一些优选的实施方式中，计算平行于运动和垂直于运动的总切削力 f s，其方法为：

12、

13、其中，为固有比能，表示切割单位体积岩石所需的能量，表示作用在切割面上的力的倾斜度，μ是摩擦系数，w表示刀具的宽度，d表示切割深度， f n表示垂直于切削运动的作用力。

14、在一些优选的实施方式中，所述完整岩心样品的断裂韧性，其获取方法为：

15、采用所述尺寸效应定律，断裂韧性可表示为：

16、

17、其中，表示等效力，等于，表示完整岩心样品的断裂韧性，表示划痕探头周长，，表示承重面积，表示材料的硬度；

18、通过使用尺寸分析和相同的探头，上述断裂韧性的表示公式改写为：

19、

20、其中，表示特征长度，表示因次分析函数；

21、定义标称强度，定义标称尺寸，可以得到：；

22、在泰勒展开之后，检索能量大小效应定律：，其中，，，表示为0时的数值，表示因次分析函数导数为0时的数值；

23、采用非线性约束优化方案函数进行优化，待收敛后得到，，，即最终所得到的完整岩心样品的断裂韧性，表示过渡尺寸；

24、非线性约束优化方案函数为：

25、

26、其中，和，ln是自然对数函数。

27、在一些优选的实施方式中，对所述非完整岩心样品进行压痕测试，其方法为：

28、在页岩层段的破裂岩心中，从垂直于层理线切割并取出页岩小块，然后将页岩小块置于树脂液体中设定时长后制成固体颗粒；

29、用砂纸和氧化铝悬浮金刚石抛光机抛光各固体颗粒的表面，以确保表面平整；然后对各固体颗粒进行矩阵压痕测试；其中，在进行压痕测试时，采用应力控制模式。

30、在一些优选的实施方式中，所述总能量、所述弹性能、所述塑性能以及所述断裂能，其计算方法为：

31、所述总能量、所述弹性能：

32、

33、

34、其中，表示弹性能，表示总能量，表示永久位移，表示压痕测试加载过程中的总能量，表示压痕测试持载过程中的总能量，、、、为设定的拟合系数，表示最大作用力，表示最大位移，表示位移，表示保持开始时的位移；

35、所述塑性能：

36、

37、其中，是塑性能；

38、所述断裂能：

39、

40、其中，表示断裂能，为不可逆能量，为总能量与弹性能之间的差。

41、在一些优选的实施方式中，基于所述断裂能，结合临界能量释放率，计算得到所述非完整岩心样品的断裂韧性，其方法为：

42、

43、

44、其中，表示非完整岩心样品的断裂韧性，表示临界能量释放率，表示折合模量，表示最大裂纹面积。

45、本发明的第二方面，提出了一种钻井取芯岩石断裂韧性连续定量表征系统，用于计算页岩层段中完整岩心和非完整岩心的断裂韧性，该系统包括：

46、完整岩心样品获取模块，配置为获取待进行断裂韧性计算的完整岩心样品，并对所述完整岩心样品进行划痕测试，得到划痕测试期间作用在刀具上的力；所述作用在刀具上的力包括作用在切削面上的力、作用在耐磨平面上的力；

47、总切削力计算模块，配置为基于所述作用在切削面上的力、所述作用在耐磨平面上的力，计算平行于运动和垂直于运动的总切削力 f s；

48、第一断裂韧性计算模块，配置为结合所述 f s、材料的硬度以及划痕探头周长，通过尺寸效应定律、能量大小效应定律，进而得到所述完整岩心样品的断裂韧性；

49、非完整岩心样品获取模块，配置为获取待进行断裂韧性计算的非完整岩心样品，对所述非完整岩心样品进行压痕测试，得到压痕测试期间的总能量以及弹性能；所述压痕测试期间的总能量包括断裂能、弹性能、塑性能；

50、断裂能计算模块，配置为结合所述总能量、所述弹性能，计算得到塑性能，进而基于所述断裂能、所述弹性能与所述塑性能之间的关系，得到断裂能；

51、第二断裂韧性计算模块，配置为基于所述断裂能，结合临界能量释放率，计算得到所述非完整岩心样品的断裂韧性。

52、本发明的第三方面，提出了一种钻井取芯岩石断裂韧性连续定量表征方法，用于计算页岩层段中完整岩心的断裂韧性，该方法包括：

53、步骤a10，获取待进行断裂韧性计算的完整岩心样品，并对所述完整岩心样品进行划痕测试，得到划痕测试期间作用在刀具上的力；所述作用在刀具上的力包括作用在切削面上的力、作用在耐磨平面上的力；

54、步骤a20，基于所述作用在切削面上的力、所述作用在耐磨平面上的力，计算平行于运动和垂直于运动的总切削力 f s；

55、步骤a30，结合所述 f s、材料的硬度以及划痕探头周长，通过尺寸效应定律、能量大小效应定律，进而得到所述完整岩心样品的断裂韧性。

56、本发明的第四方面，提出了一种钻井取芯岩石断裂韧性连续定量表征方法，用于计算页岩层段中非完整岩心的断裂韧性，该方法包括：

57、步骤b10，获取待进行断裂韧性计算的非完整岩心样品，对所述非完整岩心样品进行压痕测试，得到压痕测试期间的总能量以及弹性能；所述压痕测试期间的总能量包括断裂能、弹性能、塑性能；

58、步骤b20，结合所述总能量、所述弹性能，计算得到塑性能，进而基于所述断裂能、所述弹性能与所述塑性能之间的关系，得到断裂能；

59、步骤b30，基于所述断裂能，结合临界能量释放率，计算得到所述非完整岩心样品的断裂韧性。

60、本发明的有益效果：

61、本发明实现了岩石材料的断裂韧性的准确获取。

62、本发明通过对钻井取芯进行完整岩心和破碎岩心分类描述，然后分别对完整岩心进行划痕测试，对破碎岩心（即非完整岩心）进行压痕测试；测试后，对完整岩心，计算平行于运动和垂直于运动的总切削力，结合材料的硬度及划痕探头周长，通过尺寸效应定律、能量大小效应定律，进而得到完整岩心样品的断裂韧性；对非完整岩心，计算得到塑性能，并基于断裂能、弹性能与塑性能之间的关系，得到断裂能，进而结合临界能量释放率，计算得到非完整岩心样品的断裂韧性；进而提升了岩石材料的断裂韧性获取的准确性，实现了油气钻井取芯连续的断裂韧性剖面的快速获取，减少岩心搬运过程中的扰动。