一种基于岩屑微观特征的页岩可压裂性评价方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种基于岩屑微观特征的页岩可压裂性评价方法，属于非常规油气开 发的技术领域，尤其针对于页岩气开发领域。
【背景技术】
[0002] 随着我国国民经济的持续高速发展，我国成为世界第二大原油进口国，对外依存 度已逼近60%。因此，在加大油气新区新领域的勘探开发力度的同时，寻找新型接替能源已 经成为保障国家能源安全和国家安全的重要战略举措。为了实现我国能源工业的可持续发 展，需加强页岩油气、煤层气和天然气水合物等非常规油气资源的勘探开发和利用。我国主 要盆地地区的页岩气资源量约为15万亿~30万亿立方米，经济价值巨大，可开发利用的潜 力大。
[0003] 与常规的油气开采不同，页岩的开发手段主要依靠长水平井大规模水力压裂。页 岩的脆性和初始损伤程度对压裂的效果影响显著，也是评价页岩储层力学特性的关键指 标，对井壁的稳定性也会产生显著的影响。因此对页岩储层的可压裂性进行科学准确地评 价直接关系到页岩油气的开发效果。
[0004] 现有的页岩可压裂性室内评价技术考虑因素较为简单。常见的方法主要基于岩石 矿物组分、岩石力学参数和岩石断裂面特征等。上述方法难W反映页岩的初始损伤复杂、层 理极为发育、成分非均质等特性，导致在压裂设计时层位选择盲目，施工过程中井下事故频 发、体积压裂效果差等后果。而且，破碎性地层取忍率低，能用于力学实验的全直径岩样少， 总实验成本高、代表性差。故急需一种新型的综合评价页岩可压裂性的方法用W指导页岩 气压裂开发设计，该方法简单有效，成本低。
[000引另一方面，相关岩石组分定量分析测试、室内力学测试、激光和电子扫描岩石表面 裂缝成像技术发展迅猛，为本方法奠定了实验基础。本方法设及到相关技术有:X射线衍射 技术、纳米压痕技术、扫描电镜测试技术、3D激光扫描技术。
[0006] X射线衍射技术经过多年的研究，已经标定了各种矿物的标准图谱，包括石英、钟 长石、斜长石、方解石、白云石、黄铁矿等近30种矿物成分。相关X射线图谱分析软件商业化 程度高，能快速、准确地分析得到岩石样品的矿物种类及其相对含量。
[0007] 纳米压痕技术也称深度敏感压痕技术，特别适用于测量微小体积材料力学参数， 可在纳米尺度上测量材料的各种力学性质，如载荷-位移曲线、弹性模量等，是现阶段最准 确最常用的测试材料力学性质的方法之一。VikasKumar,CarlH.Sondergeld和化an化a S.Rai等人曾成功地利用纳米压痕技术测得了页岩的硬度、弹性模量等一系列参数化umar V,SondergeldCH,RaiCS.Nanotomacromechanicalcharacterizationofshale [C]//SPEAnnualTechnicalConferenceandExhibition.SocietyofPetroleum Engineers, 2012.)。其工作原理为将一特定形状和尺寸的压头在计算机控制的垂直压力作 用下压入试样，通过压头载荷的连续变化，实时监测压深量，可W获得小到纳米级的压深。 当压力撤除后，通过测量压痕的断截面面积，人们可W得到被测材料的硬度和其他力学参 数。近年来，该技术在岩石材料力学参数测量方面也应用广泛，只需较小的岩样碎片即可测 得对应岩样的力学性质。纳米压痕技术与传统井下取忍和野外露头取样进行力学实验相 比，具有处理方法简单快捷，且准确度高，代表性强，费用更低等优点。
[0008] 扫描电镜测试技术在石油工程领域，被大量应用于与岩石微观形貌有关的研究， 是一项成熟的微观观察分析技术。通过此技术，研究人员可获得岩石裂缝的具体形态特征。 大量研究人员通过实验和理论研究，认为岩石微观裂缝的形态近似符合分形理论相关特 征。岩石裂缝的形态、内在的复杂程度、不规则等特性在统计学上均具有自相似性(陆冰洋. 岩石类材料损伤演化的分形几何行为特征及其分形机理研究[D].贵州大学，2007 .)。自二 十世纪屯十年代法裔美国数学家曼德尔布罗特(MandelbrotBB.)创立分形几何学W来 (MandelbrotBB.Thefractalgeometryofna1:ure[M].Macmillan, 1983.)，分形在理论 和应用方面都取得了很大的发展。在地层石油裂缝研究领域，分形为石油能源的充分开采 提供了新的方法，且应用随机分形描述页岩裂缝形态的发展已经比较成熟。故可引入分形 理论对岩石形成裂缝的复杂程度进行科学定量评价。
[0009] 3D激光扫描技术是20世纪90年代中期发展起来的高新技术，利用激光测距原理， 记录被测物体表面大量密集的点的Ξ维坐标、反射率、纹理等信息，复建出被测物体表面准 确起伏模型。3D激光扫描技术具有精度高，扫描速度快等特点。在岩石表面特征和裂缝特征 研究方面，复建得到被测岩样表面模型后，经过软件处理即可计算得出物体表面真实表面 积，并结合断裂面投影面积求得粗糖度。粗糖度也是实际材料破坏时的临界扩展力与理想 脆性材料的临界扩展力之比的脆性指数。粗糖度越大，其开裂消耗的非弹性能越大，岩石的 脆性就越小(严安，吴科如，张东，姚武.高强混凝±的脆性与断裂面特征的关系[J].同济大 学学报（自然科学版），2002,01:66-70.)。
[0010] 上述技术、理论已经被多次应用于石油相关领域，尤其是非常规油气开发领域，且 基础研究充分，技术规范完善，基础设备商用化程度高。本专利方法将上述研究手段有机地 结合起来，针对取忍碎屑、钻井岩屑进行系统地评价，用W指导非常规油气资源的开发。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的在于有效地评价页岩储层的可压裂性，克服现有技术仅针对影响缝 网形成的单一因素进行分析、实验成本昂贵、钻井取忍率低且耗时长等缺陷，提出一种基于 岩屑微观特征的页岩可压裂性评价方法。本方法综合岩石矿物组分、微观力学性质、裂缝分 形特征、岩屑表面粗糖度四方面因素。评价方法直观可靠，准确有效，需要岩石样品少，有利 于现场推广和应用，对于页岩气或致密砂岩气开发的理论研究和现场应用都具有积极的指 导意义。
[0012] 本发明的目的通过W下技术方案来实现：
[0013] 本发明一种基于岩屑微观特征的页岩可压裂性评价方法，该方法包括W下步骤：
[0014] ①取油气井中储层特定深度的页岩岩屑，准确拱取岩屑，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，剔除假岩屑（非目的层的岩屑）；或直接采用已取屯、 的井下岩屯、的碎屑。
[0015] ②对岩屑进行X射线衍射实验，得到岩样的X射线衍射图谱，通过计算机软件分析 得出全岩矿物的相对含量，根据刘致水等巧IJ致水，孙赞东.新型脆性因子及其在泥页岩储 集层预测中的应用[J].石油勘探与开发，2015,01:117-124.)提出的基于矿物组成的脆性 评价方法，计算出该层段岩屑矿物脆性指数Ii。
[0016]③对岩屑进行纳米压痕测试，根据测试结果求得岩屑硬等微观力学参数。定义了 一个页岩微观力学参数评价因子G，G与页岩弹性模量及泊松比有关，计算方法见公式（1)， 再根据类似于化ckman基于岩石力学参数的脆性评价方法(RickmanR,MullenM,化treE, etal.APracticalUseofShalePetrophysicsforStimulationDesign Optimization：AllShalePlaysAreNotClonesoftheBarnettShale.SPE115258， SPEAnnualTechnicalConferenceandExhibition,21-24September,Denver, Colorado，USA，2008)，求得微观力学脆性指数l2,相关计算公式如下：<