基于细—宏观力学的页岩脆性影响因素及表征方法研究

论文摘要

脆性评价是页岩储层可压性评价的关键环节,合理高效的页岩脆性评价体系可为页岩油气储层的高产和稳产提供重要保障。针对当前页岩脆性评价指标准确性、力学性质尺度效应规律和机理、脆性影响因素及矿场脆性方法认识模糊,缺乏深入研究的现状,本文采用美国GCTS公司生产的RTR-1000岩石三轴力学测试系统、600KN伺服试验机、美国Zeiss公司高分辨率三维X射线CT扫描系统和日本理学公司生产的D/Max2600型粉晶X射线衍射仪等先进仪器对部分鄂尔多盆地南部W区块长7段陆相页岩储层井下岩心和大量长7段野外页岩露头进行力学性质测试、细观缺陷扫描、矿物组分分析等实验,利用线性回归分析和灰色关联法对影响页岩脆性的影响因素进行了定性分析和定量计算,获得常见的评价页岩脆性力学指标的准确性,基于页岩岩样不同加载方式下的跨尺度力学试验,利用实验数据曲线拟合和岩石力学理论分析初步得到了页岩强度与变形的尺度效应规律和岩石强度尺度效应机理,基于有限元软件COMSOL和灰色数学模糊理论分析了构成页岩的细观矿物组分对宏观脆性的影响,分析了每种矿物在脆性评价时对脆性的贡献程度,并提出了一种新的结合页岩矿物组分和其脆性影响系数的脆性评价方法,同时为方便工程应用,提出了另一种考虑页岩储层力学环境和矿物组分含量的脆性新方法,以实现矿场快速准确的筛选高脆性段。结果表明:（一）页岩脆性评价指标及各评价指标准确性研究（1）围压、泊松比、弹性模量与页岩脆性呈正相关关系,峰值应变、峰值应力、破裂时间、残余应力、残余应变、差应力、破裂面条数与页岩脆性呈负相关关系;（2）峰值应变对页岩脆性评价准确性最高,弹性模量对页岩脆性评价准确性最低,中间依次为破裂时间、残余应变、峰值应力、差应力、残余应力、破裂面条数、围压、泊松比,其准确性比值依次为0.136:0.131:0.126:0.120:0.112:0.097:0.096:0.079:0.056:0.046;（二）页岩力学性质尺度效应研究（1）页岩单轴加载时,弹性模量、泊松比随岩样尺度增大而增大,峰值强度、峰值应变、残余应变、残余应力、破裂时间随岩样尺度增大而减小;不同尺度的岩样峰前为线弹性变形,应力-应变曲线斜率随岩样尺度增大而增大,峰后曲线迅速下降,但仍具有进一步抵抗外力载荷破坏的能力;不同尺度的岩样主要发生拉伸-剪切复合破坏,但发生剪切破坏时的剪切角均在10度附近,尺度越大的岩样,其破裂面条数越多;（2）页岩三轴加载试验中,泊松比随岩样尺度增大而增大,峰值强度、峰值应变随岩样尺度增大而减小,破裂面条数、残余应变、残余应力不随岩样尺度变化,三者平均值分别为2.2、2.93和36.17MPa;不同尺度的页岩峰前变形均存在线性段和屈服段,尺度越大的岩样,其应力-应变曲线峰后段下降速度越快,曲线越陡;小尺度岩样主要发生拉伸破坏,随着尺度增大,岩样主要发生剪切破坏,且剪切破坏时剪切角主要集中在45度附近;（3）巴西劈裂试验中,岩样最大载荷、破裂面条数随尺度的增大而增大,抗拉强度随岩样尺度增大而减小;不同尺度的岩样应力应变曲线均经历平缓段、线性段和峰后急速下降段;不同尺度的岩样破坏形式单一,均为拉伸破坏,尺度越大的岩样,其破裂面条数越多;（4）陆相页岩在三种加载条件下,单轴加载时强度与变形尺度效应现象最为明显,巴西劈裂试验次之,三轴加载时尺度最不明显;（5）岩石强度尺度效应是由岩石端部效应和非均质性共同决定,对于小尺度岩样,端部摩擦作用是岩石强度尺度效应的主要因素,对于大尺度岩样,岩石非均质性是岩石强度尺度效应的主要因素,合理的选择岩样尺度范围,对于研究岩石强度尺度效应规律和机理具有重要意义。（三）陆相页岩脆性影响因素及表征新方法（1）页岩矿物组分含量和分布特征、沉积力学环境等是影响页岩宏观脆性的重要因素,海相页岩硅质矿物、碳酸盐岩矿物等脆性矿物含量大,埋深较大,陆相页岩黏土矿物等延性矿物含量大,埋深浅,由于海相页岩和陆相页岩在矿物组分和埋深环境等方面的显著差异,海相页岩的脆性评价公式对陆相页岩难以适用;（2）W区块长7陆相页岩中白云石、菱铁矿、透辉石、伊利石、绿泥石、长石、石英对页岩脆性的影响逐渐减弱,脆性影响权重系数分别为0.136、0.117、0.138、0.173、0.145、0.136、0.157,权重系数相差最大不超过0.06,因此页岩脆性评价时各矿物对脆性的贡献均应予以考虑;（3）提出一种结合页岩矿物组分含量和其脆性影响系数的脆性评价新方法,并利用该方法对W区块L井进行脆性评价,指导该井压裂设计,实现了对页岩储层脆性的精确化表征;（4）提出了一种考虑页岩矿物组分和力学环境的脆性评价新方法,利用该方法指导W区块Y井压裂,压裂结果显示,新建立的脆性评价方法与储层压裂施工关联性较好,可以有效指导压裂。对页岩脆性影响因素和表征方法的研究不仅可以简化脆性评价的公式,还可以提高页岩储层脆性评价的准确性,为页岩储层评价和压裂施工等提供一定参考。

论文目录

摘要

abstract

第一章绪论

1.1 选题背景、研究目的及意义

1.1.1 选题背景

1.1.2 研究目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 岩石细观力学研究现状

1.2.2 岩石宏观力学发展现状

1.2.3 页岩力学性质尺度效应研究现状

1.2.4 页岩储层脆性评价研究现状

1.3 研究内容及创新点

1.3.1 研究内容

1.3.2 创新点

1.3.3 技术路线

第二章页岩储层脆性评价指标及各评价指标准确性研究

2.1 页岩脆性评价指标及各指标准确性评价方法

2.1.1 页岩脆性评价指标

2.1.2 页岩脆性评价指标准确性评价方法

2.2 页岩脆性评价指标准确性计算

2.2.1 页岩脆性破坏三轴应力试验

2.2.2 页岩脆性破坏试验结果分析

2.2.3 页岩脆性评价指标权重分析

2.3 本章小结

第三章页岩力学性质尺度效应研究

3.1 页岩力学性质尺度效应试验

3.1.1 试验岩心

3.1.2 试验内容

3.1.3 试验仪器及测试方式

3.2 页岩力学性质尺度效应试验结果与分析

3.2.1 页岩单轴抗压尺度效应结果与分析

3.2.1.1 页岩单轴力学参数尺度效应

3.2.1.2 页岩单轴形变特征尺度效应研究

3.2.1.3 页岩单轴加载破坏模式尺度效应研究

3.2.1.4 页岩单轴加载强度与变形尺度效应模型

3.2.2 页岩三轴抗压尺度效应结果与分析

3.2.2.1 页岩三轴加载力学参数尺度效应研究

3.2.2.2 页岩三轴加载形变特征尺度效应研究

3.2.2.3 页岩加载破坏模式尺度效应研究

3.2.3 页岩抗拉尺度效应结果与分析

3.2.3.1 页岩巴西劈裂试验力学参数尺度效应规律

3.2.3.2 页岩巴西劈裂试验破坏模式尺度效应规律

3.2.4 不同加载方式下页岩强度与变形尺度效应规律对比分析

3.3 页岩强度尺度效应机理

3.3.1 岩石强度尺度效应根源于岩样端部摩擦效应

3.3.2 岩石强度尺度效应根源于岩样端部摩擦效应

3.3.3 讨论

3.4 本章小结

第四章陆相页岩脆性影响因素及表征新方法

4.1 页岩脆性影响因素数值模拟研究

4.1.1 页岩物理模型及力学模型

4.1.2 页岩矿物组分对宏观力学性质的影响

4.1.3 页岩力学环境对宏观力学性质的影响

4.2 页岩脆性影响因素实验研究

4.2.1页岩矿物组分和力学性质测试实验

4.2.2 页岩脆性影响因素分析

4.3 页岩脆性评价新方法及其矿场应用

4.3.1 基于灰度关联分析法的页岩脆性表征方法

4.3.2 基于灰度关联分析法的页岩脆性表征方法应用

4.3.3 基于矿物组分和力学环境的页岩脆性表征方法

4.3.4 基于矿物组分和力学环境的页岩脆性表征方法应用

4.3.5 两种脆性表征新方法的比较

4.4 本章小结

第五章结论与建议

5.1 结论

5.2 建议

致谢

参考文献

攻读学位期间参加科研情况及和获得的学术成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李帅

导师: 陈军斌

关键词: 页岩,细宏观力学,脆性评价,影响因素,跨尺度表征方法

来源: 西安石油大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,石油天然气工业

单位: 西安石油大学

基金: 国家自然科学基金面上项目“基于细-宏观力学的页岩储层脆性破坏机理研究(编号:51674197)”

分类号: P618.13

总页数: 104

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