一種基於劃痕實驗的頁巖斷裂韌性計算方法與流程

2023-10-08 12:44:59 1

本發明涉及頁巖氣開發過程儲層巖石力學參數實驗評價領域，具體涉及一種基於劃痕實驗的頁巖斷裂韌性計算方法。

背景技術：

頁巖氣藏普遍採用水平井加分段水力壓裂的開採模式，在水力壓裂設計過程中所需的一項關鍵巖石力學參數即為頁巖的斷裂韌性。頁巖的斷裂韌性通常由室內實驗測試得出，目前常用的實驗測試方法主要有中心裂紋圓盤法、三點彎曲法和四點彎曲法。這三種方法的測試標準已較為成熟，但也存在著缺點，主要包括以下三個方面：(1)試件尺寸較小，且需要對試件預製人工裂縫，不能完全反應天然裂縫及物性變化對頁巖斷裂韌性的影響；(2)對試件的制樣要求較高，測試結果較為離散，需進行多樣次實驗保證結果的可靠性；(3)實驗測試結束試件完全破壞，對珍貴的井下巖心的消耗較大，經濟成本高。同時，目前開採方式的頁巖氣井水平段的長度達到1500米，在如此大跨度的儲層範圍內，頁巖非均質性，尤其是巖石力學性質上的非均質性更為明顯。基於現有的頁巖斷裂韌性實驗測試方法，獲取全水平段的滿足工程設計需要，且連續性和代表性強的斷裂韌性實驗參數需進行工作量巨大的實驗分析工作。因而，在頁巖斷裂韌性參數的實驗獲取上，需要一種連續性更好，分析流程更簡潔、高效的實驗方法。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種基於劃痕實驗的頁巖斷裂韌性計算方法，該方法制樣簡單，實驗分析耗時短，對巖心的消耗小，能夠有效解決前述頁巖斷裂韌性實驗測試面臨的問題，為頁巖氣井水力壓裂優化設計提供可靠的巖石斷裂韌性實驗測試數據。

為達以上技術目的，本發明通過下述技術方案實現：

一種基於劃痕實驗的頁巖斷裂韌性計算方法，依次包括以下步驟：

步驟1、選取待測層段頁巖，切割為直徑60～110mm，長度100～900mm的柱狀巖心，完成後將巖心在60℃下充分烘乾備用；

步驟2、將準備好的巖心固定於terratekmp劃痕實驗測試儀，並使巖心沿長軸方向呈嚴格水平放置；劃痕測試採用平行六面體合金鋼刀具，刀具與垂直方向夾角為θ(15°左右)；調整刀具上下位置，根據巖心特徵設置刀具在巖心上端面的劃槽深度；設定刀具進尺速率，打開進刀按鈕，沿巖心柱面長軸方向進行劃痕測試；監測刀具水平方向(fh)和垂直方向(fv)荷載，以及巖心表面的劃槽深度(d)沿劃痕軌跡方向的變化；

步驟3、將步驟2劃痕測試過程監測到的水平方向(fh)、垂直方向(fv)荷載和劃槽深度(d)深度數據帶入如下方程，即可求得待測頁巖巖心的斷裂韌性：

式中：k0為劃痕實驗測得的頁巖斷裂韌性，mpa/m1/2；fh、fv分別為劃痕刀具水平方向和垂直方向所受荷載，n；w為刀具的寬度，mm；d為巖心表面的劃槽深度，mm。

與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：

(1)本發明方法制樣難度低，測試分析過程快速簡潔，測試過程僅破壞巖心淺表面，不影響巖心後續的其他測試分析；

(2)不需要對巖心進行人工預製裂縫，極大地降低了制樣過程損傷對頁巖斷裂韌性的影響，削弱了制樣過程造成的測試結果的離散型，能更真實地反應天然井下頁巖的力學性質；

(3)測試巖心尺寸和表徵尺度遠大於傳統測試方法採用的小尺寸巖樣，可獲得隨巖心長軸剖面連續的斷裂韌性曲線，更全面地反應頁巖物性特徵對斷裂韌性參數的影響，為工程設計提供更為全面的實驗支撐。

附圖說明

圖1劃痕實驗示意圖。

圖中：1.柱狀巖心沿長軸方向剖面，2.平行六面體合金鋼刀具。

圖2劃痕測試過程監測的刀具在水平方向和垂直方向的荷載曲線。

圖3劃痕測試刀具形成的劃槽深度曲線。

圖4本發明方法計算得到的頁巖斷裂韌性曲線。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例進一步詳細說明本發明的發明內容、特點及效果，劃痕實驗的頁巖斷裂韌性計算方法的具體步驟如下：

步驟1、選取某井下頁巖巖心，使用巖石切割機將巖心切割直徑106mm，長度250mm的柱狀巖心，完成後將巖心在60℃下充分烘乾備用；

步驟2、將準備好的巖心固定於terratekmp劃痕實驗測試儀，並使巖心沿長軸方向呈嚴格水平放置；劃痕測試採用平行六面體合金鋼刀具，調整刀具與垂直方向夾角為15°，刀具寬度(w)為5mm；調整刀具上下位置，保證刀具在巖心上端面的劃槽深度在0.2mm左右；打開進刀按鈕，沿巖心柱面長軸方向進行劃痕測試，刀具進尺速率為3mm/s；監測刀具水平方向(fh)和垂直方向(fv)荷載(圖2)，以及巖心表面的劃槽深度(d)沿劃痕軌跡方向的變化(圖3)；

步驟3、將步驟2中選定的刀具參數，以及監測到的水平方向(fh)、垂直方向(fv)荷載和劃槽深度(d)的實驗數據帶入方程(1)：

式中：k0為劃痕實驗測得的頁巖斷裂韌性，mpa/m1/2；fh、fv分別為劃痕刀具水平方向和垂直方向所受荷載，n；w為刀具的寬度，mm；d為巖心表面的劃槽深度，mm；根據方程(1)求得的某井下頁巖巖心沿長軸方向的斷裂韌性參數如圖4所示；

本發明方法測得的頁巖斷裂韌性參數在0.6～1.2mpa/m1/2，隨巖石沿測試剖面物性變化而有所波動，且與公開文獻中採用中心裂紋圓盤法(陳建國，鄧金根，袁俊亮，等.頁巖儲層i型和ii型斷裂韌性評價方法研究[j].巖石力學與工程學報，2015：34(6)：1101-1105.)和三點彎曲法(衡帥，楊春和，郭印同，等.層理對頁巖水力裂縫擴展的影響研究[j].巖石力學與工程學報，2015：34(2)：228-238.)測得的頁巖斷裂韌性處於同一區間，充分說明了本發明方法的有效性和可靠性；同時，相比於中心裂紋圓盤法和三點彎曲法等，本發明方法制樣簡單，實驗分析快速，且可以提供連續的頁巖斷裂韌性剖面，是一種值得推廣的頁巖斷裂韌性實驗測試方法。

以上的具體實施方式已經結合附圖和實施例對本發明的方法進行了詳細描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，並不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，只要在不超出本發明的主旨範圍內，可對實驗條件與分析方法及對象進行靈活的變更，這些均屬於本發明的保護範圍之內。