一種計算巖石Ⅱ型斷裂韌性的方法
2023-05-15 12:48:21 1
專利名稱：一種計算巖石Ⅱ型斷裂韌性的方法
技術領域：
本發明涉及深部地層的一種計算巖石II型斷裂韌性的方法。
背景技術：
巖石斷裂韌性在石油工程，如水力壓裂、井壁穩定問題、節理性巖層穩定、巖土爆破以及巖石鑽井設備設計等方面都有很廣泛的應用。
水力壓裂作為油氣增產的主要措施已被廣泛應用於現代石油工程，對低滲油氣藏的生產起到了重要的作用。同時在地熱資源、核廢料的儲存等其他領域也起到了重要應用。水力壓裂力學理論是建立在對深部地層中裂紋擴展特性認識的基礎上。由於巖石是一種主要呈脆性的材料，因此常常採用線彈性斷裂力學理論來分析水力壓裂裂縫擴展行為。巖石的斷裂韌性是水力壓裂模型中重要參數之一。
根據裂紋開裂的位移形態可將裂紋分為三種類型，即張開型、錯開型和撕開型，又稱I型、II型、III型裂紋。
張開型(I型)在垂直於裂縫面拉應力的作用下，使裂縫張開而擴展，如圖1中的a所示；滑開型(II型)在平行於裂縫表面而垂直於裂紋前緣的剪應力作用下，使裂縫滑開而擴展，如圖1中的b所示；撕開型(III型)在既平行於裂縫表面又平行於裂縫前緣的剪應力作用下，使裂紋撕開而擴展，如圖1中的c所示。
任何一種裂紋變形狀態均可由這三種基本形式迭加得到。與裂縫形態相對應的巖石斷裂臨界應力強度因子分別被稱為I型、II型和III型巖石斷裂韌性。
在實際的水力壓裂中，即使I型為最主要加載條件，但實際工程的斷裂問題仍涉及II型及I-II複合型斷裂，也就是存在II型以及I-II複合型斷裂韌性的問題。為獲取準確的巖石II型斷裂韌性，可預測水力壓裂裂縫從開始起裂、裂縫擴展過程中在地層空間的彎曲幾何形態，從而可計算出裂縫寬度分布和裂縫面摩阻大小，為壓裂支撐劑和壓裂液性能設計提供科學的基礎，可保證壓裂支撐劑有效分布在水裂裂縫面上，形成有效的洩油通道，而不是堵在井壁裂縫口處造成壓裂作業失效。
目前巖石II型斷裂韌性數據通過常壓條件下斷裂韌性測試獲得，在礦山工程中由於巖石所處深度很淺(常小於100米)，且容易獲得地層巖石，所以可簡單地通過常規測試獲得II型斷裂韌性。但是對於石油工程，巖石埋藏比較深(已經達到7000m)，巖石的性狀與地壓因素關係密切，巖石處於一定的地應力場中，其組成和結構不是人工所能改變的，斷裂韌性隨圍壓(主要是地應力)變化而變化。油田同一層系地層深度、組成和地應力在地層空間都會發生變化，因此有限的深部地層巖石II型斷裂韌性測試值不具有廣泛的代表性。此外對於每一口水力壓裂井的深部地層進行鑽取巖芯實驗測試巖石斷裂韌性不切實際，因大規模鑽取巖芯的成本十分昂貴。所以目前由於深部地層斷裂韌性的缺乏，很大程度上限制了各種水力壓裂模型的使用和模型預測的精度。
根據斷裂力學理論，巖石的II型斷裂是剪切斷裂，其難易程度在宏觀上與巖石抗剪強度(粘聚力)有關，而大量巖石力學實驗證明粘聚力與抗壓強度有很好的相關性，因此II型斷裂韌性與巖石的抗壓強度有一定的聯繫。在石油工程中，深部地層巖石的粘聚力和地應力可通過石油測井資料解釋獲得，將深部地層巖石在圍壓條件下測得的II型斷裂韌性與巖石抗壓強度和地應力建立相關的關係式，在後續的其它油水井壓裂設計中，結合相應地層的測井資料可計算出II型斷裂韌性。這可以有效解決上述問題。
為此本發明中的創作人憑藉其多年從事相關行業的經驗與實踐，並經潛心研究與開發，終於創造出一種計算巖石II型斷裂韌性的方法。
發明內容
本發明的目的在於提供一種計算巖石II型斷裂韌性的方法，利用該方法可以有效解決上述問題。
本發明中計算巖石II型斷裂韌性的方法包括有下列步驟1)測試巖石的II型斷裂韌性；2)測試巖石的抗壓強度；3)建立巖石II型斷裂韌性計算模型；4)利用步驟3)中的計算模型獲得巖石II型斷裂韌性。
所述步驟1)中測試巖石II型斷裂韌性的方法包括下列步驟1)使用金剛石切片機巖芯切割成厚度不等的圓盤形巖芯段，使用車床把切下的巖芯段兩個端面車平，把柱面車圓，使柱面比較光滑，然後在圓盤正中心使用鑽頭鑽取一個貫穿孔，最後通過中心的貫穿孔加工合適的預製初始裂縫，初始預製裂縫長度和試件直徑比分別在0.1-0.3之間；2)在預製裂縫中放入充填物(如牛皮紙等)，並使用水泥漿把試件端面抹平，最後在表面及裂縫處均勻塗抹防油油漆；3)把試件放入圍壓缸，並固定在底座上，使初始裂縫與軸向加載P呈確定角度θ，其中II型斷裂韌性的計算公式為KII=pfaRBNII]]>無因次應力強度因子NII為NII=[2+(8cos2-5)(aR)2]sin2]]>所述步驟2)中測試巖石抗壓強度的方法包括下列步驟1)用金剛石取芯鑽頭在與加工斷裂韌性試件相同的巖芯上套取一個圓柱形試樣，然後將圓柱形試樣的兩端車平、磨光，使巖樣的長徑比為一確定值；2)將試樣在材料試驗機上進行壓縮試驗，記錄巖石破壞時的應力，即抗壓強度。
所述步驟3)中建立巖石II型斷裂韌性計算模型的方法包括下列步驟1)將抗壓強度、圍壓和II型斷裂韌性值組成多行三列的數據序列；2)對上述步驟中的數據序列進行多元非線性回歸，得出巖石II型斷裂韌性KIIC、圍壓Pc和抗壓強度UCS之間關係KIIC＝0.0956Pc+0.0115UCS-0.0820其中抗壓強度UCS＝(0.0045+0.0035Vcl)Ed圍壓Pc＝σh-Pp。
本發明中獲取了準確的巖石II型斷裂韌性後，可很大程度的提高各種水力壓裂模型的預測精度。可預測水力壓裂裂縫從開始起裂、裂縫擴展過程中在地層空間的彎曲幾何形態，從而可計算出裂縫寬度分布和裂縫面摩阻大小，為壓裂支撐劑和壓裂液性能設計提供科學的基礎，可保證壓裂支撐劑有效分布在水裂裂縫面上，形成有效的洩油通道，而不是堵在井壁裂縫口處造成壓裂作業失效。
圖1是現有裂縫三種類型的具體示意圖；圖2本發明中巴西圓盤斷裂韌性試驗試件的尺寸圖；圖3是本發明中圍壓壓下斷裂韌性實驗的裝置圖。
具體實施例方式
下面將結合附圖對本發明中的具體實施例作進一步詳細說明。
本發明中計算巖石II型斷裂韌性的方法，包括下列步驟1.針對一個油田開發區域的油層及上下隔層，通過圍壓條件下的斷裂韌性測試，獲得不同圍壓下巖石斷裂韌性，其具體操作如下1)使用金剛石切片機把直徑100mm左右的巖芯切割成厚度為30-50mm不等的圓盤形巖芯段，使用車床把切下的巖芯段兩個端面車平，把柱面車圓，使柱面比較光滑，然後在圓盤正中心使用直徑為5mm左右鑽頭鑽取一個貫穿孔，最後通過中心的貫穿孔加工合適的預製初始裂縫，初始預製裂縫長度和試件直徑比分別在0.1-0.3之間不等。
2)在預製裂縫中放入充填物(如牛皮紙等)，並使用水泥漿把試件端面抹平，最後在表面及裂縫處均勻塗抹防油油漆，以防止施加圍壓時液壓油進入試件和初始預製裂縫中。
3)把試件放入圍壓缸，使用502瞬間強力膠將其固定在底座上，使初始裂縫與軸向加載P呈確定角度θ，θ的確定方法如下對於圓盤的半徑為R，厚度為B，初始裂縫的長度為2a的圓盤形試件，如圖2所示，其II型斷裂韌性的計算公式KII=pfaRBNII---(1)]]>其中NII是無因次應力強度因子，NII的大小與無因次切口長度a/R和預製裂縫與加載方向的夾角θ有關。P為施加的徑向載荷。
對於滿足a/R小於等於0.3的微小裂縫，NII的近似多項式NII=[2+(8cos2-5)(aR)2]sin2---(2)]]>在純剪切狀態平面，對於給定的a/R，我們可以很方便地計算出發生純剪切狀態時預製裂縫與加載方向需要的夾角θ。
4)使用圍壓泵給圍壓缸增壓直至預定圍壓pc，當試驗開始時，加載的徑向壓力由MTS816巖石測試系統的伺服液壓增壓器提供，通過增壓器控制器緩慢、勻速地提高壓力(壓力升高速率可以控制在0.1-0.2MPa/s之間)，直到巖樣破裂，注液過程中，與控制器相連的計算機數據採集系統自動記錄壓力、注入體積等參數。確定巖樣破裂壓力pf。巖樣破裂後，打開洩油口，放出液壓油，使圍壓降至為0，然後把把圍壓缸與高壓氮氣源接通，使用高壓氮氣把圍壓缸中的液壓油吹出，即可取出巖芯，進行下一輪實驗，如圖3所示；5)根據(2)式，由確定的a/R和θ計算NII，再根據(1)式計算出II型斷裂韌性，見表1。
表1不同圍壓下II型斷裂韌性測試巖樣尺寸和試驗結果 2、進行抗壓強度測試
1)用金剛石取芯鑽頭在與加工斷裂韌性試件相同的巖芯上套取一個φ25mm的圓柱形試樣，然後將圓柱形試樣的兩端車平、磨光，使巖樣的長徑比為1.5；2)將試樣在材料試驗機上進行壓縮試驗，記錄巖石破壞時的應力，即抗壓強度(見表1)。
3、建立巖石II型斷裂韌性的計算模型，具體包括下列步驟1)對表1的抗壓強度、圍壓和II型斷裂韌性值組成多行三列的數據序列；2)對1)中的數據序列進行多元非線性回歸，得出巖石II型斷裂韌性KIIC、圍壓Pc和抗壓強度UCS之間關係KIIC＝0.0956Pc+0.0115UCS-0.0820(3)由上面的式子可知，若已知地層深處巖石的所受圍壓與抗壓強度，就可利用上面的公式來確定巖石斷裂韌性，而圍壓與抗壓強度可由測井獲得。
3)抗壓強度的計算砂泥巖的抗壓強度UCS和動態彈性模量Ed以及巖石的泥質含量Vcl之間的一般關係(大量的巖石力學試驗已證明)UCS＝(0.0045+0.0035Vcl)Ed(4)式中巖石的動態彈性模量Ed以及泥質含量Vcl在巖石力學測井解釋結果圖上可獲得。
4)圍壓Pc的計算圍壓Pc可由下式計算Pc＝σh-Pp(5)式中σh為最小水平地應力，在巖石力學測井解釋結果圖上可獲得；Pp為地層巖石孔隙流體壓力，由採油廠提供。
4、利用步驟3中的計算模型(3)獲得巖石II型斷裂韌性。
下面進一步舉例說明利用本發明中計算模型具體計算某一地層的II型斷裂壓力的方法，具體如下某一待壓裂地層，油層、上隔層和下隔層的巖石力學測井解釋結果見表2。
表2待壓裂地層巖石力學測井解釋結果
1)算巖石的抗壓強度油層、上隔層和下隔層的動態彈性模量以及泥質含量代入公式(4)，得巖石的抗壓強度，見表3表3待壓裂地層巖石抗壓強度
2)計算巖石的圍壓；油層、上隔層和下隔層的最小水平地應力以及巖石孔隙流體壓力代入公式(5)，得巖石的抗壓強度，見表4表4待壓裂地層圍壓
3)計算巖石的II型斷裂韌性。
將巖石的圍壓與抗壓強度代入公式(3)計算巖石II型斷裂韌性，見表5表5待壓裂地層巖石的II型斷裂韌性
權利要求
1.一種計算巖石II型斷裂韌性的方法，包括有下列步驟1)測試巖石的II型斷裂韌性；2)測試巖石的抗壓強度；3)建立巖石II型斷裂韌性計算模型；4)利用步驟3)中的計算模型獲得巖石II型斷裂韌性。
2.根據權利要求1中所述的計算巖石II型斷裂韌性的方法，其特徵在於所述步驟1)中測試巖石II型斷裂韌性的方法包括下列步驟1)使用金剛石切片機巖芯切割成厚度不等的圓盤形巖芯段，使用車床把切下的巖芯段兩個端面車平，把柱面車圓，使柱面比較光滑，然後在圓盤正中心使用鑽頭鑽取一個貫穿孔，最後通過中心的貫穿孔加工合適的預製初始裂縫，初始預製裂縫長度和試件直徑比分別在0.1-0.3之間；2)在預製裂縫中放入充填物(如牛皮紙等)，並使用水泥漿把試件端面抹平，最後在表面及裂縫處均勻塗抹防油油漆；3)把試件放入圍壓缸，並固定在底座上，使初始裂縫與軸向加載P呈確定角度θ，其中II型斷裂韌性的計算公式為KII=pfaRBNII]]>無因次應力強度因子NII為NII=[2+(8cos2-5)(aR)2]sin2.]]>
3.根據權利要求2中所述的計算巖石II型斷裂韌性的方法，其特徵在於所述步驟2)中測試巖石抗壓強度的方法包括下列步驟1)用金剛石取芯鑽頭在與加工斷裂韌性試件相同的巖芯上套取一個圓柱形試樣，然後將圓柱形試樣的兩端車平、磨光，使巖樣的長徑比為一確定值；2)將試樣在材料試驗機上進行壓縮試驗，記錄巖石破壞時的應力，即抗壓強度。
4.根據權利要求3中所述的計算巖石II型斷裂韌性的方法，其特徵在於所述步驟3)中建立巖石II型斷裂韌性計算模型的方法包括下列步驟1)將抗壓強度、圍壓和II型斷裂韌性值組成多行三列的數據序列；2)對上述步驟中的數據序列進行多元非線性回歸，得出巖石II型斷裂韌性KIIC、圍壓Pc和抗壓強度UCS之間關係KIIC＝0.0956Pc+0.0115UCS-0.0820其中抗壓強度UCS＝(0.0045+0.0035Vcl)Ed圍壓Pc＝σh-Pp。
全文摘要
本發明公開了一種計算巖石II型斷裂韌性的方法，包括有下列步驟1)測試巖石的II型斷裂韌性；2)測試巖石的抗壓強度；3)建立巖石II型斷裂韌性計算模型；4)利用步驟3)中的計算模型獲得巖石II型斷裂韌性。本發明中獲取了準確的巖石II型斷裂韌性後，可很大程度的提高各種水力壓裂模型的預測精度。可預測水力壓裂裂縫從開始起裂、裂縫擴展過程中在地層空間的彎曲幾何形態，從而可計算出裂縫寬度分布和裂縫面摩阻大小，為壓裂支撐劑和壓裂液性能設計提供科學的基礎，可保證壓裂支撐劑有效分布在水裂裂縫面上，形成有效的洩油通道，而不是堵在井壁裂縫口處造成壓裂作業失效。
文檔編號G01N1/28GK1818608SQ20051000769
公開日2006年8月16日 申請日期2005年2月7日 優先權日2005年2月7日
發明者陳勉, 金衍, 王懷英, 張廣清 申請人:石油大學(北京)