基于巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線和超聲波縱波速度的頁(yè)巖脆性指數(shù)測(cè)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及巖石力學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及測(cè)定巖石脆性指數(shù)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國(guó)頁(yè)巖氣資源儲(chǔ)量豐富、開(kāi)發(fā)潛力大，但是頁(yè)巖巖石的力學(xué)性能和常規(guī)砂巖有 巨大區(qū)別，頁(yè)巖的脆性是頁(yè)巖的力學(xué)性能的反映，目前，頁(yè)巖脆性的表征方法有多種，部分 脆性計(jì)算公式基于現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)，部分計(jì)算公式只是研究了單軸條件下的脆性，與現(xiàn)場(chǎng) 的脆性有很大的區(qū)別。因此，建立科學(xué)的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層脆性實(shí)驗(yàn)方法和計(jì)算公式，對(duì)于頁(yè)巖鉆 井和壓裂評(píng)估具有重要意義。
[0003] 脆性是頁(yè)巖可鉆性和可壓裂性的綜合體現(xiàn)，是頁(yè)巖本身的一種固有本質(zhì)，但是頁(yè) 巖的脆性與內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部條件有關(guān)，不像楊氏模量和泊松比等參數(shù)為單一的力學(xué)參數(shù)， 頁(yè)巖的脆性是頁(yè)巖在加載條件作用下，評(píng)價(jià)頁(yè)巖微裂隙延伸至失穩(wěn)時(shí)過(guò)程中的行為能力。
[0004] 頁(yè)巖的脆性測(cè)試是儲(chǔ)層力學(xué)評(píng)價(jià)、遽選射孔改造層段和設(shè)計(jì)壓裂規(guī)模的重要基 礎(chǔ)。針對(duì)脆性巖石的脆性指數(shù)評(píng)價(jià)方法有20多種，其計(jì)算公式主要基于巖石強(qiáng)度（抗壓和 抗拉）、硬度、彈性模量、能量、泊松比和礦物組分進(jìn)行計(jì)算。完全針對(duì)頁(yè)巖的脆性指數(shù)方法 少于10中，通過(guò)現(xiàn)有的頁(yè)巖脆性指數(shù)方法分析，可W發(fā)現(xiàn)：
[0005] (1)注重結(jié)果參數(shù)對(duì)脆性的影響。目前許多的計(jì)算公式單純利用頁(yè)巖的閥值結(jié)果 進(jìn)行脆性計(jì)算，例如利用強(qiáng)度進(jìn)行脆性指數(shù)的計(jì)算公式中，只需要考慮單軸壓縮實(shí)驗(yàn)的抗 壓強(qiáng)度和己西劈裂實(shí)驗(yàn)的抗張強(qiáng)度值。
[0006] (2)部分計(jì)算公式為統(tǒng)計(jì)結(jié)果。有些頁(yè)巖脆性計(jì)算的公式只是利用現(xiàn)場(chǎng)壓裂結(jié)果 和頁(yè)巖參數(shù)的統(tǒng)計(jì)，例如利用礦物組分進(jìn)行頁(yè)巖脆性計(jì)算公式，主要利用巖石的脆性礦物 進(jìn)行計(jì)算，忽略了成巖環(huán)境、構(gòu)造等對(duì)頁(yè)巖脆性的影響。
[0007] (3)忽略了儲(chǔ)層條件對(duì)脆性的影響。目前大部分基于強(qiáng)度的脆性指數(shù)計(jì)算公式都 是不考慮儲(chǔ)層實(shí)際壓力條件的計(jì)算，實(shí)際頁(yè)巖在儲(chǔ)層深度條件下的脆性與實(shí)際計(jì)算的脆性 差別較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明提供一種基于巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線和超聲波縱波速度的頁(yè)巖脆性指數(shù)測(cè) 定方法，該方法基于頁(yè)巖=軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的形狀和超聲波縱波速度變化的分 析，可W方便的計(jì)算頁(yè)巖儲(chǔ)層條件下的脆性指數(shù)。
[0009] 巖石微裂紋開(kāi)裂和宏觀開(kāi)裂是巖石脆性的表觀形象，也是軸向應(yīng)力和圍壓做功的 過(guò)程，本發(fā)明提出的方法是利用=軸壓縮實(shí)驗(yàn)和超聲波縱波測(cè)試，確定頁(yè)巖發(fā)生損傷的時(shí) 間點(diǎn)，根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀和縱波速度變化曲線，將應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€劃分為4個(gè)階 段，分別計(jì)算相應(yīng)階段的軸向應(yīng)力所做的單位體積功和克服圍壓所做的單位體積功，從而 計(jì)算頁(yè)巖每個(gè)階段試件吸收的單位體積能量，利用破壞前彈性階段吸收的單位體積能量和 全曲線單位體積能量的比值計(jì)算頁(yè)巖的脆性指數(shù)，該方法能夠計(jì)算不同儲(chǔ)層條件下的頁(yè)巖 的脆性指數(shù)。
[0010] 本發(fā)明具體包括步W下驟
[0011] 1、根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)或者測(cè)井曲線獲得實(shí)驗(yàn)巖屯、層位的地應(yīng)力大小，=軸壓縮測(cè)試的 圍壓等于待測(cè)試件所處地層的水平最小主應(yīng)力的大?。?br>[0012] 2、對(duì)待測(cè)巖樣進(jìn)行S軸壓縮實(shí)驗(yàn)，利用軸向位移傳感器和徑向位移傳感器測(cè)量待 測(cè)試件實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)變，獲得應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€；
[001引 3、S軸壓縮測(cè)試的同時(shí)，軸向應(yīng)力每隔2. 0M化時(shí)，利用試件上壓頭內(nèi)部安裝的超 聲波縱波發(fā)射器適時(shí)發(fā)射縱波信號(hào)，利用下壓頭內(nèi)部縱波接收器進(jìn)行接收，確定縱波在待 測(cè)頁(yè)巖軸向的傳播時(shí)間，確定頁(yè)巖軸向的超聲波速度隨軸向應(yīng)力和時(shí)間的變化曲線；
[0014] 4、根據(jù)超聲波縱波速度隨時(shí)間的變化曲線，確定頁(yè)巖壓縮過(guò)程中，巖石發(fā)生微裂 隙開(kāi)始發(fā)生損傷破壞的時(shí)間點(diǎn)；
[0015] 5、根據(jù)縱波速度變化確定的時(shí)間點(diǎn)和應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的形狀，將應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)?曲線分為壓實(shí)、彈性、初始破壞至失穩(wěn)前、失穩(wěn)后至殘余強(qiáng)度等4個(gè)階段；
[0016] 6、利用應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€和單位體積功的計(jì)算公式，分別計(jì)算4個(gè)階段待測(cè)試件 的軸向應(yīng)力所做的單位體積功和試件克服圍壓所做的單位體積功（能量），每個(gè)階段向應(yīng) 力所做的單位體積功減去試件克服圍壓所做的單位體積功等于頁(yè)巖該階段吸收的單位體 積能量；
[0017] 7、計(jì)算頁(yè)巖的脆性指數(shù)。每個(gè)階段頁(yè)巖吸收的單位體積能量等于軸向應(yīng)力的單位 體積能力減去克服圍壓做功的單位體積能量，=軸壓縮條件下的頁(yè)巖的脆性指數(shù)等于彈性 階段頁(yè)巖吸收的單位體積能量與全階段頁(yè)巖吸收的單位體積能量的比值。
[001引本發(fā)明是一種綜合評(píng)價(jià)方法，該方法既考慮到了破壞對(duì)波速的影響，也考慮到了 壓縮過(guò)程各個(gè)階段的變化對(duì)頁(yè)巖脆性指數(shù)的影響，是一種考慮頁(yè)巖各個(gè)階段力學(xué)性能的綜 合計(jì)算方法，提高了巖石脆性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和合理性。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述 中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹。
[0020] 圖1是本發(fā)明實(shí)施提供的實(shí)驗(yàn)測(cè)定系統(tǒng)示意圖
[0021] 圖1中，1-S軸壓縮實(shí)驗(yàn)主體框架；2-圍壓加載管線；3-圍壓液體回收管線；4-軸 向應(yīng)變測(cè)量傳感器；5-縱波速度測(cè)試傳感器；6-待測(cè)頁(yè)巖試件；7-徑向應(yīng)變測(cè)量傳感器； 8-連接測(cè)試裝置和實(shí)驗(yàn)裝置總控制的數(shù)據(jù)線；9-實(shí)驗(yàn)裝置總控制臺(tái)；10-圍壓加載系統(tǒng)； 11-處理計(jì)算機(jī)。
[0022] 圖2是本發(fā)明利用超聲波速度確定彈性階段末端的示意圖；
[0023] 圖2中，左圖表示頁(yè)巖天然裂縫發(fā)生損傷前的示意圖；中圖表示實(shí)驗(yàn)獲得的應(yīng) 力-應(yīng)變?nèi)€和=軸壓縮過(guò)程中的縱波速度變化曲線，其中，損傷前和損傷后的階段界 限利用超聲波速度的變化進(jìn)行界定；右圖表示頁(yè)巖開(kāi)始發(fā)生微裂隙擴(kuò)展時(shí)的微裂隙擴(kuò)展示 意圖；14-應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€；15-超聲波縱波速度與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線；16-微裂隙發(fā)生 損傷的界限點(diǎn)。
[0024] 圖3是本發(fā)明脆性指數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定流程圖
[0025]圖4是本發(fā)明基于應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€計(jì)算單位體積能量的示意圖
[0026] 圖4中，Wi'-壓實(shí)階段軸向壓力作的