文摘

脆性页岩储层是一个重要的力学参数,对水力压裂法有显著的影响。页岩脆性的传统评价方法主要是基于完整的应力-应变曲线压缩载荷作用下,几乎可以描述页岩水力压裂时的断裂特征。提出定义脆性指数基于巴西分割测试,建立了相应的评价方法,形成一个拉伸为不连续的页岩脆性评价体系。巴西劈裂试验和离散单元进行数值模拟来研究裂缝分布特征后拉伸断裂以及各向异性的影响和规模影响页岩的脆性。结果表明,拉伸脆性指数更准确和敏感条件比压缩脆性指数变化。实验从Longmaxi形成页岩岩心,志留系、四川盆地。

1。介绍

岩石脆性的关键指标是评价储层地质属性。它有一个对水力压裂的结果产生重大影响。学者们有不同的意见岩石脆性的定义。拉姆齐(1)定义脆性的能力克服内在凝聚力的力量当材料发生脆性破坏。莫理和Heteny2,3]提出脆性期间缺乏可塑性材料的失败。财大和杜瓦尔(4)在实验中岩石和建议的材料稍微加载期间达到或超过其屈服强度。业界也提出了具体的评价方法计算脆性指数(5]。里克曼et al。6)表明,岩石脆性主要由弹性模量和泊松比的影响。他们从页岩总结他们的研究结果,提出低泊松比和弹性模量越高,越易碎岩石。李等人。7]认为整个岩石破裂过程基于完整的应力-应变曲线,评价脆性使用前后力学性能曲线峰值,并计算综合脆性指数结合经验公式。Jarvie et al。8)提出了一个计算方法基于脆性矿物含量的脆性指数。2009年,小王和盖尔(9]改善Jarvie et al的脆性的定义分类白云石韧性矿物脆性矿物和有机物。2010年,重庆等。10)利用页岩脆性矿物含量与地质参数代表页岩脆性相结合,它提供了一个定量依据评估页岩脆性。

金等。11)从能量的角度定义了脆性。他们建议岩石韧性如果它可以吸收大量的能量之前失败;否则,岩石脆性。断裂力学中的能量法可用于可靠地定量评价岩石脆性。岩石的增加ductileness可以看成是能量耗散的增加12]。陈等人。13]提出了脆弱性评价方法基于能量耗散机制。他们表示,更大的能量耗散,脆性指数越低。Cai et al。14)进行了拉伸实验,研究脆性岩石中裂缝起始和传播行为。他们相信有一个脆性指数之间的相关性和断裂起始压力。在岩石拉伸断裂过程中,裂隙发起和扩展,直到样品坏了。相应的强度几乎等于岩石抗拉强度(15]。一旦出现微裂纹在脆性岩石拉伸实验中,裂缝将传播不稳定(16),这表明,岩石拉伸试验结果同意页岩水力压裂的裂缝特征。因此,本文克服了限制使用prepeak力学参数和postpeak压力衰减程度代表岩石脆性,提出基于拉伸断裂脆性指数的定义,提出了一种综合评价方法和预测模型,形成一个理论体系评价页岩脆性拉伸条件下。

2。下的页岩脆性试验研究巴西分裂测试

2.1。页岩采样和处理

页岩岩心钻探从2400米深Longmaxi页岩储层的形成、志留系、四川盆地。的页岩露头Longmaxi箱包裂缝发育形成,和大多数关节织品或裂缝垂直于层理飞机(图1)。相比之下,井下岩心Longmaxi形成的高密度样品表面的薄层理线(图2)。

巴西劈裂试验进行露头和井下岩心Longmaxi形成评估页岩的脆性特征。

气缸和样品直径25毫米和50毫米的高度是钻平行于层理的飞机。然后,他们被切成磁盘样品直径25毫米和5毫米厚度(图3)。测试角度的定义是加载方向和法线方向的夹角的床上用品的飞机。研究页岩的脆性特征在不同的测试角度下,加载线平行于加载方向是画在每个样品在测试之前。

2.2。巴西劈裂试验

开展巴西分裂测试使用的仪器是rtr - 1500高温高压岩石三轴测试系统由生殖芽细胞肿瘤位于坦佩亚利桑那、美国,如图4。系统能够测试和分析了声速、渗透率、原位应力和机械强度芯在高温、高压环境中。

开始测试,样品放在一个弧形夹具,确保加载线是与加载方向(图保持一致5)。然后放在压缩测试架机器,产生小的径向加载样品通过伺服压力。在测试期间,加载应力缓慢而稳定地增加,压头以预定义的速度不断下降,直至样品失败。

2.3。实验方案和结果

埋深等因素,矿物含量、取心角和测试条件有很大影响页岩的力学特性(17]。因此,核心样本分为4组根据他们的埋深。在第二组,测试角度设置在0°、45°、90°。由于加载速率对岩石的力学行为产生影响18),不同加载率用于分析的敏感性页岩脆性加载速率。试验方案如表所示1。

在实验Strain-stress曲线记录。通过比较在不同的测试条件下(图的结果6),它可以发现页岩的岩石抗拉强度最低。随着埋藏深度的增加,岩心的抗拉强度逐渐增加。页岩的力学参数是高度敏感的加载速率。页岩的岩石抗拉强度的降低逐渐随着加载速率的增加。加载速率对井下核心,有更大的影响和效果也高度相关层面的方向。具体来说,当测试角是45°,井下页岩样品的抗拉强度增加随着加载速率的增加。在高加载率下,页岩往往失败,形成多个分裂的飞机;然而,在低加载率,拉伸裂缝很难发展。因此,加载速率设置0.01到0.02毫米/分钟,保证测试结果的准确性。

3所示。拉伸脆性评价模型基于巴西分割测试

3.1。拉伸载荷作用下页岩脆性评价机制

页岩裂缝具有高脆性(19]。然而,当进行三轴压缩试验来评价脆性,裂缝闭合行为强烈影响实验结果(如图7(一))。相反,当页岩拉伸载荷作用下,床上用品的飞机的结合强度降低,形成大量微裂隙,然后传播和相交。因此,prepeak部分页岩拉伸载荷作用下的应力-应变曲线表现出明显的波动行为,反映出页岩的脆性特征(如图7 (b))。

利用SEM扫描失败页岩样品(如图8)。在初始阶段的脆性破坏,矿物颗粒之间的凝聚力和结合部队减少随着加载应力的增加,导致裂纹的起始样本。随着加载压力继续增加,微裂隙开始传播和相互交叉,形成宏观裂缝。当脆性破坏进入稳定阶段,断裂表面之间的摩擦力增加随着加载应力的增加。在稳定阶段,宏观尺度裂缝承受大部分的加载。摩擦力消失的瞬间达到最大承载力的断裂表面,导致岩石的脆性破坏。

巴西后可以观察到三种类型的故障特征分割测试(图9)。

(1)拉裂。裂缝面有一个线性形状,其方向平行于加载方向和垂直于拉伸应力方向。在这种情况下,表面轮廓粗糙和示例脆性最高。

(2)Tensile-Shear失败。裂缝面有一个半月的形状。由于床上用品表面之间的结合强度的增加,岩石破裂是抑制和骨折传播沿层理飞机和周围的微裂隙,导致tensile-shear失败。这个条件下页岩脆性低于页岩的脆性劈裂抗拉特性。

(3)剪切破坏。裂缝面有一个短的曲线形状。断裂表面滑床上用品的飞机,在岩石破裂的剪切力起着主导作用。在这种情况下页岩脆性是最低的。

时在现场压裂施工过程中,井筒内压力迅速增加,许多微裂隙形成自然弱飞机前拉伸载荷作用下形成裂缝。因此,结果更符合现场条件当拉伸加载下的脆性岩石特征评估。

3.2。页岩脆性拉伸载荷作用下的评价模型

3.2.1之上。脆性指数基于弹性参数

指里克曼提出的模型等。6)评估岩石脆性压缩载荷作用下基于杨氏模量和泊松比,岩石拉伸载荷作用下的弹性参数是用来评估页岩脆性。巴西劈裂试验获得杨氏模量和泊松比进行拉伸加载下的页岩。弹性参数归一化计算页岩脆性指数拉伸载荷作用下: 在哪里是标准化的杨氏模量(GPa),是标准化的泊松比,和是修正因素。的值范围是0 ~ 1。脆性岩石越多,越接近是1。

3.2.2。脆性指数基于曲线峰值特征

较小的岩石变形达到峰值强度之前表明塑性变形程度较低和较高的脆性7]。岩石的应力-应变曲线的峰值点选择拉伸载荷作用下岩石的特征点失败。抗拉强度特征岩石抵抗破坏的能力,和变形峰值点描述岩石的变形程度时失败。因此,脆性指数基于应力-应变曲线的峰值特征可以计算如下: 在这抗拉强度(MPa)和吗峰值点的变形(%)。

3.2.3。脆性指数基于能量耗散

从能量耗散的角度,可以评估岩石脆性岩石的大小内在凝聚力和裂纹扩展阻力,而后者反映了岩石的自然不可恢复的塑性失效(13]。岩石内在凝聚力比拉伸载荷下的裂纹扩展阻力可以用来量化岩石的脆性;因此,脆性指数拉伸载荷作用下可以计算如下: 在哪里是岩石和的内在凝聚力是总裂缝延伸阻力产生的锋区当应力达到峰值。

三种类型的脆性得到通过上述三种方法。核心的脆性指数高分散度是选为对象来比较不同方法获得的脆性指数,如表所示2。

从结果可以看出,三种类型的脆性指数相互抵牾时用来评估岩石脆性。如果只有一个用于评价的三种方法,其他因素影响岩石脆性会被忽视,导致脆性评价的不确定性。因此,利用多元回归方法计算综合岩石拉伸载荷作用下的脆性指数: 在哪里 , ,和权重系数,是回归校正系数。

计算结果与误差小于0.1选择获取未知系数(4)。由此产生的方程如下: 的回归系数在哪里 , ,和分别是0.8075,0.4271和0.6615。

全面的脆性指数是用来评估核心脆性页岩,结果如表所示3。

与压缩加载下的脆性指数计算相比,拉伸加载下的脆性指数计算是更敏感、准确。

4所示。拉伸脆性评价模型基于离散单元法

模拟页岩在巴西的失败和裂纹扩展过程分割测试和验证脆性评价模型建立的准确性,利用离散单元法建立分层页岩的巴西分割测试模型,进行数值模拟拉伸页岩的脆性破坏。等因素的影响层面角度和核心规模效应在拉伸脆性基于仿真结果进行了分析。

4.1。离散单元模型强度脆性评价

单轴压缩仿真模型是第一个建立了PFC帮助调整微观物理参数通过仿真模型的宏观物理参数相同的核心样本用于实验室单轴压缩试验。PFC的详细参数模型和仿真模型和岩石样本之间的比较表中单独列出4和5。加载方向的仿真如图10。

裂缝发起从中心的磁盘。随着荷载的增加,裂纹沿直径,其传播方向垂直于拉伸应力。传播速度继续增加,直到加载应力到达故障强度和裂缝穿透整个磁盘(图11)。裂缝的数量相关的力学参数样本。脆性岩石越多,越会形成裂缝。通过记录每个模拟裂缝的数量,拉伸脆性指数之间的关系,建立了裂纹数量来评估该方法的可靠性。

数值模拟的页岩在不同条件下拉伸试验获得的裂缝分布特征进行不同强度脆性指数的样本。仿真结果表明,脆性指数越高,越会形成裂缝,更复杂的失效模式(表6)。因此,拉伸脆性指数评价方法的准确性验证数值模拟裂纹扩展行为。

4.2。影响因素的评价抗拉脆性

4.2.1。准备各向异性对页岩脆性的影响

通过改变之间的抗拉强度和抗剪强度(即不同的粒子层。,adding weak bedding planes to the model), 5 different models with different angles between the tensile stress and bedding planes, namely, 0°, 30°, 45°, 60°, and 90°, are established to simulate the different brittle characteristics of shale with different bedding plane angles (Figure12)。

改变层面角度有大量对裂纹萌生和扩展的影响。许多微裂隙发展疲软的床上用品的飞机,但是一个大的区别存在于裂缝的数量,当拉应力和层理飞机之间的角度是不同的。裂缝也可能重新定位自己在床上用品的飞机的方向拉应力的不一致。结合数值模拟的结果和实验室巴西分割测试,可以看出,随着夹角的床上用品的飞机和拉应力增加,页岩的脆性特征先增加然后减少。当30和60°之间的角度是,页岩与疲软的床上用品的飞机拉应力(图下的脆性指数最高13)。

在数值模拟中,微裂隙的数量是最高层面角是45度时由于设置粒子球之间的凝聚力和层理面表面之间的摩擦系数。

4.2.2。规模效应的影响页岩的脆性

通过模拟巴西分割测试不同的磁盘大小,研究了规模效应影响页岩脆性相结合的综合脆性指数模型仿真结果(表7)。

综合强度脆性指数之间的关系和磁盘直径是根据仿真结果,如图14。

之间存在着线性关系微裂隙的数量和直径的磁盘,但变化很小。同样,磁盘直径的变化对综合强度脆性指数几乎没有影响。因此,规模效应的核心很少影响页岩脆性在实验室实验。

5。结论

(1)微裂隙在页岩床上用品的飞机很容易彼此相交拉伸载荷作用下,导致裂缝迅速传播,导致页岩的脆性断裂。根据巴西分割测试,页岩的脆性评价方法提出了拉伸载荷作用下。与压缩脆性指数相比具有离散性大,脆性指数计算的方法具有更强的环境变化的敏感性,从而使更准确的评估在水力压裂页岩脆性。

(2)数值巴西将测试的结果显示,与更大的计算强度脆性指数样本有更多的微裂隙失败后,验证脆性的可靠性评价方法基于巴西分割测试。

(3)当拉应力之间的角度和床上用品的飞机是30至60°,页岩强度脆性指数最高。随着加载速率的增加,页岩的脆性特征更加明显,但巴西分割测试使用的样本大小对页岩的脆性特性几乎没有影响。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者感谢国家自然科学基金委(没有的支持。51574260,没有。51490651,没有。51521063)和国家重点实验室的基础页岩油气的富集机制和有效的开发(没有。10010099 - 16 - zc0607 - 0019)。